Name: تسليط الضوء على المؤلف: دمج قياسات الاحتياطي السنخي الشعري في التكيف مع التمارين والاستراتيجيات العلاجية
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Author Spotlight: Integrating Alveolar-Capillary Reserve Measurements in Exercise Adaptation and Therapeutic Strategies at JoVE.com

تلقت الدراسة دعما ماليا من مؤسسة سفيند أندرسن. يتم دعم مركز أبحاث النشاط البدني من قبل TrygFonden Grants ID 101390 و ID 20045 و ID 125132. يتم تمويل JPH من قبل HelseFonden ومستشفى جامعة كوبنهاغن ، Rigshospitalet ، بينما يتم تمويل HLH من قبل مؤسسة Beckett.

وافقت اللجنة الأخلاقية العلمية لمنطقة العاصمة الدنماركية سابقا على قياس DL ، CO / NO أثناء الراحة ، أثناء التمرين ، وفي وضع الاستلقاء في كل من المتطوعين الأصحاء والمرضى الذين يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) في مؤسستنا (البروتوكولات H-20052659 و H-21021723 و H-21060230).
ملاحظة:...

تقييم الاحتياطي السنخي الشعري الرئوي أثناء التمرين

يوفر البروتوكول نهجا موحدا لقياس DL ، CO / NO أثناء التمرين باستخدام تقنية التنفس الواحد لغاز الاختبار المزدوج. نظرا لأن مقاييس DL ، CO / NO التي تم الحصول عليها تزداد بسبب تجنيد الشعيرات الدموية الرئوية وانتفاخها ، فإن الطريقة توفر مقياسا ذا مغزى من الناحية الفسيولوجية للاحتياطي الس...

