Name: Auteur in de schijnwerpers: integratie van alveolaire-capillaire reservemetingen in inspanningsaanpassing en therapeutische strategieën
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

De studie kreeg financiële steun van de Svend Andersen Foundation. Het Centre for Physical Activity Research wordt ondersteund door TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045 en ID 125132. JPH wordt gefinancierd door HelseFonden en het Universitair Ziekenhuis van Kopenhagen, Rigshospitalet, terwijl HLH wordt gefinancierd door de Beckett Foundation.

Het Wetenschappelijk Ethisch Comité voor het Hoofdstedelijk Gewest van Denemarken heeft eerder de meting van DL,CO/NO in rust, tijdens inspanning en in rugligging goedgekeurd bij zowel gezonde vrijwilligers als patiënten met chronische obstructieve longziekte (COPD) in onze instelling (protocollen H-20052659, H-21021723 en H-21060230).
NOTITIE: Voordat DL,CO/NO tijdens het sporten wordt gemeten, moeten een dynamische spirometrie en een cardiopulmonale inspanningstest (C...

Beoordeling van de pulmonale alveolaire-capillaire reserve tijdens inspanning

Het protocol biedt een gestandaardiseerde benadering voor de meting van D,L, CO/NO tijdens inspanning met behulp van de dual-test gas single-breath techniek. Aangezien de verkregen DL,CO/NO-metriek toenemen als gevolg van pulmonale capillaire rekrutering en distensie, biedt de methode een fysiologisch zinvolle meting van de alveolaire-capillaire reserve.
Kritieke stappen in het protocol De methode vereist een uitademing tot het resterende volume, gevol...

