Name: В центре внимания автора: Интеграция измерений альвеолярно-капиллярного резерва в адаптацию к физическим нагрузкам и терапевтические стратегии
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

Исследование получило финансовую поддержку Фонда Свенда Андерсена. Центр исследований физической активности поддерживается грантами TrygFonden ID 101390, ID 20045 и ID 125132. JPH финансируется HelseFonden и Университетской больницей Копенгагена, Rigshospitalet, в то время как HLH финансируется Фондом Беккета.

Научно-этический комитет столичного региона Дании ранее одобрил измерение DL,CO/NO в покое, во время физических упражнений и в положении лежа на спине как у здоровых добровольцев, так и у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) в нашем учреждении (протоколы H-20052659...

Оценка легочного альвеолярно-капиллярного резерва во время физической нагрузки

Протокол обеспечивает стандартизированный подход к измерению DL, CO/NO во время тренировки с использованием техники двойного тестового газа на одном дыхании. Поскольку полученные DL,CO/NO-метрики увеличиваются за счет рекрутирования и растяжения легочных капилляров, метод обес?...

Физические упражнения приводят к значительному увеличению потребности в энергии по сравнению с состоянием покоя. Сердце и легкие реагируют на это увеличением сердечного выброса и вентиляции, что приводит к расширению альвеолярно-капиллярного русла, главным образом к набору и расширению легочных капилляров1. Это обеспечивает достаточный легочный газообмен, который можно измерить увеличением легочной диффузионной способности (DL)2,3,4. Первые попытки измерить DL во время физических упражнений датируются более чем столетней давностью 5,6,7. Способность повышать DL из состояния покоя часто называют альвеолярно-капиллярным резервом 8,9.
Экспериментально относительный вклад диффузионной емкости альвеолярно-капиллярной мембраны (DM) и объема легочной капиллярной крови (VC) в альвеолярно-капиллярный резерв может быть оценен различными методами, в том числе классическим кратным фракциями вдыхаемого кислорода (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) методом10. Альтернативным методом, который может быть полезен в этом контексте, является метод двойного испытания газа, при котором DL к окиси углерода (CO) и оксиду азота (NO) (DL, CO/NO) ИЗМЕРЯЮТСЯ ОДНОВРЕМЕННО11. Этот метод был разработан в 1980-х годах и использует тот факт, что скорость реакции NO с гемоглобином (Hb) значительно выше, чем у CO, так что легочная диффузия CO больше зависит от VC , чем NO. Следовательно, основной участок резистентности (~75%) к диффузии CO расположен в эритроцитах, в то время как основное сопротивление (~60%) диффузии NO приходится на альвеолярно-капиллярную мембрану и легочную плазму12. Таким образом, одновременное измерение DL,CO и DL,NO позволяет оценить относительный вклад DM и VC в DL12, где изменение DL,NO, наблюдаемое во время физической нагрузки, таким образом, в значительной степени отражает расширение альвеолярно-капиллярной мембраны. Дополнительным преимуществом этого метода при получении измерений во время тренировки является то, что он предполагает относительно короткое время задержки дыхания (~5 с) и меньшее количество маневров по сравнению с классической <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> техникой, где выполняются многократные повторные маневры со стандартизированной задержкой дыхания на 10 секунд при разных уровнях кислорода. Хотя <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> в последнее время применяется с более коротким временем задержки дыхания и меньшим количеством маневров при каждой интенсивности13. Тем не менее, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> допускается в общей сложности только шесть маневров DL,CO за сеанс, в то время как до 12 повторных маневров DL,CO/NO могут быть выполнены без какого-либо измеримого влияния на результирующие оценки14. Это важные соображения при проведении измерений во время тренировки, поскольку как длительная задержка дыхания, так и множественные маневры могут быть трудными для выполнения с очень высокой интенсивностью или у пациентов с одышкой.
В настоящей работе представлен подробный протокол, включающий теоретические соображения и практические рекомендации по измерению DL,CO/NO при физической нагрузке и его использованию в качестве показателя альвеолярно-капиллярного резерва. Этот метод легко применим в экспериментальных условиях и позволяет оценить, как ограничение диффузии в легких может повлиять на поглощение кислорода в различных популяциях.
Теория и принципы измерений Метод DL,CO/NO предполагает однократное вдыхание газовой смеси с предположением, что газы равномерно распределяются в вентилируемом альвеолярном пространстве после ингаляции. Газовая смесь состоит из нескольких газов, в том числе инертного индикаторного газа. Разбавление газа-индикатора в вентилируемом альвеолярном пространстве в зависимости от его доли в воздухе в конце выдоха может быть использовано для расчета альвеолярного объема (VA)15. Газовая смесь также включает испытуемый газ CO и NO, которые разбавляются в вентилируемом альвеолярном пространстве и диффундируют через альвеолярно-капиллярную мембрану. На основе их альвеолярных фракций можно рассчитать их индивидуальные скорости исчезновения (k), также называемые константой диффузии, из альвеолярного пространства. По соглашению, DL для испытательного газа, измеренного во время маневра на одном дыхании, получается следующим уравнением16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
где FA0 – альвеолярная фракция испытуемого газа (CO или NO) в начале задержки дыхания при индивидуальном маневре DL , в то время как FA – альвеолярная фракция испытуемого газа в конце задержки дыхания, а tBH – время задержки дыхания. DL механически эквивалентен проводимости исследуемого газа через альвеолярно-капиллярную мембрану, через плазму и внутреннюю часть эритроцитов к гемоглобину. Таким образом, она зависит как от проводимости DM, так и от так называемой удельной проводимости легочной капиллярной крови (θ), которая зависит как от проводимости исследуемого газа в крови, так и от скорости его реакции с гемоглобином10. Учитывая, что обратной проводимостью является сопротивление, общее сопротивление переносу испытуемого газа зависит от следующих сопротивлений в серии10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Эти компоненты могут быть различимы при одновременном измерении DL к CO и NO, поскольку они имеют разные θ-значения, и их соответствующие значения DL , таким образом, по-разному зависят от VC. Легочная диффузия СО в большей степени зависит от VC , чем от NO, при этом основной участок резистентности (~75%) к диффузии CO расположен в эритроцитах12. Напротив, основная устойчивость (~60%) к диффузии NO наблюдается на альвеолярно-капиллярной мембране и легочной плазме, поскольку скорость реакции NO с гемоглобином значительно выше, чем у CO. Следовательно, при одновременном измерении DL,CO и DL,NO, ИЗМЕНЕНИЯ КАК В DM , так и в VC будут заметно влиять на первый, в то время как последний будет в гораздо меньшей степени зависеть от VC, что позволит провести интегративную оценку факторов, определяющих DL.
Отчетность по показателям DL, CO/NO может быть сделана с использованием различных единиц измерения. Таким образом, Европейское респираторное общество (ERS) использует ммоль/мин/кПа, в то время как Американское торакальное общество (ATS) использует мл/мин/мм рт.ст. Коэффициент пересчета между единицами составляет 2,987 ммоль/мин/кПа = мл/мин/мм рт.ст.

