OXYGENATIE EN SPIERVERMOEIDHEID IN DE VOORARMSPIEREN BIJ PATIËNTEN MET DE MCARDLE ZIEKTE TIJDENS EEN HANDKNIJPTEST

Transcriptie

1 Faculteit Geneeskunde en Gezondheidswetenschappen Opleiding Lichamelijke Opvoeding en Bewegingswetenschappen Academiejaar OXYGENATIE EN SPIERVERMOEIDHEID IN DE VOORARMSPIEREN BIJ PATIËNTEN MET DE MCARDLE ZIEKTE TIJDENS EEN HANDKNIJPTEST Masterproef voorgelegd tot het behalen van de graad van Master in de Lichamelijke Opvoeding en de Bewegingswetenschappen. Door: Bex Tine en Blancquaert Laura Promotor: prof. dr. J. Bourgois Copromotor en begeleider: dr. J. Boone en drs. B. Celie

2 II

3 VOORWOORD Bij het kiezen van een thesisonderwerp kwamen we door onze gezamenlijke interesse voor de wetenschap terecht bij het vakgebied inspanningsfysiologie. Na een korte kennismaking met enkele mogelijke thesistitels bleek het aspect pathologieën ons te boeien. Het schrijven van een voortgangsrapport in 3 e bachelor diende als voorbereiding op de masterproef en liet ons voor de eerste maal in de literatuur duiken. De eerste zoektocht doorheen de literatuur leverde ons enkele wetenschappelijke artikels op, die later de leidraad zouden vormen bij onze masterproef. De samenwerking tijdens het schrijven van het voortgangsrapport verliep steeds vlot en de interesse voor het onderwerp groeide bij ons beiden. Bij de start van het nieuwe academiejaar deden er zich enkele problemen voor omtrent ons onderwerp. Omdat we met 2 koppels geïnteresseerd waren in dezelfde thesistitel, werd deze opgedeeld in 2 delen, namelijk een fietsprotocol en een handknijpprotocol. Daar het fietsprotocol niet door het Ethisch Comité werd goedgekeurd, werd er op zoek gegaan naar een alternatief. Na wikken en wegen werd er voor gekozen om, naast mitochondriale myopathie, ook een andere aandoening te onderzoeken, namelijk de ziekte van McArdle. Aangezien geen van beide koppels een voorkeur had, besliste een grassprietje over ons lot: het werd de ziekte van McArdle. De weg naar het eindresultaat was een leerrijk proces vol ervaringen. Niet alleen hebben we uren vertoefd in het inspanningslabo en een patiënt bezocht in Brussel, maar ook snuisteren in de literatuur, gematchte controlepersonen zoeken, data analyseren, grafieken maken en vurig discussiëren vroegen veel van onze tijd. Maar al dit zwoegen heeft geleid tot een eindresultaat waar we fier op zijn. Dit proces was echter onmogelijk zonder de hulp van enkele personen. In de eerste plaats willen we graag alle proefpersonen bedanken. Zonder hun medewerking was het uitvoeren van deze studie niet mogelijk geweest. Ook onze mama s en vriendjes hebben met veel enthousiasme deelgenomen aan deze studie en waren doorheen dit proces onze grote steun en toeverlaat. Daarnaast willen we ook prof. dr. J. Bourgois en dr. J. Boone bedanken voor het ondersteunen van onze masterproef en prof. dr. R. Van Coster en prof. dr. J. De Bleecker van UZ Gent voor hun medewerking aan dit onderzoek. III

4 Last but not least willen we ook onze begeleider, Bert Celie, graag uitvoerig bedanken. Ondanks de vele zoektochten wanneer Bert weer eens niet te bespeuren was op zijn bureau, het misverstand over de locatie van de tests (UZ of HILO?) en de vele flauwe mopjes tussendoor, was hij toch onze rots in de branding. Zonder zijn goede begeleiding en zijn kritische kijk waren we nooit tot dit mooie resultaat gekomen. Als we terugblikken op het voorbije schooljaar hebben we vastgesteld dat onze goede en eerlijke samenwerking een constante vormde tijdens de realisatie van dit proces, waardoor we elkaar met fierheid volwaardige thesispartners kunnen noemen. IV

5 SAMENVATTING Doelstelling: De ziekte van McArdle situeert zich binnen de groep van metabole myopathieën en brengt als voornaamste symptoom inspanningsintolerantie met zich mee. Aan de basis van de ziekte ligt een deficiëntie aan het gen dat codeert voor het enzym myofosforylase. Tot op heden is er geen non-invasieve techniek beschikbaar om deze zeldzame ziekte te screenen. In de eerste plaats was het doel van deze studie nagaan of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) een betrouwbaar meetinstrument is om deoxygenatie in de voorarm te meten tijdens een ritmisch dynamische handknijpinspanning. Het tweede doel van deze studie was onderzoeken of de ziekte van McArdle non-invasief gescreend kan worden met behulp van NIRS. Dit door een veranderd deoxy[hb+mb]-patroon, gemeten door NIRS, vast te stellen tussen patiënten en controlepersonen tijdens de ritmisch dynamische handknijpinspanning. Onderzoeksmethode: Om de betrouwbaarheid van NIRS na te gaan, voerden 20 gezonde proefpersonen de ritmisch dynamische handknijptest met toenemende intensiteit tweemaal uit en dit tot vrijwillige uitputting. 6 patiënten en 15 gematchte controlepersonen participeerden aan de vergelijkende studie waarbij dezelfde ritmisch dynamische handknijptest werd toegepast. Tijdens deze test werd de deoxygenatie, vastgesteld door (deoxy[hb+mb]), gemeten door NIRS. De maximale deoxy[hb+mb]-waarden werden relatief uitgedrukt ten opzichte van de grootte van de occlusie amplitude om vergelijken tussen individuen mogelijk te maken. In de vergelijkende studie werd tevens een bloedstaal afgenomen voor en na de test om bloedlactaatconcentraties na te gaan. Resultaten: Voor 50% MVC (maximale willekeurige contractiekracht), 60% MVC en de maximale deoxy[hb+mb]-waarden werden significant betrouwbare resultaten gevonden. Voor 20% MVC en 40% MVC werd een trend tot significante betrouwbaarheid gevonden. Wat betreft de vergelijkende studie bleken er geen significante verschillen te zijn tussen patiënten en controlepersonen en dit zowel voor de submaximale als maximale deoxy[hb+mb]-waarden. In beide groepen werd een significante stijging van bloedlactaatconcentraties vastgesteld na de test. Conclusie: Uit de test-retest resultaten volgt dat NIRS een betrouwbaar meetinstrument is op de voorarm tijdens het toegepaste protocol. Uit de vergelijkende studie kan besloten worden dat er geen veranderd patroon van O 2 -extractie door de voorarmspieren tijdens inspanning, vastgesteld door (deoxy[hb+mb)]) met behulp van NIRS, gevonden wordt. Hierdoor kan deze techniek onmogelijk gebruikt worden om de ziekte van McArdle te screenen. V

6 INHOUDSTABEL VOORWOORD... III SAMENVATTING... V INHOUDSTABEL... VI 1. LITERATUURSTUDIE Situering Energievoorziening en levering in de skeletspier Anaeroob Aeroob Ziekte van McArdle Definiëring en symptomatologie Onderliggende mechanismen Diagnose Behandeling Perifere oxygenatie Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Perifere oxygenatie met gebruik van NIRS McArdle s respons op diverse inspanningstests Hypothese en onderzoeksvraag METHODIEK Test-retest betrouwbaarheid Proefpersonen Studiedesign Vergelijkende studie Proefpersonen Studiedesign Meetinstrumenten Analyses Data-analyse Statistische analyse VI

7 3. RESULTATEN Test-retest betrouwbaarheid Maximale willekeurige contractiekracht Amplitude van de occlusies Percentuele deoxy[hb+mb]-waarden bij submaximale en maximale intensiteiten Vergelijkende studie Gematchte controlepersonen MVC en maximaal bereikte intensiteit Amplitude van de occlusies Percentuele deoxy[hb+mb]-waarden bij submaximale en maximale intensiteiten Bloedlactaatconcentraties DISCUSSIE Test-retest betrouwbaarheid Vergelijkende studie Submaximale en maximale percentuele deoxy[hb+mb]-waarden Bloedlactaatconcentraties Conclusie BIBLIOGRAFIE BIJLAGEN Informatiebrief voor deelnemers Toestemmingsformulier VII

