炎症性腸疾患患者の疲労の原因を特定するための非侵襲的アプローチ。 (IBD Fatigue)

背景情報 炎症性腸疾患 (IBD) の疲労は、下痢を伴う活動性クローン病 (CD) 患者の最も一般的な医学的症状であり、寛解期の CD 患者の関節痛に次いで 2 番目に一般的な愁訴です。 James Lind Alliance と British Society of Gastroenterology の間の IBD 優先順位設定パートナーシップは、IBD 疲労が英国の研究優先順位のトップ 10 であることを強調しています。

疲労の有病率は、寛解期には 41 ～ 48% の範囲であり、病気が活動しているときには最大 86% まで増加します。 慢性疲労は、IBD における健康関連の生活の質の低下と身体活動の低下に関連しており、小児コホートでは正常な成長発達において主要な役割を果たしています。 貧血、炎症性負担、栄養不足などの可逆的な臨床的原因がない場合、これらの患者の疲労の原因はまだ不明です. 現在のアプローチは、CD 患者の潜在的な治療アプローチや正確な臨床評価の手がかりを提供することに限界があります。 これは、疲労を評価する際の多成分アプローチの欠如と、方法論的な感度と信頼性の低さが原因である可能性があります。 IBD 疲労については、身体的、認知的、および情緒的要素の多次元概念が提案されています。 しかし、IBD 疲労を治療する方法は不明のままです。 運動療法、心理社会的介入、および解決策に焦点を当てた療法はすべて治療の選択肢として提案されていますが、説得力のある効果が示されているものはありません.

疲労は、どちらも同様に重要な周辺プロセスと中枢プロセスから発生します。 末梢疲労は筋肉の病因に起因するのに対し、中枢疲労は中枢神経系 (CNS) の障害による筋肉への随意活性化の漸進的な運動誘発減少です。 現在のアプローチは、筋肉レベルでの末梢疲労と中枢神経系レベルでの中枢疲労を適切に定量化できないという点で制限されています。

末梢疲労：筋肉活動の必要性

肉体的疲労は、筋肉量と質の低下 (サルコペニア) につながり、その結果、筋肉機能が低下します。 筋肉量減少の要因には、運動不足やアナボリック抵抗が含まれ、筋肉タンパク質合成に対するタンパク質栄養の刺激効果を大幅に鈍化させます. これに合わせて、活動性CDの患者は、肥大骨格筋シグナル伝達経路の発現の有意な減少を示しますが、萎縮シグナルの発現には変化がありません。

筋肉の質の低下は代謝機能障害の重要な原因であり、末梢疲労の原因として見過ごされがちです。 予備の未発表データで、研究者らは活動性 CD 患者の骨格筋がグルコース摂取に反応して鈍いグルコース取り込みを示すことを初めて示し、CD 患者の筋肉代謝の質が低下していることを示唆している。

疲労した IBD 対象者では、有酸素運動能力 (VO2max)、筋力、および身体活動の障害に対する中程度から大規模な効果サイズが、疲労歴が報告されていない対象者および正常集団と比較した場合、疲労のある対象者に見られます。 慢性閉塞性肺疾患 (COPD) の場合と同様に、CD における疲労の病因である疾患負荷に続く不活動を指摘することで、静止状態の CD 疾患における身体的不活動は、これらの観察を裏付ける説明となる可能性があります。 運動不足は、小児コホートと成人コホートの両方ですでに CD で示され、疾患活動性と有意に相関していますが、依然として寛解期に広く見られます。 これは、運動不足による疲労の病因に循環性があることを暗示しているかもしれませんが、これら 2 つの要因が単純で直接的な因果関係を持っているとは考えにくいです。 実際、習慣的な身体活動がボランティア間で一致している場合でも、骨格筋の疲労は CD で最も一般的であり、主に疲労を訴える被験者で顕著です。 まとめると、これらのデータは、疲労の症状を報告する IBD 患者の早期疲労発症に、心肺機能の低下と末梢筋のデコンディショニング (筋ミトコンドリア密度の低下に関連している可能性があります) の両方が寄与していることを示しています。

中枢性疲労：心肺調節の必要性

骨格筋、心臓呼吸器系、CNS は相互に関連しています。 予備データでは、機能的 MRI 技術を使用して、脳神経活動の血行動態測定の間接測定である脳灌流 (または脳血流; CBF) の変化を評価することが可能であることが初めて示されました。加齢に伴う心肺機能の低下。 これらのデータは、動脈スピンラベリング (ASL) を使用して直接測定された CBF、または血中酸素レベル依存 (BOLD) を使用して間接的に測定された CBF が、心肺機能が低下した高齢者で減少し、若いボランティアよりも疲労しやすい可能性が高いことを示しています。 これは、CBF と脳活動との結合が心拍出量によって調節され、CD 患者の中枢性疲労に関連する脳機能を改善するように操作できることを示唆しています。

