Name: Pleins feux sur l’auteur : Intégration des mesures de la réserve alvéolaire-capillaire dans l’adaptation à l’exercice et les stratégies thérapeutiques
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

L’étude a reçu le soutien financier de la Fondation Svend Andersen. Le Centre de recherche sur l’activité physique est soutenu par les subventions TrygFonden ID 101390, ID 20045 et ID 125132. JPH est financé par HelseFonden et l’hôpital universitaire de Copenhague, Rigshospitalet, tandis que HLH est financé par la Fondation Beckett.

Le comité d’éthique scientifique de la région de la capitale du Danemark a déjà approuvé la mesure du DL,CO/NO au repos, pendant l’exercice et en position couchée chez des volontaires sains et des patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) dans notre établissement (protocoles H-20052659, H-21021723 et H-21060230).
REMARQUE : Avant de mesurer le DL, CO/NO pendant l’exercice, une spirométrie dynamique et un test d’effort cardiopul...

Évaluation de la réserve alvéolaire-capillaire pulmonaire pendant l’exercice

Le protocole fournit une approche normalisée pour la mesure du DL, CO/NO pendant l’exercice en utilisant la technique du gaz à double test à respiration unique. Étant donné que les mesures DL,CO/NO obtenues augmentent en raison du recrutement et de la distension capillaires pulmonaires, la méthode fournit une mesure physiologiquement significative de la réserve alvéolaire-capillaire.
Étapes critiques du protocole La méthode nécessite une e...

