Name: Forfatter Spotlight: Integrering av alveolære-kapillære reservemålinger i treningstilpasning og terapeutiske strategier
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

Studien fikk økonomisk støtte fra Svend Andersens Stiftelse. Senter for fysisk aktivitetsforskning er støttet av TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045, og ID 125132. JPH er finansiert av HelseFonden og Københavns universitetssykehus, Rigshospitalet, mens HLH er finansiert av Beckett Foundation.

Vitenskapsetisk komité for Region Hovedstaden har tidligere godkjent måling av DL,CO/NO i hvile, under trening og i ryggleie hos både friske frivillige og pasienter med kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS) ved vår institusjon (protokoll H-20052659, H-21021723 og H-21060230).
MERK: Før DL, CO / NO måles under trening, må en dynamisk spirometri og en kardiopulmonal treningstest (CPET) utføres. Den dynamiske spirometrien brukes til kvalitetskontroll av de enkelte D<...

Vurdering av lungealveolær-kapillærreserve under trening

Protokollen gir en standardisert tilnærming til måling av DL, CO / NO under trening ved hjelp av dual test gass single-breath teknikk. Siden den oppnådde DL,CO/NO-METRIKKEN ØKER PÅ GRUNN AV PULMONAL KAPILLÆR REKRUTTERING OG DISTENSJON, GIR METODEN ET FYSIOLOGISK MENINGSFYLT MÅL PÅ ALVEOLAR-KAPILLÆRRESERVEN.
Kritiske trinn i protokollen Metoden krever utpust til restvolum etterfulgt av inspirasjon til total lungekapasitet hvor 5 s pustehold utf...

Trening fører til en betydelig økning i energibehovet sammenlignet med hviletilstanden. Hjertet og lungene reagerer ved å øke hjertets minuttvolum og ventilasjon som resulterer i en utvidelse av alveolar-kapillærsengen, hovedsakelig rekruttering og oppblåsthet av lungekapillærer1. Dette sikrer en tilstrekkelig pulmonal gassutveksling, som kan måles ved en økning i pulmonal diffuserende kapasitet (DL) 2,3,4. De første forsøkene på å måle DL under trening dateres tilbake mer enn et århundre 5,6,7. Evnen til å øke DL fra hviletilstanden blir ofte referert til som alveolar-kapillærreserven 8,9.
Eksperimentelt kan de relative bidragene fra alveolar-kapillærmembrandiffuserende kapasitet (DM) og pulmonal kapillær blodvolum (VC) til alveolar-kapillærreserve vurderes ved forskjellige metoder, inkludert de klassiske multiple fraksjonene av inspirert oksygen (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) metode10. En alternativ teknikk som kan være nyttig i denne sammenhengen er dobbelttestgassmetoden, der DL til karbonmonoksid (CO) og nitrogenoksid (NO) (DL,CO/NO) MÅLES SAMTIDIG11. Denne teknikken ble utviklet på 1980-tallet, og utnytter det faktum at reaksjonshastigheten av NO med hemoglobin (Hb) er vesentlig større enn for CO, slik at lungediffusjonen av CO avhenger mer av VC enn NEI. Derfor er hovedstedet for motstand (~ 75%) mot CO-diffusjon lokalisert i den røde blodcellen, mens hovedmotstanden (~ 60%) mot NO-diffusjon er ved alveolar-kapillærmembranen og lungeplasma12. Den samtidige målingen av DL, CO og DL, NO tillater dermed vurdering av de relative bidragene fra DM og VC til DL12, hvor endringen i DL, NO observert under trening dermed i stor grad gjenspeiler utvidelsen av alveolar-kapillærmembranen. En ekstra fordel med denne metoden når man oppnår målinger under trening er at den innebærer en relativt kort pustetid (~ 5 s) og færre manøvrer sammenlignet med den klassiske <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> teknikken, hvor flere gjentatte manøvrer med standardisert 10 s pustehold utføres ved forskjellige oksygennivåer. Selv om <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> det nylig har blitt brukt med kortere pustetid og færre manøvrer ved hver intensitet13. Likevel <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> tillater bare totalt seks DL, CO manøvrer per økt, mens opptil 12 gjentatte DL, CO / NO manøvrer kan utføres uten noen målbar effekt på de resulterende estimatene14. Dette er viktige hensyn når man oppnår målinger under trening, siden både et langt pust-hold og flere manøvrer kan være vanskelig å utføre ved svært høye intensiteter eller i pasientpopulasjoner som opplever dyspné.
Denne artikkelen gir en detaljert protokoll, inkludert teoretiske betraktninger og praktiske anbefalinger om måling av DL, CO / NO under trening og bruk som indeks for alveolar-kapillærreserven. Denne metoden er lett anvendelig i eksperimentelle omgivelser og gjør det mulig å vurdere hvordan diffusjonsbegrensning i lungene kan påvirke oksygenopptaket i ulike populasjoner.
Teori og måleprinsipper DL,CO/NO-metoden involverer et enkelt pust av en gassblanding med antagelsen om at gassene fordeler seg likt i det ventilerte alveolære rommet etter innånding. Gassblandingen består av flere gasser, inkludert en inert sporgass. Fortynningen av sporgassen i det ventilerte alveolære rommet, basert på fraksjonen i endeekspiratorisk luft, kan brukes til å beregne alveolarvolumet (VA)15. Gassblandingen inkluderer også testgassen CO og NO, som begge er fortynnet i det ventilerte alveolære rommet og diffunderer over alveolar-kapillærmembranen. Basert på deres alveolære fraksjoner, kan deres individuelle forsvinningshastigheter (k), også kalt diffuserende konstant, fra alveolarrommet beregnes. Ved konvensjon er DL for en testgass målt under en enkeltpustmanøver, avledet av følgende ligning16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
hvor F A 0 er den alveolære fraksjonen avtestgassen (CO eller NO) ved begynnelsen av pusteholdet til den individuelle D L-manøveren, mens F A er den alveolærefraksjonen av testgassen på slutten av pusteholdet, og tBH er pustetiden. DL er mekanisk ekvivalent med konduktansen av testgassen over alveolar-kapillærmembranen, gjennom plasma og de røde blodlegemene indre til hemoglobin. Det avhenger således både av konduktansen av DM og den såkalte spesifikke konduktansen av lungekapillærblod (θ), hvorav sistnevnte avhenger både av konduktansen av testgassen i blod og av reaksjonshastigheten med hemoglobin10. Gitt at den gjensidige konduktansen er motstand, avhenger den totale motstanden mot overføringen av en testgass av følgende motstander i serie10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Disse komponentene kan skilles ved samtidig måling av DL til CO og NO, fordi disse har forskjellige θ-verdier, og deres respektive DL-verdier dermed avhenger forskjellig av VC. Pulmonal diffusjon av CO avhenger tyngre av VC enn NO, med hovedstedet for motstand (~ 75%) mot CO-diffusjon lokalisert i den røde blodcellen12. I motsetning til dette er hovedmotstanden (~ 60%) mot NO-diffusjon ved alveolar-kapillærmembranen og lungeplasmaet, fordi reaksjonshastigheten til NO med hemoglobin er vesentlig større enn CO. Derfor, ved samtidig måling av DL, CO og DL, NO, vil endringer i både DM og VC markert påvirke førstnevnte, mens sistnevnte vil avhenge mye mindre av VC, og dermed tillate en integrert vurdering av faktorene som bestemmer DL.
Rapporteringen av DL, CO / NO beregninger kan gjøres ved hjelp av forskjellige enheter. Derfor bruker European respiratory society (ERS) mmol / min / kPa, mens American Thoracic Society (ATS) bruker ml / min / mmHg. Omregningsfaktoren mellom enhetene er 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

