肺毛细血管血量，膜弥散能力，及肺内动静脉吻合的评估期间行使
February 20th, 2017
为了评估锻炼肺扩散和血管的反应，我们描述了多吸入氧扩散能力的技术来确定毛细血管血量和膜弥散能力，以及搅动盐水超声造影评估肺内动静脉吻合的招聘。
该程序的总体目标是使用多级吸入氧 （FiO2）、弥散能力和对比增强超声心动图评估肺血管对运动的反应。这种方法有助于我们更好地了解肺循环如何对运动压力做出反应。该技术的主要优点是它可以应用于各种实验、临床和药理学条件，包括患有心脏病或肺病的参与者的运动期间。
演示屏气技术的将是我实验室的研究生 Wade Michaelchuk 和 Sophie Collins。执行对比超声心动图技术的将是心脏病专家 Sean van Diepen 医生。在开始手术之前，使用空气氧气混合系统将一个 60 升的非扩散道格拉斯袋装满 40% 氧气，另一个装满 60% 氧气。
连接两个大口径三通旋塞阀以调节吸入气体，并使用柔性非压缩管将道格拉斯袋连接到阀门系统。然后，将阀门系统连接到连接到质量流量传感器的测试气体进气组件的双向 T 形非再呼吸阀。将预呼吸阀和一氧化碳气体选择器切换到所选 FiO2 的适当方向，并指示受试者以感兴趣的强度开始循环，同时保持每分钟正负 3 次的心率。
达到稳态后，将鼻夹和咬嘴贴在受试者身上，并让受试者从 40% 氧气道格拉斯袋中正常呼吸五次。第五次呼吸后，指示受试者吸气至总肺活量，然后呼气至残余容积。当肺容量开始稳定时，按瓣膜系统键盘上的 F1 切换到一氧化碳气体，并指示受试者继续呼气 3 秒钟，然后吸入一氧化碳气体至总肺活量。
深吸一口气，一直吹出，继续推动，三、二、一，然后大口气吸气，向上，向上，向上，向上，向上，向上，六，五，四——从六秒开始倒数。三，二，一，吹出——并指示受试者再次呼气至残余量。很好，呼吸正常。
监测呼气过程中的甲烷轨迹，以确保斜率是水平的。此步骤的成功取决于测试者的技能和受试者在屏气期间遵循命令并保持冷静的能力。我们建议您在尝试此程序之前与受试者排练屏气的时间。
现在，取下咬嘴，让受试者循环至少两分钟，以洗掉残留的一氧化碳。然后，对剩余的 FiO2 重复屏气动作。为确保高质量的作，请确认肺泡体积在先前试验的 5% 以内，并且屏气时间约为 6 秒。
对于肺内动静脉吻合术 （IPAVA） 募集，首先将一根 20 号静脉导管插入受试者的肘前静脉之一。然后，使用一根 6 英寸的延长管将导管连接到三通旋塞阀上，并将两个 10 毫升注射器连接到旋塞阀上。为了产生静脉造影剂，将 10 毫升无菌盐水与零点 5 毫升空气混合，并通过旋塞阀快速来回搅动两个注射器，直到气泡最终悬浮。
指示受试者以 100 瓦的强度开始骑行练习。一旦达到稳态，请经验丰富的心脏病专家获得心脏的标准根尖四腔视图。继续搅拌生理盐水，直到心脏病专家准备好记录。
然后，在心脏病专家保持四腔视图的同时注射造影剂，并在右心室检测到造影剂后记录 15 个心动周期。超声图像的质量取决于超声医师在运动期间保持心脏所有四个腔室可接受图像的技术能力。然后，让对实验条件不知情的超声心动图师解释超声心动图是否存在 IPAVA。
毛细血管血容量和弥散量随着运动强度的增加而增加，这与扩大弥散容量以获得更大耗氧量的需求一致。事实上，在这个代表性实验中，超声心动图数据显示静息时没有 IPAVA 募集，但 IPAVA 评分随着运动强度的增加而增加。在受试者静止心脏的记录中，可以清楚地看到造影剂进入右心室。
即使在五个心动周期后，在左心室中也无法观察到造影剂，因此该参与者的静息 IPAVA 评分为零。这里显示了四个腔增强超声心动图的代表性描记。请注意，随着运动强度的增加，肺内动静脉吻合评分从静息时的 0 增加到最高运动强度时的 3。
一旦掌握，这项技术可以在两个小时内完成。在尝试此程序时，请务必记住指导志愿者正确的呼吸技巧和时机。在此程序之后，可以使用其他干预措施（例如药物输注）来回答有关肺循环的问题。
开发后，这项技术为肺生理学领域的研究人员探索人类肺弥散量的决定因素铺平了道路。观看此视频后，您应该对如何在休息和运动时评估肺血管系统有很好的了解。不要忘记，使用一氧化碳可能非常危险，并且在执行此程序时应始终采取预防措施，例如适当的房间通风。
概述
本文描述了一种技术，用于评估肺血管对运动的反应，使用多种吸入氧气分数和对比超声心动图。该方法提供了洞察力，了解肺循环如何适应运动压力，特别是在心脏或肺部疾病患者中。
关键研究组成部分
科学领域
- 肺生理学
- 运动生理学
- 心血管反应
背景
- 了解肺扩散能力对于评估呼吸健康至关重要。
- 运动可以显著影响肺血管反应。
- 对比超声心动图有助于可视化血流动力学。
- 测量肺反应的技术可以为临床实践提供信息。
研究目的
- 评估肺血管对运动的反应。
- 利用多种吸入氧气扩散能力进行评估。
- 探索运动期间肺内动静脉吻合的招募。
使用的方法
- 在运动过程中应用多种吸入氧气分数（FiO2）。
- 对比增强超声心动图以可视化肺血流。
- 呼吸保持技术以测量扩散能力。
- 在整个过程中监测心率和运动强度。
主要结果
- 毛细血管血容量和扩散能力随着运动强度增加。
- 在静息时未观察到IPAV吻合的招募；随着运动增加招募增加。
- 对比超声心动图有效可视化肺循环的变化。
- 适当培训后，该技术可以在两小时内完成。
结论
- 该方法增强了对肺反应于运动的理解。
- 它可以应用于各种临床和实验环境。
- 未来的研究可以基于这一技术进一步探索肺生理学。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of pulmonary capillary blood volume, membrane diffusing capacity, and IPAVA recruitment during exercise provides critical insight into vascular adaptation under physiological stress. These measurements enable biopharma teams to evaluate pulmonary function in both healthy and disease-relevant populations, supporting translational research and mechanistic de-risking for cardiopulmonary drug development. Integrating these techniques into early discovery and preclinical workflows enhances predictive confidence for portfolio advancement decisions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of pulmonary vascular response to stress for target validation in cardiopulmonary indications.
- Supports mechanistic de-risking by quantifying capillary recruitment and membrane diffusion changes during exercise.
- Facilitates identification of disease-relevant physiological endpoints for early-stage compound evaluation.
Screening & Assay Development
- Provides validated physiological readouts for screening compounds affecting pulmonary vascular function.
- Standardizes measurement of DLCO, Vc, and Dm across experimental conditions for reproducibility.
- Enables quantitative comparison of intervention effects on pulmonary diffusion and vascular adaptation.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical models with human physiological endpoints relevant to pulmonary hypertension and COPD.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by tracking vascular adaptation metrics.
- De-risks translational progression by linking mechanistic outputs to disease-relevant functional changes.
Pipeline & Workflow Integration
This method bridges early discovery, target validation, and preclinical research by providing quantitative, reproducible measures of pulmonary vascular adaptation to exercise.
- Discovery Biology: Quantifies vascular and membrane responses to physiological stress for hypothesis testing and pathway clarification.
- Screening: Delivers standardized, reproducible outputs (DLCO, Vc, Dm, IPAVA scores) for compound evaluation.
- Analytics: Enables statistical comparison of intervention effects on pulmonary function across conditions.
- Translational Research: Connects preclinical findings to human disease endpoints for risk-adjusted advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for cardiopulmonary functional assessment in diverse R&D programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in pulmonary target validation.
- Operational Value: Standardizes physiological measurements and supports reproducibility across studies.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk in cardiopulmonary portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of assets targeting pulmonary vascular adaptation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in pulmonary physiology, echocardiography, and gas diffusion measurement.
- Needs specialized instrumentation for gas delivery, mass flow sensing, and contrast echocardiography.
- Demands rigorous cross-team standardization of protocols and data interpretation.
- Adaptation across model systems may require protocol optimization for species or disease context.
- Safety precautions are essential when handling carbon monoxide and intravenous contrast agents.
