Elektrisk stimulering for å dempe muskelatrofi

Introduksjon:

Skjelettmuskulaturen reagerer på stimulans av mekanisk belastning for vekst og vedlikehold. Langvarig reduksjon i muskelaktivitet og mekanisk belastning som romflyvning, immobilisering av lemmer, sengeleie og/eller inaktivitet endrer balansen mellom proteinsyntese og nedbrytning, noe som resulterer i skjelettmuskelatrofi (1-3). Dette er preget av en reduksjon i muskelmasse, myofiber-tverrsnittsareal, kontraktil styrke og hastighet, samt langsom til rask fibertypetransformasjon (4,5). Mange mottiltak er rapportert for å dempe tapet av muskelatrofi, og nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) har vært hyppig brukt ved tilstander som ryggmargsskade, immobilisering og muskelsvikt etter operasjonen (6,7). Faktisk indikerte en nylig Cochrane-gjennomgang om effektiviteten av NMES for muskelsvakhet hos voksne med progressive sykdommer som KOLS, kronisk hjertesvikt og kreft at NMES er et effektivt middel for å forbedre muskelsvakhet (8). Metaanalysene inkluderte elleve randomiserte kontrollerte studier (RCT) med totalt 218 deltakere. NMES forbedret quadriceps-styrken betydelig med en standardisert gjennomsnittsforskjell (SMD) på 0,9 (95 % konfidensintervall (CI) 0,33 til 1,46). Dette tilsvarer omtrent 25 Newtonmeter (Nm) og bør betraktes som klinisk signifikant. På samme måte viste en annen nylig systematisk gjennomgang også at NMES er effektiv for å forhindre skjelettmuskelsvakhet hos kritisk syke pasienter. Åtte kvalifiserte studier med 172 pasienter ble inkludert i analysen. Av de åtte studiene rapporterte fem studier en økning i styrke eller bedre bevaring av styrke med NMES, hvor en studie hadde stor effektstørrelse (1,44). To studier fant bedre bevaring av muskelmasse med NMES, med små til moderate effektstørrelser (0,11-0,39) mens ingen signifikante fordeler ble funnet i to andre studier (9).

Effektiviteten til NMES er avhengig av den kliniske tilstanden og påvirkes av ulike stimuleringsparametre, spesielt stimuleringsfrekvensen og varigheten. Tradisjonelt har NMES blitt sett på som påføring av en transkutan elektrisk strøm til det nevromuskulære krysset, rettet mot å depolarisere motorenhetens aksjonspotensial og indusere muskelkontraksjon (10). Denne elektrisk induserte muskelkontraksjonen simulerer aktiv muskelstyrking og er basert på prinsippet for muskeltrening om at ved passende belastning vil muskelstyrken økes. For å oppnå denne treningseffekten hadde stimuleringsparametrene som ble brukt normalt sikte på å produsere tetanisk sammentrekning med en strømtetthet som individet maksimalt kan tolerere (8,9). Imidlertid vedtok denne for tiden stimuleringsprotokollen (dvs. høy frekvens ved eller over 50 Hz, amplitude ved forsøkspersonens maksimale tolererte grense og korte varighet (30 min til 1 time) for å motvirke muskelatrofi har to hovedulemper. For det første er det godt etablert at mekanisk avlastning er assosiert med skadelige endringer i strukturen og funksjonen til skjelettmuskulaturen, preget av reduksjon i muskelmasse, myofiber-tverrsnittsareal, kontraktil styrke og hastighet, samt sakte til rask transformasjon av fibertype (for gjennomgang, se 11). Dermed er de langsomme muskelfibrene mer utsatt for avlastning eller ubrukseffekt i stedet for raske muskelfibre. Den tradisjonelle høyfrekvente stimuleringsprotokollen (50 Hz) samsvarer ikke med den motoriske enhetens avfyringsmønster til en muskel med langsom rykk. Dessuten ville den høye strømtettheten uunngåelig forårsaket ubehag om ikke smerte for forsøkspersonene under den elektriske stimuleringen. Forsøkspersonene tåler ikke den elektriske stimuleringen i timevis. Dette er spesielt tilfellet hvis applikasjonen er til personer med muskelatrofi som ikke brukes eller personer med muskelsvakhet forårsaket av progressive sykdommer. Svært ofte er smertetoleransen til denne gruppen av personer generelt lavere enn normale friske personer. Dermed kan den nå vedtatte protokollen ikke nødvendigvis gi det best mulige resultatet av NMES for forbedring av muskelfunksjonen. De gunstige effektene av NMES for å motvirke muskelatrofi hadde ikke blitt utnyttet fullt ut. En nylig systematisk oversikt som undersøker metabolske og strukturelle endringer i skjelettmuskulatur i underekstremiteter etter nevromuskulær elektrisk stimulering identifiserte bare 18 studier. Åtte av disse studiene undersøkte enzymatiske aktiviteter, syv studier på muskelfibersammensetning og 14 på muskelfiberstørrelse. Blant disse 18 studiene er kun 9 RCT-studier, og den metodiske kvaliteten var generelt dårlig. Forfatterne konkluderte med at NMES ser ut til å kunne produsere gunstige endringer i oksidativ enzymaktivitet, type skjelettmuskelfiber og størrelse på skjelettmuskelfiber. I lys av den store heterogeniteten i NMES-protokoller, konkluderte forfatterne med at det ikke var noen sikker konsensus angående stimuleringsfrekvensene for optimale muskulære endringer (12), for eksempel Theriault et al. (13) hadde utført langvarig elektrisk stimulering til kneekstensoren til 8 friske voksne. Den elektriske stimuleringsprotokollen var av 8 ukers varighet i 8 timer per dag og 6 dager per uke. Stimuleringsparameteren var av lav frekvens (8 Hz) med intensitet som bare kunne produsere synlig vibrasjon. Resultatene antydet betydelig forbedring i kneekstensorytelse etter 4 ukers stimulering. Studien er imidlertid ikke en RCT-studie og det er en kontrollgruppe i studien. På den annen side, en av RCT-studiene som undersøkte effekten av NMES og inkorporerte høy frekvens (50Hz), men svært lav amplitude (uten muskelkontraksjon) da placebogruppen for øvrig hadde avslørt at placeboen ga bedre effekt enn intervensjonsgruppen. NMES-gruppen vs placebogruppen med en SMD på -0,12 (95 % KI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee og hans gruppe har også vist en elektrisk stimuleringsprotokoll med lav frekvens (4 Hz), men høy amplitude (300mA), 1 time/dag i 6 uker kan øke quadriceps-styrken til friske stillesittende voksne og pasienter med stabil kronisk hjertesvikt betydelig ( 15, 16). Derfor antydet funnene fra grunnleggende vitenskap og disse kliniske studiene behovet for ytterligere utforskning av mer effektiv NMES-stimuleringsprotokoll for å dempe muskelatrofi.

