Przełącz substrat mózgu na ketony i mleczan (BSS)

Cele:

Podstawowy:

• Określenie, czy metabolizm ketonów i mleczanów w mózgu powoduje korzystne reakcje neurotroficzne związane odpowiednio z postem i ćwiczeniami.

Wtórny:

• Określenie, czy post i ćwiczenia poprawiają wchłanianie glukozy, ciał ketonowych i mleczanu przez mózg.

Punkty końcowe:

Podstawowy:

• Neurotroficzny czynnik pochodzenia mózgowego (BDNF)
• Wydzielane białko prekursorowe amyloidu-beta-alfa (sAPPA)

Wtórny:

• Ekstrakcja glukozy z mózgu
• Ekstrakcja ketonów mózgowych
• Ekstrakcja mleczanu mózgu
• Zwiększona ekstrakcja glukozy w mózgu w odpowiedzi na donosowe podawanie insuliny

Hipoteza:

1. Post i ćwiczenia o wysokiej intensywności zwiększą uwalnianie BDNF i sAPPA przez mózg, a reakcje te będą takie same, gdy ketony i mleczan zostaną biernie wprowadzone do krążenia w stanie po posiłku i spoczynku.
2. Post zwiększy metabolizm ketonów w mózgu poza ten osiągany, gdy ketony są biernie wprowadzane do krążenia w stanie po posiłku.
3. Ćwiczenia o wysokiej intensywności zwiększą metabolizm mleczanu w mózgu w stopniu większym niż osiągany, gdy mleczan jest biernie wprowadzany do krążenia w stanie spoczynku.
4. Ćwiczenia o wysokiej intensywności poprawią wrażliwość mózgu na insulinę na glukozę, o czym świadczy zwiększenie wychwytu glukozy przez mózg w odpowiedzi na insulinę donosową.

Projekt

Będzie to projekt krzyżowy z powtarzanymi pomiarami, w którym uczestnicy spełnią dwa warunki oddzielone od siebie o 4-6 tygodni:

1. Karmione ćwiczenia i bierne wlewy mleczanu i ketonów
2. 72-godzinne ćwiczenia na czczo i bierne wlewy mleczanu i ketonów

Podczas obu wizyt uczestnicy zostaną wyposażeni w cewniki tętnicze (promieniowe) i żylne (szyjne wewnętrzne) w celu ilościowego określenia metabolizmu oksydacyjnego i substratowego (glukoza, ketony, mleczan) w mózgu w odpowiedzi na: 1) post, 2) 6 minut intensywnego treningu ćwiczenia fizyczne, 3) pasywny stopniowy wlew ciał ketonowych (naśladujący post); i 4) bierny stopniowany wlew mleczanu (w celu naśladowania ćwiczeń). Wrażliwość mózgu na insulinę na glukozę zostanie określona ilościowo po posiłku i na czczo przed i po wysiłku fizycznym za pomocą jednorazowej dawki insuliny donosowej. W spoczynku po posiłku i na czczo próbka płynu mózgowo-rdzeniowego zostanie pobrana z odcinka lędźwiowego kręgosłupa w celu ilościowego określenia metabolizmu oraz produkcji i uwalniania czynników neurotroficznych (BDNF i sAPPa) z mózgu.

Miejsca badań Wszystkie testy będą odbywać się w budynku ARTs (sala 184) w laboratorium badawczym Centrum Zdrowia Serca, Płuc i Naczyń w Kelowna, Kolumbia Brytyjska, Kanada.

Uczestnicy Wielkość próby Zbierzemy dane od 12 osób, w tym obu płci. Obliczenie wielkości próby (moc > 0,8, istotność < 0,05) oparte na naszych wstępnych danych wskazuje, że potrzebnych jest 8 uczestników (12); będziemy dążyć do rekrutacji 12 ochotników obu płci, aby lepiej reprezentować populację, a nie badać różnice między płciami. Od uczestników zostanie uzyskana pisemna, świadoma zgoda. Przewidujemy wskaźnik rezygnacji <5%.

Kryteria przyjęcia

• Wiek 19 - 40 lat
• Regularnie aktywni fizycznie, jak określono za pomocą kwestionariuszy

Kryteria wyłączenia

• Obecni palacze
• Ostra astma oskrzelowa, przewlekła obturacja dróg oddechowych lub stan astmatyczny
• Otyłe (wskaźnik masy ciała większy niż 30 kg m-2)
• Wymagające codziennego przyjmowania leków na receptę, które mogą wpływać na reakcje na ćwiczenia, np. leków przeciwnadciśnieniowych, antyarytmogennych, inhalatorów
• Historia choroby/dysfunkcji, która może powodować komplikacje podczas ćwiczeń, np. choroby sercowo-naczyniowe, oddechowe, neurologiczne lub mięśniowo-szkieletowe
• Nieregularny lub nieobecny cykl menstruacyjny (kobiety)
• W ciąży lub z podejrzeniem ciąży lub po menopauzie (kobiety)
• Wszelkie nieoczekiwane reakcje niepożądane na przedeksperymentalne próby wysiłkowe
• Wszelkie przeciwwskazania do dostępu podpajęczynówkowego lędźwiowego

Badanie przesiewowe/ocena wyjściowa

Powyższe kryteria włączenia i wykluczenia zostaną zbadane za pomocą kwestionariusza przesiewowego zdrowia i klinicznego badania przesiewowego przeprowadzonego przez lekarza. Ten przegląd obejmie:

• Spoczynkowe ciśnienie krwi,
• elektrokardiogram 12-odprowadzeniowy,
• Próba wysiłkowa krążeniowo-oddechowa,
• Glukoza we krwi na czczo.