التمرين يؤدي إلى زيادة كبيرة في الطلب على الطاقة مقارنة بحالة الراحة. يستجيب القلب والرئتان عن طريق زيادة النتاج القلبي والتهوية مما يؤدي إلى توسع السرير السنخي الشعري ، وخاصة تجنيد وانتفاخ الشعيرات الدمويةالرئوية 1. وهذا يضمن تبادلا كافيا للغازات الرئوية ، والذي يمكن قياسه بزيادة قدرة الانتشار الرئوي (DL)2،3،4. تعود المحاولات الأولى لقياس DL أثناء التمرين إلى أكثر منقرن 5،6،7. غالبا ما يشار إلى القدرة على زيادة DL من حالة الراحة باسم الاحتياطي السنخي الشعري 8,9.
من الناحية التجريبية ، يمكن تقييم المساهمات النسبية لقدرة نشر الغشاء السنخي الشعري (DM) وحجم الدم الشعري الرئوي (VC) إلى احتياطي الشعيرات الدموية السنخية بطرق مختلفة ، بما في ذلك الكسور المتعددة الكلاسيكية للأكسجين المستوحى (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) الطريقة10. ومن الأساليب البديلة التي قد تكون مفيدة في هذا السياق طريقة الاختبار المزدوج للغاز، حيث يتم قياس DL إلى أول أكسيد الكربون (CO) وأكسيد النيتريك (NO) (DL، CO/NO) في وقت واحد11. تم تطوير هذه التقنية في ثمانينيات القرن العشرين ، وتستفيد من حقيقة أن معدل تفاعل NO مع الهيموغلوبين (Hb) أكبر بكثير من معدل CO ، بحيث يعتمد الانتشار الرئوي لثاني أكسيد الكربون على VC أكثر من NO. وبالتالي ، فإن الموقع الرئيسي للمقاومة (~ 75٪) لانتشار ثاني أكسيد الكربون يقع داخل خلايا الدم الحمراء ، في حين أن المقاومة الرئيسية (~ 60٪) لعدم الانتشار هي في الغشاء السنخي الشعري والبلازما الرئوية12. وبالتالي فإن القياس المتزامن ل DL و CO و DL ، NO يسمح بتقييم المساهمات النسبية ل DM و VC إلى DL12 ، حيث يعكس التغيير في DL ، NO الملاحظ أثناء التمرين إلى حد كبير توسع الغشاء السنخي الشعري. ميزة إضافية لهذه الطريقة عند الحصول على قياسات أثناء التمرين هي أنها تنطوي على وقت قصير نسبيا لحبس النفس (~ 5 ثوان) ومناورات أقل مقارنة بالتقنية الكلاسيكية <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> ، حيث يتم إجراء مناورات متكررة متعددة مع حبس التنفس القياسي لمدة 10 ثوان عند مستويات مختلفة من الأكسجين. على الرغم من أنه <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> تم تطبيقه مؤخرا مع وقت أقصر لحبس النفس وعدد أقل من المناورات في كل شدة13. ومع ذلك ، <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> يسمح فقط بما مجموعه ست مناورات DL ، CO لكل جلسة ، في حين يمكن إجراء ما يصل إلى 12 مناورة DL ، CO / NO المتكررة دون أي تأثير قابل للقياس على التقديرات الناتجة14. هذه اعتبارات مهمة عند الحصول على قياسات أثناء التمرين نظرا لأنه قد يكون من الصعب إجراء كل من حبس النفس الطويل والمناورات المتعددة بكثافة عالية جدا أو في مجموعات المرضى الذين يعانون من ضيق التنفس.
تقدم هذه الورقة بروتوكولا مفصلا ، بما في ذلك الاعتبارات النظرية والتوصيات العملية بشأن قياس DL ، CO / NO أثناء التمرين واستخدامه كمؤشر للاحتياطي السنخي الشعري. هذه الطريقة قابلة للتطبيق بسهولة في الإعداد التجريبي وتسمح بتقييم كيفية تأثير الحد من الانتشار في الرئتين على امتصاص الأكسجين في مجموعات سكانية مختلفة.
النظرية ومبادئ القياس تتضمن طريقة DL ، CO / NO نفسا واحدا من خليط الغاز مع افتراض أن الغازات توزع بالتساوي في الفضاء السنخي جيد التهوية بعد الاستنشاق. يتكون خليط الغاز من عدة غازات بما في ذلك غاز التتبع الخامل. يمكن استخدام تخفيف غاز التتبع في الفضاء السنخي ذي التهوية ، بناء على كسره في هواء الزفير النهائي ، لحساب الحجم السنخي (VA) 15. يشتمل خليط الغاز أيضا على غاز الاختبار CO و NO ، وكلاهما مخفف في الفضاء السنخي جيد التهوية وينتشر عبر الغشاء السنخي الشعري. بناء على الكسور السنخية ، يمكن حساب معدلات اختفائها الفردية (k) ، والتي تسمى أيضا ثابت الانتشار ، من الفضاء السنخي. حسب الاصطلاح ، يتم اشتقاق DL لغاز الاختبار المقاس أثناء مناورة التنفس الواحد ، من خلال المعادلة التالية16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
