Nieinwazyjne metody identyfikacji przyczyny zmęczenia u pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit. (IBD Fatigue)

Informacje podstawowe Zmęczenie związane z nieswoistym zapaleniem jelit (IBD) jest wraz z biegunką najczęstszym objawem medycznym u pacjentów z aktywną chorobą Leśniowskiego-Crohna (ChLC) i drugą najczęstszą dolegliwością po bólu stawów u pacjentów z ChLC w okresie remisji. Partnerstwo ustalające priorytety w IBD między James Lind Alliance i British Society of Gastroenterology podkreśliło, że zmęczenie związane z IBD jest jednym z 10 najważniejszych priorytetów badawczych w Wielkiej Brytanii.

Częstość występowania zmęczenia waha się od 41-48% w okresie remisji i wzrasta do 86%, gdy choroba jest aktywna. Przewlekłe zmęczenie wiąże się z upośledzoną jakością życia związaną ze zdrowiem w NZJ oraz zmniejszoną aktywnością fizyczną, która w kohortach pediatrycznych odgrywa główną rolę w prawidłowym rozwoju. Wobec braku odwracalnych przyczyn klinicznych, takich jak niedokrwistość, obciążenie zapalne lub niedobór składników odżywczych, nie jest jeszcze jasne, co powoduje zmęczenie u tych pacjentów. Obecne podejścia są ograniczone w oferowaniu wskazówek dotyczących potencjalnych podejść terapeutycznych lub dokładnej oceny klinicznej pacjentów z CD. Jest to prawdopodobnie spowodowane brakiem podejścia wieloskładnikowego oraz małą wrażliwością metodologiczną i wiarygodnością przy ocenie zmęczenia. W przypadku zmęczenia związanego z nieswoistym zapaleniem jelit zaproponowano wielowymiarową koncepcję składników fizycznych, poznawczych i afektywnych. Jednak nadal nie jest jasne, jak leczyć zmęczenie związane z nieswoistym zapaleniem jelit. Terapia ruchowa, interwencje psychospołeczne i terapia skoncentrowana na rozwiązaniach są sugerowane jako opcje leczenia, ale żadna z nich nie okazała się przekonująco skuteczna.

Zmęczenie wynika z procesów obwodowych i centralnych, które są równie ważne. Podczas gdy zmęczenie obwodowe przypisuje się etiologii mięśni, zmęczenie ośrodkowe jest postępującym, wywołanym wysiłkiem fizycznym, zmniejszeniem dobrowolnej aktywacji mięśni z powodu niewydolności ośrodkowego układu nerwowego (OUN). Obecne podejścia były ograniczone pod względem braku odpowiedniej ilościowej oceny zmęczenia obwodowego na poziomie mięśni i zmęczenia ośrodkowego na poziomie OUN.

Zmęczenie obwodowe: potrzeba aktywności mięśni

Zmęczenie fizyczne wiąże się ze zmniejszoną masą i jakością mięśni (sarkopenią), a w konsekwencji zmniejszoną funkcją mięśni. Czynnikami powodującymi utratę masy mięśniowej są brak aktywności fizycznej i oporność anaboliczna, które w dużym stopniu osłabiają stymulujący wpływ odżywiania białkowego na syntezę białek mięśniowych. Zgodnie z tym, pacjenci z aktywną CD wykazują znaczny spadek ekspresji przerostowych szlaków sygnałowych mięśni szkieletowych, ale brak zmian w ekspresji sygnałów atrofii.

Słaba jakość mięśni jest ważnym czynnikiem powodującym dysfunkcję metaboliczną, która jest często pomijana jako przyczyna zmęczenia obwodowego. We wstępnych niepublikowanych danych badacze po raz pierwszy wykazali, że mięśnie szkieletowe pacjentów z aktywną postacią CD wykazują stępiony wychwyt glukozy w odpowiedzi na karmienie glukozą, co sugeruje obniżoną jakość metaboliczną mięśni u pacjentów z CD.

