Name: מחבר זרקור: שילוב מדידות מילואים נאדיות-נימיות בהסתגלות לפעילות גופנית ובאסטרטגיות טיפוליות
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

המחקר קיבל תמיכה כספית מקרן סוונד אנדרסן. המרכז לחקר פעילות גופנית נתמך על ידי TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045 ו- ID 125132. JPH ממומן על ידי HelseFonden ובית החולים האוניברסיטאי של קופנהגן, Rigshospitalet, בעוד HLH ממומן על ידי קרן בקט.

הוועדה האתית המדעית לאזור הבירה של דנמרק אישרה בעבר מדידה של DL,CO/NO במנוחה, במהלך פעילות גופנית ובתנוחת שכיבה הן במתנדבים בריאים והן בחולים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) במוסד שלנו (פרוטוקולים H-20052659, H-21021723 ו- H-21060230).
הערה: לפני מדידת DL,CO/NO במהלך התרגיל, יש לבצע ספ...

הערכת שמורת נאדיות-נימים ריאתית במהלך פעילות גופנית

הפרוטוקול מספק גישה סטנדרטית למדידת DL,CO/NO במהלך פעילות גופנית באמצעות טכניקת הנשימה הבודדת של גז הבדיקה הכפולה. מכיוון שמדדי DL,CO/NO המתקבלים עולים עקב גיוס נימי ריאתי והתנפחות, השיטה מספקת מדד בעל משמעות פיזיולוגית של הרזרבה הנאדית-נימית.
שלבים קריטיים בפרוט...

