Name: Autor im Rampenlicht: Integration von Alveolen-Kapillarreserve-Messungen in Trainingsanpassungs- und Therapiestrategien
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
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Die Studie wurde von der Svend Andersen Stiftung finanziell unterstützt. Das Zentrum für Bewegungsforschung wird durch die TrygFonden-Zuschüsse ID 101390, ID 20045 und ID 125132 unterstützt. JPH wird von HelseFonden und dem Universitätskrankenhaus Kopenhagen, Rigshospitalet, finanziert, während HLH von der Beckett-Stiftung finanziert wird.

Das Wissenschaftliche Ethikkomitee für die Hauptstadtregion Dänemarks hat zuvor die Messung von DL, CO/NO in Ruhe, während des Trainings und in Rückenlage sowohl bei gesunden Freiwilligen als auch bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) in unserer Einrichtung genehmigt (Protokolle H-20052659, H-21021723 und H-21060230).
HINWEIS: Bevor DL, CO/NO während des Trainings gemessen wird, müssen eine dynamische Spirometrie und ein kardiopulmonaler B...

Beurteilung der pulmonalen Alveolen-Kapillarreserve während des Trainings

Das Protokoll bietet einen standardisierten Ansatz für die Messung von DL, CO/NO während des Trainings mit der Dual-Testgas-Single-Breath-Technik. Da die erhaltenen DL,CO/NO-Metriken aufgrund der Rekrutierung und Dehnung der Lungenkapillaren ansteigen, liefert die Methode ein physiologisch aussagekräftiges Maß für die alveolar-kapillare Reserve.
Kritische Schritte im Protokoll Die Methode erfordert eine Ausatmung auf das Restvolumen, gefolgt von e...

Bewegung führt zu einem erheblichen Anstieg des Energiebedarfs im Vergleich zum Ruhezustand. Herz und Lunge reagieren mit einer Erhöhung des Herzzeitvolumens und der Beatmung, was zu einer Erweiterung des Alveolarkapillarbetts führt, hauptsächlich der Rekrutierung und Dehnung von Lungenkapillaren1. Dies gewährleistet einen ausreichenden pulmonalen Gasaustausch, der durch eine Erhöhung der pulmonalen Diffusionskapazität (DL) gemessen werden kann2,3,4. Die ersten Versuche, DL während des Trainings zu messen, liegen mehr als ein Jahrhundert zurück 5,6,7. Die Fähigkeit, DL aus dem Ruhezustand heraus zu erhöhen, wird oft als alveolar-kapillare Reserve bezeichnet 8,9.
Experimentell können die relativen Beiträge der Alveolar-Kapillarmembran-Diffusionskapazität (DM) und des pulmonalen kapillaren Blutvolumens (VC) zur alveolar-kapillaren Reserve mit verschiedenen Methoden bewertet werden, einschließlich der klassischen Mehrfachfraktionen des eingeatmeten Sauerstoffs (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) Methode10. Eine alternative Technik, die in diesem Zusammenhang nützlich sein kann, ist die Dual-Testgas-Methode, bei der DL zu Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NO) (DL, CO/NO) gleichzeitig gemessen werden11. Diese Technik wurde in den 1980er Jahren entwickelt und macht sich die Tatsache zunutze, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von NO mit Hämoglobin (Hb) wesentlich größer ist als die von CO, so dass die pulmonale Diffusion von CO stärker von VC als von NO abhängt. Daher befindet sich der Hauptort des Widerstands (~75%) gegen CO-Diffusion innerhalb der roten Blutkörperchen. während der Hauptwiderstand (~60%) gegen NO-Diffusion an der Alveolarkapillarmembran und im Lungenplasmaliegt 12. Die gleichzeitige Messung von DL,CO undD L,NO ermöglicht somit die Bewertung der relativen Beiträge von DM und VC zu DL12, wobei die während der Belastung beobachtete Änderung vonD L,NO somit weitgehend die Ausdehnung der Alveolar-Kapillarmembran widerspiegelt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Methode bei der Erfassung von Messungen während des Trainings besteht darin, dass sie eine relativ kurze Atemhaltezeit (~5 s) und weniger Manöver im Vergleich zur klassischen <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> Technik beinhaltet, bei der mehrere wiederholte Manöver mit einem standardisierten Atemanhalten von 10 s bei unterschiedlichen Sauerstoffgehalten durchgeführt werden. Obwohl <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> kürzlich mit einer kürzeren Atemanhaltezeit und weniger Manövern bei jeder Intensität13 angewendet wurde. Trotzdem erlaubt es nur insgesamt sechs DL,CO-Manöver pro Sitzung, während bis zu 12 wiederholte DL,CO/NO-Manöver ohne messbare Auswirkungen auf die resultierenden Schätzungen durchgeführt werdenkönnen 14. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> Dies sind wichtige Überlegungen bei der Durchführung von Messungen während des Trainings, da sowohl ein langes Atemanhalten als auch mehrere Manöver bei sehr hohen Intensitäten oder bei Patientenpopulationen mit Dyspnoe schwierig durchzuführen sein können.
Die vorliegende Arbeit enthält ein detailliertes Protokoll, einschließlich theoretischer Überlegungen und praktischer Empfehlungen zur Messung vonD L, CO/NO während des Trainings und seiner Verwendung als Index der Alveolar-Kapillar-Reserve. Diese Methode ist im experimentellen Umfeld leicht anwendbar und ermöglicht die Beurteilung, wie sich die Diffusionsbegrenzung in der Lunge auf die Sauerstoffaufnahme in verschiedenen Populationen auswirken kann.
Theorie und Messprinzipien Die DL,CO/NO-Methode beinhaltet einen einzigen Atemzug eines Gasgemisches mit der Annahme, dass sich die Gase nach der Inhalation gleichmäßig im belüfteten Alveolarraum verteilen. Das Gasgemisch besteht aus mehreren Gasen, darunter ein inertes Prüfgas. Die Verdünnung des Tracergases im belüfteten Alveolarraum, basierend auf seinem Anteil in der endexspiratorischen Luft, kann zur Berechnung des Alveolarvolumens (VA) verwendet werden15. Das Gasgemisch enthält auch die Prüfgase CO und NO, die beide im belüfteten Alveolarraum verdünnt sind und über die Alveolar-Kapillarmembran diffundieren. Anhand ihrer Alveolarfraktionen können ihre individuellen Verschwindensraten (k), auch Diffusionskonstante genannt, aus dem Alveolarraum berechnet werden. Gemäß der Konvention wird derD L für ein Prüfgas, das während eines Einatemmanövers gemessen wird, aus der folgenden Gleichung16 abgeleitet:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
wobei FA0 der alveoläre Anteil des Testgases (CO oder NO) zu Beginn des Atemanhaltens deseinzelnen DL-Manövers ist, während FA der alveoläre Anteil des Testgases am Ende des Atemanhaltens und tBH die Atemanhaltezeit ist. DL entspricht mechanisch der Leitfähigkeit des Testgases durch die Alveolarkapillarmembran, durch Plasma und das Innere der roten Blutkörperchen zu Hämoglobin. Sie hängt also sowohl von der Leitfähigkeit von DM als auch von der sogenannten spezifischen Leitfähigkeit des Lungenkapillarblutes (θ) ab, wobei letztere sowohl von der Leitfähigkeit des Prüfgases im Blut als auch von seiner Reaktionsgeschwindigkeit mit Hämoglobin10 abhängt. Da der Kehrwert des Leitwerts der Widerstand ist, hängt der Gesamtwiderstand gegen die Übertragung eines Prüfgases von den folgenden Widerständen der Reihe10 ab:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Diese Komponenten können durch gleichzeitige Messung von DL zu CO und NO unterschieden werden, da diese unterschiedliche θ-Werte haben und ihrejeweiligen DL-Werte daher unterschiedlich von VC abhängen. Die pulmonale Diffusion von CO hängt stärker von VC ab als von NO, wobei sich der Hauptwiderstandsort (~75%) gegen CO-Diffusion innerhalb der roten Blutkörperchenbefindet 12. Im Gegensatz dazu liegt der Hauptwiderstand (~60%) gegen NO-Diffusion an der Alveolarkapillarmembran und im Lungenplasma, da die Reaktionsgeschwindigkeit von NO mit Hämoglobin wesentlich größer ist als die von CO. Daher wirken sich bei gleichzeitiger Messung von DL, CO und DL,NO Änderungen sowohl von DM als auch von VC deutlich auf erstere aus. während letzteres viel weniger von VC abhängt und somit eine integrative Bewertung der Faktoren ermöglicht, die DL bestimmen.
Die Meldung von DL, CO/NO-Metriken kann mit unterschiedlichen Einheiten erfolgen. Daher verwendet die European Respiratory Society (ERS) mmol/min/kPa, während die American Thoracic Society (ATS) mL/min/mmHg verwendet. Der Umrechnungsfaktor zwischen den Einheiten beträgt 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