U zmęczonych pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit średnie lub duże rozmiary efektów dla upośledzonej wydolności tlenowej (VO2max), siły mięśni i aktywności fizycznej są obserwowane u osób ze zmęczeniem w porównaniu z osobami bez historii zmęczenia i normalną populacją. Brak aktywności fizycznej w spoczynkowej chorobie CD może być wyjaśnieniem leżącym u podstaw tych obserwacji, wskazując na brak aktywności wtórny do obciążenia chorobą będącego etiologią zmęczenia w CD, podobnie jak w przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (POChP). Brak aktywności fizycznej został już wykazany w CD zarówno w kohortach pediatrycznych, jak i dorosłych i był istotnie skorelowany z aktywnością choroby, ale nadal występuje w remisji. Chociaż może to sugerować kolistość w etiologii zmęczenia w kontekście braku aktywności fizycznej, jest mało prawdopodobne, aby te dwa czynniki miały prosty bezpośredni związek przyczynowo-skutkowy. Rzeczywiście, gdy nawykowa aktywność fizyczna jest dopasowana między ochotnikami, zmęczenie mięśni szkieletowych jest nadal najbardziej rozpowszechnione w CD i głównie u osób, które skarżą się na zmęczenie. Podsumowując, dane te wskazują, że zarówno zmniejszona wydolność krążeniowo-oddechowa, jak i dekondycja mięśni obwodowych (prawdopodobnie związana ze zmniejszoną gęstością mitochondriów mięśniowych) przyczyniają się do wczesnego rozwoju zmęczenia u pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit, którzy zgłaszają objawy zmęczenia.

Zmęczenie ośrodkowe: potrzeba regulacji krążeniowo-oddechowej

Mięśnie szkieletowe, układ sercowo-oddechowy i OUN są ze sobą powiązane. We wstępnych danych po raz pierwszy wykazano, że możliwa jest ocena zmiany perfuzji mózgu (lub mózgowego przepływu krwi; CBF), pośredniego pomiaru hemodynamicznego pomiaru aktywności neuronów mózgu, z wykorzystaniem technik funkcjonalnego MRI, w odniesieniu do spadek wydolności sercowo-naczyniowej wraz z wiekiem. Dane te wykazały, że CBF mierzone bezpośrednio za pomocą znakowania spinu tętniczego (ASL) lub pośrednio za pomocą zależnego od poziomu tlenu we krwi (BOLD) było zmniejszone u osób starszych o obniżonej sprawności krążeniowo-oddechowej, które są prawdopodobnie bardziej męczące niż młodzi ochotnicy. Sugeruje to, że sprzężenie między CBF a aktywnością mózgu może być modulowane przez pojemność minutową serca, a tym samym manipulowane w celu poprawy funkcji mózgu związanej ze zmęczeniem ośrodkowym u pacjentów z CD.

Podkreśla to potencjał nieinwazyjnych technik funkcjonalnego rezonansu magnetycznego mózgu w celu określenia wpływu perfuzji mózgu podczas ćwiczeń na zmęczenie ośrodkowe u pacjentów z CD. Ponadto te podejścia ilościowe można wykorzystać do określenia, czy poprawa wydolności sercowo-naczyniowej i odpowiednie ćwiczenia lub interwencje farmakologiczne mogą zmienić zmęczenie ośrodkowe.

1.Cele i cel proponowanego badania

Hipoteza: Badacze postawili hipotezę, że etiologia zmęczenia IBD leży łącznie w osłabieniu mięśni obwodowych i zmęczeniu centralnym mózgu, przy czym to ostatnie jest wtórne do zmniejszenia wydolności krążeniowo-oddechowej i/lub pojemności minutowej serca, tak że zarówno zmęczenie ośrodkowe, jak i obwodowe przyczyniają się do zmęczenia rozwój w IBD.

Celuje:

