Metabolische en spieraanpassingen tijdens inactiviteit in 3 dagen bedrust

Bedrust is een algemeen aanvaard experimenteel model dat wordt gebruikt om fysiologische aanpassingen aan ruimtevluchten te bestuderen, waaronder verlies van bot- en spiermassa, vloeistofverschuiving en cardiovasculaire deconditionering. Over het algemeen wordt deelnemers gevraagd een periode in bed door te brengen, waarbij alle activiteiten van het dagelijks leven worden uitgevoerd in een horizontale of head-down tilt (HDT) positie, waardoor het gebruik van alle spieren tot een minimum wordt beperkt en significante fysiologische aanpassingen worden bewerkstelligd die vergelijkbaar zijn met die waargenomen tijdens ruimte vlucht. Er is een aanzienlijk aantal bedrustonderzoeken bij mensen uitgevoerd met een duur van 3-370 dagen. Er zijn momenteel echter hiaten in ons begrip van; de snelheid en omvang van de fysiologische ontregeling die optreedt tijdens daadwerkelijke en gesimuleerde microzwaartekracht (zoals de meeste studies tot nu toe voornamelijk rekening hebben gehouden met rustmomenten voor en na het slapen gaan); de plaatsen en mechanismen die door bedrust veroorzaakte ontregeling beheersen; of de processen die ten grondslag liggen aan acute fysiologische veranderingen dezelfde zijn als die op de langere termijn. Door ons begrip van deze problemen te verbeteren, kunnen interventies gericht op het minimaliseren van door bedrust veroorzaakte fysiologische ontregeling het meest effectief worden gericht op perioden waarin de snelheid waarmee fysiologische ontregeling waarschijnlijk het grootst is. Dit zou dan bijdragen aan toekomstig succes bij langdurige bemande ruimtevluchten, b.v. een bemande missie naar Mars, omdat een goed begrip van de etiologie en het tijdsverloop van de fysiologische ontregeling die gepaard gaat met langdurige blootstelling aan microzwaartekracht het mogelijk zou maken om effectieve tegenmaatregelen te nemen. Bovendien bieden bedrustmodellen een unieke kans om de gevolgen van bedrust te bestuderen voor mensen die tijdens ziekenhuisopname mogelijk langdurig inactief zijn als gevolg van ziekte of letsel.

Inactiviteit wordt in verband gebracht met de ontwikkeling van insulineresistentie en draagt ​​bij aan de ontwikkeling van veel moderne stofwisselingsziekten, waaronder obesitas, diabetes type 2, dyslipidemie en hypertensie (1,2); waarbij fysieke inactiviteit wordt genoemd als de belangrijkste oorzaak van 27% van de diabetes en 30% van de gevallen van ischemische hartziekte. Het tijdsverloop, de relatieve weefselspecificiteit (lever versus spier) en de mechanistische basis van door inactiviteit geïnduceerde insulineresistentie, en de omkering ervan door remobilisatie, vertegenwoordigen echter grote hiaten in ons huidige begrip. Bovendien is insulineresistentie een observatie met verschillende mogelijke etiologieën en de mechanismen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van deze aandoening bij korte bedrust/immobilisatie kunnen verschillen van die bij langdurige/chronische inactiviteit. Verder onderzoek op dit gebied is dan ook geboden.

De huidige studie maakt deel uit van een groter project dat een 60 dagen durend bedrustonderzoek omvat, uitgevoerd in samenwerking met de European Space Agency, in de Institut Médecine Physiologie Spatiale-faciliteit in Toulouse, Frankrijk, en zal worden vergeleken met de maatregelen die momenteel worden genomen. uitgevoerd in het langdurige bedrustexperiment.

