Name: Autor em destaque: Integrando medidas de reserva alveolar-capilar na adaptação ao exercício e estratégias terapêuticas
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
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O estudo recebeu apoio financeiro da Fundação Svend Andersen. O Centro de Pesquisa de Atividade Física é apoiado pelo TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045 e ID 125132. O JPH é financiado pelo HelseFonden e pelo Hospital Universitário de Copenhague, Rigshospitalet, enquanto o HLH é financiado pela Fundação Beckett.

O Comitê Científico de Ética para a Região da Capital da Dinamarca aprovou previamente a medida de DL,CO/NO em repouso, durante o exercício e na posição supina em voluntários saudáveis e pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) em nossa instituição (protocolos H-20052659, H-21021723 e H-21060230).
NOTA: Antes de DL,CO/NO ser medido durante o exercício, uma espirometria dinâmica e um teste de exercício cardiopulmonar (TECP) devem ser realizad...

Avaliação da reserva alveolar-capilar pulmonar durante o exercício

O protocolo fornece uma abordagem padronizada para a mensuração de D, L,CO/NO durante o exercício utilizando a técnica de respiração única com gás de teste duplo. Uma vez que as métricas de DL,CO/NO obtidas aumentam devido ao recrutamento e distensão capilar pulmonar, o método fornece uma medida fisiologicamente significativa da reserva alvéolo-capilar.
Etapas críticas do protocolo O método requer uma expiração para o volume residual se...

O exercício leva a um aumento considerável na demanda energética em comparação com o estado de repouso. O coração e os pulmões respondem aumentando o débito cardíaco e a ventilação, resultando em expansão do leito alvéolo-capilar, principalmente o recrutamento e distensão dos capilarespulmonares1. Isso garante uma troca gasosa pulmonar suficiente, que pode ser medida pelo aumento da capacidade de difusão pulmonar (D L)2,3,4. As primeiras tentativas de medir DL durante o exercício datam de mais de um século 5,6,7. A capacidade de aumentar DL a partir do estado de repouso é frequentemente referida como reserva alvéolo-capilar 8,9.
Experimentalmente, as contribuições relativas da capacidade de difusão da membrana alvéolo-capilar (DM) e do volume sanguíneo capilar pulmonar (VC) para a reserva alvéolo-capilar podem ser avaliadas por diferentes métodos, incluindo o clássico método das frações múltiplas inspiradas de oxigênio (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">)10. Uma técnica alternativa que pode ser útil nesse contexto é o método dos gases de teste duplo, no qual o DL para monóxido de carbono (CO) e óxido nítrico (NO) (DL,CO/NO) SÃO MEDIDOS SIMULTANEAMENTE11. Essa técnica foi desenvolvida na década de 1980 e aproveita o fato de que a taxa de reação do NO com a hemoglobina (Hb) é substancialmente maior que a do CO, de modo que a difusão pulmonar do CO depende mais da VC do que do NO. Assim, o principal sítio de resistência (~75%) à difusão do CO está localizado dentro da hemácia, enquanto a principal resistência (~60%) à difusão do NO está na membrana alvéolo-capilar e no plasma pulmonar12. A mensuração concomitante de D, L,CO e D, L,NO permite, assim, avaliar as contribuições relativas de D,M e V,C para D,L12, onde a variação de D, L,NO observada durante o exercício, reflete, assim, em grande parte, a expansão da membrana alvéolo-capilar. Uma vantagem adicional desse método na obtenção de medidas durante o exercício é que ele envolve um tempo de apneia relativamente curto (~5 s) e menos manobras em comparação com a técnica clássica<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">, onde múltiplas manobras repetidas com uma pausa respiratória padronizada de 10 s são realizadas em diferentes níveis de oxigênio. Embora <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> recentemente tenha sido aplicada com menor tempo de apneia e menos manobras a cada intensidade13. No entanto, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> só permite um total de seis manobras DL,CO por sessão, enquanto até 12 manobras repetidasde D L,CO/NO podem ser realizadas sem qualquer efeito mensurável sobre as estimativas resultantes14. Essas são considerações importantes na obtenção de medidas durante o exercício, uma vez que tanto uma longa pausa respiratória quanto múltiplas manobras podem ser difíceis de realizar em intensidades muito altas ou em populações de pacientes que apresentam dispneia.
O presente trabalho fornece um protocolo detalhado, incluindo considerações teóricas e recomendações práticas sobre a mensuração do DL,CO/NO durante o exercício e sua utilização como índice da reserva alvéolo-capilar. Este método é facilmente aplicável no ambiente experimental e permite avaliar como a limitação à difusão nos pulmões pode afetar o consumo de oxigênio em diferentes populações.
Teoria e princípios de mensuração O método D, L,CO/NO envolve uma única respiração de uma mistura gasosa com a suposição de que os gases se distribuem igualmente no espaço alveolar ventilado após a inalação. A mistura gasosa é constituída por vários gases, incluindo um gás traçador inerte. A diluição do gás traçador no espaço alveolar ventilado, a partir de sua fração no ar expiratório final, pode ser utilizada para calcular o volume alveolar (VA)15. A mistura gasosa também inclui o gás teste CO e NO, ambos diluídos no espaço alveolar ventilado e difundidos através da membrana alvéolo-capilar. Com base em suas frações alveolares, suas taxas individuais de desaparecimento (k), também denominadas constante difusora, do espaço alveolar podem ser calculadas. Por convenção, o DL para um gás de teste medido durante uma manobra de respiração única, é derivado pela seguinte equação16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
onde FA0 é a fração alveolar do gás teste (CO ou NO) no início da pausa respiratória da manobra individual DL , enquanto FA é a fração alveolar do gás teste no final da pausa respiratória e tBH é o tempo de apneia. DL é mecanicamente equivalente à condutância do gás teste através da membrana alvéolo-capilar, através do plasma e do interior das hemácias até a hemoglobina. Depende, portanto, tanto da condutância da DM quanto da chamada condutância específica do sangue capilar pulmonar (θ), da qual esta última depende tanto da condutância do gás teste no sangue quanto de sua taxa de reação com a hemoglobina10. Dado que a recíproca da condutância é a resistência, a resistência total à transferência de um gás de ensaio depende das seguintes resistências na série10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Esses componentes podem ser distinguidos medindo-se simultaneamente o DL ao CO e NO, pois estes possuem valores θ diferentes, e seus respectivos valores deD L dependem, portanto, diferentemente do VC. A difusão pulmonar do CO depende mais fortemente da VC do que do NO, sendo o principal sítio de resistência (~75%) à difusão do CO localizado dentro da hemácia12. Em contraste, a principal resistência (~60%) à difusão do NO está na membrana alvéolo-capilar e no plasma pulmonar, porque a taxa de reação do NO com a hemoglobina é substancialmente maior do que a do CO. Assim, medindo simultaneamente DL,CO e DL,NO, mudanças em ambos DM e VC afetarão marcadamente o primeiro, enquanto este último dependerá muito menos de VC, permitindo assim uma avaliação integrativa dos fatores que determinam DL.
O reporte das métricas DL,CO/NO pode ser feito usando diferentes unidades. Assim, a European Respiratory Society (ERS) utiliza mmol/min/kPa, enquanto a American Thoracic Society (ATS) utiliza mL/min/mmHg. O fator de conversão entre as unidades é de 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

A medida combinada de respiração única da capacidade de difusão de monóxido de carbono (D, L,CO) e óxido nítrico (D, L,NO) é uma técnica útil para medir a reserva alvéolo-capilar pulmonar em populações saudáveis e pacientes. A medida fornece uma estimativa da capacidade do participante de recrutar e distender capilares pulmonares. Recentemente, foi relatado que o método exibe uma alta confiabilidade teste-reteste em voluntários saudáveis durante exercícios de intensidade leve a moderada. Vale ressaltar que essa técnica permite até 12 manobras repetidas e requer apenas uma única respiração com um tempo de apneia relativamente curto, de 5 s. Dados representativos são fornecidos mostrando as mudanças graduais em DL,NO e DL,CO do repouso para o exercício em intensidades crescentes de até 60% da carga máxima. A mensuração da capacidade de difusão e a avaliação da reserva alvéolo-capilar são uma ferramenta útil para avaliar a capacidade de resposta do pulmão ao exercício tanto na população saudável quanto em populações de pacientes, como aqueles com doença pulmonar crônica.

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.

Autor em destaque: Integrando medidas de reserva alveolar-capilar na adaptação ao exercício e estratégias terapêuticas

Medida da Capacidade de Difusão Pulmonar de Gases de Teste Duplo durante o Exercício em Humanos Usando o Método de Respiração Única

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.

O protocolo foi implementado em 2021 e, no momento em que este artigo foi escrito, um total de 124 medições durante o exercício (ou seja, 51 em voluntários saudáveis e 73 em pacientes com DPOC de várias gravidades) haviam sido realizadas. As manobras, bem como os dados sobre os critérios de aceitabilidade e repetibilidade preenchidos, e a taxa de falha estão todos apresentados na Tabela 3.
Cálculos Como exemplo, cálculos de uma ú...

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Este protocolo apresenta um método para avaliar a reserva alvéolo-capilar pulmonar medida pela medida combinada de respiração única da capacidade de difusão de monóxido de carbono (D, L,CO) e óxido nítrico (D, L,NO) durante o exercício. Pressupostos e recomendações para o uso da técnica durante o exercício formam a base deste artigo.

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 ...

Nossa pesquisa se concentra no mecanismo de troca gasosa pulmonar prejudicada em vários estados patológicos e como o conhecimento destes pode ser usado para diagnósticos e tratamentos-alvo. Nosso objetivo é refinar o entendimento da adaptação aguda ao exercício por meio da avaliação da reserva capilar alveolar por meio de medidas da capacidade de difusão durante o exercício. Testes convencionais de função pulmonar, como espirometria dinâmica, e medidas da capacidade de difusão durante o repouso fornecem informações limitadas sobre limitações pulmonares e adaptações ao exercício agudo.Nosso protocolo aborda essa lacuna introduzindo um método de mensuração mais abrangente e fisiologicamente relevante que avalia a reserva capilar alveolar. Ao fornecer uma análise mais detalhada da função pulmonar durante o exercício, esta pesquisa contribui para o desenvolvimento de estratégias diagnósticas e terapêuticas direcionadas para doenças pulmonares, melhorando o manejo clínico e a eficácia do tratamento. Por meio dessa técnica, nossos estudos irão elucidar especificamente como as limitações nas trocas gasosas pulmonares contribuem para a fisiopatologia da doença pulmonar crônica e como esta pode ser afetada pelo treinamento físico.Nosso grupo de pesquisa pretende estender esta pesquisa para explorar o impacto de várias intervenções terapêuticas e de treinamento na função pulmonar durante o exercício e investigar as respostas específicas em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica. Isso irá elucidar ainda mais a adaptabilidade e resiliência dos pulmões em relação ao sofrimento.

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.