Metaboliska och muskulära anpassningar under inaktivitet i 3 dagars sängvila

Sängstöd är en allmänt accepterad experimentell modell som används för att studera fysiologiska anpassningar till rymdflyg, inklusive förlust av ben och muskelmassa, vätskeskifte och kardiovaskulär dekonditionering. Vanligtvis uppmanas deltagarna att tillbringa en period i sängen, där alla aktiviteter i det dagliga livet utförs i en horisontell eller head-down tilt position (HDT), vilket minimerar användningen av alla muskler och åstadkommer betydande fysiologiska anpassningar liknande de som observerats under rymdfärd. Ett stort antal studier av sängläge på människor har utförts från 3-370 dagar. Men det finns för närvarande luckor i vår förståelse av; hastigheten och omfattningen av den fysiologiska dysregleringen som inträffar under faktisk och simulerad mikrogravitation (som de flesta studier hittills har beaktat främst tidpunkter före och efter sänggåendet); platserna och mekanismerna som styr sänglägesinducerad dysreglering; om de processer som ligger bakom akuta fysiologiska förändringar är desamma som de som ses på längre sikt. Att förbättra vår förståelse av dessa problem skulle göra det möjligt för insatser som syftar till att minimera sänglägesinducerad fysiologisk dysreglering att vara mest effektivt fokuserade på tidsperioder då frekvensen av debut av fysiologisk dysreglering sannolikt är som störst. Detta skulle då bidra till att framtida framgångar uppnås vid långvarig mänsklig rymdfärd, t.ex. ett bemannat uppdrag till Mars, eftersom en förståelse för etiologin och tidsförloppet för den fysiologiska dysreglering som åtföljer långvarig exponering för mikrogravitation skulle möjliggöra att effektiva motåtgärder kan implementeras. Vidare erbjuder sänglägesmodeller en unik möjlighet att studera konsekvenserna av sängläge för dem som kan utsättas för långa perioder av inaktivitet under sjukhusvistelse, till följd av sjukdom eller skada.

Inaktivitet är förknippat med utvecklingen av insulinresistens och bidrar till utvecklingen av många moderna metabola sjukdomar inklusive fetma, typ 2-diabetes, dyslipidemi och hypertoni (1,2); med fysisk inaktivitet som anges som den främsta orsaken till 27 % av diabetes och 30 % av fallen med ischemisk hjärtsjukdom. Men tidsförloppet, relativ vävnadsspecificitet (lever vs muskel) och mekanistisk grund för inaktivitet inducerad insulinresistens, och dess vändning genom remobilisering, representerar stora luckor i vår nuvarande förståelse. Dessutom är insulinresistens en observation med flera möjliga etiologier och de mekanismer som är involverade i utvecklingen av detta tillstånd med kortvarig sängläge/immobilisering kan vara annorlunda än de som är involverade med långvarig/kronisk inaktivitet. Ytterligare forskning inom detta område är därför berättigad.

Den aktuella studien är en del av ett större projekt som inkluderar en 60 dagar lång, långvarig, sänglägesstudie genomförd i samarbete med European Space Agency, vid Institut Médecine Physiologie Spatiale-anläggningen i Toulouse, Frankrike, och kommer att jämföras med åtgärderna genomfördes i det långsiktiga sänglägesexperimentet.