حيث FA0 هو الجزء السنخي من غاز الاختبار (CO أو NO) في بداية حبس النفس لمناورة DL الفردية ، بينما FA هو الجزء السنخي من غاز الاختبار في نهاية حبس النفس ، و tBH هو وقت حبس النفس. DL مكافئ ميكانيكيا لتوصيل غاز الاختبار عبر الغشاء السنخي الشعري ، من خلال البلازما وخلايا الدم الحمراء الداخلية للهيموجلوبين. وبالتالي فإنه يعتمد على كل من توصيل DM وما يسمى التوصيل النوعي للدم الشعري الرئوي (θ) ، والذي يعتمد الأخير على توصيل غاز الاختبار في الدم وعلى معدل تفاعله مع الهيموغلوبين10. بالنظر إلى أن مقلوب التوصيل هو المقاومة ، فإن المقاومة الكلية لنقل غاز الاختبار تعتمد على المقاومات التالية في السلسلة10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
يمكن تمييز هذه المكونات عن طريق القياس المتزامن ل DL إلى CO و NO ، لأن هذه لها قيم θ مختلفة ، وبالتالي تعتمد قيم DL الخاصة بها بشكل مختلف على VC. يعتمد الانتشار الرئوي لثاني أكسيد الكربون بشكل أكبر على VC أكثر من NO ، حيث يقع الموقع الرئيسي للمقاومة (~ 75٪) لانتشار أول أكسيد الكربون داخل خلايا الدم الحمراء12. في المقابل ، فإن المقاومة الرئيسية (~ 60٪) لانتشار NO هي في الغشاء السنخي الشعري والبلازما الرئوية ، لأن معدل تفاعل NO مع الهيموجلوبين أكبر بكثير من معدل تفاعل CO. ومن ثم ، من خلال القياس المتزامن ل DL و CO و DL ، NO ، ستؤثر التغييرات في كل من DM و VC بشكل ملحوظ على الأول ، في حين أن الأخير سيعتمد بشكل أقل بكثير على VC ، مما يسمح بإجراء تقييم تكاملي للعوامل التي تحدد DL.
يمكن الإبلاغ عن مقاييس DL ، CO / NO باستخدام وحدات مختلفة. ومن ثم ، فإن الجمعية الأوروبية للجهاز التنفسي (ERS) تستخدم مليمول / دقيقة / كيلو باسكال ، بينما تستخدم جمعية الصدر الأمريكية (ATS) مل / دقيقة / مم زئبق. عامل التحويل بين الوحدات هو 2.987 مليمول / دقيقة / كيلو باسكال = مل / دقيقة / مم زئبق.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>HemoCue Hb 201+&#160;</td>
			<td>HemoCue, Br&#248;nsh&#248;j, Denmark</td>
			<td>Unkown</td>
			<td>For measurements of hemoglobin</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jaeger MasterScreen PFT pro (Lung Function Equipment)</td>
			<td>CareFusion, H&#246;chberg, Germany</td>
			<td>Unkown</td>
			<td>For measurements of DLCO/NO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouthpiece</td>
			<td>SpiroBac, Henrotech, Aartselaar, Belgium</td>
			<td>Unkown</td>
			<td>Used together with the Lung Fuction Equipment. (dead space 56 ml, resistance to flow at 12 L s&#8722;1 0.9 cmH2O)&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nose-clip</td>
			<td>IntraMedic, Gentofte, Denmark</td>
			<td>JAE-892895</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phenumotach</td>
			<td>IntraMedic, Gentofte, Denmark</td>
			<td>JAE-705048</td>
			<td>Used together with the Lung Fuction Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SentrySuite Software Solution</td>
			<td>Vyaire&#39;s Medical GmbH, Leibnizstr. 7, D-97204 Hoechberg Germany</td>
			<td>Unkown</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Test gasses</td>
			<td>IntraMedic, Gentofte, Denmark</td>
			<td>Unkown</td>
			<td>Concentrations: 0.28% CO, 20.9% O2, 69.52% N2 and 9.3% He</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

