Músculo esquelético Neurovascular acoplamiento, capacidad oxidativa y la función Microvascular con espectroscopia del infrarrojo cercano "Una parada tienda"

Resumen

Aquí, describimos un enfoque simple y no invasor usando la espectroscopia de infrarrojo cercano para evaluar hiperemia reactiva, acoplamiento neurovascular y capacidad oxidativa del músculo esquelético en una sola visita de clínica o de laboratorio.

Resumen

Ejercicio representa un estrés hemodinámico importante que exige una respuesta neurovascular altamente coordinada para coincidir con la entrega de oxígeno a demanda metabólica. Hiperemia reactiva (en respuesta a un breve período de isquemia del tejido) es un predictor independiente de eventos cardiovasculares y proporciona la penetración importante en la salud cardiovascular y la capacidad de vasodilatador. Capacidad oxidativa del músculo esquelético es igualmente importante en la salud y la enfermedad, como lo determina el suministro de energía para los procesos de myocellular. Aquí, describimos un enfoque simple y no invasor usando la espectroscopia de infrarrojo cercano para evaluar cada uno de estos puntos finales clínicos principales (hiperemia reactiva, acoplamiento neurovascular y capacidad oxidativa muscular) durante una sola visita de clínica o de laboratorio. A diferencia de la ecografía Doppler, imágenes/espectroscopia de resonancia magnética, o las mediciones de flujo basadas en catéter invasivo o biopsias del músculo, nuestro enfoque es menos operador dependiente, bajo costo y completamente no invasivo. Datos representativos de nuestro laboratorio junto con los datos Resumen de la literatura previamente publicada ilustran la utilidad de cada uno de estos terminales. Una vez que se domina esta técnica, aplicación a poblaciones clínicas proporcionará importante visión mecanicista de intolerancia del ejercicio y disfunción cardiovascular.

Introducción

La respuesta hiperémica a un breve período de isquemia del tejido se ha convertido en una clave medida no invasiva de la función vascular (micro). Durante la oclusión de una arteria del conducto, las arteriolas descendentes dilatan en un esfuerzo por contrarrestar el insulto isquémico. Sobre el lanzamiento de la oclusión, la disminución de la resistencia vascular produce hiperemia, la magnitud de la que es dictada por la capacidad de dilatar la microvascularización aguas abajo. Mientras que la hiperemia reactiva es un fuerte predictor independiente de eventos cardiovasculares^1,2 y, por tanto, un criterio de valoración clínicamente significativa, su significación funcional para ejercer la tolerancia y la calidad de vida es menos clara.

De hecho, el ejercicio dinámico representa un mayor estrés cardiovascular que exige una respuesta neurovascular altamente coordinada para coincidir con la entrega de oxígeno a demanda metabólica. Por ejemplo, el flujo sanguíneo músculo esquelético puede aumentar casi 100-fold durante musculares aisladas contracciones³, que pasarían a avasallar a la capacidad de bombeo del corazón si se extrapolaron una respuesta hemodinámica al ejercicio por todo el cuerpo. Por consiguiente, para evitar hipotensión severa, simpática (es decir, vasoconstrictor) aumenta la actividad nerviosa para redistribuir el gasto cardíaco de tejidos inactivos y viscerales y músculo esquelético activo⁴. Salida comprensiva está dirigida también al ejercicio músculo esquelético⁵; sin embargo, señalización metabólica local atenúa la respuesta vasoconstrictora para asegurar adecuado tejido oxígeno entrega^{6,7,8,9,10, 11}. en conjunto, este proceso se denomina simpatolisis funcional¹²y es imprescindible para la normal regulación de flujo de sangre del músculo esquelético durante el ejercicio. Puesto que el flujo sanguíneo del músculo esquelético es un determinante clave de la capacidad aeróbica, un predictor independiente de la calidad de vida y de la morbilidad y mortalidad de enfermedad cardiovascular¹³— comprensión del control del oxígeno tejido y flujo sanguíneo del músculo esquelético entrega durante el ejercicio es de gran importancia clínica.

Entrega de oxígeno es sólo la mitad de la ecuación de Fick, sin embargo, con satisfacción de la otra mitad de la ecuación de la utilización del oxígeno. Entre los principales determina de utilización del oxígeno, la fosforilación oxidativa mitocondrial juega un papel esencial en el suministro de energía adecuada para los procesos celulares tanto en reposo como durante el ejercicio. De hecho, deficiencias en la capacidad oxidativa muscular pueden limitar funcional capacidad y calidad de vida^14,15,16. Diversas medidas se utilizan para proporcionar un índice de la capacidad oxidativa del músculo, incluyendo las biopsias del músculo invasivo y costoso y desperdiciador de tiempo de resonancia magnética espectroscopia (MRS) técnicas.

Aquí, proponemos un enfoque novedoso, no invasivo, utilizando espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) para evaluar cada uno de estos tres principales medidas de resultado clínicas (hiperemia reactiva simpatolisis y capacidad oxidativa muscular) en una sola visita de clínica o de laboratorio. Las principales ventajas de este enfoque son tres: en primer lugar, esta técnica es fácilmente portable, relativamente bajo costo y fáciles de realizar. Enfoques actuales de la ecografía Doppler para medir la hiperemia reactiva son altamente operador dependiente, que requieren gran habilidad y entrenamiento — y requiere software hardware y procesamiento posterior de adquisición de datos sofisticados, de alto costo,. Por otra parte, esto podría concebiblemente introducirse en la clínica y/o ensayos clínicos grandes para cabecera de monitoreo o prueba de eficacia terapéutica. En segundo lugar, en virtud de la metodología, esta técnica se centra específicamente en la microvascularización de músculo esquelético, aumentando la especificidad global de la técnica. Enfoques alternativos mediante ecografía Doppler centran totalmente en los vasos del conducto ascendente e infieren cambios aguas abajo, que pueden atenuar la señal. En tercer lugar, esta técnica es completamente no invasivo. Capacidad oxidativa del músculo esquelético se evalúa tradicionalmente con el invasor y las biopsias musculares dolorosos y funcionales simpatolisis pueden evaluarse con la inyección intrarterial de simpaticomiméticos y droga. Este enfoque evita estos requisitos todos juntos.

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Protocolo

Este protocolo sigue las directrices de la Junta de revisión institucional de la Universidad de Texas en Arlington y se ajusta a las normas establecidas por la última versión de la declaración de Helsinki. Por consiguiente, consentimiento de informado escrita era (y debe) obtenido previo al inicio de los procedimientos de investigación.

1. instrumentación

Nota: La siguiente descripción de la instrumentación se basa en el infrarrojo cercano (NIR) Espectrómetro y datos adquisición sistema utilizado en nuestro laboratorio (véase Tabla de materiales). Así, las instrucciones incluyen pasos que son necesarios para la función óptima de estos dispositivos. Estos pasos incluyen la calibración de la sonda NIR, utilizando los software y calibración fantasma y la aplicación de un paño oscuro para excluir la luz ambiente. En caso de que se utiliza diversos datos colección hardware o software, los investigadores deben consultar sus propios manuales específicos por razones de calibración y luz ambiente. La figura 1 ilustra el montaje experimental e instrumentación que se describe inmediatamente a continuación.

1. Indicar el tema mentir supino con las piernas dentro de una cámara de presión negativa (LBNP) de cuerpo inferior (figura 1A), por lo que su línea de la correa es aproximadamente incluso con la apertura de la caja LBNP. Para obtener instrucciones sobre cómo construir una cámara LBNP, ver referencias¹⁷.
2. Coloque tres electrodos de electrocardiograma en el sujeto: dos en una posición inferior, mediados de-clavicular y uno sobre el tema de lado izquierdo medial a la cresta ilíaca. Esta configuración ofrece los mejores resultados debido al acceso limitado a las extremidades inferiores, la instrumentación de los miembros superiores y el movimiento del brazo durante el ejercicio de apretón de mano.
3. Lugar un módulo de monitor de presión arterial no invasiva en la muñeca dominante del sujeto. Colocar los manguitos de presión arterial del dedo en cada dedo y conectar con el módulo (figura 1B). Asegúrese de que los manguitos de presión arterial del dedo están calibrados correctamente según el manual del usuario que acompaña a su dispositivo.
4. Indicar el tema de captar un dinamómetro de agarre de la mano (HGD) con su brazo no dominante en una posición ligeramente abducida. El brazo debe colocarse cómodamente en una mesa de noche. La distancia y el ángulo de la DGH deben ajustarse para permitir la fuerza de agarre óptimo con movimiento mínimo del brazo (figura 1).
5. Asegure el Dag a una mesa de noche.
6. Medir la contracción voluntaria máxima (MVC) del participante. Dígale a los participantes que, cuando se le solicite, debe exprimir el HGD tan duro como sea posible utilizando sólo los músculos de la mano y el antebrazo. Indicar al tema que deben abstenerse de reclutar su brazo, pecho, hombro o los músculos abdominales al realizar la máxima adherencia.
7. Repita paso 1.6 tres veces, separadas por al menos 60 registro s. la fuerza máxima alcanzada (mejor de 3). Esta fuerza máxima se utilizará para calcular la intensidad del ejercicio para la capacidad oxidativa del músculo esqueléticas y neurovasculares de acoplamiento (abajo).
8. Coloque un puño rápido inflación alrededor de la parte superior del brazo de la mano de ejercicio. Conecte la línea aérea desde el controlador de la inflación rápida a la banda.
9. Identificar digitorum del flexor profundo. Use un marcador de piel para delimitar las fronteras del músculo palpable.
10. Asegúrese de que el espectrómetro NIR es calibrado correctamente según el manual del usuario incluido con su dispositivo. Limpiar la piel sobre la cual se colocará la sonda NIR con un paño con alcohol prep.
11. Coloque la sonda NIR sobre el centro del vientre del músculo (flexor digitorum profundus) y fijar firmemente en el antebrazo.
12. Envolver la sonda y del antebrazo con el paño oscuro, reduciendo al mínimo la interferencia de la luz ambiental (figura 1, figura 1).
13. Cuando esté listo para llevar a cabo la simpatolisis funcional parte del estudio, sello al tema en la cámara de LBNP.

2. capacidad oxidativa del músculo esquelético

Nota: Un trazo de datos representativos que ilustran el procedimiento experimental para medir la capacidad oxidativa del músculo esquelético se representa en la figura 2. Este enfoque experimental ha sido previamente validado contra en vivo fósforo MRS¹⁸ y en situ muscular respirometria¹⁹y está ganando la aceptación extensa²⁰.

1. Instrumento al tema como se indicó anteriormente (instrumentación).
2. Indique el tema a mentir aún durante 2 minutos mientras monitoreo desoxihemoglobina (HHb) y oxihemoglobina (HbO₂) a través de la sonda NIR.
   Nota: Este período de descanso permite al sujeto recuperar de cualquier artefacto de movimiento relacionada con el proceso de instrumentación y garantiza mediciones de línea base estable. Si después de 2 min que no hay fluctuaciones significativas han ocurrido, el tema puede considerarse en un estado estacionario, o reposo basal.
3. Antes de la oclusión del manguito, notificar al sujeto que se infla el brazalete. Inflar la parte superior del brazo brazalete por lo menos 30 mmHg sobre la presión arterial sistólica durante 5 minutos (es decir, suprasistólica). Instruir al sujeto a mantener el brazo quieto y relajado como sea posible, tanto durante el manguito inflado y desinflado del siguiente.
   Nota: Esta 5 min protocolo de oclusión de arteria braquial brazalete cerca refleja que el estándar clínico actualmente aceptado para oclusión vascular pruebas^{21,22,23,24,25}.
4. Registre el valor inicial/basal (antes de la oclusión del manguito) y el valor nadir de saturación de tejidos (StO₂) durante la oclusión del manguito y determinar el punto medio entre estos dos valores.
   
5. Permita que el tema para recuperarse de la oclusión del manguito y volver a los valores basales reposo. Una vez que el sujeto ha mantenido una línea de base descanso durante al menos 1 minuto completo, continúe al siguiente paso.
6. Instruir a sujetos a presión y agarre una mano isométricas al 50% de la MVC. Fomentar el tema para mantener su contracción isométrica hasta que elimina la saturación de los tejidos en un 50%. Al alcanzar este valor, Dile el sujeto relaje su mano y les informará que se necesita no más ejercicio o movimiento.
7. Dentro de 3-5 s siguiente ejercicio dejar de fumar, administrar las siguientes series de oclusión del manguito rápido (una serie = 1 inflación + 1 deflación), como se ha establecido¹⁸:
   Serie #1 - 6: 5 a/5 s s off
   Serie #7 - 10: 7 en/10 s s off
   Serie #11-14:10 s a/15 s de
   Serie #15-18:10 s a/20 s de
8. Después de completar la serie de inflación/deflación 18^th , instruir el tema para el descanso, permitiendo la saturación de tejido volver a los valores de línea de base inicial. Después de que estos valores han permanecido constantes durante al menos 2 minutos, repita los pasos del 2.4 y 2.5.
9. Cálculo de la capacidad oxidativa del músculo esquelético
   1. Calcular la pendiente del cambio en el StO₂para cada una de las oclusiones de 18 manguito individuales, formando los puntos de recuperación de monoexponential ilustrados en la figura 2.
   2. Ajuste los datos calculados del 2.7 al siguiente monoexponential curva^18,19,26
      y = End - Δ x e^-kt
      Nota: 'y' es la tasa de consumo de oxígeno muscular relativa (mV̇O₂) durante el inflado del manguito, 'Poner fin' representa el mV̇O₂ inmediatamente después de la cesación del ejercicio; Delta ('Δ') significa el cambio de mV̇O₂ de descanso al final del ejercicio; 'k' es la conexión constante de velocidad; ' t ' es el momento. Tau se calcula como 1/k.

3. reactiva hiperemia

Nota: Un trazo de datos representativos que ilustran el procedimiento experimental para medir la hiperemia reactiva se representa en la figura 3.

1. Con el tema mentira supina y equipado como se describe anteriormente (instrumentación), instruir el tema mentir como todavía posible.
2. Una vez que el sujeto ha logrado un consistente estado de reposo, continuar a grabar al menos 1 minuto de la base de datos y luego inflar rápidamente un esfigmomanómetro en el brazo a una presión suprasistólica (30 mmHg sobre la presión arterial sistólica).
3. En la marca de 5 minutos, rápidamente desinfle el manguito mientras graba la respuesta hiperémica.
4. Continuar la grabación de al menos 3 minutos para capturar la recuperación del sujeto.
5. Cálculo de hiperemia reactiva
   Nota: Los parámetros NIRS calculados se muestran en la figura 3.
   1. Calcular base StO₂ como promedio StO₂ durante 1 minuto completo previo al inicio de la oclusión arterial brazalete.
   2. Determinar la tasa metabólica de reposo músculo esquelético como el índice de desaturación (es decir, la pendiente media) durante el brazalete oclusión (definida como 1 pendiente)^27,28.
   3. Calcular la hiperemia reactiva como sigue:
      a) la media ascendente tras liberación de puño (es decir, reperfusión tasa, definida como pendiente 2), calculados desde el momento de la liberación del manguito a través de la fase creciente linealmente de la traza de rebote;
      b) StO₂ el valor máximo alcanzado después de lanzamiento del manguito (denotado como StO_2máximo);
      c) la zona de hiperemia reactiva bajo la curva (AUC). calculado desde el momento de la liberación del manguito a 1, 2 y 3 min post oclusión del manguito (1min, AUC AUC 2 min y AUC 3-min, respectivamente); y
      d) el hyperemic reserva, calculada como el cambio en StO₂ por encima de la línea de base y como un cambio de porcentaje (%). Este valor se calcula como la saturación más alto alcanzada durante la oclusiva posterior rebote menos la saturación promedio calculada en el paso 3.5.1 (véase arriba).
      Nota: Las diferencias grandes en base de datos afectará grandemente la interpretación de la reserva hiperémica.

4. funcional simpatolisis

Nota: Un trazo de datos representativos que ilustran el procedimiento experimental para medir la simpatolisis funcional se representa en la figura 4.

1. Instrumento al tema como se indicó anteriormente (instrumentación).
2. Asegurar un sellado hermético de la cámara LBNP.
3. Con el sujeto acostado aún y en reposo, recoger 3 min de la base de datos.
4. En la marca de 3 minutos, encienda la aspiradora. Ajuste el vacío para que la presión dentro de la cámara LBNP es entre-20 y -30 mmHg. Permita que la aspiradora a 2 min mientras la respuesta del sujeto.
5. En la marca de 5 minutos, apagar el vacío y dejar que el tema reposar 3 minutos.
6. En la marca de 8 minutos, iniciar el mensaje de voz guiando el tema a través del ejercicio de agarre de mano rítmica (20% MVC).
7. Confirmar que el tema es mantener su apretón en la totalidad de cada fase de agarre y relajarse completamente durante entre cada repetición. Monitorear su fuerza de salida y confirmar que están alcanzando 20% MVC con cada apretón. Continuar el ejercicio hasta el minuto 11.
8. En la marca de 11 minutos, encienda la aspiradora animando el tema para continuar su ejercicio rítmico. Permita que la aspiradora desde el 11-13 min., después los apaga.
9. Que el tema continúe realizando ejercicio de agarre de mano rítmica al 20% de la MVC para un 2 minutos adicionales. Sobre cese de ejercicio, tienen el resto del tema silencio y mentira todavía.
10. Cálculo funcional simpatolisis
    1. Normalizar el cambio de oxihemoglobina con LBNP la señal inestable total (TLS), determinado durante la oclusión del manguito de 5 min:
       
       
    2. Calcular cada evento como el promedio final de 20 min de cada evento.
    3. Calcular la atenuación inducida por el ejercicio de la reducción de la oxihemoglobina:
       

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Resultados

Capacidad oxidativa del músculo esquelético

La figura 2 ilustra una respuesta participante representante durante una evaluación de capacidad oxidativa del músculo esquelético derivado de NIRS. Panel A muestra la saturación de tejido perfil durante un minuto 5 arterial brazalete protocolo de obstrucción, el ejercicio de la empuñadura y la oclusión arterial intermite...

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Discusión

Los métodos descritos permiten una evaluación no invasiva, clínica de hiperemia reactiva, acoplamiento neurovascular y capacidad oxidativa del músculo esquelético en una sola visita de clínica o de laboratorio.

Consideraciones críticas

Aunque NIRS es relativamente robusto y fácil de usar, la recogida de estos datos requieren cuidadosa colocación de la optodes directamente sobre el vientre muscular, firmemente asegurado en su lugar ...

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Materiales

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