Acoplamento de Neurovascular do músculo esquelético, capacidade oxidativa e função Microvascular com 'Balcão único' espectroscopia de infravermelho próximo

Resumo

Aqui, descrevemos uma abordagem simples e não-invasiva usando espectroscopia de infravermelho próximo para avaliar hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa do músculo esquelético em uma única visita clínica ou laboratório.

Resumo

Exercício representa um grande estresse hemodinâmico que exige uma resposta altamente coordenada neurovascular para coincidir com a entrega de oxigênio a demanda metabólica. Hiperemia reativa (em resposta a um breve período de isquemia do tecido) é um preditor independente de eventos cardiovasculares e fornece dicas importantes para a saúde vascular e vasodilatador capacidade. Capacidade oxidativa do músculo esquelético é igualmente importante na saúde e na doença, como determina o fornecimento de energia para processos de myocellular. Aqui, descrevemos uma abordagem simples e não-invasiva usando espectroscopia de infravermelho próximo para avaliar cada um desses grandes clínicos pontos de extremidade (hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa muscular) durante uma única visita clínica ou laboratório. Ao contrário de ultra-som Doppler, imagens/espectroscopia de ressonância magnética, ou medições de fluxo baseado em cateter invasivo ou biópsias de músculo, nossa abordagem é menos operador-dependente, baixo custo e completamente não-invasivo. Dados representativos do nosso laboratório juntamente com dados de Resumo de literatura publicada anteriormente ilustram a utilidade de cada um desses pontos de extremidade. Uma vez que esta técnica é dominada, aplicativo para populações clínicas irá fornecer uma visão mecanicista importante exercício intolerância e disfunção cardiovascular.

Introdução

A resposta hiperemiada para um breve período de isquemia do tecido tem emergido como uma medida-chave não-invasiva da função vascular (micro). Durante a oclusão de uma artéria de canalização, a jusante arteríolas dilatar-se em um esforço para compensar o insulto isquêmico. Após a liberação da oclusão, a diminuição da resistência vascular resulta em hiperemia, a magnitude do que é ditada pela capacidade de dilatar a microvasculatura a jusante. Enquanto a hiperemia reativa é um forte preditor independente de eventos cardiovasculares^1,2 e, portanto, um ponto de extremidade clinicamente significativo, seu significado funcional para exercer tolerância e qualidade de vida é menos claro.

Com efeito, o exercício dinâmico representa um grande estresse cardiovascular que exige uma resposta altamente coordenada neurovascular para coincidir com a entrega de oxigênio a demanda metabólica. Por exemplo, fluxo de sangue do músculo esquelético pode aumentar quase 100-fold durante o músculo isolado contrações³, que iria sobrecarregar a capacidade de bombeamento do coração se tal resposta hemodinâmica foram extrapolada para o exercício de todo o corpo. Nesse sentido, para evitar hipotensão severa, simpático (i.e., vasoconstritor) aumenta a atividade nervosa para redistribuir o débito cardíaco de tecidos inativos e viscerais e para o músculo esquelético ativo⁴. Efluxo simpático também é direcionado para o músculo esquelético exercício⁵; no entanto, sinalização metabólica local atenua a resposta vasoconstritora para assegurar adequada de tecido oxigênio entrega^{6,7,8,9,10, 11}. coletivamente, este processo é denominado funcional sympatholysis¹²e é imperativo para o regulamento normal do fluxo de sangue do músculo esquelético durante o exercício. Desde que o fluxo de sangue do músculo esquelético é um determinante-chave da capacidade aeróbia — um preditor independente de qualidade de vida e doença cardiovascular morbidade e mortalidade¹³— noções básicas sobre o controle de oxigênio de tecido e fluxo de sangue muscular esquelético entrega durante o exercício é de grande importância clínica.

Entrega de oxigênio é apenas metade da equação de Fick, no entanto, com utilização de oxigênio satisfaça a outra metade da equação. Entre os principais determinates da utilização de oxigênio, a fosforilação oxidativa mitocondrial desempenha um papel essencial no fornecimento de energia adequada para processos celulares em repouso e durante o exercício. Com efeito, deficiências na capacidade oxidativa do músculo podem limitar funcional capacidade e qualidade de vida de^14,15,16. Várias medidas são comumente usadas para fornecer um índice da capacidade oxidativa muscular, incluindo biópsias de músculo invasivo e caro e demorado de ressonância magnética espectroscopia (MRS) técnicas.

