Неинвазивные подходы к выявлению причины усталости у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника. (IBD Fatigue)

Исходная информация Утомляемость при воспалительном заболевании кишечника (ВЗК) наряду с диареей является наиболее частым медицинским симптомом у пациентов с активной болезнью Крона (БК) и второй по частоте жалобой после артралгии у пациентов с БК в стадии ремиссии. Партнерство по установлению приоритетов ВЗК между Альянсом Джеймса Линда и Британским обществом гастроэнтерологов показало, что усталость при ВЗК является одним из 10 главных приоритетов исследований в Великобритании.

Распространенность утомляемости колеблется от 41-48% в период ремиссии до 86%, когда болезнь активна. Хроническая усталость связана с ухудшением связанного со здоровьем качества жизни при ВЗК и снижением физической активности, которая в педиатрической когорте играет важную роль в развитии нормального роста. При отсутствии обратимых клинических причин, таких как анемия, воспалительная нагрузка или дефицит питательных веществ, пока неясно, что вызывает усталость у этих пациентов. Существующие подходы ограничены в предложении ключей к потенциальным терапевтическим подходам или точной клинической оценке пациентов с БК. Вероятно, это связано с отсутствием многокомпонентного подхода и плохой методологической чувствительностью и надежностью при оценке утомления. Для усталости при ВЗК была предложена многомерная концепция физических, когнитивных и аффективных компонентов. Тем не менее, остается неясным, как лечить усталость при ВЗК. Лечебная физкультура, психосоциальные вмешательства и терапия, ориентированная на решение, предлагаются в качестве вариантов лечения, но ни один из них не показал убедительной эффективности.

Усталость возникает из-за периферических и центральных процессов, которые одинаково важны. В то время как периферическая усталость приписывается мышечной этиологии, центральная усталость представляет собой прогрессирующее снижение произвольной активации мышц, вызванное физической нагрузкой, из-за недостаточности центральной нервной системы (ЦНС). Существующие подходы были ограничены тем, что не могли адекватно количественно оценить периферическую усталость на уровне мышц и центральную усталость на уровне ЦНС.

Периферическая усталость: потребность в мышечной активности

Физическая усталость связана со снижением мышечной массы и качества (саркопения) и, следовательно, снижением мышечной функции. К факторам потери мышечной массы относятся низкая физическая активность и анаболическая резистентность, которые в значительной степени притупляют стимулирующий эффект белкового питания на синтез мышечного белка. В соответствии с этим у пациентов с активной болезнью Крона наблюдается значительное снижение экспрессии сигнальных путей гипертрофии скелетных мышц, но не изменяется экспрессия сигналов атрофии.

Плохое качество мышц является важной причиной метаболической дисфункции, которую часто упускают из виду как причину периферической усталости. В предварительных неопубликованных данных исследователи впервые показали, что скелетные мышцы пациентов с активным БК демонстрируют притупленное поглощение глюкозы в ответ на прием глюкозы, что свидетельствует о сниженном качестве мышечного метаболизма у пациентов с БК.

У утомленных субъектов с ВЗК средние и большие размеры эффекта в отношении нарушения аэробной выносливости (VO2max), мышечной силы и физической активности наблюдаются у субъектов с утомлением по сравнению с субъектами без сообщений об утомлении в анамнезе и нормальной популяцией. Отсутствие физической активности при болезни БК в состоянии покоя может быть объяснением, лежащим в основе этих наблюдений, указывая на то, что бездействие, вторичное по отношению к бремени болезни, является этиологией усталости при БК, как и при хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). Низкая физическая активность уже была показана при БК как в педиатрической, так и во взрослой когорте, и она в значительной степени коррелирует с активностью заболевания, но все еще преобладает в период ремиссии. Хотя это может означать циркулярность этиологии утомления в контексте отсутствия физической активности, маловероятно, что эти два фактора имеют простую прямую причинно-следственную связь. Действительно, когда добровольцы сопоставляют обычную физическую активность, усталость скелетных мышц по-прежнему наиболее распространена при БК и преимущественно у тех субъектов, которые жалуются на усталость. В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что как снижение кардио-респираторной выносливости, так и ухудшение состояния периферических мышц (возможно, связанное со снижением плотности митохондрий в мышцах) способствуют раннему развитию утомления у пациентов с ВЗК, которые сообщают о симптомах утомления.