'Inloop'-fase; Na een succesvolle medische screening beginnen de deelnemers aan een 'Run-in'-fase waarin hun gebruikelijke activiteitsniveau wordt beoordeeld door middel van versnellingsmeting. De geïndividualiseerde energiebehoefte zal worden geschat met behulp van de gewijzigde Harris-Benedict-vergelijking van het metabolisme in rust en de factor van het fysieke activiteitsniveau en een gestandaardiseerd dieet (samenstelling van macronutriënten (uitgedrukt als een percentage van de totale energie-inname via de voeding) zijnde ~ 55% koolhydraten, ~ 30% vet en ~ 15% eiwit) wordt verstrekt gedurende de 3 dagen voorafgaand aan de eerste experimentele sessie. De dag voor deze sessie wordt de deelnemers gevraagd om zich te onthouden van elke inspannende oefening en om vanaf middernacht te vasten en vanaf dat moment alleen water te consumeren. Bij aankomst zal een dual-energy X-ray absorptiometrie (DEXA) scan worden uitgevoerd om de vetmassa's van het hele lichaam en de benen te karakteriseren. De deelnemer wordt vervolgens gevraagd om op een ziekenhuisbed te gaan liggen in rugligging (één kussen) en spiervolume en architectuurmetingen zullen worden bepaald door ultrasone beeldvorming van de vastus lateralis-spier met behulp van een 100 mm lineaire array 13-4 megahertz-sonde. Dit zal een globaal beeld geven van de anatomie van de quadricepsspier om berekeningen van de glucoseopname in de benen te standaardiseren en de bijdrage van spiermassa en intramyocellulaire lipiden aan de insulineresistentie in de benen te bepalen. Spierbiopsiemonsters zullen worden verkregen uit de vastus lateralis voor en onmiddellijk na een hyperinsulinemische euglycemische klem van 3 uur (3). Spierbiopten zullen worden verkregen met behulp van de Bergström-techniek onder steriele omstandigheden, na injectie van plaatselijke verdoving. Er zal een anterograde femorale veneuze katheter worden ingebracht (met behulp van de Seldinger-techniek onder echogeleide) om het mogelijk te maken dat veneus bloed uit het been wordt afgevoerd om de glucoseconcentratie te analyseren en te vergelijken met de glucoseconcentratie van arteriële veneuze bloedmonsters (tijdstippen 0, 150, 160, 170 en 180 minuten). Op hetzelfde moment dat het femorale veneuze bloedmonster wordt genomen, wordt een bepaling van de bloedstroom van de femorale arterie (mmol/min) uitgevoerd met behulp van echografie om de beenglucoseopname te kunnen berekenen. Indirecte calorimetrie wordt uitgevoerd vóór en in de laatste 15 minuten van de 180 minuten durende hyperinsulinemie-euglykemische klem.

De dag na het 'clamp'-bezoek zal een 3 Tesla magnetische resonantiespectroscopie (MRS)-scan worden uitgevoerd om intramyocellulaire lipiden (IMCL), extramyocellulaire lipiden (EMCL) en hepatische triglyceriden te beoordelen. Er zal ook een MRI-scan (Magnetic Resonance Imaging) worden uitgevoerd om de dwarsdoorsnede van de middendijspier en de spiermassa van het hele lichaam te bepalen. Na de magnetische resonantie (MR) -scans ondergaan de deelnemers een korte proprioceptieve beoordeling van de onderste ledematen op een speciaal ontworpen somatosensorisch apparaat, de Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Deelnemers gaan op het apparaat staan ​​en laten elke enkel door 5 verschillende inversiehoeken bewegen en wordt gevraagd om de mate van enkelpositie te beoordelen. Deze methode is gevalideerd om proprioceptieve discriminatie te bepalen en zal worden herhaald nadat de MR op dag 4 is uitgevoerd om verschillen voor en na bedrust te beoordelen.

Voordat de bedrustperiode begint, worden speeksel- en urinemonsters verzameld voor metingen van achtergrondlabeling van creatine, creatinine, water en 3-methylhistidine (MH) met deuterium. Aansluitend krijgen de deelnemers een drankje met stabiele isotopentracers; gedeutereerd creatine (D3-Creatine 30 mg; om de spiermassa van het hele lichaam te meten) en gedeutereerd of 'zwaar' water (D2O, 3 g/kg lichaamsgewicht, verdeeld in 3 aliquots ingenomen met een tussenpoos van 20 minuten, om de spiereiwitsynthese te meten (MPS ) van metingen van spierweefselopname). Twee uur na consumptie van de laatste D2O-dosis wordt een speekselmonster afgenomen om de equilibratie van D2O in de gehele lichaamswaterpool te meten. Er zal 24 uur per dag urine worden verzameld in de 24 uur na inname van D3-creatine en er zal een urinemonster worden genomen op 36 uur, 48 uur en 72 uur. Urine zal worden geanalyseerd op D3-creatine om rekening te houden met 'spillover', en D3-creatinine-labeling die de verdunning van het label in de creatinepool van het hele lichaam zal weerspiegelen. De grootte van de totale hoeveelheid creatine in het lichaam en de spiermassa worden berekend op basis van de D3-creatinine-verrijking in de urine na 72 uur, rekening houdend met eventueel verlies van D3-creatine rechtstreeks in de urine. Bovendien nemen deelnemers 24 uur voorafgaand aan het begin van bedrust (dag -1) Methyl-D3-3 methylhistidine (10 mg, D3-MH om myofibrillaire afbraak van de spieren in het hele lichaam te meten) tracer in een drankje. Op dag 2 van bedrust zal nog eens 10 mg worden gegeven, met bloedcontrole op dag 3.

Bedrust Fase; Deelnemers arriveren om 8.00 uur op de ochtend van dag 1 bij de faciliteit, na een nacht vasten vanaf 22.00 uur de avond ervoor. Voor simulatie van de fysiologische effecten van microzwaartekracht wordt het bed in een 6° naar beneden gekantelde positie (HDT-positie) gehouden. Een Bard-micronaaldspierbiopsie zal worden uitgevoerd en de volgende ochtend (dag 2 van bedrust) worden herhaald om de cumulatieve spiereiwitsynthese gedurende de eerste 24 uur van bedrust te beoordelen. Elke dag na de biopsie wordt gedurende in totaal 6 uur lang elk uur een anterograde veneuze canule in de arm gestoken om de D3-MH-labeling te meten.