Aby odnieść się do tej hipotezy, badacze zamierzają zrekrutować kohortę zmęczonych i niezmęczonych pacjentów z CD w remisji oraz zdrowych ochotników dobranych pod względem wieku, płci, masy mięśniowej i aktywności fizycznej. Objawy zmęczenia zostaną określone za pomocą odpowiednich kwestionariuszy podczas badania przesiewowego. Badacze następnie obiektywnie określą siłę mięśni prostowników kolana podczas maksymalnego dobrowolnego skurczu izometrycznego oraz rozwój zmęczenia w grupie mięśni czworogłowych. Ta ostatnia zostanie zdefiniowana jako utrata maksymalnego momentu obrotowego mięśni w ciągu 20 kolejnych izokinetycznych wyprostów kolana. Zbadana zostanie rola obwodowa (mięśni) i ośrodkowa (OUN) w etiologii zmęczenia. Dekondycjonowanie mięśni obwodowych będzie badane poprzez ilościową resyntezę fosfokreatyny (PCr) w mięśniach podczas regeneracji po wysiłku za pomocą 31-fosforowego MRS, podczas gdy potencjał zmęczenia ośrodkowego zostanie zbadany za pomocą różnych pomiarów perfuzji OUN i frakcyjnej ekstrakcji tlenu z mózgu za pomocą MRI.

Szczegółowy plan badań i procedur naukowych/metodologii

Badacze zamierzają zrekrutować 32 pacjentów z CD w remisji, ze zmęczeniem związanym z nieswoistym zapaleniem jelit lub bez niego (n=16 dla kohorty zmęczenia IBD i n=16 dla kohorty bez zmęczenia IBD) w ciągu 36 miesięcy. Te kohorty zostaną porównane z 16 zdrowymi kontrolami dobranymi pod względem wieku, płci, masy mięśniowej i aktywności fizycznej (z naszych istniejących baz danych Nottingham Digestive Diseases Biomedical Research Unit i MRC/ARUK), aby przejść eksperymentalny protokół opisany poniżej. Badacze będą specjalnie dopasowywać aktywność fizyczną, aby zbadać jej potencjalny główny wpływ na zmęczenie.

Cel 1 (Dzień 1): Określenie siły mięśni, zmęczenia i wydolności krążeniowo-oddechowej.

Po uzyskaniu zgody, ochotnicy z CD i zdrowi dopasowani kontrolni wykonają 3 maksymalne izometryczne wyprosty kolan grupy mięśnia czworogłowego uda (każdy w odstępie 30 sekund) w celu określenia siły mięśni. Następnie ochotnicy wykonują 20 maksymalnych wyprostów jednej nogi w kolanie na hamowni izokinetycznej Cybex (Cybex Norm, USA) przy stałej prędkości kątowej 90 stopni na sekundę, aby określić rozwój momentu obrotowego mięśni. Każdy maksymalny dobrowolny skurcz zostanie zainicjowany z pozycji zgięcia kolana pod kątem 90 stopni i będzie kontynuowany do momentu pełnego wyprostu kolana. Po każdym skurczu noga wraca biernie do pozycji wyjściowej (około 1,1 s), od której natychmiast rozpocznie się następny skurcz. Miara wyniku i złota standardowa definicja zmęczenia w tym celu zostaną zdefiniowane jako spadek generowania szczytowego momentu obrotowego dla każdego skurczu w ciągu 20 wyprostów kolana. Wcześniej wykazano, że maksymalne dobrowolne skurcze przy tej prędkości powodują rekrutację włókien mięśniowych zarówno typu I, jak i typu II grupy mięśnia czworogłowego. Trzydzieści minut później ochotnicy zostaną poddani ciągłemu, stopniowemu testowi wysiłkowemu w pozycji leżącej przy użyciu ergometru krokowego kompatybilnego z MR (pedał diagnostyczny Ergospect). Ćwiczenia rozpoczną się przy niskim obciążeniu, które będzie wzrastać co 3 minuty, aby określić szczytowe VO2 podczas ćwiczeń na plecach za pomocą analizy wydychanych gazów on-line (Cosmed, Rzym, Włochy). Produkcja dwutlenku węgla (CO2) i zużycie tlenu (O2) będą mierzone przez cały czas trwania testu i wykorzystywane do pomiaru szczytowego poboru tlenu i współczynnika wymiany oddechowej (RER). Dane te zostaną znormalizowane do składu ciała mierzonego za pomocą absorpcjometrii rentgenowskiej o podwójnej energii (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Bucks, Wielka Brytania) i zapewnią złoty standard pomiaru wydolności krążeniowo-oddechowej (lub aerobowej).

Cel 2 (dzień 2): Określenie perfuzji mózgu i zmęczenia ośrodkowego.