8 Literatuurstudie 1. LITERATUURSTUDIE 1.1 Situering Metabole myopathieën zijn een groep van erfelijke aandoeningen gekarakteriseerd door een verminderde energieproductie in de skeletspier. Ze zijn het gevolg van een defect aan het glycogeen- of vetmetabolisme. Deze groep van aandoeningen varieert van episodische spierdysfuncties tot geïsoleerde, trage en progressieve vormen en zelfs tot multisystemische, snelle en fatale ziektes (Angelini en Semplicini, 2010). De zeldzame ziekte van McArdle situeert zich binnen de eerste categorie en wordt veroorzaakt door deficiëntie van het enzym myofosforylase. Dit enzym initieert de afbraak van glycogeen in de skeletspier en het gen dat hiervoor verantwoordelijk is, kan door verschillende mutaties aangetast worden (Gordon, 2003). Ten gevolge van dit genetisch defect is er een significante daling van het oxidatief metabolisme (Grassi et al., 2007). De ziekte werd voor het eerst gerapporteerd in 1951 door Brian McArdle. Sindsdien wordt er steeds meer onderzoek gevoerd om onderliggende mechanismen van de aandoening vast te stellen en te verklaren (DiMauro et al., 2002). De mogelijke incidentie van het syndroom is moeilijk te achterhalen, maar kan in bepaalde gebieden ongeveer 1 op bedragen. Mannen worden in het algemeen vaker getroffen dan vrouwen (El-Schahawi et al., 1996). De voornaamste symptomen zijn snelle vermoeidheid en verlaagde inspanningstolerantie (Burra et al., 2008). Deze symptomen verdwijnen wanneer de inspanning gestopt wordt. Het syndroom komt meestal tot uiting tijdens de eerste twintig à dertig levensjaren, maar kan zich ook manifesteren op latere leeftijd. Indien het zich voordoet in de kindertijd wordt het gekenmerkt door progressieve zwakheid en vroege dood als gevolg (Gordon, 2003). Vroege diagnose speelt hierbij een belangrijke rol om zo de levenskwaliteit op peil te houden. 1

9 Literatuurstudie 1.2 Energievoorziening en levering in de skeletspier De energievoorziening in de spier gebeurt hoofdzakelijk op basis van vier belangrijke substraten, namelijk fosfocreatine, glycogeen, glucose en vrije vetzuren. De productie van ATP wordt uit deze substraten gegenereerd op basis van twee manieren: aeroob en anaeroob (Burra et al., 2008) Anaeroob In het anaerobe luik gebeurt de energielevering onafhankelijk van zuurstof en wordt deze verkregen uit het fosfageen en glycolytisch systeem. Deze energiewegen spelen voornamelijk een rol bij korte, intensieve inspanningen en bij aanvang van duurinspanningen, daar het aeroob systeem nog niet optimaal werkzaam is. In het fosfageen systeem wordt energie geproduceerd door de reactie van adenosinedifosfaat (ADP), fosfocreatine (PCr) en een H + -molecule met vorming van een ATP-molecule en een vrij creatine-molecule. Deze reactie gaat door in het cytoplasma en wordt gekatalyseerd door het enzyme creatinekinase (CK). Fosfocreatine zorgt hierbij voor een efficiënt transport van energierijke fosfaten tussen de mitochondriën en het cytoplasma van de spiercel (creatine shuttle). Deze vorm van energielevering kent weinig tussenstadia en is hierdoor onmiddellijk beschikbaar. Dit systeem heeft een groot vermogen, maar de capaciteit is beperkt. Het glycolytisch systeem werkt op basis van glucose dat afkomstig is van koolhydraten uit de voeding. Glucose is aanwezig in het bloed en wordt daarenboven opgeslagen in de lever en de spieren onder de vorm van glycogeen. Glycogeen is een polymeer van glucose en dient als reservevoorraad die kan aangesproken worden indien het glucosegehalte in het bloed te laag wordt. In het spierweefsel kan glycogeen met behulp van het enzym myofosforylase omgezet worden tot een derivaat van glucose, namelijk glucose-1-fosfaat. Deze omzetting wordt glycogenolyse genoemd. Glucose-1-fosfaat kan op zijn beurt afgebroken worden tot pyruvaat met een nettowinst van 3 ATP-moleculen. Glucose, rechtstreeks uit het bloed of afkomstig van leverglycogeen, kan tevens afgebroken worden tot pyruvaat, wat slechts 2 ATPmoleculen oplevert. Dit proces is de glycolyse en doet zich voor in het cytoplasma. Pyruvaat kan zowel aeroob als anaeroob verwerkt worden (Tarnopolsky, 2004). Langs de anaerobe weg wordt het verder afgebroken tot melkzuur, wat op zijn beurt dissocieert tot lactaat en H + (fig. 1). 2

10 Literatuurstudie Aeroob Het aeroob of oxidatief metabolisme is de dominante energiebron voor de skeletspier, waarbij koolhydraten en vetten worden afgebroken met behulp van zuurstof. Dit systeem komt traag op gang. De aerobe afbraak van koolhydraten bereikt zijn maximale capaciteit na 10 minuten, de beta-oxidatie van vetten na 30 minuten. Inspanningen van lange duur worden dus via dit metabolisme voorzien van energie (Tarnopolsky, 2006). De beste indicator van het maximaal vermogen van het aerobe energiesysteem is de maximale zuurstofopname (VO 2 max). Dit is de grootste hoeveelheid zuurstof die per tijdseenheid kan opgenomen (en verbruikt) worden. VO 2 max wordt bepaald door 3 verschillende systemen, namelijk op centraal niveau door het pulmonair en cardiovasculair systeem en op perifeer niveau door de skeletspier (Bassett en Howley, 2000). De mitochondriën in de skeletspieren verbruiken O 2 bij contracties. Hierdoor verlaagt de intracellulaire PO 2 waardoor diffusie van zuurstof uit het bloed kan plaatsvinden en het arterio-veneus O 2 verschil toeneemt. Het perifere niveau speelt een determinerende rol bij patiënten met de ziekte van McArdle (Grassi et al., 2007). Het eerste deel van de aerobe afbraak van koolhydraten is gelijklopend met de anaerobe glycolyse. Pyruvaat wordt echter niet omgezet tot melkzuur, maar diffundeert in de mitochondriën. Daar wordt het gedehydrolyseerd wat resulteert in de vorming van acetylcoenzyme A (acetyl-coa). Dit substraat komt terecht in de citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus (fig. 1). De snelheid van de Krebs-cyclus wordt bepaald door twee factoren: enerzijds de hoeveelheid instroom van acetyl-coa, anderzijds de concentratie van de intermediairen. Uit de citroenzuurcyclus worden twee nucleotiden gevormd, zijnde nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) en flavine adenine dinucleotide (FADH 2 ). Beide nucleotiden zijn belangrijk bij aanvang van het elektronen transportsysteem. Dit proces is zuurstofafhankelijk en zorgt voor de productie van ATP (Burra et al., 2008). Via deze weg levert de afbraak van één molecule glucose 38 ATP-moleculen op wat beduidend meer is dan de ATP-productie langs anaerobe weg. De capaciteit van de glycolyse is afhankelijk van de hoeveelheid bloedglucose en glycogeen die beschikbaar zijn. Ten slotte ligt een grote hoeveelheid energie opgeslagen onder de vorm van triglyceriden in de adipocyten. Deze triglyceriden kunnen met behulp van het enzym lipase gehydrolyseerd worden tot glycerol en 3 vrije vetzuren (lipolyse). De vrije vetzuren kunnen via het bloed getransporteerd worden naar de actieve spieren waarna ze plasmavetzuren worden genoemd. Daarnaast zijn er ook triglyceriden opgeslagen in de spier onder de vorm van druppels. Er zijn dus twee vormen van vet die tijdens inspanning geoxideerd kunnen worden: plasmavetzuren 3

11 Literatuurstudie en intramusculaire triglyceriden (Coyle, 1995). In de mitochondriën worden de vetzuren via beta-oxidatie omgezet in acetyl-coa, wat op zijn beurt terecht komt in de Krebs-cyclus (fig. 1). Het metabolisme van vrije vetzuren levert 138 mol ATP op per mol vrije vetzuren. De verbranding van vetten is onbeperkt in capaciteit, maar is wel afhankelijk van een minimale graad van activiteit van het glucosemetabolisme. Vrije vetzuren worden dus verbrand in een vuurtje van koolhydraten (Orngreen et al., 2009). Afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid glucose worden vetzuren in meer of mindere mate aangesproken (Kelley et al., 1993) Fig. 1: overzicht van het aeroob energiemetabolisme in de spier (Burra et al., 2008) Bij patiënten met de ziekte van McArdle is de energielevering verstoord ter hoogte van het glycolytisch systeem, meer bepaald ter hoogte van de glycogenolyse. Hierdoor is zowel de anaerobe als de aerobe energielevering tijdens inspanning gelimiteerd. 4