L’exercice entraîne une augmentation considérable de la demande d’énergie par rapport à l’état de repos. Le cœur et les poumons réagissent en augmentant le débit cardiaque et la ventilation, ce qui entraîne une expansion du lit alvéolaire-capillaire, principalement le recrutement et la distension des capillaires pulmonaires1. Cela garantit un échange gazeux pulmonaire suffisant, qui peut être mesuré par une augmentation de la capacité de diffusion pulmonaire (D L)2,3,4. Les premières tentatives de mesure deD L pendant l’exercice remontent à plus d’un siècle 5,6,7. La capacité d’augmenter DL à partir de l’état de repos est souvent appelée réserve alvéolaire-capillaire 8,9.
Expérimentalement, les contributions relatives de la capacité de diffusion de la membrane alvéolaire-capillaire (DM) et du volume sanguin capillaire pulmonaire (VC) à la réserve alvéolaire-capillaire peuvent être évaluées par différentes méthodes, y compris la méthode classique des fractions multiples d’oxygène inspiré (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">)10. Une autre technique qui peut être utile dans ce contexte est la méthode des gaz à double essai, dans laquelle le DL en monoxyde de carbone (CO) et l’oxyde nitrique (NO) (DL,CO/NO) sont mesurés simultanément11. Cette technique a été développée dans les années 1980 et tire parti du fait que la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine (Hb) est considérablement supérieure à celle du CO, de sorte que la diffusion pulmonaire du CO dépend davantage duV C que du NO. Par conséquent, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO est situé dans le globule rouge, tandis que la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire12. La mesure simultanée de DL,CO et DL,NO permet donc d’évaluer les contributions relatives de DM et VC à DL12, où la variation de DL,NO observée pendant l’exercice reflète donc largement l’expansion de la membrane alvéolaire-capillaire. Un avantage supplémentaire de cette méthode lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice est qu’elle implique un temps d’apnée relativement court (~5 s) et moins de manœuvres par rapport à la technique classique <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> , où plusieurs manœuvres répétées avec une apnée standardisée de 10 s sont effectuées à différents niveaux d’oxygène. Bien qu’il <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> ait récemment été appliqué avec un temps d’apnée plus court et moins de manœuvres à chaque intensité13. Néanmoins, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> ne permet qu’un total de six manœuvres DL, CO par session, alors que jusqu’à 12 manœuvres DL, CO / NO répétées peuvent être effectuées sans aucun effet mesurable sur les estimations résultantes14. Ce sont des considérations importantes lors de l’obtention de mesures pendant l’exercice, car une longue apnée et des manœuvres multiples peuvent être difficiles à effectuer à des intensités très élevées ou chez des patients souffrant de dyspnée.
Le présent article fournit un protocole détaillé, comprenant des considérations théoriques et des recommandations pratiques sur la mesure du DL,CO/NO pendant l’exercice et son utilisation comme indice de la réserve alvéolaire-capillaire. Cette méthode est facilement applicable dans le cadre expérimental et permet d’évaluer comment la limitation de la diffusion dans les poumons peut affecter l’absorption d’oxygène dans différentes populations.
Théorie et principes de mesure La méthode DL,CO/NO implique une seule respiration d’un mélange gazeux en supposant que les gaz se répartissent uniformément dans l’espace alvéolaire ventilé après inhalation. Le mélange gazeux est constitué de plusieurs gaz, dont un gaz traceur inerte. La dilution du gaz traceur dans l’espace alvéolaire ventilé, en fonction de sa fraction dans l’air expiratoire en fin de course, peut être utilisée pour calculer le volume alvéolaire (VA)15. Le mélange gazeux comprend également le CO et le NO, qui sont tous deux dilués dans l’espace alvéolaire ventilé et diffusent à travers la membrane alvéolaire-capillaire. Sur la base de leurs fractions alvéolaires, leurs taux individuels de disparition (k), également appelés constante diffusante, de l’espace alvéolaire peuvent être calculés. Par convention, le DL d’un gaz d’essai mesuré au cours d’une manœuvre à respiration unique est calculé par l’équation16 suivante :
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
où FA0 est la fraction alvéolaire du gaz d’essai (CO ou NO) au début de l’apnée de la manœuvre individuelle deD L , tandis que FA est la fraction alvéolaire du gaz d’essai à la fin de l’apnée et tBH est le temps d’apnée. DL est mécaniquement équivalent à la conductance du gaz d’essai à travers la membrane alvéolaire-capillaire, à travers le plasma et l’intérieur des globules rouges jusqu’à l’hémoglobine. Elle dépend donc à la fois de la conductance de DM et de la conductance dite spécifique du sang capillaire pulmonaire (θ), cette dernière dépendant à la fois de la conductance du gaz test dans le sang et de sa vitesse de réaction avec l’hémoglobine10. Étant donné que l’inverse de la conductance est la résistance, la résistance totale au transfert d’un gaz d’essai dépend des résistances suivantes de la série10 :
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Ces composantes peuvent être distinguées en mesurant simultanément le DL en CO et le NO, car ils ont des valeurs θ différentes, et leurs valeurs respectives deD L dépendent donc différemment de VC. La diffusion pulmonaire du CO dépend plus fortement duV C que du NO, le principal site de résistance (~75 %) à la diffusion du CO étant situé dans les globules rouges12. En revanche, la principale résistance (~60%) à la diffusion du NO se situe au niveau de la membrane alvéolaire-capillaire et du plasma pulmonaire, car la vitesse de réaction du NO avec l’hémoglobine est nettement supérieure à celle du CO. Par conséquent, en mesurant simultanément le DL,CO et le DL,NO, les changements de DM et de VC affecteront nettement le premier, tandis que ce dernier dépendra beaucoup moins de VC, permettant ainsi une évaluation intégrative des facteurs qui déterminent DL.
La déclaration des mesures DL, CO/NO peut être effectuée à l’aide de différentes unités. Ainsi, l’European Respiratory Society (ERS) utilise mmol/min/kPa, tandis que l’American Thoracic Society (ATS) utilise mL/min/mmHg. Le facteur de conversion entre les unités est de 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

