Name: 著者スポットライト:運動適応と治療戦略における肺胞毛細血管予備能測定の統合
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
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この研究は、スヴェンド・アンダーセン財団から資金援助を受けました。身体活動研究センターは、TrygFonden Grants ID 101390、ID 20045、およびID 125132によってサポートされています。JPHはヘルシーフォンデンとコペンハーゲン大学病院、リグスホスピタレットから資金提供を受けており、HLHはベケット財団から資金提供を受けています。

デンマーク首都圏の科学倫理委員会は、以前に、健康なボランティアと慢性閉塞性肺疾患(COPD)患者の両方で、安静時、運動中、および仰臥位でのDL、CO / NO の測定を承認しました 私たちの施設での(プロトコルH-20052659、H-21021723、およびH-21060230)。
注意: 運動中にDL、CO / NOを測定する前に、動的肺活量測定と心肺運動テスト(CPET)を実行する必要があります。?...

運動中の肺胞毛細血管予備能の評価

このプロトコルは、デュアルテストガスシングルブレス技術を使用して、運動中のDL、CO / NO の測定に標準化されたアプローチを提供します。得られたDL、CO / NOメトリックは肺毛細血管の動員と膨張により増加するため、この方法は肺胞毛細血管予備能の生理学的に意味のある尺度を提供します。
プロトコルの重要なステップ この方法では...

運動は、安静状態と比較してエネルギー需要の大幅な増加につながります。心臓と肺は、心拍出量と換気の増加によって応答し、肺胞毛細血管床の拡張、主に肺毛細血管の動員と膨張を引き起こします1。これにより、肺拡散容量(DL)の増加によって測定できる十分な肺ガス交換が保証されます2,3,4。運動中にDLを測定する最初の試みは、100年以上前にさかのぼります5,6,7。安静状態からDLを増加させる能力は、しばしば肺胞毛細血管予備能と呼ばれる8,9。
実験的には、肺胞毛細血管膜拡散能(DM)および肺毛細血管血液量(VC)の肺胞毛細血管予備能に対する相対的な寄与は、吸気酸素の古典的な多重画分()<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">法10を含むさまざまな方法によって評価することができる。この文脈で有用であり得る代替技術は、DLから一酸化炭素(CO)および一酸化窒素(NO)(DL、CO / NO)が同時に測定されるデュアルテストガス法である11。この技術は1980年代に開発され、NOとヘモグロビン(Hb)の反応速度がCOよりも大幅に高いという事実を利用して、COの肺拡散はNOよりもVCに大きく依存します。 したがって、CO拡散に対する耐性(~75%)の主な部位は赤血球内にあります。 一方、NO拡散に対する主な抵抗(~60%)は、肺胞毛細血管膜と肺血漿12にあります。したがって、DL,COおよびDL,NOの同時測定により、D L12に対するDMおよびVCの相対的な寄与の評価が可能になり、運動中に観察されるDL,NOの変化は、肺胞毛細血管膜の拡張を大きく反映する。運動中に測定値を取得する場合のこの方法のさらなる利点は、標準化された10秒の息止めで複数の繰り返し操作が異なる酸素レベルで実行される従来の<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">技術と比較して、比較的短い息止め時間(~5秒)と少ない操作を伴うことです。最近では<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">、息止め時間が短く、各強度13での操作が少なくなっていますが。それにもかかわらず、<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">セッションごとに合計6回のDL、CO操作しか許可されませんが、最大12回のDL、CO / NO操作を繰り返しても、結果の推定値に測定可能な影響はありません14。長時間の息止めと複数回の操作の両方は、非常に高い強度または呼吸困難を経験する患者集団で実行するのが難しい場合があるため、これらは運動中に測定値を取得する際の重要な考慮事項です。
本論文は、運動中のDL、CO / NO の測定と肺胞毛細血管予備能の指標としての使用に関する理論的考察と実践的な推奨事項を含む詳細なプロトコルを提供します。この方法は、実験設定に容易に適用でき、肺での拡散制限がさまざまな集団の酸素摂取にどのように影響するかを評価できます。
理論と測定原理 DL,CO/NO 法では、吸入後にガスが換気された肺胞腔に均等に分布すると仮定して、混合ガスを 1 回吸入します。混合ガスは、不活性トレーサーガスを含むいくつかのガスからなる。呼気終末空気中のその画分に基づいて、換気された肺胞腔内のトレーサーガスの希釈を使用して、肺胞容積(VA)を計算できます15。混合ガスには試験ガスCOとNOも含まれており、どちらも換気された肺胞空間で希釈され、肺胞毛細血管膜を横切って拡散します。肺胞分画に基づいて、胞巣腔からの拡散定数とも呼ばれる個々の消失率(k)を計算できます。慣例により、単呼吸操作中に測定される試験ガスのDL は、以下の式16によって導かれる。
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
ここで、FA0は、個々のDL操作の息止め開始時の試験ガスの肺胞分率(COまたはNO)であり、FAは、息止め終了時の試験ガスの肺胞分率であり、tBHは、息止め時間である。DLは、血漿と赤血球内部を通って肺胞毛細血管膜を横切ってヘモグロビンに至る試験ガスのコンダクタンスと機械的に等価です。したがって、それはDMのコンダクタンスと肺毛細血管血のいわゆる比コンダクタンス(θ)の両方に依存し、後者は血液中の試験ガスのコンダクタンスとヘモグロビンとの反応速度の両方に依存する10。コンダクタンスの逆数が抵抗であることを考えると、テストガスの移動に対する総抵抗は、直列10の次の抵抗に依存します。
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
これらの成分は、異なるθ値を有し、したがって、それぞれのDL値がVCに異なるように依存するため、DLをCOおよびNOに同時に測定することによって区別することができる。COの肺拡散はNOよりもVCに大きく依存しており、CO拡散に対する耐性の主な部位(~75%)は赤血球内に位置している12。対照的に、NO拡散に対する主な抵抗(~60%)は、NOとヘモグロビンの反応速度がCOの反応速度よりも大幅に大きいため、肺胞毛細血管膜と肺血漿にあります。 したがって、DL,COとDL,NOを同時に測定することにより、DMとVCの両方の変化が前者に著しく影響します。 一方、後者はVCへの依存度がはるかに低いため、DLを決定する要因の統合評価が可能になります。
DL,CO/NO メトリックのレポートは、異なる単位を使用して行うことができます。したがって、欧州呼吸器学会 (ERS) は mmol/min/kPa を使用しますが、米国胸部学会 (ATS) は mL/min/mmHg を使用します。単位間の変換係数は2.987 mmol / min / kPa = mL / min / mmHgです。

<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

一酸化炭素(DL、CO)と一酸化窒素(DL、NO)の拡散能力の複合単回呼吸測定は、健康な集団と患者集団の両方で肺胞毛細血管予備能を測定するための有用な手法です。測定値は、肺毛細血管を動員して拡張する参加者の能力の推定値を提供します。この方法は最近、軽度から中程度の強度の運動中に健康なボランティアで高いテスト再テストの信頼性を示すことが報告されています。注目すべきは、このテクニックでは最大12回の繰り返し操作が可能で、1回の呼吸で5秒という比較的短い息止め時間で済むことです。代表的なデータは、最大作業負荷の最大60%の強度の増加で、安静から運動へのDL、NO およびDL、CO の段階的な変化を示しています。拡散能力の測定と肺胞毛細血管予備能の評価は、健康な集団と慢性肺疾患などの患者集団の両方で運動に反応する肺の能力を評価するための有用なツールです。

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.

著者スポットライト:運動適応と治療戦略における肺胞毛細血管予備能測定の統合

単呼吸法を用いたヒトの運動中の二重試験ガス肺拡散容量測定

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.

このプロトコルは 2021 年に実施され、執筆時点では、運動中に合計 124 回の測定が行われました (つまり、健康なボランティアで 51 回、さまざまな重症度の COPD 患者で 73 回) が実施されました。操作、達成された合格性と再現性の基準に関するデータ、および失敗率はすべて 表 3 に示されています。
計算 例として、以下に説明す?...

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このプロトコルは、運動中の一酸化炭素(DL、CO)および一酸化窒素(DL、NO)への拡散能力の複合単呼吸測定によって測定される肺胞毛細管予備能を評価する方法を提示します。エクササイズ中にこのテクニックを使用するための仮定と推奨事項が、この記事の基礎を形成します。

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 ...

本研究では、様々な病態における肺ガス交換障害のメカニズムと、その知見を診断や標的治療にどのように活用できるかを研究しています。本研究では、運動中の拡散能測定により肺胞毛細血管予備能を評価することにより、急性運動適応の理解を深めることを目指しています。動的肺活量測定などの従来の肺機能検査や安静時の拡散能測定では、肺の制限と急性運動への適応に関する情報は限られています。私たちのプロトコルは、肺胞毛細血管予備能を評価する、より包括的で生理学的に関連する測定方法を導入することで、このギャップに対処します。本研究は、運動中の肺機能をより詳細に解析することで、肺疾患の標的診断・治療戦略の開発に貢献し、臨床管理や治療効果の向上に貢献します。この手法により、肺ガス交換の制限が慢性肺疾患の病態生理にどのように寄与し、運動トレーニングによってどのように影響を受けるかを具体的に解明します。私たちの研究グループは、この研究を拡張して、運動中の肺機能に対するさまざまな治療的およびトレーニング的介入の影響を調査し、慢性閉塞性肺疾患の患者における特定の反応を調査する予定です。これにより、苦痛に対する肺の適応性と回復力がさらに解明されます。

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.