筋萎縮を軽減するための電気刺激

序章：

骨格筋は、成長と維持のために機械的負荷の刺激に反応します。 宇宙飛行、手足の固定、寝たきり、および/または不活動などの筋肉活動および機械的負荷の長期にわたる減少は、タンパク質の合成と分解のバランスを変化させ、骨格筋の萎縮を引き起こします (1-3)。 これは、筋肉量、筋繊維の断面積、収縮力と速度の低下、および低速から高速への繊維タイプの変換によって特徴付けられます (4,5)。 筋萎縮の損失を軽減するための多くの対策が報告されており、神経筋電気刺激 (NMES) は、脊髄損傷、固定化、および手術後の筋肉の不使用などの状態で頻繁に使用されています (6,7)。 実際、COPD、慢性心不全、がんなどの進行性疾患を持つ成人の筋力低下に対するNMESの有効性に関する最近のコクランレビューでは、NMESが筋力低下を改善する有効な手段であることが示されました(8)。 メタ分析には、合計 218 人の参加者を対象とした 11 件のランダム化比較試験 (RCT) 研究が含まれていました。 NMES は、0.9 の標準化平均差 (SMD) (95% 信頼区間 (CI) 0.33 ～ 1.46) によって大腿四頭筋の強度を大幅に改善しました。 これは約 25 ニュートン メートル (Nm) に相当し、臨床的に重要であると見なされるべきです。 同様に、最近の別のシステマティック レビューでも、NMES が重症患者の骨格筋の衰弱を防ぐのに有効であることが示されました。 172人の患者を含む8つの適格な研究が分析に含まれていました。 8件の研究のうち、5件の研究がNMESによる筋力の増加または筋力の維持の向上を報告しており、1件の研究は大きな効果サイズ(1.44)を示していました。 2 つの研究では、NMES による筋肉量の保存が良好であり、効果サイズが小から中程度 (0.11-0.39) であることがわかりましたが、他の 2 つの研究では有意な利点は見られませんでした (9)。

NMES の有効性は、臨床状態に依存し、さまざまな刺激パラメーター、特に刺激の頻度と持続時間の影響を受けます。 従来、NMES は、神経筋接合部への経皮電流の適用と見なされており、運動単位の活動電位を脱分極し、筋肉の収縮を誘発することを目的としています (10)。 この電気的に誘発される筋収縮は能動的な筋力強化をシミュレートしており、適切な負荷をかけることで筋力が増加するという筋トレの原理に基づいています。 このトレーニング効果を達成するために、通常使用される刺激パラメータは、被験者が最大限に耐えられる電流密度でテタヌス収縮を生成することを目的としていました (8,9)。 ただし、これは現在採用されている刺激プロトコル (つまり. 50Hz以上の高周波数、被験者の最大許容限界での振幅、および筋萎縮に対抗するための短い期間（30分から1時間）には、2つの主な欠点があります。 第一に、機械的除荷は、骨格筋の構造と機能に有害な変化をもたらすことが十分に確立されており、筋肉量、筋線維の断面積、収縮力と速度、および遅速から速速の減少によって特徴付けられます。繊維タイプの変換 (レビューについては、11 を参照してください)。 したがって、遅筋繊維は、速筋繊維よりも除荷または廃用効果の影響を受けやすい. 従来の高周波刺激プロトコル (50 Hz) は、遅筋の運動単位発火パターンと一致しません。 さらに、電流密度が高いため、電気刺激中に対象者に痛みではないにしても、必然的に不快感が生じます。 被験者は何時間も電気刺激に耐えることができません。 これは、用途が廃用性筋萎縮症の対象、または進行性疾患によって引き起こされる筋力低下の対象である場合に特に当てはまります。 非常に多くの場合、このグループの被験者の疼痛耐性は、通常の健康な被験者よりも一般的に低くなります。 したがって、現在採用されているプロトコルは、筋機能の増強のための NMES の最良の結果を必ずしもレンダリングしない可能性があります。 筋萎縮に対抗する NMES の有益な効果は十分に活用されていませんでした。 神経筋電気刺激後の下肢骨格筋の代謝および構造変化を調べる最近の系統的レビューでは、わずか 18 の研究が特定されました。 これらの研究のうち 8 つは酵素活性を調査し、7 つは筋繊維の組成に関する研究、14 は筋繊維のサイズに関する研究でした。 これらの 18 件の研究のうち、RCT 研究は 9 件のみであり、方法論の質は概して劣っていた。 著者らは、NMES は酸化酵素活性、骨格筋繊維の種類、および骨格筋繊維のサイズに好ましい変化をもたらす可能性があると結論付けています。 NMESプロトコルの大きな不均一性を考慮して、著者らは、最適な筋肉変化のための刺激頻度に関して明確なコンセンサスはないと結論付けました(12)。例えば、Theriault et al. (13) は、8 人の健康な成人の膝伸筋に長時間の電気刺激を行いました。 電気刺激プロトコルは、1 日 8 時間、1 週間 6 日、8 週間の期間でした。 刺激パラメーターは低周波 (8 Hz) で、強度は目に見える振動を生成できる程度でした。 結果は、刺激の 4 週間後に膝伸筋のパフォーマンスの大幅な改善を示唆しました。 ただし、この研究はRCT研究ではなく、研究には対照群があります. 一方、NMES の効果を調べた RCT 研究の 1 つでは、高周波数 (50 Hz) を取り入れましたが、プラセボ群として非常に低い振幅 (筋収縮なし) を取り入れたところ、プラセボが介入群よりも優れた効果を生み出すことが偶発的に明らかになりました。 -0.12 の SMD による NMES グループ対プラセボ グループ (95% CI: -0.63, 0.39) (8,14)。 Banerjee と彼のグループはまた、低周波数 (4 Hz) でありながら高振幅 (300 mA) の電気刺激プロトコルを示しました。1 日 1 時間、6 週間は、座りがちな健康な成人および安定した慢性心不全患者の大腿四頭筋の筋力を大幅に向上させることができます ( 15, 16)。 したがって、基礎科学とこれらの臨床研究からの発見は、筋萎縮を軽減するためのより効果的な NMES 刺激プロトコルのさらなる調査の必要性を示唆しています。