Aqui, propomos uma abordagem não-invasiva, romance, usando espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), para avaliar cada um desses três principais clínicos pontos de extremidade (hiperemia reativa, sympatholysis e capacidade oxidativa do músculo) em uma única visita clínica ou laboratório. As principais vantagens desta abordagem são triplo: primeiro, esta técnica é facilmente transportável, custo relativamente baixo e fácil de executar. As abordagens atuais do ultra-som Doppler para medir a hiperemia reativa são altamente dependente do operador — que requer grande habilidade e treinamento — e requer software de hardware e pós-processamento de aquisição de dados sofisticados, de alto custo,. Além disso, este poderia concebivelmente ser introduzido a clínica e/ou grandes ensaios clínicos para cabeceira de monitoramento ou testes de eficácia terapêutica. Em segundo lugar, em virtude da metodologia, esta técnica incide especificamente sobre a microvasculatura do músculo esquelético, aumentando a especificidade global da técnica. Abordagens alternativas usando ultra-som Doppler concentrar inteiramente em navios de conduíte upstream e inferir alterações a jusante, que podem umedecer o sinal. Em terceiro lugar, esta técnica é completamente não-invasivo. Capacidade oxidativa do músculo esquelético é tradicionalmente avaliada com invasiva e biópsias musculares dolorosas e sympatholysis funcionais podem ser avaliadas com injeção intra-arterial de simpaticomiméticos e sympatholytic. Essa abordagem evita esses requisitos todos juntos.

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Protocolo

Este protocolo segue as diretrizes do Conselho de revisão institucional da Universidade do Texas em Arlington e está em conformidade com as normas estabelecidas pela versão mais recente da declaração de Helsinque. Nesse sentido, escrito consentimento informado foi (e deve ser) obtidos antes do início dos procedimentos de investigação.

1. instrumentação

Nota: A seguinte descrição de instrumentação baseia-se no infravermelho próximo (NIR) espectrômetro e dados aquisição sistema usado no nosso laboratório (ver Tabela de materiais). Assim, as instruções seguintes etapas que são necessárias para o funcionamento ideal destes dispositivos. Estas etapas incluem a calibração da sonda NIR usando o software que acompanha e calibração fantasma e a aplicação de um pano escuro para eliminar a luz ambiente. Caso o hardware de coleta de dados diferentes e/ou o software é utilizado, os investigadores devem consultar seus próprios manuais de usuário específico para calibração e considerações de luz ambientes. A Figura 1 ilustra a montagem experimental e instrumentação descrito imediatamente abaixo.

1. Instrua o assunto se encontram em decúbito dorsal com as pernas dentro de uma câmara de pressão negativa (LBNP) inferior do corpo (figura 1A), para que a sua linha de cintura é aproximadamente mesmo com a abertura para a caixa do LBNP. Para obter instruções sobre como construir uma câmara LBNP, consulte referências¹⁷.
2. Coloque três eletrodos de eletrocardiograma sobre o assunto: um sobre o assunto e dois em uma posição inferior, médio-clavicular do lado esquerdo medial à crista ilíaca. Essa configuração fornece os melhores resultados devido ao acesso limitado aos membros inferiores, instrumentação dos membros superiores e movimento do braço durante o exercício de aperto de mão.
3. Coloque um módulo de monitor de pressão arterial não-invasiva no pulso dominante do sujeito. Coloque as algemas de pressão arterial de dedo em cada dedo e conectá-los ao módulo (figura 1B). Certifique-se que o dedo de trapo de pressão arterial é devidamente calibrado de acordo com o manual que acompanha seu dispositivo.
4. Instrua o sujeito a compreender um dinamômetro de aperto de mão (HGD) com seu braço não-dominante em uma posição ligeiramente abduzido. O braço deve ser posicionado confortavelmente em uma mesa de cabeceira. A distância e o ângulo da HGD devem ser ajustados para permitir a força de preensão ideal com movimento mínimo do braço (Figura 1).
5. Fixe o HGD para uma mesa de cabeceira.
6. Medir a contração voluntária máxima (MVC) do participante. Diga-o participante que, quando solicitado, eles devem apertar o HGD tão duro quanto possível utilizando apenas os músculos na mão e antebraço. Instrua o assunto que eles devem abster-se de recrutar sua parte superior do braço, peito, ombro ou músculos abdominais ao realizar a máxima aderência.
7. Repita etapa 1.6 três vezes, separados pelo menos 60 s. Record a força máxima alcançada (melhor de 3). Esta força máxima será usada para calcular a intensidade do exercício para a capacidade oxidativa do músculo esquelético e neurovasculares de acoplamento (abaixo).
8. Coloque uma braçadeira rápida inflação ao redor do braço superior da mão exercitar. Conectar-se a companhia aérea do controlador de inflação rápida à braçadeira.
9. Identifica dos dedos flexor profundo. Use um marcador de pele para demarcar as fronteiras do músculo palpável.
10. Certifique-se de que o espectrômetro NIR é devidamente calibrado de acordo com o manual do usuário incluído com seu dispositivo. Limpe a pele sobre a qual se posicionará a sonda NIR com uma compressa com álcool prep.
11. Coloque a sonda NIR sobre o centro da barriga do músculo (dos dedos flexor profundo) e afixá-lo de forma segura para o antebraço.
12. Embrulhe a sonda e antebraço com pano escuro, minimizando a interferência de luz ambiente (Figura 1, Figura 1).
13. Quando estiver pronto para executar a parte funcional sympatholysis do estudo, sele o assunto na câmara LBNP.

