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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokol følger retningslinjerne i den institutionelle review board på University of Texas i Arlington og overholder de standarder fastsat af den nyeste version af Helsinki-erklæringen. Derfor skriftlig informeret samtykke var (og bør) opnåede forud for påbegyndelsen af forskning procedurer.
1. instrumentering
Bemærk: Følgende instrumentation beskrivelse er baseret på den nær-infrarødt (NIR) spektrometret og data erhvervelse system, der anvendes i vores lab (Se Tabel af materialer). Således indeholder vejledningen trin, der er nødvendige for den optimale funktion af disse enheder. Disse skridt omfatter kalibrering af NIR sonden ved hjælp af den medfølgende software og kalibrering fantom, og anvendelsen af en mørk klud til at udelukke omgivende lys. I tilfælde af, at forskellige data samling hardware eller software anvendes, bør efterforskere konsultere deres egne specifikke brugsanvisninger til kalibrering og omgivende lys overvejelser. Figur 1 illustrerer de eksperimentelle set-up og instrumentation beskrevet straks nedenfor.
- Instruere emnet ligge rygliggende med benene inde i en lavere organ undertryk (LBNP) kammer (figur 1A), således at deres bælte linje er ca selv med åbning til boksen LBNP. For instruktioner om hvordan man opbygger en LBNP afdeling, se referencer17.
- Sted tre elektrokardiogram elektroder på emnet: to i en ringere, midten af clavicula beliggenhed og et om emnet venstre side mediale til crista crest. Denne konfiguration giver de bedste resultater på grund af begrænset adgang til den nedre lemmer, instrumentation af de øvre lemmer, og arm bevægelse under hånd greb træning.
- Placer en non-invasiv blodtryk monitor modul på fagets dominerende håndled. Placer fingeren blodtryk manchetter på hver finger og forbinde dem til modulet (figur 1B). Sikre finger blodtryk manchetter er korrekt kalibreret efter brugervejledningen, der fulgte med enheden.
- Instruere emnet til at forstå en hånd greb dynamometeret (HGD) med deres ikke-dominerende arm i en lidt bortførte holdning. Arm skal være komfortabelt placeret på et sengebord. Afstand og vinkel af HGD bør justeres for at muliggøre optimal gribestyrke med minimal arm bevægelse (figur 1 c).
- Sikre HGD til et sengebord.
- Måle den maksimale frivillige sammentrækning (MVC) af deltageren. Fortælle deltageren, når du bliver bedt om det, de skal presse HGD så hårdt som muligt mens kun udnytte musklerne i hånd og underarm. Instruere emnet at de skal undlade at rekruttere deres overarm, bryst, skulder eller mavemusklerne når du udfører den maksimale greb.
- Gentag trin 1,6 adskilt tre gange, af mindst 60 s. post den maksimale kraft opnåede (bedst af 3). Denne maksimale kraft vil blive brugt til at beregne træningsintensitet for skeletmuskulatur oxidative kapacitet og neurovaskulært kobling (nedenfor).
- Placer en hurtig-inflation manchet omkring overarmen udøve hånden. Tilslut Flyselskabet fra hurtig inflation controller til manchetten.
- Identificere flexor digitorum profundus. Brug en hud markør til at afgrænse grænserne af den håndgribelig muskel.
- Sikre, at NIR spektrometer er korrekt kalibreret efter brugerens manuel inkluderet med enheden. Rens huden hvor NIR sonden placeres med en alkohol prep tørre.
- Placer NIR sonden over midten af maven af muskel (flexor digitorum profundus) og anbringer det sikkert til underarmen.
- Wrap prøvetagningssonden og underarm med mørk klud, minimere interferens fra omgivende lys (figur 1 c, figur 1 d).
- Når du er klar til at udføre den funktionelle sympatholysis del af undersøgelsen, forsegle genstand i LBNP afdeling.
2. skeletmuskulatur Oxidative kapacitet
Bemærk: Repræsentative data vektoriseringen illustrerer den eksperimentelle procedure til måling af skeletmuskulatur oxidative kapacitet er afbildet i figur 2. Denne eksperimentelle tilgang er tidligere blevet valideret mod i vivo fosfor MRS18 og i situ muskel respirometri19, og er ved at vinde bred accept20.
