침상 안정 3일 동안 활동이 없는 동안의 대사 및 근육 적응

침상 안정은 뼈 및 근육량 손실, 체액 이동 및 심혈관 기능 저하를 포함하여 우주 비행에 대한 생리적 적응을 연구하는 데 사용되는 널리 허용되는 실험 모델입니다. 일반적으로 참가자는 침대에서 시간을 보내야 하며 일상 생활의 모든 활동은 수평 또는 HDT(Head-Down Tilt) 자세로 수행되어 모든 근육의 사용을 최소화하고 수행 중에 관찰된 것과 유사한 상당한 생리학적 적응을 가져옵니다. 우주 비행. 3-370일 기간에 걸쳐 상당한 수의 인간 침상 안정 연구가 수행되었습니다. 그러나 현재 우리의 이해에는 차이가 있습니다. 실제 및 모의 미세중력 동안 발생하는 생리적 조절장애의 속도 및 크기(현재까지 대부분의 연구가 주로 침대 전 및 후 휴식 시점을 고려한 바와 같이); 침상 안정으로 유발된 조절 장애를 제어하는 ​​부위 및 기전; 급성 생리적 변화의 기저에 있는 과정이 장기적으로 보이는 과정과 동일한지 여부. 이러한 문제에 대한 우리의 이해를 개선하면 침상 안정으로 인한 생리학적 조절 장애를 최소화하기 위한 중재가 생리학적 조절 장애의 발병률이 가장 높을 가능성이 있는 기간에 가장 효과적으로 초점을 맞출 수 있습니다. 이것은 장기간의 인간 우주 비행에서 달성되는 미래의 성공에 기여할 것입니다. 화성에 대한 유인 임무는 미세 중력에 장기간 노출될 때 수반되는 생리학적 조절 장애의 병인과 시간 경과에 대한 이해가 효과적인 대응책을 구현할 수 있기 때문입니다. 또한 침상 안정 모델은 질병이나 부상으로 인해 입원 기간 동안 오랫동안 활동하지 않을 수 있는 사람들에게 침상 안정의 결과를 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.

비활동성은 인슐린 저항성의 발달과 관련이 있으며 비만, 제2형 당뇨병, 이상지질혈증 및 고혈압을 포함한 많은 현대 대사 질환의 발병에 기여합니다(1,2). 신체 활동 부족은 당뇨병의 27%와 허혈성 심장 질환 사례의 30%의 주요 원인으로 언급됩니다. 그러나 시간 경과, 상대적인 조직 특이성(간 대 근육), 비활성 유도 인슐린 저항성의 기계론적 기초, 재가동에 의한 역전은 현재 우리의 이해에서 큰 격차를 나타냅니다. 또한, 인슐린 저항성은 몇 가지 가능한 병인이 있는 관찰이며 단기 침상 안정/부동 상태에서 이 상태의 발달과 관련된 메커니즘은 장기/만성 비활동성과 관련된 메커니즘과 다를 수 있습니다. 따라서 이 분야에 대한 추가 연구가 필요합니다.

현재 연구는 프랑스 툴루즈에 있는 Institut Médecine Physiologie Spatiale 시설에서 유럽 우주국과 공동으로 수행된 60일 간의 장기 침상 안정 연구를 포함하는 더 큰 프로젝트의 일부이며, 장기 침상 안정 실험에서 수행되었습니다.

