Abordagens não invasivas para identificar a causa da fadiga em pacientes com doença inflamatória intestinal. (IBD Fatigue)

Informações básicas A fadiga da doença inflamatória intestinal (DII) é, juntamente com a diarreia, o sintoma médico mais comum em pacientes com doença de Crohn (DC) ativa e a segunda queixa mais comum após a artralgia em pacientes com DC em remissão. A parceria de definição de prioridades de DII entre a James Lind Alliance e a Sociedade Britânica de Gastroenterologia destacou que a fadiga de DII é uma das 10 principais prioridades de pesquisa no Reino Unido.

A prevalência de fadiga varia de 41-48% quando em remissão, aumentando até 86% quando a doença está ativa. A fadiga crônica está associada a um comprometimento da qualidade de vida relacionada à saúde na DII e a uma atividade física reduzida, que em coortes pediátricas desempenha um papel importante no desenvolvimento normal do crescimento. Na ausência de causas clínicas reversíveis, como anemia, carga inflamatória ou deficiência de nutrientes, ainda não está claro o que causa a fadiga nesses pacientes. As abordagens atuais são limitadas em oferecer pistas para possíveis abordagens terapêuticas ou avaliação clínica precisa para pacientes com DC. Isso provavelmente se deve à falta de uma abordagem multicomponente e à baixa sensibilidade metodológica e confiabilidade ao avaliar a fadiga. Um conceito multidimensional de componentes físicos, cognitivos e afetivos foi sugerido para a fadiga por DII. No entanto, ainda não está claro como tratar a fadiga da DII. Terapia de exercícios, intervenções psicossociais e terapia focada em soluções são sugeridas como opções de tratamento, mas nenhuma demonstrou ser convincentemente eficaz.

A fadiga surge de processos periféricos e centrais, ambos igualmente importantes. Enquanto a fadiga periférica é atribuída à etiologia muscular, a fadiga central é uma redução progressiva induzida pelo exercício na ativação voluntária do músculo devido à falha do sistema nervoso central (SNC). As abordagens atuais têm sido limitadas em não quantificar adequadamente a fadiga periférica no nível muscular e a fadiga central no nível do SNC.

Fadiga periférica: a necessidade de atividade muscular

A fadiga física está ligada à redução da massa e qualidade muscular (sarcopenia) e, consequentemente, redução da função muscular. Os impulsionadores da perda de massa muscular incluem inatividade física e resistência anabólica, que em grande parte atenuam o efeito estimulatório da nutrição protéica na síntese de proteína muscular. Em consonância com isso, pacientes com DC ativa apresentam uma diminuição significativa na expressão das vias de sinalização de hipertrofia do músculo esquelético, mas sem alterações na expressão de sinais de atrofia.

A má qualidade muscular é um importante fator de disfunção metabólica que muitas vezes é negligenciado como um fator de fadiga periférica. Em dados preliminares não publicados, os pesquisadores mostraram pela primeira vez que o músculo esquelético de pacientes com DC ativa exibe absorção de glicose embotada em resposta à alimentação de glicose, sugerindo qualidade metabólica muscular diminuída em pacientes com DC.

Em indivíduos com DII fatigados, tamanhos de efeito médios a grandes para condicionamento aeróbico prejudicado (VO2max), força muscular e atividade física são observados em indivíduos com fadiga quando comparados a indivíduos sem histórico relatado de fadiga e à população normal. A inatividade física na doença da DC quiescente pode ser uma explicação subjacente a essas observações, apontando para a inatividade secundária à carga da doença sendo a etiologia da fadiga na DC, assim como na doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC). A inatividade física já foi demonstrada na DC em coortes pediátricas e adultas e foi significativamente correlacionada com a atividade da doença, mas ainda é prevalente na remissão. Embora isso possa implicar circularidade na etiologia da fadiga no contexto da inatividade física, é improvável que esses dois fatores tenham uma relação direta simples de causa e efeito. De fato, quando a atividade física habitual é combinada entre voluntários, a fadiga muscular esquelética ainda é mais prevalente na DC e predominantemente naqueles indivíduos que se queixam de fadiga. Coletivamente, esses dados são indicativos de que tanto a aptidão cardiorrespiratória reduzida quanto o descondicionamento muscular periférico (possivelmente ligados à densidade mitocondrial muscular reduzida) estão contribuindo para o desenvolvimento precoce da fadiga em pacientes com DII que relatam sintomas de fadiga.

