Summary
Här beskriver vi en enkel, icke-invasiv metod med nära-infraröd spektroskopi för att bedöma reaktiv hyperemi, neurovaskulära kopplingen och skelettmuskulatur oxidativ kapacitet i ett enda klinik eller laboratorium besök.
Abstract
Motion representerar en större hemodynamisk stress som kräver ett starkt samordnad neurovaskulära svar för att matcha syretillförseln till metaboliska efterfrågan. Reaktiv hyperemi (som svar på en kort period av vävnadsischemi) är en oberoende prediktor för kardiovaskulära händelser och ger en viktig inblick i vaskulära hälsa och vasodilaterande kapacitet. Skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet är lika viktiga i hälsa och sjukdom, eftersom den bestämmer energiförsörjningen för myocellular processer. Här beskriver vi en enkel, icke-invasiv metod med nära-infraröd spektroskopi för att bedöma vart och ett av dessa stora kliniska effektmått (reaktiv hyperemi, neurovaskulära koppling och muskel oxidativ kapacitet) under en enda klinik eller laboratorium besök. Till skillnad från Doppler ultraljud, magnetisk resonans bilder/spektroskopi, eller invasiva kateter-baserade Flödesmätningarna eller Muskelbiopsier är vårt tillvägagångssätt mindre operatörsberoende, billig och helt icke-invasiv. Representativa uppgifter från våra lab tillsammans med sammanfattningsdata från tidigare publicerad litteratur illustrera nyttan av varje av dessa slutpunkter. När denna teknik är behärskar, kommer att för att kliniska populationer ge viktiga mekanistisk insikt motion intolerans och kardiovaskulära dysfunktion.
Introduction
Hyperemic svar på en kort period av vävnadsischemi har vuxit fram som en viktig icke-invasiv åtgärd (mikro) vaskulär funktion. Under ocklusion av en conduit artär vidgas nedströms arterioler i ett försök att kompensera den ischemisk förolämpningen. Med lanseringen av ocklusion leder minskad vaskulära motståndet hyperemia, vars storlek bestäms av ens förmåga att vidga de nedströms mikrocirkulation. Reaktiv hyperemi är en stark oberoende prediktor för kardiovaskulära händelser1,2 och därför en kliniskt signifikant slutpunkt, är dess funktionella betydelse att utöva tolerans och livskvalitet mindre tydlig.
Faktiskt, dynamisk träning representerar en större kardiovaskulära stress som kräver ett starkt samordnad neurovaskulära svar för att matcha syretillförseln till metaboliska efterfrågan. Exempelvis kan skelettmuskulatur blodflödet öka nästan 100-fold under isolerad muskel sammandragningar3, som skulle överbelasta sugförmågan av hjärtat om en sådan hemodynamiska responsen extrapolerades till hela kroppen motion. Följaktligen att undvika allvarlig hypotoni, sympatisk (dvs vasokonstriktor) nervös aktivitet ökar för att omfördela hjärtminutvolym från inaktiva och visceral vävnad och mot aktiv skelettmuskulatur4. Sympatisk utflöde är även riktat till exercerande skelettmuskulaturen5; Men lokala metabola signalering dämpar vasokonstriktor svaret för att säkerställa adekvat vävnad syre leverans6,7,8,9,10, 11. kollektivt, denna process kallas funktionell sympatholysis12, och är absolut nödvändigt att den normala regleringen av skelettmuskulaturen blodflödet under träning. Eftersom skelettmuskulaturen blodflödet är en avgörande faktor för aerob kapacitet — en oberoende prediktor för livskvalitet och hjärt-kärlsjukdom sjuklighet och dödlighet13— förståelse kontroll av skelettmuskulaturen blod flöde och vävnad syre leverans under träning är av stor klinisk betydelse.
Syretillförseln är bara hälften av ekvationen Fick dock med syre användning uppfyller den andra halvan av ekvationen. Bland stora determinates av syre utilization, mitokondriell oxidativ fosforylering spelar en viktig roll i att leverera tillräcklig energi för cellulära processer både i vila och under träningen. Nedskrivningar i muskel oxidativ kapacitet kan faktiskt begränsa funktionell kapacitet och livskvalitet14,15,16. Olika åtgärder används vanligen att ge ett index av muskel oxidativ kapacitet, inklusive invasiv Muskelbiopsier och dyra och tidskrävande magnetisk resonans spektroskopi (MRS) tekniker.
