Evaluation of the effects of 60-days head-down bed rest and nutritional countermeasure on 24-hours Holter ECG

Introduction Permanence in space exposes astronauts to the changed external environment: microgravity condition affects human body from a mechanical and electrical point of view, leading to the deconditioning of the diverse body’s physiological systems. In particular, it adversely influences cardiovascular system’s dynamics, producing changes in autonomic control with effects on electrocardiographic parameters. Modifications also cause variations in the circadian rhythm, which is a critical inner regulator of heart rate and other physiological processes. Objectives The aim of this thesis is to evaluate, using different computational tools, the changes induced by simulated microgravity conditions elicited by long-term (60 days) head-down bed-rest (HDBR) on the ECG, in terms of heart rate, ventricular repolarization and respective relationship, as well as the impact on circadianity. In addition, having the availability of data collected in both a control (CTRL) and a countermeasure (CM) group, a second aim consists into assessing the effectiveness of the applied nutritional countermeasure during HDBR in order to counteract the changes induced by HDBR. Materials Twenty healthy men from two different long-duration (60 days) HDBR experimental sessions were considered. 10 volunteers underwent a nutritional countermeasure (CM group) during the HDBR, while the other 10 were considered as the control group (CTRL). 24-hours Holter ECG was acquired in all the subjects at specific epochs: 9 days before the beginning of the HDBR (BCD-9), five, twenty-one and fifty-eight days after the starting of HDBR (HDT5, HDT21 and HDT58 respectively), the first day after the end of HDBR (R+0) and eight days later (R+7). Methods The parameters extracted from each 24-hours Holter ECG recording were: - RR, QTend, QTu, QTp, QTd and Tamp; - spectral parameters: total HRV power, HRV LF power, HRV HF power, normalized HRV LF power, normalized HRV HF power. After having conveniently filtered and pre-processed all the series, analyses were performed on the following parameters: - RR, QTend, QTu, QTp, QTd and Tamp; - total HRV power, normalized HRV LF power, normalized HRV HF power and LF/HF ratio obtained from HRV LF and HF power. RR, QTend, QTu, QTp, QTd and Tamp series were visualized through graphs of their mean±std values each 15 minutes. Summary tables, subdivided in diurnal and nocturnal periods for each group, were built: the significance of the obtained results was tested using Anova and Tukey HSD Test for the longitudinal evaluation, and through Mann-Whitney U Test for the cross-sectional evaluation. In the same way, also for HRVpower, HRVnormLF, HRVnormHF and LF/HF ratio series graphs displaying the median values each 15 minutes were obtained, as well as summary tables, subdivided in diurnal and nocturnal periods for each group. Significance of the obtained results was tested using Wilcoxon Signed Rank Test for the longitudinal evaluation, and with Mann-Whitney U Test for the cross-sectional evaluation. In order to better explore the circadianity of biological rhythmical parameters from a macroscopic point of view, a periodic regression analysis method widely used in chronobiology, the Cosinor analysis, was applied to RR and QTend series of each single subject at each epoch. The output values were the MESOR, the Amplitude, the acrophase, and a p-value derived from the Zero Amplitude Test indicating whether the pattern of the input data series is circadian or not. Graphs of the cosine fitting curve were made for each single subject at each epoch. Summary tables of median±std of RR and QTend cosinor parameters were built for the CM and CTRL groups, evidencing significances derived from statistical tests. The tests conducted were the Wilcoxon Signed Rank Test for the longitudinal evaluation and the Mann-Whitney U Test for the cross-sectional one. Finally, QTend-RR and QTp-RR correlations for the night period only were computed in order to evaluate possible changes in the relation between heart rate and ventricular repolarization. The two output parameters evaluated for this analysis are the correlation coefficient r2 and the slope. Statistical tests conducted for the evaluation of r2 and slope of QTend-RR and QTp-RR correlations both for CM and CTRL groups at each epoch, were the Wilcoxon Signed Rank Test for the longitudinal evaluation and the Mann-Whitney U Test for the cross-sectional one. Discussion and Conclusions Obtained results indicate that microgravity condition, simulated through the HDBR, influences the temporal parameters derived from the ECG: RR, QTend, QTu, QTp, QTd intervals were