これは、CD患者の中枢性疲労に対する運動中の脳灌流の影響を決定するための非侵襲的機能的脳MRI技術の可能性を強調しています. さらに、これらの定量的アプローチを使用して、心血管フィットネスの改善と適切な下流の運動または薬理学的介入が中枢性疲労を変化させることができるかどうかを判断できます。

1.提案された調査の目的と目的

仮説: 研究者は、IBD 疲労の病因は末梢筋の衰弱と脳の中枢性疲労に集合的にあり、後者は心肺機能の低下および/または心拍出量の低下に続発するものであり、中枢性および末梢性疲労の両方が疲労に寄与するという仮説を立てています。 IBDの開発。

目的:

この仮説に対処するために、研究者は、寛解および年齢、性別、筋肉量、および身体活動が一致した健康なボランティアで、疲労したおよび疲労していない CD 患者のコホートを募集することを目指しています。 疲労症状は、スクリーニング時に関連するアンケートを通じて定義されます。 研究者は、その後、最大随意等尺性収縮中の膝伸筋の筋力と、大腿四頭筋群の疲労発生を客観的に定量化します。 後者は、連続した 20 回の等速性膝関節伸展における筋肉のピーク トルク発達の損失として定義されます。 疲労の病因における末梢（筋肉）および中枢（CNS）の役割が調査されます。 末梢筋のデコンディショニングは、31 リン MRS を使用して、運動からの回復中の筋肉リン酸化クレアチン (PCr) 再合成を定量化することによって調査されます。また、中枢性疲労の可能性は、MRI を使用した CNS 灌流および脳酸素分画抽出のさまざまな測定によって調べられます。

調査の詳細計画と科学的手順/方法論

研究者は、36か月以内に、IBD疲労の病歴の有無にかかわらず、寛解状態にある32人のCD患者を募集することを目指しています（IBD疲労コホートの場合はn = 16、IBD疲労コホートのない場合はn = 16）。 これらのコホートは、以下に概説する実験プロトコルを受けるために、年齢、性別、筋肉量、および身体活動が一致した 16 の健康な対照 (既存のノッティンガム消化器疾患生物医学研究ユニットおよび MRC/ARUK データベースから) と比較されます。 研究者は、疲労に対するその潜在的な主な影響を調査するために、身体活動を具体的に照合します。

目的 1 (1 日目): 筋力、疲労、および心肺機能を測定します。

同意に続いて、CD および健康なマッチ コントロールのボランティアは、筋肉の強さを決定するために、大腿四頭筋群 (それぞれ 30 秒で区切られている) の 3 つの最大等尺性膝伸展を実行します。 これに続いて、ボランティアは、Cybex アイソキネティック ダイノモメーター (Cybex Norm、米国) で 20 回の最大片脚膝伸展を実行し、毎秒 90 度の一定角速度で筋肉トルクの発生を測定します。 それぞれの最大随意収縮は、膝が 90 度屈曲した位置から開始され、膝が完全に伸展するまで継続されます。 各収縮の後、脚は受動的に開始位置 (約 1.1 秒) に戻り、そこから次の収縮がすぐに開始されます。 この目的における疲労の結果の尺度とゴールド スタンダードの定義は、20 回の膝伸展における収縮ごとのピーク トルク生成の減少として定義されます。 この速度での最大随意収縮は、大腿四頭筋群の I 型および II 型の両方の筋線維の動員をもたらすことが以前に示されています。 30 分後、ボランティアは、MR 対応のステップ エルゴメーター (Ergospect 診断ペダル) を使用して、継続的で漸進的な仰臥位運動テストを受けます。 運動は、オンラインの呼気ガス分析 (Cosmed、ローマ、イタリア) を使用して仰臥位運動中のピーク VO2 を決定するために 3 分ごとに増加する低負荷で開始します。 二酸化炭素 (CO2) の生成と酸素 (O2) の消費は、テスト全体で測定され、ピーク酸素摂取量と呼吸交換率 (RER) の測定に使用されます。 これらのデータは、デュアル エネルギー X 線吸収測定法 (DEXA; Lunar Prodigy、GE Medical Systems、バックス、英国) によって測定された体組成に正規化され、心肺 (または有酸素) フィットネスのゴールド スタンダード測定を提供します。

目的 2 (2 日目): 脳灌流と中枢疲労を判断します。

最近、ノッティンガム大学のサー ピーター マンスフィールド イメージング センターの研究者と協力して、研究者は、ボランティアの運動に対する皮質血管反応と、加齢と心肺フィットネスにおけるその変調を定量化するためのプロトコルを開発しました。 ここでは、同じアプローチを使用して、CD 患者の中枢性疲労に関連する脳領域の運動に対する皮質血管反応を評価します。

