Mesure de la capacité de diffusion pulmonaire du gaz à double test pendant l’exercice chez l’homme à l’aide de la méthode de la respiration unique

Résumé

Ce protocole présente une méthode d’évaluation de la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire mesurée par mesure combinée de la capacité de diffusion en monoxyde de carbone (D_{L, CO}) et en monoxyde nitrique (D_{L, NO)} pendant l’exercice. Les hypothèses et les recommandations pour l’utilisation de la technique pendant l’exercice constituent la base de cet article.

Résumé

La mesure combinée de la capacité de diffusion du monoxyde de carbone (_{D L,CO}) et de l’oxyde nitrique (D_L,NO) est une technique utile pour mesurer la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire chez les populations saines et les patients. La mesure fournit une estimation de la capacité du participant à recruter et à distendre les capillaires pulmonaires. Il a récemment été rapporté que la méthode présentait une grande fiabilité test-retest chez des volontaires sains lors d’exercices d’intensité légère à modérée. Il convient de noter que cette technique permet jusqu’à 12 manœuvres répétées et ne nécessite qu’une seule respiration avec un temps d’apnée relativement court de 5 s. Des données représentatives sont fournies montrant les changements progressifs de D_{L, NO} et D_{L, CO} du repos à l’exercice à des intensités croissantes allant jusqu’à 60 % de la charge de travail maximale. La mesure de la capacité de diffusion et l’évaluation de la réserve alvéolaire-capillaire sont un outil utile pour évaluer la capacité du poumon à répondre à l’exercice à la fois dans la population en bonne santé et dans les populations de patients tels que ceux atteints de maladies pulmonaires chroniques.

Introduction

L’exercice entraîne une augmentation considérable de la demande d’énergie par rapport à l’état de repos. Le cœur et les poumons réagissent en augmentant le débit cardiaque et la ventilation, ce qui entraîne une expansion du lit alvéolaire-capillaire, principalement le recrutement et la distension des capillaires pulmonaires¹. Cela garantit un échange gazeux pulmonaire suffisant, qui peut être mesuré par une augmentation de la capacité de diffusion pulmonaire (_{D L})^2,3,4. Les premières tentatives de mesure de_{D L} pendant l’exercice remontent à plus d’un siècle ^5,6,7. La capacité d’augmenter D_L à partir de l’état de repos est souvent appelée réserve alvéolaire-capillaire ^8,9.

Expérimentalement, les contributions relatives de la capacité de diffusion de la membrane alvéolaire-capillaire (D_M) et du volume sanguin capillaire pulmonaire (V_C) à la réserve alvéolaire-capillaire peuvent être évaluées par différentes méthodes, y compris la méthode classique des fractions multiples d’oxygène inspiré ()¹⁰. Une autre technique qui peut être utile dans ce contexte est la méthode des gaz à double essai, dans laquelle le D_L en monoxyde de carbone (CO) et l’oxyde nitrique (NO) (D_L,CO/NO) sont mesurés simultanément¹¹. Cette technique a été développée dans les années 1980 et tire parti du fait que la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine (Hb) est considérablement supérieure à celle du CO, de sorte que la diffusion pulmonaire du CO dépend davantage du_{V C} que du NO. Par conséquent, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO est situé dans le globule rouge, tandis que la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire¹². La mesure simultanée de D_L,CO et D_L,NO permet donc d’évaluer les contributions relatives de D_M et V_C à D_L¹², où la variation de D_L,NO observée pendant l’exercice reflète donc largement l’expansion de la membrane alvéolaire-capillaire. Un avantage supplémentaire de cette méthode lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice est qu’elle implique un temps d’apnée relativement court (~5 s) et moins de manœuvres par rapport à la technique classique , où plusieurs manœuvres répétées avec une apnée standardisée de 10 s sont effectuées à différents niveaux d’oxygène. Bien qu’il ait récemment été appliqué avec un temps d’apnée plus court et moins de manœuvres à chaque intensité¹³. Néanmoins, ne permet qu’un total de six manœuvres D_{L, CO} par session, alors que jusqu’à 12 manœuvres D_{L, CO / NO} répétées peuvent être effectuées sans aucun effet mesurable sur les estimations résultantes¹⁴. Ce sont des considérations importantes lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice, car une longue apnée et des manœuvres multiples peuvent être difficiles à effectuer à des intensités très élevées ou chez des patients souffrant de dyspnée.

Le présent article fournit un protocole détaillé, comprenant des considérations théoriques et des recommandations pratiques sur la mesure du D_L,CO/NO pendant l’exercice et son utilisation comme indice de la réserve alvéolaire-capillaire. Cette méthode est facilement applicable dans le cadre expérimental et permet d’évaluer comment la limitation de la diffusion dans les poumons peut affecter l’absorption d’oxygène dans différentes populations.

Théorie et principes de mesure
La méthode D_L,CO/NO implique une seule respiration d’un mélange gazeux en supposant que les gaz se répartissent uniformément dans l’espace alvéolaire ventilé après inhalation. Le mélange gazeux est constitué de plusieurs gaz, dont un gaz traceur inerte. La dilution du gaz traceur dans l’espace alvéolaire ventilé, en fonction de sa fraction dans l’air expiratoire en fin de course, peut être utilisée pour calculer le volume alvéolaire (V_A)¹⁵. Le mélange gazeux comprend également le CO et le NO, qui sont tous deux dilués dans l’espace alvéolaire ventilé et diffusent à travers la membrane alvéolaire-capillaire. Sur la base de leurs fractions alvéolaires, leurs taux individuels de disparition (k), également appelés constante diffusante, de l’espace alvéolaire peuvent être calculés. Par convention, le D_L d’un gaz d’essai mesuré au cours d’une manœuvre à respiration unique est calculé par l’équation¹⁶ suivante :

où F_A0 est la fraction alvéolaire du gaz d’essai (CO ou NO) au début de l’apnée de la manœuvre individuelle de_{D L} , tandis que F_A est la fraction alvéolaire du gaz d’essai à la fin de l’apnée et tBH est le temps d’apnée. D_L est mécaniquement équivalent à la conductance du gaz d’essai à travers la membrane alvéolaire-capillaire, à travers le plasma et l’intérieur des globules rouges jusqu’à l’hémoglobine. Elle dépend donc à la fois de la conductance de D_M et de la conductance dite spécifique du sang capillaire pulmonaire (θ), cette dernière dépendant à la fois de la conductance du gaz test dans le sang et de sa vitesse de réaction avec l’hémoglobine¹⁰. Étant donné que l’inverse de la conductance est la résistance, la résistance totale au transfert d’un gaz d’essai dépend des résistances suivantes de la série¹⁰ :

Ces composantes peuvent être distinguées en mesurant simultanément le D_L en CO et le NO, car ils ont des valeurs θ différentes, et leurs valeurs respectives de_{D L} dépendent donc différemment de V_C. La diffusion pulmonaire du CO dépend plus fortement du_{V C} que du NO, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO étant situé dans les globules rouges¹². En revanche, la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire, car la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine est nettement supérieure à celle du CO. Par conséquent, en mesurant simultanément le D_L,CO et le D_L,NO, les changements de D_M et de V_C affecteront nettement le premier, tandis que ce dernier dépendra beaucoup moins de V_C, permettant ainsi une évaluation intégrative des facteurs qui déterminent D_L.

La déclaration des mesures D_{L, CO/NO} peut être effectuée à l’aide de différentes unités. Ainsi, l’European Respiratory Society (ERS) utilise mmol/min/kPa, tandis que l’American Thoracic Society (ATS) utilise mL/min/mmHg. Le facteur de conversion entre les unités est de 2,987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

Protocole

Le comité d’éthique scientifique de la région de la capitale du Danemark a déjà approuvé la mesure du D_L,CO/NO au repos, pendant l’exercice et en position couchée chez des volontaires sains et des patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) dans notre établissement (protocoles H-20052659, H-21021723 et H-21060230).

REMARQUE : Avant de mesurer le D_{L, CO/NO} pendant l’exercice, une spirométrie dynamique et un test d’effort cardiopulmonaire (CPET) doivent être effectués. La spirométrie dynamique est utilisée pour le contrôle de la qualité des manœuvres individuelles D_{L, CO / NO}, tandis que le CPET est utilisé pour déterminer la charge de travail à laquelle D_{L, CO / NO} doit être mesuré pendant l’exercice. Chez les patients présentant une limitation du débit d’air, notamment en raison d’une maladie pulmonaire obstructive, il peut être avantageux de compléter la spirométrie dynamique par une pléthysmographie du corps entier pour obtenir une mesure valide de la capacité vitale. Un bilan médical pour exclure toute contre-indication connue avant de commencer la CPET est recommandé¹⁷. Il est important de noter que le CPET doit être effectué au moins 48 heures avant la mesure du D_{L, CO/NO} obtenue pendant l’exercice, car un exercice vigoureux antérieur peut affecter le D_L jusqu’à au moins 24 h^18,19.

1. Spirométrie dynamique

REMARQUE : La spirométrie dynamique doit être effectuée conformément aux directives cliniques actuelles de l’ERS et de l’ATS²⁰.

1. Mesurez le poids (à 100 g près) et la taille (à 1 mm près).
2. Demandez au participant de s’asseoir sur une chaise droite.
3. Effectuer une spirométrie dynamique lors d’une manœuvre périmée forcée pour identifier le volume périmé forcé en 1 s (VEMS₁) et la capacité vitale forcée (CVF) du participant, comme décrit ailleurs²⁰.

2. Test d’effort cardiopulmonaire (CPET)

REMARQUE : La TEPC doit être effectuée conformément aux recommandations cliniques actuelles²¹.

1. Ajustez le vélo ergomètre en fonction de la taille du participant et placez un moniteur de fréquence cardiaque (FC) sur la poitrine.
2. Placez le participant sur le vélo ergomètre. Équiper le participant d’un masque relié à un système de mesure métabolique, pour mesurer la ventilation et les échanges gazeux pulmonaires tout au long du test.
3. Demandez au participant de commencer à pédaler à un rythme choisi ≥60 tours par minute (RPM) et d’effectuer une période d’échauffement de 5 minutes à une charge de travail sous-maximale en fonction du niveau d’activité autodéclaré, de la condition physique quotidienne et de l’état de santé (par exemple, 15-150 W).
4. Augmentez la charge de travail de 5 à 20 W toutes les minutes jusqu’à ce que le participant atteigne l’épuisement volontaire. Les incréments doivent être basés sur le niveau de forme physique actuel du participant, de sorte que le test devrait se terminer 8 à 12 minutes après le début de la phase progressive.
5. Demandez au participant d’éviter tout autre exercice vigoureux pendant les 48 prochaines heures.

3. Étalonnage de l’équipement de capacité de diffusion d’une seule respiration

REMARQUE : Il est nécessaire d’étalonner les capteurs de débit et les analyseurs de gaz pour s’assurer que les mesures sont à la fois valides et fiables. La procédure exacte est spécifique au fabricant et à l’appareil. La procédure d’étalonnage, y compris la lutte biologique, doit être effectuée chaque jour d’étude, et si moins d’un jour d’étude est effectué par semaine, des étalonnages hebdomadaires supplémentaires doivent être effectués. Le dispositif expérimental est illustré à la figure 1.

1. Ouvrez le logiciel sur l’ordinateur et une période de préchauffage automatique de 50 minutes sera lancée pour assurer une température suffisante du pneumotache.
2. Assurez-vous que les récipients contenant les gaz d’essai sont ouverts (voir Figure 1D).
3. Effectuez un étalonnage du gaz en connectant d’abord la conduite d’échantillonnage du pneumotachymètre au plug-in de l’unité d’analyse MS-PFT appelé CAL (voir Figure 1B).
4. Lancez l’étalonnage du gaz en sélectionnant Étalonnage sur la page d’accueil (voir Figure 2A) et choisissez Étalonnage du gaz. Démarrez l’étalonnage en appuyant sur Start ou F1 (voir Figure 2B).
5. Fixez la conduite d’échantillonnage au pneumotachymètre lorsque l’étalonnage du gaz est effectué et accepté.
6. Effectuez un étalonnage du volume à l’aide d’une seringue valide de 3 L. Lancez l’étalonnage du volume en sélectionnant Étalonnage sur la page d’accueil (voir Figure 2A) et choisissez Étalonnage du volume. Démarrez l’étalonnage en appuyant sur F1 et suivez les instructions fournies par le logiciel (voir Figure 2C).
7. Assurez-vous que le sac inspiratoire est connecté à l’unité d’analyse MS-PFT (voir Figure 1C).
8. Complétez la procédure d’étalonnage en effectuant une mesure de contrôle biologique au repos en position assise. Cela doit être effectué par un non-fumeur en bonne santé pour assurer la fiabilité de la méthode. Si la variation d’une semaine à l’autre du sujet en D_{L, CO} ou D_L,NO varie de plus de 1,6 et 6,5 mmol/min/kPa (5 et 20 mL/min/mmHg), respectivement, la variation peut être due à une erreur de la machine et doit être étudiée plus en détail^{12, 22}.

4. Préparation du participant

1. Calculez la charge de travail souhaitée à partir des résultats précédents du CPET pour l’intensité choisie (% de la charge de travail maximale (W_max)) à laquelle le D_{L, CO/NO} sera mesuré.
2. Au moins 48 h après que le participant ait effectué le CPET, demandez au participant de retourner au laboratoire pour obtenir la mesure D_{L, CO/NO} pendant l’exercice.
3. Mesurez la taille (en cm au mm près), le poids (en kg à 100 g près) et l’Hb du sang capillaire (en mmol/L à 0,1 mmol/L près) du patient.
4. Sur la page d’accueil du programme, choisissez Patient > Nouveau patient (voir Figure 2A) et remplissez les données requises : Identification, Nom, Prénom, Date de naissance, Sexe, Taille et Poids du participant. Continuez en sélectionnant OK ou F1 (voir Figure 2D).

5. Mesure D_{L, CO / NO} pendant le repos vertical

REMARQUE : Les mesures de_{D L, CO/NO} sont effectuées conformément aux recommandations cliniques actuelles du groupe de travail¹² de l’ERS.

1. Sur la page d’accueil, choisissez Mesure > AUCUNE diffusion de membrane (voir Figure 2E).
2. Lancez la réinitialisation automatique du logiciel, pour mettre à zéro l’analyseur de gaz pour tous les gaz d’essai et pour lancer le mélange des gaz d’essai dans le sac inspiratoire connecté. Lancez la réinitialisation automatique en appuyant sur F1 (voir Figure 2F).
   1. La réinitialisation automatique prend 140-210 s. Respectez les instructions fournies par le logiciel pour savoir quand lancer la mesure. Il est important de lancer la mesure immédiatement lorsque le logiciel demande de connecter le patient.
3. Placez le participant sur une chaise verticale équipée d’un pince-nez. Expliquez au participant comment effectuer la manœuvre décrite ci-dessous.
   1. Demandez au participant d’utiliser le pince-nez et de commencer les respirations courantes normales par un embout buccal relié au pneumotache. Pour assurer un système fermé pour les mesures, assurez-vous que les lèvres du participant sont maintenues fermées autour de l’embout buccal.
   2. Après trois respirations normales, demandez au participant d’effectuer une expiration maximale rapide pour atteindre le volume résiduel (VD).
   3. Lorsque le RV est atteint, demandez immédiatement au participant d’effectuer une inspiration maximale rapide à la capacité pulmonaire totale (CCM), en ciblant un temps inspiratoire de < 4 s. Pendant l’inspiration maximale, une valve s’ouvre, permettant au participant d’inhaler le mélange gazeux mélangé à une concentration connue de NO (800 ppm NO/N₂) dans un sac inspiratoire juste avant l’inhalation.
   4. Demandez au participant d’effectuer une apnée de 5 (4-8) s à TLC. Pendant l’inspiration, un volume inspiré (V_I) ≥90 % de la CVF (ou capacité vitale basée sur la pléthysmographie) avec un temps d’apnée de 4 à 8 s est ciblé²³ (Tableau 1).
   5. Après l’apnée, demandez au participant d’effectuer une expiration maximale forte et régulière sans interruption.
   6. Après l’expiration maximale, demandez au participant de lâcher l’embout buccal et le pince-nez. Le logiciel calculera alors D_{L, NO} et D_{L, CO} sans aucune commande.
4. Utilisez des encouragements verbaux tout au long de la manœuvre pour vous assurer que le participant atteint le RV et le TLC. Évaluer l’acceptabilité de la manœuvre conformément au tableau 1.
5. Effectuer à nouveau la manœuvre après une période de lavage d’au moins 4 minutes, et jusqu’à ce que deux manœuvres remplissent les critères d’acceptabilité (tableau 1) ou jusqu’à ce qu’un total de 12 manœuvres (voir ci-dessous) aient été effectuées au cours de la même séance.
6. Le D_L, NO et D_{L, CO} sont déclarés selon les critères énoncés dans le tableau 2. Nous recommandons également que le temps d’apnée, le volume inspiré et le volume alvéolaire comme indiqué. De plus, le nombre de manœuvres acceptables et reproductibles doit être indiqué, et les constatations fondées sur les manœuvres qui ne répondent pas aux critères d’acceptabilité ou de répétabilité doivent être interprétées avec prudence.

6. Mesure D_{L, CO/NO} pendant l’exercice

REMARQUE : Une chronologie des mesures de_{D L, CO/NO} pendant l’exercice est fournie à la figure 3.

1. Placez le vélo ergomètre à une distance qui permet au participant de respirer à travers l’embout buccal sans avoir à changer de position de cyclisme. Augmentez la hauteur de l’équipement afin que les mesures puissent être effectuées avec une position de travail correcte sur le vélo (voir figure 2).
2. Placez le participant sur le vélo ergomètre et placez un moniteur de fréquence cardiaque sur la poitrine. Demandez au participant d’effectuer chaque manœuvre comme indiqué à l’étape 5.3.
3. Demandez au participant de commencer à pédaler pendant 5 minutes à une charge de travail sous-maximale, comme échauffement avant la mesure.
4. Augmentez la charge de travail à l’intensité cible tout en démarrant simultanément la réinitialisation automatique de l’appareil en appuyant sur F1 (voir étape 5.2). La réinitialisation automatique prend 140 à 210 s, ce qui est suffisant pour s’assurer que le participant a atteint l’état d’équilibre.
5. Lorsque la réinitialisation automatique est terminée, tournez l’embout buccal vers le participant et effectuez une manœuvre comme décrit ci-dessous pendant que le participant continue à pédaler à l’intensité cible.
   1. Suivez les étapes des étapes 5.4 à 5.5. Évaluer les critères d’acceptabilité et de répétabilité (tableau 1) à chaque charge de travail et rendre compte des mesures au repos (voir l’étape 5.6 et le tableau 2).
6. Une fois la manœuvre terminée, retirez l’embout buccal et réduisez la charge de travail à 15-40 W. Effectuez la phase de récupération active pendant 2 minutes, après quoi répétez les étapes 6.4 et 6.5. Les 2 min de récupération active et les 140-210 s pendant la réinitialisation automatique offrent une période de lavage suffisante de 4-5 min.

Résultats

Le protocole a été mis en œuvre en 2021 et au moment de la rédaction de cet article, un total de 124 mesures pendant l’exercice (c’est-à-dire 51 chez des volontaires sains et 73 chez des patients atteints de BPCO de différentes gravités) avaient été effectuées. Les manœuvres, ainsi que les données sur les critères d’acceptabilité et de répétabilité remplis et le taux d’échec sont tous fournis dans le tableau 3.

Calculs
À titre d’exemple, les calculs d’une seule manœuvre D_{L, CO/NO} sont fournis ici sur la base des données de la première manœuvre à 20 % de W_max dans le groupe sain, comme une étude de cas décrite ci-dessous. D’après les valeurs mesurées fournies dans le tableau 4, les valeurs suivantes sont calculées :

(BTPS)

où F_I est la fraction inspirée, V_I est le volume inspiré, et D_{D, inst} et V_{D, anat} sont respectivement l’espace mort instrumental et anatomique.

où F_I est la fraction inspirée, P_B est la pression barométrique et P_H2O est la pression de vapeur d’eau saturée, et où

Interprétation des résultats D_L,CO/NO obtenus pendant l’exercice
Le principal critère de jugement d’intérêt est D_L,NO, car le changement de D_{L, NO} du repos à une charge de travail spécifique est interprété comme fournissant une mesure globale de la réserve alvéolaire et capillaire. Chez les individus en bonne santé, le D_L,NO augmente linéairement avec l’augmentation de l’intensité de l’exercice, ce qui est attribué à l’augmentation du recrutement du sang dans le lit capillaire pulmonaire, facilité par une augmentation du débit cardiaque¹². Cela conduit à un recrutement capillaire en raison de l’augmentation du flux sanguin ou de la pression et du recrutement de la surface de la membrane alvéolaire-capillaire, ce qui entraîne une distribution plus homogène des globules rouges et un meilleur alignement entre les surfaces des tissus et des membranes des globules rouges¹². En revanche, le D_L,CO est considéré comme une mesure secondaire dans ce contexte, principalement utilisée pour déduire si des changements simultanés de V_C ont lieu. Pour l’interprétation au niveau individuel, les différences entre deux mesures supérieures à l’erreur de mesure sont considérées comme physiologiques²⁴, c’est-à-dire 2,7 mmol/min/kPa pour le D_L,NO et 1,6 mmol/min/kPa pour le D_L,CO.

Étude de cas
Une femme de 25 ans en bonne santé avec un O_2max de 2696 mL O₂/min (47,3 mL O₂/min/kg) a effectué huit manœuvres D_{L, CO/NO} , en commençant par des mesures pendant le repos debout en position assise, suivies de mesures pendant l’exercice sur un vélo ergomètre (W_max = 208) avec une intensité croissante jusqu’à 60 % de W_max (Tableau 5). Toutes les manœuvres répondaient à la fois aux critères d’acceptabilité et de répétabilité.

Un homme de 68 ans atteint d’une MPOC modérée (VEMS₁ = 56 % de la prévision) avec une _pression d’O₂de 1852 mL O₂/min (22,8 mL O₂/min/kg) a effectué huit manœuvres D_{L, CO/NO}, en commençant par des mesures pendant le repos debout en position assise, suivies de mesures pendant l’exercice sur un vélo ergomètre (W_max = 125 W) avec une intensité croissante jusqu’à 60 % de W_max (tableau 6). Toutes les manœuvres répondaient à la fois aux critères d’acceptabilité et de répétabilité.

Les résultats déclarés pour chaque charge de travail des deux cas décrits ci-dessus sont présentés à la figure 4. De plus, le D_{L, NO} et D_{L, CO} en fonction de l’O₂ (calculé à partir des mesures de l’air expiré) est présenté à la figure 5. Chez l’individu en bonne santé, une augmentation quasi linéaire du D_L,NO est observée comme prévu à l’exception d’un plateau de 20 % à 40 % du W_max, tandis qu’une légère augmentation progressive du D_L,CO se produit sur l’ensemble des charges de travail. Cela suggère que la_{D M} augmente initialement avec la V_C non altérée au début de l’exercice, reflétant une redistribution du flux sanguin pulmonaire pour recruter des capillaires précédemment non perfusés, mais avec une augmentation progressive concomitante de_{la V C} à des charges de travail plus élevées, montrant que l’alternance du recrutement capillaire et de la distension fonctionne ensemble pour optimiser les échanges gazeux pulmonaires pendant l’exercice incrémental. Dans le cas de la BPCO, D_L,NO augmente à la première charge de travail, puis se stabilise pour rester au même niveau pendant les charges de travail restantes, indiquant que la totalité de la réserve alvéolaire capillaire est déjà atteinte à 20 % de W_max. Dans l’ensemble, l’étendue du recrutement et de la distension capillaires pulmonaires, c’est-à-dire la réserve alvéolaire-capillaire, est plus faible dans le cas de la BPCO que chez l’individu sain.

Figure 1 : Aperçu de la configuration de l’étude. (A) Mise en place de l’étude pour les mesures effectuées pendant l’exercice. (B) Étalonnage du gaz avec une ligne d’échantillonnage connectée à l’unité d’analyse MS-PFT appelée CAL. (C) Un sac inspiratoire connecté à l’unité d’analyse MS-PFT. (D) Récipients contenant les gaz d’essai. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Guide du programme. (A) Sur la page d’accueil, sélectionnez Calibration. (B) Sélectionnez Étalonnage du gaz. (C) Sélectionnez Étalonnage du volume. (D) Sélectionnez Nouveau patient. (E) Sélectionnez Nouveau patient et remplissez les informations requises. (F) Sélectionnez les mesures et choisissez AUCUNE membrane de différentiel. (G) Démarrez la réinitialisation automatique en appuyant sur F1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Chronologie d’une mesure de la capacité de diffusion pendant l’exercice. Créé à l’aide de BioRender. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Capacité de diffusion pulmonaire. Comparaison de la capacité de diffusion pulmonaire au monoxyde de carbone (D_L,CO) et à l’oxyde nitrique (D_L,NO) pendant l’exercice incrémental en fonction du % de la charge de travail maximale (W_max) chez une personne en bonne santé et une personne atteinte de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Capacité de diffusion pulmonaire. Comparaison de la capacité de diffusion pulmonaire au monoxyde de carbone (D_L,CO) et à l’oxyde nitrique (D_L,NO) pendant l’exercice progressif en fonction de l’absorption d’oxygène (O₂) chez une personne en bonne santé et une personne atteinte de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Critères d’acceptabilité
1.	≥ 90 % de la CVF ou du CV
	OU ≥ 85 % de la CVF ou de la MV
		ET VA à moins de 200 ml du plus grand VA d’autres manœuvres acceptables
	OU ≥ 85 % de la CVF ou de la MV
		ET VA à moins de 5 % du plus grand VA d’autres manœuvres acceptables
2.	Une apnée stable de 4 à 8 secondes sans signe de fuite ou de manœuvres de Valsalva/Müller
Critères de répétabilité
Deux manœuvres acceptables avec des valeurs comprises dans
< 5,8 mmol·min-1·kPa-1 pour DL,NO
< 1 mmol·min-1·kPa-1 pour DL,CO

Table 1 : Critères d’acceptabilité et de répétabilité. Abréviations : D_L,CO : Capacité de diffusion pulmonaire en monoxyde de carbone, D_L,NO : Capacité de diffusion pulmonaire en oxyde nitrique, CVF : Capacité vitale forcée, V_A : Volume alvéolaire ; VC : La capacité vitale.

Non. de manœuvres acceptables	Critères de répétabilité remplis	Action
≥2	Oui	Signaler la moyenne DL, NO et la moyenne DL, CO de deux manœuvres acceptables et reproductibles
≥2	Non	Signaler les valeurs de la manœuvre avec le DL,NO le plus élevé
1	Oui	Signaler les valeurs de la manœuvre acceptable
1	Non	Signaler les valeurs de la manœuvre acceptable
0	Oui	Signaler les moyennes DL, NO et DL, CO moyennes de toutes les manœuvres reproductibles
0	Non	Échec de la mesure

Table 2 : Rapports de données. Abréviations : D_L,CO : Capacité de diffusion pulmonaire en monoxyde de carbone, D_L,NO : Capacité de diffusion pulmonaire en monoxyde d’azote.

Groupe	Mesures (n)	Manœuvres pr. mesure (médiane [IQR])	Critères d’acceptabilité remplis, n (%)	Critères de répétabilité remplis, n (%)	Mesure échouée, n (%)
Sain	51	2 (2-2)	50 (98)	51 (100)	0 (0)
MPOC légère	24	3 (2-3)	22 (92)	22 (92)	0 (0)
BPCO modérée	39	2 (2-3)	26 (67)	32 (82)	3 (8)
BPCO sévère	10	2 (2-3)	1 (10)	4 (40)	6 (60)
Tout	124	2 (2-3)	99 (80)	109 (88)	9 (7)

T able 3 : Avoir effectué des mesures D_{L, CO/NO} pendant l’exercice dans notre établissement entre juillet 2021 et décembre 2023. Abréviations : BPCO, bronchopneumopathie chronique obstructive.

Fractions
FI,CO	0.238
FI,NON	48,75 x 10-6
FI,He	0.08
FA,CO	0.12
FA,NON	6,18 x 10-6
FA,He	0.0603
Volumes (BTPS)
VI (L)	4.13
VD,anat (L)	0.132
VD,inst (L)	0.220
tBH (sec)	5.65

T able 4 : Fractions de gaz traceurs inertes et d’essai mesurées dans l’air inspiré (F_I) et alvéolaire (F_A) lors d’une manœuvre à respiration unique. Abréviations : V_I : volume inspiré ; V_{D,anat :} espace mort anatomique ; V_D,inst : espace mort de l’instrument ; tBH : temps d’apnée.

		Droit		0.2		0.4		0.6
		se reposer		de Wmax		de Wmax		de Wmax
Charge de travail (watt)		0		40		80		125
Manœuvrer		1	2	1	2	1	2	1	2
DL,NO (mmol/min/kPa)		35.0	34.7	37.0	38.9	37.4	38.4	42.2	43.4
DL,CO (mmol/min/kPa)		8.0	7.8	8.4	8.4	9.2	9.1	9.8	9.9
Temps d’apnée (s)		5.8	5.6	5.7	5.8	5.8	5.7	5.7	5.5
VI (L)		4.1	4.1	4.1	4.1	4.0	4.0	3.8	4.0
VA (L)		4.9	4.8	5.0	5.0	5.1	5.1	5.2	5.3

Table 5 : Données d’un individu en bonne santé. Abréviations : D_L,NO : Capacité de diffusion pulmonaire à l’oxyde nitrique, D_L,CO : Capacité de diffusion pulmonaire au monoxyde de carbone, V_I : Volume inspiré, V_A : Volume alvéolaire.

		Droit		0.2		0.4		0.6
		se reposer		de Wmax		de Wmax		de Wmax
Charge de travail (watt)		0		25		50		75
Manœuvrer		1	2	1	2	1	2	1	2
DL,NO (mmol/min/kPa)		17.9	21.6	23.35	24.35	24.9	24.2	21.8	23.6
DL,CO (mmol/min/kPa)		4.7	5.3	5.0	5.2	5.1	4.9	3.3	4.1
Temps d’apnée (s)		6.6	6.1	6.1	5.8	5.8	5.8	5.8	6.0
VI (L)		4.3	4.4	4.2	4.3	4.1	4.0	3.8	3.9
VA (L)		6.7	6.6	6.7	6.7	6.7	6.7	6.7	6.8

Tableau 6 : Données d’une personne atteinte d’une maladie pulmonaire obstructive chronique. Abréviations : D_L,NO : Capacité de diffusion pulmonaire à l’oxyde nitrique, D_L,CO : Capacité de diffusion pulmonaire au monoxyde de carbone, V_I : Volume inspiré, V_A : Volume alvéolaire.

Discussion

Le protocole fournit une approche normalisée pour la mesure du D_{L, CO/NO} pendant l’exercice en utilisant la technique du gaz à double test à respiration unique. Étant donné que les mesures D_L,CO/NO obtenues augmentent en raison du recrutement et de la distension capillaires pulmonaires, la méthode fournit une mesure physiologiquement significative de la réserve alvéolaire-capillaire.

Étapes critiques du protocole
La méthode nécessite une expiration au volume résiduel suivie d’une inspiration à la capacité pulmonaire totale à laquelle une apnée de 5 s est effectuée et se termine par une expiration jusqu’au RV. Il s’agit d’une étape critique, car elle peut être compliquée à effectuer pendant l’exercice et surtout pendant l’exercice à haute intensité. L’augmentation de l’intensité de l’exercice peut entraîner une diminution de V_I, et si elle diminue en dessous de 85 % de la capacité vitale, la manœuvre n’est pas acceptable (voir tableau 1). Ainsi, il est important que l’instructeur du test note si le participant inspire suffisamment et confirme un temps d’apnée suffisant de quatre à huit secondes, immédiatement après chaque manœuvre¹². En outre, il peut être difficile dans certains cas d’atteindre des critères de répétabilité ; dans de tels cas, les données de la manœuvre avec le D_L,NO le plus élevé sont rapportées, et nous recommandons d’indiquer explicitement dans combien de cas cela était nécessaire lors de la présentation des données. Dans certains cas, il peut ne pas être possible d’obtenir des mesures acceptables ou reproductibles pendant l’exercice, par exemple dans les études sur des patients souffrant d’une dyspnée sévère de sorte qu’ils ne sont pas en mesure d’obtenir une apnée suffisante et/ou ceux souffrant d’hyperinflation dynamique avec une diminution concomitante de la capacité inspiratoire pendant l’exercice. Dans de tels cas, il peut être plus approprié d’utiliser les mesures de D_L,CO/NO obtenues en position couchée, ce qui entraîne également un recrutement et une distension capillaires pulmonaires, bien que moins prononcés que lors d’un exercice sous-maximal^24,25.

Modifications et dépannage de la méthode
Il est important qu’une mesure au repos précède toujours toute mesure effectuée pendant l’exercice, car le D_L,CO peut être réduit jusqu’à 6 à 20 h après un exercice de haute intensité effectué jusqu’à épuisement 18,19,26. De plus, il est important d’enregistrer la FC et/ou d’autres indices de charge métabolique pour s’assurer que les mesures obtenues chez différents sujets ont été effectuées à l’état d’équilibre et à des charges de travail métaboliques similaires.

La méthode peut ne pas être sensible à la détection de petits changements dans D_{L, NO} ou D_{L, CO}, car la variabilité d’un test à l’autre au cours d’une même session a été rapportée jusqu’à 7 % selon la métrique^{spécifique 12}. Par conséquent, il est important de choisir une intensité d’exercice suffisante pour induire une augmentation supérieure à l’erreur de mesure, tout en gardant à l’esprit que le participant doit être capable d’effectuer au moins deux manœuvres acceptables à l’intensité donnée. Parmi les études précédentes qui ont utilisé la méthode du gaz à double test, diverses intensités allant de légères à modérées ont été utilisées. La plupart des études ont utilisé une intensité relative liée à % du seuil ventilatoire^24,27, % de la FC maximale prédite selon l’âge²⁸ ou % de la réserve maximale d’oxygène²⁹, tandis qu’une seule étude a appliqué une intensité absolue à une charge de travail fixe de 80 W³⁰. Dans toutes les études, ces charges de travail correspondent à des intensités relatives allant de 20 % à 86 % de W_max 24,27,29. Pour faciliter la comparaison des mesures entre les études, il est recommandé de mettre en œuvre une intensité relative, c’est-à-dire % de W_max, % de FC maximale (FC_max) ou % de O_2max (ou O_2crête), et de rapporter à la fois W_max et la charge de travail à laquelle la mesure a été obtenue.

L’importance de la méthode par rapport aux méthodes existantes ou alternatives
Quant à , D_M et V_C peuvent être mathématiquement dérivés par D_L,CO/NO^12,31, et bien que cela doive être fait avec prudence (voir « Limites de la méthode » ci-dessous), cela permet une évaluation mécaniste plus directe de la façon dont l’expansion de la surface alvéolaire-capillaire par le recrutement capillaire pulmonaire (évalué par D_M) et la distension (une augmentation de V_C supérieure à celle de D_M) contribuent aux changements associés à l’exercice dans les échanges gazeux pulmonaires. Cependant, à notre connaissance, la méthode D_L,CO/NO à respiration unique n’a été validée que dans des conditions de repos debout¹¹. Les deux méthodes ont été utilisées pendant l’exercice dans plusieurs études antérieures et montrent des changements physiologiques similaires en D,_M et V_C chez de jeunes individus en bonne santé ^3,24. Cependant, un nombre différent de manœuvres est possible avec chaque méthode, avec un maximum de six manœuvres et D_{L, CO/NO} permettant jusqu’à 12 manœuvres dans la même session¹². En effet, malgré la même fraction de CO (~0,30), le temps d’apnée plus court (5 s contre 10 s) de_{D L,CO/NO} entraîne moins d’accumulation de CO dans le sang et par conséquent moins de contre-pression^{de CO 14}. De plus, des manœuvres jusqu’à 22 D_{L, CO/NO} peuvent être effectuées sans impact sur D_{L, NO,} car les niveaux de NO expiré endogène, compris entre 11 et 66 ppb, sont 1000 fois inférieurs aux mesures de NO, qui sont de l’ordre de¹⁴ ppm. Par conséquent, étant donné que les utilisations 10 s D_L,CO, et qu’au moins deux manœuvres sont nécessaires pour évaluer la répétabilité à chaque , correspondant à un minimum de quatre manœuvres à chaque intensité d’exercice, lorsqu’une double terminaison est effectuée, cela pourrait ne pas être réalisable pendant l’exercice. Ainsi, les méthodes basées sur les précédentes utilisaient une seule manœuvre à chaque , ce qui donnait un minimum de trois manœuvres à chaque intensité d’exercice³², avec l’inconvénient notable qu’il n’est pas possible d’évaluer dans quelle mesure les manœuvres sont effectivement reproductibles. Néanmoins, la méthode D_{L, CO/NO} ne nécessite que deux mesures si elles remplissent les critères de répétabilité et sont considérées comme acceptables à chaque intensité d’exercice. Cependant, il a été démontré que fournit une répétabilité acceptable comparable à celle du D_{L, CO/NO} pendant l’exercice, même lorsque le temps d’apnée est raccourci. Par conséquent, lors d’un exercice modéré, nous avons précédemment trouvé un coefficient de variance (CV) entre les jours de 2 % à 6 % pour les différentes mesures D_{L, CO/NO} à un temps d’apnée de ~ 6 s²⁴, tandis que des CV légèrement plus élevés de 7 %, 8 % et 15 % pour D_{L, CO}, V_C et D_M, respectivement, ont été rapportés en utilisant un temps d’apnée similaire³².

Dans le même ordre d’idées, on sait que le D_L,CO mesuré dans le contexte du D_L,CO/NO est systématiquement inférieur au D_L,CO plus largement utilisé sur la base d’une apnée de 10 s^12,33. Selon des études antérieures, cela n’est pas dû à la différence de temps d’apnée, car un temps d’apnée plus court augmenterait_{le D L,CO}³⁴. Elle pourrait plutôt provenir de divers autres facteurs, notamment la composition du gaz inhalé et la cinétique disparate entre le CO et le NO³³. Premièrement, le D_L,CO/NO utilise de l’hélium, tandis que le 10 s classique D_L,CO utilise le méthane comme gaz traceur inerte ; En raison de leurs propriétés physiques distinctes, ces gaz présentent des distributions et des solubilités différentes dans les poumons et les tissus. Cela pourrait entraîner un V_A plus faible avec l’hélium qu’avec le méthane. Enfin, la réactivité des gaz d’essai signifie que les différences dans la cinétique du NO et du CO lors de la liaison avec l’hémoglobine pourraient jouer un rôle. Bien que spéculative, la présence de NO dans le D_L,CO/NO peut donc influencer la liaison du CO à l’hémoglobine³³.

Le taux de diffusion du CO à travers la membrane alvéolaire-capillaire dépend de la liaison du CO à l’hémoglobine dans le sang, et en plus d’être utilisé pour calculer le θCO, la correction de l’hémoglobine de la valeur D_L,CO peut être appropriée en fonction du contexte spécifique³⁵. Ceci est répandu dans un cadre clinique, mais est moins crucial chez les personnes en bonne santé où l’impact sur le D_L,CO est souvent négligeable. De telles corrections peuvent également être utilisées pour évaluer le D_{L, CO/NO} pendant l’exercice, mais sont moins pertinentes lorsque des changements spécifiques du repos à l’exercice sont évalués, lorsque les changements (aigus) de l’hémoglobine sont d’importance mineure. Elles doivent en tout état de cause être faites avec prudence, car ces équations présupposent un rapport de 0,7 entre le D_M et θ∙V_c pour le CO³⁵, une présomption qui pourrait ne pas être vraie pendant l’exercice.

Limites de la méthode
L’augmentation dépendante de l’intensité de D_{L, NO} et D_{L, CO} pendant l’exercice chez les individus en bonne santé reflète le recrutement et la distension capillaires pulmonaires. Une mesure directe de la réserve alvéolaire-capillaire ne peut probablement être obtenue qu’à une intensité sous-maximale, car l’approche ne serait pas réalisable en pratique, ni dans un cadre expérimental ni dans un cadre clinique à une intensité maximale où un recrutement et une distension maximaux peuvent être évidents. Le choix pragmatique est donc de cibler une charge de travail prédéfinie (absolue ou relative) suffisante pour déclencher le recrutement et la distension capillaires pulmonaires de manière systématique, tout en étant réalisable pour tous les participants. Dans le protocole actuel, l’intensité était basée sur le % de W_max car cela est facilement transférable à d’autres études. Traditionnellement, l’exercice était prescrit en fonction du % d’O_2max ou de FC_max, mais cela nécessite que tous les participants atteignent leur véritable maximum. Sinon, les participants pourraient potentiellement effectuer la mesure à différentes intensités relatives³⁶, ce qui peut particulièrement poser un problème et compliquer l’interprétation physiologique dans les populations atteintes de dyspnée à l’effort sévère, comme les patients atteints de maladies pulmonaires ou cardiaques chroniques.