- Instrument emne, som anført ovenfor (Instrumentation).
- Instruere emnet ligge stille i 2 min mens overvågningen deoxyhemoglobin (HHb) og oxyhæmoglobin (HbO2) via NIR sonden.
Bemærk: Denne hvileperiode tillader emne at tilbagesøge enhver bevægelse artefakt knyttet til processen, instrumentering, og sikrer stabil basislinje målinger. Hvis efter 2 min ingen betydelige udsving har fundet sted, kan det betragtes på en stationær tilstand, eller hvilende baseline. - Før manchet okklusion, meddele dit emne, du vil oppumpning manchetten. Puste overarmen manchet mindst 30 mmHg over systolisk blodtryk i 5 min (dvs. suprasystolic). Instruere emnet til at holde deres arm som stadig og afslappet som muligt, både under cuff inflation og følgende manchet deflation.
Bemærk: Denne 5 min brachialis arterie manchet okklusion protokollen nøje afspejler den i øjeblikket accepteret klinisk standard for vaskulær okklusion tester21,22,23,24,25. - Optage den indledende/baseline værdi (før manchet okklusion) og nadir værdien af væv mætning (StO2) under Manchet okklusion og bestemme midtpunktet mellem disse to værdier.
- Tillad emne tilbagesøge manchet okklusion og vende tilbage til de hvile baseline værdier. Når emnet har opretholdt en hvilende baseline for mindst 1 fuld min, fortsætte til næste trin.
- Instruere undergivet squeeze og opretholde en isometrisk hånd greb på 50% af deres MVC. Tilskynde genstand til at opretholde deres isometrisk kontraktion indtil vævet Afmætter med 50%. Efter at nå denne værdi, Fortæl emne at slappe af deres hånd og informere dem om, at ikke mere motion eller bevægelse er nødvendig.
- Inden for 3-5 s følgende udøve ophør, administrere følgende hurtige manchet okklusion serien (én serie = 1 inflation + 1 deflation), som tidligere etableret18:
Serie #1 - 6: 5 s på/5 s off
Serie #7 - 10: 7 s på/10 s off
Serie #11-14:10 s på 15/s off
Serie #15-18:10 s på/20 s off - Efter endt 18th inflation/deflation serien, instruere emnet til at hvile, så væv mætning til at vende tilbage til oprindelige baseline værdier. Efter disse værdier har været konsekvent i mindst 2 min., Gentag trin 2.4 og 2.5.
-
Beregning af skeletmuskulatur Oxidative kapacitet
- Beregne hældningen af ændringen i StO2for hver af de enkelte 18 manchet tillukning, danner monoexponential gendannelsespunkter illustreret i figur 2 c.
- Passe de beregnede data fra 2,7 til følgende monoexponential kurve18,19,26
y = slut - Δ x e-kt
Bemærk: 'y' er relative muskel ilt forbrug satsen (mV̇O2) under cuff inflation, 'End' repræsenterer mV̇O2 umiddelbart efter ophør af motion; Delta (Δ) betegner ændringen i mV̇O2 fra resten til slutningen af øvelsen; 'k' er montering konstant; 't' tid. Tau beregnes som 1/k.
3. reaktiv hyperæmi
Bemærk: Repræsentative data vektoriseringen illustrerer den eksperimentelle procedure til måling af reaktiv hyperæmi er afbildet i figur 3.
- Med emnet liggende liggende og instrumenterede som beskrevet ovenfor (instrumentering), instruere emnet ligge som stadig som muligt.
- Når emnet har opnået en konsistent hvilende tilstand, fortsætte med at optage mindst 1 min grunddata og derefter hurtigt puste en blodtryk manchet på overarmen til et suprasystolic tryk (30 mmHg over systolisk blodtryk).
- På 5 min mark, hastigt deflatere manchetten mens du optager den hyperemic svar.
- Fortsætte optagelsen for mindst 3 min for at indfange fagets opsving.
-
Beregning af reaktiv hyperæmi
Bemærk: NIRS parametre beregnes er afbildet i figur 3.- Beregne baseline StO2 som den gennemsnitlige StO2 over 1 fuld min før til udbrud af arteriel manchet okklusion.
- Bestemme de hvilende skeletmuskulatur metaboliske sats som desaturering sats (dvs. gennemsnitlig hældning) under Manchet okklusion (defineret som hældningen 1)27,28.
- Beregn reaktiv hyperæmi som følger:
en) den gennemsnitlige toppens Forside efter manchet frigivelse (dvs. reperfusion sats, defineret som skråning 2), beregnes ud fra øjeblikket af manchetten release gennem den lineært stigende fase af rebound spor;
b) den højeste værdi i StO2 nået efter manchet release (betegnet som StO2max);
c) reaktiv hyperæmi arealet under kurven (AUC); regnet fra tidspunktet for manchet frigivelse til 1-, 2- og 3-min post cuff-okklusion (AUC 1-min, AUC 2-min, og AUC 3-min, henholdsvis); og
d) den hyperemic reserve, beregnes som ændringen i StO2 over baseline og rapporteres som en procent (%) ændringer. Denne værdi beregnes som den højeste mætning opnået under den post okklusiv rebound minus den gennemsnitlige saturation beregnet i trin 3.5.1 (se ovenfor).
Bemærk: Store forskelle i baselinedata vil stærkt påvirke fortolkningen af den hyperemic reserve.
4. funktionel Sympatholysis
Bemærk: Repræsentative data vektoriseringen illustrerer den eksperimentelle procedure til måling af funktionelle sympatholysis er afbildet i figur 4.
- Instrument emne, som anført ovenfor (Instrumentation).
- Sikre en lufttæt forsegling i LBNP afdeling.
- Med emnet ligger stadig og i hvile, indsamle 3 min grunddata.
- På 3 min mark, tænde vakuum. Indstil vakuum, så trykket inde LBNP kammer er mellem-20 og -30 mmHg. Tillad vakuum til at køre i 2 min. mens overvågningen fagets svar.
- På 5 min mark, slukke vakuum og tillade emne til hvile i 3 min.
- På 8 min mark, indlede stemmeprompt vejlede emne gennem rytmiske hånd greb motion (20% MVC).
- Bekræfte, at emnet opretholde deres squeeze i hele i sin helhed hver gribende fase og afslappende helt under mellem hver gentagelse. Overvåge deres kraft output og bekræfte, at de opnår 20% MVC med hver greb. Fortsat øvelse indtil 11 min mark.
- På 11 min mark, tænde vakuum opmuntrende emne til at fortsætte deres rytmisk udøvelse. Tillad vakuum til at køre fra 11-13 min, så slå det fra.
- Har emnet fortsat udfører rytmiske hånd greb øvelse på 20% af deres MVC for en yderligere 2 min. Ved motion ophør, har emnet resten stille og roligt og ligger stadig.
-
Beregning af funktionelle Sympatholysis
- Normalisere ændringer i oxyhæmoglobin med LBNP til den samlede labile signal (TLS), bestemmes under 5 min manchet okklusion:
- Beregne hver begivenhed som de sidste 20 min gennemsnit af hver event.
- Beregne den anstrengelsesudløst dæmpning af oxyhæmoglobin reduktion:
- Normalisere ændringer i oxyhæmoglobin med LBNP til den samlede labile signal (TLS), bestemmes under 5 min manchet okklusion:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Skeletmuskulatur oxidative kapacitet
Figur 2 illustrerer en repræsentant deltager svar under en NIRS-afledte skeletmuskulatur oxidative kapacitet vurdering. Panel A viser væv mætning profil under en 5 min arteriel manchet okklusion protokol, håndgreb motion og intermitterende arteriel okklusion i recovery fra øvelse. Panelet B illustrerer den forventede væv desaturering/re-saturation profil under de intermitterende arteriel tillukning i restitutionsperioden. Rate af desaturering er direkte proportional med antallet af muskel iltforbrug, og er afbildet i panelet C for hver af intermitterende manchet okklusion perioder. Beregnede muskel ilt forbrug recovery data er så passe til en monoexponential kurve og inddrivelse tid konstant afledt. Brug den samme fremgangsmåde, har et stigende antal studier evalueret skeletmuskulatur oxidative kapacitet for både sundhed og sygdom, på tværs af en række forskellige muskelgrupper (tabel 1).