Lichaamsbeweging leidt tot een aanzienlijke toename van de energievraag in vergelijking met de rusttoestand. Het hart en de longen reageren door het hartminuutvolume en de ventilatie te verhogen, wat resulteert in een uitbreiding van het alveolaire-capillaire bed, voornamelijk de rekrutering en uitzetting van longcapillairen1. Dit zorgt voor een voldoende pulmonale gasuitwisseling, die kan worden gemeten door een toename van de pulmonale diffuse capaciteit (DL)2,3,4. De eerste pogingen om DL te meten tijdens inspanning dateren van meer dan een eeuw geleden 5,6,7. Het vermogen om DL vanuit de rusttoestand te verhogen, wordt vaak de alveolaire-capillaire reserve 8,9 genoemd.
Experimenteel kunnen de relatieve bijdragen van de diffusiecapaciteit van het alveolair-capillaire membraan(DM) en het pulmonale capillaire bloedvolume (VC) aan de alveolaire-capillaire reserve worden beoordeeld met behulp van verschillende methoden, waaronder de klassieke meervoudige fracties van ingeademde zuurstof (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) methode10. Een alternatieve techniek die in dit verband nuttig kan zijn, is de tweevoudige gastestmethode, waarbij de DL tot koolmonoxide (CO) en stikstofmonoxide (NO) (DL, CO/NO) GELIJKTIJDIG WORDEN GEMETEN11. Deze techniek werd ontwikkeld in de jaren 1980 en maakt gebruik van het feit dat de reactiesnelheid van NO met hemoglobine (Hb) aanzienlijk groter is dan die van CO, zodat de pulmonale diffusie van CO meer afhankelijk is van VC dan van NO. Vandaar dat de belangrijkste plaats van resistentie (~75%) tegen CO-diffusie zich in de rode bloedcel bevindt, terwijl de belangrijkste weerstand (~60%) tegen NO-diffusie zich bevindt bij het alveolair-capillaire membraan en het pulmonale plasma12. De gelijktijdige meting van DL,CO en DL,NO maakt het dus mogelijk de relatieve bijdragen van DM en VC aan DL12 te beoordelen, waarbij de tijdens de inspanning waargenomen verandering in DL,NO dus grotendeels de uitzetting van het alveolair-capillaire membraan weerspiegelt. Een bijkomend voordeel van deze methode bij het verkrijgen van metingen tijdens inspanning is dat het gaat om een relatief korte ademinhoudingstijd (~5 s) en minder manoeuvres in vergelijking met de klassieke <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> techniek, waarbij meerdere herhaalde manoeuvres met een gestandaardiseerde ademinhouding van 10 s worden uitgevoerd op verschillende zuurstofniveaus. Hoewel <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> het onlangs is toegepast met een kortere ademinhoudingstijd en minder manoeuvres bij elke intensiteit13. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> Niettemin zijn er in totaal slechts zes DL,CO-manoeuvres per sessie toegestaan, terwijl tot 12 herhaalde DL,CO/NO-manoeuvres kunnen worden uitgevoerd zonder enig meetbaar effect op de resulterende schattingen14. Dit zijn belangrijke overwegingen bij het verkrijgen van metingen tijdens inspanning, aangezien zowel een lange ademinhouding als meerdere manoeuvres moeilijk uit te voeren kunnen zijn bij zeer hoge intensiteiten of bij patiëntenpopulaties die kortademigheid ervaren.
Dit artikel biedt een gedetailleerd protocol, inclusief theoretische overwegingen en praktische aanbevelingen voor het meten van DL,CO/NO tijdens inspanning en het gebruik ervan als index van de alveolaire-capillaire reserve. Deze methode is gemakkelijk toepasbaar in de experimentele setting en maakt het mogelijk om te beoordelen hoe diffusiebeperking in de longen de zuurstofopname in verschillende populaties kan beïnvloeden.
Theorie en meetprincipes De DL,CO/NO-methode omvat een enkele ademhaling van een gasmengsel met de veronderstelling dat de gassen zich na inademing gelijkmatig verdelen in de geventileerde alveolaire ruimte. Het gasmengsel bestaat uit verschillende gassen, waaronder een inert tracergas. De verdunning van het indicatorgas in de geventileerde alveolaire ruimte, op basis van de fractie in de eind-expiratoire lucht, kan worden gebruikt om het alveolaire volume (VA)15 te berekenen. Het gasmengsel omvat ook het testgas CO en NO, die beide worden verdund in de geventileerde alveolaire ruimte en diffunderen over het alveolair-capillaire membraan. Op basis van hun alveolaire fracties kan hun individuele verdwijningssnelheid (k), ook wel de diffuse constante genoemd, uit de alveolaire ruimte worden berekend. Volgens afspraak wordt de DL voor een testgas gemeten tijdens een manoeuvre met één ademhaling afgeleid uit de volgende vergelijking16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
waarbij FA0 de alveolaire fractie van het testgas (CO of NO) is bij het begin van het inhouden van de adem van deindividuele DL-manoeuvre , terwijl FA de alveolaire fractie van het testgas aan het einde van de ademinhouding is, en tBH de ademinhoudingstijd. DL is mechanisch equivalent aan de geleiding van het testgas door het alveolaire-capillaire membraan, door plasma en de binnenkant van de rode bloedcellen naar hemoglobine. Het hangt dus zowel af van de geleiding van DM als van de zogenaamde specifieke geleiding van pulmonaal capillair bloed (θ), waarvan de laatste zowel afhangt van de geleiding van het testgas in het bloed als van de reactiesnelheid met hemoglobine10. Aangezien het omgekeerde van de geleidingscoëfficiënt weerstand is, hangt de totale weerstand tegen de overdracht van een testgas af van de volgende weerstanden in reeks10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Deze componenten kunnen worden onderscheiden door gelijktijdig de DL tot CO en NO te meten, omdat deze verschillende θ-waarden hebben, en hun respectievelijke DL-waarden dus verschillend afhankelijk zijn van VC. De pulmonale diffusie van CO is sterker afhankelijk van VC dan van NO, waarbij de belangrijkste plaats van resistentie (~75%) tegen CO-diffusie zich in de rode bloedcel bevindt12. Daarentegen is de belangrijkste weerstand (~60%) tegen NO-diffusie bij het alveolair-capillaire membraan en het longplasma, omdat de reactiesnelheid van NO met hemoglobine aanzienlijk groter is dan die van CO. Door gelijktijdig DL,CO en DL,NO te meten, zullen veranderingen in zowel DM als VC dus een duidelijke invloed hebben op de eerste, terwijl dit laatste veel minder zal afhangen van VC, waardoor een integratieve beoordeling van de factoren die DL bepalen, mogelijk wordt.
De rapportage vanD-L-, CO/NO-statistieken kan worden gedaan met behulp van verschillende eenheden. Vandaar dat de European Respiratory Society (ERS) mmol/min/kPa gebruikt, terwijl de American Thoracic Society (ATS) mL/min/mmHg gebruikt. De omrekeningsfactor tussen de eenheden is 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