Il convient de noter qu’au cours de la manœuvre individuelle D_{L, CO/NO} , les gaz d’essai peuvent ne pas être distribués dans des zones relativement mal ventilées des poumons. Cela pose un problème mineur chez les personnes sans maladie pulmonaire, mais en présence d’une inhomogénéité importante de la ventilation, y compris le piégeage manifeste de l’air, le véritable D_L du participant peut être surestimé, car la mesure ne reflète que les conditions dans les régions les mieux ventilées des poumons, un effet qui est accentué par des apnées plus courtes³⁷. En principe, cela peut conduire à une réduction apparemment paradoxale de la réserve alvéolaire-capillaire si un participant atteint d’une maladie pulmonaire est exposé à une intervention qui réduit l’inhomogénéité de la ventilation.

La diminution du D_L,CO associée à l’exercice qui dépasse celle du D_L,NO à l’intensité la plus élevée (60 % du W_max) dans le cas de BPCO rapporté ici doit être interprétée avec prudence, car elle n’est pas facilement interprétée d’un point de vue physiologique. Une tendance similaire a été observée chez la majorité des 73 patients atteints de MPOC que nous avons étudiés dans notre établissement jusqu’à présent, et la contribution de limitations purement méthodiques doit être prise en compte. Par conséquent, outre le fait que le CO est peut-être plus sensible que le NO à l’inhomogénéité de la ventilation par impact décrite ci-dessus, le fait que le NO réagisse presque 300 fois plus vite avec l’hémoglobine et se diffuse également dans les tissus et le plasma deux fois plus vite que le CO peut également jouer un rôle³¹. Par conséquent, alors que le NO et le CO subissent normalement un échange gazeux limité par diffusion, l’absorption de CO peut devenir limitée par la perfusion lorsque la perfusion dans les unités pulmonaires individuelles diminue ~100 fois³¹, conduisant ainsi à une réduction du D_L,CO mesuré sans affecter le D_L,NO. Étant donné que la BPCO est associée à une destruction alvéolaire et à une perte progressive des capillaires avec une distribution ventilation-perfusion concomitante inhomogène dans les poumons³⁹, les unités pulmonaires avec une réduction de 100 fois de la perfusion ne sont pas rares⁴⁰, et elles représentent en effet des zones dans lesquelles le temps de transit des globules rouges peut être considérablement réduit pour altérer à la fois l’absorption d’oxygène et de CO pendant l’exercice. Un autre facteur complémentaire qui peut être en jeu est une distribution inégale des globules rouges dans le réseau capillaire des unités pulmonaires individuelles⁴¹, qui peut également avoir un effet beaucoup plus profond sur le D_L,CO que sur le D_L,NO.

Il est possible de dériver D_M et V_C à partir des  mesures¹², mais peu utilisées car des erreurs systématiques sont introduites car leur dérivation implique plusieurs hypothèses et constantes empiriques³¹. Par exemple, le consensus scientifique dominant reconnaît que le rapport de diffusivité α est de 1,97, ce qui représente le rapport des solubilités physiques du NO et du CO dans les tissus⁴². Plusieurs études ont remis en question cette valeur, certaines proposant des valeurs α plus élevées pour concilier les écarts entre les différentes méthodes de mesure. Cependant, ces propositions sont principalement rejetées car elles s’écartent du rapport de diffusivité physique, ce qui conduit à des valeurs α incohérentes¹². De plus, θNO est supposé avoir une valeur finie, mais a été historiquement présumé infini en raison de sa vitesse de réaction rapide avec l’hémoglobine libre. Cependant, des débats approfondis et des études récentes ont contesté cette hypothèse, établissant que θNO est fini, avec 1,51 mL_{de CO dans le sang}/min/kPa/mmol fournissant la meilleure estimation actuelle, car il s’aligne bien sur les prédictions théoriques ainsi que sur les expériences in vitro et in vivo approfondies¹². De même, les équations pour le θCO sont basées sur des constantes empiriques obtenues à un pH de 7,4, rejetant les valeurs antérieures qui étaient basées sur des mesures de pH moins précises et non physiologiques⁴³. Cependant, parmi les différentes mesures qui peuvent être obtenues par cette méthode, D_L,NO est en tout état de cause basé sur le moins d’hypothèses et semble fournir les estimations les plus reproductibles de la réserve alvéolaire-capillaire²⁴, et reste donc la principale mesure de résultat d’intérêt dans le contexte de la réserve alvéolaire-capillaire.

Importance et applications potentielles de la méthode dans des domaines de recherche spécifiques
Les mesures D,_{L, CO/NO} peuvent fournir un compte rendu complet des échanges gazeux pulmonaires pendant l’exercice. La méthode peut potentiellement être plus facile à mettre en œuvre pendant l’exercice que dans les études cliniques sur des populations atteintes de dyspnée à l’effort, telles que les patients souffrant d’insuffisance cardiaque et de maladie pulmonaire chronique, en raison des apnées plus courtes et des manœuvres moins nécessaires à chaque charge de travail. De plus, D_L,CO/NO fournit spécifiquement D_L,NO qui fournit probablement l’estimation la plus impartiale de la réserve alvéolaire-capillaire à une intensité d’exercice donnée, ce qui en fait une mesure de résultat appropriée dans de nombreux cas.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
HemoCue Hb 201+  ;	HemoCue, Brø ; nshø ; j, Danemark	Inconnu	Pour les mesures de l’hémoglobine
Jaeger MasterScreen PFT pro (Lung Function Equipment)	CareFusion, Hö ; chberg, Allemagne	Inconnu	Pour les mesures de DLCO/NO
Embout buccal	SpiroBac, Henrotech, Aartselaar, Belgique	Inconnu	Utilisé avec l’équipement de fonction pulmonaire. (espace mort 56 ml, résistance à l’écoulement à 12 L s&minus ; 1 0,9 cmH2O)  ;
Pince-nez	IntraMedic, Gentofte, Danemark	JAE-892895
Phenumotach	IntraMedic, Gentofte, Danemark	JAE-705048	Utilisé avec l’équipement de fonction pulmonaire
Solution logicielle SentrySuite	Vyaire’s Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg Allemagne	Unkown
Gaz d’essai	IntraMedic, Gentofte, Danemark	Unkown	Concentrations : 0,28 % CO, 20,9 % O2, 69,52 % N2 et 9,3 % He