Hjernesubstrat Bytt til ketoner og laktat (BSS)

Mål:

Hoved:

• For å finne ut om hjerneketon- og laktatmetabolismen forårsaker de fordelaktige nevrotrofe responsene forbundet med henholdsvis faste og trening.

Sekundær:

• For å finne ut om faste og trening forbedrer hjernens opptak av glukose, ketoner og laktat.

Endepunkter:

Hoved:

• Hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF)
• Utskilt amyloid-beta-forløperprotein-alfa (sAPPA)

Sekundær:

• Hjerneglukoseekstraksjon
• Hjerneketonekstraksjon
• Hjernelaktatekstraksjon
• Økt hjerneglukoseekstraksjon som respons på intranasal insulinadministrasjon

Hypotese:

1. Faste og trening med høy intensitet vil øke hjernens frigjøring av BDNF og sAPPA, og disse responsene vil være de samme når ketoner og laktat passivt infunderes i sirkulasjonen i matet og uthvilt tilstand.
2. Fasting vil øke hjernens ketonmetabolisme utover det som oppnås når ketoner passivt infunderes i sirkulasjonen i matet tilstand.
3. Høyintensiv trening vil øke hjernens laktatmetabolisme utover det som oppnås når laktat passivt tilføres sirkulasjonen i uthvilt tilstand.
4. Trening med høy intensitet vil forbedre hjernens insulinfølsomhet for glukose, som vist ved å øke hjernens glukoseopptak som respons på intranasal insulin.

Design

Dette vil være et cross-over-design med gjentatte tiltak med deltakere som fullfører to tilstander atskilt med 4-6 uker:

1. Fed trening og passive infusjoner av laktat og ketoner
2. 72-timers fastende trening og passive infusjoner av laktat og ketoner

Ved begge besøk vil deltakerne bli instrumentert med arterielle (radiale) og venøse (interne jugulære) katetre for å kvantifisere cerebral oksidativt og substrat (glukose, ketoner, laktat) metabolisme som svar på: 1) faste, 2) 6 minutter med høy intensitet trening, 3) en passiv gradert infusjon av ketoner (for å etterligne faste); og 4) en passiv gradert infusjon av laktat (for å etterligne trening). Hjernens insulinfølsomhet for glukose vil kvantifiseres i matet og fastende tilstand før og etter trening med en engangsdose av intranasal insulin. I matet og fastende tilstander i hvile, vil en prøve av cerebrospinalvæske bli samlet inn fra lumbale ryggraden for å kvantifisere metabolomikk og produksjon og frigjøring av nevrotrofiske faktorer (BDNF og sAPPa) fra hjernen.

Prøvesteder All testing vil finne sted i ARTs Building (rom 184) i Center for Heart, Lung and Vascular Health forskningslaboratoriet i Kelowna, British Columbia, Canada.

Deltakere Prøvestørrelse Vi vil samle inn data i 12 forsøkspersoner med begge kjønn inkludert. En prøvestørrelsesberegning (styrke >0,8, signifikans < 0,05) basert på våre foreløpige data indikerer at 8 deltakere er påkrevd (12); vi vil ha som mål å rekruttere 12 frivillige av begge kjønn for å representere befolkningen bedre, ikke for å undersøke kjønnsforskjeller. Skriftlig, informert samtykke vil bli innhentet fra deltakerne. Vi forventer et frafall på <5 %.

Inklusjonskriterier

• I alderen 19 - 40 år
• Regelmessig fysisk aktiv, bestemt via spørreskjemaer

Eksklusjonskriterier

• Nåværende røykere
• Akutt bronkial astma, kronisk obstruktiv luftvei eller status asthmaticus
• Overvektig (kroppsmasseindeks større enn 30 kg m-2)
• Krever daglige reseptbelagte medisiner som kan påvirke responsen på trening, f.eks. antihypertensiva, antiarytmogenika, inhalatorer
• Anamnese med sykdom/dysfunksjon som kan forårsake komplikasjoner ved trening, f.eks. kardiovaskulære, respiratoriske, nevrologiske eller muskel-skjelettsykdommer
• Uregelmessig eller fraværende menstruasjonssyklus (kvinner)
• Gravid eller kan mistenke graviditet, eller postmenopausal (kvinner)
• Eventuelle uventede negative reaksjoner på pre-eksperimentelle treningstester
• Enhver kontraindikasjon for en lumbal subaraknoidal tilgang

Screening/Baseline Evaluering

Ovennevnte inklusjons- og eksklusjonskriterier vil bli undersøkt via et spørreskjema for helsescreening og en klinisk screening utført av en lege. Denne visningen vil omfatte:

• Hvilende blodtrykk,
• 12-avlednings elektrokardiogram,
• Kardiopulmonal treningstesting,
• Fastende blodsukker.

