进行最大和次极大耐力运动测试, 测量人类急性运动的生理和生物学反应

摘要

为了评估运动强度对生理和生物反应的影响, 采用了两种不同的运动试验方案。方法概述了循环测力计的运动试验, 即增量式最大耗氧试验和耐力、稳态次极大耐力试验。

摘要

正常的身体活动对人类健康有积极的影响, 但控制这些影响的机制仍然不清楚。急性运动的生理和生物反应主要受运动方案的持续时间和强度的影响。随着运动越来越被认为是治疗治疗和/或诊断工具, 重要的是要利用 standardizable 方法来了解变异性, 提高运动产出和测量的重现性。对这种方案的反应。为此, 我们描述了两种不同的循环运动方案, 它们产生不同的生理输出。在最大的运动测试中, 运动强度不断增加, 工作负荷增加, 导致心肺和代谢反应 (心率、中风体积、通气量、耗氧量和二氧化碳产量) 上升。与此相反, 在耐力运动测试中, 需求增加从在休息, 但被提高到一个固定的次极大运动强度, 导致心肺和新陈代谢的反应, 通常是高原。除了这些协议, 我们还提供了测量生理输出的建议, 包括但不限于心率、缓慢和强制的重要容量、气体交换指标和血压, 以使运动输出之间的比较研究。然后可以对 Biospecimens 进行取样, 以评估细胞、蛋白质和/或基因表达反应。总的来说, 这种方法可以很容易地适应两个不同的锻炼方案的短期和长期影响。

引言

身体活动被定义为骨骼肌肉产生的任何身体运动, 需要能量消耗¹。运动是一种身体活动, 涉及重复的身体运动, 以改善或维持身体健康的一个或多个组成部分²。在同一时间, 不建议对那些严重生病的人进行体育活动。对于患有癌症、心力衰竭或甚至怀孕的人, 卧床休息比体力活动更可取。临床实践已经发生了翻天覆地的变化, 因为运动对整体健康的益处已成为不可否认的³。定期运动已被证明有助于减少心血管疾病风险, 全死因死亡率, 癌症风险和高血压, 改善血糖控制, 促进体重减轻或维护, 并防止骨和肌肉损失^{4,5 ,6,7,8}。

运动的广泛好处现在导致许多人利用运动作为一种类型的 "医学" 和替代或辅助治疗选项的各种条件³。舒尔曼等。表明, 跑步机和抵抗运动的结合可以改善步态速度、有氧能力和肌肉力量, 从而提高帕金森病患者的运动控制和整体生活质量⁹.在心力衰竭患者中, 运动不耐受和药物干预不足导致生活质量低下¹⁰。在 HF 行动试验中进行运动训练的心力衰竭患者的初步结果表明, 生活质量提高, 住院和死亡率下降¹¹。此外, 应用运动改变蒽环类化疗的心脏毒性效应 (如阿霉素) 表明, 无论何时启动与患者化疗管理 (之前, 期间或之后), 运动可以提供有益的效果, 如减少有氧能力下降, 减轻左心室功能障碍和减少氧化损伤¹²。

运动在健康和健康方面的好处不仅在其应用作为药物/治疗, 而且作为诊断工具。例如, 运动测试用于诊断运动不耐受, 心脏缺血, 或了解呼吸急促的原因¹³。也许更重要的是, 运动测试可以用来识别亚临床功能障碍。人体在大多数情况下 "过度建设", 这样的功能障碍或病理生理学通常可以保持隐藏和不明显的个人几个月或几年。这一观察可以解释为什么肺动脉高压或胰腺癌等病症在严重程度上会默默地增加, 这样, 由于时间症状被注意到, 这些条件往往是非常先进的, 极难治疗².在某些情况下, 运动测试可以给身体带来压力刺激, 增加对日常生活的需求, 有时可以识别在休息时没有看到的功能障碍 (心脏、呼吸、新陈代谢), 帮助诊断疾病并及早开始治疗。

为了充分发挥运动的治疗和诊断潜能, 需要标准化的方法来量化对身体活动的反应, 以准确评估运动对整体免疫健康的贡献。工作量、倾角、持续时间、运动类型和样本收集时间的变化都可以影响生理反应的测量。在这里, 我们概述了最大和次极大耐力演习的方法收集生理数据, 同时收集样本的生物反应。该方法用于了解急性运动如何通过流式细胞仪测量运动前后不同时间点的免疫细胞种群对外周血¹⁴中白细胞的分布和频率的影响采用10色流量协议, 允许同时对所有主要白细胞亚群进行量化¹⁵。以下协议可作为两种不同运动方案的标准化方法, 用于测量生理和生物对运动的反应。

研究方案

《议定书》得到了梅奥机构审查委员会的批准, 并符合《赫尔辛基宣言》的规定。在参加测试之前, 所有参与者都提供书面知情同意。

1. 代谢推车的校准与设置

1. 流量和容积 (pneumotach) 校准
   注:材料表中列出了特定的材料和设备。
   1. 打开肺功能和气体交换软件进行测试校准。
   2. 单击 "校准" 按钮打开校准窗口。在校准窗口的底部, 记下室温、气压和湿度-确保使用气压计准确测量这些值。
   3. 将脐带和样品线插入 pneumotach, 然后将 pneumotach 插入 3 L 注射器中。
   4. 在开始校准之前, 单击 "零流量" 按钮, 以确保没有流经注射器的流量。
   5. 单击 "开始" 开始校准。先撤, 然后注射。重复4次 (5 共计), 每次不同流速时除外。为每个各自的提取/注入保持恒定流速, 然后改变下一次迭代的流速。
2. 气体校准
   1. 将采样线从呼吸质谱仪/气体分析仪/代谢推车连接到系统上的校准/主端口。
   2. 在肺功能软件中, 在校准窗口中选择 O₂/CO₂分析仪选项卡。打开参考 (房间空气 21% O₂, 0.04% CO₂) 和校准 (12% O₂和 5% CO₂) 油箱。
   3. 选择 "校准" 按钮。
      注: 该软件将在代谢小车系统中操作电磁阀, 在校准端口取样的参考和校准气体之间切换。在此, 软件将评估任何偏移量, 采样的延迟由于采样线长度和2–90% 响应时间。校准完成后, 将显示绿色的 "校准成功" 消息。
3. 最终设置
   1. 从气体校准端口取出采样线, 然后将其插入 pneumotach。然后将一个喉舌贴在 pneumotach 上。
   2. 等待该科目到达进行运动测试。
   3. 在该主题到达后, 通知他们有关研究和他们的参与将是, 审查与他们的同意书, 并有他/她签署, 并随着访问继续与他们讨论他将做什么 (s) 下一步, 并提供解释程序。
      注: 纳入和排除标准将根据运动测试的目的而有所不同, 对于这项研究, 那些被招募的人是健康的, 不吸烟者, 没有已知的心肺或免疫疾病, 不服用任何类固醇或免疫调节药物。

2. 肺功能测试 (PFT)

注: 所描述的肺功能测试方法是美国胸腔学会和欧洲呼吸系统协会发表的简要摘要, 详情请参阅其出版物^16,17。

1. 慢速生命容量 (SVC) 机动
   1. 指示受让者坐在地板上的直背和脚平与腿非交叉。
   2. 指示主体把他/她的嘴周围的喉舌, 并咬下来;也适合使用鼻夹的主题, 以封闭鼻腔。
   3. 开始对软件的机动。当开始演习时, 指示主体继续正常呼吸。
   4. 观察主体的潮汐呼吸, 让他/她继续呼吸, 同时等待他/她达到稳定的呼吸模式。
   5. 指示主体吸气, 然后慢慢呼气。这个问题将继续排空他/她的肺部, 直到他们不能再呼气。这一点将在水流追踪的高原上显现出来。在这一点上, 指示主体采取最大的呼吸。
   6. 停止测量并指示主体松开喉舌, 并取下鼻夹, 如果需要, 请休息。
      注: 至少执行三个 svc。为了满足美国胸协会的标准, 他们必须在5% 或150毫升之间达成一致的最大 VC 和吸气容量 (IC) 值。多达4机动可以执行为了获得三同意^16,17。
2. 强制生命容量 (FVC) 机动
   1. 指示主体抓住喉舌, 并在保持相同坐姿的情况下连接鼻夹。
   2. 启动软件上的机动操作, 并指示主体继续正常呼吸。确保主题建立了一个稳定的呼吸模式, 至少四的潮汐呼吸。
   3. 指示受让者完全和迅速吸气, 然后立即呼气 (暂停 < 1 秒) 尽可能快和有力。
   4. 告诉患者/病人继续尝试和爆炸/推动所有空气从他/她的肺部达到完全呼气, 而保持直立的姿势。这被看作是体积-时间曲线的一个高原。让他们继续尝试呼气, 只要他们能;6秒的理想之选。
   5. 一旦实现这一目标, 请指导主体采取最大的呼吸, 并停止对软件的机动。
      注意: 测试应重复至少两次-确保他们同意在5% 或150毫升之间的两个最大的 FVC 和 FEV₁值。最多可以执行8次演习, 以获得两个同意。
3. 最大自愿通气 (MVV) 机动
   注意: 这个动作的目标是让主题尽可能快地移动空气。他们将被训练, 尽量采取尽可能大的呼吸, 而仍然呼吸迅速。
   1. 在保持相同坐姿的同时, 指导主体抓住喉舌并附上鼻夹。
   2. 开始对软件的机动。
      注: 顶部的倒计时栏将显示数据收集/测量开始前所需的呼吸次数 (通常为三)。
   3. 在倒计时中一呼一口气, 引导病人从喉舌中迅速深呼吸。他们将在十二年代继续这一努力。
   4. 鼓励患者在整个过程中深呼吸和快速呼吸。如果主题无法继续, 请停止测试。
   5. 在十二年代底, 指示患者恢复正常呼吸。他们可能感到光的头, 所以鼓励他们坐下来, 采取缓慢的深呼吸。
      注: 重复性测试应至少执行两次, 建议的变异性应小于20%。

3. 运动测试

1. 电极放置
   1. 如果存在电极放置部位, 将头发剃掉, 为电极准备皮肤。用酒精垫擦拭网站, 然后用研磨垫去除任何死皮细胞。
      注: 一旦完成, 电极可以放置, 但要确保电极有足够的凝胶, 并且不干燥。
   2. 使用以下电极放置将主体与12导心心电图电极结合。
      1. 位置肢体引线电极如下: RA: 右侧锁骨下窝;LA: 左侧锁骨下窝;右后上髂脊柱上方;LL: 左后上髂脊柱上方
      2. 位置胸导联引线如下: V1: 第四肋间空间胸骨的右侧;V2: 胸骨左侧第四肋间空间 (符合 V1);V3: 左侧直接介于 V2 和 V4 之间;V4: 在锁骨中线线的第五肋间空间的左侧 (通常在乳房/奶嘴下);V5: 水平与 V4 在前腋线 (从腋下的边缘 (上臂前腋折);V6: 将 V4 和 V5 水平放置在中间辅助线上。
2. 增量最大循环试验-访问1
   注意: 执行最大运动测试有风险。美国运动医学学院概述如何识别在测试过程中发生不良事件的风险较高的个人¹³.那些被认为有重大风险的人有: 已知的心血管疾病、肺和/或代谢病;主要症状: 胸痛, 呼吸急促 (呜咽) 休息或轻度劳累, 头晕或晕厥, 端坐呼吸, 踝水肿, 心悸或心动过速, 间歇性跛行, 已知心脏杂音, 异常疲劳或呜咽与通常活动;或至少两个心血管疾病的风险因素: 家族史的心肌梗塞或猝死, 年龄 (男性≥ 45, 女性≥ 55), 当前吸烟者, 久坐的生活方式 (< 30 min of moderate intensity physical activity 3 days a week for at least 3 months), obesity (BMI ≥ 30 kg/m 30="" min="" of="" moderate="" intensity="" physical="" activity="" 3="" days="" a="" week="" for="" at="" least="" 3="" months),="" obesity="" (bmi="" ≥="" 30="">²), 高血压 (收缩压 (SBP) ≥140毫米汞柱或舒张压 (DBP) ≥90毫米汞柱), 血脂异常 (总胆固醇≥200毫克/分升;LDL ≥130毫克/分升;HDL < 40="" mg/dl,="" or="" on="" lipid="" lowering="" medication),="" prediabetes="" (fasting="" blood="" glucose=""> 100 毫克/分升)。所有的最大运动测试应在受临床运动测试培训的医护专业人员的监督下进行, 至少有两人在场, 一个用于监测心电图, 另一项是对患者进行血压监测。对于那些风险较高的人, 医生也应该在测试期间在场, 而在那些处于较低风险的患者中, 如果没有医生在场, 则可以进行测试;如果需要, 最好在附近有医生, 并立即提供。执行测试的人员应具有基本的生命支持与自动外部除颤器 (AED) 在房间和至少一个或多个执行人员应该有提前心脏生命支持培训。那些执行测试的人应该知道应对医疗紧急情况的计划, 并且有适当的联系号码。
   1. 将主体与自行车配合, 确保座椅和车把位置舒适。
      注: 对于座椅高度的一般建议是, 腿部在踏板冲程底部有轻微弯曲, 座椅应水平调整, 以便当曲柄臂与地面平行时, 膝盖应落在应为 o 的跖骨上。踏板主轴。车把应与座椅高度相同, 或稍高, 足够近, 以使主体在肘部有轻微弯曲。车把位置将取决于骑手的经验, 更有经验的骑车人会想更弯腰, 哪里是那些谁不经常骑自行车会更喜欢直立的位置。
   2. 将脉搏血氧仪放在主体的前额上。用酒精擦拭擦拭放置位置, 去除任何妆容或污垢等, 并用头带将其固定到前额。
   3. 使用主题查看练习测试过程。通知的主题, 他们将需要保持呼吸通过喉舌在整个测试期间, 只有通过他/她的嘴呼吸, 鼻子将插入鼻子夹。
      注意: 使用喉舌和鼻夹不是唯一的选择;口罩可以覆盖鼻子和嘴巴, 允许参与者通过他们的嘴或鼻子呼吸¹⁸。气体交换指标通过肺功能软件持续测量和记录。心率 (HR) 和节奏将通过12导联心电图 (ECG) 持续监测。周围氧饱和度 (SpO₂) 将持续监测与脉冲血血计。这些外部信号 (HR, SpO₂) 可以链接到代谢推车, 以便所有的测量记录在一起。如果这是不可能的, HR 和 SpO₂应记录在工作表每分钟。
   4. 从肘窝静脉中抽取5毫升血液样本 (基线运动血抽)。
   5. 休息2分钟后, 开始收集数据。然后, 启动练习协议并指示参与者开始踩踏。要求他们达到60到 80 rpm 之间的踏板速率。
      注意: 对于本研究, 使用的最大运动测试协议是 50 w 的初始工作负载, 每2分钟递增 30 w。所使用的协议可以根据总体和测试目标而有所不同。对于老年人或患者的人群, 第一阶段可以执行卸载, 以允许个人得到他们的腿移动之前的阻力增加。在年轻健康的人, 这通常是不必要的, 因为 50 W 是一个足够低的工作负荷热身。在保持所需踏板速度的同时踩踏 0 W 实际上比从一开始就开始阻力更具挑战性。
   6. 有一个辅助技术员测量血压 (BP) 1 分钟到每个阶段, 而第二技术员协助测试。然后询问受影响者对他/她的劳累水平上的博格评级的感知劳累 (RPE) 规模, 其中6表示, 劳累被认为是容易的 (像 (s) 他坐着/站立无所事事), 20 表示知觉消耗是在最难的工作, 他们可以想象做¹⁸。在每个阶段的最后30秒内采用12导联心电图打印输出。
   7. 继续测试, 直到用尽的主题, 这是指定的至少有以下两个发生: 当 60-80 rpm 的自行车不能再保持, 主题的 VO₂高原和不增加的工作量增加, 他/她呼吸交换比 (RER) 等于或大于 1.1–1.2, 和/或知觉消耗 (RPE) 的受试者评分≥18。
   8. 如果发生以下任一情况, 停止测试¹³: 心绞痛或胸痛症状发作;减少10毫米汞柱的收缩, 增加工作;BP 的过度上升: 收缩 > 250 毫米汞柱和/或 DBP > 115 毫米汞柱;呼吸急促, 喘息, 腿部抽筋, 或跛行;灌注不良的迹象: 头晕、混淆、恶心、紫绀、冷或潮湿的皮肤;随着运动强度的增加, HR 的故障增加;心律变化与症状;要停止的主题请求;观察主体 vocalizes 或严重疲劳;测试设备无法正常工作。
   9. 在达到疲惫状态后, 进入恢复阶段: 降低对初始工作负荷的抵抗力, 并指示主体继续循环2分钟。
   10. 通过肘窝静脉穿刺, 从病人身上抽出5毫升的血 (运动后血抽)。
   11. 在测试完成后, 直接将主题返回3小时, 24 小时后再进行5毫升血液抽吸。在24小时的 3^路后运动血液绘制完成之前, 指示主体不要参加进一步的锻炼。
       注意: 这些是为评估免疫细胞变化的时间线而选择的时间点。问题和参数的兴趣将决定何时发生抽样。
3. 耐力稳定状态次极大循环试验-访问2
   1. 完成步骤1校准, 3.1 为 ECG 准备, 3.2.1 为自行车配件和3.2.2 额头脉搏血氧仪安装。
   2. 使用主题查看练习测试过程。告知主题, 他们将骑自行车45分钟, 但不像最大的运动测试, 他们只会被要求呼吸通过喉舌与鼻子剪辑的测试部分, 而不是连续。
      注意: 随着最大运动测试, HR 和节奏将持续监测12导联心电图。SpO₂将通过脉搏血氧仪持续监测。
   3. 在开始测试前, 从肘窝静脉 (基线耐力次极大运动血抽) 中抽取5毫升的静脉血标本。
   4. 指导受口者用嘴抓住喉舌, 并附上鼻夹。
   5. 开始数据收集, 然后启动练习协议。指示参与者开始踩踏, 并要求他们达到60到 80 rpm 之间的踏板速度。
      注意: 对于这项研究, 耐力稳态协议是45分钟, 在 50 W 时, 有一个最小的温度。预热后, 功率增加到从访问1确定的主体最大工作负载的60%。这与访问1不同, 因为工作负载是恒定的, 而回合设置为特定持续时间, 而不是增加工作负荷, 直到达到峰值 VO₂ 。
   6. 测量 BP (使用与以前相同的技术员), 并要求受测者在整个练习中间歇性地报告消耗水平 (每分钟)。
   7. 指示主体从10分钟至25秒内松开喉舌, 再从 25 分钟到30分钟, 最后5分钟 (45 分钟至40分钟)重新抓取喉舌.
      注: 只有当主体在喉舌上时, 气体交换指标才会间歇性地监测;间歇性监测是做的, 因为喉舌可以干燥和不舒服的主题, 当使用较长的时间。由于此类运动测试的目标是使主体达到指定的运动强度, 然后将其视为稳态, 因此, 除非是主要的结果度量, 否则不需要持续监测主体的气体交换。在这项研究的情况下, 这是刺激, 而不是利益的结果。
   8. 通过监视以下指标, 确保测试保持稳定状态:
      1. 检查 VO₂没有显著增加 (+/-5 毫升/分钟/千克), 当主体回到喉舌。
      2. 检查主题的 HR 不会增加超过 5 bpm。
      3. 观察出现疲劳的对象或其 RPE 等级正在上升。
   9. 如果发生上述任何情况, 请将工作负荷减少到5–10% 以确保完成45分钟的循环。
   10. 后45分钟, 指示参与者完成2分钟的轻松踩踏恢复期, 然后绘制5毫升的静脉血 (后运动血抽)。
   11. 给予相同的岗位锻炼指示, 如在访问 1,即, 不从事运动, 直到24小时的时间点, 并返回到实验室血液绘制3小时和 24 h 后锻炼。

4. 血液分析

1. 处理血液样本进行分析。
   注: 可能的方法包括但不限于循环白细胞流式细胞仪、血浆样本的细胞因子分析和/或白细胞基因表达分析。此外, 最佳时间点可能需要在经验上确定。

结果

最大或次极大耐力运动测试的应用提供了一个刺激或压力源, 其中身体响应, 以满足增加的生理需求。各种运动模式可以用来比较生理和生物反应对特定的锻炼本身或当药物/干预使用, 或评估不同的运动负荷之间的反应差异。最大和耐力运动负荷在持续时间 (短/长分别) 和强度 (分别为高/低), 而模式 (即循环) 保持不变。在设计与运动测试的研究时, 重要的是要确定使?...

讨论

作为辅助/替代治疗工具, 运动有很大的潜力。事实上, 一个新兴的证据机构强烈建议体育活动促进身体健康。使用运动作为一种药物或诊断工具将需要了解适量或 "剂量" 的运动, 以达到预期的效果。最好的锻炼剂量应该估计, 因为过多的运动可能有害于改善健康。因此, 锻炼方案可能需要为每个个体量身定做, 以达到最佳的锻炼效果。为此目的, 需要理解和控制有助于各种行动反应性质的变数。因此...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Metabolic cart/portable system	MCG Diagnostics	Mobile Ultima CPX System	The flow calibration syringe, and calibration gases should come with system. There are numerous possible options/alternatives.
Pulmonary function software (Breeze Suite)	MCG Diagnostics		Software used will depend on the metabolic system
Upright cycle ergometer	Lode ergoline	960900	Numerous possible options/alternatives
12-Lead ECG	GE Healthcare	CASE Exercise Testing System	Used for 12 lead ECG capture, control bike. Having a full 12-lead is ideal for maximal exercise test so can monitor for arhythmias, but alternative for just HR would be a wireless chest strap heart rate monitor
Pulse oximeter	Masimo	MAS-9500	Usually multiple probe options: finger, forehead, ear lobe.  Usually avoid finger as tight handlebar grip can cause measurement inaccuracies
Pneumotach (preVent Flow Sensor)	MCG Diagnostics	758100-003	Alternative systems can use a turbine
Nose piece (disposable)	MCG Diagnostics	536007-001	Numerous possible options/alternatives
Mouthpeice with saliva trap	MCG Diagnostics	758301-001	Suggest filling the saliva trap with paper towel/gauze and tape cap to limit dripping
Headband	Cardinal Health	292866	Used to secure the forehead pulse oximeter and the lines for the cart
Stethescope	3M Littman	3157SM	Numerous possible options/alternatives
Blood pressure cuff	HCS	HCS9005-7	Cuff size will depend on the population planning to test
ECG Electrodes	Cardinal Health	M2570	only needed with lead based ECG/HR monitoring
K2EDTA tube 5 mL	Becton Dickinson	368661
*The table provides a list of the supplies and equipment utilized in this protocol and comments related to the equipment. Brand name/company is provided, but the use of other brands will not affect the results, key is to keep it consistent throughout testing in a particular study.