Den kombinerte single-breath-målingen av diffuserende kapasitet av karbonmonoksid (DL, CO) og nitrogenoksid (DL, NO) er en nyttig teknikk for å måle pulmonal alveolar-kapillærreserve i både friske og pasientpopulasjoner. Målingen gir et estimat på deltakerens evne til å rekruttere og distendere lungekapillærer. Metoden har nylig blitt rapportert å vise en høy test-retest pålitelighet hos friske frivillige under trening av lett til moderat intensitet. Merk at denne teknikken tillater opptil 12 gjentatte manøvrer og krever bare et enkelt pust med en relativt kort pustetid på 5 s. Representative data er gitt som viser de gradvise endringene i DL, NO og DL, CO fra hvile til trening med økende intensiteter på opptil 60% av maksimal arbeidsbelastning. Måling av diffuserende kapasitet og evaluering av alveolar-kapillærreserver er et nyttig verktøy for å evaluere lungens evne til å reagere på trening både i den friske befolkningen og i pasientpopulasjoner som de med kronisk lungesykdom.

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.

Forfatter Spotlight: Integrering av alveolære-kapillære reservemålinger i treningstilpasning og terapeutiske strategier

Dual test gasspulmonal diffuserende kapasitetsmåling under trening hos mennesker ved hjelp av single-breath-metoden

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.

Protokollen ble implementert i 2021 og i skrivende stund er det utført totalt 124 målinger under trening (dvs. 51 hos friske frivillige og 73 hos pasienter med kols av ulik alvorlighetsgrad). Manøvrene, samt data om oppfylte akseptabilitets- og repeterbarhetskriterier, og feilraten er alle angitt i tabell 3.
Beregninger Som et eksempel er beregninger fra en enkelt DL,CO/NO-manøver gitt her basert på data fra den første man?...

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

Denne protokollen presenterer en metode for å vurdere pulmonal alveolar-kapillærreserve målt ved kombinert single-breath måling av diffuserende kapasitet til karbonmonoksid (DL, CO) og nitrogenoksid (DL, NO) under trening. Antagelser og anbefalinger for bruk av teknikken under trening danner grunnlaget for denne artikkelen.

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 ...

Vår forskning fokuserer på mekanismer for nedsatt lungegassutveksling i ulike sykdomstilstander og hvordan kunnskap om disse kan brukes til diagnostiske og målbehandlinger. Vi tar sikte på å avgrense forståelsen av akutt treningstilpasning ved å vurdere alveolær kapillærreserve gjennom diffusjonskapasitetsmålinger under trening. Konvensjonell lungefunksjonstesting, som dynamisk spirometri, og diffusjonskapasitetsmålinger under hvile gir begrenset informasjon om lungebegrensninger og tilpasninger til akutt trening.Vår protokoll adresserer dette gapet ved å introdusere en mer omfattende og fysiologisk relevant målemetode som vurderer den alveolære kapillærreserven. Ved å gi en mer detaljert analyse av lungefunksjonen under trening, bidrar denne forskningen til utvikling av måldiagnostiske og terapeutiske strategier for lungesykdommer, og forbedrer klinisk ledelse og behandlingseffekt. Ved denne teknikken vil våre studier spesifikt belyse hvordan begrensninger i pulmonal gassutveksling bidrar til patofysiologien ved kronisk lungesykdom og hvordan denne kan påvirkes av trening.Vår forskningsgruppe har til hensikt å utvide denne forskningen for å undersøke effekten av ulike terapeutiske og treningsintervensjoner på lungefunksjon under trening, og å undersøke de spesifikke responsene hos pasienter med kronisk obstruktiv lungesykdom. Dette vil ytterligere belyse lungenes tilpasningsevne og motstandskraft ved nød.

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.