Διερεύνηση των παθοφυσιολογικών μηχανισμών της ευεργετικής δράσης του ηλεκτρομυϊκού ερεθισμού σε ασθενείς της ΜΕΘ

Abstract

Introduction and aim. Electrical muscle stimulation (EMS) appears to exert a broad range of beneficial effects to ICU patients, such as, in prevention of ICU- acquired weakness (ICUAW). Since EMS is an alternative method of exercise, and like exercise did demonstrate systematic effects in a number of studies, we hypothesized that EMS induces mobilization of endothelial progenitor cells (EPCs), as exercise does. These are premature cell types reciting in the bone marrow, with abundant potential to expand. EPCs, through the systemic circulation, home to tissues in which the endothelium is insulted by the critical illness, where they are considered to exert a healing effect through reproduction and or paracrine action. This EMS -induced acute EPC mobilization was the primary endpoint, one not previously studied. We further investigated whether (a) choosing between two alternative current protocols of EMS, (b) steroid administration, which are bone marrow suppressing agents, (c) disease severity, or (d) the EMS-induced contraction strength, has a differential effect on EPC mobilization. Finally, in this study of the EMS physiology and regeneration potential, we aimed to thoroughly follow all parameters that relate to its safety and applicability in ICU, about which the evidence in literature is very limited.Methods. Thirty- two mechanically ventilated ICU patients 58 ± 14 year old were randomized to one of two current protocols and submitted to a single 30-minute EMS cession. Those protocols were, a high –frequency (75 Hz, 6s on – 21s off) or a medium -frequency (45 Hz, 5s on – 12s off), either applied in maximal tolerated intensity. Blood sampling took place just before and immediately after, and, in eighteen of these same patients, an additional (third) sampling took place one hour after the session. In each sample, three different EPC enumerations took place by flow cytometry, according to a different combination of surface bio-indices, i.e., CD34 /CD133 /CD45-, CD34 /CD133 /CD45- /VEGFR2, and CD34 /CD45- /VEGFR2. Vital signs, biochemical indices of safety and blood gasses were compared before and just after the session. In addition, based on the SOFA severity index on the session day, we defined two groups, one of high severity patients (HS) if SOFA> 6 vs. a low severity patients (LS). SOFA severity score was followed the subsequent four days. During the session, we carefully observed for and documented any possible side effect, unsuccessful application (lack of visible contractions) or need to postpone the session for any reason. All values are expressed as, mean ± SD. Comparisons for normally distributed variants were made by t-test or ANOVA (with Bonferroni correction if multiple comparisons are made) if more than two are compared. For non- normally distributed variants we applied Wilcoxon’s test (for paired subjects) or Mann- Whitney U test (for independent subjects) to compare means. Subgroup changes were compared by using ANOVA 2x2.Results (EPCs are expressed as, EPCs/ 106 enucleated cells). Overall, CD34 /CD133 /CD45- EPCs increased from 13.5 ± 10.3 to 20.8 ± 16.9 and CD34 /CD133 /CD45-/VEGFR2 EPCs from 3.8 ± 5.2 to 6.4 ± 8.5 cells / 106 enucleated cells (mean ± SD, p <0.05). CD34 /CD45- /VEGFR2 EPCs also increased from 16.5 ± 14.5 to 23.8 ± 19.2 cells / 106 enucleated cells (p <0.05). EPCs mobilization was not affected by EMS protocol or severity (p>0.05), while it was repressed by corticosteroid administration (p <0.05). EPC Mobilization was still present one hour after the session; yet their further increase at +1hour did not reach statistical significance, as compared with their levels immediately after the session. We observed no relationship between the baseline EPCs (the numbers before the session) or the EPC change and either the SOFA score, dSOFA (which is, the difference between the SOFA score on session day and that of each of the subsequent four days) or other parameters examined, like gender or the CRP (of the session day). In the group of the patients that had not been on steroids, contraction strength had a trend to correlate with the mobilization of one EPC type/ definition. No hemodynamic derangement or remarkable side effect occurred, no sessions were postponed, and muscle contractions were observed in 95% of the sessions. Cardiac indices and blood gasses did not change. We observed a minimal transient (lasting less than 24 hours) CK elevation (a muscle injury index), lactate elevation (lasting less than 30 minutes), and elevation of CRP and LDH.Conclusion. EMS acutely mobilized EPCs, factors of endothelial healing and regeneration, in septic ICU patients that had not been on steroids, with no advantage of one over the other protocol examined, and with no effect of disease or sepsis severity on this mobilization effect; yet muscle contraction could possibly be related to the effect. EMS changes body physiology and biochemistry to the same direction like exercise, and has a very good safety and applicability profile in ICU.