Här föreslår vi en roman, icke-invasiv strategi, med nära-infraröd spektroskopi (NIRS), för att bedöma vart och ett av dessa tre stora kliniska effektmått (reaktiv hyperemi, sympatholysis och muskel oxidativ kapacitet) i ett enda klinik eller laboratorium besök. De stora fördelarna med detta tillvägagångssätt är trefaldigt: först, denna teknik är lätt bärbar, relativt låg kostnad och enkel att utföra. Nuvarande Doppler ultraljud metoder för att mäta reaktiv hyperemi är mycket operatörsberoende — som kräver stor skicklighet och utbildning — och kräver sofistikerade, höga kostnader, data förvärv hårdvara och efterbearbetning programvara. Detta kan dessutom tänkas föras in på klinik och/eller stora kliniska prövningar för sängbord övervakning eller testning terapeutisk effekt. För det andra, enligt metodiken, denna teknik fokuserar specifikt på den skelettmuskulaturen mikrocirkulation, öka den övergripande specificiteten av tekniken. Alternativa metoder med hjälp av Doppler ultraljud fokusera helt på uppströms conduit fartyg och härleda förändringar nedströms, som kan dämpa signalen. För det tredje, denna teknik är helt icke-invasiv. Skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet bedöms traditionellt med invasiv och smärtsam Muskelbiopsier och funktionella sympatholysis kan bedömas med intraarteriell injektion av sympatomimetika och sympatolytika. Detta tillvägagångssätt undviker dessa krav alla tillsammans.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Detta protokoll följer riktlinjerna i den institutionella Granskningsnämnden vid University of Texas på Arlington och överensstämmer med de normer som fastställts av den senaste versionen av Helsingforsdeklarationen. Följaktligen skriftligt informerat samtycke var (och bör) erhållna före påbörjandet av forskning förfaranden.
1. instrumentering
Obs: Följande instrumentering Beskrivning bygger på den nära infraröda (NIR) spektrometer och data förvärv system används i vårt labb (se Tabell för material). Instruktionerna omfattar således steg som krävs för optimal funktion av dessa enheter. Dessa steg innefattar kalibrering av NIR sonden med hjälp av medföljande programvara och kalibrering phantom och tillämpningen av en mörk duk att utesluta omgivande ljus. I händelse av att olika data collection hårdvara eller programvara används, bör utredare konsultera sina egna särskilda bruksanvisningar för kalibrering och omgivande ljus överväganden. Figur 1 illustrerar experimental set-up och instrumentation beskrivs omedelbart nedan.
- Instruera föremål att ligga liggande med benen inuti en lägre kroppen undertryck (LBNP) kammare (figur 1A), så att deras bälte linje är ungefär även med öppningen till rutan LBNP. För instruktioner om hur man bygger en LBNP kammare, se referenser17.
- Placera tre EKG elektroder på ämnet: två i en sämre, mid-clavikularleds läge och en i ämnet vänstra sida mediala till höftbenskammen. Den här konfigurationen ger bästa resultat på grund av begränsad tillgång till nedre extremiteterna, instrumentering av övre extremiteter och armrörelser under hand grepp träning.
- Placera en icke-invasivt blodtryck monitor modul på motivets dominerande handled. Placera de finger blodtryck manschetter på varje finger och ansluta dem till modulen (figur 1B). Säkerställa de finger blodtryck manschetter är kalibrerade enligt användarhandboken som medföljer enheten.
- Instruera föremål att greppa en hand grepp dynamometer (FZV) med sin icke-dominanta arm i en något bortförda position. Armen bör vara bekvämt placerad på ett nattduksbord. Avstånd och vinkel av FZV bör justeras för att möjliggöra optimal greppstyrka med minimal armrörelser (figur 1 c).
- Säkra FZV till ett sängbord.
- Mäta maximal frivillig sammandragning (MVC) av deltagaren. Tala om för deltagaren att, när du uppmanas, de måste klämma FZV så hårt som möjligt medan endast utnyttja musklerna i handen och underarmen. Instruera ämnet att de måste avstå från att rekrytera sin övre armen, bröstet, skuldra eller magmusklerna när du utför det maximalt greppet.
- Upprepa steg 1,6 åtskilda tre gånger, med minst 60 s. posten den högsta kraft som uppnåtts (bäst av 3). Denna maximala kraft används för att beräkna träningsintensitet för oxidativ kapacitet i skelettmuskulatur och neurovaskulära koppling (nedan).
- Placera en rapid-inflationen manschetten runt överarmen utövar hand. Anslut flygbolaget från snabb inflation handkontrollen till manschetten.
- Identifiera flexor digitorum profundus. Använda en hud markör för att avgränsa gränsar av påtaglig muskeln.
- Säkerställa att NIR spektrometern är kalibrerade enligt användarhandboken som medföljer din enhet. Ren huden över vilka NIR sonden placeras med en alkoholservett prep.
- Placera sonden NIR över mitten av magen av muskeln (flexor digitorum profundus) och fästa den ordentligt på underarmen.
- Wrap sonden och underarm med mörk duk, minimera störningar från omgivande ljus (figur 1 c, figur 1 d).
- När du är redo att utföra funktionella sympatholysis delen av studien, täta föremål in i LBNP-kammaren.
2. skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet
Obs: En representativa data spårning som illustrerar det experimentella förfarandet vid mätning av skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet avbildas i figur 2. Detta experimentella tillvägagångssätt har tidigare validerats mot i vivo fosfor MRS18 och i situ muskel respiration19och vinner utbrett godtagande20.
- Instrument i ämnet som anges ovan (Instrumentation).
- Instruera föremål att ligga stilla för 2 min medan övervakning deoxyhemoglobin (HHb) och oxyhemoglobin (HbO2) via sonden NIR.
Obs: Denna viloperiod kan motivet att återhämta sig från eventuella rörelse artefakt associeras med instrumentering, och säkerställer stabil baslinje mätningar. Om ingen betydande fluktuationer har inträffat efter 2 min, kan föremål övervägas en steady-state, eller vila baslinjen. - Innan manschetten ocklusion, anmäla ditt ämne att du kommer blåsa upp manschetten. Blåsa upp den övre armen manschetten minst 30 mmHg över systoliskt blodtryck för 5 min (dvs. suprasystolic). Instruera föremål för att hålla sin arm så stilla och avslappnad som möjligt både under manschetten inflation och följande manschetten deflation.
Obs: Denna 5 min armartären manschetten ocklusion protokollet nära återspeglar den för närvarande accepterade kliniska för vaskulär ocklusion standardtest21,22,23,24,25. - Registrera första/utgångsvärdet (innan manschetten ocklusion) och nadir värdet av vävnad mättnad (StO2) under manschetten ocklusion och bestäm mittpunkten mellan dessa två värden.
- Låt motivet för att återhämta sig från manschetten ocklusion och återgå till de vilande utgångsvärden. När motivet har bibehållit en vilande baslinje för minst 1 full min, fortsätta till nästa steg.
- Instruera omfattas av squeeze och upprätthålla en isometrisk handgrepp på 50% av sin MVC. Uppmuntra motivet för att bibehålla sin isometrisk kontraktion tills vävnaden omättat med 50%. På att uppnå detta värde, tala om för föremål att koppla sin hand och informera dem om att inga fler övning eller rörelse behövs.
- Inom 3-5 s följande övning upphörande, administrera följande snabba manschetten ocklusion serie (en serie = 1 inflation + 1 deflation), som tidigare etablerade18:
Series #1 - 6: 5 s på/5 s off
Serien #7 - 10: 7 s på/10 s off
Serie #11-14:10 s på/15 s av
Serie #15-18:10 s på/20 s off - Efter avslutad 18th inflation och deflation serien, instruera föremål att vila, vilket gör att vävnaden mättnad att återgå till första originalvärdena. Efter dessa värden har varit konsekvent i minst 2 min, upprepa steg 2.4 och 2.5.
-
Beräkning av skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet
- Beräkna lutningen på förändring i StO2för varje av de enskilda 18 manschett ocklusioner, bildar monoexponentiellt återställningspunkterna illustreras i figur 2 c.
- Passa beräknade data från 2,7 till den följande monoexponentiellt kurva18,19,26
y = End - Δ x e-kt
Obs: 'y' är relativa muskel syre materialåtgången (mV̇O2) under manschetten inflationen, 'Slut' representerar den mV̇O2 omedelbart efter upphörande av motion; delta ('Δ') betecknar förändringen i mV̇O2 från resten till slutet av motion; 'k' är tillbehöret konstant; 't' är tid. Tau beräknas som 1/k.
3. reaktiv hyperemi
Obs: En representativa data spårning som illustrerar det experimentella förfarandet vid mätning av reaktiv hyperemi avbildas i figur 3.
- Med ämnet liggande liggande och instrumenterade som beskrivits ovan (Instrumentation), instruera föremål att ligga så stilla som möjligt.
- När motivet har uppnått en konsekvent vilotillstånd, fortsätta att spela in minst 1 min av basdata och sedan snabbt blåsa upp en blodtryck manschetten på överarmen till ett suprasystolic tryck (30 mmHg över systoliskt blodtryck).
- På 5 min varumärket, snabbt tömma manschetten medan du spelar in hyperemic svaret.
- Fortsätt inspelning för minst 3 min för att fånga motivets återhämtning.
-
Beräkning av reaktiv hyperemi
Obs: NIRS parametrarna beräknas avbildas i figur 3.- Beräkna baslinjen StO2 som den genomsnittliga StO2 över 1 full min föregående till uppkomsten av arteriell manschetten ocklusion.
- Bestämma den vilande skelettmuskulatur ämnesomsättningen som desaturation (dvs. genomsnittliga lutning) under manschetten ocklusion (definierat som lutning 1)27,28.
- Beräkna reaktiv hyperemi enligt följande:
(a) den genomsnittliga upslope efter manschetten utsläpp (dvs reperfusion ränta, definierat som lutningen 2), räknat från tidpunkten för manschetten release genom linjärt ökande fas av rebound spår;
(b) högsta StO2 värdet nås efter manschetten release (betecknas som StO2max);
(c) reaktiv hyperemi arean under kurvan (AUC); räknat från tidpunkten för manschetten release 1-, 2- och 3-min post manschett-ocklusion (AUC 1-min, AUC 2-min, och AUC 3-min, respektive); och
(d) den hyperemic reserv, beräknas som förändringen i StO2 över baslinjen och rapporteras som en förändring i procent (%). Detta värde beräknas som den högsta mättnad uppnåtts under den efter ocklusiv rebound minus genomsnittliga mättnad som beräknades i steg 3.5.1 (se ovan).
Obs: Stora skillnader i originalplansdata kommer att kraftigt påverka tolkningen av naturreservatet hyperemic.
4. funktionell Sympatholysis
Obs: En representativa data spårning som illustrerar det experimentella förfarandet vid mätning av funktionella sympatholysis avbildas i figur 4.
- Instrument i ämnet som anges ovan (Instrumentation).
- Säkerställa en lufttät tätning i LBNP kammare.
- Samla 3 min av originalplansdata med ämnet ligga stilla och vila.
- På 3 min varumärket, slå på vakuum. Justera vakuum så att trycket inuti LBNP kammaren är mellan-20 och -30 mmHg. Låt dammsugaren att köras i 2 min och övervakningen av motivets svar.
- På 5 min varumärket, Stäng av dammsugaren och låt ämnet vila i 3 min.
- Vid 8 min märket, initiera prompten röst vägleda föremål genom rytmiska hand grepp utövande (20% MVC).
- Bekräfta att ämnet är att upprätthålla deras squeeze hela helheten av varje gripande fas och avkopplande helt under mellan varje repetition. Övervaka deras kraft produktion och bekräfta att de uppnår 20% MVC med varje grepp. Fortsätt övning tills 11 minuters markeringen.
- Vid 11 minuters märket, slå på vakuum uppmuntrande föremål att fortsätta sin rytmiska motion. Att dammsuga att köra från 11-13 min, sedan stänga av den.
- Har ämnet fortsätta utföra rytmiska hand grepp träning på 20% av sin MVC för en ytterligare 2 min. Vid övning upphörande, har ämnet resten tyst och ligga stilla.
-
Beräkning av funktionella Sympatholysis
- Normalisera förändringen i oxyhemoglobin med LBNP till totala labila signalen (TLS), bestäms under 5 min manschetten ocklusion:
- Beräkna varje händelse som sista 20 min genomsnittet av varje händelse.
- Beräkna ansträngningsutlöst dämpning av oxyhemoglobin minskning:
- Normalisera förändringen i oxyhemoglobin med LBNP till totala labila signalen (TLS), bestäms under 5 min manschetten ocklusion:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Oxidativ kapacitet i skelettmuskulatur
Figur 2 illustrerar ett representativt deltagare svar under en NIRS-derived skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet bedömning. Panel A visar vävnad mättnaden profil under en 5 min arteriell manschetten ocklusion protokoll, handtaget motion och intermittent arteriell ocklusion under återhämtning från motion. Panel B illustrerar den förvänta vävnad desaturation/re-saturation profilen under de intermittenta arteriella ocklusioner under återhämtningsperioden. Graden av desaturation är direkt proportionell mot graden av muskel syreförbrukning och ritas i Panel C för var och en av de återkommande manschett ocklusion perioderna. Den beräknade muskel syre förbrukning återställningsdata är då passar till en monoexponentiellt kurva och konstanten återhämtning tid härrör. Använda samma tillvägagångssätt, har ett växande antal studier utvärderat skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet för både hälsa och sjukdom, i en mängd olika muskelgrupper (tabell 1).
Reaktiv hyperemi
Figur 3 illustrerar NIRS-derived reaktiv hyperemi profilen under en representativ vaskulär ocklusion test. Detta samma tillvägagångssätt har använts inom ett brett spektrum av studien populationer och muskelgrupper med bra framgång (tabell 2). Data visar att NIRS-derived reaktiv hyperemi ger inte bara värdefull insikt i vaskulär reaktivitet, men att testet är lätt att anpassa och kliniskt.
Funktionell Sympatholysis
Tabell 3 sammanfattar den befintliga litteraturen med den exakta samma neurovaskulära koppling tillvägagångssätt som beskrivs häri för att mäta funktionella sympatholysis, visar både mekanistiska och kliniskt utfall. I friska kontrollpersoner, när LBNP läggs ovanpå mild handtaget, är reflex minskningen av muskel syresättning försvagade av ~ 50% (figur 4). Misslyckande att dämpa sympatiska (vasokonstriktor) nervaktivitet under träning, som med hjärt- eller neurologisk sjukdom (tabell 3) stör balansen mellan syre leverans och användning, och orsakar funktionella muskler ischemi.
Figur 1. Experimental set-up och instrumentation. (A) representativa experimental set-up, med ett typiskt ämne som lögnaktig liggande på en säng med benen inne i LBNP kammaren och fullt instrumenterade. (B) dominerande arm instrumenterad med en icke-invasiv beat-to-beat blodtryck enhet för beat-to-beat arteriellt blodtryck mätning och en armartären blodtryck manschett för kalibrering och kontroll av beat-to-beat systemet. (C) instrumentering av icke-dominanta armen. Handen är bekvämt gripande en handtaget dynamometer (ansluten till system för datainsamling) och underarmen muskeln är instrumenterad med nära-infraröd spektroskopi sonden. (D) när instrumenterad, omfattas de NIRS optodes med en svart vinyl trasa (för att eliminera störningar från omgivande ljus). Dessutom är en snabb manschetten inflation system placerad över armartären. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet protokoll. (A) rådata spårning från ett representativt ämne mäts via NIRS, visar vävnad mättnad (StO2) över tid. Efter att upprätta en stabil baslinje, är armartären den icke-dominanta arm ockluderas under fem minuter för att fastställa ämnets desaturation reserve (skillnaden mellan baslinjen StO2 och nadir). Efter återhämtning från ocklusion instrueras ämnet att utföra ett 50% isometrisk handgrepp, följt av 18 snabba manschetten inflationen serie att bedöma muskel syre förbrukning återhämtning kinetik. (B) Data analys utförs sedan offline genom att beräkna genomsnittliga lutningen på varje manschett ocklusion serien efter utöva; illustreras här med hypotetiska manschetten ocklusion seriedata. (C) för att beräkna tidskonstanten återhämtning av muskler syresättning, slutta av vart och ett av de 18 snabba manschetten ocklusioner (dvs. efter träning muskel syreförbrukning, mV̇O2) från A är plottas mot tiden och passar till en monoexponentiellt kurva. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Reaktiv hyperemi experimentellt protokoll. Med ämnet ligga på rygg, spela in minst 1 min av baslinje data, följt av 5 min av totala arteriell manschetten ocklusion och minst 3 min av återhämtning efter manschetten release. Observera uppenbara överlappningen mellan skelettmuskel oxidativ kapacitet protokollet (figur 2) och detta protokoll. 'Baslinje' definierar tidsperioden före arteriell manschetten ocklusion. ' Lutning 1' definierar andelen desaturation under manschetten ocklusion och anses vara en åtgärd av vilande skelettmuskel ämnesomsättning. Det lägsta StO2 erhållits under ischemi definieras som ' StO2 minsta ', och anses vara en åtgärd av ischemisk stimulans till vasodilate. Den vävnad mättnad reperfusion betecknas som 'Lutning 2', och är ett index för reaktiv hyperemi; som är StO2 maximum och det reaktiva hyperemia 'area under kurvan' (AUC). För att få inblick i naturreservatet hyperemic, uttrycks StO2 maximal som en procentuell förändring från baslinjen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Funktionella sympatholysis experimentellt protokoll. Vänstra panelen: rådata spårning från ett representativt ämne. Med ämnet ligga på rygg i LBNP kammaren, tillåta 3 min steady state baslinjen för insamling av uppgifter. Slå på LBNP till -20 mmHg för 2 min. Oxyhemoglobin/myoglobin bör minska svar på den reflex sympatisk vasokonstriktion (blå cirkel, skuggade området). Låt 2 min för återvinning. Be motivet att utföra rytmiska handtaget övning på 20% MVC (mätt innan datainsamling). Efter 3 min av rytmisk motion, upprepa-20 mmHg LBNP för 2 min medan föremål fortsätter att utöva, följt av 2 min av träning utan LBNP. Minskningen av oxyhemoglobin/myoglobin bör vara betydligt försvagat (röda cirkeln, skuggade området). Om inte redan utförts, blåsa en blodtryck manschett över armartären den utövar arm för 5 min att upprätta motivets utbud av desaturation. Observera att de skuggade områdena i bilden endast är tänkt att belysa förändringar i oxyhemoglobin/myoglobin; Se protokoll för detaljer om hur du analyserar resultatet variabler används för att beräkna sympatholysis. Högra panelen: LBNP-inducerad förändring i oxyhemoglobin/myoglobin i vila och under handtaget träning beräknade från data till vänster. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Referensdata/Set | Studiepopulationen | Stickprovets storlek (n) |
Deltagarnas ålder (år ± SD) |
Tau (τ) (s) |
Muskelgrupp | NIRS variabel rapporterade | Enhet |
| Brizendine et al. (2013) | Uthållighetsidrottare | 8 | 25 ± 3 | 19 | Vastus lateralis | HBdiff/total blod volym | Kontinuerlig våg (Oxymon MK III) |
| Ryan et al. (2014) | Unga, friska | 21 | 26 ± 2 | 55 | Vastus lateralis | HHb | Kontinuerlig våg (Oxymon MK III) |
| Södra et al. (2015) | Äldre | 23 | 61 ± 5 | 63 | Handled flexor | HBdiff | Kontinuerlig våg (Oxymon MK III) |
| Äldre + hjärtsvikt | 16 | 65 ± 7 | 77 | Handled flexor | Kontinuerlig våg (Oxymon MK III) |
||
| Adami et al. (2017) | Rökare med normal spirometri | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediala underarmen | Vävnaden mättnad index (TSD) | Kontinuerlig våg (Portamon) |
| KOL guld 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediala underarmen | Kontinuerlig våg (Portamon) |
||
| Erickson et al. (2013) | Ryggmärgsskada | 9 | 43 ± 11 | 143 | Vastus lateralis | HbO2 | Kontinuerlig våg (Oxymon MK III) |
Tabell 1: Sammanfattning av tidigare publicerade rapporter över hälsa kontinuum med nära-infraröd spektroskopi för att mäta skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet.
| Referens | Studiepopulationen | Muskelgrupp | Rapporterat resultat | Resultatet värdet |
| Lacroix, J Biomed Opt, 2012 | Friska män | Underarmen | Topp Oxyhemoglobin | 28,05 ± 3.15 ΜM |
| Maximala totala Hemoglobin | 10.56 ± 1,80 ΜM | |||
| Öka till Peak HbO2 | 0,75 ± 0,22 μM/s | |||
| Öka till Peak totala Hb | 0,52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Perifer kärlsjukdom | Underarmen | Syreförbrukning | 0,68 ± 0,04 mL/min |
| Tid till Peak | 153 ± 16 s | |||
| Maximal absolut förändring i HbO2 | 2,93 ± 0,22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, återupplivning, 2012 | Efter hjärt gripandet ICU Admittants | Thenar överlägsenhet | Desaturation Rate | -5,6 ± 2 %/min |
| Resaturation ränta | 0,9 ± 0,6 %/sec | |||
| DIMOPOULOS, Respir vård, 2013 | Lungartären hypertoni | Thenar överlägsenhet | Baslinjen mättnad med 21% O2 | 65,8 ± 14,9% |
| O2 Materialåtgången med 21% O2 | 35,3 ± 9,1 %/min | |||
| Reperfusion klassar med 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, Am J Physiol hjärtat Circ Physiol, 2007 | Organsvikt & Sepsis | Underarmen | Baslinjen mättnad | 84% |
| Reoxygenation ränta | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit Care Med, 2011 | Septisk chock | Thenar överlägsenhet | Baslinjen mättnad | 80 ± 1,0% |
| Desaturation lutning | -9,8 ± 3,7 %/min | |||
| Återhämtning lutning | 2.3 ± 1,4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Friska män | Tibialis Anterior | Baslinjen mättnad | 71,3 ± 2,9% |
| Minsta mättnad | 44,8 ± 8,6% | |||
| Desaturation lutning | -0,1 ± 0,03 %/s | |||
| Återhämtning lutning | 1,63 ± 0,5 %/s | |||
| Maximal mättnad | 82,6 ± 2,3% | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Friska män | Tibialis Anterior | Baslinjen mättnad | 71,1 ± 2,4% |
| Minsta mättnad | 46,2 ± 7,5% | |||
| Maximal mättnad | 82,1 ± 1,4% | |||
| Återhämtning lutning | 1,32 ± 0,38 %/s |
Tabell 2: Sammanfattning av tidigare publicerade rapporter över hälsa kontinuum med nära-infraröd spektroskopi för att mäta reaktiv hyperemi.
| Referens | Studiepopulationen | % Dämpning |
| Nelson MD, J. Physiol, 2015 | Friska | -57 |
| Beckers muskeldystrofi | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Friska | -93 |
| Hypertoni | -14 | |
| Forsberg, J. Physiol, 2004 | Före klimakteriet | -84 |
| Efter klimakteriet | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Friska | -74 |
| Duchennes muskeldystrofi | . + 7 | |
| Nelson MD, neurologi, 2014 | Friska | -54 |
| Duchennes muskeldystrofi | -7 | |
| Pris, hypertoni, 2013 | Hypertoni förbehandling | -52 |
| Hypertoni Post-Nebivolol behandling | -97 | |
| Hansen, J. Clin. Investera., 1996 | Hälsosam motion på 20% MVC | -92 |
| Hälsosam motion på 30% MVC | -125 |
Tabell 3: Sammanfattning av tidigare publicerade rapporter över hälsa kontinuum med nära-infraröd spektroskopi, i kombination med lägre kroppen negativt tryck och handtaget motion, för att bedöma funktionella sympatholysis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De metoder som beskrivs häri aktivera icke-invasiv, klinisk utvärdering av reaktiv hyperemi, neurovaskulära kopplingen och skelettmuskulatur oxidativ kapacitet i ett enda klinik eller laboratorium besök.
Kritiska överväganden
Även om NIRS är relativt robust och lätt att använda, insamling av dessa uppgifter kräver noggrann placering av optodes direkt över muskeln magen, säkrade tätt för att undvika rörelse artefakt, och täckt med en svart vinyl ark i ett svagt upplyst rum att undvika störningar i det nära infrarött från yttre ljus. Dessutom är att få data av god kvalitet starkt beroende av tydlig kommunikation mellan testaren och föremål och test team. Vi, och andra, har funnit att när de utförs med lämplig omsorg och uppmärksamhet, NIRS är mycket reproducerbara inom en enda studiebesök, och över flera besök10,11,24,29. Dessutom är fysiologiska resultatet variablerna rapporteras häri (dvs skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet, reaktiv hyperemi och neurovaskulära koppling) känsliga för experimentella och kliniska insatser, både inom och mellan studiebesök 30 , 31 , 10 , 11.
Finns för närvarande begränsad enighet om lämpliga rapportering av variablerna NIRS resultatet. Exempelvis vid mätning av skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet, har utredare passformen återhämtning kineticsen av HbO232, HHb19, Hbdiff30 och vävnad O2 mättnad (föreliggande studie och andra33 ). Likaså en liknande spridning i utfallet variabler har också rapporterats för NIRS-baserade reaktiv hyperemi. 34 , 35 , 36 , 37 Några av denna diskrepans kan avse efter typ av NIRS enhet används. Till exempel frekvensplanet enheter (som används här) ge absolut kvantifiering av HbO2 och HHb och kan därmed inte påverkas av akuta förändringar i totala Hb innehåll (negera behovet att korrigera data). Däremot påverkas continuous-wave enheter kraftigt dock av akuta förändringar i totala hemoglobin, som kräver data korrigering25.
Modifieringar och felsökning
En viktig och för närvarande oundvikliga begränsning av NIRS är dess begränsade genomträngningsdjupet (~ 2 cm). Därför lem adiposityen kan avsevärt minska — och även helt eliminera — NIRS signalen och bör övervägas när screening potentiella försökspersoner. För att styra detta, utredare uppmuntras att mäta underarm skinfold tjocklek och utesluta deltagare med signifikant perifer adiposity.
Någon faktor som kan modulera vaskulär lyhördhet, neurovaskulära koppling eller skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet (dvs, medicinering, genetiska mutationer, etc.) faktiskt påverkar de primära slutpunkt mätningar beskrivs häri . Utredarna uppmuntras därför att beakta dessa faktorer när anpassa detta protokoll och planera framtida experiment.
Funktionella sympatholysis beslutsamhet, kan utredare vill omfatta en andra vilande LBNP utmaning att se till att signalen är fortfarande närvarande och att de skillnader som observerats under övning-LBNP inte var helt enkelt på grund av en förlust av signal-eller mätning. Det rekommenderas att tillåta 3-5 min till tillåta oxyhemoglobin signalen till fullständig återhämtning till utgångsvärdena innan du upprepar den vilande LBNP utmaningen.
Framtida tillämpningar eller riktningar efter mastering denna teknik
NIR-spektroskopi använder laserljus för att bedöma koncentrationen av syresatt och syrefattigt hemoglobin i vävnad. Under mätningen av reaktiv hyperemi och funktionella sympatholysis tros relativa förändringar i dessa parametrar representerar förändringar i mikrovaskulära flöde. Diffusa korrelation spektroskopi (DCS) är en framväxande nära-infraröd imaging tillvägagångssätt som, förutom utvärdering av koncentrationen av oxy- och deoxyhemoglobin, också kan kvantifiera mikrovaskulära perfusion38. Med tanke på de uppenbara likheterna mellan dessa två bildgivande metoder, införlivande av DCS i de föreslagna teknikerna skulle vara smidig och kan ge ytterligare inblick i kvantifiering av mikrovaskulära funktion och perfusion.
När denna teknik behärskas, ge för att kliniska populationer, såsom de med hjärtsvikt, viktig mekanistisk insikt motion intolerans och kardiovaskulära dysfunktion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de har inga konkurrerande finansiella intressen.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av en University of Texas i Arlington tvärvetenskapliga forskningsprogrammet 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).