Центральное утомление: необходимость сердечно-дыхательной регуляции

Скелетные мышцы, сердечно-дыхательная система и ЦНС взаимосвязаны. В предварительных данных впервые было показано, что можно оценить изменение перфузии головного мозга (или мозгового кровотока; CBF), косвенное измерение гемодинамического измерения активности нейронов головного мозга с использованием методов функциональной МРТ в отношении снижение сердечно-сосудистой системы с возрастом. Эти данные показали, что CBF, измеренный непосредственно с использованием маркировки артериального спина (ASL) или косвенно с использованием зависимости от уровня кислорода в крови (BOLD), был снижен у пожилых людей с пониженной кардиореспираторной выносливостью и, вероятно, более утомляемыми, чем молодые добровольцы. Это говорит о том, что связь между CBF и активностью мозга может модулироваться сердечным выбросом и, таким образом, управляться для улучшения функции мозга, связанной с центральной усталостью у пациентов с БК.

Это подчеркивает потенциал неинвазивных методов функциональной МРТ головного мозга для определения влияния перфузии головного мозга во время физических упражнений на центральную усталость у пациентов с болезнью Крона. Кроме того, эти количественные подходы можно использовать для определения того, могут ли улучшение состояния сердечно-сосудистой системы и соответствующие последующие упражнения или фармакологические вмешательства изменить центральную усталость.

1.Цели и цель предполагаемого расследования

Гипотеза: исследователи предполагают, что этиология утомления при ВЗК связана с ухудшением состояния периферических мышц и центральным утомлением головного мозга, причем последнее является вторичным по отношению к снижению сердечно-дыхательной выносливости и/или сердечного выброса, так что как центральное, так и периферическое утомление способствуют утомлению. развитие при ВЗК.

Цели:

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи стремятся набрать когорту утомленных и неутомленных пациентов с целиакией в стадии ремиссии, а также здоровых добровольцев, соответствующих возрасту, полу, мышечной массе и физической активности. Симптомы усталости будут определяться с помощью соответствующих вопросников при скрининге. Впоследствии исследователи объективно определят мышечную силу разгибателей колена во время максимального произвольного изометрического сокращения и развитие утомления в группе четырехглавых мышц. Последнее будет определяться как потеря развития мышечного пикового крутящего момента за 20 последовательных изокинетических разгибаний колена. Будут изучены периферическая (мышцы) и центральная (ЦНС) роли в этиологии утомления. Декондиционирование периферических мышц будет исследовано путем количественной оценки повторного синтеза мышечного фосфокреатина (ФКр) во время восстановления после тренировки с использованием 31-фосфорной MRS, в то время как потенциал центральной усталости будет изучен с помощью различных показателей перфузии ЦНС и фракционной экстракции кислорода в головной мозг с помощью МРТ.

Подробный план исследования и научные процедуры/методология

Исследователи стремятся набрать 32 пациента с БК в стадии ремиссии, с усталостью в анамнезе и без нее (n = 16 для когорты усталости при ВЗК и n = 16 для когорты без усталости при ВЗК) в течение 36 месяцев. Эти когорты будут сравниваться с 16 здоровыми контрольными группами по возрасту, полу, мышечной массе и физической активности (из нашего существующего отдела биомедицинских исследований болезней пищеварительного тракта Ноттингема и баз данных MRC/ARUK) для прохождения экспериментального протокола, описанного ниже. Исследователи будут специально сопоставлять физическую активность, чтобы исследовать ее потенциальное первичное влияние на утомляемость.

Цель 1 (День 1): Определить мышечную силу, утомляемость и кардиореспираторную выносливость.

