Summary
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.
Introduction
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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Protocol
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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).
- Fissare la HGD per un comodino.
- 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.
- 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).
- Posizionare un rapid-inflazione bracciale intorno al braccio della mano che esercita. Collegare la linea aerea dal controller di rapida inflazione al polsino.
- Identificare il profundus di digitorum del flessore. Utilizzare un marcatore di pelle per delimitare i confini del muscolo palpabile.
- 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.
- Posizionare la sonda NIR sopra il centro del ventre del muscolo (profundus di digitorum del flessore) e fissarlo saldamente all'avambraccio.
- Avvolgere la sonda e dell'avambraccio con panno scuro, riducendo al minimo l'interferenza dalla luce ambientale (Figura 1, Figura 1).
- 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.
- Strumento il soggetto come indicato sopra (strumentazione).
- 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. - 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 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 - 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.
-
Calcolo della capacità ossidativa del muscolo scheletrico
- Calcolare la pendenza del cambiamento in StO2per ciascuna delle occlusioni 18 polsino singole, formando i punti di ripristino monoexponential illustrati nella Figura 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.
- Con il soggetto sdraiato supino e instrumentata come descritto sopra (strumentazione), indicare il soggetto a mentire ancora possibile.
- 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).
- Presso il marchio di 5 min, rapidamente sgonfiare il bracciale durante la registrazione della risposta hyperemic.
- Continuare a registrare per almeno 3 minuti per l'acquisizione di recupero del soggetto.
-
Calcolo di iperemia reattiva
Nota: I parametri NIRS calcolata sono rappresentati nella figura 3.- Calcolare StO2 come media StO2 sopra 1 min completo prima della linea di base alla comparsa di occlusione arteriosa polsino.
- 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.
- 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.
- Strumento il soggetto come indicato sopra (strumentazione).
- Garantire una chiusura ermetica nella camera di LBNP.
- Con il soggetto che si trova ancora e a riposo, raccogliere 3 min di dati di base.
- 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.
- Presso il marchio di 5 min, disattivare il vuoto e permettere al soggetto di riposare per 3 min.
- Presso il marchio di 8 min, avviare il prompt vocale che guida il soggetto attraverso l'esercizio di presa di mano ritmica (20% MVC).
- 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.
- 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.
- 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.
-
Calcolo funzionale Sympatholysis
- Normalizza il cambiamento in ossiemoglobina con LBNP al segnale labile totale (TLS), determinato durante l'occlusione del polsino 5 min:
- Calcolare ogni evento come la media finale 20 min di ogni evento.
- Calcolare l'attenuazione indotta dall'esercizio della riduzione ossiemoglobina:
- Normalizza il cambiamento in ossiemoglobina con LBNP al segnale labile totale (TLS), determinato durante l'occlusione del polsino 5 min:
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Representative Results
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 durante il recupero dall'esercizio. Pannello B illustra il profilo previsto tessuto desaturazione/re-insufficienti durante le occlusioni arteriose intermittente durante il periodo di recupero. Il tasso di desaturazione è direttamente proporzionale al tasso di consumo di ossigeno del muscolo e viene tracciato nel pannello C per ciascuno dei periodi di occlusione intermittente polsino. I dati di recupero del consumo di ossigeno calcolato muscolare sono quindi adatto ad una curva di monoexponential e la costante di tempo di recupero derivato. Utilizzando lo stesso approccio, un crescente numero di studi hanno valutato la capacità ossidativa del muscolo scheletrico sia in salute e in malattia, attraverso una varietà di gruppi muscolari (tabella 1).
Iperemia reattiva
La figura 3 illustra il profilo di iperemia reattiva NIRS-derivato durante una prova di occlusione vascolare rappresentativo. Questo stesso approccio è stato utilizzato in una vasta gamma di popolazioni di studio e gruppi muscolari con buon successo (tabella 2). I dati indicano che iperemia reattiva NIRS-derivato non solo fornisce informazioni preziose nella reattività vascolare, ma che il test è facilmente adattabile e clinicamente significativi.
