Protokół in vivo kontrolowanych podwstrząsowych uderzeń głową w celu walidacji danych z badań terenowych

Podsumowanie

Model główkowania w piłce nożnej z subwstrząsem mózgu jest bezpiecznym i zwięzłym podejściem metodologicznym do izolowania i mierzenia skutków uderzeń głową po wstrząsach mózgu.

Streszczenie

Uderzenia podwstrząsowe stanowią zagrożenie dla zdrowia neuronów, ponieważ, jak wykazano, wywołują uszkodzenia strukturalne neuronów i upośledzenie funkcjonalne, nie powodując zewnętrznych objawów i wydają się być kluczowym czynnikiem przyczyniającym się do nieodwracalnej choroby neurodegeneracyjnej, przewlekłej encefalopatii pourazowej (CTE). Ponadto sportowcy mogą ponieść ponad 1,000 takich trafień w sezonie. Model główki w piłce nożnej podwstrząsowej (SSHM) jest odpowiednią, powtarzalną i wiodącą metodą izolowania i badania skutków tych podwstrząsowych uderzeń głową. Kontrolując zmienne, takie jak prędkość poruszania się piłki, częstotliwość uderzeń, interwał, ułożenie piłki na głowie, a także mierząc siłę uderzenia głową, SSHM zapewnia społeczności naukowej doskonałą drogę do badania ostrego wpływu wstrząsu mózgu na zdrowie neuronów. W tym artykule pokazujemy przydatność SSHM w badaniu ekspresji polipeptydu neurofilamentowo-świetlnego (NF-L) w osoczu w sposób powtarzanych pomiarów. NF-L jest markerem urazu aksonalnego, który, jak wykazano wcześniej, jest podwyższony u bokserów i piłkarzy po podwstrząsowym urazie głowy. Trzydziestu czterech dorosłych piłkarzy zostało zrekrutowanych i losowo przydzielonych do grupy piłkarskiej (n = 18) lub kopiącej (n = 16). Grupa headingowa wykonała 10 strzałów głową z piłkami futbolowymi wystrzeliwanymi z prędkością 25 mil na godzinę w ciągu 10 minut. Grupa kopiąca postępowała zgodnie z tym samym protokołem z 10 kopnięciami. Próbki osocza uzyskano przed i po 0 godzinach, 2 godzinach i 24 godzinach po wybiciu i oceniono pod kątem ekspresji NF-L. Grupa kierująca wykazała stopniowy wzrost ekspresji NF-L w osoczu i osiągnęła szczyt po 24 godzinach od protokołu nagłówka, podczas gdy grupa kopiąca pozostała spójna we wszystkich punktach czasowych. Wyniki te potwierdziły dane NF-L z klinicznych badań terenowych, zachęcając do stosowania SSHM do walidacji danych klinicznych dotyczących wstrząsu mózgu.

Wprowadzenie

Długotrwałe, powtarzające się narażenie na uderzenia głową powodujące wstrząs mózgu zostało zaproponowane jako jeden z kluczowych czynników przyczyniających się do rozwoju choroby neurodegeneracyjnej CTE^1,2,3,4,5. Każdego roku około 2,5 miliona sportowców ze szkół średnich i studentów uprawia sporty kontaktowe, które często wywołują te wstrząsowe zniewagi poprzez gwałtowne przyspieszanie i zwalnianie ciała i głowy^6,7. W szczególności sportowcy sportów kontaktowych mogą doświadczyć od 100 do 1000 takich uderzeń w sezonie^6,8,9. Ponadto inne populacje, takie jak wojskowi mężczyźni i kobiety, zarejestrowały ponad 300 000 urazów głowy od 2001 roku, co przejawiło się w niedawnej diagnozie CTE u emerytowanego weterana wojskowego¹⁰. Diagnoza ta pokrywa się z pośmiertnymi mózgami zawodników futbolu amerykańskiego i czterech pośmiertnych piłkarzy, aby przedstawić rozwijający się problem zdrowia publicznego^11,12. W świetle oszałamiającego rozpowszechnienia, badania nad uderzeniami w głowę muszą skierować swój wzrok na solidne, precyzyjne metody analizy ostrych uderzeń podwstrząsowych długu, które wywołują na różnych arenach.

Prezentowany tutaj SSHM spełnia obecną metodologiczną potrzebę bezpiecznego wywoływania typowych naprężeń mechanicznych wywieranych na tkankę nerwową podczas sportów kontaktowych. Implementacja tego modelu pozwala badaczom na skrupulatne zarządzanie prędkością lotu piłki, częstotliwością uderzeń, interwałem, ułożeniem piłki do głowy, a także pomiarami wielkości uderzenia głową^13,14. Chociaż czynniki te są praktycznie niemożliwe do kontrolowania w warunkach polowych, SSHM zapewnia naukowcom ujście dla osób potrzebujących izolowania skutków podwstrząsowych uderzeń głową. Ponadto, poprzez eliminację zmiennych zakłócających obserwowanych podczas zabawy (np. efektów intensywnych ćwiczeń, uszkodzeń ciała, zmian temperatury ciała i nawodnienia/pocenia się), SSHM zapewnia lepszą metodę walidacji obserwacji klinicznych.

SSHM ma bezpośrednie podobieństwa do uderzeń głową, które są szczególnie widoczne w sferze sportu. W związku z tym literatura zaczęła już wykazywać jego użyteczność i potwierdzać ustalenia innych badaczy dotyczące skumulowanego obciążenia uderzeniem głową. Na przykład wykazaliśmy, że obciążenie uderzeniami głową podwstrząsowymi znacząco napędza dysfunkcję neurookulistyczną wśród sportowców piłki nożnej^13,15. Ponadto wykazano, że zaledwie 10 uderzeń podwstrząsowych natychmiast zaburza funkcję przedsionkową, która może zostać znormalizowana po 24 godzinach spoczynku¹⁶. W tym raporcie metodologicznym opisujemy zastosowanie SSHM do bezpiecznego badania skutków podwstrząsowych uderzeń głową i przedstawiamy jedno z naszych ustaleń, że powtarzające się podwstrząsowe uderzenia głową stopniowo zwiększają stężenie biomarkera krwi pochodzącego z neuronów, a mianowicie NF-L¹⁴. To odkrycie nie tylko potwierdza wcześniejsze wyniki obecności NF-L z powodu powtarzających się uderzeń podwstrząsowych w głowę^17,18, ale także potwierdza, że SSHM może odtworzyć takie wyniki w kontrolowany sposób kliniczny.

Protokół

Autorzy sprawdzają, czy Indiana University Institutional Review Board zatwierdziła badanie (protokół # 1610743422) i uzyskano pisemną świadomą zgodę.

UWAGA: SSHM został zintegrowany z projektem powtarzalnych pomiarów, który ma na celu zbadanie zmian między zmiennymi zależnymi u badanych po 0 godzinach, 2 godzinach i 24 godzinach po interwencji w porównaniu z indywidualnymi wartościami sprzed interwencji. Ten projekt badania pozwala naukowcom śledzić zmiany przez okres 24 godzin, który jest typowym przedziałem czasowym między treningami sportowymi. W niniejszym badaniu piłkarze zostali losowo przydzieleni do grupy piłki nożnej (n = 18) lub grupy kopiącej piłkę nożną (n = 16).

1. Konfiguracja

1. Po pobraniu danych z pomiaru bazowego (przed interwencją) rozpocznij SSHM od ustawienia wyrzutni piłki nożnej w odległości około 40 stóp od obiektu, a także upewnienia się, że piłka nożna jest napompowana do 9 psi.
2. Na czole maszyny znajdują się dwa identyczne pokrętła, które regulują prędkość lewego i prawego koła, oraz włącznik/wyłącznik pomiędzy nimi. Ustaw oba te pokrętła na standardową wybraną prędkość.
   UWAGA: W tym celu demonstracyjnym prędkość poruszania się piłki została ustawiona na 30 mil na godzinę. Ta prędkość została wybrana, ponieważ symuluje wrzut piłki nożnej z linii bocznej do środka boiska. Piłkarze często wykonują ten manewr podczas treningów i meczów.
3. Umieść 3-calowe klocki pod kołami wyrzutni piłek, aby umożliwić pożądaną trajektorię (do kopania obiektów nie są potrzebne żadne bloki). Po zakończeniu wyrzutnia piłek jest następnie ustawiana pod kątem 40°, który jest mierzony jako kąt między ziemią a linią środkową obracających się kół.
   UWAGA: Pomiar kąta odbywa się za pomocą goniometru, a maszynę można wyregulować po poluzowaniu pokrętła znajdującego się wzdłuż niebieskich szyn, do których ładowana jest piłka nożna.
4. Po prawidłowym ustawieniu maszyny do piłki nożnej wyposaż badanych w trójosiowy akcelerometr osadzony w kieszeni na opaskę na głowę i umieszczony bezpośrednio pod zewnętrzną wypukłością potyliczną (wejściem), aby monitorować liniowe i obrotowe przyspieszenia głowy.
5. Uruchom odpowiednie oprogramowanie akcelerometru i wprowadź odpowiednie informacje o obiekcie. W tym momencie podmiot jest gotowy do rozpoczęcia prób zapoznawczych interwencji (heading, kicking).

2. Próby zapoznawcze

1. Ustaw obiekt około 40 stóp przed wyrzutnią piłek.
2. Pamiętaj, aby wyjaśnić osobie, która ma na celu wyjaśnienie osobie, że wyrzutnia piłki z woleja wybije do niej piłkę nożną i że po prostu musi symulować interwencję w kontakcie z piłką (tj. osoby zmierzające głową złapią piłkę rękami przed czołem przed nawiązaniem kontaktu głową z piłką, osoby kopiące "uwięzią" piłkę na ziemi stopą, zamiast odbić piłkę z woleja, a osoby stojące pozostaną nieruchome i nie będą miały kontaktu z piłką).
3. Kiedy tester zrozumie i poczuje się gotowy, poproś badacza, aby włączył wyrzutnię piłek, załadował piłkę nożną na niebieskie szyny, a na koniec wepchnął piłkę do obracających się kół po odliczaniu 3-2-1.
4. Po zatrzymaniu piłki w sposób opisany wcześniej (krok 2.2), poproś badanego o przetoczenie piłki do tyłu.
5. Powtórz kroki 2.3 i 2.4 dodatkowo dwa do czterech razy (nie jest wymagany czas na odpoczynek między nimi), aby upewnić się, że ustawienie obiektu jest prawidłowe, a interakcja z piłką będzie bezpieczna i kontrolowana. Na tym kończą się próby zapoznawcze.

3. Interwencja

1. Potwierdź ustnie, że temat jest gotowy. Po potwierdzeniu wydaj instrukcje osobom poruszającym się w kierunku, aby dotykały piłki tylko czołem; Powiedz pacjentom, aby unikali potencjalnych uderzeń w płaty koronowe, ciemieniowe i skroniowe. Poinstruuj osoby kopiące, aby kopały piłkę tylko wtedy, gdy jest w locie, ponieważ kontakt piłki z ziemią osłabi późniejsze uderzenie w stopę.
2. Poinstruuj zarówno osoby kierujące piłką, jak i kopiące, aby skierowały piłkę z woleja do celu (dodatkowy badacz) w przybliżeniu w połowie odległości między nimi a maszyną. Najlepiej jak potrafią, poproś badanych, aby zrobili to w sposób, który będzie naśladował łukowatą trajektorię, jaką piłka obrała podczas lotu w kierunku obiektu.
3. Aktywuj akcelerometr trójosiowy i rozpocznij nagrywanie.
4. Załaduj piłkę nożną na niebieskie szyny, wepchnij piłkę do obracających się kół po odliczaniu 3-2-1 i upewnij się, że nawiązany jest odpowiedni kontakt.
5. Powtórz krok 3.4 jeszcze dziewięć razy z 60-sekundową przerwą między atakami. Jeśli tester zrezygnuje z interakcji z piłką (z powodu nieodpowiedniego umieszczenia lub podejrzenia kontaktu z ciałem w obszarze, którego należy unikać), natychmiast ponownie uderz piłkę z woleja w obiekt, bez żadnego okresu odpoczynku.
6. Pomiędzy każdym kontaktem głowy z piłką sprawdź, czy trójosiowy akcelerometr zarejestrował uderzenie (za pomocą oprogramowania trójosiowego; osoby kopiące nie powinny rejestrować przeciążenia).
7. Po zakończeniu interwencji wyłącz wyrzutnię piłek i zatrzymaj zapis trójosiowy (ważne, ponieważ ruch wymagany do zdjęcia pałąka może zarejestrować kolejne "uderzenie"). Po zatrzymaniu nagrywania zdejmij pałąk.

Wyniki

Przedstawione tutaj wyniki zostały zinterpretowane z poprzedniego artykułu¹⁴, w którym SSHM został wykorzystany zgodnie z wcześniejszym opisem. W tym konkretnym badaniu mieliśmy na celu pokazanie, w jaki sposób SSHM może indukować zmiany w poziomie NF-L w osoczu, który jest markerem uszkodzenia aksonów, który przypuszczalnie filtruje się z czaszki do krwi obwodowej po uderzeniach głową.

SSHM i kin...

Dyskusja

Podczas gdy sporty kontaktowe, takie jak futbol amerykański, mogą wydawać się napędzać potrzebę stworzenia zwięzłego modelu badawczego do badania skutków wstrząsu mózgu, inne sporty, takie jak piłka nożna, mogą odpowiadać za dominujący udział ekspozycji na wstrząsy podwstrząsowe na całym świecie, ponieważ około 265 milionów ludzi uprawia prawdopodobnie najpopularniejszy sport na świecie¹⁹. Jednakże, podczas gdy większość podejrzewanych długoterminowych neurodegeneracyjnych skutków wstrząsu mózgu z...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
JUGS Maszyna do piłki nożnej	JUGS Sports	http://jugssports.com/products/soccer-machine.html
SIM-G Trójosiowy akcelerometr	Triax Technologies	https://www.triaxtec.com/workersafety/wp-content/uploads/2017/08/SIM-G-User-Manual_V4-2-01.pdf