После согласия добровольцы CD и здоровые подобранные контроли выполнят 3 максимальных изометрических разгибания колена группы четырехглавых мышц (каждое с интервалом 30 секунд) для определения мышечной силы. После этого добровольцы выполнят 20 максимальных разгибаний колена на одной ноге на изокинетическом динамометре Cybex (Cybex Norm, США) с постоянной угловой скоростью 90 градусов в секунду, чтобы определить развитие мышечного крутящего момента. Каждое максимальное произвольное сокращение будет начинаться из положения сгибания колена на 90 градусов и продолжаться до момента полного разгибания колена. После каждого сокращения нога пассивно возвращается в исходное положение (примерно на 1,1 с), из которого немедленно начинается следующее сокращение. Критерием результата и золотым стандартом определения утомления в этой задаче будет снижение пикового крутящего момента при каждом сокращении в течение 20 разгибаний колена. Ранее было показано, что максимальные произвольные сокращения с такой скоростью приводят к задействованию мышечных волокон как I, так и II типа четырехглавой мышцы. Тридцать минут спустя добровольцы будут проходить непрерывный тест с нарастающей нагрузкой в ​​положении лежа с использованием степ-эргометра, совместимого с магнитно-резонансной томографией (диагностическая педаль Ergospect). Упражнения начинаются с низкой рабочей нагрузки, которая будет увеличиваться каждые 3 минуты для определения пикового значения VO2 во время упражнений в положении лежа с использованием онлайн-анализа выдыхаемого газа (Cosmed, Рим, Италия). Производство углекислого газа (CO2) и потребление кислорода (O2) будут измеряться на протяжении всего теста и использоваться для измерения пикового поглощения кислорода и коэффициента дыхательного обмена (RER). Эти данные будут нормализованы к составу тела, измеренному с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии (DEXA; Lunar Prodigy, GE Medical Systems, Бакс, Великобритания), и обеспечат золотой стандарт измерения кардиореспираторной (или аэробной) физической подготовки.

Задача 2 (день 2): определить перфузию головного мозга и центральную усталость.

Недавно в сотрудничестве с исследователями из Центра визуализации сэра Питера Мэнсфилда в Университете Ноттингема исследователи разработали протокол для количественной оценки реакции сосудов коры головного мозга на физические упражнения у добровольцев и ее модуляции при старении и кардиореспираторной форме. Здесь тот же подход будет использоваться для оценки корковой сосудистой реакции на упражнения в областях мозга, связанных с центральной усталостью у пациентов с БК.

Чтобы изучить этот механизм у пациентов с болезнью Крона, исследователи предлагают измерять сердечный выброс и церебральную и регионарную перфузию с использованием показателей, зависящих от уровня кислорода в крови (BOLD), и МРТ с мечением артерий (ASL), а также фракционное извлечение кислорода с использованием TRUST-MRI, соответственно, во время упражнений на четырехглавую мышцу лежа на спине с помощью МР-совместимого эргометра (диагностическая педаль Ergospect) при заданных значениях относительного VO2max (как измерено в Задаче 1).

Этот мультимодальный подход определит потенциальное разъединение между перфузией головного мозга и активностью нейронов, а также роль центральной гипоксемии в центральной усталости у пациентов с ВЗК по сравнению со здоровым контролем. Кроме того, эти данные будут коррелировать с кардиореспираторной выносливостью, мышечной силой и утомляемостью и будут определять преобладающую роль центральных процессов в утомлении пациентов с ВЗК. Если эти показатели сосудов головного мозга связаны с развитием утомления, то этот показатель нейроваскулярной связи может получить пользу от физических упражнений, как и для мышечной ткани.

Задача 3 (день 2): определить ухудшение состояния мышц.

Для поддержания энергии (АТФ) во время тренировки скелетные мышцы регулируют окислительное (митохондриальное) и немитохондриальное производство АТФ. У здоровых людей относительный вклад продукции немитохондриального АТФ в общую выработку энергии обычно определяется интенсивностью упражнений, которая определяет величину накопления побочных продуктов метаболизма, которые напрямую связаны с мышечным дискомфортом и усталостью. При болезненных состояниях повышенная утомляемость и мышечная боль объясняются снижением мышечного кровотока и/или уменьшением митохондриальной массы.