Inkörningsfas; Efter en framgångsrik medicinsk screening kommer deltagarna att starta en "inkörningsfas" under vilken deras vanliga aktivitetsnivåer kommer att bedömas med accelerometri. Individuellt energibehov kommer att uppskattas med hjälp av den modifierade Harris-Benedicts ekvation för vilometabolism och faktor för fysisk aktivitetsnivå och en standardiserad diet (sammansättning av makronäringsämnen (uttryckt som en procentandel av det totala energiintaget från kosten) som är ~55% kolhydrater, ~30% fett och ~15% protein) kommer att tillhandahållas under 3 dagar före den första experimentsessionen. Dagen före detta pass kommer deltagarna att bli ombedda att avstå från all ansträngande träning och att fasta från midnatt och endast dricka vatten från den tiden. Vid ankomst kommer en dubbelenergiröntgenabsorptiometri (DEXA) skanning att utföras för att karakterisera fettmassor på hela kroppen och benen. Deltagaren kommer sedan att bli ombedd att ligga på en sjukhussäng i ryggläge (en kudde) och muskelvolym och arkitekturmätningar kommer att bestämmas genom ultraljudsavbildning av vastus lateralis-muskeln med hjälp av en 100 mm linjär array 13-4 megahertz-sond. Detta kommer att ge en global representation av quadriceps muskelanatomi för att standardisera beräkningar av benglukosupptag och bestämma bidraget av muskelmassa och intramyocellulär lipid till beninsulinresistens. Muskelbiopsiprov kommer att tas från vastus lateralis före och omedelbart efter en 3 timmars hyperinsulinemisk euglykemisk klämma (3). Muskelbiopsier kommer att tas med Bergströmtekniken under sterila förhållanden, efter injektion av lokalbedövning. En anterograd femoral venkateter kommer att införas (med Seldinger-tekniken under ultraljudsledning) för att möjliggöra att venöst blod som dräneras från benet kan analyseras med avseende på glukoskoncentration och jämföras med glukoskoncentrationen i arterialiserade venösa blodprover (Tidspunkter 0, 150, 160, 170 och 180 minuter). Samtidigt som det venösa femorala blodprovet tas kommer en femoral artär blodflödesbedömning (mmol/min) att göras med hjälp av ultraljud för att möjliggöra beräkning av benglukosupptag. Indirekt kalorimetri kommer att utföras före och under de sista 15 minuterna av 180 min hyperinsulinaemisk-euglykemisk klämma.

Dagen efter "klämman"-besöket kommer en 3 Tesla magnetisk resonansspektroskopi (MRS) skanning att genomföras för att bedöma innehållet av intramyocellulär lipid (IMCL), extramyocellulär lipid (EMCL) och triglycerider i levern. En magnetisk resonanstomografi (MRT) skanning kommer också att utföras för att bestämma mitten av lårmuskelns tvärsnittsarea och hela kroppens muskelmassa. Efter magnetisk resonans (MR) skanningar kommer deltagarna att genomgå en kort proprioceptiv bedömning av nedre extremiteter på en specialdesignad somatosensorisk apparat som kallas Active Movement Extent Discrimination Assessment (AMEDA). Deltagarna kommer att stå på apparaten och få varje fotled att flyttas genom 5 olika inversionsvinklar och ombeds bedöma graden av fotledsposition. Denna metod har validerats för att fastställa proprioceptiv diskriminering och kommer att upprepas efter MR som utfördes på dag 4 för att bedöma skillnader före och efter sängläge.

Innan sängviloperioden börjar kommer saliv- och urinprover att samlas in för mått på bakgrundsmärkning av kreatin, kreatinin, vatten och 3-metylhistidin (MH) med deuterium. Efter detta kommer deltagarna att förses med en drink som innehåller stabila isotopspårämnen; deutererat kreatin (D3-Kreatin 30 mg; för att mäta hela kroppens muskelmassa) och deutererat, eller "tungt", vatten (D2O, 3 g/kg kroppsvikt, uppdelat i 3 alikvoter intagna med 20 minuters mellanrum, för att mäta muskelproteinsyntesen (MPS) ) från mätningar av muskelvävnadsinkorporering). Två timmar efter intag av den slutliga D2O-dosen kommer ett salivprov att samlas in för att mäta jämvikten av D2O i hela kroppsvattenpoolen. En 24-timmars urininsamling kommer att utföras 24 timmar efter intag av D3-kreatin, och ett punkturinprov kommer att tas 36 timmar, 48 timmar och 72 timmar. Urin kommer att analyseras för D3-kreatin för att ta hänsyn till "spillover", och D3-kreatininmärkning som kommer att återspegla utspädning av etiketten i hela kroppens kreatinpool. Kroppens totala kreatinpoolstorlek och muskelmassa kommer att beräknas från D3-kreatininberikningen i urin vid 72 timmar, efter att ha tagit hänsyn till eventuell förlust av D3-kreatin direkt in i urinen. Dessutom kommer deltagarna att inta spårämne metyl-D3-3-metylhistidin (10 mg, D3-MH för att mäta nedbrytning av myofibrillära muskler i hela kroppen) i en drink 24 timmar före sängläge (dag -1). Ytterligare 10 mg kommer att ges på dag 2 av sängvilan, med blodövervakning på dag 3.

