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Articolo metodologico

Muscolo scheletrico Neurovascular accoppiamento, capacità ossidativa e funzione microvascolare con 'One Stop Shop' spettroscopia nel vicino infrarosso

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⸱

DOI:

10.3791/57317

⸱

20 febbraio 2018

 ,  , 
1Applied Physiology and Advanced Imaging Laboratory, Department of Kinesiology, University of Texas at Arlington

In questo articolo

Sommario

Qui, descriviamo un approccio semplice, non invasivo, utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso per valutare l'iperemia reattiva, accoppiamento neurovascolare e capacità ossidativa del muscolo scheletrico in una sola visita clinica o di laboratorio.

Abstract

Esercizio fisico rappresenta un importante sforzo emodinamico che esige una risposta neurovascolare altamente coordinata al fine di corrispondere la consegna di ossigeno alle richieste metaboliche. Iperemia reattiva (in risposta a un breve periodo di ischemia del tessuto) è un predittore indipendente di eventi cardiovascolari e fornisce approfondimenti importanti di salute vascolare e capacità vasodilatatore. Capacità ossidativa del muscolo scheletrico è ugualmente importante nella salute e nella malattia, poiché determina la fornitura di energia per i processi miocellulare. Qui, descriviamo un approccio semplice, non invasivo, utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso per valutare ognuno di questi endpoint clinici principali (iperemia reattiva, accoppiamento neurovascolare e capacità ossidativa del muscolo) durante una sola visita clinica o di laboratorio. A differenza di ultrasuono di Doppler, immagini/spettroscopia di risonanza magnetica, o misure di flusso basati su catetere invasivo o biopsie del muscolo, il nostro approccio è meno operatore-dipendente, basso costo e completamente non-invasiva. Dati rappresentativi del nostro laboratorio presi insieme con i dati di riepilogo da letteratura precedentemente pubblicata illustrano l'utilità di ciascuno di questi punti finali. Una volta acquistato padronanza di questa tecnica, applicazione alle popolazioni cliniche fornirà importanti informazioni mecanicistiche intolleranza all'esercizio fisico e disfunzioni cardiovascolari.

Introduzione

La risposta hyperemic per un breve periodo di ischemia del tessuto è emerso come una chiave misura non invasiva della funzione vascolare (micro). Durante l'occlusione di un'arteria di conduit, arteriole a valle si dilatano in uno sforzo per compensare l'insulto ischemico. Al momento del rilascio dell'occlusione, la resistenza vascolare in diminuzione provoca iperemia, la cui entità è dettata dalla sua capacità di dilatare il microcircolo a valle. Mentre l'iperemia reattiva è un forte predittore indipendente di eventi cardiovascolari1,2 e pertanto un endpoint clinicamente significativo, il suo significato funzionale di esercitare la tolleranza e la qualità della vita è meno chiaro.

Infatti, esercizio dinamico rappresenta uno stress cardiovascolare importante che esige una risposta neurovascolare altamente coordinata al fine di corrispondere la consegna di ossigeno alle richieste metaboliche. Ad esempio, il flusso sanguigno del muscolo scheletrico può aumentare quasi 100 volte durante isolato muscolare contrazioni3, che sarebbe sopraffare la capacità di pompaggio del cuore, se tale risposta emodinamica sono stato estrapolato a corpo intero esercizio. Di conseguenza, per evitare l'ipotensione severa, simpatico (cioè, vasocostrittore) attività nervosa aumenta la gittata cardiaca, allontanandolo dai tessuti di inattivi e viscerali e verso attivo del muscolo scheletrico4la ridistribuzione. Uscita simpatica è rivolto anche al muscolo scheletrico esercitarsi5; Tuttavia, la segnalazione metaboliche locali attenua la risposta vasocostrittore al fine di garantire sufficiente del tessuto ossigeno consegna6,7,8,9,10, 11. collettivamente, questo processo viene definito funzionale sympatholysis12ed è indispensabile alla normale regolazione del flusso sanguigno del muscolo scheletrico durante l'esercizio. Poiché il flusso sanguigno del muscolo scheletrico è un fattore determinante della capacità aerobica — un preannunciatore indipendente della qualità della vita e malattia cardiovascolare morbilità e mortalità13— comprendere il controllo di ossigeno del muscolo scheletrico nel sangue flusso e tessuto consegna durante l'esercizio fisico è di grande importanza clinica.

Consegna dell'ossigeno è solo metà dell'equazione di Fick, tuttavia, con l'utilizzo di ossigeno soddisfare l'altra metà dell'equazione. Tra i principali determina di utilizzazione dell'ossigeno, fosforilazione ossidativa mitocondriale svolge un ruolo essenziale nella fornitura di energia adeguata per processi cellulari sia a riposo che durante l'esercizio. Infatti, i danni nella capacità ossidativa del muscolo possono limitare funzionale capacità e qualità della vita14,15,16. Varie misure sono comunemente usati per fornire un indice della capacità ossidativa del muscolo, compreso le biopsie del muscolo invasiva e tecniche di spettroscopia (MRS) a risonanza magnetica di costosi e che richiede tempo.

Qui, noi proponiamo un approccio non invasivo, romanzo, usando la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), per valutare ognuno di questi tre principali endpoint clinici (iperemia reattiva, sympatholysis e capacità ossidativa del muscolo) in una sola visita clinica o di laboratorio. I principali vantaggi di questo approccio sono triplice: in primo luogo, questa tecnica è facilmente trasportabile, relativamente a basso costo e facile da eseguire. Approcci attuali di ultrasuono di Doppler per misurare l'iperemia reattiva sono altamente operatore-dipendente — che richiedono la vasta abilità e formazione — e richiedono dati sofisticati, ad alto costo, acquisizione e post-elaborazione software. Inoltre, questo in teoria potrebbe essere introdotto in clinica e/o grandi test clinici per comodino monitoraggio o test di efficacia terapeutica. In secondo luogo, in virtù della metodologia, questa tecnica si concentra specificamente su microvasculature del muscolo scheletrico, aumentando la specificità complessiva della tecnica. Approcci alternativi usando ultrasuono di Doppler di concentrano interamente sulle navi del condotto a Monte e dedurre modifiche a valle, che possono attenuare il segnale. In terzo luogo, questa tecnica è completamente non-invasiva. Capacità ossidativa del muscolo scheletrico è tradizionalmente valutate con dilagante e le biopsie muscolari dolorosi e sympatholysis funzionali possono essere valutati con iniezione intra-arteriosa di simpaticomimetici e simpaticolitici. Questo approccio evita questi requisiti tutti insieme.

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Protocollo

Questo protocollo segue le linee guida del Comitato di revisione istituzionale presso l'Università del Texas ad Arlington e conforme agli standard stabiliti dall'ultima versione della dichiarazione di Helsinki. Di conseguenza, consenso informato scritto è stato (e dovrebbe essere) ottenuto prima dell'inizio delle procedure di ricerca.

1. Strumentazione

Nota: La seguente descrizione di strumentazione si basa nel vicino infrarosso (NIR) spettrometro e dati acquisizione sistema utilizzato nel nostro laboratorio (Vedi Tabella materiali). Pertanto, le istruzioni includono passaggi necessari per la funzione ottima di questi dispositivi. Tali passaggi includono la calibrazione della sonda NIR utilizzando il software di accompagnamento e calibrazione fantasma e l'applicazione di un panno scuro per escludere la luce ambientale. Nel caso in cui è utilizzati diversi dati raccolta hardware e/o software, gli investigatori dovrebbero consultare i propri manuali specifici per la calibrazione e considerazioni di luce ambiente. La figura 1 illustra la struttura sperimentale e strumentazione descritta subito sotto.

  1. Istruire il soggetto si trovi supina con le gambe all'interno di una camera di pressione negativa (LBNP) corpo inferiore (Figura 1A), in modo che la loro linea di cintura è circa anche con l'apertura alla casella LBNP. Per istruzioni su come costruire una camera di LBNP, vedere riferimenti17.
  2. Posizionare gli elettrodi di elettrocardiogramma tre sul tema: due in una posizione inferiore, emiclavicolare e uno sull'argomento sinistra del lato mediale alla cresta iliaca. Questa configurazione fornisce i migliori risultati a causa di accesso limitato per gli arti inferiori, strumentazione degli arti superiori e movimento del braccio durante l'esercizio di presa di mano.
  3. Inserire un modulo di monitor di pressione sanguigna non invasiva sul polso dominante del soggetto. Posizionare i polsini pressione sanguigna dito su ogni dito e collegarli al modulo (Figura 1B). Garantire che i polsini pressione sanguigna dito sono correttamente calibrati secondo il manuale che accompagna il dispositivo.
  4. Istruire il soggetto a cogliere un dinamometro di presa della mano (HGD) con loro braccio non dominante in una posizione leggermente rapita. Il braccio dovrebbe essere posizionato comodamente su un comodino. La distanza e l'angolo la HGD dovrebbe essere regolate per consentire la forza di presa ottimale con movimento del braccio minima (Figura 1).
  5. Fissare la HGD per un comodino.
  6. Misurare la contrazione massima volontaria (MVC) del partecipante. Raccontare il partecipante che, quando richiesto, si deve spremere il HGD duro come possibile mentre utilizzando solo i muscoli della mano e dell'avambraccio. Indicare il soggetto che si astengono dall'arruolare loro parte superiore del braccio, petto, spalla o muscoli addominali durante l'esecuzione il massimo grip.
  7. Ripetere passo 1.6 tre volte, separati da almeno 60 Record s. la forza massima raggiunta (meglio di 3). Questa forza massima serviranno per calcolare l'intensità dell'esercizio per capacità ossidativa del muscolo scheletrico e neurovascolare accoppiamento (Vedi sotto).
  8. Posizionare un rapid-inflazione bracciale intorno al braccio della mano che esercita. Collegare la linea aerea dal controller di rapida inflazione al polsino.
  9. Identificare il profundus di digitorum del flessore. Utilizzare un marcatore di pelle per delimitare i confini del muscolo palpabile.
  10. Assicurarsi che lo spettrometro NIR è tarato correttamente secondo il manuale dell'utente fornito con il dispositivo. Pulire la pelle su cui verrà posizionata la sonda NIR con alcol prep.
  11. Posizionare la sonda NIR sopra il centro del ventre del muscolo (profundus di digitorum del flessore) e fissarlo saldamente all'avambraccio.
  12. Avvolgere la sonda e dell'avambraccio con panno scuro, riducendo al minimo l'interferenza dalla luce ambientale (Figura 1, Figura 1).
  13. Quando si è pronti per eseguire la parte di sympatholysis funzionale dello studio, sigillare il soggetto nella camera di LBNP.

2. muscolo della capacità ossidativa

Nota: Una traccia di dati rappresentativi che illustrano la procedura sperimentale per la misurazione della capacità ossidativa del muscolo scheletrico è raffigurata in figura 2. Questo approccio sperimentale è stato convalidato in precedenza contro in vivo fosforo MRS18 e in situ muscolo respirometry19e sta guadagnando l'accettazione diffusa20.

  1. Strumento il soggetto come indicato sopra (strumentazione).
  2. Istruire il soggetto a mentire ancora per 2 min mentre monitoraggio deossiemoglobina (HHb) e ossiemoglobina (HbO2) tramite la sonda NIR.
    Nota: Questo periodo di riposo consente al soggetto di recuperare da qualsiasi artefatto movimento connesso con il processo di strumentazione e assicura misurazioni di base stabile. Se dopo 2 min che fluttuazioni significative non si sono verificati, il soggetto può essere considerato a stato stazionario e di riposo della linea di base.
  3. Prima di occlusione del polsino, notificare il soggetto che si sarà gonfiare il bracciale. Gonfiare la parte superiore del braccio polsino almeno 30 mmHg sopra la pressione sanguigna sistolica per 5 min (cioè, suprasystolic). Chiedere al soggetto di mantenere il loro braccio come naturale e rilassante possibile, sia in fase di inflazione del polsino e seguente lo sgonfiamento della cuffia.
    Nota: Questa 5 min protocollo di occlusione dell'arteria brachiale polsino rispecchia che lo standard clinico attualmente accettato per occlusione vascolare test21,22,23,24,25.
  4. Registrare il valore di iniziale/basale (prima dell'occlusione del polsino) e il valore di nadir della saturazione dei tessuti (StO2) durante l'occlusione del polsino e determinare il punto intermedio tra questi due valori.
    figure-protocol-1
  5. Permettere al soggetto di recuperare dall'occlusione del polsino e tornare a valori basali che riposa. Una volta che il soggetto ha mantenuto una linea di base che riposa per almeno 1 min completo, continuare al passaggio successivo.
  6. Istruire soggetti a compressione e mantenere un'impugnatura isometrica al 50% di loro MVC. Incoraggiare il soggetto a mantenere la loro contrazione isometrica fino a quando il tessuto Desatura del 50%. Dopo aver ottenuto questo valore, dire al soggetto di rilassarsi loro mano e li informa che è necessario non più esercizio o movimento.
  7. Entro 3-5 s seguente esercizio cessazione, amministrare la seguente serie di occlusione rapida polsino (una serie = 1 inflazione + 1 deflazione), come precedentemente stabilito18:
    Serie #1 - 6: 5 s su/5 s off
    Serie #7 - 10: 7 s su/10 s off
    Serie #11-14:10 s su/15 s off
    Serie #15-18:10 s su/20 s off
  8. Dopo aver completato la serie di gonfiaggio/sgonfiaggioth 18, istruire il soggetto a riposo, permettendo la saturazione dei tessuti tornare ai valori della previsione iniziale. Dopo che questi valori sono rimasti costanti per almeno 2 min, ripetere i passaggi da 2.4 e 2.5.
  9. Calcolo della capacità ossidativa del muscolo scheletrico
    1. Calcolare la pendenza del cambiamento in StO2per ciascuna delle occlusioni 18 polsino singole, formando i punti di ripristino monoexponential illustrati nella Figura 2.
    2. Adattare i dati calcolati da 2,7 alle seguenti monoexponential curva18,19,26
      y = End - Δ x e-kt
      Nota: 'y' è il tasso di consumo di ossigeno del muscolo relativo (mV̇O2) durante il gonfiaggio del bracciale, 'End' rappresenta il mV̇O2 immediatamente dopo la cessazione dell'esercizio; Delta ('Δ') indica il cambiamento in mV̇O2 dal resto fino alla fine dell'esercizio; 'k' è l'accessorio tasso costante; ' t ' è tempo. Tau è calcolato come 1/k.

3. reattivo iperemia

Nota: Una traccia di dati rappresentativi che illustrano la procedura sperimentale per la misura di iperemia reattiva è raffigurata in Figura 3.

  1. Con il soggetto sdraiato supino e instrumentata come descritto sopra (strumentazione), indicare il soggetto a mentire ancora possibile.
  2. Una volta che il soggetto ha raggiunto uno stato di riposo coerente, continuano a registrare almeno 1 min di dati di base e quindi rapidamente gonfiare un polsino di pressione sanguigna sul braccio superiore ad una pressione di suprasystolic (30 mmHg sopra la pressione sanguigna sistolica).
  3. Presso il marchio di 5 min, rapidamente sgonfiare il bracciale durante la registrazione della risposta hyperemic.
  4. Continuare a registrare per almeno 3 minuti per l'acquisizione di recupero del soggetto.
  5. Calcolo di iperemia reattiva
    Nota: I parametri NIRS calcolata sono rappresentati nella figura 3.
    1. Calcolare StO2 come media StO2 sopra 1 min completo prima della linea di base alla comparsa di occlusione arteriosa polsino.
    2. Determinare il tasso metabolico a riposo del muscolo scheletrico come il tasso di desaturazione (cioè, pendenza media) durante il polsino occlusione (definito come pendenza 1)27,28.
    3. Calcolare l'iperemia reattiva come segue:
      ) la curva ascendente medio dopo il rilascio di polsino (cioè, tasso di riperfusione, definito come pendenza 2), calcolato dal momento del rilascio di polsino attraverso la fase linearmente crescente della traccia del rimbalzo;
      b) il valore di2 StO più alto raggiunto dopo il rilascio di polsino (indicata come StO2max);
      c) l'area di iperemia reattiva sotto la curva (AUC); calcolato dal momento del rilascio di polsino a 1-, 2 - e 3-min post polsino-occlusione (AUC 1-min, AUC 2 min e AUC 3-min, rispettivamente); e
      d) la hyperemic riserva, calcolata come la variazione di StO2 di sopra della linea di base e segnalato come un cambiamento di percentuale (%). Questo valore viene calcolato come la saturazione più alta raggiunta durante il post-occlusiva rimbalzo meno la saturazione media calcolata nel passaggio 3.5.1 (Vedi sopra).
      Nota: È possibile che grandi differenze nei dati di previsione influirà notevolmente l'interpretazione della riserva iperemica.

4. funzionale Sympatholysis

Nota: Una traccia di dati rappresentativi che illustrano la procedura sperimentale per la misurazione funzionale sympatholysis è raffigurata nella Figura 4.

  1. Strumento il soggetto come indicato sopra (strumentazione).
  2. Garantire una chiusura ermetica nella camera di LBNP.
  3. Con il soggetto che si trova ancora e a riposo, raccogliere 3 min di dati di base.
  4. Presso il marchio di 3 min, applicare il vuoto. Regolare il vuoto in modo che la pressione all'interno della camera LBNP è tra-20 e -30 mmHg. Consentire il vuoto a correre per 2 min durante il controllo della risposta del soggetto.
  5. Presso il marchio di 5 min, disattivare il vuoto e permettere al soggetto di riposare per 3 min.
  6. Presso il marchio di 8 min, avviare il prompt vocale che guida il soggetto attraverso l'esercizio di presa di mano ritmica (20% MVC).
  7. Confermare che il soggetto mantenga loro spremere tutta la durata di ogni fase di presa e rilassarsi completamente durante tra ogni ripetizione. Loro produzione di forza di monitorare e verificare che si stiano raggiungendo 20% MVC con ogni presa. Continuare esercizio fino a quando il marchio di 11 min.
  8. Presso il mark 11 min, applicare il vuoto incoraggiare il soggetto a continuare il loro esercizio ritmico. Lasciare vuoto per eseguire da 11-13 min, quindi spegnerlo.
  9. Avere il soggetto continua l'esecuzione ritmica mano presa esercizio al 20% del loro MVC per altri 2 minuti. Al momento della cessazione di esercizio, hanno il resto soggetto tranquillamente e si trovano ancora.
  10. Calcolo funzionale Sympatholysis
    1. Normalizza il cambiamento in ossiemoglobina con LBNP al segnale labile totale (TLS), determinato durante l'occlusione del polsino 5 min:
      figure-protocol-2
      figure-protocol-3
    2. Calcolare ogni evento come la media finale 20 min di ogni evento.
    3. Calcolare l'attenuazione indotta dall'esercizio della riduzione ossiemoglobina:
      figure-protocol-4

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Risultati

Capacità ossidativa del muscolo scheletrico

La figura 2 illustra una rappresentanza risposta partecipante durante una valutazione della capacità ossidativa del muscolo scheletrico NIRS-derivato. Pannello A spettacoli la saturazione dei tessuti profile durante un 5min arteriosa polsino protocollo di occlusione, l'esercizio di manicotti e l'occlusione arteriosa intermittente ...

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Discussione

I metodi descritti nel presente documento consentono una valutazione non invasiva, clinica di iperemia reattiva, accoppiamento neurovascolare e capacità ossidativa del muscolo scheletrico in una sola visita clinica o di laboratorio.

Considerazioni critiche

Sebbene la NIRS è relativamente robusto e facile da usare, raccolta di questi dati richiedono attento posizionamento di optodi direttamente sopra il ventre muscolare, fissato saldamente s...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato supportato da un'Università del Texas a grant Arlington programma interdisciplinare di ricerca.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Macchina per spettroscopia nel vicino infrarosso OxiplexTS a doppio canaleIss Medical101
Sensore muscolare NIRSIss Medical201.2
E20 Sistema di gonfiaggio rapido del braccialeHokansonE20
AG101 Sorgente d'ariaHokansonAG101
Dinamometro a impugnatura Smedley (registrazione)Stolting56380
Powerlab 16/35, registratore a 16 canaliADInstrumentsPL3516
Human NIBP SetADInstrumentsML282-SM
Bio AmpADInstrumentsFE132
Quad Bridge AmpADInstrumentsFE224
Connex Spot MonitorWelch Allyn71WX-B
Origin(Pro) software graficoOrignProPro
Camera a pressione negativa per il corpo inferiorestandardricerca fisiologica
Unità di strumenti di

Riferimenti

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Ristampe e permessi

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Capacit ossidativa del muscolo scheletricoiperemia reattivaesercizio di presa della manopressione negativa della parte inferiore del corposaturazione tissutaleconsumo di ossigeno muscolarereattivit vascolaresimpatolisi funzionale
Muscolo scheletrico Neurovascular accoppiamento, capacità ossidativa e funzione microvascolare con 'One Stop Shop' spettroscopia nel vicino infrarosso
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