Cardiac function in diabetes mellitus patients: the interplay with exercise capacity and exercise intervention

Abstract

Approximately one in 15 adults suffer from diabetes mellitus in Belgium, of which most suffer from type 2 diabetes mellitus (T2DM) and a minority from type 1 diabetes mellitus (T1DM). T2DM is characterized by elevated blood sugar levels, partly resulting from a decreased insulin sensitivity at the target organs (e.g. liver and skeletal muscles) and therefore lower glucose uptake at these sites. Risk of premature death is elevated in diabetes patients, mostly resulting from diabetes complications. Cardiovascular diseases (CVD) are the major source of morbidity and mortality in diabetes patients. In order to minimize the risk for such complications, a tight glycaemic control is crucial. Exercise therapy exerts benefits on glycaemic control, in addition to other health-related benefits such as reduction in body weight. Diabetes patients often display a lower physical fitness (exercise capacity), which can be improved by exercise therapy. Within study 1, we investigated the cardiac function of adolescents suffering from T1DM, as the traditional risk factors for CVD (e.g. smoking, hypercholesterolemia) are generally less present in this group of patients. Despite an adequate global cardiac function, disease duration was negatively associated with pump function. This suggests that diabetes directly affects cardiac function (early in life). Within study 2, cardiac function of adult T2DM patients was compared with healthy controls during exercise, as symptoms of cardiac dysfunction often only occur or exaggerate when the heart is stressed. Although pump function was preserved, diabetes patients displayed a smaller deformation of the cardiac muscle, which persisted during exercise. As cardiac pump function and exercise capacity are tightly linked, study 3 aimed to investigate this in diabetes patients. A lower exercise capacity resulted from an impaired capacity to extract oxygen from the circulation. As the pump function was preserved, it remains to be verified whether exercise therapy would further improve this pump function. From literature (study 4) we known that exercise therapy can improve cardiac function, more specifically the relaxation phase (diastolic function), in diabetes patients. It should be noted that this literature primarily exists of studies in which diabetes patients already displayed anomalies in diastolic function prior to the exercise therapy. In study 5, T2DM patients followed a supervised exercise program (moderatecontinuous training (MCT) or a high-intensity interval training (HIIT) program). Both training programs improved the exercise capacity, glycaemic control and insulin sensitivity. However, at the start of the program, patients displayed a normal cardiac pump function and only the deformation of the cardiac muscle was improved by exercise training. The improved exercise capacity mainly resulted from a higher capacity to extract oxygen from the circulation. So, exercise therapy seems to be effective in solving the problem raised in study 3. The HIIT program resulted in improvements on the short term (12 weeks), although the MCT program seemed to be equally effective on the long term (24 weeks). This PhD project shows that diabetes negatively affects the cardiac function, even when glucose levels are tightly controlled and cardiac abnormalities do not yet result in significant problems with cardiac function (studies 1-3). Within this group of patients, exercise therapy should be tailored towards adaptations at the peripheral level (higher capacity to extract oxygen from the circulation). This could be achieved by starting with a HIIT program and afterwards following a MCT program to preserve the beneficial effects of exercise training. Hereby we expect that the improved exercise capacity can be preserved as well as improved insulin sensitivity, attributing to a better cardiovascular (and general) health in diabetes patients.

In België lijdt 1 op de 15 volwassenen aan diabetes mellitus, waarvan het grootste deel aan type 2 en een minderheid aan type 1 diabetes mellitus (T2DM en T1DM). Hoge bloedsuikerspiegels kenmerken T2DM, omdat er minder suiker wordt opgenomen in weefsels zoals de spieren of de lever, onder meer door een verminderde insulinegevoeligheid. Diabetespatiënten hebben een verhoogd risico om vroegtijdig te overlijden, vooral vanwege de complicaties. Hart- en vaatziekten vormen een groot aandeel hierin. Om het risico op dergelijke complicaties te verminderen is een strikte controle van de suikerspiegel cruciaal. Bewegingstherapie is hiervoor uitermate geschikt en biedt ook andere gezondheidsvoordelen (vb. gewichtsreductie). Daarnaast hebben diabetespatiënten vaak ook een verminderde fitheid (inspanningscapaciteit genoemd), hetgeen verbeterd kan worden door bewegingstherapie. In studie 1 hebben we de hartfunctie van adolescenten met T1DM getest. In deze groep zijn de traditionele risicofactoren voor hart- en vaatziekten (o.a. roken en hoge cholesterol) namelijk minder aanwezig. Ondanks een goede globale hartfunctie werd er een negatief verband vastgesteld tussen de ziekteduur en de pompfunctie van het hart. Dit suggereert dat diabetes rechtstreeks een invloed kan hebben op de hartfunctie, en dit reeds op jonge leeftijd. In studie 2 vergeleken we de hartfunctie van volwassen T2DM patiënten met personen zonder diabetes tijdens een inspanning aangezien symptomen van een verstoorde hartfunctie vaak pas optreden wanneer het hart onder stress komt. Ondanks een goede pompfunctie werd een slechtere vervorming van het hart vastgesteld bij de T2DM patiënten en deze persisteerde ook tijdens de inspanning. Gezien het verband tussen inspanningscapaciteit en hartfunctie hebben we dit specifiek onderzocht bij T2DM patiënten in studie 3. Een slechte inspanningscapaciteit was het resultaat van een verminderde capaciteit om zuurstof vanuit de bloedbaan in de spieren op te nemen. Omdat de pompfunctie van het hart normaal was rijst de vraag of bewegingstherapie deze nog kan verbeteren. Vanuit de literatuur (studie 4) weten we dat bewegingstherapie de hartfunctie, en meer specifiek de relaxatie van de hartspier, kan verbeteren bij diabetes patiënten. Het is belangrijk te vermelden dat deze literatuur vooral bestaat uit studies waarin diabetespatiënten reeds problemen met de relaxatie vertoonden. In studie 5 hebben T2DM patiënten een bewegingsprogramma gevolgd (een matig-intensief of een hoog-intensief programma). Beide programma’s verbeterden de inspanningscapaciteit, suikercontrole en insulinegevoeligheid. Aan de start vertoonden patiënten reeds een normale pompfunctie en enkel de vervorming van het hart verbeterde nog verder. De verbeterde inspanningscapaciteit was het resultaat van een grotere capaciteit om zuurstof vanuit de bloedbaan in de spieren op te nemen. Bewegingstherapie biedt dus een oplossing voor het probleem dat we in studie 3 aantoonden. Het hoog-intensief programma leidde sneller tot resultaten, maar op lange termijn leidde ook het matig-intensief programma tot verbeteringen. Dit doctoraatsproject toont aan dat diabetes een negatieve invloed heeft op het hart, zelfs bij een strikte controle van de suikerspiegel en zonder dat belangrijke problemen met de pompfunctie of relaxatie zich reeds manifesteren (studies 1- 3). Bij deze patiëntengroep zou bewegingstherapie vooral gericht moeten zijn op het verbeteren van de capaciteit om zuurstof op te nemen in de spieren, door bijvoorbeeld eerst een hoog-intensief programma te volgen en daarna een matig-intensief programma om de zo bekomen effecten te onderhouden. We verwachten dat op deze manier de verbeterde inspanningscapaciteit behouden blijft alsook de insulinegevoeligheid en dit op lange termijn de cardiovasculaire (en algemene) gezondheid van diabetespatiënten ten goede komt.