'런인' 단계; 성공적인 의료 검진 후 참가자는 습관적 활동 수준이 가속도계로 평가되는 '런인' 단계를 시작합니다. 개별화된 에너지 요구량은 수정된 Harris-Benedict 휴식 대사율 방정식과 신체 활동 수준 요인 및 표준화된 식단(대량 영양소 구성(총 식이 에너지 섭취량의 백분율로 표시)을 사용하여 추정됩니다. ~55% 탄수화물, ~30% 지방 및 ~15% 단백질)은 첫 번째 실험 세션 이전 3일 동안 제공됩니다. 이 세션 전날 참가자들은 격렬한 운동을 삼가하고 자정부터 금식하며 그 시간부터 물만 마신다. 도착 시 이중 에너지 X선 흡수계측법(DEXA) 스캔을 실시하여 전신 및 다리 지방량을 특성화합니다. 그런 다음 참가자는 앙와위 자세(하나의 베개)로 병원 침대에 눕도록 요청받게 되며 근육량 및 구조 측정은 100mm 선형 배열 13-4메가헤르츠 프로브를 사용하여 외측광근의 초음파 영상으로 결정됩니다. 이것은 다리 포도당 섭취량의 계산을 표준화하고 다리 인슐린 저항성에 대한 근육량 및 근육내 지질의 기여도를 결정하기 위해 대퇴사두근 해부학의 글로벌 표현을 제공할 것입니다. 근육 생검 샘플은 3시간 고인슐린혈증 정상혈당 클램프(3) 전후에 외측광근에서 채취합니다. 국소 마취 주사 후 무균 상태에서 Bergström 기술을 사용하여 근육 생검을 얻습니다. 전방 대퇴부 정맥 카테터를 삽입하여(초음파 유도 하에 Seldinger 기술 사용) 다리에서 배출되는 정맥혈을 포도당 농도에 대해 분석하고 동맥화된 정맥 혈액 샘플의 포도당 농도와 비교할 수 있습니다(시점 0, 150, 160분, 170분, 180분). 대퇴부 정맥혈 샘플을 채취함과 동시에 다리 포도당 섭취량을 계산할 수 있도록 초음파를 사용하여 대퇴부 동맥 혈류 평가(mmol/min)를 수행합니다. 간접 열량계는 180분 고인슐린혈증-정상혈당 클램프 전과 마지막 15분에 수행됩니다.

'클램프' 방문 다음 날, 3 Tesla 자기 공명 분광법(MRS) 스캔을 수행하여 근내 지질(IMCL), 근외 지질(EMCL) 및 간 트리글리세라이드 함량을 평가합니다. 자기 공명 영상(MRI) 스캔도 실시하여 허벅지 중간 근육 단면적과 전신 근육량을 결정합니다. 자기 공명(MR) 스캔 후 참가자는 AMEDA(Active Movement Extent Discrimination Assessment)라고 하는 특수 설계된 체감각 장치에서 짧은 하지 고유 감각 평가를 받게 됩니다. 참가자는 기구 위에 서서 각 발목을 5가지 다른 반전 각도로 움직이게 하고 발목 위치의 정도를 평가하도록 요청받습니다. 이 방법은 고유 수용성 차별을 결정하기 위해 검증되었으며 침대 휴식 전후의 차이를 평가하기 위해 4일째에 수행된 MR 후에 반복됩니다.

침상 안정 기간이 시작되기 전에, 크레아틴, 크레아티닌, 물 및 3-메틸히스티딘(MH)과 중수소의 배경 표지 측정을 위해 타액 및 소변 샘플을 수집할 것입니다. 이후 참가자에게는 안정 동위원소 추적자가 포함된 음료가 제공됩니다. 중수소화 크레아틴(D3-크레아틴 30mg, 전신 근육량 측정용) 및 중수소화 또는 '무거운' 물(D2O, 3g/kg 체중, 20분 간격으로 섭취한 3개의 분취량으로 나누어 근육 단백질 합성 측정(MPS) ) 근육 조직 통합 측정에서). 최종 D2O 투여량을 섭취하고 2시간 후 타액 샘플을 수집하여 체내 수분 풀 전체에서 D2O의 평형을 측정합니다. 24시간 소변 수집은 D3-크레아틴 섭취 후 24시간에 수행되며, 부분 소변 샘플은 36시간, 48시간 및 72시간에 채취됩니다. 소변은 '스필오버'를 설명하기 위해 D3-크레아틴 및 전신 크레아틴 풀에서 라벨의 희석을 반영할 D3-크레아티닌 라벨링에 대해 분석될 것입니다. 전체 신체 크레아틴 풀 크기 및 근육량은 D3 크레아틴이 소변으로 바로 손실되는 것을 고려한 후 72시간에 소변의 D3-크레아티닌 농축으로부터 계산됩니다. 또한 침상 안정을 시작하기 24시간 전(-1일) 참가자는 Methyl-D3-3 methylhistidine(10mg, D3-MH는 전신 근육 근섬유 파괴를 측정) 추적자를 음료로 섭취합니다. 침상 안정 2일째에 추가로 10mg을 투여하고 3일째 혈액 모니터링을 합니다.

침대 휴식 단계; 참가자는 전날 저녁 22:00부터 하룻밤 금식 후 1일차 오전 8시에 시설에 도착합니다. 미세중력의 생리적 효과를 시뮬레이션하기 위해 침대를 6° 머리 아래로 기울인 자세(HDT 위치)로 유지합니다. Bard 미세바늘 근육 생검을 수행하고 다음날 아침(침상 안정 2일차)에 반복하여 침상 안정의 처음 24시간 동안 누적 근육 단백질 합성을 평가할 것입니다. 생검 후 매일 D3-MH 라벨링 측정을 위해 총 6시간 동안 매시간 혈액 샘플링을 위해 전방 정맥 캐뉼라를 팔에 삽입합니다.