Niedawno, we współpracy z naukowcami z Centrum Obrazowania im. Sir Petera Mansfielda na Uniwersytecie w Nottingham, badacze opracowali protokół ilościowej oceny korowej odpowiedzi naczyniowej na ćwiczenia u ochotników i jej modulacji w starzeniu się i wydolności krążeniowo-oddechowej. Tutaj to samo podejście zostanie zastosowane do oceny korowej odpowiedzi naczyniowej na ćwiczenia w obszarach mózgu związanych z ośrodkowym zmęczeniem pacjentów z CD.

Aby zbadać ten mechanizm u pacjentów z CD, badacze proponują pomiar pojemności minutowej serca oraz perfuzji mózgowej i regionalnej za pomocą pomiarów zależnych od poziomu tlenu we krwi (BOLD) i znakowania spinowego tętnic (ASL)-MRI, a także frakcjonowanej ekstrakcji tlenu za pomocą TRUST-MRI odpowiednio podczas ćwiczeń mięśnia czworogłowego uda w pozycji leżącej na ergometrze kompatybilnym z MR (pedał diagnostyczny Ergospect) przy danych wartościach względnego VO2max (mierzonego w Celu 1).

To multimodalne podejście określi potencjalne rozłączenie między perfuzją mózgu a aktywnością neuronów oraz rolę centralnej hipoksemii w zmęczeniu ośrodkowym pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit w porównaniu ze zdrowymi osobami z grupy kontrolnej. Ponadto dane te zostaną skorelowane z wydolnością krążeniowo-oddechową, siłą mięśni i zmęczeniem oraz określą dominującą rolę procesów centralnych w zmęczeniu pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit. Jeśli te miary naczyniowe mózgu są związane z rozwojem zmęczenia, to ten wskaźnik sprzężenia nerwowo-naczyniowego może odnieść korzyści z treningu fizycznego w podobny sposób jak tkanka mięśniowa.

Cel 3 (Dzień 2): Określenie utraty kondycji mięśni.

Aby utrzymać energię (ATP) podczas ćwiczeń, mięśnie szkieletowe regulują oksydacyjną (mitochondrialną) i niemitochondrialną produkcję ATP. U zdrowych osób względny udział niemitochondrialnej produkcji ATP w całkowitej produkcji energii jest na ogół podyktowany intensywnością ćwiczeń, która określa wielkość akumulacji metabolicznych produktów ubocznych, które są bezpośrednio związane z dyskomfortem i zmęczeniem mięśni. W stanach chorobowych nasilone zmęczenie i ból mięśni przypisuje się zmniejszonemu przepływowi krwi w mięśniach i/lub zmniejszonej masie mitochondriów.

Aby oddzielić te dwa procesy u pacjentów z CD, przepływ krwi w kończynie zostanie zablokowany za pomocą mankietu, podczas gdy uczestnicy wykonują powtarzane ćwiczenia zgięcia podeszwowego w skanerze MRI. To doprowadzi PCr (dostępną rezerwę ATP) do zera. Konkretnie, uczestnicy z mankietem na kończynę dolną wykonują 30 skurczów w ciągu 5 minut za pomocą ergometru kompatybilnego z MR. Po zdjęciu mankietu zostaną poddani nieinwazyjnym i dobrze znanym pomiarom rezonansu magnetycznego 31P (31P MRS) in vivo na mięśniu brzuchatym łydki w celu określenia szybkości resyntezy PCr podczas odpoczynku spoczynkowego. Dane 31P MRS zostaną uśrednione, przetworzone i określone ilościowo przy użyciu metod wewnętrznych.

Ponieważ szybkość resyntezy PCr jest wprost proporcjonalna do masy mitochondriów, a dostarczanie tlenu nie jest ograniczone podczas regeneracji powysiłkowej, pozwoli nam to zmierzyć in vivo metabolizm mięśni.