Top-ups van D2O (berekend op basis van wateromzetsnelheden) zullen aan deelnemers worden verstrekt op dag 1 en 3 van bedrust, om D2O-verrijking te behouden. Er wordt een speekselmonster genomen om de D2O-lichaamswaterverrijking te meten en een urinemonster voor D3 Creatinine-labeling.

Tijdens bedrust blijven deelnemers 24 uur per dag in bed. Alle activiteiten van het dagelijks leven, zoals hygiënische handelingen, eten, lezen en naar de badkamer gaan (gebruik van bedpannen en urineflessen) vinden plaats terwijl het hoofd naar beneden wordt gehouden gedurende de duur van het onderzoek. Deelnemers mogen van de ene naar de andere kant bewegen (van rugligging naar buik- of zijligging), maar mogen op geen enkel moment rechtop zitten of staan. Het gebruik van één klein plat kussen is toegestaan ​​zolang de schouders de matras nog raken. De inname via de voeding wordt gecontroleerd, waarbij een activiteitsvermenigvuldiger van 1,2 wordt gebruikt om de dagelijkse behoefte aan energie-inname te bepalen. Vijf dagelijkse maaltijden (ontbijt, ochtendsnack, lunch, middagsnack en diner) worden de hele dag op hetzelfde tijdstip geserveerd. De deelnemers worden aangemoedigd om al het aangeboden voedsel te consumeren. Ze kunnen minder eten dan voorzien, maar krijgen geen extra voer. Elk voedingsmiddel wordt gewogen op een precisieweegschaal (± 0,1 g) en waar deelnemers niet al het gegeven voedsel opeten, worden de niet-geconsumeerde voedingswaren opnieuw gewogen en wordt de waarde afgetrokken van het aanvankelijke gewicht om de daadwerkelijke voedselinname te bepalen. Onderwerpen houden een strikte dag-nachtcyclus aan. Ze worden om 7.00 uur gewekt en om 23.00 uur gaat het licht uit.

Op de ochtend van dag 4, na een nacht vasten, ondergaan de deelnemers de tweede 'clamp'-dag zoals hierboven beschreven (echografie van de dij, indirecte calorimetrie, canulatie van de dijader, spierbiopten en een euglycemische hyperinsulinemische clamp). Hierna zal een geleidelijke, begeleide terugkeer naar 'rechtop' in bed worden uitgevoerd, met continue cardiovasculaire monitoring om orthostatische hypotensie te voorkomen. Deelnemers blijven in bed, maar mogen rechtop zitten tot de ochtend van dag 5.

Post-bedrustfase; De ochtend van dag 5 zullen de deelnemers (zonder gewichtsbelasting) in een rolstoel stappen en vervolgens naar de 3 Tesla MR-scanner worden vervoerd voor hun MR-scans na bedrust. Zij moeten nuchter zijn vanaf 22.00 uur de avond ervoor. Na de MR-scans krijgen de deelnemers te eten en mogen ze weer gaan staan ​​in een gecontroleerde omgeving. Vervolgens ondergaan ze begeleide revalidatie in de fitnessfaciliteiten van de Universiteit van Nottingham, bestaande uit 6 sets van 8 herhalingen (op 75% van het maximum) van eenbenige knie-extensiecontracties op een willekeurig toegewezen been, aangezien is aangetoond dat dit een anabole stimulans geeft. (4), en mogen dan naar huis terugkeren. Revalidatiesessies duren ongeveer 30 minuten. Ze komen terug op dag 6 en 7 van de niet-bedrustperiode om verdere begeleide revalidatiesessies te ondergaan zoals hierboven. Gestandaardiseerde inname via de voeding zal worden gehandhaafd gedurende de fase na bedrust. Om 08:00 uur op de ochtend van dag 8 zullen ze naar het laboratorium gaan voor een laatste 'clamp'-bezoek dat bestaat uit dezelfde procedures als hierboven beschreven, met de volgende wijziging; een Bergström-spierbiopsie zal worden uitgevoerd op het been dat pre- en post-euglycemische hyperinsulinemische klem een ​​revalidatietraining heeft ondergaan. Een Bard-micronaaldbiopsie zal worden uitgevoerd op het contralaterale been alleen vóór de klem van 3 uur, om de spiereiwitsynthese tussen de benen te vergelijken. Ten slotte worden op dag 9 de MRS- en MRI-scans uitgevoerd op dezelfde manier als hierboven beschreven. Wanneer de definitieve MRS-scan is uitgevoerd, is dat het einde van het studieprotocol.