significantly prolonged at the beginning of the bed rest period. Subsequently, adaptation towards a new homeostasis occurred, that tends to return to values comparable to pre-HDBR, that are reached already within 21 days or in a longer time interval (HDT58). In some cases, (QTend, QTu, QTd in CTRL-night) this new homeostasis corresponded to a shortening compared to pre-HDBR values. In particular, at HDT58, focusing on the night period, it is possible to notice that the CM group presented a recovery both in RR and in all QT-related parameters, while the CTRL group showed a recovery in RR but not in the QTend, QTu and QTd intervals, that resulted shortened. This condition could be linked to a potassium deficiency in the CTRL group, suggesting that the nutritional countermeasure may provide useful dosage of potassium. Nevertheless, statistical tests did not evidence significances between the two groups. After the bed rest, temporal intervals decreased towards pre-bed rest values, without completely recovering at R+7 though: this means that, although HDBR produces a reversible deconditioning, 8 days are not sufficient for a complete recovery. No inter-group significance was found. Also the T wave amplitude, linked to ventricular repolarization, was affected: after an initial increase visible at HDT5, it started to decrease, reaching the minimum amplitude at R+0. No significant difference was noticed between group, remarking that the nutritional countermeasure may not be helpful in accelerating or improving bed rest adaptation or recovery. HRV spectral parameters showed an adaptation of the autonomic tone on the regulation of heart’s electrical activity: vagal tone appeared to increase during the bed rest, especially at its beginning, and to decrease after the bed rest, with higher influence of the sympathetic nervous system. This is demonstrated by the HF power of HRV which increased at HDT5, and decreased in the successive epochs of the bed rest, showing a slight adaptation at HDT58 only in the CM group; the higher decrease is showed at the recovery, in particular at R+0. LF power of HRV displayed a slight increase at HDT5 and a slight decrease at HDT21 and HDT58; also in this case the higher decrease is showed at the recovery, in particular at R+0. Related to those trend, the LF/HF ratio, influenced by the HF power of HRV, significantly decreased at HDT5 and HDT21 for the CM group and just during the day in the CTRL group; it presented a recovery for the CM group at HDT58, in which instead the CTRL group already displayed a significant increased. A higher increase in the LF/HF ratio is present at R+0, due to the HF power of HRV adaptation. In the CM group it showed a recovery at R+7 during the night period not visible in the CTRL group. The nutritional countermeasure may be helpful in the recovery of the simpathovagal balance, although no clear significant difference was detected between groups. The parameters of the cosinor analysis were used to infer considerations about the circadian pattern of RR and QTend. It appeared that HDRB induces a backward shift in the circadian period of RR and QTend, and a forward shift after the end of the bed rest, where recovery was visible already after seven days. The nutritional countermeasure did not appear to have an effect in compensating this circadian shift. The amplitude of the series was affected too, with a decrease during the bed rest epoch. Nevertheless, the induced deconditioning is reversible. As regards Cosinor amplitude at R+0, while RR amplitude showed no statistical difference compared to BCD-9 in both groups, indicating that the recovery has already occurred, QTend was significantly higher than BCD-9 for the CTRL group only, with a significant difference in respect to the CM group. Therefore, the nutritional countermeasure may have helped in a correct recovery in the Cosinor amplitude values of QTend interval after the bed rest conclusion. Finally, ventricular repolarization dynamicity was evaluated through QTend-RR and QTp-RR correlations. Their correlation coefficients decreased during the bed rest epochs in both groups, indicating a weaker relationship between repolarization durations and heart rate. Conversely, after the end of the BR, the CTRL group presented a significant post-bed rest increase in both indices’ values compared to BCD-9, not visible in CM group. The correlation slopes decreased during BR in both groups, while the CTRL group presented significantly increased slopes at R+0 and R+7: steeper slopes could be associated with higher risk of arrhythmic events (Chevalier, et al., 2003). In this context, the countermeasure may have been helpful in avoiding the steepening of the slopes after the end of the bed rest session.