dual test gas pulmonary diffusing capacity measurement during exercise in humans using the single-breath method

يعد القياس المشترك أحادي التنفس للقدرة المنتشرة لأول أكسيد الكربون (DL ، CO) وأكسيد النيتريك (DL ، NO) تقنية مفيدة لقياس احتياطي الشعيرات الدموية السنخية الرئوية في كل من السكان الأصحاء والمرضى. يوفر القياس تقديرا لقدرة المشارك على تجنيد الشعيرات الدموية الرئوية والتخلص منها. تم الإبلاغ مؤخرا عن أن الطريقة تظهر موثوقية عالية في الاختبار وإعادة الاختبار لدى المتطوعين الأصحاء أثناء ممارسة خفيفة إلى معتدلة الشدة. تجدر الإشارة إلى أن هذه التقنية تسمح بما يصل إلى 12 مناورة متكررة ولا تتطلب سوى نفس واحد مع وقت قصير نسبيا لحبس النفس يبلغ 5 ثوان. يتم توفير بيانات تمثيلية توضح التغييرات التدريجية في DL ، NO و DL ، CO من الراحة إلى التمرين بكثافة متزايدة تصل إلى 60٪ من عبء العمل الأقصى. يعد قياس القدرة المنتشرة وتقييم احتياطي الشعيرات الدموية السنخية أداة مفيدة لتقييم قدرة الرئة على الاستجابة لممارسة الرياضة في كل من السكان الأصحاء وكذلك في مجموعات المرضى مثل المصابين بأمراض الرئة المزمنة.

Exercise leads to a considerable increase in energy demand compared to the resting state. The heart and lungs respond by increasing cardiac output and ventilation resulting in an expansion of the alveolar-capillary bed, mainly the recruitment and distention of pulmonary capillaries1. This ensures a sufficient pulmonary gas exchange, which can be measured by an increase in pulmonary diffusing capacity (DL)2,3,4. The first attempts to measure DL during exercise date back more than a century5,6,7.&#160;The ability to increase&#160;DL from the resting state is often referred to as the alveolar-capillary reserve8, 9.
Experimentally, the relative contributions of alveolar-capillary membrane diffusing capacity (DM) and pulmonary capillary blood volume (VC) to alveolar-capillary reserve can be assessed by different methods, including the classical multiple fractions of inspired oxygen (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;" />) method10. An alternative technique that may be useful in this context is the dual-test gas method, in which the DL to carbon monoxide (CO) and nitric oxide (NO) (DL,CO/NO) are concurrently measured11. This technique was developed in the 1980s, and takes advantage of the fact that the reaction rate of NO with hemoglobin (Hb) is substantially greater than that of CO, such that the pulmonary diffusion of CO depends more on VC than does NO. Hence, the main site of resistance (~75%) to CO diffusion is located within the red blood cell, while the main resistance (~60%) to NO diffusion is at the alveolar-capillary membrane and pulmonary plasma12. The concurrent measurement of DL,CO and DL,NO thus permits the assessment of the relative contributions of DM and VC to DL12, where the change in DL,NO observed during exercise thus largely reflects the expansion of the alveolar-capillary membrane. An additional advantage of this method when obtaining measurements during exercise is that it involves a relatively short breath-hold time (~5 s) and fewer maneuvers compared to the classical <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;" /> technique, where multiple repeated maneuvers with a standardized 10 s breath-hold are performed at different oxygen levels. Although <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;" /> has recently been applied with a shorter breath-hold time and fewer maneuvers at each intensity13. Nevertheless, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;" /> only permits a total of six DL,CO maneuvers per session, whereas up to 12 repeated DL,CO/NO maneuvers can be performed without any measurable effect on the resultant estimates14. These are important considerations when obtaining measurements during exercise since both a long breath-hold and multiple maneuvers may be difficult to perform at very high intensities or in patient populations who experience dyspnea.
The present paper provides a detailed protocol, including theoretical considerations and practical recommendations on the measurement of DL,CO/NO during exercise and its use as an index of the alveolar-capillary reserve. This method is easily applicable in the experimental setting and permits the assessment of how diffusion limitation in the lungs may affect oxygen uptake in different populations.
Theory and measurement principles 
The DL,CO/NO method involves a single breath of a gas mixture with the assumption that the gases distribute equally in the ventilated alveolar space after inhalation. The gas mixture consists of several gases including an inert tracer gas. The dilution of the tracer gas in the ventilated alveolar space, as based on its fraction in end-expiratory&#160;air, can be used to calculate the alveolar volume (VA)15. The gas mixture also includes the test gas CO and NO, both of which are diluted in the ventilated alveolar space and diffuse across the alveolar-capillary membrane. Based on their alveolar fractions, their individual rates of disappearance (k), also termed the diffusing constant, from the alveolar space can be calculated. By convention, the DL for a test gas measured during a single-breath maneuver, is derived by the following equation16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;" />
where FA0&#160;is the alveolar fraction of the test gas (CO or NO) at the onset of the breath-hold of the individual DL maneuver, while FA is the alveolar fraction of the test gas at the end of the breath-hold, and tBH is the breath-hold time. DL is mechanically equivalent to the conductance of the test gas across the alveolar-capillary membrane, through plasma and the red blood cell interior to hemoglobin. It thus depends both on the conductance of DM&#160;and the so-called specific conductance of pulmonary capillary blood (&#952;), of which the latter depends both on the conductance of the test gas in blood and on its reaction rate with hemoglobin10. Given that the reciprocal of conductance is resistance, the total resistance to the transfer of a test gas depends on the following resistances in series10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;" />
These components may be distinguished by concurrently measuring the DL to CO and NO, because these have different &#952;-values, and their respective DL values&#160;thus depend differently on VC. The pulmonary diffusion of CO depends more heavily on VC than does NO, with the main site of resistance (~75%) to CO diffusion being located within the red blood cell12. In contrast, the main resistance (~60%) to NO diffusion is at the alveolar-capillary membrane and pulmonary plasma, because the reaction rate of NO with hemoglobin&#160;is substantially greater than that of CO. Hence, by concurrently measuring DL,CO and DL,NO, changes in both DM and VC will markedly affect the former, while the latter will depend much less on VC, thus permitting an integrative assessment of the factors that determine DL.
The reporting of DL,CO/NO metrics may be done using different units. Hence, the European respiratory society (ERS) uses mmol/min/kPa, whereas the American Thoracic society (ATS) uses mL/min/mmHg. The conversion factor between the units is 2.987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

