Name: 저자 스포트라이트: Integrating alveolar-Capillary reserve measurements in exercise adaptation and therapeutic strategies (운동 적응 및 치료 전략에서 폐포-모세관 예비 측정 통합)
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
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이 연구는 스벤드 안데르센 재단(Svend Andersen Foundation)으로부터 재정 지원을 받았다. 신체 활동 연구 센터는 TrygFonden 보조금 ID 101390, ID 20045 및 ID 125132의 지원을 받습니다. JPH는 HelseFonden과 Copenhagen University Hospital, Rigshospitalet에서 자금을 지원받고 HLH는 Beckett Foundation에서 자금을 지원합니다.

덴마크 수도권 과학 윤리 위원회(Scientific Ethical Committee for the Capital Region of Denmark)는 이전에 우리 기관의 건강한 지원자와 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 환자 모두에서 휴식 시, 운동 중 및 누운 자세에서DL,CO/NO 의 측정을 승인했습니다(프로토콜 H-20052659, H-21021723 및 H-21060230).
알림: 운동 중DL,CO/NO를 측정하기 전에 동적 폐활량 측정과 심폐 운동 검사(CPET)를 수행해야 ?...

운동 중 폐포-모세관 예비력 평가

이 프로토콜은 이중 테스트 가스 단일 호흡 기술을 사용하여 운동 중 DL, CO/NO 측정에 대한 표준화된 접근 방식을 제공합니다. 얻어진 D, L, CO/NO-metrics는 폐 모세혈관 모집 및 팽창으로 인해 증가하기 때문에, 이 방법은 폐포-모세혈관 예비력의 생리학적으로 의미 있는 측정을 제공한다.
프로토콜의 중요한 단계 이 방법은 잔여 부피로 숨을 내쉬고 ...

