Name: Autore in primo piano: Integrazione delle misurazioni della riserva alveolare-capillare nell'adattamento all'esercizio e nelle strategie terapeutiche
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

Lo studio ha ricevuto il sostegno finanziario della Fondazione Svend Andersen. Il Centro per la ricerca sull'attività fisica è supportato dalle sovvenzioni TrygFonden ID 101390, ID 20045 e ID 125132. JPH è finanziato da HelseFonden e dall'Ospedale Universitario di Copenaghen, Rigshospitalet, mentre HLH è finanziato dalla Fondazione Beckett.

Il Comitato Etico Scientifico per la Regione della Capitale della Danimarca ha precedentemente approvato la misurazione di DL,CO/NO a riposo, durante l'esercizio fisico e in posizione supina sia in volontari sani che in pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) presso il nostro istituto (protocolli H-20052659, H-21021723 e H-21060230).
NOTA: Prima di misurareD L, CO/NO durante l'esercizio, è necessario eseguire una spirometria dinamica e un test da sforzo ...

Valutazione della riserva alveolo-capillare polmonare durante l'esercizio

Il protocollo fornisce un approccio standardizzato alla misurazione di DL,CO/NO durante l'esercizio utilizzando la tecnica del doppio test gas a singolo respiro. Poiché i parametri DL,CO/NO ottenuti aumentano a causa del reclutamento e della distensione dei capillari polmonari, il metodo fornisce una misura fisiologicamente significativa della riserva alveolare-capillare.
Passaggi critici del protocollo Il metodo richiede un'espirazione al volume resi...

L'esercizio fisico porta ad un notevole aumento della domanda di energia rispetto allo stato di riposo. Il cuore e i polmoni rispondono aumentando la gittata cardiaca e la ventilazione con conseguente espansione del letto alveolare-capillare, principalmente il reclutamento e la distensione dei capillari polmonari1. Ciò garantisce un sufficiente scambio gassoso polmonare, che può essere misurato da un aumento della capacità di diffusione polmonare (DL)2,3,4. I primi tentativi di misurareD L durante l'esercizio risalgono a più di un secolo fa 5,6,7. La capacità di aumentare la DL dallo stato di riposo è spesso indicata come riserva alveolare-capillare 8,9.
Sperimentalmente, i contributi relativi della capacità di diffusione della membrana alveolare-capillare (DM) e del volume ematico capillare polmonare (VC) alla riserva alveolo-capillare possono essere valutati con diversi metodi, incluso il classico metodo delle frazioni multiple di ossigeno inspirato (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">)10. Una tecnica alternativa che può essere utile in questo contesto è il metodo del gas a doppia prova, in cuiil DL in monossido di carbonio (CO) e ossido nitrico (NO) (DL,CO/NO) sono misurati contemporaneamente11. Questa tecnica è stata sviluppata negli anni '80 e sfrutta il fatto che la velocità di reazione dell'NO con l'emoglobina (Hb) è sostanzialmente maggiore di quella del CO, in modo tale che la diffusione polmonare del CO dipende più dal VC che dal NO. Quindi, il principale sito di resistenza (~75%) alla diffusione del CO si trova all'interno del globulo rosso, mentre la principale resistenza (~60%) alla diffusione di NO è a livello della membrana alveolare-capillare e del plasma polmonare12. La misurazione simultanea di DL,CO e DL,NO consente quindi di valutare i contributi relativi di DM e VC a DL12, dove la variazione di DL,NO osservata durante l'esercizio riflette quindi in gran parte l'espansione della membrana alveolare-capillare. Un ulteriore vantaggio di questo metodo quando si ottengono misurazioni durante l'esercizio è che comporta un tempo di apnea relativamente breve (~5 s) e meno manovre rispetto alla tecnica classica <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> , in cui vengono eseguite più manovre ripetute con una apnea standardizzata di 10 s a diversi livelli di ossigeno. Anche se <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> recentemente è stato applicato con un tempo di apnea più breve e meno manovre ad ogni intensità13. Ciononostante, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> consente solo un totale di sei manovre DL,CO per sessione, mentre è possibile eseguire fino a 12 manovre DL,CO/NO ripetute senza alcun effetto misurabile sulle stime risultanti14. Queste sono considerazioni importanti quando si ottengono misurazioni durante l'esercizio poiché sia una lunga apnea che più manovre possono essere difficili da eseguire a intensità molto elevate o in popolazioni di pazienti che soffrono di dispnea.
Il presente lavoro fornisce un protocollo dettagliato, che include considerazioni teoriche e raccomandazioni pratiche sulla misurazione di DL,CO/NO durante l'esercizio e il suo utilizzo come indice della riserva alveolare-capillare. Questo metodo è facilmente applicabile in ambito sperimentale e permette di valutare come la limitazione della diffusione nei polmoni possa influenzare l'assorbimento di ossigeno in diverse popolazioni.
Teoria e principi di misura Il metodo DL,CO/NO prevede un singolo respiro di una miscela di gas con l'ipotesi che i gas si distribuiscano equamente nello spazio alveolare ventilato dopo l'inalazione. La miscela di gas è costituita da diversi gas tra cui un gas tracciante inerte. La diluizione del gas tracciante nello spazio alveolare ventilato, in base alla sua frazione in aria di fine espirazione, può essere utilizzata per calcolare il volume alveolare (VA)15. La miscela di gas comprende anche i gas di prova CO e NO, entrambi diluiti nello spazio alveolare ventilato e diffusi attraverso la membrana alveolare-capillare. Sulla base delle loro frazioni alveolari, è possibile calcolare i loro tassi individuali di scomparsa (k), chiamati anche costanti di diffusione, dallo spazio alveolare. Per convenzione, la DL per un gas di prova misurato durante una manovra a respiro singolo, è derivata dalla seguente equazione16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
dove FA0 è la frazione alveolare del gas di prova (CO o NO) all'inizio della apnea della singola manovra DL , mentre FA è la frazione alveolare del gas di prova alla fine dell'apnea e tBH è il tempo di apnea. D L è meccanicamente equivalente alla conduttanza del gas di prova attraverso la membrana alveolare-capillare, attraverso il plasma e l'interno dei globuli rossi fino all'emoglobina. Dipende quindi sia dalla conduttanza di DM che dalla cosiddetta conduttanza specifica del sangue capillare polmonare (θ), di cui quest'ultima dipende sia dalla conduttanza del gas in esame nel sangue che dalla sua velocità di reazione con l'emoglobina10. Dato che il reciproco di conduttanza è la resistenza, la resistenza totale al trasferimento di un gas di prova dipende dalle seguenti resistenze della serie10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Queste componenti possono essere distinte misurando contemporaneamente il valore di DL a CO e NO, perché questi hanno valori θ diversi e i loro rispettivi valori di DL dipendono quindi in modo diverso da VC. La diffusione polmonare del CO dipende più pesantemente dal VC rispetto al NO, con il principale sito di resistenza (~75%) alla diffusione del CO che si trova all'interno del globulo rosso12. Al contrario, la principale resistenza (~60%) alla diffusione dell'NO è a livello della membrana alveolare-capillare e del plasma polmonare, perché la velocità di reazione dell'NO con l'emoglobina è sostanzialmente maggiore di quella del CO. Quindi, misurando contemporaneamente DL,CO e DL,NO, i cambiamenti sia in DM che in VC influenzeranno notevolmente il primo, mentre quest'ultimo dipenderà molto meno da VC, consentendo così una valutazione integrativa dei fattori che determinano DL.
La segnalazione delle metriche DL, CO/NO può essere effettuata utilizzando unità diverse. Quindi, la European Respiratory Society (ERS) utilizza mmol/min/kPa, mentre l'American Thoracic Society (ATS) utilizza mL/min/mmHg. Il fattore di conversione tra le unità è 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 misurazione combinata a respiro singolo della capacità di diffusione del monossido di carbonio (D,L, CO) e dell'ossido nitrico (D,L, NO) è una tecnica utile per misurare la riserva alveolare-capillare polmonare sia nella popolazione sana che in quella dei pazienti. La misurazione fornisce una stima della capacità del partecipante di reclutare e distendere i capillari polmonari. Il metodo è stato recentemente segnalato per mostrare un'elevata affidabilità test-retest in volontari sani durante l'esercizio di intensità da leggera a moderata. Da notare che questa tecnica consente fino a 12 manovre ripetute e richiede solo un singolo respiro con un tempo di apnea relativamente breve di 5 secondi. Vengono forniti dati rappresentativi che mostrano le variazioni graduali di DL, NO e DL,CO dal riposo all'esercizio a intensità crescenti fino al 60% del carico di lavoro massimo. La misurazione della capacità di diffusione e la valutazione della riserva alveolo-capillare è uno strumento utile per valutare la capacità del polmone di rispondere all'esercizio sia nella popolazione sana che in quella di pazienti come quelli con malattia polmonare cronica.