Fadiga central: a necessidade de regulação cardiorrespiratória

O músculo esquelético, o sistema cardiorrespiratório e o SNC estão interligados. Em dados preliminares, foi demonstrado pela primeira vez que é possível avaliar a alteração da perfusão cerebral (ou fluxo sanguíneo cerebral; CBF), uma medida indireta da medição hemodinâmica da atividade neuronal cerebral, usando técnicas de ressonância magnética funcional, em relação a diminuição da aptidão cardiovascular com a idade. Esses dados demonstraram que o CBF medido diretamente usando rotulagem arterial (ASL) ou indiretamente usando dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) foi reduzido em idosos com aptidão cardiorrespiratória reduzida e que provavelmente são mais fatigáveis ​​do que voluntários jovens. Isso sugere que o acoplamento entre CBF e atividade cerebral pode ser modulado pelo débito cardíaco e, assim, ser manipulado para melhorar a função cerebral ligada à fadiga central em pacientes com DC.

Isso destaca o potencial das técnicas de ressonância magnética cerebral funcional não invasiva para determinar o efeito da perfusão cerebral durante o exercício na fadiga central em pacientes com DC. Além disso, essas abordagens quantitativas podem ser usadas para determinar se as melhorias na aptidão cardiovascular e exercícios apropriados a jusante ou intervenções farmacológicas podem alterar a fadiga central.

1. Objetivos e finalidade da investigação proposta

Hipótese: Os investigadores levantam a hipótese de que a etiologia da fadiga da DII reside coletivamente no descondicionamento muscular periférico e na fadiga central do cérebro, sendo esta última secundária a uma redução na aptidão cardiorrespiratória e/ou débito cardíaco, de modo que tanto a fadiga central quanto a periférica contribuem para a fadiga desenvolvimento em DII.

Mira:

Para abordar essa hipótese, os investigadores pretendem recrutar uma coorte de pacientes com DC fatigados e não fatigados em remissão e voluntários saudáveis ​​pareados por idade, sexo, massa muscular e atividade física. Os sintomas de fadiga serão definidos por meio de questionários relevantes na triagem. Posteriormente, os investigadores quantificarão objetivamente a força muscular dos extensores do joelho durante uma contração isométrica voluntária máxima e o desenvolvimento da fadiga no grupo muscular do quadríceps. Este último será definido como a perda no desenvolvimento do pico de torque muscular em 20 extensões de joelho isocinéticas consecutivas. Os papéis periférico (músculo) e central (SNC) na etiologia da fadiga serão investigados. O descondicionamento muscular periférico será investigado pela quantificação da ressíntese de fosfocreatina (PCr) muscular durante a recuperação do exercício usando MRS de 31 fósforo, enquanto o potencial de fadiga central será examinado por meio de várias medidas de perfusão do SNC e extração fracionada de oxigênio cerebral usando ressonância magnética.

Plano detalhado de investigação e procedimentos científicos/metodologia

Os investigadores pretendem recrutar 32 pacientes com DC em remissão, com e sem histórico de fadiga por DII (n=16 para coorte de fadiga com DII en=16 para coorte de fadiga sem DII) em 36 meses. Essas coortes serão comparadas a 16 controles saudáveis ​​pareados por idade, sexo, massa muscular e atividade física (de nossa Unidade de Pesquisa Biomédica de Doenças Digestivas de Nottingham existente e bancos de dados MRC/ARUK) para passar pelo protocolo experimental descrito abaixo. Os investigadores irão comparar especificamente a atividade física para investigar seu potencial efeito primário na fadiga.

Objetivo 1 (Dia 1): Determinar força muscular, fadiga e aptidão cardiorrespiratória.