Εισαγωγή και σκοπός. Διάφορα στοιχεία συνηγορούν πως ο ΗΜΕ πιθανότατα ασκεί ένα φάσμα ευεργετικών επιδράσεων σε ασθενείς της ΜΕΘ, όπως για την πρόληψη της ICUAW. Εφόσον αποτελεί εναλλακτική μορφή άσκησης, για τον οποίο δε έχουν σε μερικές μελέτες δειχθεί συστηματικές επιδράσεις, υποθέσαμε πως και αυτός, ως ισχύει και με την άσκηση, κινητοποιεί ενδοθηλιακά προγονικά κύτταρα (ΕΠΚ). Πρόκειται για πρόωρες μορφές κυττάρων ευρισκόμενων στο μυελό των οστών, με μεγάλη πολλαπλασιαστική δυνατότητα, που δια της κυκλοφορίας εγκαθίστανται σε προσβεβλημένο ενδοθήλιο, όπου θεωρείται πως ασκούν αναγεννητική και επουλωτική δράση. Έτσι, η οξεία επίδραση του ΗΜΕ στην κινητοποίηση ΕΠΚ αποτέλεσε την κύρια τελική παράμετρο της παρούσας εργασίας, κάτι που δεν είχε προηγουμένως διερευνηθεί. Παράλληλα εξετάσαμε αν το φαινόμενο της κινητοποίησης επηρεάζεται από το εφαρμοσθέν πρωτόκολλο ρεύματος συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μεταξύ δύο διαφορετικών πρωτοκόλλων, από την χορήγηση κορτικοστεροειδών καθότι αυτά είναι μυελοκατασταλτικά, τη βαρύτητα της νόσου ή τη δύναμη σύσπασης. Τέλος, σε αυτή τη μελέτη της φυσιολογίας και αναγεννητικού δυναμικού του ΗΜΕ, παρακολουθήσαμε παραμέτρους που σχετίζονται με την ασφάλεια καθώς και την εφαρμοσιμότητα του στην ΜΕΘ, για τις οποίες τα βιβλιογραφικά δεδομένα είναι περιορισμένα.Μεθοδολογία. 32 σηπτικοί μηχανικώς αεριζόμενοι ασθενείς ηλικίας 58 ± 14 ετών κατόπιν ενεργού τυχαιοποίησης υποβλήθηκαν σε ένα από δυο πρωτόκολλα μιας συνεδρίας ΗΜΕ διάρκειας 30’: υψηλής συχνότητας (75 Hz, 6s on – 21s off) ή μέσης συχνότητας (45 Hz, 5s on – 12s off), σε μέγιστη ανεκτή ένταση. Πραγματοποιήθηκε αιμοληψία προ, αμέσως μετά και, σε 18 εξ αυτών, 1 ώρα μετά τη συνεδρία, και προσδιορίστηκαν με κυτταρομετρία ροής 3 διαφορετικοί τύποι ΕΠΚ, βάση των συνδυασμών βιοδεικτών, CD34 /CD133 /CD45-, CD34 /CD133 /CD45-/VEGFR2, και CD34 /CD45- /VEGFR2. Έγιναν δε μετρήσεις και συγκρίσεις ζωτικών σημείων, αεριομετρικές και βιοχημικές προ και αμέσως μετά τη συνεδρία, και βάση αυτών αναζητήθηκαν επιμέρους συσχετίσεις. Επίσης, βάση του δείκτη βαρύτητας SOFA τη μέρα της συνεδρίας, διακρίναμε τους ασθενείς σε υψηλής βαρύτητας (ΥΒ) αν > 6 vs. χαμηλής βαρύτητας (ΧΒ). Ο δείκτης παρακολουθήθηκε τις μετέπειτα 4 μέρες. Καθ’όλη τη διαδικασία έγινε επιστάμενη παρατήρηση και καταγραφή των τυχών παρενεργειών, της όποιας