פעילות גופנית מובילה לעלייה ניכרת בביקוש לאנרגיה בהשוואה למצב מנוחה. הלב והריאות מגיבים על ידי הגברת תפוקת הלב ואוורור וכתוצאה מכך הרחבה של המיטה הנאדית-נימית, בעיקר גיוס וניפוח של נימי ריאה1. זה מבטיח חילופי גז ריאתי מספיק, אשר ניתן למדוד על ידי עלייה ביכולת פיזור ריאתי (DL)2,3,4. הניסיונות הראשונים למדוד DL במהלך פעילות גופנית מתוארכים לפני יותר ממאה 5,6,7. היכולת להגדיל DL ממצב מנוחה מכונה לעתים קרובות שמורת נאדיות-נימים 8,9.
באופן ניסיוני, ניתן להעריך את התרומות היחסיות של יכולת פיזור קרום נאדי-נימי (DM) ונפח דם נימי ריאתי (VC) לרזרבה הנאדית-קפילרית בשיטות שונות, כולל השברים המרובים הקלאסיים של חמצן השראה (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) שיטה10. טכניקה חלופית שעשויה להיות שימושית בהקשר זה היא שיטת הגז הכפולה, שבה DL לפחמן חד חמצני (CO) ותחמוצת החנקן (NO) (DL, CO/NO) נמדדים בו זמנית11. טכניקה זו פותחה בשנות השמונים, ומנצלת את העובדה שקצב התגובה של NO עם המוגלובין (Hb) גדול משמעותית מזה של CO, כך שהדיפוזיה הריאתית של CO תלויה יותר ב- VC מאשר NO. לפיכך, האתר העיקרי של עמידות (~ 75%) לדיפוזיה של CO ממוקם בתוך תא הדם האדום, בעוד שההתנגדות העיקרית (~60%) ל- NO diffusion היא בקרום הנאדיות-נימיות ובפלזמה הריאה12. המדידה המקבילה של DL,CO ו- DL,NO מאפשרת אפוא להעריך את התרומות היחסיות של DM ו- VC ל- DL12, כאשר השינוי ב- DL,NO שנצפה במהלך התרגיל משקף במידה רבה את התרחבות הממברנה הנאדית-נימית. יתרון נוסף של שיטה זו בעת קבלת מדידות במהלך התרגיל הוא שהיא כרוכה בזמן עצירת נשימה קצר יחסית (~ 5 שניות) ופחות תמרונים בהשוואה לטכניקה הקלאסית <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> , שבה מבוצעים תמרונים חוזרים מרובים עם עצירת נשימה סטנדרטית של 10 שניות ברמות חמצן שונות. למרות שהוחל <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> לאחרונה עם זמן עצירת נשימה קצר יותר ופחות תמרונים בכל עוצמה13. עם זאת, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> מתיר רק שישה תמרוני DL,CO לכל הפעלה, בעוד שניתן לבצע עד 12 תמרוני DL,CO/NO חוזרים ונשנים ללא כל השפעה מדידה על האומדנים המתקבלים14. אלה הם שיקולים חשובים בעת קבלת מדידות במהלך פעילות גופנית, שכן הן עצירת נשימה ארוכה והן תמרונים מרובים עשויים להיות קשים לביצוע בעוצמות גבוהות מאוד או באוכלוסיות חולים שחווים קוצר נשימה.
המאמר הנוכחי מספק פרוטוקול מפורט, הכולל שיקולים תיאורטיים והמלצות מעשיות למדידת DL,CO/NO במהלך פעילות גופנית והשימוש בו כמדד למאגר הנאדיות-נימי. שיטה זו ישימה בקלות במסגרת הניסוי ומאפשרת להעריך כיצד הגבלת הדיפוזיה בריאות עשויה להשפיע על ספיגת החמצן באוכלוסיות שונות.
תיאוריה ועקרונות מדידה שיטת DL,CO/NO כוללת נשימה אחת של תערובת גזים מתוך הנחה שהגזים מתפזרים באופן שווה בחלל הנאדיות המאוורר לאחר שאיפה. תערובת הגזים מורכבת ממספר גזים כולל גז נותב אינרטי. דילול גז הנותב בחלל הנאדיות המאוורר, כפי שהוא מבוסס על שבריטו באוויר הסופי, יכול לשמש לחישוב נפח הנאדית (VA)15. תערובת הגזים כוללת גם את גז הבדיקה CO ו- NO, שניהם מדוללים בחלל הנאדיות המאוורר ומתפזרים על פני הממברנה הנאדית-נימית. בהתבסס על שברי הנאדיות שלהם, ניתן לחשב את שיעורי ההיעלמות האישיים שלהם (k), המכונה גם קבוע הדיפוזיה, ממרחב הנאדיות. על פי המוסכמות, DL עבור גז בדיקה שנמדד במהלך תמרון נשימה אחת, נגזר על ידי המשוואה הבאה16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
כאשר FA0 הוא החלק הנאדי של גז הבדיקה (CO או NO) בתחילת אחיזת הנשימה של תמרון DL בודד, בעוד FA הוא החלק הנאדי של גז הבדיקה בסוף עצירת הנשימה, ו- tBH הוא זמן עצירת הנשימה. DL שווה מבחינה מכנית למוליכות גז הבדיקה על פני קרום הנאדיות-נימי, דרך פלזמה ופנים תאי הדם האדומים להמוגלובין. לפיכך זה תלוי הן במוליכות של DM והן במוליכות הספציפית כביכול של דם נימי ריאתי (θ), אשר האחרון תלוי הן במוליכות גז הבדיקה בדם והן בקצב התגובה שלו עם המוגלובין10. בהתחשב בכך שהדדיות ההולכה היא התנגדות, ההתנגדות הכוללת להעברת גז בדיקה תלויה בהתנגדויות הבאות בסדרה10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
ניתן להבחין בין רכיבים אלה על ידי מדידה מקבילה של DL ל- CO ו- NO, מכיוון שלערכים אלה יש ערכי θ שונים, ולכן ערכי DL המתאימים שלהם תלויים באופן שונה ב- VC. הדיפוזיה הריאתית של CO תלויה יותר ב- VC מאשר NO, כאשר האתר העיקרי של עמידות (~ 75%) לדיפוזיה של CO ממוקם בתוך תאי הדם האדומים12. לעומת זאת, ההתנגדות העיקרית (~60%) לדיפוזיה של NO היא בקרום הנאדיות-נימיות ובפלזמה ריאתית, מכיוון שקצב התגובה של NO עם המוגלובין גדול משמעותית מזה של CO. לפיכך, על ידי מדידה מקבילה של DL,CO ו- DL,NO, שינויים הן ב- DM והן ב- VC ישפיעו במידה ניכרת על הראשון, בעוד האחרון יהיה תלוי הרבה פחות על VC, ובכך לאפשר הערכה אינטגרטיבית של הגורמים הקובעים DL.
הדיווח של מדדי DL,CO/NO עשוי להיעשות באמצעות יחידות שונות. לפיכך, החברה האירופית לנשימה (ERS) משתמשת ב-mmol/min/kPa, בעוד שהחברה האמריקאית לבית החזה (ATS) משתמשת ב-mL/min/mmHg. מקדם ההמרה בין היחידות הוא 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