Sängstöd Fas; Deltagarna kommer att anlända till anläggningen kl. 08.00 på morgonen dag 1 efter en övernattningsfasta från kl. 22.00 kvällen innan. För simulering av de fysiologiska effekterna av mikrogravitation hålls sängen i en 6°-lutningsposition med huvudet nedåt (HDT-läge). En Bard-mikronålsmuskelbiopsi kommer att utföras och upprepas följande morgon (dag 2 av sängvilan) för att bedöma kumulativ muskelproteinsyntes under de första 24 timmarna av sängvilan. Varje dag efter biopsi kommer en anterograd venkanyl att föras in i armen för provtagning av blod varje timme i totalt 6 timmar för mätning av D3-MH-märkning.

Påfyllning av D2O (beräknat från vattenomsättningshastigheter) kommer att ges till deltagarna på dagarna 1 och 3 av sängläge, för att upprätthålla D2O-anrikningen. Ett salivprov kommer att tas för att mäta anrikningen av D2O-kroppsvatten och ett urinprov för D3-kreatininmärkning.

Under sängvilan kommer deltagarna att ligga kvar i sängen 24 timmar om dygnet. Alla aktiviteter i det dagliga livet såsom hygieniska procedurer, ätande, läsning och "gå" på toaletten (användning av sängpannor och urinflaskor) sker samtidigt som huvudet hålls neråt under hela studien. Deltagarna får röra sig från sida till sida (från liggande till ventral eller lateral position), men får inte sitta upp eller stå när som helst. Det är tillåtet att använda en liten platt kudde så länge axlarna fortfarande rör vid madrassen. Kostintaget kommer att kontrolleras, med en aktivitetsmultiplikator på 1,2 som används för att fastställa det dagliga energiintagets behov. Fem dagliga måltider (frukost, morgonmellanmål, lunch, eftermiddagsmellanmål och middag) serveras vid samma tid på dagen, hela tiden. Deltagarna uppmanas att konsumera all mat som tillhandahålls. De kan konsumera mindre än vad som tillhandahålls, men kommer inte att få någon extra mat. Varje matvara vägs på en precisionsskala (±0,1 g) och där deltagarna inte äter all mat som ges, vägs de oanvända matvarorna om och värdet subtraheras från den initiala vikten för att ge det faktiska matintaget. Försökspersonerna håller en strikt dag-natt-cykel. De väcks klockan 07.00 och ljuset släcks klockan 23.00.

På morgonen dag 4, efter en fasta över natten, kommer deltagarna att genomgå den andra "clamp"-dagen enligt beskrivningen ovan (ultraljudsundersökning av låret, indirekt kalorimetri, lårbensvenskanylering, muskelbiopsier och en euglykemisk hyperinsulinemisk klämma). Efter detta kommer en gradvis, övervakad återgång till "upprätt" i sängen att utföras, med kontinuerlig kardiovaskulär övervakning för att undvika postural hypotoni. Deltagarna kommer att ligga kvar i sängen men får sitta i upprätt ställning till morgonen dag 5.

Fas efter sängvila; På morgonen dag 5 kommer deltagarna att flytta (utan viktbärande) till en rullstol och sedan transporteras till 3 Tesla MR-skannern för deras MR-skanningar efter sängläge. De kommer att krävas fasta från kl 22:00 kvällen innan. Efter MR-skanningarna kommer deltagarna att matas och få återgå till att stå i en kontrollerad miljö. De kommer sedan att genomgå övervakad rehabilitering i University of Nottingham gym, som består av 6 set med 8 repetitioner (vid 75 % av max) av enbens knäförlängningssammandragningar på ett slumpmässigt tilldelat ben, eftersom detta har visat sig ge en anabol stimulans (4), och sedan få återvända hem. Rehabiliteringssessionerna tar cirka 30 minuter. De kommer att återvända dagarna 6 och 7 av den icke-sängvila perioden för att genomgå ytterligare övervakade rehabiliteringssessioner enligt ovan. Standardiserat kostintag kommer att bibehållas under hela fasen efter sänggåendet. Kl. 08.00 på morgonen dag 8 kommer de att delta i laboratoriet för att genomgå ett sista "klämbesök" som består av samma procedurer som beskrivs ovan, med följande modifiering; en Bergström muskelbiopsi kommer att utföras på benet som genomgick rehabiliteringsträning före och efter euglykemisk hyperinsulinemisk klämma. En Bard-mikronålsbiopsi kommer att utföras på det kontralaterala benet endast före 3 timmars klämman, för att jämföra muskelproteinsyntes mellan benen. Slutligen, dag 9 kommer MRS- och MRI-skanningarna att utföras på samma sätt som beskrivits ovan. När den sista MRS-skanningen har utförts kommer det att vara slutet på studieprotokollet.