Após o consentimento, os voluntários CD e controles pareados saudáveis ​​realizarão 3 extensões isométricas máximas do joelho do grupo muscular do quadríceps (cada uma separada por 30s) para determinar a força muscular. Em seguida, os voluntários realizarão 20 extensões máximas de joelho unipodal em um dinamômetro isocinético Cybex (Cybex Norm, EUA) a uma velocidade angular constante de 90 graus por segundo para determinar o desenvolvimento do torque muscular. Cada contração voluntária máxima será iniciada a partir de uma posição de 90 graus de flexão do joelho e continuada até o ponto de extensão total do joelho. Após cada contração, a perna retornará passivamente à posição inicial (aproximadamente 1,1s) a partir da qual a próxima contração será iniciada imediatamente. A medida do resultado e a definição padrão-ouro de fadiga neste objetivo serão definidas como o declínio na geração de pico de torque para cada contração nas 20 extensões de joelho. Contrações voluntárias máximas nessa velocidade já demonstraram resultar no recrutamento de fibras musculares tipo I e tipo II do grupo muscular do quadríceps. Trinta minutos depois, os voluntários serão submetidos a um teste de exercício supino contínuo, incremental, usando um ergômetro de degrau compatível com RM (pedal diagnóstico Ergospect). O exercício começará com uma carga de trabalho baixa, que aumentará a cada 3 minutos para determinar o pico de VO2 durante o exercício supino usando análise on-line de gases expirados (Cosmed, Roma, Itália). A produção de dióxido de carbono (CO2) e o consumo de oxigênio (O2) serão medidos durante todo o teste e usados ​​para medir o consumo máximo de oxigênio e a taxa de troca respiratória (RER). Esses dados serão normalizados para a composição corporal medida pela absorciometria de raios-X de dupla energia (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Bucks, Reino Unido) e fornecerão uma medida padrão-ouro da aptidão cardiorrespiratória (ou aeróbica).

Objetivo 2 (Dia 2): Determinar a perfusão cerebral e a fadiga central.

Recentemente, em colaboração com pesquisadores do Sir Peter Mansfield Imaging Center da Universidade de Nottingham, os pesquisadores desenvolveram um protocolo para quantificar a resposta vascular cortical ao exercício em voluntários e sua modulação no envelhecimento e na aptidão cardiorrespiratória. Aqui, a mesma abordagem será usada para avaliar a resposta vascular cortical ao exercício nas regiões cerebrais associadas à fadiga central de pacientes com DC.

Para estudar esse mecanismo em pacientes com DC, os pesquisadores propõem medir o débito cardíaco e a perfusão cerebral e regional usando medidas dependentes do nível de oxigênio no sangue (BOLD) e rotulagem arterial (ASL) -MRI, bem como extração fracionada de oxigênio usando TRUST-MRI, respectivamente, durante o exercício supino do quadríceps com o ergômetro compatível com RM (pedal de diagnóstico Ergospect) em determinados valores de VO2max relativo (conforme medido no Objetivo 1).

Esta abordagem multimodal determinará um potencial desacoplamento entre perfusão cerebral e atividade neuronal e o papel da hipoxemia central na fadiga central de pacientes com DII em comparação com controles saudáveis. Além disso, esses dados serão correlacionados com a aptidão cardiorrespiratória, força muscular e fadiga, e determinarão o papel predominante dos processos centrais na fadiga de pacientes com DII. Se essas medidas vasculares cerebrais estiverem associadas ao desenvolvimento de fadiga, esse índice de acoplamento neurovascular poderia se beneficiar do treinamento físico de maneira semelhante ao tecido muscular.

Objetivo 3 (Dia 2): Determinar o descondicionamento muscular.

Para manter a energia (ATP) durante o exercício, o músculo esquelético regula a produção oxidativa (mitocondrial) e não mitocondrial de ATP. Em indivíduos saudáveis, a contribuição relativa da produção de ATP não mitocondrial para a produção total de energia é geralmente ditada pela intensidade do exercício, que determina a magnitude do acúmulo de subprodutos metabólicos que estão diretamente ligados ao desconforto muscular e à fadiga. Nos estados de doença, a fadiga exacerbada e a dor muscular foram atribuídas ao fluxo sanguíneo muscular reduzido e/ou à massa mitocondrial reduzida.