운동은 휴식 상태에 비해 에너지 요구량을 상당히 증가시킵니다. 심장과 폐는 심박출량과 환기를 증가시켜 폐포-모세혈관 침대의 확장, 주로 폐모세혈관의 모집과 팽창을 일으킨다1. 이것은 충분한 폐 가스 교환을 보장하며, 이는 폐 확산 능력(DL)2,3,4의 증가로 측정할 수 있습니다. 운동 중DL을 측정하려는 첫 번째 시도는 100년 이상 거슬러 올라갑니다 5,6,7. 휴식 상태에서DL을 증가시키는 능력은 종종 폐포-모세관 예비력(alveolar-capillary reserve) 8,9이라고 합니다.
실험적으로, 폐포-모세혈관 예비량에 대한 폐포-모세관 막 확산 능력(DM) 및 폐 모세혈관 혈액량(VC)의 상대적 기여도는 흡기 산소() 방법의<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> 고전적인 다중 분획(10)을 포함한 다양한 방법으로 평가할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 유용할 수 있는 대체기술은 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NO)(DL,CO/NO)를 동시에 측정하는 이중 테스트 가스 방법입니다11. 이 기술은 1980 년대에 개발되었으며, 헤모글로빈 (Hb)에 대한 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크다는 사실을 이용하여 CO의 폐 확산이 NO보다 VC에 더 많이 의존합니다. 따라서 CO 확산에 대한 저항의 주요 부위 (~ 75 %)는 적혈구 내에 위치하며, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세혈관막과 폐 혈장12에 있습니다. 따라서 DL, CO 및DL,NO의 동시 측정은 DL12에 대한 DM 및 VC의 상대적 기여도를 평가할 수 있도록 하며, 여기서 운동 중에 관찰된DL,NO의 변화는 주로 폐포-모세혈관 막의 확장을 반영합니다. 운동 중 측정값을 얻을 때 이 방법의 또 다른 장점은 표준화된 10초 숨 참기로 여러 번 반복되는 기동이 서로 다른 산소 수준에서 수행되는 클래식 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> 기술에 비해 상대적으로 짧은 숨 참기 시간(~5초)과 더 적은 기동을 포함한다는 것입니다. 최근에는 호흡 참기 시간이 짧고 각 강도에서 더 적은 기동으로 적용되었지만<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">,13. 그럼에도 불구하고, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> 세션당 총 6개의 D, L,CO 기동만을 허용하는 반면, 최대 12개의 반복적인 D, L,CO/NO 기동은 결과 추정치(14)에 측정 가능한 영향 없이 수행될 수 있다. 이는 긴 숨참기와 여러 번의 조작 모두 매우 높은 강도에서 또는 호흡 곤란을 경험하는 환자 집단에서 수행하기 어려울 수 있기 때문에 운동 중 측정값을 얻을 때 중요한 고려 사항입니다.
본 논문은 운동 중DL,CO/NO 의 측정 및 폐포-모세관 예비력의 지표로 사용에 대한 이론적 고려 사항 및 실용적인 권장 사항을 포함한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 이 방법은 실험 환경에서 쉽게 적용할 수 있으며 폐의 확산 제한이 다른 집단의 산소 섭취에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 평가할 수 있습니다.
이론 및 측정 원리 DL,CO/NO 방법은 흡입 후 가스가 환기된 폐포 공간에 균등하게 분포한다는 가정 하에 가스 혼합물을 한 번 호흡하는 것을 포함합니다. 가스 혼합물은 불활성 추적 가스를 포함한 여러 가스로 구성됩니다. 호기말 공기의 분율을 기준으로 환기된 폐포 공간에서 추적 가스의 희석은 폐포 부피(VA)15를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 가스 혼합물에는 테스트 가스 CO 및 NO도 포함되며, 둘 다 환기된 폐포 공간에서 희석되어 폐포-모세관 막을 가로질러 확산됩니다. 폐포 분획을 기반으로 폐포 공간에서 확산 상수라고도 하는 개별 소실률(k)을 계산할 수 있습니다. 관례에 따라, 단일 호흡 기동 중에 측정된 테스트 기체에 대한DL은 다음 수학식16에 의해 도출됩니다.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
여기서 FA0은개별 DL 기동의 숨참기 시작 시 테스트 기체의 폐포 분율(CO 또는 NO)이고,FA는 숨참기 종료 시 테스트 기체의 폐포 분율이며, tBH는 숨참기 시간입니다. DL은 폐포-모세혈관 막을 가로질러 혈장과 적혈구 내부를 통해 헤모글로빈에 이르는 테스트 가스의 전도도와 기계적으로 동일합니다. 따라서 DM의 전도도와 소위 폐 모세혈관 혈액(θ)의 특정 전도도에 의존하며, 후자는 혈액 내 테스트 가스의 전도도와 헤모글로빈과의 반응 속도(10)에 모두 의존합니다. 컨덕턴스의 역수가 저항이라는 점을 감안할 때 테스트 가스의 전달에 대한 총 저항은 시리즈10의 다음 저항에 따라 달라집니다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
이들 성분은 DL을 CO 및 NO로 동시에 측정함으로써 구별될 수 있는데, 이는 이들이 서로 다른 θ-값을 가지기 때문이며, 따라서 각각의 DL 값은 VC에 따라 다르게 의존하기 때문이다. CO의 폐 확산은 NO보다 VC에 더 크게 의존하며, CO 확산에 대한 저항의 주요 부위(~75%)는 적혈구 내에 위치한다(12). 대조적으로, NO 확산에 대한 주요 저항(~60%)은 폐포-모세관 막과 폐 혈장에 있는데, 이는 헤모글로빈과 NO의 반응 속도가 CO의 반응 속도보다 실질적으로 더 크기 때문입니다. 따라서 DL, CO 및 DL, NO를 동시에 측정함으로써 DM 및 VC 모두의 변화는 전자에 현저하게 영향을 미칩니다. 후자는VC에 훨씬 덜 의존하므로DL을 결정하는 요인에 대한 통합적 평가가 가능합니다.
DL,CO/NO 메트릭의 보고는 다른 단위를 사용하여 수행할 수 있습니다. 따라서 유럽 호흡기 학회(ERS)는 mmol/min/kPa를 사용하는 반면 미국 흉부 학회(ATS)는 mL/min/mmHg를 사용합니다. 단위 간의 변환 계수는 2.987mmol/min/kPa = mL/min/mmHg입니다.