Sympatholysis funzionale
Tabella 3 riassume la letteratura esistente utilizzando l'esatta neurovascular stesso approccio descritto nel presente documento per misurare sympatholysis funzionale, mostrando sia meccanicistici che clinicamente rilevanti risultati di accoppiamento. In soggetti sani di controllo, quando LBNP si sovrappone sull'impugnatura mite, la diminuzione riflessa nell'ossigenazione del muscolo è attenuata da ~ 50% (Figura 4). Fallimento per attenuare l'attività del nervo simpatico (vasocostrittore) durante l'esercizio, come con la malattia cardiovascolare o neurologica (tabella 3), sconvolge l'equilibrio tra apporto di ossigeno e l'utilizzazione e causa funzionale del muscolo ischemia.
Figura 1. Set-up sperimentale e strumentazione. (A) rappresentanza struttura sperimentale, con un tipico soggetto sdraiato supino sul letto con le gambe all'interno della camera LBNP e completamente strumentato. (B) braccio dominante strumentato con un dispositivo non invasivo beat-to-beat di pressione per la misurazione della pressione sanguigna arteriosa beat-to-beat e un polsino di pressione sanguigna dell'arteria brachiale per la taratura e verifica del sistema di beat-to-beat. (C) strumentazione del braccio non dominante. La mano è presa comodamente un dinamometro impugnatura (collegato al sistema di acquisizione dati), e il muscolo dell'avambraccio è strumentato con la sonda di spettroscopia nel vicino infrarosso. (D) una volta strumentato, gli optodi NIRS sono coperti con un panno di vinile nero (per eliminare le interferenze dalla luce ambientale). Inoltre, un sistema di gonfiaggio rapido polsino è posizionato sopra l'arteria brachiale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Protocollo di capacità ossidativa del muscolo scheletrico. (A) l'analisi di dati non elaborati da un soggetto rappresentativo misurato tramite NIRS, mostrando la saturazione dei tessuti (StO2) nel corso del tempo. Dopo aver stabilito una linea di base stabile, l'arteria brachiale del braccio non dominante è occlusa per cinque minuti al fine di costituire una riserva di desaturazione del soggetto (differenza tra previsione StO2 e il nadir). Dopo il recupero dall'occlusione, il soggetto viene richiesto di eseguire un'impugnatura isometrica del 50%, seguita da 18 serie di inflazione del polsino rapido per valutare la cinetica consumo ossigeno di recupero muscolare. (B) dati analisi viene quindi eseguita non in linea calcolando la pendenza media di ogni seguente serie di occlusione polsino esercitano; qui illustrato utilizzando ipotetico polsino occlusione serie dati. (C) al fine di calcolare la costante di tempo di recupero di ossigenazione del muscolo, la pendenza di ciascuna delle 18 occlusioni di polsino rapida (cioè, il consumo di ossigeno post-esercizio muscolare, mV̇O2) dalla A è tracciata contro il tempo e adattarsi a una curva di monoexponential. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Protocollo sperimentale di iperemia reattiva. Con il soggetto sdraiato supino, registrare almeno 1 min di dati di base, seguiti da 5 min dell'occlusione arteriosa totale polsino e per almeno 3 minuti di recupero dopo il rilascio di polsino. Si noti la sovrapposizione evidente tra il protocollo di capacità ossidativa del muscolo scheletrico (Figura 2) e il presente protocollo. 'Baseline' definisce il periodo di tempo prima di occlusione arteriosa polsino. ' Pendenza 1' definisce il tasso di desaturazione durante l'occlusione del polsino ed è considerato come una misura del tasso metabolico del muscolo scheletrico a riposo. Il valore minimo di2 StO ottenuto durante l'ischemia è definito come ' StO2 minimo ' e viene considerato come una misura dello stimolo ischemico a vasodilate. Il tasso di riperfusione di saturazione del tessuto è indicato come 'Pendenza 2' ed è un indice di iperemia reattiva; così come StO massimo2 e l'iperemia reattiva 'area sotto la curva' (AUC). Per guadagnare la comprensione nella riserva iperemica, StO2 massima è espressa come un variazioni percentuali dal basale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Protocollo sperimentale di sympatholysis funzionale. Pannello di sinistra: l'analisi di dati non elaborati da un soggetto rappresentativo. Con il soggetto sdraiato supino nella camera di LBNP, consentire 3 min della raccolta dei dati baseline allo steady-state. Accendere LBNP a -20 mmHg per 2 min ossiemoglobina/mioglobina dovrebbe diminuire in risposta alla vasocostrizione riflessa simpatica (cerchio blu, area ombreggiata). Consentire 2 min per il recupero. Chiedere al soggetto di eseguire esercizio ritmico manicotti al 20% MVC (misurata prima della raccolta dei dati). Dopo 3 min di esercizio ritmico, ripetere-20 mmHg LBNP per 2 min mentre il soggetto continua ad esercitare, seguiti da 2 min di esercizio senza LBNP. La riduzione da parte dell'emoglobina/mioglobina dovrebbe essere significativamente attenuato (cerchio rosso, area ombreggiata). Se non già effettuato, gonfiare un polsino di pressione sanguigna sopra l'arteria brachiale del braccio esercitare per 5 min stabilire range del soggetto di desaturazione. Si noti che le aree ombreggiate nella figura sono solo destinate a evidenziare i cambiamenti in ossiemoglobina/mioglobina; Vedi protocollo per dettagli su come analizzare le variabili di esito utilizzate per calcolare sympatholysis. Pannello di destra: Cambiamento LBNP-indotto in ossiemoglobina/mioglobina a riposo e durante l'esercizio di manicotti calcolati dai dati sulla sinistra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Set di dati di riferimento | Popolazione dello studio | Dimensione del campione (n) |
Età dei partecipanti (anni ± DS) |
Tau (τ) (s) |
Gruppo muscolare | NIRS variabile segnalati | Dispositivo |
| Brizendine et al. (2013) | Atleti di resistenza | 8 | 25 ± 3 | 19 | Lateralis vastus | HBdiff/total volume del sangue | Onda continua (Oxymon MK III) |
| Ryan et al. (2014) | Giovane, sano | 21 | 26 ± 2 | 55 | Lateralis vastus | HHb | Onda continua (Oxymon MK III) |
| Del sud et al. (2015) | Anziani | 23 | 61 ± 5 | 63 | Flessore del polso | HBdiff | Onda continua (Oxymon MK III) |
| Anziani + insufficienza cardiaca | 16 | 65 ± 7 | 77 | Flessore del polso | Onda continua (Oxymon MK III) |
||
| Adami et al. (2017) | Fumatori con spirometria normale | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediale dell'avambraccio | Indice di saturazione dei tessuti (TSI) | Onda continua (Portamon) |
| BPCO Gold 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediale dell'avambraccio | Onda continua (Portamon) |
||
| Erickson et al. (2013) | Ferita del midollo spinale | 9 | 43 ± 11 | 143 | Lateralis vastus | HbO2 | Onda continua (Oxymon MK III) |
Tabella 1: Sintesi dei rapporti precedentemente pubblicati attraverso il continuum di salute utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso per misurare capacità ossidativa del muscolo scheletrico.