Mål og hypoteser som skal testes:

For å adressere disse har etterforskerne av dette forslaget utfordret den tradisjonelle tanken om at NMES skal være med høy frekvens og høy amplitude. Etterforskerne hadde testet hypotesen om at lav frekvens og lav amplitude er effektivt for å dempe muskelatrofi, og undersøkte de cellulære mekanismene forbundet med muskelavlastning. Ved å bruke dyremodellen for bakbensoppheng har etterforskerne tidligere vist at under bakbensopphenget, har påføring av lavfrekvent elektrisk stimulering ved 20 Hz på soleusmusklene med definerte timing- og pulsparametere delvis reddet tapet av satellittceller og forbedret fiberkryss. seksjonsarealer (17). Etterforskerne har videre vist at bruk av et paradigme for elektrisk stimulering av frekvens: 20 Hz; varighet: 3 timer, to ganger daglig til åtte uker gamle BALB/c-hannmus som ble utsatt for en 14-dagers lossing av bakben (HU). Dette stimuleringsparadigmet kan forbedre satellittcelleproliferasjonspotensialet samt undertrykke apoptotisk celledød i muskelatrofi indusert av ubruk. Morfologisk viste bakbenet med elektrisk stimulering signifikant forbedring i muskelmasse, tverrsnittsareal og maksimal tetanisk kraft i forhold til HU-lemmet (18). Nylig undersøkte etterforskerne den optimale stimuleringsprotokollen videre og demonstrerte at blant tre lavfrekvensprotokoller, 2, 10 og 20 Hz, oppnådde stimulering ved 2 Hz i 2 × 3 timer/dag den beste effekten for å dempe tapet av muskelfiberkryss. snittareal og kraft. Denne stimuleringsparameteren førte til en 1,2 ganger økning i satellittcelleproliferasjon, og var effektiv for å redde celler fra apoptose (19). Med alle disse oppmuntrende funnene fra den grunnleggende vitenskapelige forskningen, tror forskerne at det foreslåtte nye paradigmet til NMES kan testes på personer med progressiv muskelatrofi. Etterforskerne antar at NMES ved 2 Hz i 2 × 3 timer/dag er effektivt for å dempe/forbedre postural muskelatrofi i underekstremitetene, nemlig quadriceps og gastrocnemius og soleus muskelkompleks.

Undersøkelsesplan:

Basert på funnene i den eksisterende litteraturen om den nåværende vedtatte NMES-stimuleringsprotokollen for å dempe muskelatrofi eller forbedre muskelytelse i ulike populasjoner, antok etterforskerne at det foreslåtte nye paradigmet til NMES ville være mer effektivt for å forbedre muskeltverrsnittsarealet (CSA). ), styrke, utholdenhet, treningstoleranse, og er mer akseptabelt av forsøkspersoner som trengte NMES for å dempe muskelatrofien med ulike medisinske tilstander, spesielt pasienter med kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS).