Siyatik sinir hasarında egzersiz ve mezenkimal kök hücre (MKH) uygulamalarının kassal performans üzerine etkisi
The effect of exercise and mesenchymal stem cell (MSC) applications on muscular performance in sciatic nerve damage
Yazar: OSMAN ÖZOCAK
Danışman: PROF. DR. BEKİR ÇOKSEVİM
Erciyes Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Egzersiz ve Sportif Performans Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizyoloji = Physiology
Dizin: Egzersiz = Exercise ; Elektroensefalografi = Electroencephalography ; Kas kontraksiyonu = Muscle contraction ; Kök hücreler = Stem cells ; Nörodejeneratif hastalıklar = Neurodegenerative diseases ; Periferik sinir hasarları = Peripheral nerve injuries ; Siyatik sinir = Sciatic nerve

Özet:
Nörodejeneratif rahatsızlıkların günümüzde yaygınlığı artarken, çok farklı tedavi yöntemlerinin sistem cevapları üzerinde yan etkilerinin olduğu bilinmektedir. Tedavi yöntemlerine katkı olması ihtimaliyle çalışmamızda siyatik sinir hasarı oluşturulmuş sıçanlarda egzersiz ve kök hücre uygulamalarının kassal performans üzerine olan etkilerini tespit etmek amacıyla bu çalışma gerçekleştirildi.
Çalışmada, Erciyes Üniversitesi (ERÜ) Etik Kurul Onayı ve ERÜ Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Birimi desteği (TDK-2019-980) alındıktan sonra 18 haftalık (300±60gr) Erkek Wistar Albino sıçan (36 adet) kullanıldı. Denekler rastgele altı gruba(n=6) ayrıldı. Gruplar; 1-Kontrol(K), 2-İntakt Egzersiz (İnt. E), 3-Opere Egzersiz (Op. E), 4-Mezenkimal Kök Hücre+Egzersiz (MKH+E), 5-Akut Mezenkimal Kök Hücre (MKH+A), 6-Gecikmiş Mezenkimal Kök Hücre (MKH+G) şeklinde belirlendi. Siyatik sinir hasarından 7 gün sonra yüzme egzersizleri (Morris ve proğramı) 4 hafta süreyle (5gün/30dk/hafta/25°C) uygulandı. 14 günlük sıçan kemik iliğinden elde edilen (36 milyon) MKH uygulamaları; 4 ve5.gruplara hasar oluşturulduktan hemen sonra, 6. gruba ise iki hafta sonra hasarlı siyatik sinir bölgesine 24 saat arayla toplam iki doz (2x106/0,5ml) şeklinde uygulandı. Sıçanlara uygulanan işlemler 35. gün tamamlandı. Deneyin başından itibaren belirli periyodik aralıklarla sıçanların fiziksel, fizyolojik özellikleri, motor fonksiyon testleri (balance beam testi, kavrama testi, siyatik fonnksiyon indeksi), kan glukoz ölçümleri değerlendirildi. Sıçanlarda deney başı, sinir hasarı sonrası ve deney sonunda, elektrofizyolojik ölçümlerden EKG, EEG, EMG, izometrik ve izotonik kontraksiyon güçleri değerlendirildi. Deneyin başı ve sonunda alınan kan örneklerinden, tam kan sayımı, elisa (İnsülin Benzeri Büyüme Faktörü-1(IGF-1)-Sinir Büyüme Faktörü (NGF)-Büyüme Hormonu (GH)), sitokin (Interlökin-10 (IL-10)- Kemokin (CXCL1)- Monosit Kemoatraktant Protein-1 (MCP-1)- Tümör Nekroz Factor alfa (TNF-α)) düzeyleri belirlendi. Çalışma süresince elde edilen tüm veriler, bilgisayar ortamında SPSS 22.0 programı  kullanılarak değerlendirildi ve anlamlılık düzeyi olarak 0,05 alındı.