CD患者のこのメカニズムを研究するために、研究者らは、血中酸素レベル依存（BOLD）測定と動脈スピン標識（ASL）-MRIを使用して心拍出量と脳および局所灌流を測定し、 MR 互換エルゴメーター (Ergospect 診断ペダル) を使用した大腿四頭筋の仰臥位運動中のそれぞれの TRUST-MRI を、与えられた相対 VO2max 値 (目的 1 で測定) で測定します。

このマルチモーダル アプローチは、脳灌流とニューロン活動の間の潜在的な切り離しと、健常対照者と比較した IBD 患者の中枢性疲労における中枢性低酸素血症の役割を決定します。 さらに、これらのデータは、心肺機能、筋力、および疲労と相関し、IBD 患者の疲労における中枢プロセスの主な役割を決定します。 これらの脳血管測定が疲労の発生に関連している場合、神経血管結合のこの指標は、筋肉組織と同様の方法で運動トレーニングから恩恵を受ける可能性があります.

目的 3 (2 日目): 筋肉のデコンディショニングを決定します。

運動中にエネルギー (ATP) を維持するために、骨格筋は ATP の酸化的 (ミトコンドリア) および非ミトコンドリア産生を調節します。 健康な個人では、総エネルギー生産に対する非ミトコンドリア ATP 生産の相対的な寄与は、一般に、筋肉の不快感や疲労に直接関連する代謝副産物の蓄積の大きさを決定する運動強度によって決まります。 病気の状態では、疲労と筋肉痛の悪化は、筋肉血流の減少および/またはミトコンドリア量の減少に起因しています。

CD 患者のこれら 2 つのプロセスを分離するために、参加者は MRI スキャナーで足底屈曲運動を繰り返し実行しながら、四肢の血流をカフで塞ぎます。 これにより、PCr (ATP の利用可能な予備) がゼロになります。 具体的には、下肢カフを装着した参加者は、MR 対応エルゴメーターを使用して 5 分間で 30 回の収縮を行います。 カフが取り外されると、非侵襲的で十分に確立された in vivo 31P 磁気共鳴 (31P MRS) 腓腹筋測定が行われ、安静時の回復中の PCR 再合成率が決定されます。 31P MRS データは、社内の方法を使用して平均化、処理、および定量化されます。

PCR 再合成の速度はミトコンドリアの質量に正比例し、酸素供給は運動回復中に制限されないため、in vivo での筋肉代謝の低下を測定することができます。

サンプルサイズ

1. 心肺フィットネス: 研究者は以前、健康なボランティアの VO2max が 3.65 (0.5) L/min であるのに対し、疲労した IBD 患者の VO2max は 1.99 (0.44) L/min であり、疲労していない患者は 2.43 (0.75) L/min であることを示しました。 )L/分 検出力が 80% で α=0.05 であると仮定すると、健康なボランティアと疲労していないコホートの間に有意差を示すには、各グループに 6 人の被験者が必要であり、2 つの CD 間の差を示すには、各グループに 13 人の患者が必要です。コホート。
2. 筋肉の疲労: 筋肉の最大トルク伸張 180⁰/s (Nm) は、疲労した IBD 患者と疲労していない IBD 患者のほうが低くなっています (それぞれ 60.73 対 73.5、SD 12.3)。 検出力が 90% で α=0.05 であると仮定すると、疲労した CD コホートと疲労していない CD コホートの違いを示すには、各グループに 16 人の CD 被験者が必要です。 重要なことに、筋肉疲労の速度 (運動プロトコルの繰り返し 2 から 30 までの力の減少の勾配として定義される) は、健康なボランティアよりも CD で有意に大きい (5.2 Nm/分対 1.3 Nm/分、SD 3.この例では検出力が 90% で α=0.05 であると仮定すると、CD ボランティアと健康なボランティアの違いを示すには、各グループに 11 人の被験者が必要です。
3. 筋肉のコンディショニング: 最近の研究では、Pcr の再合成速度は、痩せた座りがちな被験者では 27.9 ± 0.6 秒であるのに対し、2 型糖尿病患者 (T2DM) では 36.5 ± 2.4 秒であることが示されています。 したがって、100% の検出力と α=0.05 を仮定すると、健康なボランティアと T2DM 患者などの潜在的に疲労しているコホートとの違いを示すには、各グループに 3 人の被験者が必要です。
4. アナボリック耐性: さらに、アナボリック耐性に関する私たちの最近の研究では、CD ボランティアと健康なボランティアの間で筋肉の質に有意差があることが既に示されています (有意差は n=5 の患者で観察されました)。 利き腕の前腕疲労のパーセンテージは、CD とコントロールでそれぞれ 26.75%±11.1 と 18.3±7.8 です。 検出力が 80% で α=0.05 であると仮定すると、各アームに 11 人の被験者が必要です。
5. MRI: これらの IBD コホートのパイロット データが収集されていないため、この正確な MRI 研究を強化することはできません。 しかし、研究者らは以前に、心肺フィットネステスト中に 30% VO2max で若者の脳灌流が 18±6% 増加することを示しました。 高齢者では、3±4％しか増加しません。 検出力を 100% とし、α=0.05 と仮定すると、健康なボランティア (若者) と疲労の可能性があるコホート (高齢者) との間に有意差を示すには、各グループに 10 人の被験者が必要です。 さらに、fMRI BOLD 分析では、各コホートに最低 12 人の被験者が必要であると一般に考えられており、MR スキャナの感度が向上しています (したがって、時間信号対雑音比 (SNR) が高くなり、個々の被験者分析が改善されています)。

