Name: Forfatter Spotlight: Integration af alveolære-kapillære reservemålinger i træningstilpasning og terapeutiske strategier
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

Undersøgelsen modtog økonomisk støtte fra Svend Andersens Fond. Center for Fysisk Aktivitetsforskning er støttet af TrygFondens bevillinger ID 101390, ID 20045 og ID 125132. JPH er støttet af HelseFonden og Rigshospitalet, mens HLH er finansieret af Beckett Fonden.

Den Videnskabsetiske Komité for Region Hovedstaden har tidligere godkendt måling af DL,CO/NO i hvile, under træning og i liggende stilling hos både raske frivillige og patienter med kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) på vores institution (protokollerne H-20052659, H-21021723 og H-21060230).
BEMÆRK: Før DL, CO / NO måles under træning, skal der udføres en dynamisk spirometri og en kardiopulmonal træningstest (CPET). Den dynamiske spirometri bruges til kvalitet...

Vurdering af lungealveolær-kapillærreserve under træning

Protokollen giver en standardiseret tilgang til måling af DL, CO / NO under træning ved hjælp af dual test gas single-breath teknikken. Da de opnåede DL,CO/NO-metrics stiger på grund af pulmonal kapillær rekruttering og distension, giver metoden et fysiologisk meningsfuldt mål for den alveolære-kapillære reserve.
Kritiske trin i protokollen Metoden kræver en udånding til restvolumen efterfulgt af en inspiration til total lungekapacitet, hvor...

Motion fører til en betydelig stigning i energibehovet sammenlignet med hviletilstanden. Hjertet og lungerne reagerer ved at øge hjerteudgang og ventilation, hvilket resulterer i en udvidelse af den alveolære kapillærseng, hovedsageligt rekruttering og udspiling af lungekapillærer1. Dette sikrer en tilstrækkelig pulmonal gasudveksling, som kan måles ved en stigning i pulmonal diffuserende kapacitet (DL)2,3,4. De første forsøg på at måle DL under træning går mere end et århundredetilbage: 5,6,7. Evnen til at øge DL fra hviletilstanden kaldes ofte den alveolære-kapillærreserve 8,9.
Eksperimentelt kan de relative bidrag fra alveolær kapillærmembrandiffuserende kapacitet (DM) og pulmonal kapillær blodvolumen (VC) til alveolær-kapillær reserve vurderes ved forskellige metoder, herunder de klassiske multiple fraktioner af inspireret ilt (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) metode10. En alternativ teknik, der kan være nyttig i denne sammenhæng, er dobbelttestgasmetoden, hvor DL til carbonmonoxid (CO) og nitrogenoxid (NO) (DL, CO/NO) måles samtidigt11. Denne teknik blev udviklet i 1980'erne og udnytter det faktum, at reaktionshastigheden for NO med hæmoglobin (Hb) er væsentligt større end CO, således at lungediffusionen af CO afhænger mere af VC end NO. Derfor er hovedstedet for resistens (~ 75%) til CO-diffusion placeret i de røde blodlegemer, mens hovedmodstanden (~ 60%) til NO-diffusion er ved den alveolære-kapillære membran og lungeplasma12. Den samtidige måling af DL, CO og DL,NO gør det således muligt at vurdere de relative bidrag fra DM og VC til DL12, hvor ændringen i DL,NO observeret under træning således stort set afspejler udvidelsen af den alveolære kapillærmembran. En yderligere fordel ved denne metode ved opnåelse af målinger under træning er, at den involverer en relativt kort åndedrætstid (~ 5 s) og færre manøvrer sammenlignet med den klassiske <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> teknik, hvor flere gentagne manøvrer med et standardiseret 10 s åndedræt udføres ved forskellige iltniveauer. Selvom <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> det for nylig er blevet anvendt med en kortere åndedrættid og færre manøvrer ved hver intensitet13. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> Ikke desto mindre tillader kun i alt seks DL, CO-manøvrer pr. session, mens op til 12 gentagne DL, CO / NO-manøvrer kan udføres uden nogen målbar effekt på de resulterende estimater14. Dette er vigtige overvejelser, når man opnår målinger under træning, da både et langt åndedræt og flere manøvrer kan være vanskelige at udføre ved meget høje intensiteter eller hos patientpopulationer, der oplever dyspnø.
Dette dokument indeholder en detaljeret protokol, herunder teoretiske overvejelser og praktiske anbefalinger vedrørende måling af DL, CO/NO under træning og dets anvendelse som indeks for den alveolære kapillærreserve. Denne metode er let anvendelig i eksperimentelle omgivelser og gør det muligt at vurdere, hvordan diffusionsbegrænsning i lungerne kan påvirke iltoptagelsen i forskellige populationer.
Teori og måleprincipper DL,CO/NO-metoden indebærer et enkelt åndedrag af en gasblanding med den antagelse, at gasserne fordeler sig ligeligt i det ventilerede alveolære rum efter indånding. Gasblandingen består af flere gasser, herunder en inaktiv sporgas. Fortyndingen af sporgassen i det ventilerede alveolære rum, baseret på dens fraktion i endeekspiratorisk luft, kan anvendes til at beregne det alveolære volumen (VA)15. Gasblandingen omfatter også testgassen CO og NO, som begge fortyndes i det ventilerede alveolære rum og diffunderer over den alveolære-kapillærmembran. Baseret på deres alveolære fraktioner kan deres individuelle forsvindingshastigheder (k), også kaldet diffuskonstanten, fra det alveolære rum beregnes. Ved konvention udledes DL for en testgas målt under en enkeltåndsmanøvre ved følgende ligning16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
hvor FA0 er den alveolære fraktion af testgassen (CO eller NO) ved begyndelsen af udåndingsgrebet for den enkelte DL-manøvre , mens FA er den alveolære fraktion af testgassen ved slutningen af udåndingsluften, og tBH er udåndingstiden. DL svarer mekanisk til testgassens konduktans over den alveolære kapillærmembran gennem plasma og de røde blodlegemer indre til hæmoglobin. Det afhænger således både af konduktansen af DM og den såkaldte specifikke konduktans af lungekapillærblod (θ), hvoraf sidstnævnte afhænger både af testgasens konduktans i blod og af dens reaktionshastighed med hæmoglobin10. I betragtning af at den gensidige ledningsevne er modstand, afhænger den samlede modstand mod overførsel af en testgas af følgende modstande i serie10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Disse komponenter kan skelnes ved samtidig måling af DL til CO og NO, fordi disse har forskellige θ-værdier, og deres respektive DL-værdier afhænger således forskelligt af VC. Lungediffusionen af CO afhænger tungere af VC end NO, idet hovedstedet for resistens (~ 75%) over for CO-diffusion er placeret i de røde blodlegemer12. I modsætning hertil er hovedmodstanden (~ 60%) til NO-diffusion ved den alveolære-kapillærmembran og lungeplasma, fordi reaktionshastigheden for NO med hæmoglobin er væsentligt større end for CO. Ved samtidig måling af DL, CO og DL, NO, vil ændringer i både DM og VC derfor påvirke førstnævnte markant, mens sidstnævnte vil afhænge meget mindre af VC, hvilket muliggør en integrativ vurdering af de faktorer, der bestemmer DL.
Rapporteringen af DL, CO / NO-målinger kan ske ved hjælp af forskellige enheder. Derfor bruger European respiratory society (ERS) mmol / min / kPa, mens American Thoracic Society (ATS) bruger ml / min / mmHg. Omregningsfaktoren mellem enhederne er 2,987 mmol/min/kPa = ml/min/mmHg.

