Метаболические и мышечные адаптации во время бездействия в течение 3 дней постельного режима

Постельный режим является широко распространенной экспериментальной моделью, используемой для изучения физиологической адаптации к космическому полету, включая потерю костной и мышечной массы, перемещение жидкости и сердечно-сосудистую недостаточность. Как правило, участников просят провести некоторое время в постели, при этом все повседневные действия выполняются в горизонтальном положении или в положении с наклоном головы вниз (HDT), что сводит к минимуму использование всех мышц и вызывает значительную физиологическую адаптацию, аналогичную той, которая наблюдается во время сна. космический полет. Было проведено значительное количество исследований постельного режима на людях в диапазоне от 3 до 370 дней. Однако в настоящее время в нашем понимании есть пробелы; скорость и величина физиологической дисрегуляции, возникающей во время реальной и моделируемой микрогравитации (поскольку в большинстве исследований на сегодняшний день рассматривались в основном временные точки до и после постельного режима); сайты и механизмы, контролирующие нарушение регуляции, вызванное постельным режимом; являются ли процессы, лежащие в основе острых физиологических изменений, такими же, как те, которые наблюдаются в долгосрочной перспективе. Улучшение нашего понимания этих проблем позволит вмешательствам, направленным на минимизацию вызванной постельным режимом физиологической дисрегуляции, наиболее эффективно сосредоточить внимание на периодах времени, когда скорость возникновения физиологической дисрегуляции, вероятно, будет максимальной. Затем это будет способствовать будущему успеху в длительном космическом полете человека, например. пилотируемый полет на Марс, потому что понимание этиологии и динамики физиологического нарушения регуляции, которое сопровождает длительное воздействие микрогравитации, позволит принять эффективные контрмеры. Кроме того, модели постельного режима предоставляют уникальную возможность изучить последствия постельного режима для тех, кто может выдерживать длительные периоды бездействия во время госпитализации из-за болезни или травмы.

Бездействие связано с развитием резистентности к инсулину и способствует развитию многих современных метаболических заболеваний, включая ожирение, диабет 2 типа, дислипидемию и гипертензию (1,2); при этом отсутствие физической активности считается основной причиной 27% случаев диабета и 30% случаев ишемической болезни сердца. Тем не менее, временной ход, относительная тканевая специфичность (печень против мышц) и механистическая основа бездействия, индуцированного резистентностью к инсулину, и ее устранение путем ремобилизации представляют собой серьезные пробелы в нашем текущем понимании. Кроме того, резистентность к инсулину является наблюдением с несколькими возможными причинами, и механизмы, участвующие в развитии этого состояния при кратковременном постельном режиме/иммобилизации, могут отличаться от механизмов, связанных с более длительным/хроническим бездействием. Поэтому необходимы дальнейшие исследования в этой области.

Текущее исследование является частью более крупного проекта, который включает в себя 60-дневное долгосрочное исследование постельного режима, проведенное в сотрудничестве с Европейским космическим агентством в Институте пространственной физиологии медицины в Тулузе, Франция, и будет сравниваться с мерами, принимаемыми в настоящее время. в ходе длительного эксперимента с постельным режимом.