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.

Autore in primo piano: Integrazione delle misurazioni della riserva alveolare-capillare nell'adattamento all'esercizio e nelle strategie terapeutiche

Misurazione della capacità di diffusione polmonare del gas a doppio test durante l'esercizio fisico nell'uomo utilizzando il metodo del respiro singolo

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.

Il protocollo è stato implementato nel 2021 e al momento in cui scriviamo sono state eseguite un totale di 124 misurazioni durante l'esercizio fisico (ovvero 51 in volontari sani e 73 in pazienti con BPCO di varia gravità). Le manovre, così come i dati sui criteri di accettabilità e ripetibilità soddisfatti e il tasso di guasto sono tutti forniti nella Tabella 3.
Calcoli A titolo di esempio, i calcoli di una singola manovra DL,CO/...

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Questo protocollo presenta un metodo per valutare la riserva alveolare-capillare polmonare misurata mediante la misurazione combinata a respiro singolo della capacità di diffusione al monossido di carbonio (D,L,CO) e all'ossido nitrico (D, L,NO) durante l'esercizio. I presupposti e le raccomandazioni per l'uso della tecnica durante l'esercizio costituiscono la base di questo articolo.

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 ...

La nostra ricerca si concentra sul meccanismo di alterazione dello scambio gassoso polmonare in vari stati patologici e su come la conoscenza di questi possa essere utilizzata per trattamenti diagnostici e mirati. Miriamo a perfezionare la comprensione dell'adattamento acuto all'esercizio valutando la riserva capillare alveolare attraverso misurazioni della capacità di diffusione durante l'esercizio. I test di funzionalità polmonare convenzionali, come la spirometria dinamica, e le misurazioni della capacità di diffusione durante il riposo forniscono informazioni limitate sulle limitazioni polmonari e sugli adattamenti all'esercizio acuto.Il nostro protocollo colma questa lacuna introducendo un metodo di misurazione più completo e fisiologicamente rilevante che valuta la riserva capillare alveolare. Fornendo un'analisi più dettagliata della funzione polmonare durante l'esercizio, questa ricerca contribuisce allo sviluppo di strategie diagnostiche e terapeutiche mirate per le malattie polmonari, migliorando la gestione clinica e l'efficacia del trattamento. Con questa tecnica, i nostri studi chiariranno in modo specifico come le limitazioni dello scambio gassoso polmonare contribuiscano alla fisiopatologia della malattia polmonare cronica e come questa possa essere influenzata dall'allenamento fisico.Il nostro gruppo di ricerca intende estendere questa ricerca per esplorare l'impatto di vari interventi terapeutici e di allenamento sulla funzione polmonare durante l'esercizio fisico, e per indagare le risposte specifiche nei pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva. Ciò chiarirà ulteriormente l'adattabilità e la resilienza dei polmoni in caso di angoscia.

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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.

Ricerca

Medicina

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

Ottimizzazione e calibrazione dei test da sforzo cardiopolmonare per una migliore valutazione dello scambio gassoso polmonare e della capacità di diffusione