Para separar esses dois processos em pacientes com DC, o fluxo sanguíneo dos membros será obstruído com um manguito, enquanto os participantes realizam exercícios repetidos de flexão plantar em um scanner de ressonância magnética. Isso levará PCr, (a reserva disponível de ATP) a zero. Especificamente, os participantes com um manguito de membro inferior realizarão 30 contrações em um período de 5 minutos usando um ergômetro compatível com RM. Depois que o manguito for removido, eles serão submetidos a medições de ressonância magnética 31P in vivo não invasivas e bem estabelecidas (31P MRS) no gastrocnêmio para determinar a taxa de ressíntese de PCr durante a recuperação em repouso. Os dados 31P MRS serão calculados, processados ​​e quantificados usando métodos internos.

Como a taxa de ressíntese de PCr é diretamente proporcional à massa mitocondrial e a oferta de oxigênio não é limitante durante a recuperação do exercício, isso nos permitirá medir o descondicionamento metabólico muscular in vivo.

Tamanho da amostra

1. Aptidão cardiorrespiratória: Os investigadores mostraram anteriormente que o VO2max de um voluntário saudável é de 3,65 (0,5) L/min, enquanto o VO2max de um paciente com DII fatigado é de 1,99 (0,44) L/min e um paciente não fatigado é de 2,43 (0,75 ) L/min. Assumindo um poder de 80% e α=0,05, são necessários 6 indivíduos em cada grupo para mostrar uma diferença significativa entre os voluntários saudáveis ​​e a coorte não fatigada, e 13 pacientes em cada grupo são necessários para mostrar uma diferença entre os 2 CD coortes.
2. Fadiga muscular: A extensão máxima do torque muscular de 180⁰/s (Nm) é menor em pacientes com DII fatigados versus pacientes com DII não fatigados (60,73 versus 73,5, SD 12,3, respectivamente). Assumindo um poder de 90% e α=0,05, são necessários 16 indivíduos com DC em cada grupo para mostrar uma diferença entre as coortes de DC fatigadas e não fatigadas. É importante ressaltar que a taxa de fadiga muscular (definida como o gradiente de diminuição da força da repetição 2 a 30 de um protocolo de exercício) é significativamente maior na DC do que em voluntários saudáveis ​​(5,2 Nm/min vs 1,3 Nm/min, SD 3). , assumindo um poder de 90% e α=0,05, são necessários 11 indivíduos em cada grupo para mostrar uma diferença entre DC e voluntários saudáveis.
3. Condicionamento muscular: estudos recentes mostraram que a taxa de ressíntese de Pcr é de 27,9 ± 0,6 s em sedentários magros, enquanto é de 36,5 ± 2,4 s em pacientes com diabetes mellitus tipo 2 (T2DM). Assim, assumindo um poder de 100% e α=0,05, são necessários 3 indivíduos em cada grupo para mostrar a diferença entre voluntários saudáveis ​​e uma coorte potencialmente fatigada, como pacientes com DM2.
4. Resistência anabólica: Além disso, nosso trabalho recente sobre resistência anabólica já mostrou diferenças significativas na qualidade muscular entre DC e voluntários saudáveis ​​(diferença significativa observada n=5 pacientes). A porcentagem de fadiga do antebraço no braço dominante é de 26,75%±11,1 e 18,3±7,8 em DC e controles, respectivamente. Assumindo um poder de 80% e α=0,05, são necessários 11 sujeitos em cada braço.
5. MRI: Não é possível alimentar este estudo exato de MRI, pois os dados piloto nessas coortes de DII não foram coletados. No entanto, os pesquisadores mostraram anteriormente que a perfusão cerebral em jovens aumenta em 18 ± 6% para 30% do VO2max durante um teste de condicionamento cardiorrespiratório. Enquanto nos idosos aumenta apenas 3±4%. Assumindo um poder de 100% e α=0,05, são necessários 10 indivíduos em cada grupo para mostrar uma diferença significativa entre voluntários saudáveis ​​(jovens) e uma coorte potencialmente fatigada (idosos). Além disso, para a análise fMRI BOLD, geralmente considera-se que é necessário um mínimo de 12 indivíduos em cada coorte, com sensibilidade aprimorada dos scanners de RM (e, portanto, maior relação sinal-ruído (SNR) temporal agora permitindo análises individuais aprimoradas dos indivíduos.