2. capacidade oxidativa do músculo

Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir a capacidade oxidativa do músculo esquelético é representado na Figura 2. Esta abordagem experimental anteriormente foi validada contra na vivo fósforo MRS¹⁸ e em situ músculo respirometria¹⁹e está ganhando aceitação generalizada²⁰.

1. Instrumentar o assunto como indicado acima (Instrumentação).
2. Instrua o sujeito a mentir ainda por 2 min enquanto monitoramento deoxyhemoglobin (HHb) e da oxihemoglobina (HbO₂) através da sonda NIR.
   Nota: Este período de descanso permite que o sujeito para se recuperar de qualquer artefato de movimento associado com o processo de instrumentação e garante medições de linha de base estável. Se depois de 2 min sem flutuações significativas ocorreram, o assunto pode ser considerado em um estado estacionário, ou de base de descanso.
3. Antes da oclusão do manguito, informe o seu assunto que você irá insuflar a braçadeira. Infle o braço superior do manguito pelo menos 30 mmHg acima da pressão arterial sistólica por 5 min (i.e., suprasystolic). Instrua o assunto para manter o seu braço mais ainda e relaxada possível durante a insuflação do manguito e seguir deflação do manguito.
   Nota: Este 5 min protocolo de oclusão artéria braquial manguito reflete intimamente que o padrão clínico atualmente aceito para oclusão vascular testa^{21,22,23,24,25}.
4. Registre o valor inicial/linha de base (antes da oclusão do manguito) e o valor do nadir de saturação de tecido (StO₂) durante a oclusão do manguito e determinar o ponto médio entre estes dois valores.
   
5. Permitir que o assunto recuperar a oclusão do manguito e retornar aos valores de base de descanso. Uma vez que o assunto tem mantido uma linha de base de descanso pelo menos 1 min completa, continue para a próxima etapa.
6. Instruir o sujeito a apertar e manter um aperto de mão isométrico a 50% de seu MVC. Incentive o assunto para manter a sua contração isométrica até o tecido elimina a saturação em 50%. Após atingir esse valor, diz o assunto para relaxar a sua mão e informá-los que não há mais exercício ou movimento é necessária.
7. Dentro de 3-5 s seguinte exercício cessação, administrar a seguinte série de oclusão de braçadeira rápida (uma série = 1 inflação + 1 deflação), como previamente estabelecido¹⁸:
   Série #1 - 6: 5 s na/5 s fora
   Série #7 - 10: 7 s na/10 s fora
   Série #11-14:10 s na/15 s fora
   Série #15-18:10 s na/20 s fora
8. Depois de completar a série de inflação/deflação 18^th , instrua o assunto para descansar, permitindo que a saturação de tecido retornar aos valores de base inicial. Depois esses valores permaneceram consistentes pelo menos 2 min, repita as etapas de 2.4 e 2.5.
9. Calcular a capacidade oxidativa do músculo esquelético
   1. Calcule a inclinação da mudança no StO₂para cada uma das oclusões do 18 manguito individuais, formando os pontos de recuperação monoexponential ilustrados na Figura 2.
   2. Ajustar os dados calculados de 2.7 para a seguinte curva de^19,monoexponential^18,26
      y = fim - Δ x e^-kt
      Nota: 'y' é a taxa de consumo de oxigênio muscular relativo (mV̇O₂) durante a insuflação do manguito, 'End' representa o mV̇O₂ , imediatamente após a cessação do exercício; Delta ('Δ') significa a mudança no mV̇O₂ de descanso ao final do exercício; 'k' é o ajuste constante de velocidade; ' t ' é tempo. Tau é calculada como 1/k.

3. reativa hiperemia

Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir a hiperemia reativa é retratado na Figura 3.