Чтобы разделить эти два процесса у пациентов с болезнью Крона, кровоток в конечности будет перекрыт манжетой, в то время как участники будут выполнять повторяющиеся упражнения на подошвенное сгибание на МРТ-сканере. Это сведет PCr (доступный запас АТФ) к нулю. В частности, участники с манжетой на нижнюю конечность выполнят 30 сокращений в течение 5 минут с использованием эргометра, совместимого с МРТ. После снятия манжеты они будут подвергнуты неинвазивным и хорошо зарекомендовавшим себя измерениям магнитного резонанса 31P in vivo (31P MRS) на икроножной мышце для определения скорости ресинтеза ПКр во время восстановления в состоянии покоя. Данные 31P MRS будут усредняться, обрабатываться и количественно оцениваться с использованием внутренних методов.

Поскольку скорость ресинтеза ПКр прямо пропорциональна митохондриальной массе, а доставка кислорода не ограничивается во время восстановления после физической нагрузки, это позволит нам измерять нарушение метаболизма мышц in vivo.

Размер образца

1. Кардиореспираторная выносливость: ранее исследователи показали, что VO2max здорового добровольца составляет 3,65 (0,5) л/мин, в то время как VO2max у утомленного пациента с ВЗК составляет 1,99 (0,44) л/мин, а у неутомленного пациента 2,43 (0,75). ) л/мин. Предполагая мощность 80% и α = 0,05, необходимо 6 субъектов в каждой группе, чтобы показать значительную разницу между здоровыми добровольцами и когортой без утомления, и 13 пациентов в каждой группе необходимо, чтобы показать разницу между 2 CD. когорты.
2. Мышечная утомляемость: максимальное растяжение мышечного крутящего момента 180⁰/с (Нм) ниже у пациентов с ВЗК с утомлением по сравнению с пациентами с ВЗК без утомления (60,73 против 73,5, стандартное отклонение 12,3 соответственно). Предполагая мощность 90% и α = 0,05, необходимо 16 субъектов CD в каждой группе, чтобы показать разницу между утомленными и неутомленными когортами CD. Важно отметить, что скорость мышечного утомления (определяемая как градиент снижения силы от 2 до 30 повторений протокола упражнений) значительно выше у здоровых добровольцев, чем у здоровых добровольцев (5,2 Нм/мин против 1,3 Нм/мин, SD 3. В этом случае , предполагая мощность 90% и α = 0,05, необходимо 11 субъектов в каждой группе, чтобы показать разницу между CD и здоровыми добровольцами.
3. Кондиционирование мышц: недавние исследования показали, что скорость ресинтеза Pcr составляет 27,9 ± 0,6 с у худощавых людей, ведущих малоподвижный образ жизни, и 36,5 ± 2,4 с у пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СД2). Таким образом, при мощности 100% и α = 0,05 необходимо 3 субъекта в каждой группе, чтобы показать разницу между здоровыми добровольцами и потенциально утомленной когортой, такой как пациенты с СД2.
4. Анаболическая резистентность: Кроме того, наша недавняя работа по анаболической резистентности уже показала значительные различия в качестве мышц между CD и здоровыми добровольцами (значительная разница наблюдалась у n = 5 пациентов). Процент усталости предплечья в ведущей руке составляет 26,75% ± 11,1 и 18,3 ± 7,8 в CD и контроле соответственно. Предполагая мощность 80% и α = 0,05, в каждой группе требуется 11 субъектов.
5. МРТ: Невозможно провести это точное МРТ-исследование, поскольку пилотные данные в этих когортах ВЗК не были собраны. Однако ранее исследователи показали, что перфузия головного мозга у молодых людей увеличивается на 18 ± 6% при 30% VO2max во время кардиореспираторного фитнес-теста. В то время как у пожилых она увеличивается всего на 3±4 %. Предполагая мощность 100% и α = 0,05, необходимо 10 субъектов в каждой группе, чтобы показать значительную разницу между здоровыми добровольцами (молодыми) и когортой потенциально утомленных (пожилые люди). Кроме того, для фМРТ-анализа BOLD обычно считается, что в каждой когорте необходимо минимум 12 субъектов с улучшенной чувствительностью МР-сканеров (и, следовательно, более высоким временным отношением сигнал-шум (SNR), что теперь позволяет улучшить анализ отдельных субъектов.

По вышеуказанным причинам исследователи считают, что 16 субъектов в каждой группе (усталость CD, неусталость CD и здоровые добровольцы) будет достаточно, чтобы показать разницу в выбранных нами объективных конечных точках.