Reaktiv hyperæmi
Figur 3 illustrerer NIRS-afledte reaktiv hyperæmi profil under et repræsentativt vaskulære okklusionstesten. Denne samme tilgang har været anvendt på tværs af en bred vifte af undersøgelse befolkninger og muskelgrupper med god succes (tabel 2). Dataene angiver, at NIRS-afledte reaktiv hyperæmi ikke kun giver værdifuld indsigt i vaskulære reaktivitet, men at testen er let at tilpasse og klinisk meningsfuldt.
Funktionelle Sympatholysis
Tabel 3 en oversigt over den eksisterende litteratur ved hjælp af den nøjagtige samme neurovaskulære kobling metode beskrevet heri for at måle funktionelle sympatholysis, viser både mekanistiske og klinisk relevante resultater. Hos raske kontrolpersoner, når LBNP er overlejret på mild håndgreb, er den refleks fald i muskel iltning svækket af ~ 50% (figur 4). Manglende evne til at dæmpe sympatisk (vasokonstriktor) nerve aktivitet under træning, som med hjerte-kar- eller neurologisk sygdom (tabel 3), forstyrrer balancen mellem ilt levering og udnyttelse, og forårsager funktionel muskel iskæmi.
Figur 1. Eksperimentel opsætning og instrumentation. (A) repræsentative eksperimentelle set-up, med et typisk emne liggende liggende på en seng med benene inde i LBNP kammer og fuldt instrumenterede. (B) dominerende arm instrumenteret med en non-invasiv beat-to-beat blodtryk enhed for beat-to-beat arteriel blodtryksmåling og en brachialis arterie blodtryk manchet for kalibrering og verifikation af de beat-to-beat system. (C) instrumentering af ikke-dominerende arm. Hånden er komfortabelt gribende en håndgreb dynamometeret (tilsluttet dataoptegningssystem) og underarm muskler er instrumenteret med nær-infrarød spektroskopi sonden. (D) når instrumenteret, NIRS optodes er dækket med en sort vinyl klud (til at fjerne indblanding fra omgivende lys). Desuden er en hurtig cuff inflation system placeret over brachialis arterie. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Skeletmuskulatur oxidative kapacitet protokol. (A) rådata sporing fra en repræsentativ emne målt via NIRS, viser væv mætning (StO2) over tid. Efter etablering af en stabil basislinje, er brachialis arterie af ikke-dominerende arm tilstoppet i fem min for at etablere fagets desaturering reserve (forskel mellem baseline StO2 og nadir). Efter genopretning fra okklusion, er emnet pålagt at udføre en 50% isometrisk håndgreb, efterfulgt af 18 hurtige cuff inflation serie at vurdere muskel ilt forbrug opsving kinetik. (B) analyse udføres derefter offline ved at beregne den gennemsnitlige skråning af hver manchet okklusion serie følgende motion; illustreret her ved hjælp af hypotetiske manchet okklusion seriedata. (C) for at beregne opsving tid konstanten af muskel iltning, hældningen af hver af de 18 hurtige manchet tillukning (dvs. post-øvelse muskel iltforbrug, mV̇O2) fra A er afbildet mod tiden og passer til en monoexponential kurve. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Reaktiv hyperæmi forsøgsplan. Med emnet liggende liggende, optage mindst 1 min grunddata, efterfulgt af 5 min af samlede arteriel manchet okklusion, og mindst 3 min af recovery efter manchet frigivelse. Bemærk den indlysende overlapning mellem skeletmuskulatur oxidative kapacitet protokol (figur 2), og denne protokol. 