Elektrisk stimulering för att dämpa muskelatrofi

Introduktion:

Skelettmuskulaturen svarar på stimulansen av mekanisk belastning för tillväxt och underhåll. Långvarig minskning av muskelaktivitet och mekanisk belastning som rymdfärd, immobilisering av extremiteter, sängläge och/eller inaktivitet förändrar balansen mellan proteinsyntes och nedbrytning, vilket resulterar i skelettmuskelatrofi (1-3). Detta kännetecknas av en minskning av muskelmassa, myofiber-tvärsnittsarea, kontraktil styrka och hastighet, samt långsam-till-snabb transformation av fibertyp (4,5). Många motåtgärder har rapporterats för att dämpa förlusten av muskelatrofi och neuromuskulär elektrisk stimulering (NMES) har ofta använts vid tillstånd som ryggmärgsskada, immobilisering och muskelavbrott efter operation (6,7). En nyligen genomförd Cochrane-granskning om effektiviteten av NMES för muskelsvaghet hos vuxna med progressiva sjukdomar som KOL, kronisk hjärtsvikt och cancer visade att NMES är ett effektivt sätt att förbättra muskelsvaghet (8). Metaanalyserna inkluderade elva randomiserade kontrollerade studier (RCT) med totalt 218 deltagare. NMES förbättrade quadricepsstyrkan avsevärt med en standardiserad medelskillnad (SMD) på 0,9 (95 % konfidensintervall (CI) 0,33 till 1,46). Detta är ungefär lika med 25 Newtonmeter (Nm) och bör betraktas som kliniskt signifikant. På samma sätt visade en annan nyligen genomförd systematisk granskning också att NMES är effektivt för att förebygga skelettmuskelsvaghet hos kritiskt sjuka patienter. Åtta kvalificerade studier med 172 patienter inkluderades i analysen. Av de åtta studierna rapporterade fem studier en ökning i styrka eller bättre bevarande av styrka med NMES, där en studie hade en stor effektstorlek (1,44). Två studier fann bättre bevarande av muskelmassa med NMES, med små till måttliga effektstorlekar (0,11-0,39) medan inga signifikanta fördelar hittades i två andra studier (9).

Effektiviteten av NMES är beroende av det kliniska tillståndet och påverkas av olika stimuleringsparametrar, särskilt stimuleringsfrekvensen och varaktigheten. Traditionellt har NMES setts som appliceringen av en transkutan elektrisk ström till den neuromuskulära förbindelsen, som syftar till att depolarisera motorenhetens aktionspotential och inducera muskelkontraktion (10). Denna elektriskt inducerade muskelkontraktion simulerar aktiv muskelförstärkning och bygger på principen för muskelträning att genom lämplig belastning kommer muskelstyrkan att ökas. För att uppnå denna träningseffekt syftade de stimuleringsparametrar som används normalt till att producera tetanisk kontraktion med en strömtäthet som patienten maximalt kan tolerera (8,9). Detta för närvarande antagna stimuleringsprotokoll (dvs. hög frekvens vid eller över 50 Hz, amplitud vid försökspersoners maximalt tolererade gräns och korta varaktighet (30 min till 1 timme) för att motverka muskelatrofi har två huvudsakliga nackdelar. För det första är det väl etablerat att mekanisk avlastning är associerad med skadliga förändringar av strukturen och funktionen hos skelettmusklerna, kännetecknad av minskning av muskelmassa, myofibers tvärsnittsarea, kontraktil styrka och hastighet, samt långsam till snabb omvandling av fibertyp (för granskning, se 11). Således är de långsamma muskelfibrerna mer mottagliga för avlastning eller obrukningseffekt snarare än snabba muskelfibrer. Det traditionella högfrekventa stimuleringsprotokollet (50 Hz) matchar inte motorenhetens avfyrningsmönster för en långsam muskel. Dessutom skulle den höga strömtätheten oundvikligen orsaka obehag om inte smärta för försökspersonerna under den elektriska stimuleringen. Försökspersonerna kan inte tolerera den elektriska stimuleringen i timmar. Detta är särskilt fallet om applikationen är till försökspersoner med muskelatrofi utan användning eller patienter med muskelsvaghet orsakad av progressiva sjukdomar. Mycket ofta är smärttoleransen hos denna grupp av försökspersoner generellt lägre än normala friska försökspersoner. Således kanske det för närvarande antagna protokollet inte nödvändigtvis ger det bästa möjliga resultatet av NMES för att förbättra muskelfunktionen. De fördelaktiga effekterna av NMES för att motverka muskelatrofi hade inte utnyttjats fullt ut. En nyligen genomförd systematisk översikt som undersöker metaboliska och strukturella förändringar i skelettmuskulaturen i nedre extremiteterna efter neuromuskulär elektrisk stimulering identifierade endast 18 studier. Åtta av dessa studier undersökte enzymatiska aktiviteter, sju studier på muskelfibersammansättning och 14 på muskelfiberstorlek. Bland dessa 18 studier är endast 9 RCT-studier, och den metodologiska kvaliteten var generellt sett dålig. Författarna drog slutsatsen att NMES verkar kunna producera gynnsamma förändringar i oxidativ enzymaktivitet, typ av skelettmuskelfiber och storlek på skelettmuskelfiber. Med tanke på den stora heterogeniteten i NMES-protokoll drog författarna slutsatsen att det inte fanns någon definitiv konsensus om stimuleringsfrekvenserna för optimala muskelförändringar (12), till exempel Theriault et al. (13) hade utfört långvarig elektrisk stimulering till knäextensorn hos 8 friska vuxna. Det elektriska stimuleringsprotokollet var av 8 veckors varaktighet i 8 timmar per dag och 6 dagar per vecka. Stimuleringsparametern var av låg frekvens (8 Hz) med intensitet som bara kunde producera synliga vibrationer. Resultaten antydde signifikant förbättring av knästräckares prestanda efter 4 veckors stimulering. Studien är dock inte en RCT-studie och det finns kontrollgrupp i studien. Å andra sidan hade en av RCT-studierna som undersökte effekterna av NMES och inkorporerade hög frekvens (50Hz) men mycket låg amplitud (utan muskelkontraktion) då placebogruppen för övrigt avslöjat att placebo gav bättre effekt än interventionsgruppen. NMES-gruppen kontra placebogruppen med en SMD på -0,12 (95 % KI: -0,63, 0,39) (8,14). Banerjee och hans grupp har också visat ett elektriskt stimuleringsprotokoll med låg frekvens (4 Hz) men hög amplitud (300mA), 1 timme/dag i 6 veckor kan avsevärt öka quadricepsstyrkan hos friska stillasittande vuxna och patienter med stabil kronisk hjärtsvikt ( 15, 16). Resultaten från grundläggande vetenskap och dessa kliniska studier antydde således behovet av ytterligare utforskning av mer effektiva NMES-stimuleringsprotokoll för att dämpa muskelatrofi.

Syfte och hypoteser som ska testas:

För att ta itu med dessa har utredarna av detta förslag utmanat den traditionella tanken att NMES bör vara med hög frekvens och hög amplitud. Utredarna hade testat hypotesen att låg frekvens och låg amplitud är effektivt för att dämpa muskelatrofi, och undersökte de cellulära mekanismerna som är förknippade med muskelavlastning. Med hjälp av djurmodellen för bakbensupphängning har utredarna tidigare visat att, under bakbensupphängningen, applicering av lågfrekvent elektrisk stimulering vid 20 Hz på soleusmusklerna med definierade timing- och pulsparametrar delvis räddade förlusten av satellitceller och förbättrade fiberkorsning. sektionsområden (17). Utredarna har vidare visat att man använder ett paradigm för elektrisk stimulering av frekvens: 20 Hz; varaktighet: 3 timmar, två gånger dagligen till åtta veckor gamla BALB/c-hanmöss som utsattes för en 14-dagars avlastning av bakbenen (HU). Detta stimuleringsparadigm kan förbättra satellitcellsproliferativ potential samt undertrycka apoptotisk celldöd i muskelatrofi inducerad av obruk. Morfologiskt visade bakbenen med elektrisk stimulering signifikant förbättring av muskelmassa, tvärsnittsarea och maximal tetanisk kraft i förhållande till HU-benet (18). Nyligen undersökte utredarna ytterligare det optimala stimuleringsprotokollet och visade att bland tre lågfrekventa protokoll, 2, 10 och 20 Hz, uppnådde stimulering vid 2 Hz i 2 × 3 timmar/dag den bästa effekten för att dämpa förlusten av muskelfiber. tvärsnittsarea och kraft. Denna stimuleringsparameter ledde till en 1,2-faldig ökning av satellitcellsproliferation och var effektiv för att rädda celler från apoptos (19). Med alla dessa uppmuntrande resultat från den grundläggande vetenskapliga forskningen, tror forskarna att det föreslagna nya paradigmet för NMES kan testas på ämnen med progressiv muskelatrofi. Utredarnas hypotes att NMES vid 2 Hz under 2 × 3 timmar/dag är effektivt för att dämpa/förbättra postural muskelatrofi i nedre extremiteter, nämligen quadriceps och gastrocnemius och soleus muskelkomplex.

Undersökningsplan:

Baserat på resultaten i den befintliga litteraturen om det nuvarande antagna NMES-stimuleringsprotokollet för att dämpa muskelatrofi eller förbättra muskelprestanda i olika populationer, antog forskarna att det föreslagna nya paradigmet för NMES skulle vara mer effektivt för att förbättra muskeltvärsnittsarean (CSA) ), styrka, uthållighet, träningstolerans, och är mer acceptabel av försökspersoner som behövde NMES för att dämpa muskelatrofin med olika medicinska tillstånd, särskilt patienter med kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL).