골격 근육 혈관 결합, 산화 용량 및 Microvascular 함수 '원스톱 쇼핑' 근처-적외선 분광학

요약

여기, 우리는 근처-적외선 분광학을 사용 하 여 단일 병원 또는 실험실 방문에 반응성 충 혈, 혈관 커플링 및 골격 근육 산화 능력을 평가 하는 간단한, 비-침략 적 접근 방식을 설명 합니다.

초록

운동 신진 대사 요구에 산소 공급을 맞추기 위해 높은 조정된 neurovascular 응답을 요구 하는 주요 hemodynamic 스트레스를 나타냅니다. (조직 허 혈의 짧은 기간에) 반응성 충 혈 심장 혈관 사건의 독립적인 예측 인자 이며 혈관 건강과 vasodilatory 용량에 중요 한 통찰력을 제공 합니다. 골격 근육 산화 용량 결정 myocellular 프로세스에 대 한 에너지 공급으로 건강과 질병, 똑같이 중요 하다. 여기, 우리는 근처-적외선 분광학을 사용 하 여 단일 병원 또는 실험실 방문 기간 중 각이 주요 임상 끝점 (반응성 충 혈, 혈관 커플링, 및 근육 산화 능력)을 평가 하는 간단한, 비-침략 적 접근 방식을 설명 합니다. 도플러 초음파, 자기 공명 이미지/분광학, 또는 침략 적인 카 테 터 기반 흐름 측정, 근육 생 검과 달리 우리의 접근 덜 연산자 종속, 낮은-비용, 그리고 완전히 비 침략 적 이다. 대표적인 데이터 이전 게시 된 문학에서 요약 데이터를 함께 찍은 우리의 실험실에서 이러한 종점의 각각의 유틸리티를 보여 줍니다. 일단이 기술을 마스터 응용 임상 인구 운동 옹 졸 및 심장 혈관 기능 장애에 중요 한 기계 통찰력을 제공할 것입니다.

서문

조직 허 혈의 짧은 기간에 hyperemic 응답 (마이크로) 혈관 기능의 키 비-침략 적 수단으로 떠오르고 있다. 동안 도관 동맥의 폐색, 다운스트림 arterioles 허 혈 성 모욕을 상쇄 하기 위해에서 같은데요. 폐색의 방출, 감소 혈관 저항 충의 크기는 다운스트림 microvasculature 팽창 하는 하나의 기능에 의해 결정 됩니다 발생 합니다. 반응성 충 혈은 심장 혈관 사건의^1,2 , 따라서 임상적으로 중요 한 끝점의 강한 독립적인 예측, 관용과 삶의 질을 운동 그것의 기능적 중요성은 덜 분명 하다.

실제로, 동적 운동 신진 대사 요구에 산소 공급을 맞추기 위해 높은 조정된 neurovascular 응답을 요구 하는 주요 심장 혈관 스트레스를 나타냅니다. 예를 들어 골격 근육 혈 약 거의 고립 된 근육 수축³, hemodynamic 응답 했다 전신 운동에 추정 하는 경우 심장의 펌핑 용량을 압도 것 동안 증가할 수 있다. 따라서, 심한 저 혈압, 교감 (즉, vasoconstrictor)을 피하기 위해 신경 활동 증가 심장 출력 비활성 및 내장 조직에서 고 활성 골격 근육⁴쪽으로 재분배. 동 정적인 유출 또한 운동 골격 근⁵; 이동 그러나, 적절 한 조직의 산소 배달^6,7,,89,10, 를 위해 vasoconstrictor 응답을 약하게 지역 신진 대사 신호 ¹¹.,이 과정은 불린다 기능 sympatholysis¹², 그리고 운동 중 골격 근육 혈액 흐름의 일반 규정 하는 것이 필수적입니다. 골격 근육 혈 이기 때문에 호 기성 용량의 핵심 결정-삶의 질과 심혈 관 질환 사망률 및 사망¹³의 독립적인 예측-골격 근육 혈액 흐름과 조직 산소 제어 이해 운동 하는 동안 배달 큰 임상 의미입니다.

