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Artigo de método

Medida da Capacidade de Difusão Pulmonar de Gases de Teste Duplo durante o Exercício em Humanos Usando o Método de Respiração Única

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DOI:

10.3791/65871

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2 de fevereiro de 2024

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1Centre for Physical Activity Research, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 2Department of Biomedical Sciences, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 3Department of Clinical Physiology and Nuclear Medicine, Copenhagen University Hospital - Rigshospitalet, 4Department of Anesthesiology and Intensive Care, Hvidovre Hospital, 5Department of Clinical Medicine, Faculty of Health and Medical Sciences, University of Copenhagen, 6Neurovascular Research Laboratory, Faculty of Life Sciences and Education, University of South Wales

Neste artigo

Resumo

Este protocolo apresenta um método para avaliar a reserva alvéolo-capilar pulmonar medida pela medida combinada de respiração única da capacidade de difusão de monóxido de carbono (D, L,CO) e óxido nítrico (D, L,NO) durante o exercício. Pressupostos e recomendações para o uso da técnica durante o exercício formam a base deste artigo.

Resumo

A medida combinada de respiração única da capacidade de difusão de monóxido de carbono (D, L,CO) e óxido nítrico (D, L,NO) é uma técnica útil para medir a reserva alvéolo-capilar pulmonar em populações saudáveis e pacientes. A medida fornece uma estimativa da capacidade do participante de recrutar e distender capilares pulmonares. Recentemente, foi relatado que o método exibe uma alta confiabilidade teste-reteste em voluntários saudáveis durante exercícios de intensidade leve a moderada. Vale ressaltar que essa técnica permite até 12 manobras repetidas e requer apenas uma única respiração com um tempo de apneia relativamente curto, de 5 s. Dados representativos são fornecidos mostrando as mudanças graduais em DL,NO e DL,CO do repouso para o exercício em intensidades crescentes de até 60% da carga máxima. A mensuração da capacidade de difusão e a avaliação da reserva alvéolo-capilar são uma ferramenta útil para avaliar a capacidade de resposta do pulmão ao exercício tanto na população saudável quanto em populações de pacientes, como aqueles com doença pulmonar crônica.

Introdução

O exercício leva a um aumento considerável na demanda energética em comparação com o estado de repouso. O coração e os pulmões respondem aumentando o débito cardíaco e a ventilação, resultando em expansão do leito alvéolo-capilar, principalmente o recrutamento e distensão dos capilarespulmonares1. Isso garante uma troca gasosa pulmonar suficiente, que pode ser medida pelo aumento da capacidade de difusão pulmonar (D L)2,3,4. As primeiras tentativas de medir DL durante o exercício datam de mais de um século 5,6,7. A capacidade de aumentar DL a partir do estado de repouso é frequentemente referida como reserva alvéolo-capilar 8,9.

Experimentalmente, as contribuições relativas da capacidade de difusão da membrana alvéolo-capilar (DM) e do volume sanguíneo capilar pulmonar (VC) para a reserva alvéolo-capilar podem ser avaliadas por diferentes métodos, incluindo o clássico método das frações múltiplas inspiradas de oxigênio (figure-introduction-1)10. Uma técnica alternativa que pode ser útil nesse contexto é o método dos gases de teste duplo, no qual o DL para monóxido de carbono (CO) e óxido nítrico (NO) (DL,CO/NO) SÃO MEDIDOS SIMULTANEAMENTE11. Essa técnica foi desenvolvida na década de 1980 e aproveita o fato de que a taxa de reação do NO com a hemoglobina (Hb) é substancialmente maior que a do CO, de modo que a difusão pulmonar do CO depende mais da VC do que do NO. Assim, o principal sítio de resistência (~75%) à difusão do CO está localizado dentro da hemácia, enquanto a principal resistência (~60%) à difusão do NO está na membrana alvéolo-capilar e no plasma pulmonar12. A mensuração concomitante de D, L,CO e D, L,NO permite, assim, avaliar as contribuições relativas de D,M e V,C para D,L12, onde a variação de D, L,NO observada durante o exercício, reflete, assim, em grande parte, a expansão da membrana alvéolo-capilar. Uma vantagem adicional desse método na obtenção de medidas durante o exercício é que ele envolve um tempo de apneia relativamente curto (~5 s) e menos manobras em comparação com a técnica clássicafigure-introduction-2, onde múltiplas manobras repetidas com uma pausa respiratória padronizada de 10 s são realizadas em diferentes níveis de oxigênio. Embora figure-introduction-3 recentemente tenha sido aplicada com menor tempo de apneia e menos manobras a cada intensidade13. No entanto, figure-introduction-4 só permite um total de seis manobras DL,CO por sessão, enquanto até 12 manobras repetidasde D L,CO/NO podem ser realizadas sem qualquer efeito mensurável sobre as estimativas resultantes14. Essas são considerações importantes na obtenção de medidas durante o exercício, uma vez que tanto uma longa pausa respiratória quanto múltiplas manobras podem ser difíceis de realizar em intensidades muito altas ou em populações de pacientes que apresentam dispneia.

O presente trabalho fornece um protocolo detalhado, incluindo considerações teóricas e recomendações práticas sobre a mensuração do DL,CO/NO durante o exercício e sua utilização como índice da reserva alvéolo-capilar. Este método é facilmente aplicável no ambiente experimental e permite avaliar como a limitação à difusão nos pulmões pode afetar o consumo de oxigênio em diferentes populações.

Teoria e princípios de mensuração
O método D, L,CO/NO envolve uma única respiração de uma mistura gasosa com a suposição de que os gases se distribuem igualmente no espaço alveolar ventilado após a inalação. A mistura gasosa é constituída por vários gases, incluindo um gás traçador inerte. A diluição do gás traçador no espaço alveolar ventilado, a partir de sua fração no ar expiratório final, pode ser utilizada para calcular o volume alveolar (VA)15. A mistura gasosa também inclui o gás teste CO e NO, ambos diluídos no espaço alveolar ventilado e difundidos através da membrana alvéolo-capilar. Com base em suas frações alveolares, suas taxas individuais de desaparecimento (k), também denominadas constante difusora, do espaço alveolar podem ser calculadas. Por convenção, o DL para um gás de teste medido durante uma manobra de respiração única, é derivado pela seguinte equação16:

figure-introduction-5

onde FA0 é a fração alveolar do gás teste (CO ou NO) no início da pausa respiratória da manobra individual DL , enquanto FA é a fração alveolar do gás teste no final da pausa respiratória e tBH é o tempo de apneia. DL é mecanicamente equivalente à condutância do gás teste através da membrana alvéolo-capilar, através do plasma e do interior das hemácias até a hemoglobina. Depende, portanto, tanto da condutância da DM quanto da chamada condutância específica do sangue capilar pulmonar (θ), da qual esta última depende tanto da condutância do gás teste no sangue quanto de sua taxa de reação com a hemoglobina10. Dado que a recíproca da condutância é a resistência, a resistência total à transferência de um gás de ensaio depende das seguintes resistências na série10:

figure-introduction-6

Esses componentes podem ser distinguidos medindo-se simultaneamente o DL ao CO e NO, pois estes possuem valores θ diferentes, e seus respectivos valores deD L dependem, portanto, diferentemente do VC. A difusão pulmonar do CO depende mais fortemente da VC do que do NO, sendo o principal sítio de resistência (~75%) à difusão do CO localizado dentro da hemácia12. Em contraste, a principal resistência (~60%) à difusão do NO está na membrana alvéolo-capilar e no plasma pulmonar, porque a taxa de reação do NO com a hemoglobina é substancialmente maior do que a do CO. Assim, medindo simultaneamente DL,CO e DL,NO, mudanças em ambos DM e VC afetarão marcadamente o primeiro, enquanto este último dependerá muito menos de VC, permitindo assim uma avaliação integrativa dos fatores que determinam DL.

O reporte das métricas DL,CO/NO pode ser feito usando diferentes unidades. Assim, a European Respiratory Society (ERS) utiliza mmol/min/kPa, enquanto a American Thoracic Society (ATS) utiliza mL/min/mmHg. O fator de conversão entre as unidades é de 2,987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

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Protocolo

O Comitê Científico de Ética para a Região da Capital da Dinamarca aprovou previamente a medida de DL,CO/NO em repouso, durante o exercício e na posição supina em voluntários saudáveis e pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) em nossa instituição (protocolos H-20052659, H-21021723 e H-21060230).

NOTA: Antes de DL,CO/NO ser medido durante o exercício, uma espirometria dinâmica e um teste de exercício cardiopulmonar (TECP) devem ser realizados. A espirometria dinâmica é utilizada para o controle de qualidade das manobras individuais de DL,CO/NO, enquanto o TCPE é utilizado para determinar a carga de trabalho na qual DL,CO/NO deve ser medido durante o exercício. Em pacientes com limitação ao fluxo aéreo, notadamente devido à doença pulmonar obstrutiva, pode ser vantajoso complementar a espirometria dinâmica com uma pletismografia de corpo inteiro para obter uma medida válida da capacidade vital. Recomenda-se um exame médico de saúde para descartar qualquer contraindicação conhecida antes de iniciar o TCPE17. É importante ressaltar que o TCPE deve ser realizado pelo menos 48 h antes da medida do DL,CO/NO obtido durante o exercício, pois o exercício vigoroso prévio pode afetar o DL por pelo menos 24 h18,19.

1. Espirometria dinâmica

NOTA: A espirometria dinâmica deve ser realizada de acordo com as diretrizes clínicas atuais da ERS e ATS20.

  1. Meça o peso (com uma aproximação de 100 g) e a altura (com uma aproximação de 1 mm).
  2. Peça ao participante que se sente em uma cadeira ereta.
  3. Realizar espirometria dinâmica durante manobra expirada forçada para identificar o volume expirado forçado em 1s (VEF1) e a capacidade vital forçada (CVF) do participante, conforme descrito anteriormente20.

2. Teste de exercício cardiopulmonar (TECP)

NOTA: O TECP deve ser realizado em alinhamento com as recomendações clínicasatuais21.

  1. Ajustar o cicloergômetro de acordo com a altura do participante e colocar um monitor de frequência cardíaca (FC) no tórax.
  2. Coloque o participante no cicloergômetro. Equipar o participante com uma máscara conectada a um sistema de medição metabólica, para medir a ventilação e as trocas gasosas pulmonares durante todo o teste.
  3. Instrua o participante a começar a pedalar em um ritmo auto-selecionado ≥60 rodadas por minuto (RPM) e realizar um período de aquecimento de 5 min em uma carga de trabalho submáxima com base no nível de atividade autorrelatado, condicionamento físico diário e estado da doença (por exemplo, 15-150 W).
  4. Aumente a carga de trabalho em 5-20 W a cada minuto até que o participante atinja a exaustão voluntária. Os incrementos devem ser baseados no nível de aptidão atual do participante, de modo que o teste deve terminar 8-12 min após o início da fase incremental.
  5. Instruir o participante a evitar outros exercícios vigorosos pelas próximas 48 h.

3. Calibração de equipamento de capacidade de difusão de respiração única

NOTA: É necessário calibrar sensores de fluxo e analisadores de gás para garantir que as medições sejam válidas e confiáveis. O procedimento exato é específico do fabricante e do dispositivo. O procedimento de calibração, incluindo o controle biológico, deve ser concluído em cada dia de estudo e, se menos de um dia de estudo for executado por semana, calibrações semanais adicionais devem ser realizadas. O arranjo experimental é mostrado na Figura 1.

  1. Abra o programa de software no computador e um período de aquecimento automático de 50 minutos será iniciado para garantir a temperatura suficiente do pneumotach.
  2. Certifique-se de que os recipientes com os gases de ensaio estão abertos (ver Figura 1D).
  3. Execute uma calibração de gás conectando primeiro a linha de amostragem do pneumotach ao plug-in da Unidade Analisadora MS-PFT denominado CAL (consulte a Figura 1B).
  4. Inicie a calibração de gás selecionando Calibração na página inicial (consulte a Figura 2A) e escolha Calibração de gás. Inicie a calibração pressionando Start ou F1 (veja a Figura 2B).
  5. Anexar a linha de recolha de amostras ao pneumotach quando a calibração do gás for cumprida e aceite.
  6. Efetue uma calibração de volume utilizando uma seringa válida de 3 L. Inicie a calibração de volume selecionando Calibração na página inicial (consulte a Figura 2A) e escolha Calibração de volume. Inicie a calibração pressionando F1 e siga as instruções fornecidas pelo software (veja a Figura 2C).
  7. Certifique-se de que a bolsa inspiratória esteja conectada à unidade analisadora MS-PFT (consulte a Figura 1C).
  8. Complete o procedimento de calibração realizando uma medição de controle biológico em repouso na posição sentada. Isso deve ser realizado por um não fumante saudável para garantir a confiabilidade do método. Se a variação semanal de DL,CO ou DL,NO do indivíduo varia mais de 1,6 e 6,5 mmol/min/kPa (5 e 20 mL/min/mmHg), respectivamente, a variação pode ser devida a erro da máquina e deve ser investigada mais afundo12,22.

