Adaptacje metaboliczne i mięśniowe podczas bezczynności w ciągu 3 dni leżenia w łóżku

Odpoczynek w łóżku to szeroko akceptowany model eksperymentalny używany do badania fizjologicznych adaptacji do lotów kosmicznych, w tym utraty masy kostnej i mięśniowej, przesunięcia płynów i osłabienia układu sercowo-naczyniowego. Ogólnie rzecz biorąc, uczestnicy proszeni są o spędzenie pewnego okresu w łóżku, a wszystkie codzienne czynności wykonywane są w pozycji poziomej lub pochylonej głową w dół (HDT), minimalizując w ten sposób użycie wszystkich mięśni i powodując znaczące adaptacje fizjologiczne, podobne do obserwowanych podczas lot w kosmos. Przeprowadzono znaczną liczbę badań leżenia w łóżku u ludzi w okresie od 3 do 370 dni. Jednak obecnie istnieją luki w naszym rozumieniu; tempo i wielkość dysregulacji fizjologicznej, która występuje podczas rzeczywistej i symulowanej mikrograwitacji (ponieważ większość dotychczasowych badań uwzględniała głównie punkty czasowe przed i po odpoczynku w łóżku); miejsca i mechanizmy kontrolujące rozregulowanie wywołane przez leżenie w łóżku; czy procesy leżące u podstaw ostrych zmian fizjologicznych są takie same, jak te obserwowane w dłuższej perspektywie. Lepsze zrozumienie tych kwestii umożliwiłoby interwencje mające na celu zminimalizowanie rozregulowania fizjologicznego wywołanego przez leżenie w łóżku, aby najskuteczniej skoncentrować się na okresach, w których tempo wystąpienia rozregulowania fizjologicznego prawdopodobnie będzie największe. To z kolei przyczyniłoby się do osiągania w przyszłości sukcesów w długotrwałych lotach kosmicznych, m.in. załogowej misji na Marsa, ponieważ zrozumienie etiologii i przebiegu w czasie fizjologicznych rozregulowań towarzyszących przedłużonej ekspozycji na mikrograwitację umożliwiłoby wdrożenie skutecznych środków zaradczych. Co więcej, modele leżenia w łóżku stanowią wyjątkową okazję do zbadania konsekwencji leżenia w łóżku u osób, które mogą wytrzymać dłuższe okresy bezczynności podczas hospitalizacji, wynikające z choroby lub urazu.

Brak ruchu wiąże się z rozwojem insulinooporności i przyczynia się do rozwoju wielu współczesnych chorób metabolicznych, w tym otyłości, cukrzycy typu 2, dyslipidemii i nadciśnienia tętniczego (1,2); przy czym brak aktywności fizycznej jest wymieniany jako główna przyczyna 27% przypadków cukrzycy i 30% przypadków choroby niedokrwiennej serca. Jednak przebieg czasowy, względna specyficzność tkankowa (wątroba vs mięśnie) i mechanistyczne podstawy insulinooporności wywołanej bezczynnością i jej odwrócenie przez remobilizację stanowią główne luki w naszym obecnym zrozumieniu. Co więcej, insulinooporność jest obserwacją o kilku możliwych etiologiach, a mechanizmy zaangażowane w rozwój tego stanu przy krótkotrwałym leżeniu w łóżku/unieruchomieniu mogą różnić się od mechanizmów związanych z długotrwałą/przewlekłą bezczynnością. Dlatego dalsze badania w tej dziedzinie są uzasadnione.

Obecne badanie jest częścią większego projektu, który obejmuje 60-dniowe, długoterminowe badanie dotyczące leżenia w łóżku, prowadzone we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną w ośrodku Institut Médecine Physiologie Spatiale w Tuluzie we Francji. przeprowadzonego w długotrwałym eksperymencie leżenia w łóżku.