テストする目的と仮説:

これらに対処するために、この提案の研究者は、NMES は高頻度で高振幅でなければならないという従来の考えに異議を唱えました。 研究者は、低周波数と低振幅が筋萎縮の軽減に効果的であるという仮説を検証し、筋肉の除荷に関連する細胞メカニズムを調査しました。 後肢懸垂動物モデルを使用して、研究者は以前に、後肢懸垂中に、定義されたタイミングとパルスパラメーターを使用してヒラメ筋に 20 Hz で低周波電気刺激を適用すると、衛星細胞の損失が部分的に救済され、ファイバークロスが改善されることを実証しました。断面積（17）。 研究者はさらに、周波数の電気刺激パラダイムを使用することを実証しました: 20 Hz;期間: 3 時間、14 日間の後肢除荷 (HU) を受けた 8 週齢のオスの BALB/c マウスに 1 日 2 回。 この刺激パラダイムは、サテライト細胞の増殖能を高めるだけでなく、廃用誘発性筋萎縮におけるアポトーシス細胞死を抑制することができます。 形態学的には、電気刺激を受けた後肢は、HU肢と比較して、筋肉量、断面積、および最大テタヌス力の有意な改善を示しました(18)。 最近、研究者は最適な刺激プロトコルをさらに調査し、2、10、および 20 Hz の 3 つの低周波プロトコルの中で、2 Hz で 2 × 3 時間/日刺激することが、筋線維交差の損失を軽減する上で最良の効果を達成したことを実証しました。断面積と力。 この刺激パラメーターは、サテライト細胞の増殖を 1.2 倍に増加させ、細胞をアポトーシスから救うのに効果的でした (19)。 基礎科学研究からのこれらすべての有望な発見により、研究者は、提案されたNMESの新しいパラダイムが進行性筋萎縮症の被験者でテストできると信じています. 研究者らは、2 Hz で 2 × 3 時間/日の NMES が、下肢姿勢筋萎縮、すなわち大腿四頭筋、腓腹筋およびヒラメ筋複合体の軽減/改善に有効であるという仮説を立てています。

調査計画:

現在採用されている NMES 刺激プロトコルに関する既存の文献の調査結果に基づいて、研究者らは、提案された NMES の新しいパラダイムが筋肉断面積の改善により効果的であると仮定しました (CSA )、筋力、持久力、運動耐性、およびさまざまな病状を伴う筋萎縮を軽減するために NMES を必要とする被験者、特に慢性閉塞性肺疾患 (COPD) 患者により受け入れられます。