تسليط الضوء على المؤلف: دمج قياسات الاحتياطي السنخي الشعري في التكيف مع التمارين والاستراتيجيات العلاجية

اختبار مزدوج لقياس قدرة انتشار الغاز الرئوي أثناء التمرين في البشر باستخدام طريقة التنفس الواحد

Our research focuses on mechanism of impaired pulmonary gas exchange in various disease states and how knowledge of these may be used for diagnostic and target treatments. We aim to refine the understanding of acute exercise adaptation by assessing alveolar capillary reserve through diffusion capacity measurements during exercise. Conventional lung function testing, such as dynamic spirometry, and diffusion capacity measurements during rest provides limited information about pulmonary limitations and adaptations to acute exercise.Our protocol addresses this gap by introducing a more comprehensive and physiologically-relevant measurement method that assesses the alveolar capillary reserve. By providing a more detailed analysis of lung function during exercise, this research contributes to the development of target diagnostic and therapeutic strategies for pulmonary diseases, enhancing clinical management and treatment efficacy. By this technique, our studies will specifically elucidate how pulmonary gas exchange limitations contributes to the pathophysiology of chronic lung disease and how this may be affected by exercise training.Our research group intends to extend this research to explore the impact of various therapeutic and training interventions on pulmonary function during exercise, and to investigate the specific responses in patients with chronic obstructive pulmonary disease. This will further elucidate the lungs adaptability and resilience on distress.

تم تنفيذ البروتوكول في عام 2021 وفي وقت كتابة هذا التقرير ، تم إجراء ما مجموعه 124 قياسا أثناء التمرين (أي 51 في المتطوعين الأصحاء و 73 في المرضى الذين يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن من شدة مختلفة). يتم توفير المناورات ، وكذلك البيانات المتعلقة بمعايير القبول والتكرار المحققة ، ومعدل الفشل...