Kryteria przerwania

• Każda niepożądana reakcja na procedury inwazyjne, tj. cewnikowanie i pobieranie próbek płynu mózgowo-rdzeniowego (patrz Zagrożenia poniżej)

Oprócz powyższego i zgodnie z wytycznymi Rady Etyki Badań Klinicznych UBC, wszyscy uczestnicy badania mogą wycofać się z badania w dowolnym momencie i bez podania przyczyny.

Eksperymentalne procedury

Uczestnicy odwiedzą laboratorium dwukrotnie. Szczegóły wizyt eksperymentalnych przedstawiono poniżej:

1. Karmione ćwiczenia i bierne wlewy mleczanu i ketonów

   Uczestnicy przybywają do laboratorium 1 godzinę po spożyciu wybranego przez siebie lekkiego posiłku. Uczestnicy będą leżeć na łóżku i będą wyposażeni w cewniki do tętnicy promieniowej i żyły szyjnej wewnętrznej. Godzinę po cewnikowaniu przepływ krwi w mózgu zostanie zmierzony nieinwazyjnie za pomocą ultrasonografii Duplex tętnic szyjnych wewnętrznych i kręgowych. Próbki krwi zostaną pobrane z krążenia tętniczego i żylnego w celu spoczynkowych pomiarów metabolizmu oksydacyjnego i substratowego (glukozy, ketonów i mleczanu) w mózgu. Pojedyncza próbka płynu mózgowo-rdzeniowego zostanie pobrana z odcinka lędźwiowego kręgosłupa między L4 a L5. Ta procedura będzie wykonywana przez wysoce wyszkolonego lekarza, który stosuje te techniki rutynowo w opiece nad pacjentem niemal codziennie. Następnie główny keton, beta-hydroksymaślan (Bhb), będzie podawany stopniowo przez żyłę łokciową (ramię), aby wywołać krążące stężenie 1, 3 i 5 mmol/l. Po całkowitym wyzdrowieniu, tj. po przywróceniu stężenia Bhb do wartości spoczynkowych, mleczan zostanie podany dożylnie w sposób stopniowy w celu wywołania stężenia we krwi 5, 10 i 15 mmol/l. Po całkowitym przywróceniu poziomu mleczanu we krwi, zostanie podany dożylny wlew złożony (Bhb i mleczan) w celu wywołania stężenia we krwi odpowiednio 3 i 10 mmol/l. Następnie uczestnicy otrzymają lekki znormalizowany posiłek i 1 godzinę na odpoczynek i strawienie. Na koniec uczestnicy samodzielnie podają pojedynczą dawkę insuliny donosowej przed i po ukończeniu 6-minutowych intensywnych interwałów rowerowych. Po ostatniej dawce insuliny donosowej, uczestnicy zostaną zdjęci z instrumentów, co oznacza koniec wizyty. Całkowity czas tej wizyty szacuje się na 3-4 godziny.

2. 72-godzinne ćwiczenia na czczo i bierne wlewy mleczanu i ketonów

Ta wizyta jest identyczna jak w przypadku warunku 1, z wyjątkiem tego, że uczestnicy przybędą do laboratorium na 72 godziny na czczo i nie otrzymają lekkiego posiłku aż do zakończenia wszystkich procedur eksperymentalnych. Przed rozpoczęciem postu uczestnicy zostaną wyposażeni w ciągły monitor glukozy, aby naukowcy mogli śledzić poziom glukozy we krwi podczas postu. W związku z tym całkowity czas tej wizyty szacuje się na 3-4 godziny.

Protokół ćwiczeń o wysokiej intensywności. Uczestnicy ukończą sześć 40-sekundowych cykli jazdy na rowerze z tempem pracy, które wywołuje 100% maksymalnej mocy tlenowej (V̇O2max), po czym następuje 20-sekundowa aktywna regeneracja przy 25% VO2max. Pokazaliśmy, że to ćwiczenie zwiększa mleczan > 5-krotnie zarówno po posiłku, jak i na czczo (12).

Randomizacja warunków. Kolejność warunków, tj. nakarmiona lub na czczo, zostanie wybrana losowo. Niemożliwe jest zaślepienie uczestników na warunki po posiłku i na czczo, ponieważ post wymaga powstrzymania się od jedzenia przed wizytą w laboratorium. Badacze nie zostaną zaślepieni, ponieważ będą monitorować osoby na czczo przed wizytą w laboratorium.