ανεπιτυχούς εφαρμογής (απουσίας συσπάσεων) ή της ανάγκης αναστολής της συνεδρίας οποιασδήποτε αιτιολογίας. Στατιστικώς, όλες οι τιμές εκφράζονται ως μέση ± SD. Οι συγκρίσεις για κανονικές μεταβλητές έγιναν με t-test, ή ANOVA (με διόρθωση Bonferroni επί πολλαπλών συγκρίσεων) για σύγκριση > από 2 μέσων τιμών. Για μη κανονικές μεταβλητές, εφαρμόστηκε δοκιμασία Wilcoxon’s (για σύγκριση κατά ζεύγη) ή Mann- Whitney U test (σε ανεξάρτητα δείγματα). Η σύγκριση μεταβολών ομάδων έγινε με ANOVA 2X2. Αποτελέσματα (τα ΕΠΚ εκφράζονται ανά εκατομμύριο εμπυρήνων). Στο σύνολο, τα CD34 /CD133 /CD45- αυξήθηκαν από 13.5 ± 10.3 σε 20.8 ± 16.9, τα CD34 /CD133 /CD45-/VEGFR2 από 3.8 ± 5.2 σε 6.4 ± 8.5 και τα CD34 /CD45- /VEGFR2 από 16.5 ± 14.5 σε 23.8 ± 19.2 κύτταρα / 106 εμπύρηνα (p <0.05). Η κινητοποίηση των ΕΠΚ και με τους 3 ορισμούς αυτών ήταν παρόμοια στα δυο πρωτόκολλα, καθώς και μεταξύ των ομάδων διαφορετικής βαρύτητας νόσου (p >0.05), εντούτοις αναχαιτίστηκε από την χορήγηση κορτικοστεροειδών (p <0.05). Στη +1 ώρα διατηρήθηκε η κινητοποίηση των ΕΠΚ, μια δε πιθανή υπεροχή του αριθμού τους σε σχέση με τη χρονική στιγμή αμέσως μετά τη συνεδρία δεν έφτασε στατιστική σημαντικότητα. Απουσίαζε συσχέτιση μεταξύ της βασικής τιμής ή της μεταβολής των ΕΠΚ και του SOFA score, του dSOFA (δηλαδή της διαφοράς μεταξύ SOFA μέρας συνεδρίας και έκαστης από τις επόμενες 4 μέρες), του φύλου ή της CRP της μέρας συνεδρίας. Στην ομάδα που δεν λάμβαναν κορτικοστεροειδή, η ισχύς σύσπασης έδειξε οριακή τάση συσχέτισης με το βαθμό κινητοποίησης ενός μόνο τύπου ΕΠΚ. Δεν υπήρξε αιμοδυναμική απορρύθμιση ή αξιόλογη παρενέργεια, δεν ακυρώθηκαν συνεδρίες, και εκδηλώθηκαν μυϊκές συσπάσεις στο 95% των συνεδριών. Οι καρδιακοί και αεριομετρικοί δείκτες δεν μεταβλήθηκαν. Υπήρξε ελάχιστη παροδική αύξηση των CK (για <24 ώρες) (δείκτης μυϊκής κάκωσης), γαλακτικού (για 30 λεπτά), CRP και LDH.Συμπέρασμα. Ο ΗΜΕ κινητοποίησε οξέως ΕΠΚ, παράγοντες ενδοθηλιακής ανάπλασης, σε σηπτικούς ασθενείς της ΜΕΘ που δεν λάμβαναν κορτικοστεροειδή, χωρίς πλεονέκτημα του ενός έναντι του άλλου πρωτοκόλλου και χωρίς να επιδρά στην κινητοποίηση αυτή η βαρύτητα της νόσου ή σήψης, πιθανό όμως να επιδρά θετικά η ισχύς σύσπασης. Ο ΗΜΕ μεταβάλλει τη φυσιολογία και βιοχημεία του οργανισμού κατά παρόμοιο τρόπο όπως και η άσκηση, και έχει πολύ μεγάλη ασφάλεια και εφαρμοσιμότητα στην ΜΕΘ.