Mekanismer för cerebrovaskulär kontroll

Inledning Det är allmänt accepterat att insulinresistens i MetSyn ökar risken för cerebrovaskulär sjukdom (CVD) och stroke. Dessutom är MetSyn associerat med kognitiva försämringar och ökad risk för neurodegenerativa sjukdomar. Trots ett starkt samband mellan dålig cerebrovaskulär hälsa i MetSyn är det cerebrala blodflödets (CBF) svar på akuta insulinökningar hos människor i stort sett outforskat. Cerebrovaskulär dysfunktion som svar på insulin och potentiella mekanismer som dämpar CBF kan inte bara belysa den centrala grunden för patofysiologin för stroke och CVD, det kan ge viktiga insikter för att förstå kognitiv försämring starkt kopplad till äldre individer med MetSyn. Att etablera mekanismerna för insulinmedierad cerebrovaskulär kontroll är därför inte bara viktigt för att minska dödligheten i MetSyn, det kan vara mycket viktigt för att upprätthålla hjärnans hälsa. Insulinmediterad vasodilatation är till stor del en vaskulär endotelberoende process. Eleganta experiment med djurmodeller tyder på att insulinresistens stör sex endoteliala signalvägar, med de starkaste bevisen som innebär en förlust av kväveoxid (NO) vasodilatation och överdriven endotelin (ET-1) sammandragning. Litteraturen indikerar att i MetSyn leder en topp i insulin till vasokonstriktion och cerebral hypoperfusion. Dessa fynd är riktade motsatta från ingen förändring eller insulinmedierad vasodilatation och ökning av CBF som rapporterats i litteraturen. Bevis tyder på att okopplad funktion av kväveoxidsyntas (NOS) leder till ogynnsam balans mellan NO, reaktiva syreämnen och ET-1. Normalt bör stimulering av insulinreceptorn på det vaskulära endotelet tillhandahålla en miljö där NOS tillverkar NO, vilket leder till vasodilatation och hämning av ET-1. I MetSyn stimulerar insulin istället vasokonstriktorn ET-1 i större utsträckning medan NOS frikopplas och genererar mer reaktiva syrearter som tar bort NO som genereras, vilket leder till en större vasokonstriktorsignal snarare än vasodilatation.

Specifika mål/Studiemål

Specifika mål:

Den centrala hypotesen är att insulinets vasodilaterande verkan redan är nedsatt vid metabolt syndrom på grund av förlust av dilator och förstärkning av sammandragande signaler. Cerebral vasodilatation till insulin är till stor del endotelberoende. Nya bevis i djurmodeller tyder på att insulinresistens stör minst sex endoteliala signalvägar som kan vara potentiella mål, och detta förslag fokuserar på två som med största sannolikhet minskar CBF i MetSyn: 1) förlust av kväveoxid (NO) vasodilatation och 2) överdriven endotelin (ET-1) sammandragning. Dessa experiment kommer att inrikta sig på tre specifika mål:

Syfte 1: Att testa hypotesen att fysiologiska ökningar av insulin akut ökar CBF hos unga vuxna, men vuxna med MetSyn uppvisar paradoxal insulinmedierad vasokonstriktion.

Syfte 2: Att testa hypoteserna att nyckelmekanismer som är ansvariga för dålig CBF i MetSyn är förändringar i NO- och ET-1-signalering. Specifikt, i friska kontroller, förmedlar NO robust dilatation, med liten eller ingen ET-1 förträngning. Däremot uppvisar vuxna med MetSyn okopplat NO-syntas (NOS) och överdriven ET-1-konstriktion.

Syfte 3: Att testa hypotesen att insulinreglering av CBF är regionalt distinkt (t.ex. MCA reaktiv än ACA eller basilar), och de negativa effekterna av IR är på liknande sätt regionalt specifika.

Hypoteser:

• Vuxna med metabolt syndrom kommer att uppvisa minskad cerebral vasodilatation som svar på en OGTT
• NOS-hämning kommer att minska CBF-svaren (Δ CVC/Δ-insulin) i magra kontroller till nivåer av metabolt syndrom medan det kommer att öka CBF-svaret vid metabolt syndrom, vilket tyder på att metabolt syndrom har frikopplad NOS-funktion
• ET-1-hämning kommer att öka CBF-svar (Δ Cerebral Vascular Conductance Index (CVCi)/Δ insulin) i magra kontroller och metabolt syndrom. Det kommer dock att öka betydligt mer vid metabolt syndrom.
• MCA kommer att vara mer reaktivt på insulinökningar än andra cerebrala artärer

Studiens slutpunkter: Förändring i cerebral vaskulär konduktans (CVC, ml/min/100 mmHg) i förhållande till förändringen i koncentrationen av insulin i blodet efter konsumtion av glukos.