Wielkość próbki

1. Sprawność krążeniowo-oddechowa: Badacze wykazali wcześniej, że VO2max u zdrowego ochotnika wynosi 3,65 (0,5) l/min, podczas gdy VO2max u zmęczonego pacjenta z IBD wynosi 1,99 (0,44) l/min, a u pacjenta nie przemęczonego 2,43 (0,75) ) L/min. Zakładając moc 80% i α=0,05, potrzebnych jest 6 osób w każdej grupie, aby wykazać istotną różnicę między zdrowymi ochotnikami a kohortą nie odczuwającą zmęczenia, a 13 pacjentów w każdej grupie jest potrzebnych, aby wykazać różnicę między 2 CD kohorty.
2. Zmęczenie mięśni: Szczytowe wydłużenie momentu obrotowego mięśni 180⁰/s (Nm) jest niższe u zmęczonych pacjentów z IBD w porównaniu z pacjentami z IBD bez zmęczenia (odpowiednio 60,73 vs 73,5, SD 12,3). Zakładając moc 90% i α=0,05, potrzebnych jest 16 osób z CD w każdej grupie, aby pokazać różnicę między kohortami zmęczenia i braku zmęczenia CD. Co ważne, tempo zmęczenia mięśni (zdefiniowane jako spadek siły od 2 do 30 powtórzeń protokołu ćwiczeń) jest znacznie większe w CD niż u zdrowych ochotników (5,2 Nm/min vs 1,3 Nm/min, SD 3. W tym przypadku , zakładając moc 90% i α = 0,05, potrzebnych jest 11 osób w każdej grupie, aby pokazać różnicę między CD a zdrowymi ochotnikami.
3. Kondycjonowanie mięśni: ostatnie badania wykazały, że szybkość resyntezy Pcr wynosi 27,9 ± 0,6 s u szczupłych osób prowadzących siedzący tryb życia i 36,5 ± 2,4 s u pacjentów z cukrzycą typu 2 (T2DM). Tak więc, zakładając moc 100% i α=0,05, potrzebnych jest 3 osobników w każdej grupie, aby pokazać różnicę między zdrowymi ochotnikami a potencjalnie zmęczoną kohortą, taką jak pacjenci z cukrzycą typu 2.
4. Oporność anaboliczna: Co więcej, nasza ostatnia praca nad opornością anaboliczną wykazała już znaczące różnice w jakości mięśni między CD a zdrowymi ochotnikami (istotna różnica obserwowana u n=5 pacjentów). Odsetek zmęczenia przedramienia w ramieniu dominującym wynosi odpowiednio 26,75% ± 11,1 i 18,3 ± 7,8 w CD i grupie kontrolnej. Zakładając moc 80% i α=0,05, potrzeba 11 osób w każdym ramieniu.
5. MRI: Nie jest możliwe zasilenie tego dokładnego badania MRI, ponieważ dane pilotażowe w tych kohortach IBD nie zostały zebrane. Jednak badacze wcześniej wykazali, że perfuzja mózgu u młodych osób wzrasta o 18 ± 6% przy 30% VO2max podczas testu wydolności krążeniowo-oddechowej. Podczas gdy w podeszłym wieku wzrasta tylko o 3±4%. Zakładając moc 100% i α=0,05, potrzebnych jest 10 osób w każdej grupie, aby wykazać istotną różnicę między zdrowymi ochotnikami (młodzi) a potencjalnie zmęczoną kohortą (starsi). Ponadto, w przypadku analizy fMRI BOLD ogólnie uważa się, że w każdej kohorcie potrzeba co najmniej 12 osób, przy zwiększonej czułości skanerów MR (a tym samym wyższym czasowym stosunku sygnału do szumu (SNR), co pozwala teraz na ulepszone analizy poszczególnych osób.

Z powyższych powodów badacze uważają, że 16 osób w każdej grupie (zmęczeni z CD, niezmęczeni z CD i zdrowi ochotnicy) wystarczy, aby wykazać różnicę w wybranych przez nas obiektywnych punktach końcowych.

Analiza danych Zmęczenie będzie mierzone jako spadek rozwoju maksymalnego momentu obrotowego po 20 izokinetycznych wyprostach kolana, jak opisano powyżej. Szybkość resyntezy PCr i frakcjonowana ekstrakcja tlenu z mózgu będą głównymi punktami końcowymi w celach 2 i 3.

