Электрическая стимуляция для ослабления мышечной атрофии

Введение:

Скелетная мышца реагирует на стимул механической нагрузки для роста и поддержания. Длительное снижение мышечной активности и механические нагрузки, такие как космический полет, иммобилизация конечностей, постельный режим и/или бездействие, изменяют баланс между синтезом и деградацией белка, что приводит к атрофии скелетных мышц (1-3). Это характеризуется уменьшением мышечной массы, площади поперечного сечения миофибрилл, силы и скорости сокращения, а также преобразованием типа медленных волокон в быстрые (4,5). Сообщалось, что многие контрмеры уменьшают потерю мышечной атрофии, и нервно-мышечная электрическая стимуляция (NMES) часто использовалась при таких состояниях, как повреждение спинного мозга, иммобилизация и послеоперационная дисфункция мышц (6,7). Действительно, недавний Кокрановский обзор эффективности NMES при мышечной слабости у взрослых с прогрессирующими заболеваниями, такими как ХОБЛ, хроническая сердечная недостаточность и рак, показал, что NMES является эффективным средством улучшения мышечной слабости (8). Метаанализ включал одиннадцать рандомизированных контролируемых испытаний (РКИ) с участием 218 человек. NMES значительно улучшил силу четырехглавой мышцы благодаря стандартизированной разнице средних (SMD) 0,9 (95% доверительный интервал (ДИ) от 0,33 до 1,46). Это приблизительно равно 25 ньютон-метрам (Нм) и должно рассматриваться как клинически значимое. Точно так же другой недавний систематический обзор также показал, что NMES эффективен для предотвращения слабости скелетных мышц у пациентов в критическом состоянии. В анализ были включены восемь подходящих исследований с участием 172 пациентов. Из восьми исследований в пяти сообщалось об увеличении силы или лучшем сохранении силы с помощью NMES, при этом в одном исследовании была отмечена большая величина эффекта (1,44). В двух исследованиях было обнаружено лучшее сохранение мышечной массы с помощью NMES с величиной эффекта от небольшой до умеренной (0,11–0,39), в то время как в двух других исследованиях не было обнаружено значительных преимуществ (9).

Эффективность NMES зависит от клинического состояния и зависит от различных параметров стимуляции, в частности от частоты и продолжительности стимуляции. Традиционно NMES рассматривали как применение чрескожного электрического тока к нервно-мышечному соединению, направленное на деполяризацию потенциала действия двигательной единицы и вызывающее мышечное сокращение (10). Это вызванное электричеством сокращение мышц имитирует активное укрепление мышц и основано на принципе тренировки мышц, согласно которому при соответствующей нагрузке увеличивается мышечная сила. Для достижения этого тренировочного эффекта используемые параметры стимуляции обычно были направлены на то, чтобы вызвать тетаническое сокращение с плотностью тока, которую субъект может максимально переносить (8,9). Однако этот принятый в настоящее время протокол стимуляции (т. высокая частота на уровне 50 Гц или выше, амплитуда на максимально переносимом пределе и короткая продолжительность (от 30 минут до 1 часа) для противодействия атрофии мышц имеют два основных недостатка. Во-первых, точно установлено, что механическая разгрузка связана с вредными изменениями структуры и функции скелетных мышц, характеризующимися уменьшением мышечной массы, площади поперечного сечения миофибрилл, силы и скорости сокращения, а также переходом от медленного к быстрому. трансформация типа волокна (для обзора см. 11). Таким образом, медленно сокращающиеся мышечные волокна более подвержены разгрузке или эффекту неиспользования, чем быстро сокращающиеся мышечные волокна. Традиционный протокол высокочастотной стимуляции (50 Гц) не соответствует схеме возбуждения двигательных единиц медленно сокращающейся мышцы. Более того, высокая плотность тока неизбежно вызывала бы дискомфорт, если не боль у испытуемых во время электростимуляции. Субъекты не могут терпеть электрическую стимуляцию в течение нескольких часов. В частности, это имеет место, если применение относится к субъектам с атрофией мышц без нагрузки или субъектам с мышечной слабостью, вызванной прогрессирующими заболеваниями. Очень часто переносимость боли у этой группы субъектов в целом ниже, чем у нормальных здоровых субъектов. Таким образом, принятый в настоящее время протокол может не обеспечивать наилучший возможный результат НМЭС для улучшения мышечной функции. Положительные эффекты NMES для противодействия мышечной атрофии не были полностью использованы. Недавний систематический обзор, изучающий метаболические и структурные изменения в скелетных мышцах нижних конечностей после нервно-мышечной электростимуляции, выявил только 18 исследований. Восемь из этих исследований изучали ферментативную активность, семь исследований состава мышечных волокон и 14 исследований размера мышечных волокон. Среди этих 18 исследований только 9 являются рандомизированными исследованиями, и методологическое качество в целом было низким. Авторы пришли к выводу, что NMES, по-видимому, способен вызывать благоприятные изменения активности окислительных ферментов, типа и размера скелетных мышечных волокон. Ввиду большой неоднородности протоколов NMES авторы пришли к выводу, что не существует определенного консенсуса относительно частоты стимуляции для оптимальных мышечных изменений (12). Например, Theriault et al. (13) провели длительную электрическую стимуляцию разгибателей коленного сустава 8 здоровых взрослых. Протокол электростимуляции был рассчитан на 8 недель по 8 часов в день и 6 дней в неделю. Параметр стимуляции был низкочастотным (8 Гц) с интенсивностью, способной лишь вызвать видимую вибрацию. Результаты показали значительное улучшение работы разгибателей коленного сустава после 4 недель стимуляции. Тем не менее, исследование не является РКИ, и в исследовании есть контрольная группа. С другой стороны, одно из РКИ, в котором изучалось влияние НМЭС и включало высокую частоту (50 Гц), но очень низкую амплитуду (без мышечного сокращения), так как группа плацебо случайно показала, что плацебо дает лучший эффект, чем группа вмешательства. Группа NMES по сравнению с группой плацебо по SMD -0,12 (95% ДИ: -0,63, 0,39) (8,14). Банерджи и его группа также продемонстрировали протокол электростимуляции с низкой частотой (4 Гц), но высокой амплитудой (300 мА), по 1 часу в день в течение 6 недель, что может значительно увеличить силу четырехглавой мышцы у здоровых взрослых, ведущих малоподвижный образ жизни, и у пациентов со стабильной хронической сердечной недостаточностью. 15, 16). Таким образом, результаты фундаментальной науки и эти клинические исследования указывают на необходимость дальнейшего изучения более эффективного протокола стимуляции NMES для ослабления мышечной атрофии.