faza docierania; Po udanym badaniu lekarskim uczestnicy rozpoczną fazę „rozruchu”, podczas której za pomocą akcelerometrii oceniony zostanie poziom ich zwykłej aktywności. Zindywidualizowane zapotrzebowanie energetyczne zostanie oszacowane przy użyciu zmodyfikowanego równania spoczynkowego tempa metabolizmu Harrisa-Benedicta i współczynnika poziomu aktywności fizycznej oraz standaryzowanej diety (skład makroskładników (wyrażony jako procent całkowitej podaży energii w diecie) składający się z ~55% węglowodanów, ~30% tłuszczu i ~15% białka) będzie zapewnione na 3 dni poprzedzające pierwszą sesję eksperymentalną. Dzień przed tą sesją uczestnicy zostaną poproszeni o powstrzymanie się od wszelkich forsownych ćwiczeń i poszczenie od północy, spożywając od tego czasu wyłącznie wodę. Po przybyciu na miejsce zostanie przeprowadzone badanie absorpcjometrii rentgenowskiej o podwójnej energii (DEXA) w celu scharakteryzowania masy tłuszczowej całego ciała i nóg. Uczestnik zostanie następnie poproszony o położenie się na łóżku szpitalnym w pozycji leżącej (jedna poduszka), a pomiary objętości i architektury mięśni zostaną określone za pomocą obrazowania ultrasonograficznego mięśnia obszernego bocznego za pomocą sondy liniowej 100 mm 13-4 megaherców. Zapewni to globalną reprezentację anatomii mięśnia czworogłowego uda w celu ujednolicenia obliczeń wychwytu glukozy w nogach i określenia udziału masy mięśniowej i lipidów wewnątrzkomórkowych w insulinooporności nóg. Próbki biopsji mięśni zostaną pobrane z mięśnia obszernego bocznego przed i bezpośrednio po 3-godzinnej klamrze euglikemicznej z hiperinsulinemią (3). Biopsje mięśni zostaną wykonane techniką Bergströma w sterylnych warunkach, po wstrzyknięciu środka miejscowo znieczulającego. Zostanie wprowadzony anterograde udowy cewnik żylny (przy użyciu techniki Seldingera pod kontrolą USG), aby umożliwić analizę stężenia glukozy w krwi żylnej odprowadzanej z nogi i porównanie ze stężeniem glukozy w próbkach krwi żylnej poddanej arterializowaniu (punkty czasowe 0, 150, 160, 170 i 180 minut). W tym samym czasie, gdy pobierana jest próbka krwi z żyły udowej, zostanie przeprowadzona ocena przepływu krwi w tętnicy udowej (mmol/min) za pomocą ultrasonografii, aby umożliwić obliczenie wychwytu glukozy w nogach. Kalorymetria pośrednia zostanie przeprowadzona przed iw ciągu ostatnich 15 minut 180-minutowej klamry hiperinsulinemiczno-euglikemicznej.

Dzień po wizycie „zaciskowej” zostanie przeprowadzony skan spektroskopii rezonansu magnetycznego (MRS) o mocy 3 tesli w celu oceny lipidów wewnątrzkomórkowych (IMCL), lipidów zewnątrzkomórkowych (EMCL) i zawartości triglicerydów w wątrobie. Przeprowadzony zostanie również rezonans magnetyczny (MRI) w celu określenia pola przekroju poprzecznego mięśnia uda oraz masy mięśniowej całego ciała. Po skanach rezonansu magnetycznego (MR) uczestnicy zostaną poddani krótkiej ocenie proprioceptywnej kończyn dolnych na specjalnie zaprojektowanym aparacie somatosensorycznym zwanym Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Uczestnicy staną na aparacie i przesuną każdą kostkę o 5 różnych kątów odwrócenia i zostaną poproszeni o ocenę stopnia ustawienia kostki. Ta metoda została zwalidowana w celu określenia dyskryminacji proprioceptywnej i zostanie powtórzona po MR wykonanym w dniu 4, aby ocenić różnice przed i po leżeniu w łóżku.

Przed rozpoczęciem okresu leżenia w łóżku zostaną pobrane próbki śliny i moczu do pomiarów tła znakowania kreatyny, kreatyniny, wody i 3-metylohistydyny (MH) z deuterem. Następnie uczestnicy otrzymają napój zawierający znaczniki stabilnych izotopów; deuterowana kreatyna (D3-Creatine 30 mg; do pomiaru masy mięśniowej całego ciała) i deuterowana lub „ciężka” woda (D2O, 3 g/kg masy ciała, podzielona na 3 porcje przyjmowane w odstępie 20 minut, do pomiaru syntezy białek mięśniowych (MPS ) z pomiarów inkorporacji tkanki mięśniowej). Dwie godziny po spożyciu ostatniej dawki D2O zostanie pobrana próbka śliny w celu zmierzenia równowagi D2O w całym zbiorniku wodnym organizmu. Dobowa zbiórka moczu zostanie przeprowadzona w 24 godziny po spożyciu D3-kreatyny, a próbka moczu zostanie pobrana punktowo po 36, 48 i 72 godzinach. Mocz zostanie przeanalizowany pod kątem kreatyny D3 w celu uwzględnienia „rozlewania się” oraz oznaczenia kreatyniny D3, które będzie odzwierciedlać rozcieńczenie znacznika w puli kreatyny w całym organizmie. Całkowity rozmiar puli kreatyny w organizmie i masa mięśniowa zostaną obliczone na podstawie wzbogacenia w kreatyninę D3 w moczu po 72 godzinach, po uwzględnieniu utraty kreatyny D3 bezpośrednio w moczu. Ponadto, 24 godziny przed rozpoczęciem leżenia w łóżku (dzień -1), uczestnicy przyjmą metylo-D3-3-metylohistydynę (10 mg, D3-MH do pomiaru rozpadu miofibrylarnego mięśni całego ciała) w napoju. Kolejne 10 mg zostanie podane w 2. dniu leżenia w łóżku, z monitorowaniem krwi w 3. dniu.

Faza odpoczynku w łóżku; Uczestnicy przybędą do obiektu o 8 rano pierwszego dnia po nocnym poście od 22:00 poprzedniego wieczoru. W celu symulacji fizjologicznych skutków mikrograwitacji łóżko jest utrzymywane w pozycji pochylonej głową w dół o 6° (pozycja HDT). Biopsja mikroigłowa mięśnia Barda zostanie przeprowadzona i powtórzona następnego ranka (drugi dzień leżenia w łóżku) w celu oceny skumulowanej syntezy białek mięśniowych w ciągu pierwszych 24 godzin leżenia w łóżku. Każdego dnia po biopsji kaniula do żyły wstecznej będzie wprowadzana do ramienia w celu pobierania krwi co godzinę przez łącznie 6 godzin w celu pomiaru znakowania D3-MH.

Uzupełnienia D2O (obliczone na podstawie wskaźników obrotu wody) będą dostarczane uczestnikom w 1. i 3. dniu leżenia w łóżku, aby utrzymać wzbogacenie w D2O. Zostanie pobrana próbka śliny w celu zmierzenia wzbogacenia organizmu w wodę D2O oraz próbka moczu w celu oznaczenia kreatyniny D3.

Podczas leżenia w łóżku uczestnicy pozostaną w łóżku przez 24 godziny na dobę. Wszystkie czynności dnia codziennego, takie jak zabiegi higieniczne, jedzenie, czytanie i „chodzenie” do łazienki (korzystanie z basenów i butelek na mocz) odbywają się z utrzymaniem pozycji głową w dół przez cały czas trwania badania. Uczestnicy mogą poruszać się z boku na bok (z pozycji leżącej na brzuchu lub na boku), ale nie mogą w żadnym momencie siadać ani stać. Dozwolone jest użycie jednej małej płaskiej poduszki, o ile ramiona nadal dotykają materaca. Spożycie w diecie będzie kontrolowane, przy czym mnożnik aktywności 1,2 będzie używany do określenia dziennego zapotrzebowania na energię. Pięć posiłków dziennie (śniadanie, poranna przekąska, obiad, podwieczorek i kolacja) jest serwowanych o tej samej porze przez cały dzień. Uczestnicy są zachęcani do spożywania całego dostarczonego jedzenia. Mogą spożywać mniej niż zapewniono, ale nie otrzymają żadnego dodatkowego pożywienia. Każdy produkt spożywczy jest ważony na precyzyjnej wadze (±0,1 g), a jeśli uczestnicy nie zjadają całego podanego jedzenia, nieskonsumowane produkty żywnościowe są ponownie ważone, a wartość odejmowana od początkowej wagi, aby zapewnić rzeczywiste spożycie pokarmu. Badani zachowują ścisły cykl dnia i nocy. Budzą się o 7:00, a gasną o 23:00.

Rankiem czwartego dnia, po całonocnym poście, uczestnicy przejdą drugi dzień „zacisku”, jak opisano powyżej (USG uda, kalorymetria pośrednia, kaniulacja żyły udowej, biopsje mięśni i euglikemiczny zacisk hiperinsulinemiczny). Następnie nastąpi stopniowy, nadzorowany powrót do pozycji pionowej w łóżku, przy ciągłym monitorowaniu układu krążenia, aby uniknąć niedociśnienia ortostatycznego. Uczestnicy pozostaną w łóżkach, ale będą mogli siedzieć w pozycji pionowej do rana dnia 5.

Faza po leżenia w łóżku; Rankiem dnia 5 uczestnicy zostaną przeniesieni (bez obciążania) na wózek inwalidzki, a następnie przetransportowani do skanera MR o mocy 3 Tesli w celu wykonania skanów MR po odpoczynku w łóżku. Będą musieli być na czczo od godziny 22:00 poprzedniego wieczoru. Po skanach MR uczestnicy zostaną nakarmieni i będą mogli wrócić do pozycji stojącej w kontrolowanym środowisku. Następnie przejdą nadzorowaną rehabilitację w obiektach siłowni University of Nottingham, składającą się z 6 zestawów po 8 powtórzeń (przy 75% maksimum) skurczów prostowania jednej nogi na losowo przydzielonej nodze, ponieważ wykazano, że zapewnia to bodziec anaboliczny (4), a następnie pozwolono wrócić do domu. Sesje rehabilitacyjne będą trwały około 30 minut. Wrócą w dniach 6 i 7 okresu pozałóżkowego, aby przejść dalsze nadzorowane sesje rehabilitacyjne jak wyżej. Standaryzowane spożycie w diecie zostanie utrzymane przez całą fazę odpoczynku po łóżku. O godzinie 08:00 rano dnia 8 udadzą się do laboratorium, aby przejść ostatnią wizytę „zaciskową”, składającą się z tych samych procedur opisanych powyżej, z następującymi modyfikacjami; biopsja mięśnia Bergströma zostanie przeprowadzona na nodze, która przeszła trening ćwiczeń rehabilitacyjnych przed i po euglikemicznym zacisku hiperinsulinemicznym. Biopsja mikroigłowa Barda zostanie przeprowadzona na przeciwległej nodze tylko przed 3-godzinnym zaciskiem, w celu porównania syntezy białek mięśniowych między nogami. Wreszcie, w dniu 9, skany MRS i MRI zostaną wykonane w ten sam sposób, jak opisano powyżej. Po wykonaniu ostatniego skanu MRS będzie to koniec protokołu badania.