Dane 31P MRS będą analizowane przy użyciu standardowego oprogramowania NMR (oprogramowanie jMRUI do klinicznego i biomedycznego MRS). Dokładniej, wszystkie widma z szeregów czasowych będą apodyzowane (kształt Lorentza 15-20 Hz). Na podstawie tych widm intensywności sygnału 5 pików zostaną określone po kształtowaniu linii. pH zostanie określone przed i na końcu protokołu ćwiczeń poprzez pomiar przesunięcia częstotliwości między PCr i Pi, podczas gdy wewnętrzny kod napisany w MATLAB (MathWorks Inc., Matrix House, Cambridge, Wielka Brytania) dalsze obliczenia wskaźnika odzysku PCr. W tym przypadku intensywności obszaru piku piku PCr z jMRUI zostaną wykorzystane jako dane wejściowe w skrypcie w celu dopasowania przebiegów danych w czasie przy użyciu funkcji mono-wykładniczej: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ τ); gdzie PCr to poziom intensywności piku PCr, C to stała, τ [s] to stała szybkości regeneracji PCr, a czas t [s], począwszy od końca protokołu ćwiczeń (t0). Odtwarzalność pomiarów energetyki mięśniowej 31P MRS została niedawno oceniona u wytrenowanego człowieka i wykazała, że ​​współczynnik zmienności podczas ćwiczeń (27%) i spoczynku (8%) był stosunkowo niski, a różnice były wykrywalne u 15 ochotników. Potwierdza to, że podejście 31P MRS zapewnia powtarzalne i przydatne eksperymentalnie pomiary szybkości resyntezy PCr w ludzkich mięśniach szkieletowych.

Dane BOLD MRI będą analizowane przy użyciu standardowych pakietów do neuroobrazowania (Statistical Parametric Mapping (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience i oprogramowania FMRIB Software Library. Obrazy będą korygowane pod kątem ruchu, znormalizowane do standardowego szablonu Instytutu Neurologicznego w Montrealu, aby ułatwić uczestnikom uśrednianie. W przypadku wszystkich akwizycji danych badacze rejestrują vektokardiogram (VCG) i ruch oddechowy, aby umożliwić skorygowanie danych pod kątem hałasu fizjologicznego. Wektory kontrastu zostaną utworzone w celu identyfikacji odpowiedzi OUN na bodziec wysiłkowy. Badacze utworzą mapy statystyczne tych obszarów mózgu, które wykazują spadek/wzrost sygnału BOLD po interwencji ruchowej. Te mapy statystyczne będą używane w kontrastach według interwencji i między grupami uczestników. Wyniki zostaną zebrane na drugim poziomie, analiza grupy efektów losowych (RFX) i aktywne obszary mózgu zostaną wyświetlone z prawdopodobieństwem skorygowanym o współczynnik fałszywych odkryć P < 0,05, k > 5. Analizy te zostały wcześniej przeprowadzone i opublikowane przez naszą grupę. Dane ASL będą korygowane ruchem i modelowane w celu ilościowego określenia perfuzji w ml/100 g/min, a globalne i regionalne pomiary perfuzji zostaną porównane przed interwencją ćwiczeniową iw jej trakcie. Dane TRUST zostaną wykorzystane do obliczenia frakcyjnej ekstrakcji tlenu przed interwencją ćwiczeniową iw jej trakcie. Dane zostaną przedstawione jako średnia +/- błąd standardowy średniej (SEM). Porównania binarne zostaną przeprowadzone za pomocą testów t, podczas gdy porównania wielokrotne zostaną przeprowadzone z analizą wariancji z poprawką post-hoc Bonferroniego pomiędzy 3 grupami. Wpływ cytokin, witaminy D i czasu trwania choroby zostanie zbadany za pomocą współczynnika korelacji i wielowymiarowej analizy post-hoc.

Badacze dokonają stratyfikacji uczestników na podstawie ilościowych miar wyniku: wskaźnika resyntezy PCr, wydolności krążeniowo-oddechowej mierzonej za pomocą VO2max, spadku wydajności mięśniowej i zmiany regionalnej perfuzji oraz frakcjonowanej ekstrakcji tlenu z mózgu, niezależnie od stanu zmęczenia. Pomoże nam to zrozumieć, które zmiany w fizjologii i metabolizmie najlepiej wiążą się z określonymi objawami zmęczenia. Pozwoli to na obiektywną kwantyfikację subiektywnego punktu odcięcia dla skali zmęczenia IBD, a tym samym lepsze zdefiniowanie zmęczenia.