Цели и гипотезы для проверки:

Чтобы решить эту проблему, исследователи этого предложения бросили вызов традиционному представлению о том, что NMES должна быть с высокой частотой и высокой амплитудой. Исследователи проверили гипотезу о том, что низкая частота и низкая амплитуда эффективны для ослабления мышечной атрофии, и исследовали клеточные механизмы, связанные с разгрузкой мышц. Используя модель животных с подвешиванием задних конечностей, исследователи ранее продемонстрировали, что во время подвешивания задних конечностей применение низкочастотной электрической стимуляции камбаловидной мышцы с частотой 20 Гц с определенными параметрами времени и пульса частично восстанавливало потерю клеток-сателлитов и улучшало поперечное сечение волокон. сечения (17). Исследователи также продемонстрировали, что при использовании парадигмы электрической стимуляции частоты: 20 Гц; продолжительность: 3 часа, два раза в день, восьминедельным самцам мышей BALB/c, которые подвергались 14-дневной разгрузке задних конечностей (HU). Эта парадигма стимуляции может усиливать пролиферативный потенциал сателлитных клеток, а также подавлять апоптозную гибель клеток при мышечной атрофии, вызванной неиспользованием. Морфологически задняя конечность с электрической стимуляцией показала значительное улучшение мышечной массы, площади поперечного сечения и пиковой тетанической силы по сравнению с HU конечностью (18). Недавно исследователи дополнительно изучили оптимальный протокол стимуляции и продемонстрировали, что среди трех низкочастотных протоколов, 2, 10 и 20 Гц, стимуляция с частотой 2 Гц в течение 2 × 3 ч/день обеспечивает наилучший эффект в уменьшении потери поперечного сечения мышечных волокон. площадь сечения и сила. Этот параметр стимуляции приводил к 1,2-кратному увеличению пролиферации сателлитных клеток и эффективно спасал клетки от апоптоза (19). Принимая во внимание все эти обнадеживающие результаты фундаментальных научных исследований, исследователи полагают, что предложенная новая парадигма NMES может быть протестирована на субъектах с прогрессирующей мышечной атрофией. Исследователи предполагают, что NMES с частотой 2 Гц в течение 2 × 3 ч/день эффективен для ослабления/улучшения постуральной атрофии мышц нижних конечностей, а именно четырехглавой мышцы и комплекса икроножных и камбаловидных мышц.

План расследования:

Основываясь на выводах из существующей литературы о принятом в настоящее время протоколе стимуляции NMES для ослабления мышечной атрофии или улучшения мышечной активности в различных популяциях, исследователи выдвинули гипотезу, что предложенная новая парадигма NMES будет более эффективной в улучшении площади поперечного сечения мышц (CSA). ), сила, выносливость, толерантность к физическим нагрузкам, и является более приемлемым для субъектов, нуждающихся в NMES для ослабления мышечной атрофии при различных заболеваниях, в частности у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ).