Summary
Hier beschreiben wir eine einfache, nicht-invasive Ansatz mit Nah-Infrarot-Spektroskopie, um reaktiven Hyperämie, neurovaskuläre Kopplung und oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur in einem einzigen Besuch der Klinik oder im Labor zu beurteilen.
Abstract
Übung stellt eine große hämodynamische Belastung, die eine hochgradig koordinierten neurovaskuläre Reaktion verlangt, um die Sauerstoffzufuhr zu metabolische Nachfrage zu entsprechen. Reaktive Hyperämie (in Erwiderung auf einen kurzen Zeitraum von Gewebe Ischämie) ist ein unabhängiger Prädiktor für kardiovaskuläre Ereignisse und wichtige Einblicke in Kreislauf-Gesundheit und gefäßerweiternde Kapazität. Oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur ist ebenso wichtig für die Gesundheit und Krankheit, da sie die Energieversorgung für Myocellular Prozesse bestimmt. Hier beschreiben wir eine einfache, nicht-invasive Ansatz mit Nah-Infrarot-Spektroskopie um zu jeder dieser großen klinischen Endpunkte (reaktive Hyperämie, neurovaskuläre Kopplung und Muskel oxidative Kapazität) bei einem einzigen Besuch der Klinik oder im Labor zu beurteilen. Unser Ansatz ist anders als Doppler-Ultraschall, Magnet-Resonanz-Bilder/Spektroskopie, oder invasive Katheter-basierten Durchflussmessungen oder Muskel Biopsien weniger Betreiber abhängig, Low-Cost und völlig nicht-invasiv. Repräsentative Daten aus unserem Labor zusammen mit Zusammenfassung der Daten aus der bisher veröffentlichten Literatur illustrieren das Dienstprogramm eines jeden dieser Endpunkte. Sobald diese Technik beherrscht wird, wird Anwendung in klinischen Populationen wichtig mechanistischen Übungsintoleranz und kardiovaskuläre Dysfunktion Einblick in.
Introduction
Die Schleimhauthyperämie Antwort auf einen kurzen Zeitraum von Gewebe Ischämie ist als eine nicht-invasive Schlüsselmaßnahme der Gefäßfunktion (Mikro) aufgetaucht. Während der Verschluss einer Arterie Conduit erweitern nachgelagerte Arteriolen in dem Bemühen, die ischämische Beleidigung ausgeglichen. Nach Freigabe der Okklusion führt die verminderte Gefäßwiderstand Hyperämie, das Ausmaß der von der Fähigkeit der nachgelagerten Microvasculature erweitern diktiert wird. Reaktiven Hyperämie ein starker unabhängiger Prädiktor der kardiovaskulären Ereignisse1,2 und daher eine klinisch signifikante Endpunkt ist, zwar seine funktionelle Bedeutung, Toleranz und Lebensqualität auszuüben ist weniger klar.
Dynamische Übung stellt eine große Herz-Kreislauf-Belastung, die eine hochgradig koordinierten neurovaskuläre Reaktion verlangt, um die Sauerstoffzufuhr zu metabolische Nachfrage zu entsprechen. Durchblutung der Skelettmuskulatur kann beispielsweise fast 100fach während isolierten Muskel Kontraktionen3, erhöhen die Pumpleistung des Herzens überfordern würde, wenn eine hämodynamische Antwort auf Ganzkörper-Übung extrapoliert wurden. Dementsprechend zu vermeiden, schwere Hypotonie, sympathisch (d. h. Vasokonstriktor) Nerventätigkeit erhöht um Herzleistung vom inaktiv und viszeralen Gewebe, hin zum aktiven Skelettmuskulatur4neu zu verteilen. Sympathische Abfluss richtet sich auch an die Trainierenden Skelettmuskeln5; jedoch lokale metabolische Signalisierung dämpft die Vasokonstriktor Antwort zur Sicherstellung angemessener Gewebe Sauerstoff Lieferung6,7,8,9,10, 11. Kollektiv, dieser Prozess wird als funktionale Sympatholysis12bezeichnet und ist zwingend notwendig, um die normale Regulation des skelettartigen Muskels Blutfluss während des Trainings. Da Skelettmuskulatur Blutfluss ein Schlüsselfaktor für aerobe Kapazität ist – ein unabhängiger Prädiktor für Lebensqualität und Herz-Kreislauf-Krankheit Morbidität und Mortalität13— die Steuerung der Skelettmuskulatur Blut fließen und Gewebe Sauerstoff zu verstehen Lieferung während des Trainings ist von großer klinischer Bedeutung.
Sauerstoffzufuhr ist nur die Hälfte der Fick'schen Gleichung, jedoch mit Sauerstoffverwertung, die andere Hälfte der Gleichung zu befriedigen. Unter der großen bestimmt der Sauerstoffverwertung, Mitochondrien Oxidative Phosphorylierung spielt eine wesentliche Rolle bei der Versorgung ausreichend Energie für zelluläre Prozesse sowohl in Ruhe als auch während des Trainings. In der Tat können Beeinträchtigungen der Muskel oxidative Kapazität funktionale Kapazität und Qualität des Lebens14,15,16beschränken. Verschiedene Maßnahmen werden häufig verwendet, um einen Index der Muskel oxidative Kapazität, einschließlich invasiver Muskel Biopsien und teure und zeitaufwendige Magnet-Resonanz-Spektroskopie (MRS) Techniken zur Verfügung zu stellen.