Watch this Scientific Journal Video about Author Spotlight: Integrating Alveolar-Capillary Reserve Measurements in Exercise Adaptation and Therapeutic Strategies at JoVE.com

يقدم هذا البروتوكول طريقة لتقييم احتياطي الشعيرات الدموية السنخية الرئوية التي يتم قياسها عن طريق قياس التنفس الواحد المشترك لقدرة الانتشار إلى أول أكسيد الكربون (DL ، CO) وأكسيد النيتريك (DL ، NO) أثناء التمرين. تشكل الافتراضات والتوصيات الخاصة باستخدام التقنية أثناء التمرين أساس هذه المقالة.

The combined single-breath measurement of the diffusing capacity of carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) is a useful technique to measure ...

يركز بحثنا على آلية تبادل الغازات الرئوية الضعيفة في حالات مرضية مختلفة وكيف يمكن استخدام معرفتها في العلاجات التشخيصية والمستهدفة. نهدف إلى تحسين فهم التكيف الحاد مع التمارين من خلال تقييم احتياطي الشعيرات الدموية السنخية من خلال قياسات قدرة الانتشار أثناء التمرين. يوفر اختبار وظائف الرئة التقليدي ، مثل قياس التنفس الديناميكي ، وقياسات سعة الانتشار أثناء الراحة ، معلومات محدودة حول القيود الرئوية والتكيفات مع التمارين الحادة.يعالج بروتوكولنا هذه الفجوة من خلال تقديم طريقة قياس أكثر شمولا وذات صلة من الناحية الفسيولوجية تقيم احتياطي الشعيرات الدموية السنخية. من خلال توفير تحليل أكثر تفصيلا لوظائف الرئة أثناء التمرين ، يساهم هذا البحث في تطوير استراتيجيات تشخيصية وعلاجية مستهدفة للأمراض الرئوية ، مما يعزز الإدارة السريرية وفعالية العلاج. من خلال هذه التقنية ، ستوضح دراساتنا على وجه التحديد كيف تساهم قيود تبادل الغازات الرئوية في الفيزيولوجيا المرضية لأمراض الرئة المزمنة وكيف يمكن أن يتأثر ذلك بالتدريب على التمرين.تعتزم مجموعتنا البحثية توسيع نطاق هذا البحث لاستكشاف تأثير التدخلات العلاجية والتدريبية المختلفة على وظيفة الرئة أثناء التمرين ، والتحقيق في الاستجابات المحددة لدى المرضى الذين يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن. سيؤدي ذلك إلى زيادة توضيح قدرة الرئتين على التكيف والمرونة في الضيق.

dual-test-gas-pulmonary-diffusing-capacity-measurement-during

Research

JoVE Journal

Medicine

Dual Test Gas Pulmonary Diffusing Capacity Measurement During Exercise in Humans Using the Single-Breath Method

The combined single-breath measurement of the diffusing capacity of carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) is a useful technique to measure pulmonary alveolar-capillary reserve in both healthy and patient populations. The measurement provides an estimate of the participant&#39;s ability to recruit and distend pulmonary capillaries. The method has recently been reported to exhibit a high test-retest reliability in healthy volunteers during exercise of light to moderate intensity. Of note, this technique permits up to 12 repeated maneuvers and only requires a single breath with a relatively short breath-hold time of 5 s. Representative data are provided showing the gradual changes in DL,NO and DL,CO from rest to exercise at increasing intensities&#160;of up to 60% of maximal workload. The measurement of diffusing capacity and evaluation of alveolar-capillary reserve is a useful tool to evaluate the lung&#39;s ability to respond to exercise both in the healthy population as well as in patient populations such as those with chronic lung disease.

This protocol presents a method to assess pulmonary alveolar-capillary reserve measured by combined single-breath measurement of the diffusing capacity to carbon monoxide (DL,CO) and nitric oxide (DL,NO) during exercise. Assumptions and recommendations for using the technique during exercise form the foundation of this article.