1. Com o assunto deitado em decúbito dorsal e instrumentado como descrito acima (Instrumentação), instrua o assunto para que fique o mais imóvel possível.
2. Uma vez que o assunto tem alcançado um estado de repouso consistente, continue a gravar pelo menos 1 min de dados de base e em seguida rapidamente insuflar um manguito de pressão arterial na parte superior do braço a uma pressão de suprasystolic (30 mmHg acima da pressão arterial sistólica).
3. A marca de 5 min, rapidamente, esvazie a braçadeira enquanto gravava a resposta hiperemiada.
4. Continue gravando para pelo menos de 3 min para capturar a recuperação do sujeito.
5. Cálculo de hiperemia reativa
   Nota: Os parâmetros NIRS calculados são representados na Figura 3.
   1. Calcule a linha de base StO₂ como o StO média₂ por 1 min completo prévio ao aparecimento de oclusão arterial do manguito.
   2. Determine a taxa metabólica do músculo esquelético descanso como a taxa de dessaturação (i.e., inclinação média) durante o manguito oclusão (definido como inclinação 1)^27,28.
   3. Calcule a hiperemia reativa como segue:
      a) a média ascendente após lançamento do manguito (i.e., reperfusão taxa, definida como inclinação 2), calculado a partir do momento da liberação do manguito pela fase linearmente crescente do rastreamento rebote;
      b) StO₂ valor máximo alcançado após liberação do manguito (denotada como StO_2máx);
      c) a área de hiperemia reativa sob a curva (AUC); calculado a partir na época do lançamento do manguito para 1-, 2 - e 3-min postar manguito-oclusão (AUC AUC 1-min, min 2 e 3 AUC-min, respectivamente); e
      d) o hiperemiada reserva, calculado como a mudança na StO₂ acima da linha de base e relatado como uma mudança de % (por cento). Este valor é calculado como a mais alta saturação alcançada durante o pós-oclusiva rebote menos a saturação média calculada no passo 3.5.1 (veja acima).
      Nota: Grandes diferenças nos dados de base afetará grandemente a interpretação da reserva hiperemiada.

4. funcional Sympatholysis

Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir sympatholysis funcional é representado na Figura 4.

1. Instrumentar o assunto como indicado acima (Instrumentação).
2. Certifique-se de um selo hermético na câmara LBNP.
3. Com o assunto deitado ainda e em repouso, colete 3 min de dados de base.
4. A marca de 3 min, ligue o aspirador. Ajuste o vácuo para que a pressão no interior da câmara LBNP está entre-20 e -30 mmHg. Permita o vácuo concorrer a 2 min enquanto monitora a resposta do sujeito.
5. A marca de 5 min, desligue o aspirador e permitir que o assunto descansar por 3 min.
6. A marca de 8 min, iniciar o prompt de voz guiando o assunto através do exercício de aperto de mão rítmica (20% MVC).
7. Confirme que o assunto é manter seu aperto em toda a totalidade de cada fase emocionante e relaxar completamente durante entre cada repetição. Monitorar a sua saída de força e confirmar que eles estão conseguindo 20% MVC com cada aperto. Continue o exercício até a marca de 11 min.
8. A marca de 11 min, ligue o vácuo incentivando o assunto para continuar o exercício rítmico. Permita o vácuo executar a partir de 11-13 min e, em seguida, desligá-lo.
9. Com o assunto continuar realizando exercício de aperto de mão rítmica em 20% dos seu MVC para um adicional 2 min. Após a cessação do exercício, tem o resto do assunto tranquilamente e fica quieto.
10. Cálculo funcional Sympatholysis
    1. Normalize a mudança na oxihemoglobina com LBNP ao total sinal lábil (TLS), determinada durante a oclusão de braçadeira 5 min:
       
       
    2. Calcule cada evento como a média final de 20 min de cada evento.
    3. Calcule a atenuação induzida pelo exercício da redução da oxihemoglobina:
       

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Resultados

Capacidade oxidativa do músculo esquelético

A Figura 2 ilustra uma resposta participante representante durante uma avaliação de capacidade oxidativa do músculo esquelético NIRS-derivado. Painel A mostra a saturação do tecido perfil durante um 5 min arterial algemá-protocolo de oclusão, exercício de empunhadura e oclusão arterial intermitente durante a recuperaç...

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Discussão

Os métodos aqui descritos permitem avaliação não-invasiva, clínica de hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa do músculo esquelético em uma única visita clínica ou laboratório.

Considerações críticas

Embora NIRS é relativamente robusto e fácil de usar, recolha destes dados exige cuidadosa colocação do optodes diretamente sobre o ventre muscular, preso firmemente no lugar para evitar artefato de m...

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Materiais

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