Hier schlagen wir einen neuartige, nicht-invasive Ansatz mit Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS), um jede dieser drei großen klinischen Endpunkte (reaktive Hyperämie, Sympatholysis und Muskel oxidative Kapazität) in einem einzigen Besuch der Klinik oder im Labor zu beurteilen. Die wichtigsten Vorteile dieses Ansatzes sind dreifach: Erstens, diese Technik ist leicht zu transportieren, relativ kostengünstig und einfach durchzuführen. Doppler-Ultraschall-Ansätze zur Messung der reaktiven Hyperämie hoch Betreiber abhängig sind – erfordert umfangreiche Geschick und Training – und anspruchsvolle, kostenintensiven, Hardware und Post-Processing Datenerfassungssoftware erfordern. Darüber hinaus könnte dies unter Umständen in die Klinik und/oder großen klinischen Studien für Krankenbett Überwachung oder Prüfung der therapeutischen Wirksamkeit eingeführt werden. Zweitens durch die Methodik dieser Technik konzentriert sich speziell auf die Skelettmuskulatur Microvasculature, erhöht die allgemeine Besonderheiten der Technik. Alternative Ansätze mit Doppler-Ultraschall konzentrieren sich auf vorgelagerten Conduit Schiffe und schließen Änderungen flussabwärts, die das Signal dämpfen können. Drittens ist diese Technik völlig nicht-invasiv. Oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur wird traditionell mit invasiven bewertet und schmerzhaften Muskel Biopsien und funktionelle Sympatholysis mit intra-arterielle Injektion von Sympathomimetika und Sympatholytics beurteilt werden kann. Dieser Ansatz vermeidet diese Anforderungen alle zusammen.
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Protocol
Dieses Protokoll folgt den Richtlinien des institutionellen Fachkollegiums an der University of Texas at Arlington und richtet sich nach den Maßstäben, die die neueste Version von der Deklaration von Helsinki. Entsprechend, schriftliche Einwilligungserklärung war (und sollte) erzielten vor Beginn der Forschung Verfahren.
(1) Instrumentierung
Hinweis: Die folgende Beschreibung der Messtechnik basiert auf der Nah-Infrarot (NIR) Spektrometer und Daten-Erfassungssystem in unserem Labor verwendet (siehe Tabelle der Materialien). So enthalten die Anweisungen Schritte, die für die optimale Funktion dieser Geräte erforderlich sind. Diese Schritte umfassen die Kalibrierung der NIR-Sonde mit der beiliegenden Software und Kalibrierung phantom und die Anwendung der ein dunkles Tuch, Umgebungslicht auszuschließen. Die verschiedenen Daten-Sammlung-Hard- und/oder-Software verwendet werden, sollten Ermittler ihre eigenen spezifischen Benutzerhandbücher für Kalibrierung und ambient light Überlegungen konsultieren. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau und Instrumentierung sofort unten beschrieben.
- Weisen Sie das Thema in einem unteren Körper Unterdruck (LBNP) Kammer (Abbildung 1A), Rückenlage mit den Beinen liegen, damit ihre Gürtellinie etwa auch bei der Eröffnung der LBNP-Box ist. Anleitung zum Bauen einer LBNP-Kammer finden Sie unter Referenzen17.
- Platzieren Sie drei EKG Elektroden zum Thema: zwei in einer minderwertigen, Mitte-clavicular Lage und eine zum Thema der linken Seite mediale, Beckenkamm. Diese Konfiguration bietet die besten Ergebnisse aufgrund beschränkter Zugang zu den unteren Extremitäten, Instrumentierung der oberen Gliedmaßen und Armbewegung während Hand-Griff-Übung.
- Legen Sie eine nicht-invasive Blutdruck-Monitor-Modul auf das Thema dominante Handgelenk. Legen Sie die Finger Blutdruckmanschetten an jedem Finger und verbinden Sie sie mit dem Modul (Abbildung 1 b). Sicherstellen Sie, dass die Finger Blutdruckmanschetten gemäß der Bedienungsanleitung begleiten Ihr Gerät richtig kalibriert sind.
- Weisen Sie das Thema, Hand Grip Dynamometer (HGD) mit ihrem nicht-dominanten Arm in einer leicht entführten Position zu erfassen. Der Arm sollte bequem auf einem Nachttisch positioniert werden. Der Abstand und Winkel der HGD sollte angepasst werden, um optimale Griffstärke mit minimalen Armbewegung (Abbildung 1) zu ermöglichen.
- Sichern Sie die HGD auf einem Nachttisch.
- Messen Sie die maximale freiwillige Kontraktion (MVC) des Teilnehmers. Sagen Sie des Teilnehmers, dass, wenn Sie aufgefordert werden, sie die HGD so hart wie möglich zu pressen müssen und nur unter Verwendung von den Muskeln in der Hand und Unterarm. Weisen Sie dem Thema, dass sie rekrutieren ihren Oberarm, Brust, Schulter oder Bauchmuskeln bei der maximalen Grip verzichten müssen.
- Wiederholen Sie Schritt 1.6 dreimal durch mindestens 60 S. Datensatz die maximale Kraft erreicht (am besten 3) getrennt. Diese maximale Kraft wird verwendet werden, um die Trainingsintensität für oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur und neurovaskuläre Kopplung (siehe unten) zu berechnen.
- Legen Sie eine Rapid-Inflation Manschette um den Oberarm der Ausübung Hand. Verbinden Sie die Fluggesellschaft aus der rasanten Inflation Steuerung der Manschette.
- Identifizieren Sie die Flexor m.digitorum profundus. Verwenden Sie eine Haut-Stift, um die Grenzen des spürbar Muskels abzugrenzen.
- Sicherstellen Sie, dass die NIR-Spektrometer gemäß der Bedienungsanleitung im Lieferumfang Ihres Geräts richtig kalibriert ist. Reinigen Sie die Haut, über die die NIR-Sonde mit einer Alkohol-Prep-wischen positioniert werden.
- Legen Sie die NIR-Sonde über der Mitte des Bauches des Muskels (Flexor m.digitorum profundus) und befestigen Sie es sicher an den Unterarm.
- Wickeln Sie die Sonde und Unterarm mit dunklen Tuch, Minimierung von Störungen durch Umgebungslicht (Abbildung 1, Abbildung 1).
- Wenn Sie bereit sind, die funktionale Sympatholysis Teil der Studie durchzuführen, versiegeln Sie das Thema in die LBNP-Kammer.
(2) die Skelettmuskulatur Oxidative Kapazität
Hinweis: Eine repräsentative Daten Ablaufverfolgung veranschaulicht das experimentelle Verfahren zur Messung der oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur ist in Abbildung 2 dargestellt. Dieser Versuchsansatz zuvor gegen in Vivo Phosphor MRS18 und in Situ Muskel Respirometrie19validiert wurde und breite Akzeptanz20gewinnt.
- Instrument zum Thema, wie erwähnt (Instrumentation).
- Weisen Sie das Thema liegen noch für 2 min während Überwachung deoxyhemoglobin (HHb) und Oxyhemoglobin (HbO2) über die NIR-Sonde.
Hinweis: Dieser Ruhezeit ermöglicht das Thema wieder aus jeder Bewegung Artefakt verbunden mit dem Prozess Instrumentierung und sorgt für stabile Baseline-Messungen. Wenn nach 2 min keine erheblichen Schwankungen aufgetreten sind, kann das Thema in einem Steady-State oder ruhenden Grundlinie betrachtet. - Vor Manschette Okklusion Ihr Motiv zu benachrichtigen, dass Sie die Manschette aufpumpen werden werden. Pumpen Sie den Oberarm Manschette mindestens 30 MmHg über dem systolischen Blutdruck für 5 min (z.B. Suprasystolic). Weisen Sie das Thema, ihren Arm so still und entspannt wie möglich sowohl während der Manschette Inflation und folgenden Manschette Deflation zu halten.
Anmerkung: Diese 5 min zeigt brachial Arterie Manschette Okklusion Protokoll eng der derzeit anerkannte klinischen Standard für Gefäßverschlüssen21,22,23,24,25Tests. - Zeichnen Sie die initiale/Ausgangswert (vor Manschette Okklusion) und den Nadir-Wert der Gewebesättigung (StO2) während der Manschette Okklusion auf und bestimmen Sie die Mitte zwischen diesen beiden Werten.
- Das Thema von der Manschette Okklusion zu erholen und zurück zu der ruhenden Ausgangswerte zu ermöglichen. Sobald das Thema eine ruhende Baseline für mind. 1 vollen min beibehalten hat, weiter mit dem nächsten Schritt fort.
- Weisen Sie unter Squeeze und pflegen Sie einen isometrische Griff bei 50 % von ihrem MVC. Fördern Sie das Thema ihrer isometrischen Kontraktion beizubehalten, bis das Gewebe um 50 % entsättigt. Sagen Sie auf diesen Wert zu erreichen das Thema ihrer Hand zu entspannen und sie zu informieren, dass keine Übung oder mehr Bewegung erforderlich ist.
- Innerhalb von 3-5 s folgende Übung aufhören, verwalten die folgende schnelle Manschette Okklusion Serie (eine Serie = 1 Inflation + 1 Deflation), wie bereits etablierte18:
Serie #1 - 6: 5 s/5 s aus
Serie #7 - 10: 7 s/10 s aus
Serie #11-14:10 s/15 s aus
Serie #15-18:10 s/20 s aus - Weisen Sie nach Abschluss der Baureihe 18th Inflation/Deflation das Thema zur Ruhe, so dass Gewebesättigung zurück zum ursprünglichen Ausgangswerten. Nachdem diese Werte für mindestens 2 min konsistent geblieben sind, wiederholen Sie die Schritte 2.4 und 2.5.
-
Berechnung der Oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur
- Berechnen Sie die Steigung der Änderung in der StO-2für jede der einzelnen 18 Manschette Gefäßverschlüsse, bilden die Monoexponential Wiederherstellungspunkte in Abbildung 2dargestellt.
- Passen Sie die berechneten Daten von 2,7 bis zum folgenden Monoexponential Kurve18,19,26
y = Ende - Δ x e-kt
Hinweis: "y" ist die relative Muskeln Sauerstoff-Verbrauch (mV̇O2) beim Aufpumpen der Manschette, "End" steht für die mV̇O2 unmittelbar nach Beendigung der Übung; Delta ("Δ") bedeutet die Änderung in mV̇O2 vom Rest bis zum Ende der Übung; "k" ist die Armatur Rate konstant; ' t ' ist an der Zeit. Tau errechnet sich aus 1/k.
3. reaktive Hyperämie
Hinweis: Eine repräsentative Daten Ablaufverfolgung veranschaulicht das experimentelle Verfahren zur Messung der reaktiven Hyperämie ist in Abbildung 3dargestellt.
- Weisen Sie mit dem Thema liegende Rückenlage und instrumentierte an, wie oben (Instrumentation) beschrieben, das Thema möglichst ruhig zu liegen.
- Sobald das Thema einen konsistenten ruhenden Zustand erreicht hat, weiterhin mindestens 1 min Baseline-Daten aufzeichnen und dann schnell aufblasen einer Blutdruckmanschette am Oberarm mit einem Suprasystolic Druck (30 MmHg über dem systolischen Blutdruck).
- An der 5 min-Marke schnell Entleeren der Manschette während der Aufnahme der Schleimhauthyperämie Reaktion.
- Weiter Aufnahme mindestens 3 Minuten lang um das Thema Erholung zu erfassen.
-
Berechnung der reaktiven Hyperämie
Hinweis: Die NIRS-Parameter berechnet sind in Abbildung 3 dargestellt.- Baseline StO2 als die durchschnittliche StO2 über 1 volle min vor Beginn der arteriellen Manschette Okklusion zu berechnen.
- Bestimmen der Skelettmuskulatur Grundumsatz als die Entsättigung Rate (d.h., durchschnittliche Steigung) während Manschette Okklusion (definiert als Steigung 1)27,28.
- Reaktiven Hyperämie ist wie folgt zu berechnen:
(a) die durchschnittliche Upslope nach Manschette Veröffentlichung (d. h. Reperfusion Rate, als Steigung 2 definiert), berechnet ab dem Zeitpunkt der Manschette Freigabe durch die linear zunehmende Phase der Rebound Spur;
(b) der höchsten Wert der StO2 erreicht nach Veröffentlichung der Manschette (gekennzeichnet als StO2max);
(c) der reaktiven Hyperämie Fläche unter der Kurve (AUC); berechnet aus der Zeit der Manschette Release, 1-, 2- und 3-min post-Manschette-Okklusion (AUC 1-min, AUC 2-min, und AUC 3-min, beziehungsweise); und
(d) die Schleimhauthyperämie reservieren, als die Änderung in StO2 über dem Ausgangswert berechnet und als eine Veränderung in Prozent (%) gemeldet. Dieser Wert errechnet sich aus der höchsten Sättigung erreicht während der Post-okklusive rebound abzüglich der durchschnittliche Sättigung in Schritt 3.5.1 (s.o.) berechnet.
Hinweis: Große Unterschiede in der Baseline-Daten werden die Interpretation der Schleimhauthyperämie Reserve stark beeinträchtigen.
4. funktionale Sympatholysis
Hinweis: Eine repräsentative Daten Ablaufverfolgung veranschaulicht das experimentelle Verfahren zur Messung der funktionellen Sympatholysis ist in Abbildung 4dargestellt.
- Instrument zum Thema, wie erwähnt (Instrumentation).
- Eine luftdichte Versiegelung in der LBNP-Kammer zu gewährleisten.
- Sammeln Sie mit dem Thema liegen noch und in Ruhe 3 min von Basisdaten.
- 3 min-Markierung aktivieren Sie das Vakuum. Einstellen Sie das Vakuum so, dass der Druck im Inneren der Kammer LBNP zwischen-20 und -30 MmHg ist. Das Vakuum für 2 min laufen, während der Überwachung des Subjekts Reaktion zu ermöglichen.
- Schalten Sie bei der 5 min-Markierung das Vakuum und lassen Sie das Thema 3 min ruhen.
- Bei der 8 min-Markierung, initiieren die Sprachansage leiten das Thema durch die rhythmische Hand-Griff-Übung (20 % MVC).
- Bestätigen Sie, dass das Thema ihrer Squeeze während der Ganzheit jeder spannenden Phase Pflege und Entspannung völlig während zwischen jeder Wiederholung. Ihre Kraft-Leistung überwachen und bestätigen, dass sie 20 % erreichen MVC mit jedem Griff. Übung bis 11 min. Mark weiter.
- 11 min-Markierung aktivieren Sie das Vakuum, das Thema weiterhin ihre rhythmische Bewegung fördern. Lassen Sie das Vakuum von 11-13 min laufen, dann schalten ihn aus.
- Haben Sie das Thema weiter ausführen rhythmische Hand Griff Übung bei 20 % aller ihrer MVC für eine zusätzliche 2 min. Haben Sie nach Beendigung der Übung den Thema Rest ruhig und still liegen.
-
Berechnung der funktionalen Sympatholysis
- Normalisieren Sie die Veränderung der Oxyhemoglobin mit LBNP zu labil Gesamtsignal (TLS), während 5 min Manschette Okklusion ermittelt:
- Berechnen Sie jedes Ereignis als die letzten 20 min Durchschnitt der jeweiligen Veranstaltung.
- Berechnen Sie die Übung-induzierte Dämpfung der Oxyhemoglobin Reduktion:
- Normalisieren Sie die Veränderung der Oxyhemoglobin mit LBNP zu labil Gesamtsignal (TLS), während 5 min Manschette Okklusion ermittelt:
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Representative Results
Oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur
Abbildung 2 veranschaulicht eine repräsentative Teilnehmer Antwort während einer NIRS-abgeleitete Skelettmuskulatur oxidative Kapazität Bewertung. Zentrale A zeigt die Gewebesättigung Profil während 5 min arteriellen Manschette Okklusion Protokoll, Handgriff Bewegung und intermittierende arterielle Okklusion während der Wiederherstellung von Bewegung. Zentrale B zeigt die erwarteten Gewebe Entsättigung/re-saturation-Profil während der intermittierende arterielle Gefäßverschlüsse während der Erholungsphase. Die Entsättigung ist direkt proportional zu der Rate der Sauerstoffverbrauch der Muskeln, und wird in Gruppe C für die intermittierende Manschette Okklusion Perioden gezeichnet. Die Wiederherstellungsdaten berechnete Muskeln Sauerstoff Verbrauch passt dann zu einer Monoexponential-Kurve und die Erholung Zeitkonstante abgeleitet. Mit dem gleichen Ansatz, haben eine wachsende Zahl von Studien oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur für Gesundheit und Krankheit, über eine Vielzahl von Muskelgruppen (Tabelle 1) ausgewertet.
Reaktive Hyperämie
Abbildung 3 illustriert die reaktiven Hyperämie NIRS-abgeleitete Profil während eines repräsentativen Gefäßverschlüssen Tests. Diese Vorgehensweise dient einem breiten Spektrum von Studienpopulationen und Muskelgruppen mit gutem Erfolg (Tabelle 2). Die Daten zeigen, dass NIRS-abgeleitete reaktiven Hyperämie bietet nicht nur wertvolle Einblicke in die vaskuläre Reaktivität, aber dass der Test leicht anpassbar und klinisch relevant ist.
Funktionelle Sympatholysis
Tabelle 3 enthält eine Zusammenfassung die bestehende Literatur mit der exakt gleichen neurovaskuläre Kopplung Ansatz zur Messung der funktionellen Sympatholysis, mechanistischen und klinisch relevante Ergebnisse zeigen hier beschriebenen. In gesunden Kontrollpersonen wenn milde Handgriff LBNP überlagert ist, ist der Reflexe Rückgang der Sauerstoffversorgung der Muskeln um ~ 50 % (Abbildung 4) abgeschwächt. Nichtbeachtung der sympathische (Vasokonstriktor) Nerven-Aktivität während des Trainings, wie bei Herz-Kreislauf- oder neurologische Erkrankung (Tabelle 3), dämpfen stört das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und Auslastung und bewirkt, dass funktionelle Muskel Ischämie.
Abbildung 1: Experimenteller Aufbau und Instrumentierung. (A) repräsentative Versuchsanordnung, mit einem typischen Thema liegend auf einem Bett mit ihren Beinen in der Kammer LBNP Rückenlage und voll instrumentierte. (B) dominanten Arm instrumentiert mit eine nicht-invasive Beat-to-Beat Blutdruckmessgerät für die Messung des arteriellen Blutdrucks Beat-to-Beat und einer Blutdruckmanschette brachial Arterie zur Kalibrierung und Überprüfung von Schlag zu Schlag-System. (C) Instrumentierung der nicht-dominanten Arm. Die Hand ist ein Handgriff-Dynamometer (verbunden mit Datenerfassungssystem) bequem greifen und der Unterarm-Muskel wird mit der Nah-Infrarot-Spektroskopie-Sonde instrumentiert. (D) sobald instrumentiert, fallen die NIRS-Optodes mit einem schwarzen Vinyl-Tuch (Beseitigung der Störungen durch Umgebungslicht). Darüber hinaus ist eine schnelle Manschette Inflation System über die brachial Arterie gelegt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Skelettmuskulatur oxidative Kapazität Protokoll. (A) Rohdaten Ablaufverfolgung aus einem repräsentativen Fach gemessen über NIRS Gewebesättigung (StO2) im Laufe der Zeit zeigen. Nach der Gründung einer stabile Basis, ist die brachiale Arterie der nicht-dominanten Arm für 5 min verschlossen, um das Thema Entsättigung Reserve (Differenz zwischen Basislinie StO2 und der Nadir) zu etablieren. Nach der Genesung von der Okklusion wird das Thema angewiesen, führen Sie einen 50 % isometrische Handgriff, gefolgt von 18 schnelle Manschette Inflation Serie Muskeln Sauerstoff Verbrauch Erholung Kinetik zu beurteilen. (B) Daten Analyse dann offline erfolgt durch die Berechnung der durchschnittlichen Neigung von jeder Manschette Okklusion Serie folgende Übung; anhand hypothetischer Manschette Okklusion Reihendaten veranschaulicht hier. (C) um die Wiederherstellung Zeitkonstante der Sauerstoffversorgung der Muskeln zu berechnen, ist die Neigung der einzelnen 18 schnelle Manschette Gefäßverschlüsse (z. B. Post-Exercise Muskel Sauerstoffverbrauch, mV̇O2) von A aufgetragen gegen die Zeit und passen zu einer Monoexponential Kurve. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3. Reaktive Hyperämie experimentelles Protokoll. Mit dem Thema Rückenlage liegend, aufzeichnen mindestens 1 min von Basisdaten, gefolgt von 5 min des gesamten arteriellen Manschette Okklusion und mindestens 3 min Erholung nach Veröffentlichung der Manschette. Beachten Sie die offensichtliche Überschneidungen zwischen der Skelettmuskulatur oxidative Kapazität (Abbildung 2) und dieses Protokoll. "Grundlinie" definiert den Zeitraum vor der arteriellen Manschette Okklusion. "Neigung 1: definiert die Entsättigung Rate während der Manschette Okklusion und gilt als ein Maß für die Skelettmuskulatur Stoffwechselrate im Ruhezustand. Der niedrigsten Wert StO2 während Ischämie ist definiert als "StO2 minimale" und gilt als ein Maß für den ischämischen Anreiz für Vasodilate. Die Gewebe Sättigung Reperfusion ist als "Hang 2" bezeichnet und ist ein Index der reaktiven Hyperämie; wie StO2 Maximum und der reaktiven Hyperämie "Area under the Curve" (AUC). Um einen Einblick in die Schleimhauthyperämie Reserve, drückt sich die StO-2 maximale als prozentuale Veränderung gegenüber dem Ausgangswert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4. Funktionelle Sympatholysis experimentelles Protokoll. Linken: Rohdaten Ablaufverfolgung aus einem repräsentativen Fach. Erlauben Sie mit dem Thema in der Kammer LBNP Rückenlage liegen 3 min der stationären Grundlinie Datenerhebung. Schalten Sie LBNP bis-20 MmHg für 2 min. Oxyhemoglobin/Myoglobin sollte als Reaktion auf den reflex sympathischen Vasokonstriktion (blauer Kreis, schraffierte Fläche) verringern. 2 min zur Wiederherstellung zu ermöglichen. Fragen Sie das Thema rhythmische Handgriff Übung bei 20 % MVC (gemessen vor der Datenerhebung). Wiederholen Sie nach 3 min rhythmische Übung-20 MmHg LBNP für 2 min während das Thema ausüben weiterhin, gefolgt von 2 min Übung ohne LBNP. Der Rückgang der Oxyhemoglobin/Myoglobin sollte deutlich abgeschwächte (roter Kreis, schraffierte Fläche). Wenn nicht bereits durchgeführt, Aufblasen einer Blutdruckmanschette über die brachial Arterie des Trainierenden Arms für 5 min, das Thema zahlreicher Entsättigung zu etablieren. Beachten Sie, dass die schattierten Bereiche in der Abbildung nur die Änderungen im Oxyhemoglobin/Myoglobin hervorheben sollen. siehe Protokoll für Details über die Ergebnis-Variablen zur Berechnung des Sympatholysis zu analysieren. Rechten Seite: LBNP-induzierte Veränderung im Oxyhemoglobin/Myoglobin in Ruhe und unter Belastung Handgriff berechnet aus den Daten auf der linken Seite. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Referenzdaten/Satz | Studienpopulation | Stichprobenumfang (n) |
Alter der Teilnehmer (Jahre ± SD) |
Tau (τ) (s) |
Muskel-Gruppe | NIRS Variable berichtet | Gerät |
| Brizendine Et Al. (2013) | Ausdauersportler | 8 | 25 ± 3 | 19 | Vastus lateralis | HBDiff/total Blutvolumen | Continuous wave (Oxymon MK III) |
| Ryan Et Al. (2014) | Junge, gesunde | 21 | 26 ± 2 | 55 | Vastus lateralis | HHb | Continuous wave (Oxymon MK III) |
| Südlichen Et Al. (2015) | Ältere Menschen | 23 | 61 ± 5 | 63 | Handgelenk flexor | HB-diff | Continuous wave (Oxymon MK III) |
| Ältere + Herzinsuffizienz | 16 | 65 ± 7 | 77 | Handgelenk flexor | Continuous wave (Oxymon MK III) |
||
| Adami Et Al. (2017) | Raucher mit normalen Spirometrie | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediale Unterarm | Gewebe-Sättigungsindex (TSI) | Continuous wave (Portamon) |
| COPD Gold 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediale Unterarm | Continuous wave (Portamon) |
||
| Erickson Et Al. (2013) | Verletzung des Rückenmarks | 9 | 43 ± 11 | 143 | Vastus lateralis | HbO2 | Continuous wave (Oxymon MK III) |
Tabelle 1: Übersicht der bisher veröffentlichten Berichte über die Gesundheit Kontinuum mit Nah-Infrarot-Spektroskopie, um oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur zu messen.
| Referenz | Studienpopulation | Muskel-Gruppe | Gemeldeten Ergebnisse | Ergebnis-Wert |
| Lacroix, J Biomed entscheiden, 2012 | Gesunde Männer | Unterarm | Peak-Oxyhemoglobin | 28,05 ± 3.15 ΜM |
| Höhepunkt insgesamt Hämoglobin | 10,56 ± 1,80 ΜM | |||
| Peak-HbO-Rate zu erhöhen2 | 0,75 ± 0,22 μM/s | |||
| Peak Total Hb-Rate zu erhöhen | 0,52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Periphere arterielle Verschlusskrankheit | Unterarm | Sauerstoff-Verbrauch | 0,68 ± 0,04 mL/min |
| Zeit zum Gipfel | 153 ± 16 s | |||
| Maximale Absolute Veränderung in HbO2 | 2,93 ± 0,22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, Reanimation, 2012 | Nach dem Herzstillstand ICU Admittants | Thenar Eminenz | Entsättigung Rate | -5.6 ± 2 %/min |
| Resaturierungs-Rate | 0,9 ± 0,6 %/sec | |||
| Dimopoulos, Respir Pflege, 2013 | Lungenarterie Hypertonie | Thenar Eminenz | Grundlinie Sättigung mit 21 % O2 | 65,8 ± 14,9 % |
| O2-Verbrauch mit 21 % O2 | 35.3 ± 9,1 %/min | |||
| Reperfusion Rate mit 21 % O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, bin J Physiol Herz Circ Physiol, 2007 | Organversagen und Sepsis | Unterarm | Grundlinie Sättigung | 84 % |
| Flussbettfilters Rate | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit Care Med, 2011 | Septischer Schock | Thenar Eminenz | Grundlinie Sättigung | 80 ± 1,0 % |
| Entsättigung Hang | -9.8 ± 3,7 %/min | |||
| Erholung-Hang | 2.3 ± 1,4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Gesunde Männer | M. Tibialis Anterior | Grundlinie Sättigung | 71,3 ± 2,9 % |
| Minimalen Sättigung | 44,8 ± 8,6 % | |||
| Entsättigung Hang | -0,1 ± 0,03 %/s | |||
| Erholung-Hang | 1,63 ± 0,5 %/s | |||
| Peak-Sättigung | 82,6 ± 2,3 % | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Gesunde Männer | M. Tibialis Anterior | Grundlinie Sättigung | 71,1 ± 2,4 % |
| Minimalen Sättigung | 46,2 ± 7,5 % | |||
| Peak-Sättigung | 82,1 ± 1,4 % | |||
| Erholung-Hang | 1,32 ± 0,38 %/s |
Tabelle 2: Zusammenfassung der bisher veröffentlichten Berichte über die Gesundheit Kontinuum mit Nah-Infrarot-Spektroskopie um zu reaktiven Hyperämie zu messen.
| Referenz | Studienpopulation | % Dämpfung |
| Nelson MD, J. Physiol, 2015 | Gesund | -57 |
| Becker muskulöse Dystrophie | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Gesund | -93 |
| Bluthochdruck | -14 | |
| Fadel, J. Physiol, 2004 | Pre-Menopause | -84 |
| Nach der Menopause | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Gesund | -74 |
| Duchenne-Muskeldystrophie | . + 7 | |
| Nelson MD, Neurologie, 2014 | Gesund | -54 |
| Duchenne-Muskeldystrophie | -7 | |
| Preis, Hypertonie, 2013 | Hypertonie-Vorbehandlung | -52 |
| Bluthochdruck-Post-Nebivolol-Behandlung | -97 | |
| Hansen, J. Clin. Investieren., 1996 | Gesunde Bewegung bei 20 % MVC | -92 |
| Gesunde Bewegung bei 30 % MVC | -125 |
Tabelle 3: Zusammenfassung der bisher veröffentlichten Berichte über die Gesundheit Kontinuum mit Nah-Infrarot-Spektroskopie in Kombination mit unteren Körper negativen Druck und Handgriff ausüben, funktionalen Sympatholysis zu beurteilen.
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Discussion
Die hier beschriebenen Methoden ermöglichen, nicht-invasive, klinische Bewertung der reaktiven Hyperämie, neurovaskuläre Kopplung und oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur in einem einzigen Besuch der Klinik oder im Labor.
Kritische Überlegungen
Obwohl NIRS relativ robust und einfach zu bedienen, Sammlung dieser Daten ist erfordern Sie eine sorgfältige Platzierung der Optodes direkt über den Bauch Muskel fest an Ihrem Platz zu vermeiden Bewegung Artefakt gesichert, und bedeckt mit einem schwarzen Vinyl-Folie in einem schwach beleuchteten Raum zu vermeiden Störungen des Nahen Infrarot von Fremdlicht. Darüber hinaus setzt erhalten Daten von guter Qualität stark auf klare Kommunikation zwischen Tester und das Thema und das Test-Team. Wir und andere haben festgestellt, dass wenn Sie mit entsprechender Sorgfalt und Aufmerksamkeit durchgeführt, NIRS hoch reproduzierbare innerhalb einer einzigen Studie besuchen und über mehrere Besuche10,11,24,29. Darüber hinaus sind die physiologischen Ergebnis Variablen hierin berichtet (d. h. Skelettmuskel oxidative Kapazität, reaktiven Hyperämie und neurovaskuläre Kopplung) empfindlich auf experimentelle/klinische Intervention, sowohl innerhalb als auch zwischen Studienbesuche 30 , 31 , 10 , 11.
Es gibt derzeit begrenzt Konsens für die entsprechende Berichterstattung über die NIRS-Ergebnis-Variablen. Beispielsweise haben bei der Messung oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur Ermittler die Wiederherstellung Kinetik von HbO232, HHb19, HbDiff30 und Gewebe O2 Sättigung (vorliegende Studie und andere33 passen ). Ebenso eine ähnliche Verbreitung in den Ergebnis-Variablen auch gemeldet wurden für NIRS-basierte reaktive Hyperämie. 34 , 35 , 36 , 37 Einige dieser Diskrepanz kann auf die Art der NIRS-Gerät verwendet, beziehen. Zum Beispiel Frequenzbereich Geräte (wie hier) bieten absolute Quantifizierung von HbO2 und HHb, und somit nicht durch akute Veränderungen im Hb-Gesamtgehalt (negiert die Notwendigkeit, die Daten zu korrigieren) betroffen sein könnten. Im Gegensatz dazu jedoch sind Dauerstrich-Geräte stark akute Veränderungen im gesamten Hämoglobin, erfordern Daten Korrektur25betroffen.
Modifikationen und Fehlerbehebung
Eine wichtige und derzeit unvermeidbare Einschränkung der NIRS ist seine begrenzten Eindringtiefe (~ 2 cm). Extremität Adipositas kann daher erheblich reduzieren – und sogar vollständig zu eliminieren – der NIRS-Signal und sollte in Betracht gezogen, beim potentiellen Versuchspersonen screening. Um dies zu kontrollieren, sollen Ermittler messen Unterarm Hautfalte Dicke und Teilnehmer mit signifikante periphere Adipositas auszuschliessen.
Alle Faktoren, die vaskuläre Reaktionsfähigkeit, neurovaskuläre Kopplung und/oder oxidative Kapazität der Skelettmuskulatur (z.B. Medikamente, genetische Mutationen, etc.) modulieren kann wirkt in der Tat der primäre Endpunkt-Messungen, die hierin beschriebenen . Ermittler sind daher aufgefordert, diese Faktoren berücksichtigt werden, wenn dieses Protokoll Anpassung und Planung zukünftige Experimente.
Zur Bestimmung der funktionellen Sympatholysis möge Ermittler eine zweite ruhende LBNP Herausforderung um sicherzustellen das Signal noch vorhanden ist und dass die Unterschiede während der Übung-LBNP nicht einfach durch einen Verlust des Signals oder Messung Fehler enthalten. Es empfiehlt sich, ca. 3-5 min erlauben das Oxyhemoglobin Signal auf vollständige Wiederherstellung in Ausgangswerte vor der Wiederholung der ruhenden LBNP-Herausforderung zu ermöglichen.
Zukünftige Anwendungen oder Richtungen nach Beherrschung dieser Technik
NIR-Spektroskopie verwendet Laserlicht, um die Konzentration von sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin im Gewebe zu beurteilen. Während der Messung der reaktiven Hyperämie und funktionelle Sympatholysis werden relative Änderungen dieser Parameter geglaubt, um Änderungen im mikrovaskulären Fluss darstellen. Diffuse Korrelation Spektroskopie (DCS) ist eine aufstrebende Nahinfrarot-Bildgebung nähern sich, neben der Bewertung der Konzentration von oxy- und deoxyhemoglobin, können auch mikrovaskulären Perfusion38quantifizieren. Angesichts der offensichtlichen Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden bildgebenden, Einbeziehung der DCS in der vorgeschlagenen Techniken wäre praktisch nahtlos und bieten zusätzliche Einblicke in die Quantifizierung der mikrovaskuläre Funktion und Perfusion.
Sobald diese Technik beherrscht wird, wird Anwendung in klinischen Populationen, z. B. mit Herzinsuffizienz, wichtige mechanistischen Übungsintoleranz und kardiovaskuläre Dysfunktion Einblick in.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch eine Universität von Texas in Arlington interdisziplinären Forschungsprogramm Zuschuss unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dual-channel OxiplexTS Near-infrared spectroscopy machine | Iss Medical | 101 | |
| NIRS muscle sensor | Iss Medical | 201.2 | |
| E20 Rapid cuff inflation system | Hokanson | E20 | |
| AG101 Air Source | Hokanson | AG101 | |
| Smedley Handgrip dynometer (recording) | Stolting | 56380 | |
| Powerlab 16/35, 16 Channel Recorder | ADInstruments | PL3516 | |
| Human NIBP Set | ADInstruments | ML282-SM | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE132 | |
| Quad Bridge Amp | ADInstruments | FE224 | |
| Connex Spot Monitor | Welch Allyn | 71WX-B | |
| Origin(Pro) graphing software | OrignPro | Pro | |
| Lower body negative pressure chamber | Physiology Research Instruments | standard unit |
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