그러나 산소 공급은 Fick 방정식의 절반 밖에, 산소 이용 방정식의 나머지 절반을 만족으로. 중 산소 이용의 주요 determinates, 휴식 및 운동을 하는 동안 세포 프로세스에 대 한 충분 한 에너지 공급에 필수적인 역할을 담당 하는 미토 콘 드 리아 산화 인 산화. 실제로, 근육 산화 용량에 장애 기능 용량 및 삶의 질^14,,1516를 제한할 수 있습니다. 다양 한 측정 일반적으로 근육 산화 용량, 침략 적 근육 biopsies을 비싸고 시간이 많이 걸리는 자기 공명 분광학 (MRS) 기술을 포함 한 인덱스를 제공 하는 데 사용 됩니다.

여기, 우리는 근처-적외선 분광학 (적외선)를 사용 하 여 단일 병원 또는 연구소 방문에서 (반응성 충, sympatholysis, 및 근육 산화 용량)이 세 가지 주요 임상 끝점의 각각을 평가 하는 소설, 비-침략 적 접근을 제안 합니다. 이 방법의 주요 장점은 3 겹: 먼저,이 기술을 쉽게 휴대용 이며, 상대적으로 저렴 한 비용, 실행 하기 쉬운. 충 혈 반응 측정을 위한 현재 도플러 초음파 방식은 높은 연산자--요구 하는 광범위 한 기술 및 훈련-정교한, 높은 비용, 데이터 수집 하드웨어 및 후 처리 소프트웨어를 필요로. 또한,이 클리닉 및 모니터링 또는 치료 효능을 테스트 하는 머리 맡에 대 한 대규모 임상 시험으로 도입 생각할 수 있습니다. 둘째, 방법론, 덕이 기술은 기술의 전반적인 특이성을 증가 골격 근육 microvasculature에 특히 집중 한다. 도플러 초음파를 사용 하 여 대체 방법을 업스트림 도관에 전적으로 집중 하 고 변경 내용을 다운스트림, 신호를 저해할 수 있는 추론. 셋째,이 기술은 완전히 비 침략 적 이다. 골격 근육 산화 용량은 전통적으로 침략 적으로 평가 하 고 고통 스러운 근육 생 검, 그리고 기능 sympatholysis sympathomimetics와 sympatholytics의 간 동맥 주입으로 평가 될 수 있습니다. 이 이렇게 모두 함께 이러한 요구 사항을 방지합니다.

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프로토콜

이 프로토콜 알링턴 텍사스 대학에서 기관 검토 위원회의 지침 및 헬싱키의 선언의 최신 버전에 의해 설정 된 표준 규격을 준수. 따라서, 서 면된 동의 (이었고 이어야 한다) 취득된 이전 연구 절차의 개시에.

1입니다. 계측

참고: 다음 계측 설명 기반 근처-적외선 (NIR) 분석기 및 데이터 수집 시스템 실험실에서 사용 ( 재료의 표참조). 따라서, 지침이이 소자의 최적의 기능에 필요한 단계를 포함 합니다. 이 단계에는 NIR 프로브 동반 소프트웨어 및 교정, 팬텀을 사용 하 여 교정과 주변광을 제외 하는 어두운 천으로의 응용 프로그램 포함 됩니다. 다른 데이터 수집 하드웨어 및 소프트웨어를 사용 하는 경우에 조사 교정 및 주변 빛 고려 사항에 대 한 그들의 자신의 특정 사용자 매뉴얼을 참조 해야 합니다. 그림 1 실험 설정 및 계측 바로 아래 설명 된 보여 줍니다.

1. 그들의 벨트 라인 약 LBNP 상자에 오프닝으로도 내부 낮은 체 부정적인 압력 (LBNP) (그림 1A), 그들의 다리와 부정사를 주제를 지시 합니다. LBNP 챔버를 구축 하는 방법에 대 한, 참조¹⁷. 를 참조 하십시오.
2. 주제에 3 개의 심전도 전극 배치: 주제에 열 등 한, 중간 clavicular 위치에 두 개와 왼쪽 중간에 장 골도 머리. 이 구성은 낮은 팔 다리, 손 그립 운동 중 위 사지, 운동과 팔의 계측에 대 한 제한 된 액세스 때문에 최상의 결과를 제공합니다.
3. 비-침략 적 혈액 압력 모니터 모듈을 지배적인 손목에 놓습니다. 각 손가락에 손가락 혈압 수 갑을 놓고 모듈 (그림 1B)에 연결 합니다. 손가락 혈압 수 갑은 당신의 장치를 동반 하는 사용자의 설명서에 따라 올바르게 보정을 확인 합니다.
4. 손 그립 동력 (HGD) 약간 납치 위치에 그들의 비 지배적인 팔으로 파악을 지시 합니다. 머리 맡 테이블에 팔을 편안 하 게 위치 한다. 거리와 각도 HGD의 최소한의 팔 운동 (그림 1C) 최적의 그립 강도 수 있도록 조정 되어야 한다.
5. 머리 맡 테이블에 HGD 보안.
6. 참가자의 최대 자발적으로 수축 (MVC)를 측정 합니다. 즉, 프롬프트가 표시 되 면, 그들은 해야 합니다 짠 다는 HGD 가능한 하드만 손과 팔 뚝에 근육을 이용 하는 동안 참가자에 게. 그들은 그들의 팔, 가슴, 어깨, 또는 복 부 근육 최대 그립을 수행할 때 모집에서 자제 해야 합니다 주제에 지시 합니다.
7. 반복 단계 1.6 세 번으로 구분 적어도 60 미 기록 달성 최대 힘 (최고 3의). 최대 힘이 골격 근육 산화 용량 및 혈관 (아래) 커플링에 대 한 운동 강도 계산 하기 위해 사용 됩니다.
8. 급속 한 인플레이션 팔목 운동 손의 위쪽 팔 주위를 놓습니다. 팔목에 급속 한 인플레이션 컨트롤러에서 항공사를 연결 합니다.
9. Profundus flexor digitorum를 식별 합니다. 피부 마커를 사용 하 여 만져 서 근육의 경계를 구분.
10. NIR 분 광 계 장치에 포함 된 사용자의 설명서에 따라 올바르게 보정을 확인 합니다. 깨끗 한 피부는 NIR 프로브는 알코올 준비 닦기와 함께 배치 됩니다.
11. 근육 (flexor digitorum profundus)의 뱃속의 센터 NIR 프로브를 놓고 팔 뚝에 안전 하 게 부착 합니다.
12. 프로브를 포장 하 고 어두운 천으로, 주변광 (그림 1C, 그림 1D)에서 간섭 최소화와 팔.
13. 연구의 기능 sympatholysis 부분을 수행할 준비가 되어 있는 때 LBNP 챔버로 주제를 봉인.

2. 골격 근육 산화 용량

참고: 골격 근의 산화 능력을 측정 하기 위한 실험 절차를 보여주는 대표적인 데이터 추적 그림 2에 묘사 된다. 이 실험 방법은 이전 vivo에서 인 부인¹⁸ 와 제자리에서 근육 respirometry¹⁹에 대 한 검증 된 그리고 광범위 한 수용²⁰를 얻고 있다.

1. 주제를 계측 (계측) 위에 표시 된 대로.
2. NIR 프로브를 통해 여전히 2 분 동안 (HHb) 헤모글로빈 모니터링 및 oxyhemoglobin (hbo가₂)에 대 한 거짓말을 하도록 지시 합니다.
   참고:이 나머지 기간 주제 계측 프로세스와 관련 된 모든 운동 유물에서 복구를 허용 하 고 안정적인 기본 측정을 보장. 2 분 후 아무 중요 한 변동이 발생 하는 경우 정상 상태, 또는 휴식 기준선에서 주제를 고려할 수 있습니다.
3. 팔목 폐색 이전 통보 피사체 팔목 팽창 될 것입니다. 5 분 (즉, suprasystolic)에 대 한 수축 기 혈압의 위 팔 갑 이상 30 mmHg를 부 풀 려. 아직도 하 고 팔목 인플레 및 다음 갑 디플레이션 도중 가능한 편안한으로 그들의 팔을 유지 하는 주제를 지시 합니다.
   참고:이 분 상 완 동맥 갑 폐색 프로토콜 밀접 하 게 반영 한다 혈관 폐색에 대 한 현재 허용된 임상 표준 테스트^{21,,2223,,2425}.
4. (전 갑 폐색) 초기/초기 값과 팔목 폐색 동안 조직 채도 (스토₂) 최하 값을 기록 하 고이 두 값 사이의 중간점을 결정.
   
5. 주제를 팔목 폐색에서 복구 휴식 초기 계획 값을 허용 합니다. 일단 주제는 적어도 1 전체 분에 대 한 휴식 기준선을 유지 하 고, 다음 단계를 계속 합니다.
6. 천천히 따라 지시 하십시오 그리고 그들의 MVC의 50%에서 아이소메트릭 핸드 그립을 유지. 조직 채도가 50% 될 때까지 그들의 isometric 수축을 유지 하기 위해 주제를 권장 합니다. 이 가치를 얻을, 그들의 손을 긴장 하 고 더 이상 운동 또는 운동 필요 하다 그들을 통보 하는 주제에 게.
7. 3-5 s 내의 다음 정지 운동, 다음 빠른 갑 폐색 시리즈 관리 (1 시리즈 = 1 인플레이션 + 1 디플레이션), 이전 설립¹⁸:
   시리즈 #1-6: 5에서 s/5 s
   시리즈 #7-10: 7에서 s/10 s
   떨어져 시리즈 #11-14시 10분 s/15 s
   떨어져 시리즈 #15-18시 10분 s/20 s
8. 18^일 인플레이션/디플레이션 시리즈를 완료 한 후 나머지, 주제 조직 채도 초기 초기 계획 값을 반환할 수 있도록 지시 합니다. 이 값은 적어도 2 분 동안 일관 된 남아 있다, 후 2.4 및 2.5 단계를 반복 합니다.
9. 골격 근육 산화 용량 계산
   1. 그림 2C에 monoexponential 복구 포인트를 형성 하는 개별 18 갑 않기의 각 스토₂에 변화의 기울기를 계산 합니다.
   2. 2.7에서 계산 된 데이터는 다음 monoexponential 곡선^18,,1926
      y = 끝-Δ x e^-kt
      참고: 'y'는 팔목 인플레 동안 상대 근육 산소 소비 속도 (mV̇O₂), 운동;의 직후 mV̇O₂ 나타냅니다 '끝' 델타 ('Δ') 연습; 끝에 나머지에서 mV̇O₂ 에서 변화를 의미 'k'는 피팅 속도 상수; ' t ' 시간 이다. 타우 1/k로 계산 됩니다.

3. 반응성 충 혈

참고: 반응성 충 혈을 측정 하기 위한 실험 절차를 보여주는 대표적인 데이터 추적 그림 3에서 묘사 된다.

1. 부정사와 계측 거짓말 주제와 (계측) 위에서 설명한 대로 여전히 가능한 거짓말을 지시 합니다.
2. 주제는 일관 된 휴식 상태를 달성 했다, 기준 데이터의 적어도 1 분을 기록 하 고 빠르게 suprasystolic 압력 (30 mmHg 이상 수축 기 혈압) 위 팔에 혈압 팔목을 팽창 시키기를 계속.
3. 5 분 마크에서 급속 하 게 폐의 갑 hyperemic 응답을 기록 하는 동안.
4. 복구를 잡으려고 3 분 이상에 대 한 녹음을 계속 합니다.
5. 계산 반응성 충
   참고: 계산 적외선 매개 변수는 그림 3에서 묘사 된다.
   1. 팔목 동맥 폐색의 발병에 기준선 스토₂ 1 전체 분 사전에 평균 스토₂ 로 계산 합니다.
   2. 팔목 (슬로프 1로 정의) 폐색^27,28동안 불포화 속도 (즉, 평균 기울기)으로 골격 근육의 휴식 신진 대사 속도 결정 합니다.
   3. 다음과 같이 반응 충을 계산.
      팔목 릴리스 (즉, reperfusion 속도, 경사 2로 정의 된), 다음 a) 평균 upslope 리바운드 추적;의 선형 증가 단계 갑 릴리스 순간부터 계산
      b) 높은 스토₂ 가치 도달 후 팔목 (스토_2최대로 표시 됨);
      c) 곡선 (AUC); 아래 반응 충 지역 계산 갑 출시 시점에서 1-, 2-및 3-분 게시 팔목 폐색 (AUC AUC 1 분, 2 분, 그리고 AUC 3 민, 각각); 그리고
      d) hyperemic 보유, 기준선 위의 스토₂ 에서 변경으로 계산 되며 변화를 퍼센트 (%)로 보고. 이 값은 평균 채도 단계 3.5.1 (위 참조)에서 계산한 마이너스 리바운드 후 폐색 동안 달성 높은 채도로 계산 됩니다.
      참고: 초기 계획 데이터에 큰 차이 hyperemic 예비의 해석에 영향을 크게이 됩니다.

4. 기능 Sympatholysis

참고: 대표적인 데이터 추적 기능 sympatholysis을 측정 하기 위한 실험 절차를 보여주는 그림 4에 묘사 된다.

1. 주제를 계측 (계측) 위에 표시 된 대로.
2. LBNP 챔버에 밀폐 인감을 확인 합니다.
3. 여전히 그리고 나머지에서 거짓말 하는 주제와 초기 데이터의 3 분을 수집 합니다.
4. 3 분 마크에서 진공 켭니다. LBNP 챔버 내부 압력은-20와-30 mmHg 사이 진공을 조정 한다. 진공의 응답을 모니터링 하는 동안 2 분 동안 실행을 허용 합니다.
5. 5 분 마크에서 진공을 해제 하 고 3 분 동안 휴식을 허용 합니다.
6. 8 분 마크에서 시작 리듬 핸드 그립 운동을 통해 주제 안내 음성 프롬프트 (20 %MVC).
7. 주제는 각 창과 단계 전체에 걸쳐 그들의 쥐 어 짜기를 유지 하 고 각 반복 사이 동안 완전히 편안한 확인 합니다. 그들의 힘 출력을 모니터링 하 고 20%를 달성 하는 확인 각 그립 MVC. 11 분 마크까지 연습을 계속 합니다.
8. 11 분 마크에서 계속 그들의 리듬 연습을 격려 하는 진공 켭니다. 11 월 13 일 분에서 실행 한 다음 해제를 진공을 수 있습니다.
9. 계속 추가 2 분 동안 리듬 손 그립 운동 그들의 MVC의 20%를 수행 하는 주제를가지고. 운동 정지시 주제 나머지 조용히 있고 아직도 거짓말.
10. 계산 기능 Sympatholysis
    1. 정상화 5 분 갑 폐색 동안 결정 총 정한 신호 (TLS), LBNP와 oxyhemoglobin에 변경:
       
       
    2. 각 이벤트의 마지막 20 분 평균으로 각 이벤트를 계산 합니다.
    3. 운동 유도 감쇠 oxyhemoglobin 감소의 계산:
       

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결과

골격 근육 산화 용량

그림 2 적외선 파생 골격 근육 산화 능력 평가 중 대표 참가자 응답을 보여 줍니다. 패널 A 쇼 조직 채도 동맥 5 분 동안 프로필 폐색 프로토콜, 손잡이, 운동과 운동에서 복구 하는 동안 간헐적으로 동맥 폐색에 커 프 스. 패널 B 복구 기간 동안 간헐적으로 동맥 않기...

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토론

여기에 설명 된 메서드는 단일 병원 또는 실험실 방문에 반응성 충 혈, 혈관 커플링 및 골격 근육 산화 용량 비-침략 적, 임상 평가 사용.

중요 한 고려 사항

적외선은 상대적으로 강력 하 고 사용 하기 쉬운, 비록 이러한 데이터의 수집 필요 주의 근육 배꼽 바로 위에 optodes의 배치 이동 유물을 피하기 위해 장소에서 단단히 확보 하 고 덮...

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자료

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