上記の理由から、調査員は、各グループ (疲労 CD、非疲労 CD、および健康なボランティア) の 16 人の被験者が、選択した客観的エンドポイントの違いを示すのに十分であると考えています。

データ分析 疲労は、上記のように 20 回の等速性膝伸展でのピーク トルク発生の低下として測定されます。 PCR 再合成率と部分的な脳酸素抽出は、目標 2 と 3 の主要なエンドポイントになります。

31P MRS データは、標準の NMR ソフトウェア (臨床および生物医学 MRS 用の jMRUI ソフトウェア) を使用して分析されます。 正確には、時系列のすべてのスペクトルがアポダイズされます (15 ～ 20 Hz のローレンツ型)。 これらのスペクトルから、5 つのピークの信号強度がラインシェーピング後に決定されます。 pHは、PCrとPiの間の周波数シフトを測定することにより、運動プロトコルの前と最後に決定されますが、MATLAB（MathWorks Inc.、Matrix House、Cambridge、UK）で社内で書かれたコードが使用されますPCR回収率のさらなる計算。 この場合、jMRUI からの PCRr ピークのピーク面積強度は、スクリプトの入力として使用され、単一指数関数を使用してデータの時間コースに適合します: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ τ); PCr は PCr ピークの強度レベル、C a 定数、τ [s] PCr 回復の速度定数、および t [s] 時間であり、運動プロトコル (t0) の終了時から開始します。 筋肉エネルギーの 31P MRS 測定値の再現性は、訓練を受けた人間で最近評価され、運動中 (27%) と安静時 (8%) の変動係数が比較的低く、15 人のボランティアで差が検出可能であったことが示されています。 これは、31P MRS アプローチが、ヒト骨格筋における PCR 再合成率の再現可能で実験的に有用な測定を提供することを確認します。

BOLD MRI データは、標準的なニューロ イメージング パッケージ (統計パラメトリック マッピング (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience および FMRIB ソフトウェア ライブラリ ソフトウェア) を使用して分析されます。 画像は、参加者間の平均化を容易にするために、標準のモントリオール神経学研究所のテンプレートに正規化され、動きが補正されます。 すべてのデータ取得について、研究者はベクトル心電図 (VCG) と呼吸運動を記録して、生理学的ノイズに対してデータを補正できるようにします。 運動刺激に対する中枢神経系の反応を識別するために、コントラスト ベクトルが形成されます。 研究者は、運動介入後に BOLD 信号の減少/増加を示す脳領域の統計マップを作成します。 これらの統計マップは、介入による対比および参加者グループ間の対比で使用されます。 結果は、第 2 レベルのランダム効果グループ分析 (RFX) にプールされ、アクティブな脳領域が誤発見率補正確率 P < 0.05、k > 5 で表示されます。 これらの分析は、以前に実行され、私たちのグループによって公開されています。 ASL データは運動補正され、モデル化されて灌流が ml/100g/分で定量化され、全体的および局所的な灌流測定値が運動介入の前と最中に比較されます。 TRUST データは、運動介入前および運動介入中の部分酸素抽出を計算するために使用されます。 データは、平均 +/- 平均の標準誤差 (SEM) として表示されます。 バイナリ比較は t 検定によって実行されますが、多重比較は 3 つのグループ間の事後ボンフェローニ補正による分散分析で実行されます。 サイトカイン、ビタミン D、および疾患期間の影響は、相関係数および事後多変量解析を通じて調査されます。

調査員は、定量的結果測定値に基づいて被験者を層別化します：PCr 再合成率、VO2max によって測定される心肺フィットネス、筋肉出力の低下、局所灌流の変化、および疲労状態に関係なく脳酸素抽出率。 これは、生理学と代謝のどの変化が特定の疲労症状に最もよく関連しているかについての理解に役立ちます. これを行うと、IBD 疲労スケールの主観的なカットオフを客観的に定量化できるようになり、疲労をより適切に定義できます。