Hersensubstraat Schakel over naar ketonen en lactaat (BSS)

Doelstellingen:

Primair:

• Vaststellen of het keton- en lactaatmetabolisme in de hersenen de gunstige neurotrofe reacties veroorzaakt die samenhangen met respectievelijk vasten en lichaamsbeweging.

Ondergeschikt:

• Vaststellen of vasten en lichaamsbeweging de opname van glucose, ketonen en lactaat door de hersenen verbeteren.

Eindpunten:

Primair:

• Van hersenen afgeleide neurotrofe factor (BDNF)
• Uitgescheiden amyloïde-bèta-precursorproteïne-alfa (sAPPA)

Ondergeschikt:

• Hersenen glucose-extractie
• Brain keton extractie
• Hersenlactaat extractie
• Verhoogde hersenglucose-extractie als reactie op intranasale insulinetoediening

Hypothese:

1. Vasten en intensieve lichaamsbeweging zullen de afgifte van BDNF en sAPPA door de hersenen verhogen, en deze reacties zullen hetzelfde zijn wanneer ketonen en lactaat passief in de circulatie worden gebracht in de gevoede en rustende toestand.
2. Vasten zal het metabolisme van ketonen in de hersenen verhogen, meer dan bereikt wordt wanneer ketonen passief in de bloedsomloop worden gebracht in gevoede toestand.
3. Intensieve lichaamsbeweging zal het lactaatmetabolisme in de hersenen verhogen tot een hoger niveau dan bereikt wordt wanneer lactaat in rust passief in de circulatie wordt gebracht.
4. Intensieve lichaamsbeweging zal de insulinegevoeligheid van de hersenen voor glucose verbeteren, zoals blijkt uit een verhoogde opname van glucose in de hersenen als reactie op intranasale insuline.

Ontwerp

Dit wordt een cross-overontwerp met herhaalde metingen, waarbij deelnemers twee voorwaarden invullen met een tussenpoos van 4-6 weken:

1. Gevoede oefening en passieve infusies van lactaat en ketonen
2. 72 uur nuchtere oefening en passieve infusies van lactaat en ketonen

Bij beide bezoeken krijgen de deelnemers arteriële (radiale) en veneuze (inwendige jugulaire) katheters om het cerebrale oxidatieve en substraatmetabolisme (glucose, ketonen, lactaat) te kwantificeren als reactie op: 1) vasten, 2) 6 minuten hoge intensiteit lichaamsbeweging, 3) een passief gegradeerde infusie van ketonen (om vasten na te bootsen); en 4) een passief gegradeerde infusie van lactaat (om oefening na te bootsen). De insulinegevoeligheid van de hersenen voor glucose zal worden gekwantificeerd in gevoede en nuchtere toestand voor en na inspanning door een eenmalige dosis intranasale insuline. In de nuchtere en nuchtere toestand in rust zal een monster van de cerebrospinale vloeistof worden verzameld uit de lumbale wervelkolom om metabolomics en de productie en afgifte van neurotrofe factoren (BDNF en sAPPa) uit de hersenen te kwantificeren.

Testlocaties Alle tests vinden plaats in het ARTs-gebouw (kamer 184) in het onderzoekslaboratorium Centre for Heart, Lung and Vascular Health in Kelowna, British Columbia, Canada.

Deelnemers Steekproefomvang We zullen gegevens verzamelen van 12 proefpersonen, inclusief beide geslachten. Een berekening van de steekproefomvang (macht >0,8, significantie <0,05) op basis van onze voorlopige gegevens geeft aan dat er 8 deelnemers nodig zijn (12); we zullen ernaar streven om 12 vrijwilligers van beide geslachten te rekruteren om de bevolking beter te vertegenwoordigen, niet om sekseverschillen te onderzoeken. Schriftelijke, geïnformeerde toestemming zal worden verkregen van de deelnemers. We verwachten een uitvalpercentage van <5%.

Inclusiecriteria

• Leeftijd 19 - 40 jaar oud
• Regelmatig fysiek actief, zoals bepaald via vragenlijsten

Uitsluitingscriteria

• Huidige rokers
• Acuut bronchiaal astma, chronische obstructieve luchtweg of status astmaticus
• Zwaarlijvig (body mass index groter dan 30 kg m-2)
• Dagelijks voorgeschreven medicijnen nodig hebben die de reactie op lichaamsbeweging kunnen beïnvloeden, bijv. antihypertensiva, antiaritmogene middelen, inhalatoren
• Voorgeschiedenis van ziekte/disfunctie die complicaties bij inspanning kan veroorzaken, b.v. cardiovasculaire, respiratoire, neurologische of musculoskeletale aandoeningen
• Onregelmatige of afwezige menstruatiecyclus (vrouwen)
• Zwanger of vermoedt zwangerschap, of postmenopauzaal (vrouwen)
• Eventuele onverwachte nadelige reacties op pre-experimentele inspanningstesten
• Elke contra-indicatie voor een lumbale subarachnoïdale toegang

Screening/baseline-evaluatie

Bovenstaande in- en uitsluitingscriteria zullen worden onderzocht via een vragenlijst voor gezondheidsscreening en een klinische screening uitgevoerd door een arts. Deze screening omvat:

• Rust bloeddruk,
• 12-afleidingen elektrocardiogram,
• Cardiopulmonale inspanningstesten,
• Nuchtere bloedglucose.