Ämnen Sextio deltagare (30 per grupp) kommer att rekryteras. Bestämning av behörighet kommer att vara en process i två steg. Det första steget är att alla deltagare kommer att slutföra en första skärm för att avgöra om de kvalificerar sig för screeningbesöket. Preliminära berättigade försökspersoner kommer att bjudas in till forskningslabbet för informerat samtycke och formell screening.

Under screeningbesöket på forskningslaboratoriet kommer försökspersonerna att fylla i informerat samtycke, ett frågeformulär för hälsohistoria, ett formulär för MRT-säkerhetsscreening och ett frågeformulär om fysisk aktivitet. Längd, vikt, blodtryck samt midje- och höftomkrets kommer också att tas. Dessutom kommer ett venöst blodprov att tas för glukos- och lipidtestning för att fastställa lämplighet. Om screeningbesöket visar att det finns en abnormitet eller kontraindikation för deltagande, som täcks eller inte täcks av de sammanfattade uteslutningskriterierna, kommer den potentiella försökspersonen inte att tillåtas delta. Som en sammanfattning kommer försökspersonerna att uppleva följande aktiviteter under screeningbesöket i laboratoriet:

Metoder Efter initial screening och ett screeningbesök kommer deltagande i denna studie att involvera två separata MRT-studiebesök (saltlösningsinfusion som placebo, kontra L-NMMA-infusion för att hämma NOS ELLER Ambrisentan oralt (endast manliga deltagare), kontra laktos placebo oralt för att hämma ET -1). Försökspersoner kommer att ledas in i ett experimentellt tillstånd (placebo/L-NMMA eller placebo/Ambrisentan) baserat på antalet försökspersoner som behöver bibehålla statistisk styrka. För Ambrisentan-studien måste försökspersonerna vara män, på grund av läkemedlets potentiella skadliga effekter på fostret. När en experimentell tillståndsgrupp har tilldelats, kommer läkemedelsordningen (placebo/läkemedel) att utföras på ett slumpmässigt tilldelat, motbalanserat enkelblindt sätt. De experimentella procedurerna kommer att vara identiska på alla testdagar med undantag för vilket läkemedel som kommer att infunderas. Under varje besök kommer försökspersoner att övervakas med avseende på hjärtfrekvens, blodtryck, koldioxid i slutet av tidvattnet och verbal kommunikation av negativa symtom (hur mår patienten) medan de befinner sig i MRT-skannern.

Graviditetstest: Alla kvinnliga försökspersoner måste ha ett negativt uringraviditetstest före antingen studiebesök (placebo eller läkemedel) för att säkerställa att de inte är gravida vid tidpunkten för varje studiebesök. Kvinnor kommer inte att tilldelas Ambrisentan-prövningen, även om deras graviditetstest är negativt.

Venpunktionsblodprov: Under screeningbesöket kommer blod (upp till 20 ml) att tas med hjälp av venpunktion för att analyseras med avseende på fasteglukos, serumlipider.

Försökspersonerna kommer att avstå från träning, koffein och NSAID, samt fasta i ≥ 10 timmar före alla experimentella försök.

Intravenös kateter: Utbildad personal kommer att placera två intravenösa katetrar. Placeringen av katetrarna kommer att ske i de armvener som bedöms vara mest lämpliga för att underlätta åtkomst. En kommer dock att placeras i antecubital fossa (infusion), och en i antecubital, hand eller handledsven (blodprov) på motsatt arm för vart och ett av de två studiebesöken. Blodprovskatetern kommer att användas för att ta upp till 15 ml blodprover vid specifika tidpunkter under varje studiebesök för att mäta koncentrationer av glukos och insulin samt för markörer för inflammation och oxidativ stress. Alla procedurer är identiska under varje prövning (placebo/L-NMMA/BQ123). De specifika tidpunkterna, som är ungefärliga på grund av små variationer i MR-skanningstider, är följande:

• Baslinje, före baslinje PC VIPR-skanning
• Före PC VIPR scan 1 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 2 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 3 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 4 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 5 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 6 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 7 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 8 efter OGTT
• Före PC VIPR scan 9 efter OGTT

Intravenös infusion:

I. NOS-hämning: L - NMMA är en potent icke-selektiv NOS-hämmare som används för att studera vaskulär fysiologi. L-NMMA kommer att infunderas med 3 mg/kg kroppsvikt/timme bolus (över 10 min) följt av en underhållsinfusion på 1 mg/kg/timme under experimentets varaktighet. Systemisk tillförsel av L - NMMA har visat sig höja blodtrycket ~8-15 mmHg som ligger inom det intervall som observerats under träning.