De gecombineerde meting met één ademhaling van het diffusievermogen van koolmonoxide (DL, CO) en stikstofmonoxide (DL, NO) is een nuttige techniek om de pulmonale alveolaire-capillaire reserve te meten in zowel gezonde als patiëntenpopulaties. De meting geeft een schatting van het vermogen van de deelnemer om longcapillairen te rekruteren en uit te zetten. Onlangs is gemeld dat de methode een hoge test-hertestbetrouwbaarheid vertoont bij gezonde vrijwilligers tijdens inspanning van lichte tot matige intensiteit. Merk op dat deze techniek tot 12 herhaalde manoeuvres mogelijk maakt en slechts een enkele ademhaling vereist met een relatief korte ademinhoudingstijd van 5 s. Er worden representatieve gegevens verstrekt die de geleidelijke veranderingen in DL, NO en DL, CO van rust naar inspanning laten zien met toenemende intensiteiten tot 60% van de maximale werkbelasting. Het meten van de diffuse capaciteit en het evalueren van de alveolaire-capillaire reserve is een nuttig hulpmiddel om het vermogen van de longen om te reageren op lichaamsbeweging te evalueren, zowel bij de gezonde populatie als bij patiëntenpopulaties zoals die met chronische longziekte.

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.

Auteur in de schijnwerpers: integratie van alveolaire-capillaire reservemetingen in inspanningsaanpassing en therapeutische strategieën

Meting van de longverspreidingscapaciteit met dubbel testgas tijdens inspanning bij mensen met behulp van de methode met één ademhaling

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.

Het protocol is in 2021 geïmplementeerd en op het moment van schrijven waren er in totaal 124 metingen tijdens inspanning (d.w.z. 51 bij gezonde vrijwilligers en 73 bij patiënten met COPD van verschillende ernst) uitgevoerd. De manoeuvres, evenals gegevens over de vervulde aanvaardbaarheids- en herhaalbaarheidscriteria en het faalpercentage zijn allemaal opgenomen in tabel 3.
Calculaties Als voorbeeld worden hier berekeningen gegeven van ...

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

Dit protocol presenteert een methode om de pulmonale alveolaire-capillaire reserve te beoordelen, gemeten door gecombineerde meting met één ademhaling van het diffuse vermogen tot koolmonoxide (DL, CO) en stikstofmonoxide (DL, NO) tijdens inspanning. Aannames en aanbevelingen voor het gebruik van de techniek tijdens het sporten vormen de basis van dit 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 ...

Ons onderzoek richt zich op het mechanisme van verminderde longgasuitwisseling in verschillende ziektetoestanden en hoe kennis hiervan kan worden gebruikt voor diagnostische en doelgerichte behandelingen. We streven ernaar het begrip van acute inspanningsaanpassing te verfijnen door de alveolaire capillaire reserve te beoordelen door middel van diffusiecapaciteitsmetingen tijdens inspanning. Conventionele longfunctietesten, zoals dynamische spirometrie, en diffusiecapaciteitsmetingen tijdens rust geven beperkte informatie over longbeperkingen en aanpassingen aan acute inspanning.Ons protocol pakt deze lacune aan door een uitgebreidere en fysiologisch relevante meetmethode te introduceren die de alveolaire capillaire reserve beoordeelt. Door een meer gedetailleerde analyse van de longfunctie tijdens inspanning te bieden, draagt dit onderzoek bij aan de ontwikkeling van diagnostische en therapeutische strategieën voor longziekten, waardoor het klinische beheer en de werkzaamheid van de behandeling worden verbeterd. Met deze techniek zullen onze studies specifiek ophelderen hoe beperkingen van de longgasuitwisseling bijdragen aan de pathofysiologie van chronische longziekte en hoe dit kan worden beïnvloed door inspanningstraining.Onze onderzoeksgroep is van plan dit onderzoek uit te breiden om de impact van verschillende therapeutische en trainingsinterventies op de longfunctie tijdens inspanning te onderzoeken, en om de specifieke reacties bij patiënten met chronische obstructieve longziekte te onderzoeken. Dit zal het aanpassingsvermogen en de veerkracht van de longen bij nood verder ophelderen.

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.