Skeletmuskulatur neurovaskulære kobling, Oxidative kapacitet og mikrovaskulære funktion med 'Et Stop Shop' nær-infrarød spektroskopi
Summary
Her, beskriver vi en simpel, ikke-invasiv metode ved hjælp af nær-infrarød spektroskopi til at vurdere reaktiv hyperæmi, neurovaskulære kobling og skeletmuskulatur oxidative kapacitet i et enkelt klinik eller laboratorium besøg.
Abstract
Motion repræsenterer en større hæmodynamiske stress, der kræver en meget koordineret neurovaskulære reaktion for at matche ilttilførsel til metaboliske efterspørgsel. Reaktiv hyperæmi (i svar til en kort periode af væv iskæmi) er en uafhængig prædiktor for hjerte-kar-hændelser og giver vigtig indsigt i vaskulær sundhed og vasodepressivt kapacitet. Skeletmuskulatur oxidative kapacitet er lige så vigtigt i sundhed og sygdom, da den bestemmer energitilførslen til myocellular processer. Her, beskriver vi en simpel, ikke-invasiv metode ved hjælp af nær-infrarød spektroskopi til at vurdere hver af disse store klinisk slutpunkter (reaktiv hyperæmi, neurovaskulære kobling og muskel oxidative kapacitet) under en enkelt klinik eller laboratorium besøg. I modsætning til Doppler ultralyd, magnetisk resonans billeder/spektroskopi, eller invasive kateter-baserede flow målinger eller muskelbiopsier er vores tilgang mindre afhænger af operatøren, lave omkostninger og fuldstændig ikke-invasiv. Repræsentative data fra vores lab sammen med opsummerede data fra tidligere publicerede litteratur illustrerer nytten af hvert af disse punkter. Når denne teknik er mestret, vil overførelse at kliniske populationer giver vigtige mekanistiske indblik motion intolerance og hjerte-kar-dysfunktion.
Introduction
Den hyperemic svar til en kort periode af væv iskæmi er opstået som en nøgle non-invasiv måling af (mikro) vaskulær funktion. Under okklusion af en conduit arterie spile downstream arterioler i et forsøg på at udligne de iskæmisk fornærmelse. Ved udgivelse af okklusion, nedsat vaskulære modstand resulterer i hyperæmi, omfanget af som er dikteret af ens evne til at spile det efterfølgende microvasculature. Mens reaktiv hyperæmi er en stærk uafhængig prædiktor af hjertekarsygdom1,2 og derfor en klinisk signifikant slutpunkt, er dets funktionelle betydning at udvise tolerance og livskvalitet mindre klar.
Faktisk, dynamisk motion repræsenterer en større hjerte-kar-stress, der kræver en meget koordineret neurovaskulære reaktion for at matche ilttilførsel til metaboliske efterspørgsel. Skeletmuskulatur blodgennemstrømning kan for eksempel øge næsten 100 under isolerede muskel sammentrækninger3, som ville overvælde pumpekapacitet af hjertet, hvis sådan en hæmodynamiske svar blev ekstrapoleret til hele kroppen motion. I overensstemmelse hermed, at undgå alvorlige hypotension, sympatisk (dvs. vasokonstriktor) nervøs aktivitet øger for at omfordele minutvolumen fra inaktive og visceralt væv og mod aktive skeletmuskulatur4. Sympatisk udstrømning er også rettet til udøve skeletmuskulatur5; men lokale metaboliske signalering dæmper vasokonstriktor svar for at sikre tilstrækkelig væv ilt levering6,7,8,9,10, 11. kollektivt, denne proces kaldes funktionelle sympatholysis12, og er absolut nødvendigt for normal regulering af skeletmuskulatur blodgennemstrømning under træningen. Da skeletmuskulaturen blodgennemstrømningen er en afgørende faktor for aerob kapacitet – en uafhængig prædiktor for livskvalitet og hjertekarsygdomme morbiditet og dødelighed13— forståelse kontrol af skeletmuskulatur blod flow og væv ilt levering under træningen er af stor klinisk betydning.
Ilt levering er kun halvdelen af Fick ligning, dog med ilt udnyttelse opfylder anden halvdelen af ligningen. Blandt store determinates af ilt udnyttelse, mitokondrie oxidativ fosforylering spiller en væsentlig rolle i at levere tilstrækkelig energi til cellulære processer både i hvile og under træningen. Funktionsnedsættelse i muskel oxidative kapacitet kan faktisk begrænse funktionelle kapacitet og livskvalitet14,15,16. Forskellige foranstaltninger er almindeligt anvendt til at give en indeks af muskel oxidative kapacitet, herunder invasive muskelbiopsier og dyre og tidskrævende Kernemagnetisk resonans-spektroskopi (MRS) teknikker.