| Riferimento | Popolazione dello studio | Gruppo muscolare | Risultati riferiti | Valore risultato |
| Lacroix, J Biomed optare, 2012 | Maschi in buona salute | Avambraccio | Ossiemoglobina picco | 28.05 ± 3.15 ΜM |
| Picco di emoglobina totale | 10.56 ± 1.80 ΜM | |||
| Aumentare la frequenza a picco HbO2 | 0,75 ± 0,22 μM/s | |||
| Aumentare il tasso di Hb totale Peak | 0.52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Malattia vascolare periferica | Avambraccio | Consumo di ossigeno | 0.68 ± 0,04 mL/min |
| Tempo di picco | 153 ± 16 s | |||
| Massima variazione assoluta HbO2 | 2.93 ± 0,22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, rianimazione, 2012 | Arresto post-cardiaco terapia intensiva Admittants | Eminenza tenar | Tasso di desaturazione | -5,6 ± 2 %/min |
| Tasso di resaturation | %/sec ± 0,9 0,6 | |||
| Dimopoulos, Respir cura, 2013 | Ipertensione arteriosa polmonare | Eminenza tenar | Saturazione della linea di base con 21% O2 | 65,8 ± 14,9% |
| O2 Tasso di consumo con 21% O2 | 35,3 ± 9,1 %/min | |||
| Tasso di riperfusione con 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, J Physiol Heart Circ Physiol, 2007 | Sepsis e guasto dell'organo | Avambraccio | Saturazione della linea di base | 84% |
| Tasso di riossigenazione | 3,6 %/s | |||
| Mayeur, Crit Care Med, 2011 | Shock settico | Eminenza tenar | Saturazione della linea di base | 80 ± 1,0% |
| Pendio di desaturazione | -9,8 ± 3,7 %/min | |||
| Pendio di recupero | 2.3 ± 1.4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Maschi in buona salute | Tibiale anteriore | Saturazione della linea di base | 71,3 ± 2,9% |
| Saturazione minima | 44,8 ± 8,6% | |||
| Pendio di desaturazione | -0,1 ± 0,03 %/s | |||
| Pendio di recupero | 1.63 ± 0,5 %/s | |||
| Saturazione di picco | 82,6 ± 2,3% | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Maschi in buona salute | Tibiale anteriore | Saturazione della linea di base | 71,1 ± 2,4% |
| Saturazione minima | 46,2 ± 7,5% | |||
| Saturazione di picco | 82,1 ± 1,4% | |||
| Pendio di recupero | 1.32 ± 0,38 %/s |
Tabella 2: Sintesi dei rapporti precedentemente pubblicati attraverso il continuum di salute utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso per misurare l'iperemia reattiva.
| Riferimento | Popolazione dello studio | % Attenuazione |
| MD di Nelson, J. Physiol, 2015 | Sano | -57 |
| Distrofia muscolare di Becker | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Sano | -93 |
| Ipertensione | -14 | |
| Fadel, J. Physiol, 2004 | Pre-menopausa | -84 |
| Post-menopausa | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Sano | -74 |
| Distrofia muscolare di Duchenne | . + 7 | |
| MD di Nelson, neurologia, 2014 | Sano | -54 |
| Distrofia muscolare di Duchenne | -7 | |
| Prezzo, ipertensione, 2013 | Pre-trattamento dell'ipertensione | -52 |
| Trattamento dell'ipertensione Post-Nebivololo | -97 | |
| Hansen, J. Clin. Investire., 1996 | Sano esercizio alle 20% MVC | -92 |
| Sano esercizio al 30% MVC | -125 |
Tabella 3: Riepilogo dei rapporti precedentemente pubblicati attraverso il continuum salute usando spettroscopia nel vicino infrarosso, in combinazione con negativo corpo bassa pressione e manicotti esercizio, per valutare sympatholysis funzionale.
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Discussion
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 sul posto per evitare artefatto movimento e coperto con un foglio di vinile nero in una stanza scarsamente illuminata per evitare interferenza del vicino infrarosso della luce esterna. Inoltre, ottenendo dati di buona qualità si basa pesantemente una comunicazione chiara tra il tester e il soggetto e il team di test. Noi ed altri, abbiamo trovato che, quando eseguita con attenzione e cure appropriate, NIRS è altamente riproducibile, all'interno di una visita di singolo studio e attraverso molteplici visite10,11,24,29. Inoltre, le variabili di risultato fisiologico segnalate qui (cioè, la capacità ossidativa del muscolo scheletrico, iperemia reattiva e neurovascular accoppiamento) sono sensibili all'intervento sperimentale/cliniche, sia all'interno che tra le visite di studio 30 , 31 , 10 , 11.
C'è attualmente limitato consenso sulla segnalazione appropriata delle variabili di risultato NIRS. Ad esempio, quando si misura la capacità ossidativa del muscolo scheletrico, gli investigatori hanno bene la cinetica di recupero della HbO232, HHb19, Hbdiff30 e tessuto saturazione di O2 (studio presente e altri33 ). Allo stesso modo, una diffusione simile nelle variabili di risultato sono stati segnalati anche per basati su NIRS iperemia reattiva. 34 , 35 , 36 , 37 Alcune di questa discrepanza possono riguardare il tipo di dispositivo NIRS utilizzato. Ad esempio, dispositivi di frequenza-dominio (come usato qui) forniscono quantificazione assoluta di HbO2 e HHb e così non possono essere interessati da cambiamenti acuti nella totale contenuto di Hb (negando la necessità di correggere i dati). Al contrario però, continuo-fluttui dispositivi sono fortemente influenzati da cambiamenti acuti in emoglobina totale, che richiedono dati correzione25.
Le modifiche e la risoluzione dei problemi
Una limitazione importante e attualmente inevitabile della NIRS è la sua profondità di penetrazione limitata (~ 2 cm). Di conseguenza, può ridurre significativamente l'adiposità arto — e persino completamente eliminare — il segnale NIRS e dovrebbe essere considerata quando potenziali soggetti di screening. Per controllare per questo, gli investigatori sono incoraggiati a misura dell'avambraccio di spessore dello skinfold ed escludere i partecipanti con adiposità periferica significativa.
Qualsiasi fattore che può modulare la reattività vascolare, neurovascular accoppiamento e/o capacità ossidativa del muscolo scheletrico (cioè, farmaco, mutazioni genetiche, ecc.) infatti influenzerà le misurazioni di punto finale primario descritte nel presente documento . Gli investigatori sono pertanto incoraggiati a prendere in considerazione questi fattori quando si adatta questo protocollo e pianificazione futura sperimentazione.
Per la determinazione di sympatholysis funzionale, gli investigatori possono voler includere una seconda sfida LBNP riposa affinché il segnale è ancora presente e che le differenze osservate durante l'esercizio-LBNP non erano semplicemente a causa di una perdita di segnale o misura errore. Si consiglia di consentire 3-5 minuti consentire il segnale di ossiemoglobina al recupero completo ai valori basali prima di ripetere la sfida LBNP riposa.
Applicazioni future o indicazioni dopo la padronanza di questa tecnica
Spettroscopia NIR utilizza la luce laser di valutare la concentrazione di emoglobina ossigenata e deossigenata nel tessuto. Durante la misurazione di iperemia reattiva e funzionale sympatholysis, le variazioni relative a questi parametri sono credute per rappresentare le variazioni del flusso microvascolare. Spettroscopia di correlazione diffusa (DCS) è un emergente imaging infrarosso approccio che, oltre a valutare la concentrazione di oxy- e deossiemoglobina, anche possibile quantificare perfusione microvascolare38. Dato le ovvie somiglianze tra questi due approcci di imaging, incorporazione di DCS nelle tecniche proposte sarebbe praticamente priva di cuciture e può fornire ulteriori approfondimenti la quantificazione della funzione microvascolare e perfusione.
Una volta acquistato padronanza di questa tecnica, applicazione alle popolazioni cliniche, quali quelli con insufficienza cardiaca, fornirà importanti informazioni mecanicistiche intolleranza all'esercizio fisico e disfunzioni cardiovascolari.
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Disclosures
Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato da un'Università del Texas a grant Arlington programma interdisciplinare di ricerca.
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).