La mesure combinée de la capacité de diffusion du monoxyde de carbone (D L,CO) et de l’oxyde nitrique (DL,NO) est une technique utile pour mesurer la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire chez les populations saines et les patients. La mesure fournit une estimation de la capacité du participant à recruter et à distendre les capillaires pulmonaires. Il a récemment été rapporté que la méthode présentait une grande fiabilité test-retest chez des volontaires sains lors d’exercices d’intensité légère à modérée. Il convient de noter que cette technique permet jusqu’à 12 manœuvres répétées et ne nécessite qu’une seule respiration avec un temps d’apnée relativement court de 5 s. Des données représentatives sont fournies montrant les changements progressifs de DL, NO et DL, CO du repos à l’exercice à des intensités croissantes allant jusqu’à 60 % de la charge de travail maximale. La mesure de la capacité de diffusion et l’évaluation de la réserve alvéolaire-capillaire sont un outil utile pour évaluer la capacité du poumon à répondre à l’exercice à la fois dans la population en bonne santé et dans les populations de patients tels que ceux atteints de maladies pulmonaires chroniques.

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.

Pleins feux sur l’auteur : Intégration des mesures de la réserve alvéolaire-capillaire dans l’adaptation à l’exercice et les stratégies thérapeutiques

Mesure de la capacité de diffusion pulmonaire du gaz à double test pendant l’exercice chez l’homme à l’aide de la méthode de la respiration unique

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.

Le protocole a été mis en œuvre en 2021 et au moment de la rédaction de cet article, un total de 124 mesures pendant l’exercice (c’est-à-dire 51 chez des volontaires sains et 73 chez des patients atteints de BPCO de différentes gravités) avaient été effectuées. Les manœuvres, ainsi que les données sur les critères d’acceptabilité et de répétabilité remplis et le taux d’échec sont tous fournis dans le tableau 3.
Calculs</strong...

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Ce protocole présente une méthode d’évaluation de la réserve alvéolaire et capillaire pulmonaire mesurée par mesure combinée de la capacité de diffusion en monoxyde de carbone (DL, CO) et en monoxyde nitrique (DL, NO) pendant l’exercice. Les hypothèses et les recommandations pour l’utilisation de la technique pendant l’exercice constituent la base de cet article.

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 ...

Nos recherches portent sur le mécanisme de l’altération des échanges gazeux pulmonaires dans divers états pathologiques et sur la manière dont la connaissance de ces éléments peut être utilisée pour les traitements diagnostiques et cibles. Nous visons à affiner la compréhension de l’adaptation aiguë à l’exercice en évaluant la réserve capillaire alvéolaire par des mesures de capacité de diffusion pendant l’exercice. Les tests conventionnels de la fonction pulmonaire, tels que la spirométrie dynamique, et les mesures de la capacité de diffusion au repos fournissent des informations limitées sur les limitations pulmonaires et les adaptations à l’exercice aigu.Notre protocole comble cette lacune en introduisant une méthode de mesure plus complète et physiologiquement pertinente qui évalue la réserve capillaire alvéolaire. En fournissant une analyse plus détaillée de la fonction pulmonaire pendant l’exercice, cette recherche contribue à l’élaboration de stratégies diagnostiques et thérapeutiques ciblées pour les maladies pulmonaires, améliorant ainsi la prise en charge clinique et l’efficacité du traitement. Grâce à cette technique, nos études permettront d’élucider spécifiquement comment les limitations des échanges gazeux pulmonaires contribuent à la physiopathologie des maladies pulmonaires chroniques et comment cela peut être affecté par l’entraînement physique.Notre groupe de recherche a l’intention d’étendre cette recherche pour explorer l’impact de diverses interventions thérapeutiques et d’entraînement sur la fonction pulmonaire pendant l’exercice, et pour étudier les réponses spécifiques chez les patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive. Cela permettra d’élucider davantage l’adaptabilité et la résilience des poumons en cas de détresse.

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.

Recherche

Médecine

Optimization and Calibration of Cardiopulmonary Exercise Testing for Enhanced Assessment of Pulmonary Gas Exchange and Diffusing Capacity

Optimisation et étalonnage de tests d’effort cardiopulmonaire pour une meilleure évaluation des échanges gazeux pulmonaires et de la capacité de diffusion