'Baseline' definerer tidsrum forud for arteriel manchet okklusion. ' Hældning 1' definerer desaturering sats under Manchet okklusion, og betragtes som en foranstaltning af hvilende skeletmuskulatur metaboliske sats. Den laveste StO2 værdien opnået under iskæmi er defineret som ' StO2 minimum', og betragtes som en foranstaltning af iskæmisk stimulus til vasodilate. Væv mætning reperfusion sats er betegnet som 'Hældning 2', og er et indeks af reaktiv hyperæmi; som er StO2 maksimum og reaktiv hyperæmi 'arealet under kurven' (AUC). For at få indsigt i naturreservatet hyperemic, er StO2 maksimale udtrykt som en procentvis ændring fra baseline. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Funktionel sympatholysis forsøgsplan. Venstre panel: rådata sporing fra en repræsentativ emne. Med emnet liggende liggende i LBNP afdeling, tillade 3 min af steady-state baseline dataindsamling. Slå LBNP til -20 mmHg i 2 min. oxyhæmoglobin/myoglobin burde afmatning som svar på den refleks sympatiske vasokonstriktion (blå cirkel, skraverede område). Tillad 2 min til nyttiggørelse. Spørger emne at udføre rytmiske håndgreb øvelse på 20% MVC (målt før dataindsamling). Efter 3 min af rytmisk udøvelse, Gentag-20 mmHg LBNP for 2 min mens emnet fortsætter med at udøve, fulgt af 2 min motion uden LBNP. Reduktion i oxyhæmoglobin/myoglobin bør være betydeligt svækket (rød cirkel, skraverede område). Hvis ikke allerede er udført, puste et blodtryk manchet over brachialis arterie udøve armen for 5 min at etablere fagets række desaturering. Bemærk, at de skyggelagte områder i figur er kun beregnet til at fremhæve ændringer i oxyhæmoglobin/myoglobin; Se protokol for yderligere oplysninger om, hvordan man analysere resultatet variablerne bruges til at beregne sympatholysis. Højre Panel: LBNP-induceret ændring i oxyhæmoglobin/myoglobin i hvile og under håndgreb træning beregnet ud fra data på venstre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Referencedata/sæt | Studere befolkning | Prøvestørrelse (n) |
Alder af deltagerne (år ± SD) |
Tau (τ) (s) |
Muskelgruppe | NIRS Variable rapporterede | Enhed |
| Brizendine mfl. (2013) | Udholdenhedsatleter | 8 | 25 ± 3 | 19 | Vastus lateralis | HBdiff/total blod volumen | Kontinuert bølge (Oxymon MK III) |
| Ryan mfl. (2014) | Unge, raske | 21 | 26 ± 2 | 55 | Vastus lateralis | HHb | Kontinuert bølge (Oxymon MK III) |
| Sydlige mfl. (2015) | Ældre | 23 | 61 ± 5 | 63 | Håndled flexor | HBdiff | Kontinuert bølge (Oxymon MK III) |
| Ældre + hjertesvigt | 16 | 65 ± 7 | 77 | Håndled flexor | Kontinuert bølge (Oxymon MK III) |
||
| Adami mfl. (2017) | Rygere med normal Spirometri | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediale underarm | Væv mætning indeks (TSI) | Kontinuert bølge (Portamon) |
| KOL Gold 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediale underarm | Kontinuert bølge (Portamon) |
||
| Erickson mfl. (2013) | Rygmarvsskade | 9 | 43 ± 11 | 143 | Vastus lateralis | HbO2 | Kontinuert bølge (Oxymon MK III) |
Tabel 1: Oversigt over tidligere publicerede rapporter på tværs af sundhed kontinuum med nær-infrarød spektroskopi til at måle skeletmuskulatur oxidative kapacitet.