Die kombinierte Messung der Diffusionskapazität von Kohlenmonoxid (D L, CO) und Stickstoffmonoxid (DL, NO) ist eine nützliche Technik zur Messung der pulmonalen alveolar-kapillaren Reserve sowohl in gesunden als auch in Patientenpopulationen. Die Messung liefert eine Schätzung der Fähigkeit des Teilnehmers, Lungenkapillaren zu rekrutieren und zu dehnen. Kürzlich wurde berichtet, dass die Methode bei gesunden Probanden während des Trainings mit leichter bis mittlerer Intensität eine hohe Test-Retest-Reliabilität aufweist. Bemerkenswert ist, dass diese Technik bis zu 12 wiederholte Manöver ermöglicht und nur einen einzigen Atemzug mit einer relativ kurzen Atemhaltezeit von 5 s erfordert. Es werden repräsentative Daten vorgelegt, die die allmählichen Veränderungen von DL, NO undD L, CO von Ruhe zu Bewegung bei zunehmenden Intensitäten von bis zu 60 % der maximalen Arbeitsbelastung zeigen. Die Messung der Diffusionskapazität und die Bewertung der alveolar-kapillaren Reserve ist ein nützliches Instrument, um die Fähigkeit der Lunge zu bewerten, auf Bewegung zu reagieren, sowohl in der gesunden Bevölkerung als auch in Patientenpopulationen wie Patienten mit chronischen Lungenerkrankungen.

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.

Autor im Rampenlicht: Integration von Alveolen-Kapillarreserve-Messungen in Trainingsanpassungs- und Therapiestrategien

Messung der Lungendiffusionskapazität mit zwei Prüfgasen während des Trainings am Menschen mit der Single-Breath-Methode

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.

Das Protokoll wurde im Jahr 2021 implementiert und zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels wurden insgesamt 124 Messungen während des Trainings (d. h. 51 bei gesunden Freiwilligen und 73 bei Patienten mit COPD unterschiedlicher Schweregrade) durchgeführt. Die Manöver sowie Daten zu erfüllten Akzeptanz- und Wiederholbarkeitskriterien und der Ausfallrate sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Berechnungen Als Beispiel werden hier Berechnunge...

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Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Bewertung der pulmonalen alveolar-kapillaren Reserve vor, die durch kombinierte Einzelatemmessung der Diffusionskapazität zu Kohlenmonoxid (DL, CO) und Stickstoffmonoxid (DL, NO) während des Trainings gemessen wird. Annahmen und Empfehlungen für die Anwendung der Technik während des Trainings bilden die Grundlage dieses Artikels.

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 ...

Unsere Forschung konzentriert sich auf den Mechanismus des gestörten pulmonalen Gasaustauschs in verschiedenen Krankheitszuständen und wie das Wissen über diese für diagnostische und zielgerichtete Behandlungen genutzt werden kann. Unser Ziel ist es, das Verständnis der akuten Belastungsanpassung zu verfeinern, indem wir die alveoläre Kapillarreserve durch Messungen der Diffusionskapazität während des Trainings bewerten. Konventionelle Lungenfunktionstests wie dynamische Spirometrie und Messungen der Diffusionskapazität in Ruhe liefern nur begrenzte Informationen über pulmonale Einschränkungen und Anpassungen an akutes Training.Unser Protokoll schließt diese Lücke, indem es eine umfassendere und physiologisch relevantere Messmethode zur Bewertung der alveolären Kapillarreserve einführt. Durch eine detailliertere Analyse der Lungenfunktion während des Trainings trägt diese Forschung zur Entwicklung von diagnostischen und therapeutischen Zielstrategien für Lungenerkrankungen bei und verbessert so das klinische Management und die Wirksamkeit der Behandlung. Mit dieser Technik werden unsere Studien speziell aufklären, wie Einschränkungen des pulmonalen Gasaustauschs zur Pathophysiologie chronischer Lungenerkrankungen beitragen und wie diese durch Bewegungstraining beeinflusst werden können.Unsere Forschungsgruppe beabsichtigt, diese Forschung zu erweitern, um die Auswirkungen verschiedener therapeutischer und Trainingsinterventionen auf die Lungenfunktion während des Trainings zu untersuchen und die spezifischen Reaktionen bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung zu untersuchen. Dies wird die Anpassungsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit der Lunge bei Stress weiter verdeutlichen.

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.

Forschung

Medizin

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

Optimierung und Kalibrierung von kardiopulmonalen Belastungstests zur verbesserten Beurteilung des pulmonalen Gasaustauschs und der Diffusionskapazität