II. Placebo: Infusionshastigheten för placebo kommer att bestämmas med samma formler för L-NMMA-infusion, med hjälp av patientens senaste screeningvikt. Helst infunderas saltlösning i samma takt och kvantitet som motsvarande läkemedelsbesök. Försökspersoner som screenas om och har en viktförändring kan dock ha en saltlösningsinfusionshastighet som skiljer sig något från L-NMMA-infusionshastigheten.

En liten skillnad i saltlösning och läkemedelsinfusionshastighet är obetydlig ur ett vetenskapligt perspektiv eftersom det redan finns variationer i mängden saltlösning som patienten får eftersom den används för att spola IV (1-5 ml) vid varje blodprov (upp till 10 blodprov).

ET-1 - Inhibitionsstudier (15 kontroller, 15 MetSyn) (Ambrisentan Arm):

I. ET-1-hämning: Ambrisentan är en antagonist av ETA-receptorn. Försökspersoner kommer att få 10 mg Ambrisentan i pillerform 90-150 minuter före OGTT. Denna klass av läkemedel har använts för att undersöka ET-1-signalering vid diabetes, fetma och högt blodtryck (Bruno, Sudano, Ghiadoni, Masi, & Taddei, 2010; Lteif, Vaishnava, Baron, & Mather, 2007; Mather, Mirzamohammadi, Lteif , Steinberg, & Baron, 2002). ETA-receptorer är de mest benägna att mediera överdriven sammandragning hos MetSyn-patienter. Ambrisentan tas oralt. Systemisk tillförsel av endotelinantagonist har visat sig vid kronisk dosering minska det systoliska blodtrycket 4,5±10 mmHg och diastoliskt 3 ± 7,5 mmHg hos hypertoniker, och inte förändra det genomsnittliga artärtrycket vid fetma (Bruno et al., 2010; Mather et al., 2010; Spratt et al., 2001).

II. Placebo: Placebo-piller som i storlek och form liknar Ambrisentan kommer att användas som placebokontroll.

Magnetisk resonanstomografi (MRT): En 3 Tesla MRT kommer att användas för att kvantifiera cerebralt blodflöde och fånga cerebral kärlstruktur vid angivna tidpunkter under studiebesöken (vid baslinjen och under behandlingsförhållanden). Inget kontrastmedel kommer att användas när som helst. Försökspersonen kommer att vara i skannern för en första baslinjeskanning och under de experimentella försöken. All skanning kommer att utföras inom den föreslagna tidslinjen för experimentella försök. Medan de befinner sig i skannern kommer försökspersoner att övervakas med avseende på hjärtfrekvens, EKG, koldioxid (CO2) och blodtryck. Skannern har kapaciteten att samla in denna data, med undantag för sluttidal CO2, som kommer att samlas in med en ämnesövervakare. Förutom standardpulssekvenser som vanligtvis erhålls för kliniska ändamål (lokaliserare, standard MR-angiografi för kärlens anatomi (utan kontrastmedel), 2D-faskontrast-MR för hastighetskodade mätningar), a.s.o.; "grundläggande sekvenser"), kommer ett förvärvsschema utvecklat vid University of Wisconsin-Madison att användas. Detta schema, PC VIPR (faskontrast kraftigt undersamplad isotrop projektionsrekonstruktion) är unik i sin förmåga att förvärva volymetriska datamängder med trevägshastighetskodning och hög rumslig upplösning på ganska korta skanningstider. Alla pulssekvenser som används i denna studie är utformade för att hålla sig inom de nuvarande riktlinjerna för dB/dt som fastställts av FDA.

Oralt glukostoleranstest (OGTT): Patienten kommer att dricka destillerat avjoniserat vatten (300 ml) innehållande 75 gram glukos inom 5 minuter. Detta är standardadministrationen för OGTT.

Återregistrering: Manliga försökspersoner som helt slutför studien kommer att ha valet att återregistrera sig och slutföra den del av studien de inte deltog i. Försökspersonerna kommer att screenas på nytt för att fastställa behörighet och kommer att separeras med minst 1 vecka från slutförandet av studien. Dessutom deltar de bara i L-NMMA eller Ambrisentan (som de inte har genomfört i den andra delen av studien), de behöver inte upprepa kontroll-/saltlösningsbesöket.