Metabolske og muskulære tilpasninger under inaktivitet i 3 dagers sengeleie

Sengeleie er en allment akseptert eksperimentell modell som brukes til å studere fysiologiske tilpasninger til romflukt, inkludert tap av bein og muskelmasse, væskeskift og kardiovaskulær dekondisjonering. Vanligvis blir deltakerne bedt om å tilbringe en periode i sengen, med alle aktiviteter i dagliglivet utføres i horisontal eller hode-ned tilt-posisjon, og dermed minimere bruken av alle muskler og få til betydelige fysiologiske tilpasninger som ligner på de som ble observert under romferd. Et betydelig antall studier av sengeleie hos mennesker er utført med en varighet på 3-370 dager. Imidlertid er det for tiden hull i vår forståelse av; hastigheten og omfanget av den fysiologiske dysreguleringen som oppstår under faktisk og simulert mikrogravitasjon (som de fleste studier til dags dato hovedsakelig har vurdert tidpunkter før og etter sengetid); stedene og mekanismene som kontrollerer sengeleie-indusert dysregulering; om prosessene som ligger til grunn for akutte fysiologiske endringer er de samme som man ser på lengre sikt. Å forbedre vår forståelse av disse problemene vil gjøre det mulig for intervensjoner som tar sikte på å minimere sengeleie-indusert fysiologisk dysregulering å bli mest effektivt fokusert på tidsperioder når frekvensen av utbruddet av fysiologisk dysregulering sannsynligvis vil være størst. Dette vil da bidra til at fremtidig suksess oppnås ved langvarig menneskelig romflukt, f.eks. et bemannet oppdrag til Mars, fordi en forståelse av etiologien og tidsforløpet til den fysiologiske dysreguleringen som følger med langvarig eksponering for mikrogravitasjon ville gjøre det mulig å implementere effektive mottiltak. Videre gir sengeleiemodeller en unik mulighet til å studere konsekvensene av sengeleie for de som kan lide lengre perioder med inaktivitet under sykehusinnleggelse, som følge av sykdom eller skade.

Inaktivitet er assosiert med utvikling av insulinresistens og bidrar til utvikling av mange moderne metabolske sykdommer inkludert fedme, type 2 diabetes, dyslipidemi og hypertensjon (1,2); med fysisk inaktivitet angitt som hovedårsaken til 27 % av diabetestilfellene og 30 % av tilfellene av iskemisk hjertesykdom. Imidlertid representerer tidsforløpet, relativ vevsspesifisitet (lever vs muskel) og mekanistisk grunnlag for inaktivitet indusert insulinresistens, og dens reversering ved remobilisering, store hull i vår nåværende forståelse. Videre er insulinresistens en observasjon med flere mulige etiologier og mekanismene involvert i utviklingen av denne tilstanden med kortvarig sengeleie/immobilisering kan være annerledes enn de som er involvert med langvarig/kronisk inaktivitet. Det er derfor nødvendig med videre forskning på dette området.

Den nåværende studien er en del av et større prosjekt som inkluderer en 60 dagers langsiktig sengeleiestudie utført i samarbeid med European Space Agency, ved Institut Médecine Physiologie Spatiale-fasiliteten i Toulouse, Frankrike, og vil bli sammenlignet med tiltakene som er utført i det langsiktige sengeleieeksperimentet.

Innkjøringsfase; Etter en vellykket medisinsk screening vil deltakerne starte en innkjøringsfase der deres vanlige aktivitetsnivå vil bli vurdert ved akselerometri. Individualiserte energibehov vil bli estimert ved å bruke den modifiserte ligningen for Harris-Benedict hvilemetabolisme og faktor for fysisk aktivitetsnivå og en standardisert diett (sammensetning av makronæringsstoffer (uttrykt som en prosentandel av det totale energiinntaket i kosten) som er ~55% karbohydrater, ~30% fett og ~15 % protein) vil bli gitt for de 3 dagene før den første eksperimentelle økten. Dagen før denne økten vil deltakerne bli bedt om å avstå fra all anstrengende trening og å faste fra midnatt og kun konsumere vann fra den tiden. Ved ankomst vil en dual-energy røntgen absorptiometri (DEXA) skanning bli utført for å karakterisere fettmassene på hele kroppen og beinene. Deltakeren vil deretter bli bedt om å ligge på en sykehusseng i ryggleie (en pute) og muskelvolum og arkitekturmålinger vil bli bestemt ved ultralydavbildning av vastus lateralis-muskelen ved bruk av en 100 mm lineær array 13-4 megahertz-sonde. Dette vil gi en global representasjon av quadriceps muskelanatomi for å standardisere beregninger av benglukoseopptak og bestemme bidraget av muskelmasse og intramyocellulært lipid til beininsulinresistens. Muskelbiopsiprøver vil bli tatt fra vastus lateralis før og umiddelbart etter en 3 timers hyperinsulinemisk euglykemisk klemme (3). Muskelbiopsier vil bli tatt med Bergström-teknikken under sterile forhold, etter injeksjon av lokalbedøvelse. Et anterograd femoral venekateter vil bli satt inn (ved bruk av Seldinger-teknikken under ultralydveiledning) for å muliggjøre at venøst ​​bloddrenering fra benet kan analyseres for glukosekonsentrasjon og sammenlignes med glukosekonsentrasjonen i arterialisert-venøse blodprøver (Tidspunkter 0, 150, 160, 170 og 180 minutter). Samtidig som den femorale venøse blodprøven tas, vil det ved hjelp av ultralyd foretas en femoral arterie-blodstrømvurdering (mmol/min) for å kunne beregne glukoseopptak i ben. Indirekte kalorimetri vil bli utført før og i de siste 15 minuttene av 180 min hyperinsulinaemisk-euglykemisk klemme.

Dagen etter "klemmebesøket" vil en 3 Tesla magnetisk resonansspektroskopi (MRS) skanning bli utført for å vurdere intramyocellulært lipid (IMCL), ekstramyocellulært lipid (EMCL) og hepatisk triglyseridinnhold. En magnetisk resonanstomografi (MRI)-skanning vil også bli utført for å bestemme tverrsnittsarealet av midlårmuskel og muskelmasse i hele kroppen. Etter magnetisk resonans (MR)-skanning vil deltakerne gjennomgå en kort proprioseptiv vurdering av underekstremiteter på et spesialdesignet somatosensorisk apparat kalt Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Deltakerne vil stå på apparatet og få hver ankel beveget gjennom 5 forskjellige inversjonsvinkler og blir bedt om å vurdere graden av ankelposisjon. Denne metoden er validert for å bestemme proprioseptiv diskriminering og vil bli gjentatt etter MR utført på dag 4 for å vurdere forskjeller før og etter sengeleie.

Før sengeleieperioden starter, vil det tas spytt- og urinprøver for mål på bakgrunnsmerking av kreatin, kreatinin, vann og 3-metylhistidin (MH) med deuterium. Etter dette vil deltakerne få en drink som inneholder stabile isotopsporere; deuterert kreatin (D3-kreatin 30 mg; for å måle hele kroppens muskelmasse) og deuterert, eller "tungt", vann (D2O, 3g/kg kroppsvekt, delt inn i 3 alikvoter inntatt med 20 minutters mellomrom, for å måle muskelproteinsyntese (MPS) ) fra målinger av muskelvevsinkorporering). To timer etter inntak av den endelige D2O-dosen, vil en spyttprøve bli samlet inn for å måle likevekten av D2O i hele kroppsvannbassenget. En 24 timers urinsamling vil bli utført 24 timer etter inntak av D3-kreatin, og en punkturinprøve vil bli tatt 36 timer, 48 timer og 72 timer. Urin vil bli analysert for D3-kreatin for å ta hensyn til "spillover", og D3-kreatininmerking som vil reflektere fortynning av etiketten i hele kroppens kreatinbasseng. Kroppens totale kreatinbassengstørrelse og muskelmasse vil bli beregnet fra D3-kreatininberikelsen i urin ved 72 timer, etter å ha tatt hensyn til tap av D3-kreatin rett inn i urinen. I tillegg, 24 timer før sengeleie starter (dag -1), vil deltakerne innta metyl-D3-3 metylhistidin (10 mg, D3-MH for å måle nedbrytning av myofibrillær muskelmasse i hele kroppen) i en drink. Ytterligere 10 mg vil bli gitt på dag 2 av sengeleie, med blodovervåking på dag 3.

Sengeleie fase; Deltakerne vil ankomme anlegget kl. 08.00 om morgenen dag 1 etter en nattfaste fra kl. 22.00 kvelden før. For simulering av de fysiologiske effektene av mikrogravitasjon, holdes sengen i en 6° hode ned vippeposisjon (HDT-posisjon). En Bard-mikronål muskelbiopsi vil bli utført og gjentatt påfølgende morgen (dag 2 av sengeleie) for å vurdere kumulativ muskelproteinsyntese over de første 24 timene med sengeleie. Hver dag etter biopsien vil en anterograd venekanyle settes inn i armen for prøvetaking av blod hver time i totalt 6 timer for måling av D3-MH-merking.

Påfyll av D2O (beregnet fra vannomsetningshastigheter) vil bli gitt til deltakerne på dag 1 og 3 av sengeleie, for å opprettholde D2O-anrikningen. En spyttprøve vil bli tatt for å måle D2O kroppsvannanrikning og en urinprøve for D3 Kreatinin-merking.

Under sengeleie vil deltakerne forbli i sengen 24 timer i døgnet. Alle dagligdagse aktiviteter som hygieniske prosedyrer, spising, lesing og "gå" på do (bruk av kjeler og urinflasker) finner sted mens du holder hodet nede i løpet av studien. Deltakerne har lov til å bevege seg fra side til side (fra liggende til ventrale eller laterale stillinger), men har ikke lov til å sitte opp eller stå når som helst. Bruk av en liten flat pute er tillatt så lenge skuldrene fortsatt berører madrassen. Kostinntaket vil bli kontrollert, med en aktivitetsmultiplikator på 1,2 som brukes til å bestemme daglige energiinntaksbehov. Fem daglige måltider (frokost, morgenmåltid, lunsj, ettermiddagsmat og middag) serveres på samme tid på dagen, hele veien. Deltakerne oppfordres til å innta all maten som tilbys. De kan konsumere mindre enn gitt, men vil ikke motta ekstra mat. Hver matvare veies på en presisjonsskala (±0,1 g), og der deltakerne ikke spiser all maten som er gitt, veies de ukonsumerte matvarene på nytt og verdien trekkes fra startvekten for å gi faktisk matinntak. Forsøkene holder en streng dag-natt-syklus. De vekkes klokken 07.00 og lysene slukkes klokken 23.00.

Om morgenen dag 4, etter en faste over natten, vil deltakerne gjennomgå den andre "klemme"-dagen som beskrevet ovenfor (ultralydskanning av låret, indirekte kalorimetri, femoral venekanylering, muskelbiopsier og en euglykemisk hyperinsulinemisk klemme). Etter dette vil gradvis, overvåket tilbakeføring til "oppreist" i sengen bli utført, med kontinuerlig kardiovaskulær overvåking for å unngå postural hypotensjon. Deltakerne forblir i sengen, men får sitte i oppreist stilling til morgenen dag 5.

Etter sengeleie fase; Om morgenen dag 5 vil deltakerne forflytte seg (uten vektbæring) til rullestol, og deretter transporteres til 3 Tesla MR-skanneren for MR-skanning etter sengeleie. De vil bli pålagt å faste fra kl 22.00 kvelden før. Etter MR-skanningen vil deltakerne bli matet og få lov til å gå tilbake til å stå i et kontrollert miljø. De vil deretter gjennomgå overvåket rehabilitering i University of Nottingham treningsfasiliteter som består av 6 sett med 8 repetisjoner (ved 75 % av maksimum) av kneekstensjonskontraksjoner på ett ben på et tilfeldig tildelt ben, da dette har vist seg å gi en anabole stimulans (4), og deretter få reise hjem. Rehabiliteringsøktene vil vare ca. 30 minutter. De vil komme tilbake på dag 6 og 7 i hvileperioden uten seng for å gjennomgå ytterligere overvåket rehabiliteringsøkter som ovenfor. Standardisert kostinntak vil opprettholdes gjennom hvilefasen etter sengeleie. Kl. 08.00 om morgenen dag 8 vil de delta på laboratoriet for å gjennomgå et siste "klemmebesøk" som består av de samme prosedyrene som er beskrevet ovenfor, med følgende modifikasjon; en Bergström muskelbiopsi vil bli utført på benet som gjennomgikk rehabiliteringstrening før og etter euglykemisk hyperinsulinemisk klemme. En Bard-mikronålsbiopsi vil bli utført på det kontralaterale benet før 3 timers klemmen, for å sammenligne muskelproteinsyntese mellom bena. Til slutt, på dag 9 vil MRS- og MR-skanningen bli utført på samme måte som beskrevet ovenfor. Når den endelige MRS-skanningen er utført, vil det være slutten på studieprotokollen.