Elektrische stimulatie voor het verminderen van spieratrofie

Invoering:

Skeletspier reageert op de prikkel van mechanische belasting voor groei en onderhoud. Langdurige vermindering van spieractiviteit en mechanische belasting zoals ruimtevluchten, immobilisatie van ledematen, bedrust en/of inactiviteit veranderen de balans tussen eiwitsynthese en -afbraak, resulterend in skeletspieratrofie (1-3). Dit wordt gekenmerkt door een afname van de spiermassa, de dwarsdoorsnede van de spiervezels, de contractiele kracht en snelheid, evenals de transformatie van het vezeltype van langzaam naar snel (4,5). Van veel tegenmaatregelen is gemeld dat ze het verlies van spieratrofie verzachten en neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) is vaak gebruikt bij aandoeningen zoals ruggenmergletsel, immobilisatie en spieronbruik na een operatie (6,7). Een recente Cochrane-review over de effectiviteit van NMES voor spierzwakte bij volwassenen met progressieve ziekten zoals COPD, chronisch hartfalen en kanker gaf inderdaad aan dat NMES een effectief middel is om spierzwakte te verbeteren (8). De meta-analyses omvatten elf gerandomiseerde gecontroleerde studies (RCT) met in totaal 218 deelnemers. NMES verbeterde de kracht van de quadriceps aanzienlijk met een gestandaardiseerd gemiddeld verschil (SMD) van 0,9 (95% betrouwbaarheidsinterval (BI) 0,33 tot 1,46). Dit komt ongeveer overeen met 25 Newtonmeter (Nm) en moet als klinisch significant worden beschouwd. Evenzo toonde een andere recente systematische review ook aan dat NMES effectief is in het voorkomen van skeletspierzwakte bij ernstig zieke patiënten. Acht in aanmerking komende onderzoeken met 172 patiënten werden in de analyse opgenomen. Van de acht onderzoeken rapporteerden vijf onderzoeken een toename in kracht of beter behoud van kracht met NMES, waarbij één onderzoek een grote effectgrootte had (1,44). Twee studies vonden een beter behoud van spiermassa met NMES, met kleine tot matige effectgroottes (0,11-0,39), terwijl er geen significante voordelen werden gevonden in twee andere studies (9).

De effectiviteit van NMES is afhankelijk van de klinische toestand en wordt beïnvloed door verschillende stimulatieparameters, met name de stimulatiefrequentie en -duur. Traditioneel werd NMES gezien als de toepassing van een transcutane elektrische stroom op de neuromusculaire overgang, met als doel het actiepotentiaal van de motorunit te depolariseren en spiercontractie te induceren (10). Deze elektrisch geïnduceerde spiercontractie simuleert actieve spierversterking en is gebaseerd op het principe van spiertraining dat door juiste belasting de spierkracht wordt vergroot. Om dit trainingseffect te bereiken, waren de gebruikte stimulatieparameters normaal gesproken gericht op het produceren van tetanische contractie met een stroomdichtheid die de proefpersoon maximaal kan verdragen (8,9). Dit momenteel aangenomen stimulatieprotocol (dwz. hoge frequentie bij of boven 50 Hz, amplitude bij de maximaal getolereerde limiet van proefpersonen en korte duur (30 min tot 1 uur) om spieratrofie tegen te gaan heeft twee belangrijke nadelen. Ten eerste is het algemeen bekend dat mechanische belasting gepaard gaat met nadelige veranderingen in de structuur en functie van skeletspieren, gekenmerkt door vermindering van de spiermassa, het dwarsdoorsnedegebied van de spiervezels, contractiele kracht en snelheid, evenals langzaam-naar-snel transformatie van het vezeltype (voor overzicht, zie 11). De langzame spiervezels zijn dus gevoeliger voor ontlading of onbruikbaarheid in plaats van snelle spiervezels. Het traditionele hoogfrequente stimulatieprotocol (50 Hz) komt niet overeen met het afvuurpatroon van de motoreenheid van een langzaam samentrekkende spier. Bovendien zou de hoge stroomdichtheid tijdens de elektrische stimulatie onvermijdelijk ongemak, zo niet pijn voor de proefpersonen veroorzaken. De proefpersonen kunnen de elektrische stimulatie urenlang niet verdragen. Dit is met name het geval als de toepassing is voor personen met spieratrofie die niet meer wordt gebruikt of personen met spierzwakte veroorzaakt door progressieve ziekten. Heel vaak is de pijntolerantie van deze groep proefpersonen over het algemeen lager dan die van de normale gezonde proefpersonen. Het momenteel aangenomen protocol levert dus mogelijk niet het best mogelijke resultaat van NMES op voor de verbetering van de spierfunctie. De gunstige effecten van NMES om spieratrofie tegen te gaan waren nog niet volledig benut. Een recente systematische review die metabole en structurele veranderingen in de skeletspieren van de onderste ledematen na neuromusculaire elektrische stimulatie onderzoekt, identificeerde slechts 18 onderzoeken. Acht van deze onderzoeken onderzochten enzymatische activiteiten, zeven onderzoeken naar de samenstelling van spiervezels en 14 onderzoeken naar de grootte van spiervezels. Van deze 18 onderzoeken zijn er slechts 9 RCT-onderzoeken en de methodologische kwaliteit was over het algemeen slecht. De auteurs concludeerden dat NMES gunstige veranderingen in oxidatieve enzymactiviteit, skeletspiervezeltype en skeletspiervezelgrootte lijkt te kunnen veroorzaken. Gezien de grote heterogeniteit in NMES-protocollen concludeerden de auteurs dat er geen definitieve consensus bestond over de stimulatiefrequenties voor optimale spierveranderingen (12). (13) had langdurige elektrische stimulatie uitgevoerd op de knie-extensor van 8 gezonde volwassenen. Het elektrische stimulatieprotocol duurde 8 weken gedurende 8 uur per dag en 6 dagen per week. De stimulatieparameter had een lage frequentie (8 Hz) waarbij de intensiteit net zichtbare trillingen kon produceren. De resultaten wezen op een significante verbetering van de prestatie van de knie-extensor na 4 weken stimulatie. Het onderzoek is echter geen RCT-onderzoek en er is een controlegroep in het onderzoek. Aan de andere kant had een van de RCT-onderzoeken die de effecten van NMES onderzochten en een hoge frequentie (50 Hz) maar een zeer lage amplitude (zonder spiercontractie) als placebogroep bevatte, overigens onthuld dat de placebo een beter effect had dan de interventiegroep. De NMES-groep versus placebogroep met een SMD van -0,12 (95%-BI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee en zijn groep hebben ook aangetoond dat een protocol voor elektrische stimulatie met een lage frequentie (4 Hz) maar een hoge amplitude (300 mA), 1 uur per dag gedurende 6 weken, de quadricepskracht van gezonde sedentaire volwassenen en patiënten met stabiel chronisch hartfalen aanzienlijk kan verhogen ( 15, 16). De bevindingen van de basiswetenschap en deze klinische onderzoeken suggereerden dus de noodzaak van verder onderzoek naar een effectiever NMES-stimulatieprotocol om spieratrofie te verminderen.

Doelstellingen en hypothesen die getest moeten worden:

Om deze aan te pakken, hebben de onderzoekers van dit voorstel de traditionele gedachte uitgedaagd dat NMES een hoge frequentie en hoge amplitude zou moeten hebben. De onderzoekers hadden de hypothese getest dat lage frequentie en lage amplitude effectief zijn bij het verzwakken van spieratrofie, en onderzochten de cellulaire mechanismen die samenhangen met spierontlading. Met behulp van het diermodel met ophanging van de achterpoten hebben de onderzoekers eerder aangetoond dat, tijdens ophanging van de achterpoten, toepassing van laagfrequente elektrische stimulatie bij 20 Hz op de soleusspieren met gedefinieerde timing- en pulsparameters gedeeltelijk het verlies van satellietcellen en verbeterde vezelkruising redde. doorsneden (17). De onderzoekers hebben verder aangetoond dat het gebruik van een elektrisch stimulatieparadigma van frequentie: 20 Hz; duur: 3 uur, tweemaal daags tot acht weken oude mannelijke BALB/c-muizen die werden onderworpen aan een 14-daagse ontlading van de achterpoten (HU). Dit stimulatieparadigma kan het proliferatiepotentieel van satellietcellen verbeteren en apoptotische celdood onderdrukken bij door onbruik veroorzaakte spieratrofie. Morfologisch vertoonde de achterpoot met elektrische stimulatie een significante verbetering in spiermassa, dwarsdoorsnede-oppervlak en maximale tetanische kracht ten opzichte van de HU-ledemaat (18). Onlangs hebben de onderzoekers het optimale stimulatieprotocol verder onderzocht en aangetoond dat van de drie laagfrequente protocollen, 2, 10 en 20 Hz, stimulatie bij 2 Hz gedurende 2 × 3 uur/dag het beste effect bereikte bij het verminderen van het verlies van spiervezels. dwarsdoorsnede en kracht. Deze stimulatieparameter leidde tot een 1,2-voudige toename van de proliferatie van satellietcellen en was effectief in het redden van cellen van apoptose (19). Met al deze bemoedigende bevindingen uit het fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, geloven de onderzoekers dat het voorgestelde nieuwe paradigma van NMES getest kan worden op proefpersonen met progressieve spieratrofie. De onderzoekers veronderstellen dat NMES bij 2 Hz gedurende 2 × 3 uur/dag effectief is bij het verzwakken/verbeteren van posturale spieratrofie van de onderste ledematen, namelijk quadriceps en gastrocnemius en soleus-spiercomplex.

Onderzoeksplan:

Op basis van de bevindingen in de bestaande literatuur over het huidige goedgekeurde NMES-stimulatieprotocol bij het verminderen van spieratrofie of het verbeteren van spierprestaties in verschillende populaties, veronderstelden de onderzoekers dat het voorgestelde nieuwe paradigma van NMES effectiever zou zijn in het verbeteren van spierdoorsnedegebied (CSA ), kracht, uithoudingsvermogen, inspanningstolerantie en is acceptabeler voor proefpersonen die NMES nodig hadden om de spieratrofie te verminderen met verschillende medische aandoeningen, in het bijzonder patiënten met chronische obstructieve longziekte (COPD).