12 Literatuurstudie 1.3 Ziekte van McArdle De ziekte van McArdle behoort tot de groep van metabole myopathieën. Deze groep van aandoeningen wordt gekarakteriseerd door storingen aan het glycogeen- of vetmetabolisme, of storingen ter hoogte van de mitochondriale functie. De storingen zijn te wijten aan genmutaties die leiden tot defecten aan de grote metabole wegen van energievoorziening aan de skeletspier (Angelini en Semplicini, 2010) Definiëring en symptomatologie De ziekte van McArdle, ook wel glycogenose type V genoemd, situeert zich binnen de stoornissen aan het glycogeen metabolisme, meer bepaald ter hoogte van de glycogenolyse (fig. 2). Het is een zeldzame autosomale recessieve ziekte wat betekent dat beide ouders drager zijn van een mutatie in hetzelfde gen gelegen op een niet-geslachtsgebonden chromosoom. De ziekte wordt veroorzaakt door een genetische deficiëntie van het enzym myofosforylase (Gordon, 2003). Dit enzym initieert de afbraak van glycogeen (glycogenolyse) in de skeletspier. Ten gevolge van deze deficiëntie kan spierglycogeen niet aangesproken worden en zijn patiënten aangewezen op de aanvoer van externe substraten, voornamelijk glucose en vrije vetzuren (Dorin et al., 1996). Spierglycogeen is echter de belangrijkste energiebron bij het begin van een inspanning en bij inspanningen aan hoge intensiteit (Vissing et al., 2003; Vorgerd et al., 2010). Fig. 2: Schema van glycogeen metabolisme en glycolyse. Romeinse cijfers refereren naar spierglycogenoses. Type V: myofosforylase deficiëntie (DiMauro en Bruno, 1998). Naast fosforylase in de spier, bestaan er nog twee andere isoformen van dit enzym, namelijk één in de lever en één in hersenen/hart (Pari et al., 1999). De isoform van fosforylase in de lever is niet defect waardoor leverglycogeen wel op normale wijze afgebroken kan worden. 5

13 Literatuurstudie Hetzelfde geldt voor glucose uit het bloed (DiMauro et al., 2002). In tegenstelling tot de skeletspier heeft de hartspier minstens 50% residuele fosforylase activiteit te wijten aan de aanwezigheid van de isoform van dit enzym in de hersenen (Tsujino et al., 2000). Dit volstaat om het normale niveau van de glycolyse te onderhouden. Zodoende rapporteren patiënten met de ziekte van McArdle geen verhoogde incidentie van hartproblemen ten opzichte van gezonde individuen (Orngreen et al., 2009). De aandoening is heterogeen van aard en kan zich op verschillende manieren uiten. Sommige vormen kunnen fataal zijn, terwijl andere minimale en milde symptomen met zich meebrengen. Diagnose wordt bemoeilijkt omwille van het feit dat ook andere aandoeningen geassocieerd kunnen worden met deze symptomen (Gordon, 2003; Burra et al., 2008). De belangrijkste symptomen van de ziekte van McArdle zijn inspanningsintolerantie te wijten aan spierpijn (myalgia) en krampen, stijfheid kort na de inspanning geassocieerd met rhabdomyolyse, snelle spiervermoeidheid en myoglobinurie (Gordon, 2003). Krampen gaan vaak gepaard met lokale zwellingen van de gebruikte spieren en kunnen de spieren aantasten wat resulteert in een verhoogd creatinekinase niveau (Kazemi-Esfarjani et al., 2002). Rhabdomyolyse houdt in dat dwarsgestreept spierweefsel wordt beschadigd waardoor spiereiwitten zoals myoglobine vrijkomen en in de urine terechtkomen. Hierdoor ontstaat donkere urine of myoglobinurie. Rhabdomyolyse en myoglobinurie komt voor bij 50% van de patiënten en kan leiden tot nierfalen (Burra et al., 2008). Een kleine hoeveelheid van de patiënten (± 25%) ontwikkelt een progressieve zwakheid van de proximale spieren, voornamelijk aan de bovenste ledematen (Angelini en Semplicini, 2010; Nadaj-Pakleza et al., 2009). De symptomen worden meestal waargenomen tijdens isometrische inspanningen daar de energie voornamelijk afkomstig is van de anaerobe glycolyse, en tijdens intense aerobe inspanningen waarbij glycogeen het belangrijkste substraat voor de aerobe glycolyse is (DiMauro et al., 2002; Arenas et al., 1993) Onderliggende mechanismen Het gen dat codeert voor myofosforylase (PYGM gen) ligt op chromosoom 11 en kan door verschillende mutaties aangetast worden waardoor er geen duidelijke genotype-fenotype correlatie bestaat (DiMauro et al., 2002). Mutaties zijn veranderingen in het erfelijk materiaal (DNA of RNA) van een organisme en leiden bij patiënten met de ziekte van McArdle tot vernieling van de structuur van myofosforylase (Gordon, 2003). R49X is de meest voorkomende mutatie bij patiënten uit Amerika en Noord-Europa, maar wordt minder 6

14 Literatuurstudie gevonden bij andere etnische groepen (Andreu et al., 1998; DiMauro et al., 2002). Zo goed als alle afwijkende genotypen veroorzaken complete enzymdeficiëntie en dus een volledige blokkade van de glycogeenafbraak in de spier, wat zowel de anaerobe als de aerobe inspanningscapaciteit limiteert. Er bestaan ook patiënten waarbij de myofosforylase activiteit slechts gedeeltelijk verstoord is (Orngreen et al., 2009). Het enzymatisch defect veroorzaakt een verminderde werking van het spiermetabolisme. De onmogelijkheid om glycogeen uit de spier te mobiliseren tijdens inspanning brengt een daling van de pyruvaatproductie met zich mee wat een verminderde instroom van acetyl-coa in de Krebs-cyclus veroorzaakt. Hierop volgend wordt ook het elektronentransportsysteem minder aangesproken wat leidt tot een daling in het zuurstofverbruik (Lewis en Haller, 1986). Ten gevolge van de lage productie van pyruvaat is de Krebs-cyclus in staat om deze productie volledig te verwerken. Hierdoor wordt het anaerobe systeem zelden aangesproken en is er weinig tot geen stijging van lactaat in het bloed tijdens inspanning (Löfberg et al., 2000; Hagberg et al., 1989). Ten gevolge van de onmogelijkheid om glycogeen in de spier af te breken en door de lage beschikbaarheid van extramusculaire brandstoffen, is het oxidatief metabolisme sterk beperkt tijdens de eerste minuten van een inspanning. Hierdoor bedraagt de maximale inspanningscapaciteit tijdens de eerste 5 tot 8 minuten slecht één vierde tot één derde van de normale capaciteit. Na deze initiële periode van inspanning gebeurt de energielevering meer en meer door glucose afkomstig van glycogenolyse in de lever en door vetzuuroxidatie (Orngreen et al., 2009). Dit brengt plots een duidelijke verbetering van de oxidatieve inspanningscapaciteit teweeg die resulteert in een proportionele daling in hartfrequentie wat het zogenaamde second wind fenomeen wordt genoemd (fig. 3). Omwille hiervan kan inspanning die voorgaand spiervermoeidheid, tachycardie en dyspnoe veroorzaakte beter getolereerd worden (Haller Fig. 3: Second wind fenomeen bij fietsinspanning aan constant vermogen, weergegeven door de hartfrequentie bij McArdle patiënten ( ) en gezonde controles ( ) (Orngreen et al., 2009). 7

15 Literatuurstudie en Vissing, 2002). Dit second wind fenomeen is pathognomonisch voor de ziekte van McArdle en komt enkel voor bij patiënten met complete deficiëntie van myofosforylase (Orngreen et al., 2009). In de studie van Haller en Vissing (2002) werd gesuggereerd dat verhoogde mobilisatie en opname van glucose afkomstig van de lever kritisch is voor de toename in oxidatieve capaciteit die aan de basis ligt van het second wind fenomeen. Daarnaast kan de geblokkeerde glycogenolyse in de spier echter ook deels gecompenseerd worden door een verbeterde lipolyse en vetoxidatie (Orngreen et al., 2009). Zoals gekend, verklaart het biochemisch gezegde vet brandt in een vuurtje van koolhydraten dat metabole intermediairen van de glycolyse noodzakelijk zijn om de vetoxidatie aan te wakkeren. Deze intermediairen spelen een rol bij aanvang van de citroenzuurcyclus en dienen tijdig aangevuld te worden (anaplerose). Ten gevolge van het gebrek aan anaplerose van deze glycolytische intermediairen kan de vetoxidatie bij patiënten met de ziekte van McArdle niet verder toenemen. Hoe dan ook, de verhoogde mobilisatie van vet uit de adipocyten en glucose uit de lever kan de geblokkeerde glycogenolyse in de spier niet volledig compenseren (Vissing en Haller, 2003). Verder werd er in de studies van Haller en Vissing (2002) en Vissing en Haller (2003) aangetoond dat ook een tweede second wind uitgelokt kan worden bij patiënten met McArdle. Intraveneuze infusie van glucose ligt aan de basis van dit zogenaamde second second wind fenomeen, waardoor een tweede daling van de hartfrequentie plaatsvindt. Deze glucosegeïnduceerde second wind is toe te schrijven aan een verdere stijging in de snelheid van oxidatieve fosforylatie wat gepaard gaat met een toegenomen O 2 -verbruik. Deze stijging is het gevolg van de toename in substraatbeschikbaarheid onder de vorm van glucose. Patiënten met de ziekte van McArdle hebben een verhoogd niveau van het enzym creatinekinase (CK) en een verhoogde ammoniakproductie (NH 3 ) in vergelijking met gezonde individuen. Bij patiënten zijn de twee belangrijkste metabole wegen voor ATP-productie, zijnde oxidatieve fosforylatie (ETS) en anaerobe glycolyse, gelimiteerd door de afwezigheid van glycogenolyse in de spier (Lewis en Haller, 1986). Zodoende worden de creatinekinase en myokinase reacties meer aangesproken in een poging om aan de productie van ATP te voldoen (fig. 4). 8

16 Literatuurstudie Fig. 4: Schematische voorstelling van de 4 grote metabole wegen voor ATP-productie en gebruik van ADP en anorganische fosfaat (P i ) bij werkende spieren. Stippellijnen geven de gelimiteerde metabole wegen bij patiënten weer (Lewis et al., 1986). De creatinekinase reactie (creatinefosfaat systeem) houdt in dat ATP gevormd wordt op basis van PCr, ADP en H + (ATP + Cr ADP + PCr + H + ). De snelle depletie van fosfocreatine en de accumulatie van P i in de werkende spieren bij patiënten vormen het bewijs voor de verhoogde creatinekinase reactie (Lewis et al., 1985). Bij de myokinase reactie worden twee moleculen ADP omgezet tot één molecule ATP en één molecule AMP (ADP + ADP ATP + AMP). Deze reactie is gekoppeld aan de myoadenylaat deaminase reactie waarbij AMP wordt omgezet tot IMP en ammoniak (AMP IMP + NH 3 ). De verhoogde ammoniakproductie bij patiënten wordt deels verklaard door deze verhoogde deaminase reactie, maar kan ook afkomstig zijn van de deaminatie van aminozuren. Aangezien pyruvaatproductie bij patiënten met de ziekte van McArdle laag is, spelen aminozuren een belangrijke rol bij de activatie van de Krebs-cyclus. Dit enerzijds door productie van het intermediair α-ketoglutaraat en anderzijds door versnelling van de flow van de Krebs-cyclus via omzetting van aminozuren zoals alanine tot pyruvaat (Orngreen et al., 2009). H + is, naast P i en ADP, een hydrolyseproduct van ATP. In gezonde spieren accumuleert H + ten gevolge van de productie van melkzuur, aangezien melkzuur dissocieert tot lactaat en H +. Deze H + -accumulatie gaat gepaard met verzuring van de spieren en is bij gezonde individuen één van de mogelijke oorzaken voor het ontstaan van vermoeidheid. Bij patiënten is er echter zo goed als geen melkzuurproductie waardoor er ook geen ph-daling plaats vindt in de spier (Hagberg et al., 1989). Dit mechanisme is dus niet de oorzaak van vermoeidheid bij patiënten met de ziekte van McArdle (Lewis en Haller, 1986). De Na + K + pomp (Na + K + -ATPase) beïnvloedt de membraan exciteerbaarheid en de contractiliteit van de spier tijdens inspanning door actief transport van intracellulair natrium en extracellulair kalium. De intracellulaire K + concentratie is hoger dan deze extracellulair, 9

17 Literatuurstudie waardoor passief transport plaatsvindt van kalium uit de cel. Voor Na + geldt het omgekeerde. De Na + K + pomp is dus noodzakelijk om K + terug in de cel en Na + uit de cel te pompen (Haller et al., 1998). In de studie van Haller et al. (1998) werd aangetoond dat er een lagere concentratie is van Na + K + pompen in de skeletspier bij patiënten met de ziekte van McArdle. De oorzaak hiervan is nog niet gekend. Deze lage concentratie zorgt voor een daling in K + opname door de spier en een opstapeling van extracellulair kalium, wat bijdraagt tot de ontwikkeling van vermoeidheid en een daling in amplitude van de EMG-potentialen (Vorgerd et al., 2000). Deze vermoeidheid is toe te schrijven aan de verminderde exciteerbaarheid van het membraan tijdens hoge activatie van de spier. In de studie van Rae et al. (2010) werd de rekrutering van spiervezels bij patiënten vergeleken met controles. Deze studie toonde aan dat McArdle patiënten meer motorische eenheden rekruteren ten opzichte van gezonde individuen tijdens dynamische inspanning aan eenzelfde absoluut vermogen (fig. 5). Dit suggereert dat de contractiliteit van hun spieren lager is in vergelijking met gezonde personen. Fig. 5: EMG activiteit van de M. quadriceps vastus lateralis bij McArdle patiënten en controles tijdens een fietstest met stijgende intensiteit tot uitputting (Rae et al., 2010). Insuline vervult een belangrijke functie, namelijk opname van glucose in de werkende spiercel door activatie van GLUT4-transporters. De activiteit van insuline daalt bij hoge spierglycogeen concentraties. Patiënten met de ziekte van McArdle hebben chronisch een hoge hoeveelheid glycogeen opgestapeld in de spier en daardoor ook een hoger risico om in de loop der jaren insuline resistentie te ontwikkelen (Nielsen et al., 2002). Variabiliteit in insulinegevoeligheid kan tevens aan de basis liggen van de heterogeniteit van klinische symptomen bij patiënten (Dorin et al., 1996). 10

18 Literatuurstudie Diagnose Diagnose van de ziekte van McArdle is niet voor de hand liggend daar de aandoening met vele andere pathologieën verward kan worden. Met spierpijn als prominent symptoom wordt bij McArdle patiënten vaak een foute diagnose gesteld zoals groeipijnen, reumatische aandoeningen of myositis (Gordon, 2003). Daarnaast worden de symptomen vaak toegewezen aan een slechte fysieke conditie of gebrek aan motivatie (Haller, 2000). Momenteel gebeurt de screening voornamelijk invasief, bijvoorbeeld door metingen van creatinekinase serum en spierbiopsie. Een niet-invasieve techniek die al gebruikt wordt, is de magnetische resonantie spectroscopy (MRS) (Burra et al., 2008). Bij patiënten waarvan vermoed wordt dat ze aan de ziekte van McArdle lijden, kan de bepaling van het creatinekinase serum als initiële test dienen. Wanneer blijkt dat dit niveau tot hoge waarden gestegen is, vormt dit een reden voor verder onderzoek (Gordon, 2003). Spierbiopsie en histochemische analyse van het enzym myofosforylase kan de diagnose bevestigen. Via biopsie kunnen ook subsarcolemmaire glycogeenblaren gedetecteerd worden (fig. 6). Fig. 6: Subsarcolemmaire glycogeenblaren in spierbiopsie bij patiënten met de ziekte van McArdle (Angelini en Semplicini, 2010). Deze blaren zijn een weergave van glycogeen accumulatie in de spier ten gevolge van deficiëntie aan het enzym myofosforylase (Angelini en Semplicini, 2010). Dit is echter een invasieve methode die pijn veroorzaakt en waarbij slechts een beperkte hoeveelheid weefsel wordt afgenomen. Een biopsie kan vermeden worden door gebruik te maken van moleculaire genetische analyse van het PYGM-gen van geïsoleerd DNA uit leukocyten (El-Schahawi et al., 1996). 11

19 Literatuurstudie Daarnaast kan electromyografie (EMG) gebruikt worden om non-specifieke eigenschappen van myopathieën te onthullen. Bij 50% van de patiënten met de ziekte van McArdle is het EMG-signaal in rust abnormaal. In vroege stadia van de ziekte kunnen potentialen met hoge amplitude gevonden worden nog voor spierzwakte en atrofie zich manifesteren. Dit kan verklaard worden door structurele veranderingen van de spiervezels ten gevolge van het ontstaan van subsarcolemmaire vacuoles en/of glycogeenophopingen. In een gevorderd stadium daarentegen kunnen de potentialen een kleinere amplitude hebben en van korte duur zijn (Suzuki et al., 2002). MRS ( 31 P magnetische resonantie spectroscopy) kan, via detectie van signalen van energierijke fosfaatverbindingen, het energiemetabolisme van de spier vaststellen. Evaluatie in rust en tijdens inspanning kan bruikbaar zijn als non-invasieve screeningsmethode voor glycolytische defecten. MRS wordt echter vooral gebruikt als onderzoeksmiddel om veranderingen in ATP, PCr, anorganische fosfaten (P i ) en ph te meten (Burra et al., 2008; Löfberg et al., 2000; Tarnopolsky, 2004). De voorarm ischemische lactaattest wordt traditioneel gebruikt voor het screenen van afwijkingen van het glycogeenmetabolisme (Zaman en De Raedt, 2000; Burra et al., 2008). Hierbij wordt een catheter in de antecubitale ader gebracht waarna een bloedstaal voor aanvang van de inspanning genomen wordt. Vervolgens wordt een bloeddrukmeter rond de bovenarm bevestigd en wordt een inflatie tot 250 mmhg toegepast. De inspanning bestaat uit het openen en sluiten van de vuist gedurende één minuut. Hierna wordt een bloedstaal afgenomen om de hoeveelheid lactaat te meten. Vervolgens wordt de cuff gelost om de bloedcirculatie te herstellen en worden er opnieuw bloedstalen afgenomen na respectievelijk 2 en 3 minuten (Zaman en De Raedt, 2000). Bij gezonde proefpersonen zal het lactaat stijgen van 1,5 mmol/l tot meer dan 2,5 mmol/l zonder stijging in ammoniakconcentratie. Bij patiënten met de ziekte van McArdle doet zich geen stijging in lactaat voor, maar is er wel een verhoogde ammoniakproductie. Het protocol van deze test moet zorgvuldig uitgevoerd worden om foute resultaten te vermijden. De test is bovendien niet zonder complicaties en wordt vaak slecht getolereerd door patiënten die spierpijn en krampen ervaren zowel tijdens als na de test (Gordon, 2003). Omwille van deze reden werd in de studie van Kazemi- Esfarjani (2002) gezocht naar een alternatief diagnostisch protocol dat beter getolereerd wordt dan de traditionele ischemische voorarmtest. Uit deze studie is gebleken dat een aerobe nietischemische voorarmtest dezelfde diagnostiche power kan opleveren zonder krampen, pijn en letsels te veroorzaken (fig. 7) (Kazemi-Esfarjani et al., 2002). 12

20 Literatuurstudie Fig. 7: Lactaatconcentraties voor, tijdens en na de handknijptest bij 7 patiënten met de ziekte van McArdle en 9 controlepersonen. Dit zowel tijdens de traditionele ischemische als de nietischemische voorarmtest (Kazemi- Esfarjani et al., 2002). In de studie van Vissing et al. (2003) wordt gesuggereerd dat een eenvoudige fietstest ook als screeningsmiddel kan dienen. Hierbij moeten de patiënten gedurende 20 minuten aan een constant vermogen fietsen waarbij de hartslag geregistreerd wordt. Diagnose kan gebeuren door vaststelling van het second wind fenomeen op basis van een daling in de hartfrequentie na 8 à 10 minuten inspanning. Daar dit fenomeen 100% gevoelig en specifiek is voor de ziekte van McArdle, wordt dit gebruikt om de ziekte te diagnosticeren. Om de diagnose te verbeteren is een meer kwantitatieve aanpak vereist voor het evalueren van de symptomen van inspanningsintolerantie (Haller, 2000) Behandeling Tot op heden is er nog geen specifieke behandeling voor deze aandoening beschikbaar. Wel werden verschillende strategieën voorgesteld en uitgetest, zoals vormen van medicatie of aanpassingen aan het voedingspatroon, om zo de symptomen van deze zeldzame ziekte te verlichten (Gordon, 2003). De meeste van deze strategieën konden geen significante verbetering aantonen of werden niet getolereerd (Angelini en Semplicini, 2010). Toename van kennis omtrent kinetiek van de energielevering bij de aandoening van McArdle kan onderzoek naar nieuwe behandelingen faciliteren. Eens de diagnose is vastgesteld, zou de ideale behandeling correctie van de enzymdeficiëntie zijn aan de hand van het vervangen van het aangetaste gen. Deze techniek, gentherapie 13

21 Literatuurstudie genaamd, werd al succesvol uitgetest op dieren maar veroorzaakt bij mensen nog bijkomende problemen, waardoor hij tot op heden nog niet gebruikt wordt. De huidige behandelingen zijn dus gericht op het reduceren van symptomen die zich uiten bij McArdle patiënten (Haller, 2000). Toedienen van orale glucose verlicht de symptomen bij de start van een inspanning en intraveneuze glucosetoediening heeft een langdurig voordelig effect op inspanningstolerantie bij deze patiënten (Orngreen et al., 2009). Daarnaast is een koolhydratenrijk dieet van belang om het leverglycogeen op peil te houden en de snelheid van de lever glycogenolyse te ondersteunen (Haller, 2000). In de studie van Nielsen et al. (2002) werd echter vastgesteld dat hoge concentraties van spierglycogeen kunnen leiden tot insulineresistentie. Daarenboven kan ook een hoge concentratie van bloedglucose aanleiding geven tot het ontwikkelen van insulineintolerantie waardoor voorzichtigheid bij behandelingen met glucose noodzakelijk is. Aminozuursupplementatie aan de hand van een proteïnerijk dieet werd toegepast om als alternatieve energiebron voor het glycolytisch metabolisme te dienen. Vertakte aminozuren, leucine, isoleucine en valine zijn de belangrijkste aminozuren die door de skeletspier worden afgebroken. Het geven van een oplossing van deze aminozuren voor inspanning toonde geen toename van energie in de spier (MacLean et al., 1998). Toch kan een proteïnerijk dieet van belang zijn voor herstel na rhabdomyolyse (Gordon, 2003; Haller, 2000). Daarnaast werd een vetzuurrijk dieet uitgetest als alternatieve brandstof. Een verhoogde beschikbaarheid van vrije vetzuren zorgde echter niet voor een toename in prestatie van het metabolisme (Andersen, 2009). Daarentegen werd aangetoond dat een verminderde hoeveelheid vrije vetzuren leidde tot nadelige effecten op de prestatie. Deze bevinding bevestigt het belang van deze metabole weg tijdens inspanning bij patiënten (Angelini en Semplicini, 2010). Verder werd orale creatine supplementatie in zowel hoge als lage dosissen toegepast als behandeling. Creatine is een aminozuur dat gevormd wordt in de lever en getransporteerd wordt naar de spieren. Daar wordt het gefosforyleerd via het enzym creatinekinase waardoor het een belangrijk energiereserve is voor ATP productie (PCr + ADP + H + ATP + Cr). In een eerste studie van Vorgerd et al. (2000) werd aangetoond dat een lage dosis creatine supplementatie (60 mg/kg) de inspanningscapaciteit verhoogt en spierpijn vermindert. De creatineconcentratie verhoogde in het bloed, maar er vond geen significante stijging van PCr in de spier plaats (Vorgerd et al., 2000). Een dagelijkse supplementatie zorgde echter wel voor een verbetering in spierfunctie. Dit is niet toe te schrijven aan het PCr-niveau of de 14

22 Literatuurstudie energiebeschikbaarheid, maar kan het resultaat zijn van de mogelijkheid om de inspanning verder te zetten tot een hoger niveau van energiedepletie (Gordon, 2003; Haller, 2000). In een latere studie van Vorgerd et al. (2002) werd het effect van een hoge dosis creatine supplementatie (150 mg/kg) onderzocht. Hieruit bleek dat een te hoge concentratie geen positief effect teweegbracht en de belangrijkste klinische symptomen van inspanningstolerantie zelfs verergerde (Angelini en Semplicini, 2010). Deze afwezigheid van een positief effect kan te wijten zijn aan het ceiling effect van creatine, wat betekent dat de concentratie van creatine in de spier een plateau kan bereiken en dus niet verder kan stijgen ondanks toegenomen beschikbaarheid (Harris et al., 1992; Persky en Brazeau, 2001). In de studies van Vissing en Haller (2003) en Andersen et al. (2008) werd aangetoond dat het toedienen van orale sucrose kort voor inspanning de inspanningstolerantie langdurig verbetert en de skeletspieren kan beschermen tegen inspannings-geïnduceerde rhabdomyolyse. Vitamine B6 (pyridoxine hydrochloride) is een belangrijke cofactor in het enzymatisch systeem van het aminozuurmetabolisme en is meestal opgeslagen in de skeletspier. Een behandeling met vitamine B6-supplementatie vertoonde geen reductie in frequentie van spierpijn (Angelini en Semplicini, 2010; Haller, 2000). Vaak worden patiënten geadviseerd om te veel en te zware inspanningen te vermijden ter preventie van rhabdomyolyse en spierschade. Aerobe inspanningen kunnen echter mits enkele richtlijnen aangemoedigd worden om de cardiovasculaire fitheid van de patiënt op peil te houden. Door aerobe training wordt de circulatoire capaciteit en dus ook de aanvoer van brandstoffen via het bloed (voornamelijk VVZ en glucose) verhoogd (Arenas et al., 1993; Haller, 2006). Sommige patiënten zijn omwille van de spierpijn fysiek inactief, wat de inspanningsintolerantie verhoogt door verdere vermindering van de gelimiteerde oxidatieve capaciteit (Angelini en Semplicini, 2010; Haller, 2006). Dit laatste is een gevolg van een daling in mitochondriale enzymen (Haller, 2000). De start van de inspanning gebeurt best gradueel en moet tot 10 minuten volgehouden worden om zo het second wind principe te promoten (Gordon, 2003). Intense isometrische inspanningen en maximale aerobe inspanningen moeten wel vermeden worden (Haller, 2000; DiMauro et al., 2002). Als besluit kan gesteld worden dat de ziekte reeds op verscheidene manieren gediagnosticeerd kan worden, maar een meer kwantitatieve aanpak aangewezen is om de symptomen beter te evalueren. Voor het behandelen van de aandoening werden verscheidene therapieën onderzocht en sommigen deels voordelig bevonden. Toch blijkt gentherapie de enige 15

23 Literatuurstudie oplossing te zijn die de ziekte volledig kan tenietdoen. Terwijl deze techniek verder ontrafeld wordt, worden patiënten aangeraden deconditionering evenals intense inspanningen te vermijden (DiMauro et al., 2002). 16

24 Literatuurstudie 1.4 Perifere oxygenatie Het oxidatief metabolisme is de dominante energiebron voor de skeletspier. De oxygenatie van spieren (perifere oxygenatie) gebeurt door de opname van zuurstof uit het bloed waarna het door de spieren verbruikt wordt. De belangrijkste fysiologische variabelen voor zuurstofverbruik worden uitgedrukt via de Fick-vergelijking: musculair zuurstofverbruik (VO 2m ) = arterioveneus (a-v) O 2 -verschil x spierdoorbloeding (Q m ). VO 2m kan dus op twee manieren beïnvloed worden: enerzijds door veranderingen in de extractie van zuurstof door de spieren ((a-v) O 2 -verschil), anderzijds door een aangepaste cardiovasculaire en vasodilatorische respons ter hoogte van de spier (Q m ). Bij inspanning is er een verhoogde vraag naar zuurstof op spierniveau. Deze wordt tegemoet gekomen door een stijging in O 2 aanvoer en door een grotere extractie van O 2 uit oxyhemoglobine (HbO 2 ) (Ferrari et al., 1997). Het oxidatief metabolisme van de spier kan onderzocht worden door middel van verscheidene optische methoden waarbij het (a-v) O 2 -verschil ter hoogte van de spier gemeten wordt. Near Infrared Spectroscopy (NIRS) is momenteel een veelgebruikte optische methode die toelaat de oxygenatie en deoxygenatie van de werkende spier te beoordelen (Matsui et al., 1995) Near Infrared Spectroscopy (NIRS) Near Infrared Spectroscopy is een non-invasieve optische techniek om de oxygenatie van weefsels na te gaan. De techniek is gebaseerd op de mogelijkheid van het near-infrared licht om doorheen biologische weefsels zoals bot, huid en spier te infiltreren. Slechts drie moleculen in het biologisch weefsel kunnen near infrared licht absorberen, namelijk myoglobine (Mb), hemoglobine (Hb) en cytochroom oxidase (Boushel en Piantadosi, 2000). De lichtfotonen hebben een golflengte tussen nm, aangezien deze golflengtes het best in staat zijn in het weefsel te penetreren (Mccully en Hamaoka, 2000). De hoeveelheid licht, opgevangen nadat het door de weefsels gestuurd is, hangt dus af van de mate van absorptie door de chromofonen (Mb, Hb en cytochroom oxidase). Er bestaan verscheidene types van NIRS waarvan continuous wavelenght NIRS (NIR cws ) de meest toegepaste is. Hierbij wordt een probe gebruikt die zowel een lichtbron als een optische detector bevat. De lichtbron bestaat uit twee diodes die NIR-licht uitzenden met verschillende golflengtes, namelijk 760 nm en 850 nm (Hamaoka et al., 1996). Een derde diode vormt de detector. Het licht van de probe dringt door de huid waarna het spierweefsel bereikt wordt. 17

25 Literatuurstudie Daar wordt het licht deels geabsorbeerd en deels verspreid doorheen het weefsel. Een fractie van het verspreide licht keert vervolgens terug door de huid naar de detector. De saturatie van Hb en/of Mb beïnvloedt de absorptie van het licht in het spierweefsel. Wanneer Hb en/of Mb bijvoorbeeld gesatureerd zijn met O 2, is de absorptie lager bij 760 nm terwijl de absorptie bij 850 nm hoger is (Hamaoka et al., 1996). Aldus verandert de intensiteit van het gedetecteerde licht afhankelijk van de hoeveelheid deoxygenatie van Hb en/of Mb (fig. 8). Aan de hand van de Beer-Lambert wet kan de concentratie HbO 2 en Hb bepaald worden (Van Beekvelt et al., 2002). Fig. 8: Absorptiecurves van HbO 2 en Hb. De twee gebruikte golflengtes resulteren in een signaal dat gevoelig is voor veranderingen in O 2 - saturatie (McCully en Hamaoka, 2000). In klinische setting wordt NIRS gebruikt om cerebrale oxygenatie en doorbloeding, alsook circulatoire en metabole responsen in specifieke patiëntenpopulaties, weer te geven. Daarenboven wordt NIRS steeds meer toegepast om de beschikbaarheid van zuurstof en de metabole responsen tijdens inspanning te beoordelen. Deze relatief nieuwe techniek heeft het grote voordeel non-invasief te zijn. Daarnaast is NIRS gemakkelijk toepasbaar en wordt weinig ruis tijdens inspanning ondervonden. Verder is het mogelijk om temporele en spatiële resolutie waar te nemen. Ten slotte wordt oxygenatie direct en in een afzonderlijke regio gemeten wat de specificiteit verhoogt. Ten gevolge van de absorptie van lichtfotonen door huid en onderhuids vet kunnen zich intraindividuele verschillen voordoen wat in rekening gebracht moet worden bij het interpreteren van het NIRS-signaal. Het standaardiseren van de NIRS-signalen kan dit probleem teniet doen en kan gebeuren door veranderingen relatief ten opzichte van minimale en maximale waarden, gemeten tijdens ischemie, te bepalen (Boushel et al., 2000) Perifere oxygenatie met gebruik van NIRS NIRS wordt zowel bij cyclische inspanningen (vb. fietsen, lopen, roeien) als bij lokale geïsoleerde contracties gebruikt om de O 2 -extractie ter hoogte van de spieren tijdens inspanning te kwantificeren en evalueren. Naast het gebruik op de spieren is NIRS ook toepasbaar op andere weefsels zoals cerebraal weefsel en bindweefsel (Boushel et al., 2000). 18

26 Literatuurstudie Om het mechanisme van het spiermetabolisme in rust en tijdens inspanning te begrijpen, is er behoefte aan betrouwbare kwantitatieve metingen van het lokale O 2 -verbruik en de doorbloeding. De reeds gebruikte standaardmethoden voor determinatie van de doorbloeding en het arterioveneus O 2 -verschil, zoals plethysmografie en bloedgasanalyse, zijn hiertoe niet in staat. Betrouwbare metingen tijdens inspanning zijn tevens noodzakelijk omdat sommige aandoeningen niet herkenbaar zijn in rust, maar zich enkel uiten tijdens inspanning (Van Beekvelt et al., 2002). De test-retest reproduceerbaarheid van NIRS voor het evalueren van veranderingen in cerebrale oxygenatie en doorbloeding werd reeds onder verscheidene experimentele condities aangetoond (Pereira et al., 2007). Significante test-retest correlaties werden eveneens gerapporteerd in de M. erector spinae tijdens statische inspanning en in de M. quadriceps vastus lateralis tijdens een maximaal aantal knie-extensies (Kell et al., 2004; Pereira et al., 2007). NIRS werd reeds toegepast bij verschillende onderzoekspopulaties, zowel bij gezonde individuen als bij patiënten. Bij gezonde personen is NIRS reeds in verscheidene studies (Belardinelli et al., 1995; Chance et al., 1992) gebruikt om de spieroxygenatie van de M. quadriceps te onderzoeken tijdens een fietstest waarbij de belasting progressief stijgt of constant blijft. De studie van Chance et al. (1992) toonde aan dat de snelheid van O 2 - reoxygenatie na inspanning sneller is bij getrainde uithoudingsatleten (roeiers) ten opzichte van sedentaire controles. Daarnaast werden er ook studies op het onderbeen uitgevoerd. In de studie van Boushel et al. (1999) werd de doorbloeding en de oxygenatie in de kuitspier en in het weefsel rond de achillespees simultaan gemeten tijdens een ritmisch dynamische plantaire flexie. Gebruikmakend van NIRS bleek dat er een parallelle stijging is in doorbloeding en een daling in O 2 -saturatie tijdens inspanning in beide weefsels. Om deze doorbloeding na te gaan werd NIRS vaak toegepast in combinatie met andere visuele technieken (indocyanine green (ICG) en Doppler ultrasound). Een voorbeeld hiervan is de studie van Fadel et al. (2003) waarbij de doorbloeding via Doppler ultrasound gemeten werd. Deze studie toont aan dat, tijdens steadystate metabole condities, veranderingen in weefseloxygenatie gebruikt kunnen worden om sympatische vasoconstrictie (wat gepaard gaat met verandering in doorbloeding) te beoordelen. Verder werd NIRS ook toegepast tijdens tests ter hoogte van de arm. In de studies van Van Beekvelt et al. (2002) en Muthalib et al. (2010) werd de reproduceerbaarheid van NIRS op de voor- en bovenarm onderzocht. Van Beekvelt toonde aan dat het lokale O 2 -verbruik in de M. 19