Introduzione La permanenza nello spazio espone gli astronauti a variazioni dell’ambiente esterno: la condizione di microgravità comporta per corpo umano cambiamenti sia da un punto di vista meccanico che elettrico, portando al decondizionamento dei diversi sistemi fisiologici. Inoltre, influenza negativamente le dinamiche del sistema cardiovascolare, producendo cambiamenti nel controllo autonomo del sistema cardiovascolare, ripercuotendosi anche sui parametri elettrocardiografici. Alterazioni simili possono ulteriormente portare a variazioni del ritmo circadiano, un importante regolatore interno della frequenza cardiaca e di altri processi fisiologici. Obiettivi L’obiettivo di questa tesi è di valutare, usando diversi strumenti computazionali, i cambiamenti indotti dalla condizione di microgravità simulata tramite head-down bed rest (HDBR) di lunga durata (60 giorni) sull’ECG, in termini di frequenza cardiaca, ripolarizzazione ventricolare e relativa relazione, oltre che all’impatto sulla circadianità. Inoltre, avendo dati provenienti sia da un gruppo di controllo (CTRL) sia da un gruppo di contromisura (CM), un secondo scopo della tesi è quello di valutare l’efficienza della contromisura nutrizionale applicata durante l’HDBR con lo scopo di contrastare le modificazioni indotte dal HDBR. Materiali Per questo lavoro sono stati considerati venti soggetti maschi sani provenienti da due sessioni sperimentali di HDBR di lunga durata (60 giorni). 10 volontari hanno assunto una contromisura nutrizionale (gruppo CM) durante l’HDBR, mentre gli altri 10 sono stati considerati come gruppo di controllo (CTRL). Gli ECG Holter 24 ore sono stati acquisiti per tutti i soggetti in momenti specifici: 9 giorni prima dell'inizio dell'HDBR (BCD-9), cinque, ventuno e cinquantotto giorni dopo l'inizio dell'HDBR (HDT5, HDT21 e HDT58 rispettivamente), il primo giorno dopo la fine di HDBR (R + 0) e otto giorni dopo (R + 7). Metodi I parametri estratti da ogni ECG Holter 24 ore acquisito sono: - RR, QTend, QTu, QTp, QTd e Tamp; - i parametri spettrali: total HRV power, HRV LF power, HRV HF power, normalized HRV LF power, normalized HRV HF power. Dopo aver opportunamente filtrato e pre-processato tutte le serie, le analisi sono state condotte sui seguenti parametri: - RR, QTend, QTu, QTp, QTd and Tamp; - total HRV power, normalized HRV LF power, normalized HRV HF power e il rapporto LF/HF ottenuto dal rapporto tra HRV LF e HF power. Le serie di RR, QTend, QTu, QTp, QTd e Tamp sono state rappresentate attraverso grafici raffiguranti i loro valori medi ± std ogni 15 minuti. Sono state costruite delle tabelle riassuntive, suddivise in periodi diurni e notturni per ciascun gruppo: la significatività dei risultati ottenuti è stata testata attraverso i test ANOVA e Tukey HSD per la valutazione longitudinale e attraverso il Mann-Whitney U Test per la valutazione trasversale. Allo stesso modo, anche per le serie di HRVpower, HRVnormLF, HRVnormHF e rapporto LF/HF sono stati ottenuti sia i grafici rappresentanti i valori delle loro mediane ogni 15 minuti, sia le tabelle riassuntive suddivise in periodi diurni e notturni per ciascun gruppo. La significatività dei risultati ottenuti è stata testata attraverso il Wilcoxon Signed Rank Test per la valutazione longitudinale e attraverso il Mann-Whitney U Test per la valutazione trasversale. Al fine di esaminare meglio la circadianità dei parametri biologici da un punto di vista macroscopico, è stato applicato alle serie RR e QTend di ogni singolo soggetto in ogni specifico momento considerato un metodo di analisi di regressione periodica ampiamente utilizzato in cronobiologia, la Cosinor analysis. I valori di output erano la MESOR, l'Ampiezza, l'acrophase e un p-value ottenuto dallo Zero Amplitude Test che indica se l’andamento delle serie dei dati di input è circadiano o meno. Per ogni singolo soggetto in ogni momento sono stati realizzati i grafici della curva di adattamento del coseno e per i gruppi CM e CTRL sono state costruite le tabelle riassuntive dei parametri di media ± std di RR e QTend, evidenziando le significatività derivanti ​​dai test statistici. I test condotti sono stati il ​​Wilcoxon Signed Rank Test per la valutazione longitudinale e il Mann-Whitney U Test per quella trasversale. Infine, le correlazioni QTend-RR e QTp-RR per il solo periodo notturno sono state calcolate al fine di valutare possibili cambiamenti nella relazione tra frequenza cardiaca e ripolarizzazione ventricolare. I due parametri di output valutati per questa analisi sono il coefficiente di correlazione r2 e la pendenza. I test statistici condotti per la valutazione di r2 e della pendenza delle correlazioni QTend-RR e QTp-RR sia per i gruppi CM che CTRL ad ogni specifico momento, sono stati il ​​Wilcoxon Signed Rank Test per la valutazione longitudinale e il Mann-Whitney U Test per quella trasversale. Discussione e Conclusioni I risultati ottenuti indicano che la condizione di microgravità, simulata tramite HDBR, influenza i parametri temporali derivati dall’ECG: gli intervalli RR, QTend, QTu, QTp, QTd presentano un aumento significativo in particolare all’inizio del bed rest. Successivamente si verifica un adattamento di tali parametri a