<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

Den kombinerede enkeltåndedrætmåling af den diffuserende kapacitet af kulilte (DL, CO) og nitrogenoxid (DL, NO) er en nyttig teknik til måling af lungealveolær kapillærreserve i både raske og patientpopulationer. Målingen giver et skøn over deltagerens evne til at rekruttere og udspile lungekapillærer. Metoden er for nylig blevet rapporteret at udvise en høj test-retest pålidelighed hos raske frivillige under træning af let til moderat intensitet. Bemærk, at denne teknik tillader op til 12 gentagne manøvrer og kun kræver et enkelt åndedræt med en relativt kort åndedrætstid på 5 s. Der fremlægges repræsentative data, der viser de gradvise ændringer i DL, NO og DL, CO fra hvile til træning ved stigende intensiteter på op til 60% af den maksimale arbejdsbyrde. Måling af diffuserende kapacitet og evaluering af alveolær-kapillærreserve er et nyttigt værktøj til at evaluere lungens evne til at reagere på motion både i den raske befolkning såvel som i patientpopulationer som dem med kronisk lungesygdom.

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.

Forfatter Spotlight: Integration af alveolære-kapillære reservemålinger i træningstilpasning og terapeutiske strategier

Dobbelt testgas pulmonal diffunderende kapacitetsmåling under træning hos mennesker ved hjælp af enkeltåndingsmetoden

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.

Protokollen blev implementeret i 2021, og i skrivende stund er der udført i alt 124 målinger under træning (dvs. 51 hos raske frivillige og 73 hos patienter med KOL af forskellig sværhedsgrad). Manøvrerne samt data om opfyldte accept- og repeterbarhedskriterier og fejlfrekvensen er alle angivet i tabel 3.
Beregninger Som et eksempel gives beregninger fra en enkelt DL, CO / NO-manøvre her baseret på data fra den første man...

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

Denne protokol præsenterer en metode til vurdering af pulmonal alveolær kapillærreserve målt ved kombineret enkeltåndedrætmåling af diffuserende kapacitet til kulilte (DL, CO) og nitrogenoxid (DL, NO) under træning. Antagelser og anbefalinger til brug af teknikken under træning danner grundlaget for denne artikel.

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 ...

Vores forskning fokuserer på mekanismen for nedsat pulmonal gasudveksling i forskellige sygdomstilstande, og hvordan viden om disse kan bruges til diagnostiske og målrettede behandlinger. Vi sigter mod at forfine forståelsen af akut træningstilpasning ved at vurdere alveolær kapillærreserve gennem diffusionskapacitetsmålinger under træning. Konventionel lungefunktionstest, såsom dynamisk spirometri og diffusionskapacitetsmålinger under hvile, giver begrænset information om lungebegrænsninger og tilpasninger til akut træning.Vores protokol adresserer dette hul ved at introducere en mere omfattende og fysiologisk relevant målemetode, der vurderer den alveolære kapillærreserve. Ved at give en mere detaljeret analyse af lungefunktionen under træning bidrager denne forskning til udviklingen af målrettede diagnostiske og terapeutiske strategier for lungesygdomme, hvilket forbedrer klinisk styring og behandlingseffektivitet. Ved denne teknik vil vores studier specifikt belyse, hvordan begrænsninger i pulmonal gasudveksling bidrager til patofysiologien ved kronisk lungesygdom, og hvordan dette kan påvirkes af træningstræning.Vores forskningsgruppe har til hensigt at udvide denne forskning til at undersøge virkningen af forskellige terapeutiske og træningsinterventioner på lungefunktionen under træning og undersøge de specifikke reaktioner hos patienter med kronisk obstruktiv lungesygdom. Dette vil yderligere belyse lungernes tilpasningsevne og modstandsdygtighed over for nød.

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.