Çalışmamızda; sıçanlarda siyatik sinir hasarı sonrasında, kilo ve BKİ kaybı, motor fonksiyon kayıpları ile birlikte, EKG'DE artan taşikardinin sonucu olarak R-R, QT, QTc intervallerinin sürelerinin azaldığı saptandı. EEG amplitüdlerinin azalmasıyla birlikte, kan glukoz düzeylerinde ise artan yönde önemli değişiklikler tespit edildi.
EMG ölçümlerinden latans, yanıt ve toplam süreleri ile izometrik ve izotonik kasılma ve yarı gevşeme zamanları uzarken, motor ve duyu sinir ileti hızı, amplitüd, tepe-tepe genlik, yüzde BKAP oranları ile izometrik ve izotonik kasılma düzeyi ve genlik amplitüdlerinin azaldığı tespit edildi. 
Deney sonunda sadece egzersiz, sadece MKH ve kombine MKH+Egzersiz uygulamalarının kilo ve BKİ düzeylerini arttırdığı, motor fonksiyon kayıplarını azalttığı, kan glukoz düzeylerini dengelediği görülürken, istirahat bradikardisinin (HR) sonucu olarak R-R, QT, QTc intervallerinin arttığı, EEG amplitüdlerinin azaldığı saptandı. EMG ölçümlerinden latans, yanıt ve toplam süreleri ile izometrik ve izotonik kasılma ve yarı gevşeme zamanlarının normal düzeylerine doğru kısalırken, motor ve duyu sinir ileti hızı, amplitüd, tepe-tepe genlik, yüzde BKAP değerleri ile izometrik ve izotonik kasılma gücü ve genliklerinin ise arttığı saptandı. 
Siyatik sinir hasarı oluşturulan sıçanlara akut dönemde uygulanan MKH, IGF-1 ve GH düzeylerini azaltırken, MKH'ın egzersiz ile birlikte uygulanmasının IGF-1 ve GH düzeylerini arttırdığı gözlendi. Kontrol grubuna göre GH düzeylerinde, İnt.E, Op.E, MKH/A ve MKH/G gruplarında anlamlı olarak azalma görülürken, IGF-1 düzeylerinde ise MKH/A grubunda anlamlı olarak azalma saptandı. NGF düzeylerinde kontrol grubuna göre İnt. E grubunda anlamlı artış görülürken, İnt.E grubuna göre tüm MKH gruplarında anlamlı azalma gözlendi. Kontrol grubuna göre, sadece egzersiz, sadece MKH/A ve MKH/G grupları ile kombine MKH+E gruplarında pro-inflamatuar sitokin (TNF-α) kemokin (CXCL-1), anti-inflamatuar sitokin (IL-10) düzeylerinin azaldığı belirlendi.  
Sonuç olarak mezenkimal kök hücre  ve egzersiz uygulanan gruplarda kas ve sinir rejenerasyonu, re-inervasyonu, kassal performans, fonksiyonel iyileşme ve nörolojik değerlendirme açısından olumlu ve anlamlı etkiler gözlemlendi. 
Egzersizin rehabilitasyon süreçlerinde tartışılmaz yararlı etkilerine, MKH uygulamalarınında doku onarımı üzerindeki etkisini güçlendirerek MKH'ın egzersizle birlikte sinerjik etki gösterdiği ve rehabilitasyon süreçlerinde bu tip uygulamaların önemli yararlar sağlayabileceği değerlendirildi. 
Anahtar Kelimeler: EEG; Egzersiz; EKG; EMG; İzometrik ve izotonik kontraksiyonlar; Kassal Performans; Mezenkimal Kök Hücre (MKH); Siyatik Sinir  Hasarı.

Abstract:
Introduction and Aim: While the prevalence of neurodegenerative disorders is increasing today, it is known that many different treatment methods have side effects on system responses. This study was carried out to determine the effects of exercise and stem cell applications on muscular performance in rats with sciatic nerve damage, which it may be contributed to treatment methods. 