valori comparabili con quelli registrati prima dell’inizio del BR. Questa nuova omeostasi viene raggiunta entro 21 giorni di bed rest, oppure in un tempo più lungo (HDT58) e, in alcuni casi (QTend, QTu, QTd del gruppo CTRL-notte), corrisponde a un accorciamento rispetto ai valori di BCD-9. Ad HDT58, prestando particolare attenzione alla notte, è possibile notare che il gruppo CM presenta un recupero sia in RR che in tutti i valori relativi all’intervallo QT, mentre in gruppo CTRL presenta un recupero dell’intervallo RR ma non degli intervalli QTend, QTu, QTd, che risultano più brevi rispetto al BCD-9. Questa condizione può essere legata ad una carenza di potassio nel gruppo CTRL: la contromisura nutrizionale impiegata sembrerebbe fornire un adeguato dosaggio di potassio. Tuttavia i test statistici non evidenziano significatività tra i due gruppi. Al termine del bed rest gli intervalli RR, QTend, QTu, QTp, QTd risultano ridotti rispetto ai valori pre-bed rest, senza però raggiungere un recupero completo di tale condizione a R+7: questo significa che, nonostante la condizione di microgravità simulata tramite HDBR produca un decondizionamento reversibile, 8 giorni non sono sufficienti per un recupero completo. Nuovamente, nessuna significatività inter-gruppo è stata evidenziata dai test statistici. L’ampiezza dell’onda T, legata alla fase di ripolarizzazione ventricolare, presenta variazioni connesse al bed rest: dopo un incremento iniziale (HDT5), essa presenta una diminuzione, e raggiunge il valor minimo a R+0. I test statistici non hanno evidenziato alcuna differenza significativa tra i due gruppi, il che evidenzia il fatto che la contromisura utilizzata non ha un effetto di accelerazione o miglioramento nell’adattamento alla condizione di microgravità, né nel recupero post-bed rest. I parametri spettrali dell’HRV mostrano un adattamento del tono autonomo sulla regolazione dell’attività elettrica del cuore: il tono vagale appare crescere durante il bed rest, specialmente al suo inizio, e decrescere dopo la fine del bed rest, con una maggiore influenza del sistema nervoso simpatico. Ciò è dimostrato dall’HF power dell’HRV che cresce ad HDT5, e decresce nei successivi momenti considerati del bed rest, mostrando un leggero adattamento ad HDT58 solo per il gruppo CM; il picco di decrescita si vede durante il recupero, in particolar modo a R+0. Le LF power dell’HRV presentano un lieve aumento ad HDT5 e una leggera diminuzione ad HDT21 e HDT58; anche in questo caso il punto massimo di decrescita si trova durante il recupero, in particolare ad R+0. In relazione a questi andamenti, il rapporto LF/HF, maggiormente influenzato dall’HF power dell’HRV, diminuisce significativamente ad HDT5 e HDT21 per il gruppo CM e solo durante il giorno per il gruppo CTRL; presenta per quel gruppo un recupero ad HDT58, in cui invece il gruppo CTRL mostra già un significativo aumento. Il picco massimo di crescita del rapporto LF/HF è a R+0, dovuto all’adattamento dell’HF power dell’HRV. Nel gruppo CM c’è un recupero a R+7, che non avviene invece per il gruppo CTRL. La contromisura nutrizionale può in questo senso essere d’aiuto per il riadattamento della bilancia simpatovagale, anche se nel complesso non sono state riscontrate differenze significative tra i due gruppi. I parametri derivati dalla cosinor analysis sono stati usati per effettuare considerazioni sulla circadianità dei parametri RR e QTend. Dai risultati evince che l’HDBR produce un’anticipazione nel periodo circadiano di RR e QTend, e una posticipazione in seguito al termine del bed rest. A R+7 è già visibile un recupero delle condizioni pre-bed rest. La contromisura utilizzata non ha avuto effetto nel compensare la variazione del periodo circadiano. L’ampiezza delle serie ha subito una diminuzione durante la sessione di BR. Ad ogni modo il decondizionamento indotto è risultato reversibile. In particolare è stato notato che, mentre l’ampiezza dell’RR non mostra differenze significative rispetto a BCD-9 in entrambi i gruppi già a partire da R+0, l’ampiezza di QTend è significativamente maggiore rispetto a BCD-9 solo nel gruppo di controllo. In questo caso, la differenza inter-gruppo è risultata significativa, e dunque la contromisura nutrizionale potrebbe aver contribuito ad un corretto recupero dei valori di ampiezza, derivati dalla cosinor analysis, del QTend al termine del bed rest. Infine, la dinamicità della ripolarizzazione ventricolare è stata valutata attraverso le correlazioni QTend-RR e QTp-RR. I loro coefficienti di correlazione decrescono in tutti i momenti del bed rest in entrambi i gruppi, indicando una debole relazione tra le durate di ripolarizzazione e frequenza cardiaca. Dopo il termine del bed rest, il gruppo CTRL presenta invece un aumento significativo rispetto al BCD-9 di entrambi i valori, non visibile invece nel gruppo CM. Le pendenze della correlazione decrescono invece durante il BR in entrambi i gruppi. Il gruppo CTRL presenta un incremento significativo della pendenza a R+0 e R+7: pendenze maggiori sono associate a un maggior rischio di aritmie (Chevalier, et al., 2003). In questo caso, la contromisura può essere stata d’aiuto nell’evitare questo fenomeno dopo il termine del BR.