D2O 강화를 유지하기 위해 침상 안정 1일과 3일에 참가자에게 D2O 보충(물 회전율에서 계산)이 제공됩니다. 타액 샘플은 D2O 체수분 강화를 측정하기 위해 채취되고 소변 샘플은 D3 크레아티닌 라벨링을 위해 채취됩니다.

침대에서 쉬는 동안 참가자는 하루 24시간 동안 침대에 누워 있게 됩니다. 연구 기간 동안 머리를 숙인 자세를 유지하면서 위생 절차, 식사, 독서 및 화장실 '가기'(변기 및 소변병 사용)와 같은 일상 생활의 모든 활동이 이루어집니다. 참가자는 좌우로 움직일 수 있지만(누운 자세에서 복부 또는 측면 자세로) 언제든지 앉거나 서 있을 수 없습니다. 어깨가 매트리스에 닿는 한 작은 크기의 납작한 베개 1개를 사용할 수 있습니다. 일일 에너지 섭취 요구량을 결정하기 위해 1.2의 활동 승수를 사용하여 식이 섭취가 통제됩니다. 매일 다섯 끼의 식사(아침, 아침 간식, 점심, 오후 간식 및 저녁 식사)가 하루 중 같은 시간에 제공됩니다. 참가자는 제공된 모든 음식을 섭취하도록 권장됩니다. 제공된 것보다 적게 먹을 수 있지만 추가 음식은 받지 않습니다. 각 음식 항목은 정밀(±0.1g) 저울로 무게를 측정하고 참가자가 제공된 모든 음식을 먹지 않는 경우 소비되지 않은 음식 항목의 무게를 다시 측정하고 실제 음식 섭취량을 제공하기 위해 초기 무게에서 값을 뺍니다. 대상은 엄격한 주야간 주기를 유지합니다. 오전 7시에 일어나서 밤 11시에 소등됩니다.

4일째 아침, 하룻밤 금식 후 참가자는 위에서 설명한 대로 두 번째 '클램프' 일을 겪게 됩니다(허벅지의 초음파 스캔, 간접 열량 측정, 대퇴 정맥 삽관, 근육 생검 및 정상혈당 고인슐린혈증 클램프). 그 후, 자세 저혈압을 피하기 위해 지속적인 심혈관 모니터링과 함께 침대에서 '직립' 상태로 점진적으로 감독 하에 복귀할 것입니다. 참가자는 침대에 남아 있지만 5일차 아침까지 똑바로 앉을 수 있습니다.

침상 안정 후 단계; 5일차 아침에 참가자는 (체중을 지탱하지 않고) 휠체어로 이동한 다음 침상 안정 MR 스캔을 위해 3 Tesla MR 스캐너로 이동합니다. 전날 저녁 22시부터 금식해야 합니다. MR 스캔 후 참가자는 음식을 먹고 통제된 환경에서 다시 서 있을 수 있습니다. 그런 다음 그들은 노팅엄 대학 체육관 시설에서 무작위로 할당된 한쪽 다리 무릎 확장 수축의 8회 반복(최대의 75%) 6세트로 구성된 감독 재활을 받을 것입니다. (4) 그런 다음 집으로 돌아갈 수 있습니다. 재활 세션은 약 30분 동안 진행됩니다. 그들은 비침상 휴식 기간의 6일과 7일에 돌아와 위에서 감독된 재활 세션을 더 받을 것입니다. 표준화된 식이 섭취는 침상 안정 단계 전체에 걸쳐 유지됩니다. 8일 오전 08:00에 그들은 실험실에 참석하여 위에서 설명한 것과 동일한 절차로 구성된 최종 '클램프' 방문을 거쳐야 하며 다음과 같이 수정됩니다. Bergström 근육 생검은 정상 혈당 고인슐린 클램프 전후에 재활 운동 훈련을 받은 다리에서 수행됩니다. Bard 미세 바늘 생검은 다리 사이의 근육 단백질 합성을 비교하기 위해 3시간 클램프 전에만 반대쪽 다리에서 수행됩니다. 마지막으로, 9일째에 MRS 및 MRI 스캔이 위에서 설명한 것과 동일한 방식으로 수행됩니다. 최종 MRS 스캔이 수행되면 연구 프로토콜이 종료됩니다.