Фаза «обкатки»; После успешного медицинского осмотра участники начнут «обкаточную» фазу, во время которой их обычные уровни активности будут оцениваться с помощью акселерометрии. Индивидуальные потребности в энергии будут оцениваться с использованием модифицированного уравнения Харриса-Бенедикта для скорости метаболизма в покое и коэффициента уровня физической активности, а также стандартизированной диеты (состав макронутриентов (выраженный в процентах от общего потребления энергии с пищей): ~ 55 % углеводов, ~ 30 % жиров и ~15% белка) будет предоставлено за 3 дня до первого экспериментального сеанса. За день до этого сеанса участников попросят воздержаться от любых напряженных упражнений и голодать с полуночи, употребляя в это время только воду. По прибытии будет проведено двухэнергетическое рентгеновское абсорбциометрическое сканирование (DEXA), чтобы охарактеризовать жировые массы всего тела и ног. Затем участника попросят лечь на больничную койку в положении лежа на спине (одна подушка), а измерения объема и архитектуры мышц будут определяться с помощью ультразвукового изображения латеральной широкой мышцы бедра с использованием 100-мм линейного массива 13-4 мегагерц зонда. Это обеспечит глобальное представление анатомии четырехглавой мышцы бедра, чтобы стандартизировать расчеты поглощения глюкозы в ногах и определить вклад мышечной массы и внутримиоцеллюлярных липидов в резистентность к инсулину в ногах. Образцы биопсии мышц будут получены из латеральной широкой мышцы бедра до и сразу после 3-часового гиперинсулинемического эугликемического зажима (3). Мышечная биопсия будет получена с использованием техники Бергстрема в стерильных условиях после инъекции местного анестетика. Антероградный бедренный венозный катетер будет вставлен (с использованием метода Сельдингера под ультразвуковым контролем), чтобы можно было проанализировать венозную кровь, оттекающую от ноги, на концентрацию глюкозы и сравнить с концентрацией глюкозы в образцах артериализованной венозной крови (моменты времени 0, 150, 160, 170 и 180 минут). Одновременно с забором образца крови из бедренной вены будет проводиться оценка кровотока в бедренной артерии (ммоль/мин) с использованием ультразвукового исследования, позволяющая рассчитать поглощение глюкозы ногами. Непрямая калориметрия будет проводиться до и в последние 15 минут 180-минутного гиперинсулинемически-эугликемического клэмпа.

На следующий день после визита с «зажимом» будет проведена магнитно-резонансная спектроскопия (MRS) 3 Тесла для оценки внутримиоцеллюлярного липида (IMCL), внемиоцеллюлярного липида (EMCL) и содержания триглицеридов в печени. Также будет проведена магнитно-резонансная томография (МРТ) для определения площади поперечного сечения мышц середины бедра и мышечной массы всего тела. После магнитно-резонансного (МР) сканирования участники пройдут короткую проприоцептивную оценку нижних конечностей на специально разработанном соматосенсорном аппарате, который называется «Оценка распознавания степени активного движения» (AMEDA). Участники встанут на тренажер, и каждая лодыжка будет перемещена под 5 различными углами инверсии, и их попросят оценить степень положения лодыжки. Этот метод был утвержден для определения проприоцептивной дискриминации и будет повторен после МРТ, выполненной на 4-й день, для оценки различий до и после постельного режима.

Перед началом периода постельного режима будут взяты образцы слюны и мочи для измерения фонового мечения креатина, креатинина, воды и 3-метилгистидина (МГ) дейтерием. После этого участникам будет предоставлен напиток, содержащий индикаторы стабильных изотопов; дейтерированный креатин (D3-креатин 30 мг; для измерения мышечной массы всего тела) и дейтерированная, или «тяжелая», вода (D2O, 3 г/кг массы тела, разделенная на 3 аликвоты, принимаемые с интервалом в 20 минут, для измерения синтеза мышечного белка (MPS). ) по измерениям включения мышечной ткани). Через два часа после приема последней дозы D2O будет взят образец слюны для измерения уравновешивания D2O во всем водном бассейне организма. Сбор 24-часовой мочи будет проводиться через 24 часа после приема D3-креатина, а проба мочи будет взята через 36, 48 и 72 часа. Моча будет проанализирована на содержание D3-креатина для учета «побочного действия» и маркировки D3-креатинина, которая будет отражать разбавление метки во всем пуле креатина организма. Общий размер пула креатина в организме и мышечная масса будут рассчитываться на основе обогащения D3-креатинина в моче через 72 часа после учета любой потери креатина D3 непосредственно с мочой. Кроме того, за 24 часа до начала постельного режима (день -1) участники будут принимать метил-D3-3 метилгистидин (10 мг, D3-MH для измерения разрушения миофибрилл мышц всего тела) в напитке. Еще 10 мг вводят на 2-й день постельного режима с контролем крови на 3-й день.