4. Preparação do participante

  1. Calcular a carga de trabalho desejada a partir dos resultados anteriores do TCPE para a intensidade escolhida (% da carga máxima (Wmáx)) na qual o DL,CO/NO será medido.
  2. Pelo menos 48 h após o participante ter realizado o TECP, solicite ao participante que retorne ao laboratório para obter a medida do DL,CO/NO durante o exercício.
  3. Medir a altura (em cm com aproximação de mm), peso (em kg com aproximação de 100 g) e Hb do sangue capilar (em mmol/L com aproximação de 0,1 mmol/L) do doente.
  4. Na Página Inicial do programa, escolha Paciente > Novo paciente (Veja Figura 2A) e preencha os dados necessários: Identificação, Sobrenome, Nome, Data de Nascimento, Sexo, Altura e Peso do participante. Continue selecionando OK ou F1 (consulte a Figura 2D).

5. DL, CO/NO medição durante o repouso vertical

NOTA: AS MEDIÇÕESDE D L,CO/NO são realizadas de acordo com as recomendações clínicas atuais da força-tarefa da ERS12.

  1. Na página inicial, escolha Medição > difusão de membrana NO (consulte a Figura 2E).
  2. Inicie a reinicialização automática do software, para zerar o analisador de gases para todos os gases de teste e iniciar a mistura dos gases de teste no saco inspiratório conectado. Inicie a redefinição automática pressionando F1 (consulte a Figura 2F).
    1. A reinicialização automática leva de 140 a 210 s. Observe as instruções fornecidas pelo software para reconhecer quando iniciar a medição. É importante iniciar a medição imediatamente quando o software instruir o paciente a conectar.
  3. Coloque o participante em uma cadeira ereta equipada com um clipe nasal. Instruir o participante sobre como realizar a manobra conforme descrito abaixo.
    1. Peça ao participante que use o clipe nasal e inicie as respirações maréis normais através de um bocal conectado ao pneumotach. Para garantir um sistema fechado para as medidas, certifique-se de que os lábios do participante sejam mantidos fechados ao redor do bocal.
    2. Após três respirações normais, instruir o participante a realizar uma expiração máxima rápida para atingir o volume residual (VR).
    3. Quando o VR for atingido, instrua imediatamente o participante a realizar uma rápida inspiração máxima para a capacidade pulmonar total (CPT), visando um tempo inspiratório de < 4 s. Durante a inspiração máxima, uma válvula se abre, permitindo que o participante inale a mistura gasosa misturada com uma concentração conhecida de NO (800 ppm NO/N2) em uma bolsa inspiratória imediatamente antes da inalação.
    4. Peça ao participante que faça uma pausa respiratória de 5 (4-8) s no TLC. Durante a inspiração, um volume inspirado (VI) ≥90% da CVF (ou capacidade vital baseada em pletismografia) com um tempo de apneia de 4-8 s é alvo23 (Tabela 1).
    5. Após a pausa respiratória, instrua o participante a realizar uma expiração máxima forte e constante, sem interrupções.
    6. Após a expiração máxima, peça ao participante que solte o bocal e o clipe nasal. O software irá então calcular DL, NO e DL, CO sem qualquer comando.
  4. Utilizar incentivo verbal durante toda a manobra para garantir que o participante atinja VR e CPT. Avalie-se a aceitabilidade da manobra conforme Tabela 1.
  5. Realizar a manobra novamente após pelo menos 4 min de washout e até que duas manobras preencham os critérios de aceitabilidade (Tabela 1) ou até que um total de 12 manobras (veja abaixo) tenham sido realizadas na mesma sessão.
  6. O DL,NO e DL,CO são relatados de acordo com os critérios descritos na Tabela 2. Também recomendamos que o tempo de apneia, o volume inspirado e o volume alveolar sejam relatados. Além disso, o número de manobras aceitáveis e repetíveis deve ser relatado, e achados baseados em manobras que não preenchem os critérios de aceitabilidade ou repetibilidade devem ser interpretados com cautela.

