근육 위축 감쇠를 위한 전기 자극

소개:

골격근은 성장과 유지를 위해 기계적 부하의 자극에 반응합니다. 우주 비행, 사지 고정, 침상 안정 및/또는 비활동과 같은 근육 활동 및 기계적 부하의 장기간 감소는 단백질 합성과 분해 사이의 균형을 변경하여 골격근 위축을 초래합니다(1-3). 이는 근육량, 근섬유 단면적, 수축 강도 및 속도의 감소, 섬유 유형의 느린 속도에서 빠른 속도로의 변형이 특징입니다(4,5). 근육 위축의 손실을 약화시키는 많은 대응책이 보고되었으며 신경근 전기 자극(NMES)은 척수 손상, 고정 및 수술 후 근육 사용 중단과 같은 조건에서 자주 사용되었습니다(6,7). 실제로 COPD, 만성 심부전 및 암과 같은 진행성 질환이 있는 성인의 근육 약화에 대한 NMES의 효과에 대한 최근 Cochrane 검토에서는 NMES가 근육 약화를 개선하는 효과적인 수단임을 나타냅니다(8). 메타 분석에는 총 218명의 참가자가 포함된 11개의 무작위 대조 시험(RCT) 연구가 포함되었습니다. NMES는 표준 평균 차이(SMD) 0.9(95% 신뢰 구간(CI) 0.33~1.46)로 대퇴사두근의 근력을 크게 향상시켰습니다. 이것은 대략 25뉴턴 미터(Nm)와 같으며 임상적으로 중요한 것으로 간주되어야 합니다. 유사하게 최근의 또 다른 체계적 검토에서도 NMES가 중환자의 골격근 약화를 예방하는 데 효과적이라는 사실이 밝혀졌습니다. 172명의 환자를 대상으로 한 8개의 적격 연구가 분석에 포함되었습니다. 8개 연구 중 5개 연구는 NMES로 근력 증가 또는 근력 보존 개선을 보고했으며, 1개 연구는 큰 효과 크기(1.44)를 보였습니다. 2개의 연구에서는 NMES를 사용하여 효과 크기가 작거나 중간 정도(0.11-0.39)인 근육량 보존이 더 나은 반면, 다른 2개의 연구에서는 유의미한 이점이 발견되지 않았습니다(9).

NMES의 효과는 임상 상태에 따라 달라지며 다양한 자극 매개변수, 특히 자극 빈도와 지속 시간에 의해 영향을 받습니다. 전통적으로 NMES는 운동 단위 활동 전위를 탈분극시키고 근육 수축을 유도하기 위해 신경근 접합부에 경피적 전류를 적용하는 것으로 간주되었습니다(10). 이 전기적으로 유도된 근육 수축은 활성 근육 강화를 시뮬레이션하고 적절한 부하로 근력이 증가한다는 근육 훈련의 원리를 기반으로 합니다. 이 훈련 효과를 달성하기 위해 일반적으로 사용되는 자극 매개변수는 피험자가 최대로 견딜 수 있는 전류 밀도로 파상풍 수축을 생성하는 것을 목표로 합니다(8,9). 그러나 현재 채택된 자극 프로토콜(즉, 50Hz 이상의 고주파, 피험자의 최대 허용 한계에서의 진폭 및 근육 위축에 대응하기 위한 짧은 지속 시간(30분에서 1시간)에는 두 가지 주요 단점이 있습니다. 첫째, 기계적 언로딩이 근육량, 근섬유 단면적, 수축 강도 및 속도, 저속에서 고속으로의 감소를 특징으로 하는 골격근의 구조 및 기능에 해로운 변화와 관련되어 있다는 것이 잘 확립되어 있습니다. 섬유 유형 변환(검토를 위해 11 참조). 따라서, 느린 트위치 근육 섬유는 빠른 트위치 근육 섬유보다 언로딩 또는 폐기 효과에 더 민감합니다. 기존의 고주파 자극 프로토콜(50Hz)은 지근의 운동 단위 발사 패턴과 일치하지 않습니다. 더욱이 높은 전류밀도는 전기자극 시 피험자에게 고통이 아니라면 불가피하게 불편함을 야기할 것이다. 대상자는 몇 시간 동안 전기 자극을 견딜 수 없습니다. 이는 특히 사용하지 않는 근위축이 있는 피험자 또는 진행성 질환으로 인한 근육 약화가 있는 피험자에게 적용하는 경우에 해당됩니다. 매우 자주, 이 피험자 그룹의 통증 내성은 일반적으로 정상적인 건강한 피험자보다 낮습니다. 따라서 현재 채택된 프로토콜은 근육 기능 향상을 위해 NMES의 최상의 결과를 제공할 필요가 없을 수 있습니다. 근육 위축에 대응하는 NMES의 유익한 효과는 충분히 활용되지 않았습니다. 신경근 전기 자극 후 하지 골격근의 대사 및 구조적 변화를 조사한 최근의 체계적인 검토에서는 18개의 연구만 확인했습니다. 이 연구 중 8개는 효소 활동을 조사했고, 7개는 근육 섬유 구성에 관한 연구, 14개는 근육 섬유 크기에 대해 조사했습니다. 이 18개 연구 중 RCT 연구는 9개에 불과하며 방법론적 질은 전반적으로 좋지 않았다. 저자들은 NMES가 산화 효소 활동, 골격근 섬유 유형 및 골격근 섬유 크기에 유리한 변화를 일으킬 수 있는 것으로 보인다고 결론지었습니다. NMES 프로토콜의 큰 이질성을 고려하여 저자는 최적의 근육 변화를 위한 자극 빈도에 대한 명확한 합의가 없다고 결론지었습니다(12). 예를 들어, Theriault et al. (13) 건강한 성인 8명의 무릎 신전근에 장기간 전기 자극을 가했습니다. 전기 자극 프로토콜은 하루 8시간, 주당 6일 동안 8주간 지속되었습니다. 자극 매개변수는 눈에 보이는 진동을 생성할 수 있는 강도의 저주파(8Hz)였습니다. 결과는 4주간의 자극 후 무릎 신전근 성능의 상당한 개선을 시사했습니다. 그러나 이 연구는 RCT 연구가 아니며 연구에 대조군이 있습니다. 한편, NMES의 효과를 조사하고 고주파(50Hz)이지만 매우 낮은 진폭(근육 수축 없음)을 플라시보 그룹으로 통합한 RCT 연구 중 하나는 플라시보가 개입 그룹보다 더 나은 효과를 생성한다는 것을 우연히 밝혔습니다. NMES 그룹 대 위약 그룹의 SMD는 -0.12(95% CI: -0.63, 0.39)(8,14)입니다. Banerjee와 그의 그룹은 또한 낮은 주파수(4Hz)이지만 높은 진폭(300mA)의 전기 자극 프로토콜을 보여주었습니다. 6주 동안 1시간/일은 건강한 좌식 성인과 안정적인 만성 심부전 환자의 대퇴사두근 근력을 크게 증가시킬 수 있습니다. 15, 16). 따라서, 기초 과학 및 이러한 임상 연구의 결과는 근육 위축을 약화시키기 위해 보다 효과적인 NMES 자극 프로토콜의 추가 탐색이 필요함을 시사했습니다.