Seponeringskriterier

• Enhver negativ respons på invasive prosedyrer, f.eks. kateterisering og prøvetaking av cerebrospinalvæske (se risikoer nedenfor)

I tillegg til ovennevnte og i henhold til UBC Clinical Research Ethics Boards retningslinjer, kan alle forskningsdeltakere trekke seg fra studien når som helst og uten grunn.

Eksperimentelle prosedyrer

Deltakerne vil besøke laboratoriet ved to anledninger. Detaljer om de eksperimentelle besøkene er skissert nedenfor:

1. Fed trening og passive infusjoner av laktat og ketoner

   Deltakerne kommer til laboratoriet 1 time etter å ha spist et lett måltid etter eget valg. Deltakerne vil ligge på en seng og vil bli instrumentert med inneliggende radial arterie og indre halsvenekatetre. En time etter kateteriseringer vil cerebral blodstrøm bli målt non-invasivt ved Duplex ultralyd av indre halspulsårer og vertebrale arterier. Blodprøver vil bli tatt fra arterielle og venøse sirkulasjoner for hvilemålinger av hjernens oksidative og substrat (glukose, ketoner og laktat) metabolisme. En enkelt cerebrospinalvæskeprøve vil bli samlet fra korsryggen mellom L4 og L5. Denne prosedyren vil bli utført av en høyt utdannet lege som bruker disse teknikkene rutinemessig for pasientbehandling på nesten daglig basis. Deretter vil det primære ketonet, beta-hydroksybutyrat (Bhb), infunderes via en antecubital (arm) vene på en trinnvis måte for å indusere sirkulerende konsentrasjoner på 1, 3 og 5 mmol/L. Etter en fullstendig gjenoppretting, det vil si at Bhb-konsentrasjonen går tilbake til hvileverdier, vil intravenøs laktat infunderes på en trinnvis måte for å indusere sirkulerende konsentrasjoner på 5, 10 og 15 mmol/L. Etter en fullstendig gjenoppretting av laktatnivået i blodet, vil en intravenøs kombinert infusjon (Bhb og laktat) gis for å indusere sirkulerende konsentrasjoner på henholdsvis 3 og 10 mmol/L. Deltakerne får deretter et lett standardisert måltid og 1 time til hvile og fordøyelse. Til slutt vil deltakerne selv administrere en enkeltdose av intranasal insulin før og etter å ha fullført 6-minutters syklusintervaller med høy intensitet. Etter den siste dosen av intranasal insulin, vil deltakerne bli de-instrumentert for å markere slutten på besøket. Den totale tiden for dette besøket er beregnet til å være 3-4 timer.

2. 72-timers fastende trening og passive infusjoner av laktat og ketoner

Dette besøket er identisk med betingelse 1, bortsett fra at deltakerne kommer til laboratoriet 72 timer fastende og vil ikke bli utstyrt med et lett måltid før alle eksperimentelle prosedyrer er fullført. Før fasten igangsettes, vil deltakerne utstyres med en kontinuerlig glukosemonitor slik at forskerne kan spore blodsukkeret deres under fasten. Som sådan er den totale tiden for dette besøket også beregnet til å være 3-4 timer.

Treningsprotokoll med høy intensitet. Deltakerne vil gjennomføre seks 40-sekunders sykling med en arbeidshastighet som fremkaller 100 % maksimal aerob kraft (V̇O2max) etterfulgt av 20 s aktiv restitusjon ved 25 % VO2max. Vi har vist at denne øvelsen øker laktat >5 ganger i både matet og fastende tilstand (12).

Randomisering av forhold. Rekkefølgen på tilstandene, dvs. matet eller fastet, vil bli randomisert. Det er umulig å blinde deltakerne for matet og fastende forhold siden fasting krever avstå fra å spise før de besøker laboratoriet. Forskere vil ikke bli blindet fordi de vil overvåke forsøkspersonene mens de faster før de besøker laboratoriet.