De effecten van orale anorganische nitraatsuppletie op de perfusie van de onderste ledematen tijdens inspanning bij patiënten met PAD

Perifere arteriële ziekte (PAD) wordt gekenmerkt door blokkades (occlusie of stenose) in de grote slagaders van de onderste ledematen. Geschat wordt dat de wereldwijde prevalentie van PAD de afgelopen tien jaar met 23,5% is toegenomen en nu 202 miljoen mensen treft. PAD-prevalentie neemt toe met de leeftijd van 5% van de 45-49-jarigen tot 19% bij degenen >70 jaar en roken en diabetes zijn oorzakelijke factoren. PAD is enorm onderbelicht in vergelijking met hart- of cerebrovasculaire aandoeningen. Claudicatio intermittens (IC) is de belangrijkste klinische manifestatie van PAD en treedt op wanneer arteriële occlusieve ziekte de bloedtoevoer naar het perifere vaatstelsel tijdens inspanning vermindert. Van de proefpersonen met claudicatio intermittens van PAD heeft 1/3e pijn tijdens lichte activiteit thuis en nog eens 1/3e heeft pijn bij het lopen over een korte afstand (een blok). Deze patiënten lijden aan een duidelijk verminderde kwaliteit van leven en een hoge perceptie van handicap. Verhoogde pijnvrije ambulantie is een primair doel van de therapie voor PAD, aangezien dit verband houdt met een verbeterde kwaliteit van leven.

Hoewel de enkel-arm systolische bloeddrukindex (ABI) en bloedstroomtesten in de ledematen worden gebruikt om PAD te diagnosticeren, laten de meeste onderzoeken geen verband zien tussen deze metingen en functionele capaciteit. Het begrip van deze ziekte wordt verward door het feit dat chirurgische revascularisatie, die de doorbloeding verbetert, de trainingsprestaties niet normaliseert en dat de ambulantie kan worden verhoogd zonder veranderingen in de hemodynamica. Professor Allen (PI) heeft eerder een toename van de hyperemische bloedstroom in de benen laten zien bij inspanningstraining, maar kon geen relatie vinden tussen deze veranderingen en een toename van de aanvangstijd van de claudicatio (COT) en de pieklooptijd (PWT). Professor Allen en Annex (Chief UVa Health System - Cardiovascular Medicine) hebben ook een toename van de capillaire dichtheid van de gastrocnemius aangetoond na inspanningstraining en een correlatie met VO2peak. Dit suggereert dat patiënten in de aanwezigheid van stenose van een leidingvat meer afhankelijk worden van de microvasculatuur om beschikbaar bloed en zuurstof efficiënter naar werkende weefsels te verdelen.

Stikstofoxide (NO) wordt geproduceerd door het vasculaire endotheel en speelt een belangrijke rol bij vasodilatatie, stroomregulatie en bloedplaatjesfunctie. Verstoringen in de productie van NO zijn betrokken bij de pathogenese van vaatziekten. Oorspronkelijk werd aangenomen dat de biologische activiteit van NO zowel in de tijd als in de ruimte beperkt was tot de nabijheid van het vasculaire endotheel waar het werd geproduceerd. Het is nu duidelijk dat verschillende beschermde NO-afgeleide soorten door het vaatstelsel kunnen worden getransporteerd om te worden vrijgegeven op kritieke gebieden van de bloedsomloop, waar het de macro- en microvasculaire tonus en mogelijk vasculopathie kan beïnvloeden. Onder normale omstandigheden wordt deze hormoonachtige rol nauwkeurig gecontroleerd: waarbij tijdens normoxia NO wordt geconserveerd, maar onder hypoxische omstandigheden NO wordt vrijgemaakt en vasodilatatie kan initiëren. Een mogelijke therapeutische optie is de omzetting van anorganische nitraat (NO3-) en nitriet (NO2-) anionen in NO (en andere bioactieve soorten). Dit is een aantrekkelijke benadering, omdat het biologisch verschilt van endotheel-NO-synthase en gemakkelijk kan worden bereikt via orale toediening. Anorganische NO3- komt veel voor in groene bladgroenten, bieten, selderij, sla, radijs en spinazie.