Фаза постельного режима; Участники прибудут на объект в 8:00 утра первого дня после ночного голодания с 22:00 накануне. Для имитации физиологических эффектов микрогравитации кровать поддерживается в положении наклона головы вниз на 6° (положение HDT). Биопсия мышц с помощью микроиглы Барда будет выполнена и повторена на следующее утро (2-й день постельного режима) для оценки кумулятивного синтеза мышечного белка в течение первых 24 часов постельного режима. Каждый день после биопсии в руку будет вставлена ​​антероградная венозная канюля для забора крови каждый час в общей сложности на 6 часов для измерения мечения D3-MH.

Доза D2O (рассчитанная на основе скорости оборота воды) будет предоставлена ​​участникам в 1-й и 3-й дни постельного режима для поддержания обогащения D2O. Будет взят образец слюны для измерения обогащения воды тела D2O и образец мочи для маркировки креатинина D3.

Во время постельного режима участники будут оставаться в постели 24 часа в сутки. Все действия в повседневной жизни, такие как гигиенические процедуры, прием пищи, чтение и «поход» в туалет (использование подкладных судов и бутылок с мочой), происходят при сохранении положения головой вниз на протяжении всего исследования. Участникам разрешается перемещаться из стороны в сторону (из положения лежа на животе или на боку), но им не разрешается сидеть или стоять в любое время. Разрешается использование одной небольшой плоской подушки, пока плечи касаются матраса. Потребление пищи будет контролироваться, при этом множитель активности, равный 1,2, будет использоваться для определения ежедневной потребности в энергии. Пять ежедневных приемов пищи (завтрак, утренний перекус, обед, полдник и ужин) подаются в одно и то же время дня на протяжении всего дня. Участникам предлагается потреблять всю предоставленную пищу. Они могут потреблять меньше, чем предусмотрено, но не получат никакой дополнительной еды. Каждый пищевой продукт взвешивается на весах с точностью (± 0,1 г), и если участники не съедают всю предоставленную пищу, несъеденные продукты повторно взвешиваются, и значение вычитается из начального веса, чтобы обеспечить фактическое потребление пищи. Субъекты соблюдают строгий цикл дня и ночи. Их будят в 7:00, а отбой происходит в 23:00.

Утром 4-го дня, после ночного голодания, участники пройдут второй день «зажима», как описано выше (ультразвуковое сканирование бедра, непрямая калориметрия, катетеризация бедренной вены, биопсия мышц и эугликемический гиперинсулинемический зажим). После этого будет осуществляться постепенное контролируемое возвращение в вертикальное положение в постели с постоянным мониторингом сердечно-сосудистой системы, чтобы избежать постуральной гипотензии. Участники останутся в постели, но им будет разрешено сидеть в вертикальном положении до утра 5-го дня.

фаза после постельного режима; Утром 5-го дня участников пересадят (без нагрузки) в инвалидное кресло, а затем доставят к МР-сканеру 3 Тесла для МРТ-сканирования после постельного режима. Они должны будут поститься с 22:00 накануне вечером. После МРТ участники будут накормлены и им будет разрешено вернуться в стоячее положение в контролируемой среде. Затем они пройдут реабилитацию под наблюдением в тренажерном зале Ноттингемского университета, состоящую из 6 подходов по 8 повторений (75% от максимума) разгибаний колена одной ногой на случайно выбранной ноге, поскольку было показано, что это обеспечивает анаболический стимул. (4), а затем разрешить вернуться домой. Сеансы реабилитации длятся около 30 минут. Они вернутся на 6-й и 7-й дни периода без постельного режима, чтобы пройти дополнительные сеансы реабилитации под наблюдением, как указано выше. Стандартизированный рацион питания будет поддерживаться на протяжении всей фазы после постельного режима. В 08:00 утра 8-го дня они придут в лабораторию, чтобы пройти заключительный визит с «зажимом», состоящий из тех же процедур, что и описанных выше, со следующими изменениями; биопсия мышцы Бергстрема будет выполнена на ноге, которая подвергалась реабилитационным тренировкам до и после эугликемического гиперинсулинемического зажима. Биопсия микроигл Барда будет выполнена на противоположной ноге только перед 3-часовым зажимом, чтобы сравнить синтез мышечного белка между ногами. Наконец, на 9-й день будут выполнены МРС и МРТ таким же образом, как описано выше. Когда будет выполнено окончательное сканирование MRS, это будет концом протокола исследования.