27 Literatuurstudie flexor digitorum superficialis betrouwbaar gemeten kan worden met NIRS, zowel tijdens rust als bij ritmisch isometrische contracties aan verscheidene intensiteiten (10-90% MVC). In de studie van Muthalib et al. (2010) werd deze test-retest betrouwbaarheid eveneens nagegaan, maar deze keer op de M. biceps brachii. Er werden geen significante verschillen gevonden tussen de drie sessies tijdens zowel continue als ritmisch isometrische contracties wat bevestigt dat NIRS reproduceerbaar is op de voorarm. De experimentele studie van Hampson en Piantadosi (1988) is de eerste toepassing van NIRS om veranderingen in spieroxygenatie tijdens voorarmischemie bij gezonde personen na te gaan. Zij toonden aan dat zuurstof in de spier snel verbruikt wordt tijdens ischemie en tevens snel aangevuld wordt wanneer de musculaire doorbloeding (Q m ) opnieuw plaatsvindt (fig. 9). Ook werd het effect van hypoxie op spieroxygenatie tijdens voorarmtests reeds onderzocht in de studie van Jensen-Urstad et al. (1996). Fig. 9: Respons van de spier tijdens 8 minuten ischemie en daaropvolgend herstel. Grafiek A: signaal van HbO 2 +MbO 2, grafiek B: signaal van Hb+Mb (Hampson en Piantadosi, 1988). Ten slotte werd NIRS vaak in combinatie met MRS gebruikt om spiermetabolisme en oxygenatie samen te onderzoeken. Hierbij werd aangetoond dat de kinetiek van de reoxygenatie correleert met de regeneratie van fosfocreatine na submaximale inspanning (McCully et al., 1994; Ferrari et al., 1997). 20

28 Literatuurstudie Daarnaast kent NIRS ook een klinische relevantie waarbij verscheidene aandoeningen, geassocieerd met een gedaalde weefseloxygenatie, onderzocht kunnen worden. In de studie van McCully et al. (1994) werd vastgesteld dat de snelheid van HbO 2 resaturatie na inspanning trager is bij patiënten met een perifere vasculaire aandoening. Verder werd bij patiënten met hartfalen aangetoond dat hun spieren aan een lagere inspanningsintensiteit desatureren in vergelijking met gezonde individuen en ook een vertraagd herstel vertonen na inspanning. Dit wijst op een verminderd hartdebiet en een beperkte doorbloeding naar de werkende spieren bij deze patiënten (Belardinelli et al., 1995; Matsui et al., 1995). NIRS werd tevens toegepast om oxidatieve defecten in metabole myopathieën na te gaan (Bank en Chance, 1994). Bij cytochroom c oxidase deficiëntie werd geen deoxygenatie tijdens inspanningen van de kuitspier gevonden, wat wijst op een te laag gebruik van aangevoerd zuurstof. Patiënten met de ziekte van McArdle situeren zich ook binnen de categorie van metabole myopathieën. NIRS kan dus ook bij deze populatie gebruikt worden om de daling in oxidatieve capaciteit te kwantificeren. Deze voorgaande resultaten tonen aan dat NIRS verschillende patronen van spieroxygenatie kan detecteren bij patiënten met afwijkende niveaus van inspanningstolerantie (Ferrari et al., 1997). Dit suggereert dat NIRS een rol als screeningsmiddel kan hebben bij het beoordelen van de aanwezigheid van circulatoire en metabole aandoeningen (Boushel et al., 2001). 21

29 Literatuurstudie 1.5 McArdle s respons op diverse inspanningstests Inspanningstests worden bij patiënten met de ziekte van McArdle vaak gebruikt om hun respons op verscheidene soorten inspanningen na te gaan en onderliggende mechanismen van de aandoening te onderzoeken. Sommige tests bleken ook een screeningswaarde te hebben. Vissing en Haller (2003) hebben experimenteel vastgesteld dat een fietstest als screeningsmiddel kan dienen. De test bestond uit fietsen aan een constant vermogen, overeenkomstig 60 à 70% van de theoretisch voorspelde maximale hartfrequentie (220- leeftijd) en dit gedurende 15 minuten. De hartslag en waargenomen vermoeidheid (Borgschaal) werden elke minuut van de inspanning geregistreerd. Uit de resultaten bleek dat de hartslag 35 ± 3 slagen per minuut daalde tussen de 7 e en de 15 e minuut van de inspanning terwijl de hartslag bij de controlegroep progressief toenam (fig. 10). Deze bevinding illustreert de aanwezigheid van het second wind fenomeen wat pathognomisch is voor McArdle patiënten. Hieruit besloten Vissing en Haller (2003) dat een fietstest aan een matig en constant vermogen een specifieke, gevoelige en eenvoudige screeningstest is. Fig. 10: Hartfrequentie ( ), Borgschaal (o) en vermogen ( ) bij patiënten met McArdle tijdens een fietstest (Vissing en Haller, 2003). Daarnaast werd ook een diagnostische test op de voorarm onderzocht. Oorspronkelijk werd deze test uitgevoerd tijdens ischemie op de voorarm, later werd hier een alternatieve test voor gevonden die geen ischemie vereiste en dus beter getolereerd werd (Kazemi-Esfarjani et al., 2002). In rust, tijdens inspanning en bij herstel werden bloedstalen uit de cubitale vene afgenomen. In deze stalen werd onder meer het lactaat- en ammoniakgehalte vastgesteld. Bij patiënten werden afwijkende concentraties van deze metabole producten gevonden waaruit besloten werd dat deze test als diagnose van de aandoening kan dienen. Bovenstaande studies tonen aan dat er reeds verscheidene inspanningstests bij patiënten met de ziekte van McArdle uitgevoerd worden, maar deze meestal gebruik maken van invasieve methoden. De toepassing van NIRS tijdens inspanningstests kan hiervoor een oplossing bieden. In verscheidene onderzoeken werden inspanningstests in combinatie met NIRS reeds 22

30 Literatuurstudie gebruikt om de ziekte van McArdle vast te stellen. Hierbij wordt de verandering in concentratie van zuurstof in het bloed nagegaan om de O 2 -extractie door de spieren tijdens inspanning te kwantificeren (Pereira et al., 2007). Patiënten met de ziekte van McArdle hebben een verlaagde oxidatieve capaciteit tijdens submaximale inspanning en dus een gedaald zuurstofverbruik. Dit gaat gepaard met een verminderde zuurstofextractie door de spieren uit het bloed. Om de O 2 -extractie te kwantificeren wordt de verandering in concentratie van zuurstof tussen veneus en arterieel bloed tijdens inspanning nagegaan ((a - v) O 2 -verschil). De verlaagde zuurstofextractie leidt tot een lagere VO 2 -piek bij patiënten. In de studie van Grassi et al. (2007) wordt de O 2 -extractie met NIRS vastgesteld door (deoxy[hb+mb]) tussen arterieel en veneus bloed te meten. Deze verandering in (deoxy[hb+mb]) dient altijd gekwantificeerd te worden relatief ten opzichte van de maximale verandering in (deoxy[hb+mb]) bij arteriële occlusie om storende invloeden van onder andere lichaamsbouw- en samenstelling uit te sluiten. Een stijging van (deoxy[hb+mb]) geeft een verhoogde O 2 -extractie weer. Bij patiënten met de ziekte van McArdle wordt er percentueel een significant (p < 0.05) lagere (deoxy[hb+mb]) ten opzichte van de maximale deoxy[hb+mb]-waarde vastgesteld bij inspanningen met stijgende belastingsintensiteit (Grassi et al., 2007) (fig. 11). Fig. 11: Verschil tussen (deoxy[hb+mb]) bij controlepopulatie ( ), patiënten met een gedaalde inspanningstolerantie waarbij nog geen diagnose vastgesteld kon worden ( ) en patiënten met McA (o) (Grassi et al., 2007). De veranderde capaciteit van maximale O 2 -extractie is gelinkt aan een verbeterde cardiovasculaire respons (verhoogde doorbloeding, hartfrequentie en hartdebiet) tijdens submaximale inspanning (Grassi et al., 2007). Dit kan gezien worden als een compensatiemechanisme voor de gelimiteerde capaciteit van de spieren om O 2 te extraheren. 23

31 Literatuurstudie 1.6 Hypothese en onderzoeksvraag De ziekte van McArdle wordt gekenmerkt door de onmogelijkheid om glycogeen in de spier af te breken. Hierdoor is zowel het aeroob als het anaeroob metabolisme beperkt, wat mogelijk gepaard kan gaan met een veranderde O 2 -extractie ter hoogte van de spieren ten opzichte van gezonde controlepersonen. NIRS is een vrij recente techniek die capillaire oxygenatie tijdens inspanning kan kwantificeren en evalueren. Door deze techniek tijdens ritmisch dynamische inspanningen toe te passen op de voorarm kan mogelijk de veranderde O 2 -extractie bij patiënten vastgesteld worden. Als eerste hypothese stellen we dat NIRS bij gezonde individuen een betrouwbaar meetinstrument is op de M. flexor carpi radialis en ulnaris tijdens een ritmisch dynamische handknijptest. Vervolgens stellen we als tweede hypothese dat een veranderd patroon van O 2 -extractie door de voorarmspieren tijdens inspanning, vastgesteld door (deoxy[hb+mb]) met behulp van NIRS, kan gebruikt worden om de ziekte van McArdle te screenen. Door een vergelijkende studie tussen patiënten en gezonde gematchte controlepersonen uit te voeren, wordt deze hypothese getoetst. 24