In the study, 18-weeks-old (300±60gr) Male Wistar Albino rats (36 units) were used after Erciyes Univercity (EU) Ethics Committee Approval and EU Scientific Research Projects (SRP) Unit support (TDK-2019-980). The subjects were randomly divided into six groups (n=6). Groups were determined as; 1-Control(C), 2-Intact Exercise (Int. E), 3-Operated Exercise (Op. E), 4-Mesenchymal Stem Cell+Exercise (MSC+E), 5-Acute Mesenchymal Stem Cell (MSC+A) and 6-Delayed Mesenchymal Stem Cell (MSC+D). Swimming exercises (Morris and his program) were applied 7 days after the sciatic nerve injury for 4 weeks (5 days/30min/week/25°C),  MSCs obtained from fourteen- days-old rat bone marrow (36 million) were applied immediately after the injury to Groups 4 and 5 and it was applied two weeks later after the injury in group 6 to the damaged sciatic nerve area, in two doses (2x106/0.5 ml) with 24 hours intervals. The procedures applied to the rats were completed on the 35th day. The rat's physical and physiological characteristics, motor function tests (balance beam test, grip test, sciatic function index), blood glucose measurements were evaluated at certain periodic intervals from the beginning of the experiment. Electrophysiological measurements of ECG, EEG, EMG, isometric and isotonic contraction forces were evaluated in rats at the beginning of the experiment, after nerve damage and at the end of the experiment. Complete blood count, elisa (Insulin-Like Growth Factor-1(IGF-1)-Nerve Growth Factor (NGF)-Growth Hormone (GH)), cytokine (Interleukin-10 (IL-10)- Chemokine (CXCL1)- Monocyte Chemoatractant Protein-1 (MCP-1)- Tumor Necrosis Factor alpha (TNF-α)) levels were determined from blood samples taken at the beginning and end of the experiment.  All data obtained during the study were evaluated using the SPSS 22,0 program in computer and the significance level was taken as 0.05.
In our study; the R-R, QT, QTc intervals decreased as a result of increased tachycardia in the ECG, together with weight and BMI loss, loss of motor function in rats, after sciatic nerve damage. Significant changes were detected in blood glucose levels in an increasing direction, along with the decrease in EEG amplitudes. As EMG measurements latency, response and total times, isometric and isotonic contraction and half-relaxation times  were prolonged, while motor and sensory nerve conduction velocity, amplitude, peak-peak amplitude, percent CMAP ratios, isometric and isotonic contraction level and amplitude amplitudes decreased.
It was observed that only exercise, only MSC/A and combined MSC+Exercise applications increased weight and BMI levels, decreased motor function losses, and stabilized blood glucose levels, while the RR, QT, QTc intervals increased as a result of resting bradycardia (HR)  and EEG amplitudes decreased, at the end of the experiment. From the EMG measurements, it was determined that while the latency, response and total times, and isometric and isotonic contraction and half-relaxation times shortened towards their normal levels, motor and sensory nerve conduction velocity, amplitude, peak to peak amplitude, percent CMAP values, and isometric and isotonic contraction force and amplitudes increased. 
Compared to the control group, there was a significant decrease in GH levels, Int.E, Op.E, MSC/A and MSC/G groups, while a significant decrease was found in IGF-1 levels in the MSC/A group. MSC administered to rats with sciatic nerve damage in the acute period decreased IGF-1 and GH levels, while application of MSC together with exercise increased IGF-1 and GH levels. A significant decrease was observed in all MSC groups compared to the Int.E group while a significant increase was observed in NGF levels in the Int. E. group compared to the control group. It was determined that pro-inflammatory cytokine (TNF-α) chemokine (CXCL-1), anti-inflammatory cytokine (IL-10) levels decreased in exercise alone, only MSC/A and MSC/G groups, and combined MSC+E groups compared to the control group.
As a result, positive and significant effects were observed in terms of muscle and nerve regeneration, re-innervation, muscular performance, functional recovery and neurological evaluation in the groups that received mesenchymal stem cells and exercise. 
It was evaluated that the indisputable beneficial effects of exercise in rehabilitation processes, the synergistic effect of MSC with exercise by strengthening its effect on tissue repair in MSC applications, and that such applications can provide significant benefits in rehabilitation processes.
Keywords: ECG; EEG; EMG; Exercise; Isometric and isotonic contractions; Mesenchymal Stem Cell (MSC); Muscular Performance; Sciatic Nerve Damage.