Wij waren de eerste groep die een acute verhoging van de NO2-concentratie in het plasma aantoonde (bij gebruik van bietensap met 9 mM NO3-) en verbeterde loopprestaties bij proefpersonen met PAD+IC. COT steeg met 18% (32 sec) en PWT met 17% (65 sec). Dit is een klinisch betekenisvolle en statistisch significante toename voor een ziektetoestand die wordt gekenmerkt door een verminderde fysieke functie en kwaliteit van leven. Er waren geen veranderingen in ABI of endotheliale functie, wat erop wijst dat er geen toename is in endogene vasculaire NO. De prestatieverbeteringen gingen gepaard met een vermindering van de fractionele zuurstofextractie bij de werkende weefsels, gemeten met nabij-infraroodspectroscopie (NIRS), wat wijst op een verhoogde perfusie van de werkende weefsels.

We hebben vervolgens aangetoond dat chronische dosering in combinatie met 36 trainingssessies (EX+BR) ook leidde tot een significante toename in pijnvrij lopen (COT) en eveneens tot een afname van deoxyhemoglobine tijdens inspanning, in vergelijking met een identiek oefenregime in combinatie met placebo.

Hoewel Near Infrared Spectroscopy (NIRS)-gegevens tijdens een fysiologische uitdaging indicatief zijn, zijn ze helaas ook relatief onnauwkeurig - NIRS meet alleen relatieve oxygenatie/deoxygenatie voor het hele weefselbed. Een veel preciezere niet-invasieve benadering is ontwikkeld door professor Christopher Kramer (UVa Health System - Cardiovascular Medicine, Noninvasive Cardiovascular Imaging) en professor Craig H. Meyer (Department of Biomedical Engineering) die Pulsed Arterial Spin Labeling (PASL) gebruikt in combinatie met een cuff occlusie of plantairflexie inspanningstest ontwikkeld door professor Arthur Weltman (UVa - Departement Kinesiologie). Dit maakt de creatie van weefselperfusiekaarten en differentiatie tussen specifieke gastrocnemius-spiercompartimenten mogelijk op een ruimtelijke en temporeel opgeloste manier. Daarnaast zullen we Creatine Exchange Saturation Transfer (CrCEST) gebruiken om de PCr-herstelkinetiek te meten na uitputtende inspanning of totdat de symptomen van proefpersonen hun inspanningstolerantie beperken.

Deze technieken in combinatie zullen ons in staat stellen om tekorten in weefselperfusie en metabolisme (mitochondriale functie) te differentiëren voor specifieke compartimenten van de gastrocnemius-spier voor en na interventie. De gevoeligheid voor het detecteren van veranderingen na suppletie met anorganisch nitraat (BR) werd eerder aangetoond bij gezonde proefpersonen tijdens zware uitputtende inspanning (waardoor hypoxische toestanden in het weefselbed ontstaan, analoog aan die bij patiënten met PAD+IC tijdens milde inspanning). De deelnemers aan BR vertoonden een toename in inspanningstolerantie en een vermindering van PCr-depletie, wat wijst op veranderingen in spiermetabolisme/-functie. Het effect van BR op de metabole reacties en weefselperfusie tijdens uitputtende inspanning bij PAD-patiënten is tot op heden echter niet onderzocht.

De hypothese van dit voorstel is dat bij patiënten met PAD+IC, 3-6 dagen orale consumptie van nitraat via de voeding (in de vorm van geconcentreerde BR) zal leiden tot een grotere weefselperfusie, zuurstofafgifte en verbeterd spiermetabolisme in vergelijking met placebo (PL ). Dit zal zich vertalen in een toename van de fysieke prestaties bij zowel spierspecifieke planterflexieoefeningen als loopbandmetingen van pijnvrij lopen. Om deze hypothese te testen, zullen de volgende specifieke doelen 24 PAD+IC-patiënten rekruteren in een gerandomiseerde, dubbelblinde, placebogecontroleerde, cross-over-opzet.

Doel 1. Om te bepalen tussen behandelingsverschillen (BR v PL) in fosfocreatine hersteltijdconstante (PCr) gemeten door Creatine Chemical Exchange Saturation Transfer (CrCREST).

Doel 2. Vaststellen tussen behandelingsverschillen (BR versus PL) bij piekoefening, maximale hyperemie in verschillende compartimenten van de onderste ledematen (anterieur, lateraal, gastrocnemius, soleus en diepe compartimenten) door middel van Pulsed Arterial Spin Labeling (PASL).

Doel 3. Vaststellen van relaties tussen veranderingen in de loopprestatie in COT en PWT tijdens de behandeling en compartimentele perfusiekarakteristieken van de onderste ledematen (doel 2) en herstelkinetiek van fosfocreatine (doel 1).