32 Methodiek 2.1 Test-retest betrouwbaarheid 2. METHODIEK Proefpersonen Om de test-retest betrouwbaarheid van NIRS op de M. flexor carpi radialis en ulnaris tijdens het toegepaste protocol te onderzoeken, werden 20 gezonde LO-studenten (Lichamelijke Opvoeding) gerekruteerd, waaronder 12 vrouwen en 8 mannen. Hun gemiddelde (± standaarddeviatie (SD)) leeftijd, lengte en gewicht bedroeg respectievelijk ± 7.90 jaar, ± 8.16 cm en ± 9.49 kg. Geen enkele proefpersoon had gekende gezondheidsproblemen. De studie werd goedgekeurd door het Ethisch Comité van het Universitair Ziekenhuis te Gent. Voor de test werden de subjecten nogmaals ingelicht over het verloop van de test waarna een informed consent getekend werd Studiedesign De proefpersonen werden op twee verschillende meetmomenten gevraagd het protocol uit te voeren om de betrouwbaarheid van de NIRS-meting op de voorarm na te gaan. Deze meetmomenten vonden binnen eenzelfde week plaats. Voor elke test werden enkele antropometrische metingen uitgevoerd, namelijk lengte, gewicht en dikte van de huidplooi ter hoogte van de voorarm. Bij het begin van de test werd de maximale willekeurige contractiekracht (MVC) van de proefpersonen bepaald aan de hand van een handgrip dynamometer. De proefpersonen kregen hiervoor drie afzonderlijke pogingen, gescheiden door één minuut rust. De personen lagen in een comfortabele houding met de voorkeurshand ontspannen naast zich (fig. 12). Vervolgens werd een pneumatische cuff rondom de bovenarm bevestigd die gebruikt werd om de arteriële Fig. 12: Opstelling tijdens de test occlusie uit te voeren. De probe van het NIRS-toestel werd nauwkeurig en stevig aan de mediale zijde van de voorarm geplaatst ter hoogte van de M. flexor carpi radialis en ulnaris en werd tevens afgeschermd van het daglicht. Om de plaatsing van de probe tussen beide 25

33 Methodiek meetmomenten te standaardiseren, werd de locatie op de voorarm gemarkeerd. Na het plaatsen van de instrumenten startte het experiment met een rustperiode waarbij gestreefd werd naar een stabiele basislijn van het deoxy[hb+mb]-signaal. Hierna volgde de arteriële occlusie door inflatie van de cuff tot 280 mmhg. Deze druk werd aangehouden tot het deoxy[hb+mb]-signaal een plateau bereikte en er dus geen verdere extractie van O 2 mogelijk was. Vervolgens werd de cuff gelost en vond er een herstelperiode plaats waarbij de NIRSsignalen terugkeerden tot basislijn waarden. Wanneer deze basislijn opnieuw bereikt werd, startte de inspanningstest. Deze test bestond uit ritmisch dynamische handknijpinspanningen met toenemende intensiteit. Er werd gestart aan een intensiteit die overeenstemt met 20% van de maximale willekeurige contractiekracht (MVC). Dit werd gedurende 2 minuten volgehouden aan een contractiesnelheid van 0.5 Hz (30 contracties per minuut) waarna de personen 1 minuut rust kregen. Om de contractiesnelheid te standaardiseren werd gebruik gemaakt van een metronoom. De intensiteit werd bij elke stap met 10% MVC opgedreven en dit tot vrijwillige uitputting. 2.2 Vergelijkende studie Proefpersonen Daar de aandoening van zeldzame aard is, participeerden slechts zes patiënten met de ziekte van McArdle in dit onderzoek, waaronder vier mannen (twee broers) en twee vrouwen (zussen). Deze patiënten werden gerekruteerd door de behandelende arts die de ziekte vaststelde aan de hand van een spierbiopsie en medewerking verleende aan dit onderzoek. Van elke patiënt werd de leeftijd, het gewicht en de lengte genoteerd. Hun gemiddelde (± SD) leeftijd, lengte en gewicht bedroeg respectievelijk ± jaar, ± 4.35 cm en ± kg. Voor elke patiënt werd op zoek gegaan naar drie gematchte controlepersonen op basis van geslacht en leeftijd, en indien mogelijk ook op basis van lengte en gewicht. Deze 18 controlepersonen waren niet sportief of beoefenden geen specifieke activiteit waarbij de voorarmspieren van belang zijn. Alle proefpersonen werden op voorhand geïnformeerd over het doel van de studie. De studie werd goedgekeurd door het Ethisch Comité van het Universitair Ziekenhuis te Gent. Voor de test werden de patiënten en controles nogmaals ingelicht over het verloop van de test waarna een informed consent getekend werd. 26

34 Methodiek Studiedesign Een cross-sectioneel observationeel onderzoek werd bij patiënten en controles uitgevoerd om een verschil in respons op de test na te gaan. Afhankelijk van de beschikbaarheid voerden zowel de patiënten als de controles de test eenmaal uit op een afgesproken tijdstip. Het protocol zoals hierboven beschreven (zie studiedesign) werd door alle proefpersonen uitgevoerd. Voor het starten van de test werd capillair bloed afgenomen om de bloedlactaatconcentraties in rust na te gaan. Ten slotte werd op het einde van de test een tweede bloedstaal afgenomen om de verandering in lactaat na te gaan. 2.3 Meetinstrumenten Bij het uitvoeren van het protocol werd gebruik gemaakt van verschillende materialen, namelijk een huidplooicaliper, een handknijp dynamometer, Near Infrared Spectroscopy (NIRS) en een lactaatmeter. Een skinfold caliper (Harpenden) (fig. 13) werd gebruikt om de dikte van de subcutane vetlaag te meten op vijf verschillende plaatsen, namelijk biceps, triceps, subscapulair, suprailiacaal en ter hoogte van de voorarm waar de NIRS probe geplaatst werd. De dikte van het subcutane vetweefsel moet in rekening gebracht worden daar de penetratiediepte van het NIRS signaal beperkt is tot de helft van de afstand tussen lichtbron en detector. Fig. 13: Skinfold caliper (Harpenden) Om de test uit te voeren werd gebruik gemaakt van een handknijp dynamometer (Saehan). Dit is een valide en betrouwbaar meetinstrument voor het meten van de handknijpkracht (kg) (Mathiowetz, 2002). De handdynamometer (fig. 14) werd in deze studie gebruikt voor het meten van de maximale handknijpkracht, alsook gedurende het protocol voor het uitvoeren van ritmisch dynamische contracties. Fig. 14: De handdynamometer (Saehan) Oxygenatie veranderingen in de M. flexor carpi radialis en ulnaris werden geëvalueerd met behulp van NIRS (oxiplexts ISS, Champaign, Illinois, USA). In deze studie werd gebruik gemaakt van een draagbare continuous wavelenght Near Infrared Spectroscopy (NIR cws ). De optische probe, bestaande uit een lichtbron en detector, werd aangesloten op een persoonlijke computer om de data te kunnen verzamelen en later te analyseren (fig. 15). 27

35 Methodiek Fig. 15: Schematische voorstelling van het NIRS-instrument op de voorarm (Van Beekvelt et al., 2002) Ten slotte werd voor het bepalen van de bloedlactaatconcentraties het capillair bloed geanalyseerd met een lactaatmeter (ANALOX Instruments LTD, London, UK). 2.4 Analyses Data-analyse Het NIRS-signaal bestaat uit vier verschillende grafieken, namelijk oxy[hemoglobine+ myoglobine], deoxy[hb+mb], zuurstofsaturatie en totaal hemoglobine (som van deoxy- en oxy[hb+mb]). Deze gegevens werden geïmporteerd in Microsoft Excel waarbij kwantitatieve data verkregen werden. De data van deoxy[hb+mb] werden verder geanalyseerd. Eerst werd basislijn 1 (BL1) berekend door het gemiddelde te nemen van de deoxy[hb+mb]-waarden 30 seconden voor de start van de occlusie. Dezelfde berekeningen werden uitgevoerd voor het verkrijgen van een gemiddelde 30 seconden waarde voor de plateaufase tijdens arteriële occlusie (AO-plateau) en basislijn 2 na de occlusie (BL2). Het verschil tussen maximale deoxy[hb+mb]-waarde tijdens occlusie en basislijn 1 (AO-plateau BL1) geeft de amplitude van de occlusiestijging weer (AO-amplitude). De gemiddelde maximale deoxy[hb+mb]- waarde voor elke inspanningsintensiteit werd berekend uit 10 opeenvolgende seconden met de hoogste deoxy[hb+mb]-waarden. Het verschil tussen basislijn 2 en deze maximale deoxy[hb+mb]-waarde geeft de grootte van de stijging weer per inspanningsintensiteit. De grootte van de stijging tijdens elke intensiteit werd ten slotte relatief ten opzichte van de occlusie amplitude uitgedrukt (deoxy[hb+mb]-waarde x% MVC - BL2)/ AO-amplitude) (fig. 16). De percentuele gegevens hierbij verkregen, werden gebruikt voor statistische analyse. 28