| Reference | Studere befolkning | Muskel gruppe | Rapporterede resultater | Resultatet værdi |
| Lacroix, J Biomed Opt, 2012 | Raske mænd | Underarm | Peak oxyhæmoglobin | 28.05 ± 3.15 ΜM |
| Peak samlede hæmoglobin | 10.56 ± 1,80 ΜM | |||
| Øge hastigheden til Peak HbO2 | 0,75 ± 0,22 μM/s | |||
| Øge hastigheden til Peak samlede Hb | 0,52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Perifer vaskulær sygdom | Underarm | Iltforbrug | 0,68 ± 0,04 mL/min |
| Tid til Peak | 153 ± 16 s | |||
| Maksimal absolut ændring i HbO2 | 2,93 ± 0,22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, genoplivning, 2012 | Efter Cardiac anholdelse ICU Admittants | Thenar Eminence | Desaturering sats | -5.6 ± 2 %/min |
| Resaturation sats | 0,9 ± 0,6 %/sec | |||
| DIMOPOULOS, Respir pleje, 2013 | Pulmonal Hypertension | Thenar Eminence | Baseline mætning med 21% O2 | 65.8 ± 14,9% |
| O2 Forbrugshastigheden med 21% O2 | 35,3 ± 9.1 %/min | |||
| Reperfusion sats med 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, Am J Physiol hjerte Circ Physiol, 2007 | Organsvigt & Sepsis | Underarm | Baseline mætning | 84% |
| Reoxygenation sats | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit pleje Med, 2011 | Septisk chok | Thenar Eminence | Baseline mætning | 80 ± 1,0% |
| Desaturering hældning | -9.8 ± 3,7 %/min | |||
| Recovery hældning | 2.3 ± 1,4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Raske mænd | Tibialis Anterior | Baseline mætning | 71.3 ± 2,9% |
| Minimum mætning | 44,8 ± 8,6% | |||
| Desaturering hældning | -0.1 ± 0,03 %/s | |||
| Recovery hældning | 1,63 ± 0,5 %/s | |||
| Peak mætning | 82.6 ± 2,3% | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Raske mænd | Tibialis Anterior | Baseline mætning | 71.1 ± 2,4% |
| Minimum mætning | 46,2 ± 7,5% | |||
| Peak mætning | 82.1 ± 1,4% | |||
| Recovery hældning | 1.32 ± 0.38 %/s |
Tabel 2: Oversigt over tidligere publicerede rapporter på tværs af sundhed kontinuum med nær-infrarød spektroskopi til at måle reaktiv hyperæmi.
| Reference | Studere befolkning | % Dæmpning |
| Nelson MD, J. Physiol, 2015 | Sund | -57 |
| Becker muskelsvind | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Sund | -93 |
| Hypertension | -14 | |
| Fadel, J. Physiol, 2004 | Før overgangsalderen | -84 |
| Efter overgangsalderen | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Sund | -74 |
| Duchennes muskeldystrofi | . + 7 | |
| Nelson MD, neurologi, 2014 | Sund | -54 |
| Duchennes muskeldystrofi | -7 | |
| Pris, Hypertension, 2013 | Hypertension forbehandling | -52 |
| Hypertension Post-Nebivolol behandling | -97 | |
| Hansen, J. Clin. Investere., 1996 | Sund øvelse på 20% MVC | -92 |
| Sund motion på 30% MVC | -125 |
Tabel 3: Oversigt over tidligere publicerede rapporter på tværs af sundhed kontinuum med nær-infrarød spektroskopi, i kombination med lavere kroppen negativt pres og håndgreb øvelse, for at vurdere funktionelle sympatholysis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 ark i en svagt oplyste rum at undgå indblanding af den i nærheden af infrarød fra lys udefra. Derudover at opnå god kvalitetsdata er stærkt afhængig af klar kommunikation mellem testeren og emnet, og den test team. Vi og andre har fundet, når de udføres med passende omhu og opmærksomhed, NIRS er yderst reproducerbare inden for en enkelt undersøgelse besøg, og på tværs af flere besøg10,11,24,29. Endvidere er de fysiologiske resultat variabler rapporteret heri (dvs. skeletmuskulatur oxidative kapacitet, reaktiv hyperæmi og neurovaskulært kobling) følsomme over for eksperimenterende/klinisk intervention, både inden for og mellem studiebesøg 30 , 31 , 10 , 11.