테스트할 목표 및 가설:

이를 해결하기 위해 이 제안의 조사관은 NMES가 높은 주파수와 높은 진폭을 가져야 한다는 전통적인 생각에 도전했습니다. 조사자들은 저주파와 저진폭이 근육 위축을 약화시키는 데 효과적이라는 가설을 테스트하고 근육 언로딩과 관련된 세포 메커니즘을 조사했습니다. 뒷다리 서스펜션 동물 모델을 사용하여 연구자들은 이전에 뒷다리 서스펜션 동안 정의된 타이밍 및 펄스 매개변수로 가자미근에 20Hz에서 저주파 전기 자극을 적용하면 위성 세포의 손실을 부분적으로 구제하고 섬유 교차 기능을 개선한다는 것을 입증했습니다. 단면적(17). 조사자들은 주파수의 전기 자극 패러다임을 사용하여 다음을 추가로 입증했습니다: 20Hz; 기간: 3시간, 14일 뒷다리 언로딩(HU)을 받은 8주령 수컷 BALB/c 마우스에 매일 2회. 이 자극 패러다임은 위성 세포 증식 잠재력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사용하지 않음으로 인한 근육 위축에서 세포 사멸 세포 사멸을 억제할 수 있습니다. 형태학적으로, 전기 자극을 받은 뒷다리는 HU 팔다리에 비해 근육량, 단면적 및 최대 파상풍 힘에서 상당한 개선을 보였습니다(18). 최근 연구자들은 최적의 자극 프로토콜을 추가로 조사하여 세 가지 저주파 프로토콜, 2, 10 및 20Hz 중에서 2Hz에서 2 × 3시간/일 자극이 근육 섬유 교차 손실을 줄이는 데 가장 좋은 효과를 달성했음을 입증했습니다. 단면적과 힘. 이 자극 매개변수는 위성 세포 증식을 1.2배 증가시켰고, 세포를 아폽토시스로부터 구하는 데 효과적이었습니다(19). 기초 과학 연구에서 얻은 이 모든 고무적인 발견으로 연구자들은 NMES의 제안된 새로운 패러다임이 진행성 근육 위축을 가진 피험자에게 테스트될 수 있다고 믿습니다. 연구자들은 2 × 3시간/일 동안 2Hz에서 NMES가 하지 자세 근육 위축, 즉 대퇴사두근과 비복근 및 가자미근 복합체를 약화/개선하는 데 효과적이라는 가설을 세웠습니다.

조사 계획:

현재 채택된 NMES 자극 프로토콜이 다양한 집단에서 근육 위축을 완화하거나 근육 기능을 향상시키는 기존 문헌의 결과를 바탕으로 연구자들은 NMES의 제안된 새로운 패러다임이 근육 단면적(CSA)을 개선하는 데 더 효과적일 것이라는 가설을 세웠습니다. ), 근력, 지구력, 운동 내성, 다양한 의학적 상태로 근육 위축을 약화시키기 위해 NMES가 필요한 피험자, 특히 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자에게 더 적합합니다.