Her foreslår vi en roman, ikke-invasiv metode, ved hjælp af nær-infrarød spektroskopi (NIRS), til at vurdere hver af disse tre store klinisk slutpunkter (reaktiv hyperæmi, sympatholysis og muskel oxidative kapacitet) i en enkelt klinik eller laboratorium besøg. De store fordele ved denne tilgang er tredobbelt: først, denne teknik er let bærbar, relativt billig og nem at udføre. Nuværende Doppler ultralyd tilgange til at måle reaktiv hyperæmi er meget afhænger af operatøren — kræver omfattende færdigheder og uddannelse — og kræver sofistikerede, høje omkostninger, data erhvervelse hardware og efterbehandling software. Desuden kunne dette tænkes indført i klinik og/eller store kliniske forsøg for bedside overvågning eller test terapeutiske virkning. For det andet i kraft af metoden fokuserer denne teknik specifikt på skeletmuskulatur microvasculature, øge den samlede specificiteten af teknikken. Alternative metoder ved hjælp af Doppler ultralyd fokusere udelukkende på upstream conduit fartøjer og udlede ændringer nedstrøms, som kan dæmpe signalet. For det tredje, denne teknik er fuldstændig ikke-invasiv. Skeletmuskulatur oxidative kapacitet vurderes traditionelt med invasive og smertefuld muskelbiopsier og funktionelle sympatholysis kan vurderes med intraarteriel injektion af sympatomimetika og sympatholytics. Denne metode undgår disse krav alle sammen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De metoder, der beskrives heri aktiverer ikke-invasiv, klinisk evaluering af reaktiv hyperæmi, neurovaskulære kobling og skeletmuskulatur oxidative kapacitet i et enkelt klinik eller laboratorium besøg.
Kritiske overvejelser
Selvom NIRS er relativt robust og let at bruge, indsamling af disse data kræve omhyggelig placering af optodes direkte over musklen mave, sikret stramt for at undgå bevægelse artefakt, og dækket med en sort vinyl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en University of Texas i Arlington tværfagligt forskningsprogram grant.
Materials
| 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 |
References
- Huang, A. L., et al. Predictive value of reactive hyperemia for cardiovascular events in patients with peripheral arterial disease undergoing vascular surgery. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 27 (10), 2113-2119 (2007).
- Suryapranata, H., et al. Predictive value of reactive hyperemic response on reperfusion on recovery of regional myocardial function after coronary angioplasty in acute myocardial infarction. Circulation. 89 (3), 1109-1117 (1994).
- Richardson, R. S., et al. High Muscle Blood-Flow in Man – Is Maximal O2 Extraction Compromised. J of Appl Physiol. 75 (4), 1911-1916 (1993).
- Clifford, P. S., Hellsten, Y. Vasodilatory mechanisms in contracting skeletal muscle. J Appl Physiol. 97 (1), 393-403 (2004).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Jacobsen, T. N., Victor, R. G. Muscle metaboreflex triggers parallel sympathetic activation in exercising and resting human skeletal muscle. Am J Physiol. 266 (6 Pt 2), H2508-H2514 (1994).
- Thomas, G. D., Victor, R. G. Nitric oxide mediates contraction-induced attenuation of sympathetic vasoconstriction in rat skeletal muscle. J Physiol. 506 (Pt 3), 817-826 (1998).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Harris, S. A., Parsons, W. J., Victor, R. G. Differential sympathetic neural control of oxygenation in resting and exercising human skeletal muscle. J Clin Invest. 98 (2), 584-596 (1996).
- Rosenmeier, J. B., Fritzlar, S. J., Dinenno, F. A., Joyner, M. J. Exogenous NO administration and alpha-adrenergic vasoconstriction in human limbs. J Appl Physiol. 95 (6), 2370-2374 (2003).
- Fadel, P. J., Keller, D. M., Watanabe, H., Raven, P. B., Thomas, G. D. Noninvasive assessment of sympathetic vasoconstriction in human and rodent skeletal muscle using near-infrared spectroscopy and Doppler ultrasound. J Appl Physiol. 96 (4), 1323-1330 (2004).
- Nelson, M. D., et al. PDE5 inhibition alleviates functional muscle ischemia in boys with Duchenne muscular dystrophy. Neurology. 82 (23), 2085-2091 (2014).
- Nelson, M. D., et al. Sodium nitrate alleviates functional muscle ischaemia in patients with Becker muscular dystrophy. J Physiol. 593 (23), 5183-5200 (2015).
- Remensnyder, J. P., Mitchell, J. H., Sarnoff, S. J. Functional sympatholysis during muscular activity. Observations on influence of carotid sinus on oxygen uptake. Circ Res. 11, 370-380 (1962).
- Kodama, S., et al. Cardiorespiratory fitness as a quantitative predictor of all-cause mortality and cardiovascular events in healthy men and women: A meta-analysis. JAMA. 301 (19), 2024-2035 (2009).
- Westerblad, H., Place, N., Yamada, T., Rassier, D. E. . Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. , 279-296 (2010).
- Tyni-Lenné, R., Gordon, A., Jansson, E., Bermann, G., Sylvén, C. Skeletal muscle endurance training improves peripheral oxidative capacity, exercise tolerance, and health-related quality of life in women with chronic congestive heart failure secondary to either ischemic cardiomyopathy or idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J of Cardiol. 80 (8), 1025-1029 (1997).
- Cabalzar, A. L., et al. Muscle function and quality of life in the Crohn’s disease. Fisioter Mov. 30, 337-345 (2017).
- Esch, B. T., Scott, J. M., Warburton, D. E. Construction of a lower body negative pressure chamber. Adv Physiol Educ. 31 (1), 76-81 (2007).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Reynolds, M. A., McCully, K. K. A cross-validation of near-infrared spectroscopy measurements of skeletal muscle oxidative capacity with phosphorus magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 115 (12), 1757-1766 (2013).
- Ryan, T. E., Brophy, P., Lin, C. T., Hickner, R. C., Neufer, P. D. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy: a comparison with in situ measurements. J Physiol. 592 (15), 3231-3241 (2014).
- Adami, A., Rossiter, H. B. Principles, insights and potential pitfalls of the non-invasive determination of muscle oxidative capacity by near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. , (2017).
- Corretti, M. C., et al. Guidelines for the ultrasound assessment of endothelial-dependent flow-mediated vasodilation of the brachial artery – A report of the International Brachial Artery Reactivity Task Force. J Am Coll Cardiol. 39 (2), 257-265 (2002).
- Thijssen, D. H., et al. Assessment of flow-mediated dilation in humans: a methodological and physiological guideline. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 300 (1), H2-H12 (2011).
- Green, D. J., Jones, H., Thijssen, D., Cable, N. T., Atkinson, G. Flow-mediated dilation and cardiovascular event prediction: does nitric oxide matter?. Hypertension. 57 (3), 363-369 (2011).
- Southern, W. M., Ryan, T. E., Reynolds, M. A., McCully, K. Reproducibility of near-infrared spectroscopy measurements of oxidative function and postexercise recovery kinetics in the medial gastrocnemius muscle. Appl Physiol Nutr Metab. 39 (5), 521-529 (2014).
- Ryan, T. E., Erickson, M. L., Brizendine, J. T., Young, H. J., McCully, K. K. Noninvasive evaluation of skeletal muscle mitochondrial capacity with near-infrared spectroscopy: correcting for blood volume changes. J Appl Physiol. 113 (2), 175-183 (2012).
- Ryan, T. E., et al. Skeletal muscle oxidative capacity in amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 50 (5), 767-774 (2014).
- Mayeur, C., Campard, S., Richard, C., Teboul, J. L. Comparison of four different vascular occlusion tests for assessing reactive hyperemia using near-infrared spectroscopy. Crit Care Med. 39 (4), 695-701 (2011).
- McLay, K. M., et al. Vascular responsiveness determined by near-infrared spectroscopy measures of oxygen saturation. Exp Physiol. 101 (1), 34-40 (2016).
- McLay, K. M., Nederveen, J. P., Pogliaghi, S., Paterson, D. H., Murias, J. M. Repeatability of vascular responsiveness measures derived from near-infrared spectroscopy. Physiol Rep. 4 (9), (2016).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Brizendine, J. T., McCully, K. K. Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy. Med Sci Sports Exerc. 45 (12), 2346-2352 (2013).
- Southern, W. M., et al. Reduced skeletal muscle oxidative capacity and impaired training adaptations in heart failure. Physiol Rep. 3 (4), (2015).
- Ryan, T. E., Brizendine, J. T., McCully, K. K. A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. 114 (2), 230-237 (2013).
- Adami, A., Cao, R., Porszasz, J., Casaburi, R., Rossiter, H. B. Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD. Respir Physiol Neurobiol. 235, 18-26 (2017).
- Lacroix, S., et al. Reproducibility of near-infrared spectroscopy parameters measured during brachial artery occlusion and reactive hyperemia in healthy men. J Biomed Opt. 17 (7), 077010 (2012).
- Bopp, C. M., Townsend, D. K., Warren, S., Barstow, T. J. Relationship between brachial artery blood flow and total [hemoglobin+myoglobin] during post-occlusive reactive hyperemia. Microvasc Res. 91, 37-43 (2014).
- Willingham, T. B., Southern, W. M., McCully, K. K. Measuring reactive hyperemia in the lower limb using near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 21 (9), 091302 (2016).
- Kragelj, R., Jarm, T., Erjavec, T., Presern-Strukelj, M., Miklavcic, D. Parameters of postocclusive reactive hyperemia measured by near infrared spectroscopy in patients with peripheral vascular disease and in healthy volunteers. Ann Biomed Eng. 29 (4), 311-320 (2001).
- Gurley, K., Shang, Y., Yu, G. Noninvasive optical quantification of absolute blood flow, blood oxygenation, and oxygen consumption rate in exercising skeletal muscle. J Biomed Opt. 17 (7), 075010 (2012).