Der er i øjeblikket begrænset enighed om passende indberetning af NIRS resultatet variabler. For eksempel, når du måler skeletmuskulatur oxidative kapacitet, har efterforskere passer opsving kinetik af HbO232, HHb19, Hbdiff30 og væv O2 mætning (nuværende undersøgelse og andre33 ). Ligeledes, en lignende spredning i resultaterne variabler er også blevet rapporteret for NIRS-baserede reaktiv hyperæmi. 34 , 35 , 36 , 37 Nogle af denne uoverensstemmelse kan vedrøre NIRS enhedstypen anvendes. For eksempel, frekvens-domæne enheder (som bruges her) giver absolut kvantificering af HbO2 og HHb, og således ikke kan påvirkes af akutte ændringer i samlede Hb indhold (bevirke, at behovet at korrigere data). I modsætning hertil dog er kontinuerte enheder stærkt påvirket af akutte ændringer i samlede hæmoglobin, der kræver data korrektion25.
Ændringer og fejlfinding
Et vigtigt og aktuelt uundgåelig begrænsning af NIRS er dens begrænsede indtrængningsdybde (~ 2 cm). Derfor lemmer overvægt kan markant reducere — og endog helt eliminere — NIRS signal og bør tages i betragtning ved screening potentielle emner. Hvis du vil kontrollere dette, efterforskere opfordres til at måle underarm skinfold tykkelse, og udelukke deltagere med signifikant perifer overvægt.
Enhver faktor, der kan modulere vaskulære lydhørhed, neurovaskulære kobling og/eller skeletmuskulatur oxidative kapacitet (dvs., medicin, genetiske mutationer, etc.) vil faktisk påvirke primære end-point målingerne beskrevet heri . Efterforskere opfordres derfor til at tage disse faktorer i betragtning ved tilpasning af denne protokol og planlægge fremtidige eksperimenter.
For funktionelle sympatholysis bestemmelse, måtte efterforskere ønske at medtage en anden hvile LBNP udfordring at sikre, at signalet er stadig til stede, og at forskelle observeret under motion-LBNP ikke var blot på grund af tab af signal eller måling fejl. Det anbefales at lade 3-5 min at tillade oxyhæmoglobin signal til fuld tilbagebetaling til baseline værdier før gentage den hvilende LBNP udfordring.
Fremtidige ansøgninger eller retninger efter mestrer denne teknik
NIR spektroskopi bruger laserlys til at vurdere koncentrationen af iltet og deoxygenated hæmoglobin i vævet. Under måling af reaktiv hyperæmi og funktionelle sympatholysis menes relative ændringer i disse parametre repræsenterer ændringer i mikrovaskulære flow. Diffuse korrelation spektroskopi (DCS) er en spirende nær-Infrarød billeddannelse tilgang som, ud over evaluering af koncentrationen af oxy- og deoxyhemoglobin, også kan kvantificere mikrovaskulære perfusion38. I betragtning af de åbenlyse ligheder mellem disse to Billeddannende metoder, integreringen af DCS i de foreslåede teknikker vil være næsten soemloese og kan give yderligere indsigt i kvantificering af mikrovaskulære funktion og perfusion.
Når denne teknik er mestret, vil overførelse at kliniske populationer, som dem med hjertesvigt, giver vigtige mekanistiske indblik motion intolerance og hjerte-kar-dysfunktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af en University of Texas i Arlington tværfagligt forskningsprogram grant.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dual-channel OxiplexTS Near-infrared spectroscopy machine | Iss Medical | 101 | |
| NIRS muscle sensor | Iss Medical | 201.2 | |
| E20 Rapid cuff inflation system | Hokanson | E20 | |
| AG101 Air Source | Hokanson | AG101 | |
| Smedley Handgrip dynometer (recording) | Stolting | 56380 | |
| Powerlab 16/35, 16 Channel Recorder | ADInstruments | PL3516 | |
| Human NIBP Set | ADInstruments | ML282-SM | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE132 | |
| Quad Bridge Amp | ADInstruments | FE224 | |
| Connex Spot Monitor | Welch Allyn | 71WX-B | |
| Origin(Pro) graphing software | OrignPro | Pro | |
| Lower body negative pressure chamber | Physiology Research Instruments | standard unit |
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. Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. Rassier, D. E. , Springer. New York. 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).