Анализ данных Усталость будет измеряться как снижение развития пикового крутящего момента в течение 20 изокинетических разгибаний колена, как описано выше. Скорость ресинтеза ПЦР и фракционная экстракция кислорода мозгом будут основными конечными точками в задачах 2 и 3.

Данные MRS 31P будут анализироваться с использованием стандартного программного обеспечения ЯМР (программное обеспечение jMRUI для клинической и биомедицинской MRS). Именно, все спектры из временного ряда будут аподизированы (лоренцева форма 15-20 Гц). Из этих спектров будут определены интенсивности сигнала 5 пиков после формирования линии. pH будет определяться до и в конце протокола упражнений путем измерения частотного сдвига между PCr и Pi, в то время как собственный написанный код в MATLAB (MathWorks Inc., Matrix House, Кембридж, Великобритания) будет использоваться для дальнейшие расчеты скорости извлечения ПКр. В этом случае интенсивность площади пика пика PCr из jMRUI будет использоваться в качестве входных данных в сценарии для соответствия временным характеристикам данных с использованием моноэкспоненциальной функции: PCr (t) = PCr (t0) + C (1 - e-t/ т); где PCr — уровень интенсивности пика PCr, C — константа, τ [с] — константа скорости восстановления PCr и время t [с], начиная с конца протокола упражнений (t0). Воспроизводимость измерений мышечной энергетики с помощью 31P MRS была недавно оценена у тренированного человека и показала, что коэффициент вариации во время упражнений (27%) и в состоянии покоя (8%) был относительно низким, и различия были обнаружены у 15 добровольцев. Это подтверждает, что подход 31P MRS обеспечивает воспроизводимые и экспериментально полезные измерения скорости ресинтеза PCr в скелетных мышцах человека.

Данные МРТ BOLD будут проанализированы с использованием стандартных пакетов нейровизуализации (Statistical Parametric Mapping (SPM); Wellcome Department of Imaging Neuroscience и FMRIB Software Library). Изображения будут скорректированы по движению, нормализованы по стандартному шаблону Монреальского неврологического института, чтобы облегчить усреднение между участниками. При сборе всех данных исследователи будут записывать вектокардиограмму (ВКГ) и дыхательные движения, чтобы данные можно было скорректировать с учетом физиологического шума. Контрастные векторы будут сформированы для определения реакции ЦНС на стимул физической нагрузки. Исследователи составят статистические карты тех областей мозга, которые показывают снижение/увеличение ЖИРНОГО сигнала после вмешательства с упражнениями. Эти статистические карты будут использоваться для сопоставления интервенций и групп участников. Результаты будут объединены на втором уровне, групповом анализе случайных эффектов (RFX) и активных областях мозга, отображаемых с вероятностью ложного обнаружения с поправкой P <0,05, k> 5. Эти анализы были ранее проведены и опубликованы нашей группой. Данные ASL будут скорректированы и смоделированы для количественной оценки перфузии в мл/100 г/мин, а глобальные и региональные показатели перфузии будут сравниваться до и во время вмешательства с физической нагрузкой. Данные TRUST будут использоваться для расчета фракционной экстракции кислорода до и во время физической нагрузки. Данные будут представлены как среднее +/- стандартная ошибка среднего (SEM). Бинарные сравнения будут проводиться с помощью t-критерия, тогда как множественные сравнения будут проводиться с анализом дисперсии с апостериорной коррекцией Бонферрони между 3 группами. Эффекты цитокинов, витамина D и продолжительности заболевания будут исследованы с помощью коэффициента корреляции и постфактум многофакторного анализа.

Исследователи стратифицируют субъектов на основе количественных показателей результатов: скорости ресинтеза ПКр, кардиореспираторной выносливости, измеряемой через VO2max, снижении мышечной активности и изменении регионарной перфузии и фракционной экстракции кислорода в головном мозге, независимо от состояния их утомления. Это поможет нам понять, какие изменения в физиологии и обмене веществ лучше всего связаны с конкретными симптомами усталости. Это позволит получить объективную количественную оценку субъективного порога шкалы усталости ВЗК, тем самым лучше определяя усталость.