<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

일산화탄소(DL,CO)와 산화질소(DL,NO)의 확산 용량을 결합한 단일 호흡 측정은 건강한 인구와 환자 집단 모두에서 폐 폐포-모세혈관 예비량을 측정하는 데 유용한 기술입니다. 측정은 참가자가 폐 모세혈관을 모집하고 팽창시키는 능력에 대한 추정치를 제공합니다. 이 방법은 최근 가벼운 강도에서 중간 강도의 운동 중에 건강한 지원자에서 높은 테스트-재테스트 신뢰성을 나타내는 것으로 보고되었습니다. 참고로 이 기술은 최대 12번의 반복 조작을 허용하며 5초의 비교적 짧은 호흡 참기 시간으로 한 번의 호흡만 필요합니다. 최대 작업량의 최대 60%까지 증가하는 강도에서 휴식에서 운동으로 DL,NO 및 DL, CO 의 점진적인 변화를 보여주는 대표 데이터가 제공됩니다. 확산 능력의 측정과 폐포-모세혈관 예비력의 평가는 건강한 인구뿐만 아니라 만성 폐 질환이 있는 환자군에서도 운동에 반응하는 폐의 능력을 평가하는 데 유용한 도구입니다.

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.

저자 스포트라이트: Integrating alveolar-Capillary reserve measurements in exercise adaptation and therapeutic strategies (운동 적응 및 치료 전략에서 폐포-모세관 예비 측정 통합)

단일 호흡 방법을 사용한 인간의 운동 중 이중 테스트 가스 폐 확산 용량 측정

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.

이 프로토콜은 2021년에 구현되었으며 작성 당시 운동 중 총 124회의 측정(즉, 건강한 지원자의 경우 51회, 다양한 중증도의 COPD 환자의 경우 73회)이 수행되었습니다. 조작, 충족된 수용성 및 반복성 기준, 실패율에 대한 데이터는 모두 표 3에 나와 있습니다.
계산 예를 들어, 단일 D,L, CO/NO 조작으로부터의 계산은 아래에 설명된 사?...

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이 프로토콜은 운동 중 일산화탄소(DL,CO) 및 산화질소(DL,NO)로의 확산 능력을 단일 호흡으로 결합하여 측정한 폐포-모세혈관 예비력을 평가하는 방법을 제시합니다. 운동 중 기술 사용에 대한 가정과 권장 사항은 이 기사의 기초를 형성합니다.

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 ...

우리의 연구는 다양한 질병 상태에서 손상된 폐 가스 교환의 메커니즘과 이에 대한 지식이 진단 및 표적 치료에 어떻게 사용될 수 있는지에 중점을 둡니다. 우리는 운동 중 확산 능력 측정을 통해 폐포 모세혈관 예비력을 평가하여 급성 운동 적응에 대한 이해를 개선하는 것을 목표로 합니다. 동적 폐활량 측정 및 휴식 중 확산 용량 측정과 같은 기존의 폐 기능 검사는 급성 운동에 대한 폐 제한 및 적응에 대한 제한된 정보를 제공합니다.당사의 프로토콜은 폐포 모세혈관 예비력을 평가하는 보다 포괄적이고 생리학적으로 관련된 측정 방법을 도입하여 이러한 격차를 해소합니다. 이 연구는 운동 중 폐 기능에 대한 보다 상세한 분석을 제공함으로써 폐 질환에 대한 표적 진단 및 치료 전략 개발에 기여하고 임상 관리 및 치료 효능을 향상시킵니다. 이 기술을 통해 우리의 연구는 폐 가스 교환 제한이 만성 폐 질환의 병태 생리학에 어떻게 기여하는지, 그리고 이것이 운동 훈련에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지 구체적으로 설명할 것입니다.우리 연구팀은 이 연구를 확장하여 다양한 치료 및 훈련 중재가 운동 중 폐 기능에 미치는 영향을 탐색하고 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 특정 반응을 조사할 계획입니다. 이를 통해 폐의 적응력과 고통에 대한 회복력을 더 밝힐 수 있습니다.

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.