Beëindigingscriteria

• Elke nadelige reactie op invasieve procedures, d.w.z. katheterisatie en afname van hersenvocht (zie Risico's hieronder)

Naast het bovenstaande en volgens de richtlijnen van de UBC Clinical Research Ethics Board, kunnen alle onderzoeksdeelnemers zich op elk moment en zonder reden terugtrekken uit het onderzoek.

Experimentele procedures

Deelnemers bezoeken het lab twee keer. Details van de experimentele bezoeken worden hieronder beschreven:

1. Gevoede oefening en passieve infusies van lactaat en ketonen

   Deelnemers arriveren 1 uur na het eten van een lichte maaltijd naar keuze in het lab. Deelnemers zullen op een bed liggen en zullen worden geïnstrumenteerd met inwonende radiale slagader en interne halsaderkatheters. Een uur na katheterisaties wordt de cerebrale bloedstroom niet-invasief gemeten door middel van duplex-echografie van de interne halsslagader en wervelslagaders. Er zullen bloedmonsters worden genomen uit de arteriële en veneuze circulaties voor rustmetingen van het oxidatieve en substraatmetabolisme van de hersenen (glucose, ketonen en lactaat). Er wordt een enkel hersenvochtmonster afgenomen van de lumbale wervelkolom tussen L4 en L5. Deze procedure zal worden uitgevoerd door een hoogopgeleide arts die deze technieken bijna dagelijks routinematig gebruikt voor patiëntenzorg. Daarna zal het primaire keton, beta-hydroxybutyraat (Bhb), stapsgewijs via een antecubitale (arm) ader worden toegediend om circulerende concentraties van 1, 3 en 5 mmol/L te induceren. Na een volledig herstel, d.w.z. Bhb-concentratie keert terug naar rustwaarden, zal intraveneus lactaat stapsgewijs worden geïnfundeerd om circulerende concentraties van 5, 10 en 15 mmol/L te induceren. Na een volledig herstel van de bloedlactaatspiegels zal een intraveneus gecombineerd infuus (Bhb en lactaat) worden toegediend om circulerende concentraties van respectievelijk 3 en 10 mmol/L te induceren. Deelnemers krijgen dan een lichte gestandaardiseerde maaltijd en 1 uur om te rusten en te verteren. Ten slotte zullen de deelnemers zichzelf een enkele dosis intranasale insuline toedienen voor en na het voltooien van 6 minuten intensieve fietsintervallen. Na de laatste dosis intranasale insuline worden de instrumenten van de deelnemers verwijderd om het einde van het bezoek te markeren. De totale tijd voor dit bezoek wordt geschat op 3-4 uur.

2. 72 uur nuchtere oefening en passieve infusies van lactaat en ketonen

Dit bezoek is identiek aan voorwaarde 1, behalve dat de deelnemers 72 uur vasten in het laboratorium aankomen en geen lichte maaltijd krijgen totdat alle experimentele procedures zijn voltooid. Voorafgaand aan het vasten krijgen de deelnemers een continue glucosemonitor zodat de onderzoekers hun bloedglucose tijdens het vasten kunnen volgen. Als zodanig wordt de totale tijd voor dit bezoek ook geschat op 3-4 uur.

Protocol voor intensieve oefeningen. Deelnemers zullen zes periodes van 40 seconden fietsen met een werktempo dat 100% maximaal aerobe vermogen (V̇O2max) opwekt, gevolgd door 20 seconden actief herstel bij 25% VO2max. We hebben aangetoond dat deze oefening het lactaat met meer dan 5 keer verhoogt, zowel in gevoede als nuchtere toestand (12).

Randomisatie van voorwaarden. De volgorde van condities, d.w.z. gevoed of gevast, zal willekeurig zijn. Het is onmogelijk om de deelnemers blind te maken voor de gevoede en nuchtere omstandigheden, aangezien vasten vereist dat ze zich onthouden van eten voorafgaand aan een bezoek aan het laboratorium. Onderzoekers worden niet verblind omdat ze de proefpersonen volgen terwijl ze vasten voordat ze het lab bezoeken.