6. DL, CO/NO medição durante o exercício

NOTA: Uma linha do tempo das medidas de DL,CO/NO durante o exercício é fornecida na Figura 3.

  1. Coloque o cicloergômetro a uma distância que permita ao participante respirar pelo bocal sem precisar alterar a posição de ciclismo. Aumentar a altura do equipamento para que as medições possam ser realizadas com uma posição de trabalho correta na bicicleta (ver Figura 2).
  2. Coloque o participante no cicloergômetro e coloque um monitor de FC no tórax. Instruir o participante a realizar cada manobra conforme descrito no passo 5.3.
  3. Instruir o participante a iniciar o ciclismo por 5 min em uma carga submáxima, como um aquecimento antes da medição.
  4. Aumente a carga de trabalho para a intensidade alvo e, simultaneamente, inicie a reposição automática do dispositivo premindo F1 (ver passo 5.2). A reinicialização automática leva de 140 a 210 s, o que é suficiente para garantir que o participante tenha atingido o estado estacionário.
  5. Quando o reset automático terminar, vire o bocal para o participante e realize uma manobra conforme descrito abaixo, enquanto o participante continua pedalando na intensidade alvo.
    1. Siga as etapas nas etapas 5.4 a 5.5. Avaliar os critérios de aceitabilidade e repetibilidade (Tabela 1) em cada carga de trabalho e relatar as medidas durante o repouso (ver passo 5.6 e Tabela 2).
  6. Após o término da manobra, remova o bocal e diminua a carga para 15-40 W. Realizar a fase de recuperação ativa por 2 min, após o que repita os passos 6.4 e 6.5. Os 2 min de recuperação ativa e os 140-210 s durante a reinicialização automática fornecem um período de washout suficiente de 4-5 min.

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Resultados

O protocolo foi implementado em 2021 e, no momento em que este artigo foi escrito, um total de 124 medições durante o exercício (ou seja, 51 em voluntários saudáveis e 73 em pacientes com DPOC de várias gravidades) haviam sido realizadas. As manobras, bem como os dados sobre os critérios de aceitabilidade e repetibilidade preenchidos, e a taxa de falha estão todos apresentados na Tabela 3.

Cálculos
Como exemplo, cálculos de uma única manobr...

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Discussão

O protocolo fornece uma abordagem padronizada para a mensuração de D, L,CO/NO durante o exercício utilizando a técnica de respiração única com gás de teste duplo. Uma vez que as métricas de DL,CO/NO obtidas aumentam devido ao recrutamento e distensão capilar pulmonar, o método fornece uma medida fisiologicamente significativa da reserva alvéolo-capilar.

Etapas críticas do protocolo
O método requer uma expiração para o volume residual seguida de uma ins...

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Divulgações

Os equipamentos e softwares apresentados no artigo não são gratuitos. Nenhum dos autores está associado a qualquer empresa que forneça a licença para o software. Todos os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

O estudo recebeu apoio financeiro da Fundação Svend Andersen. O Centro de Pesquisa de Atividade Física é apoiado pelo TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045 e ID 125132. O JPH é financiado pelo HelseFonden e pelo Hospital Universitário de Copenhague, Rigshospitalet, enquanto o HLH é financiado pela Fundação Beckett.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
HemoCue Hb 201+ HemoCue, Brø nshø j, DinamarcaUnkownPara medições de hemoglobina
Jaeger MasterScreen PFT pro (Equipamento de Função Pulmonar)CareFusion, H & ouml; chberg, AlemanhaDesconhecidoPara medições de DLCO/NO
BocalSpiroBac, Henrotech, Aartselaar, BélgicaDesconhecidoUsado em conjunto com o Equipamento de Função Pulmonar. (espaço morto 56 ml, resistência ao fluxo a 12 L s− 1 0,9 cmH2O) 
Clipe nasalIntraMedic, Gentofte, DinamarcaJAE-892895
PhenumotachIntraMedic, Gentofte, DinamarcaJAE-705048Usado em conjunto com o equipamento de função pulmonar
Solução de software SentrySuiteVyaire's Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg Alemanhadesconhecido
Gases de testeIntraMedic, Gentofte, DinamarcaDesconhecidoConcentrações: 0,28% CO, 20,9% O2, 69,52% N2 e 9,3% He

Referências

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