脳の基質をケトン体と乳酸に切り替える (BSS)

目的:

主要な：

• 脳のケトン代謝と乳酸代謝が、それぞれ絶食と運動に関連した有益な神経栄養反応を引き起こすかどうかを判断する。

二次:

• 絶食と運動が脳のグルコース、ケトン体、乳酸塩の取り込みを改善するかどうかを判断するため。

エンドポイント:

主要な：

• 脳由来神経栄養因子 (BDNF)
• 分泌型アミロイドベータ前駆体タンパク質アルファ (sAPPA)

二次:

• 脳ブドウ糖抽出
• 脳ケトン抽出
• 脳乳酸抽出
• 鼻腔内インスリン投与に反応した脳内ブドウ糖抽出量の増加

仮説：

1. 絶食と高強度の運動は、脳のBDNFとsAPPAの放出を増加させます。これらの反応は、摂食状態と休息状態でケトン体と乳酸塩が循環に受動的に注入された場合と同じです。
2. 断食は、摂食状態でケトン体が循環に受動的に注入された場合よりも脳のケトン代謝を増加させます。
3. 高強度の運動は、安静状態で乳酸が循環に受動的に注入された場合よりも脳の乳酸代謝を増加させます。
4. 鼻腔内インスリンに反応して脳のグルコース取り込みが増加することからわかるように、高強度の運動はグルコースに対する脳のインスリン感受性を改善します。

デザイン

これは、参加者が 4 ～ 6 週間の間隔で 2 つの条件を完了する反復測定クロスオーバー デザインになります。

1. 摂食運動と乳酸とケトンの受動的注入
2. 72時間の絶食運動と乳酸塩とケトン体の受動的注入

どちらの訪問でも、参加者には動脈 (橈骨) および静脈 (内頸静脈) カテーテルが装着され、次の反応に応じた脳の酸化代謝および基質 (グルコース、ケトン、乳酸) 代謝が定量化されます。1) 絶食、2) 6 分間の高強度運動、3) ケトン体の受動的段階的注入（絶食を模倣するため）。 4) 乳酸の受動的段階的注入（運動を模倣するため）。 グルコースに対する脳のインスリン感受性は、鼻腔内インスリンの 1 回投与による運動前後の摂食および絶食状態で定量化されます。 摂食および絶食の安静状態において、メタボロミクスおよび脳からの神経栄養因子（BDNFおよびsAPPa）の産生および放出を定量化するために、腰椎から脳脊髄液サンプルが収集されます。

治験会場 すべての試験は、カナダのブリティッシュコロンビア州ケロウナにある心臓、肺、血管健康センターの研究所のARTsビル（184号室）で行われます。

参加者 サンプルサイズ 男女を含む 12 人の被験者のデータを収集します。 予備データに基づくサンプル サイズの計算 (検出力 > 0.8、有意性 < 0.05) では、8 人の参加者が必要であることが示されています (12)。私たちは、性差を調査するためではなく、人口をより適切に代表するために、男女合わせて 12 人のボランティアを募集することを目指します。 参加者から書面によるインフォームドコンセントが得られます。 ドロップアウト率は 5% 未満と予想されます。

包含基準

• 19歳～40歳
• アンケートによると、定期的に身体活動を行っていることが判明

除外基準

• 現在喫煙している人
• 急性気管支喘息、慢性閉塞性気道または喘息重積状態
• 肥満（BMIが30kg m-2を超える）
• 運動への反応に影響を与える可能性のある毎日の処方薬（降圧薬、抗不整脈薬、吸入薬など）が必要な場合
• 運動に伴う合併症を引き起こす可能性のある疾患/機能不全の病歴。 心血管疾患、呼吸器疾患、神経疾患、筋骨格系疾患
• 月経周期が不規則または無月経（女性）
• 妊娠中、妊娠の可能性がある、閉経後（女性）
• 実験前の運動テストに対する予期せぬ有害反応
• 腰椎くも膜下アクセスに対する禁忌

スクリーニング/ベースライン評価

上記の包含基準と除外基準は、健康診断アンケートと医師による臨床スクリーニングによって検査されます。 このスクリーニングには次の内容が含まれます。

• 安静時血圧、
• 12誘導心電図、
• 心肺運動検査、
• 空腹時血糖。

中止基準

• 侵襲的処置（カテーテル挿入や脳脊髄液採取など）に対する何らかの有害反応（下記のリスクを参照してください）

上記に加え、UBC 臨床研究倫理委員会のガイドラインに従って、すべての研究参加者はいつでも理由なく研究から撤退することができます。

実験手順

参加者は2回に渡って研究室を訪問します。 実験訪問の詳細は以下のとおりです。

1. 摂食運動と乳酸とケトンの受動的注入

   参加者は、好みの軽食を食べてから 1 時間後に研究室に到着します。 参加者はベッドに横になり、橈骨動脈および内頚静脈カテーテルを留置します。 カテーテル挿入の 1 時間後、内頚動脈と椎骨動脈のデュプレックス超音波によって非侵襲的に脳血流が測定されます。 脳の酸化および基質（グルコース、ケトン、乳酸）代謝の安静時の測定のために、動脈および静脈循環から血液サンプルが収集されます。 単一の脳脊髄液サンプルが L4 と L5 の間の腰椎から収集されます。 この手順は、ほぼ毎日患者ケアのためにこれらの技術を日常的に使用する高度な訓練を受けた医師によって行われます。 その後、主要なケトンであるベータ-ヒドロキシ酪酸 (Bhb) が肘前 (腕) 静脈を介して段階的に注入され、循環濃度が 1、3、および 5 mmol/L になります。 完全に回復した後、つまりBhb濃度が静止値に戻ったら、乳酸塩を段階的に静脈内注入して循環濃度を5、10、15 mmol/Lに誘導します。 血中乳酸濃度が完全に回復したら、静脈内併用注入（Bhb と乳酸）を投与して、循環濃度をそれぞれ 3 および 10 mmol/L にします。 その後、参加者には標準的な軽めの食事が与えられ、休憩と消化のために 1 時間の時間が与えられます。 最後に、参加者は、6 分間の高強度サイクリング間隔の完了前後に、鼻腔内インスリンを 1 回自己投与します。 鼻腔内インスリンの最終投与後、参加者は器具を外され、訪問が終了します。 この訪問の合計時間は 3 ～ 4 時間と推定されます。

2. 72時間の絶食運動と乳酸塩とケトン体の受動的注入

この訪問は、参加者が 72 時間絶食して研究室に到着し、すべての実験手順が完了するまで軽食が提供されないことを除いて、条件 1 と同じです。 断食を開始する前に、研究者が断食中の血糖値を追跡できるように、参加者には継続血糖モニターが装備されます。 したがって、今回の訪問の合計時間も 3 ～ 4 時間と推定されます。

高強度の運動プロトコル。 参加者は、100% の最大有酸素パワー (V̇O2max) を引き出す作業速度で 40 秒間のサイクリングを 6 回完了し、その後 25% VO2max での能動的回復を 20 秒行います。 私たちは、この運動により、摂食状態と絶食状態の両方で乳酸が 5 倍以上増加することを示しました (12)。

条件のランダム化。 条件、つまり摂食または絶食の順序はランダム化されます。 絶食では研究室を訪れる前に食事を控える必要があるため、参加者に摂食と絶食の状態を知らせることは不可能です。 研究者は、研究室訪問前の絶食中に被験者をモニタリングするため、目が見えなくなることはありません。