Pelas razões acima, os investigadores acreditam que 16 indivíduos em cada grupo (DC fatigado, DC não fatigado e voluntários saudáveis) serão suficientes para mostrar uma diferença em nossos parâmetros objetivos escolhidos.

Análise de dados A fadiga será medida como o declínio no pico de desenvolvimento do torque em 20 extensões de joelho isocinéticas conforme descrito acima. A taxa de ressíntese de PCr e a extração fracionada de oxigênio cerebral serão os desfechos primários nos objetivos 2 e 3.

Os dados 31P MRS serão analisados ​​usando software NMR padrão (software jMRUI para MRS clínica e biomédica). Precisamente, todos os espectros da série temporal serão apodizados (forma Lorentziana de 15-20 Hz). A partir desses espectros, as intensidades de sinal de 5 picos serão determinadas após o lineshaping. O pH será determinado antes e no final do protocolo de exercício medindo a mudança de frequência entre o PCr e o Pi, enquanto o código escrito interno em MATLAB (MathWorks Inc., Matrix House, Cambridge, Reino Unido) será usado para cálculos adicionais da taxa de recuperação de PCR. Nesse caso, as intensidades de área de pico do pico de PCr de jMRUI serão usadas como entrada no script para ajustar os cursos de tempo de dados usando uma função monoexponencial: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ τ); sendo PCr o nível de intensidade do pico da PCr, C uma constante, τ [s] a constante de velocidade para recuperação da PCr e tempo t [s], começando no final do protocolo de exercício (t0). A reprodutibilidade das medidas 31P MRS da energética muscular foi recentemente avaliada em humanos treinados e mostra que o coeficiente de variação durante o exercício (27%) e em repouso (8%) foi relativamente baixo, e a diferença foi detectável com 15 voluntários. Isso confirma que a abordagem 31P MRS fornece medidas reprodutíveis e experimentalmente úteis da taxa de ressíntese de PCr no músculo esquelético humano.

Os dados BOLD MRI serão analisados ​​usando pacotes de neuroimagem padrão (Mapeamento Paramétrico Estatístico (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience e software FMRIB Software Library. As imagens serão corrigidas por movimento, normalizadas para um modelo padrão do Montreal Neurological Institute para facilitar a média entre os participantes. Para todas as aquisições de dados, os investigadores registrarão o vectocardiograma (VCG) e o movimento respiratório para permitir que os dados sejam corrigidos para o ruído fisiológico. Vetores de contraste serão formados para identificar a resposta do SNC ao estímulo do exercício. Os investigadores formarão mapas estatísticos das regiões do cérebro que mostram uma diminuição/aumento no sinal BOLD após a intervenção do exercício. Esses mapas estatísticos serão usados ​​em contrastes por intervenção e entre grupos de participantes. Os resultados serão agrupados em um segundo nível, análise de grupo de efeitos aleatórios (RFX) e áreas cerebrais ativas exibidas em uma probabilidade corrigida de taxa de descoberta falsa P < 0,05, k > 5. Essas análises foram previamente realizadas e publicadas por nosso grupo. Os dados ASL serão corrigidos pelo movimento e modelados para quantificar a perfusão em ml/100g/min, e as medidas de perfusão global e regional serão comparadas antes e durante a intervenção de exercício. Os dados TRUST serão usados ​​para calcular a extração fracionada de oxigênio antes e durante a intervenção do exercício. Os dados serão apresentados como média +/- erro padrão da média (SEM). As comparações binárias serão realizadas por testes t, enquanto as comparações múltiplas serão realizadas com análise de variância com correção post-hoc de Bonferroni entre os 3 grupos. Os efeitos de citocinas, vitamina D e duração da doença serão investigados através de um coeficiente de correlação e análise multivariada post-hoc.

Os investigadores estratificarão os participantes com base nas medidas de resultados quantitativos: taxa de ressíntese de PCr, condicionamento cardiorrespiratório medido por meio do VO2max, declínio na produção muscular e alteração na perfusão regional e extração fracionada de oxigênio cerebral, independentemente do estado de fadiga. Isso ajudará a entender quais alterações na fisiologia e no metabolismo estão melhor associadas a sintomas específicos de fadiga. Isso permitirá a quantificação objetiva de um corte subjetivo para a escala de fadiga IBD, definindo melhor a fadiga.