<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

Комбинированное измерение диффузионной способности монооксида углерода (DL, CO) и оксида азота (DL, NO) за один вдох является полезным методом для измерения альвеолярно-капиллярного резерва легких как в здоровой популяции, так и в популяции пациентов. Измерение позволяет оценить способность участника набирать и растягивать легочные капилляры. Недавно сообщалось, что этот метод демонстрирует высокую надежность при повторном тестировании у здоровых добровольцев во время упражнений легкой и умеренной интенсивности. Следует отметить, что эта техника допускает до 12 повторных маневров и требует только одного вдоха с относительно коротким временем задержки дыхания в 5 секунд. Приведены репрезентативные данные, показывающие постепенное изменение DL,NO и DL,CO от отдыха к физической нагрузке при возрастающей интенсивности до 60% от максимальной нагрузки. Измерение диффузионной способности и оценка альвеолярно-капиллярного резерва является полезным инструментом для оценки способности легких реагировать на физические упражнения как у здоровой популяции, так и у пациентов с хроническими заболеваниями легких.

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.

В центре внимания автора: Интеграция измерений альвеолярно-капиллярного резерва в адаптацию к физическим нагрузкам и терапевтические стратегии

Измерение диффузионной емкости легких с помощью двойного тестового газа во время физических упражнений у людей с использованием метода одного дыхания

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.

Протокол был внедрен в 2021 году, и на момент написания статьи было выполнено в общей сложности 124 измерения во время физической нагрузки (т.е. 51 у здоровых добровольцев и 73 у пациентов с ХОБЛ различной степени тяжести). Маневры, а также данные о выполненных критериях приемлемости и повторя?...

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

В данном протоколе представлен метод оценки альвеолярно-капиллярного резерва легких, измеряемого путем комбинированного измерения диффузной способности к монооксиду углерода (DL, CO) и оксиду азота (DL, NO) во время физической нагрузки. Предположения и рекомендации по использованию техники во время выполнения упражнений составляют основу данной статьи.

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 ...

Наше исследование сосредоточено на механизме нарушения легочного газообмена при различных патологических состояниях и на том, как знания о них могут быть использованы для диагностики и таргетного лечения. Мы стремимся углубить понимание острой адаптации к физической нагрузке, оценив альвеолярный капиллярный резерв путем измерения диффузионной способности во время тренировки. Традиционное исследование функции легких, такое как динамическая спирометрия и измерение диффузионной способности в состоянии покоя, дает ограниченную информацию об ограничениях легких и адаптации к острым физическим нагрузкам.Наш протокол восполняет этот пробел, представляя более комплексный и физиологически релевантный метод измерения, который оценивает альвеолярный капиллярный резерв. Предоставляя более детальный анализ функции легких во время физической нагрузки, это исследование способствует разработке целевых диагностических и терапевтических стратегий легочных заболеваний, повышению клинического ведения и эффективности лечения. С помощью этого метода наши исследования конкретно прояснят, как ограничения легочного газообмена способствуют патофизиологии хронических заболеваний легких и как на это могут влиять физические упражнения.Наша исследовательская группа намерена расширить это исследование, чтобы изучить влияние различных терапевтических и тренировочных вмешательств на функцию легких во время физических упражнений, а также изучить специфические ответы у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких. Это еще больше прояснит способность легких к адаптации и устойчивости к стрессу.

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.