המדידה המשולבת של נשימה אחת של יכולת הדיפוזיה של פחמן חד חמצני (DL,CO) ותחמוצת החנקן (DL,NO) היא טכניקה שימושית למדידת רזרבה נאדית-נימית ריאתית הן באוכלוסיות בריאות והן באוכלוסיות מטופלות. המדידה מספקת הערכה של יכולתו של המשתתף לגייס ולסלק נימי ריאה. לאחרונה דווח כי השיטה מפגינה אמינות גבוהה של בדיקה חוזרת בקרב מתנדבים בריאים במהלך פעילות גופנית בעצימות קלה עד בינונית. יש לציין כי טכניקה זו מאפשרת עד 12 תמרונים חוזרים ונשנים ודורשת נשימה אחת בלבד עם זמן עצירת נשימה קצר יחסית של 5 שניות. נתונים מייצגים מסופקים המראים את השינויים ההדרגתיים ב- DL, NO ו- DL,CO ממנוחה לפעילות גופנית בעוצמות הולכות וגדלות של עד 60% מעומס העבודה המרבי. מדידת יכולת הדיפוזיה והערכת הרזרבה הנאדית-נימית היא כלי שימושי להערכת יכולת הריאה להגיב לפעילות גופנית הן באוכלוסייה הבריאה והן באוכלוסיות חולים כגון אלה הסובלים ממחלת ריאות כרונית.

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.

מחבר זרקור: שילוב מדידות מילואים נאדיות-נימיות בהסתגלות לפעילות גופנית ובאסטרטגיות טיפוליות

בדיקה כפולה מדידת יכולת פיזור ריאתי של גזים במהלך פעילות גופנית בבני אדם בשיטת נשימה אחת

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.

הפרוטוקול יושם בשנת 2021 ונכון לזמן כתיבת שורות אלה בוצעו בסך הכל 124 מדידות במהלך פעילות גופנית (כלומר 51 במתנדבים בריאים ו-73 בחולים עם COPD בדרגות חומרה שונות). התמרונים, כמו גם נתונים על קריטריוני קבילות וחזרתיות שהתקיימו, ושיעור הכישלון מופיעים כולם בטבלה 3.
<s...

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

פרוטוקול זה מציג שיטה להערכת הרזרבה הנאדית-נימית הריאתית הנמדדת על ידי מדידה משולבת של נשימה אחת של יכולת הדיפוזיה לפחמן חד חמצני (DL,CO) ותחמוצת החנקן (DL,NO) במהלך פעילות גופנית. הנחות והמלצות לשימוש בטכניקה במהלך התרגיל עומדות בבסיס מאמר זה.

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 ...

המחקר שלנו מתמקד במנגנון של חילוף גזים ריאתי לקוי במצבי מחלה שונים וכיצד הידע עליהם עשוי לשמש לאבחון ולטיפולים ממוקדים. אנו שואפים לחדד את ההבנה של הסתגלות לפעילות גופנית חריפה על ידי הערכת הרזרבה הנימית הנאדית באמצעות מדידות קיבולת דיפוזיה במהלך התרגיל. בדיקות תפקודי ריאות קונבנציונליות, כגון ספירומטריה דינמית, ומדידות קיבולת דיפוזיה בזמן מנוחה מספקות מידע מוגבל על מגבלות ריאה והסתגלות לפעילות גופנית חריפה.הפרוטוקול שלנו מטפל בפער זה על ידי הצגת שיטת מדידה מקיפה יותר ורלוונטית פיזיולוגית המעריכה את הרזרבה הנימית בנאדיות. על ידי מתן ניתוח מפורט יותר של תפקוד הריאות במהלך פעילות גופנית, מחקר זה תורם לפיתוח אסטרטגיות אבחון וטיפול ממוקדות למחלות ריאה, שיפור הניהול הקליני ויעילות הטיפול. באמצעות טכניקה זו, המחקרים שלנו יבהירו באופן ספציפי כיצד מגבלות חילופי גזים ריאתיים תורמות לפתופיזיולוגיה של מחלת ריאות כרונית וכיצד זה עשוי להיות מושפע מאימוני אימון.קבוצת המחקר שלנו מתכוונת להרחיב מחקר זה כדי לחקור את ההשפעה של התערבויות טיפוליות ואימונים שונות על תפקוד הריאות במהלך פעילות גופנית, ולחקור את התגובות הספציפיות בחולים עם מחלת ריאות חסימתית כרונית. זה יבהיר עוד יותר את יכולת ההסתגלות של הריאות ואת החוסן למצוקה.

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.