Name: Autor destacado: Integración de las mediciones de la reserva alveolar-capilar en la adaptación al ejercicio y las estrategias terapéuticas
Uploaded: 2024-02-02T13:50:00
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El estudio recibió apoyo financiero de la Fundación Svend Andersen. El Centro de Investigación de la Actividad Física cuenta con el apoyo de las subvenciones TrygFonden ID 101390, ID 20045 e ID 125132. JPH está financiado por HelseFonden y el Hospital Universitario de Copenhague, Rigshospitalet, mientras que HLH está financiado por la Fundación Beckett.

El Comité de Ética Científica de la Región Capital de Dinamarca ha aprobado previamente la medición de DL,CO/NO en reposo, durante el ejercicio y en decúbito supino tanto en voluntarios sanos como en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) de nuestra institución (protocolos H-20052659, H-21021723 y H-21060230).
NOTA: Antes de medir DL, CO/NO durante el ejercicio, se debe realizar una espirometría dinámica y una prueba de esfuerzo cardiopulmo...

Evaluación de la reserva alveolar-capilar pulmonar durante el ejercicio

El protocolo proporciona un enfoque estandarizado para la medición de DL,CO/NO durante el ejercicio utilizando la técnica de doble gas de prueba de una sola respiración. Dado que las métricas DL,CO/NO obtenidas aumentan debido al reclutamiento y la distensión capilar pulmonar, el método proporciona una medida fisiológicamente significativa de la reserva alveolar-capilar.
Pasos críticos en el protocolo El método requiere una exhalación al volu...

El ejercicio conduce a un aumento considerable de la demanda de energía en comparación con el estado de reposo. El corazón y los pulmones responden aumentando el gasto cardíaco y la ventilación, lo que resulta en una expansión del lecho alveolar-capilar, principalmente el reclutamiento y distensión de los capilares pulmonares1. Esto asegura un suficiente intercambio gaseoso pulmonar, que puede medirse por un aumento de la capacidad de difusión pulmonar (DL)2,3,4. Los primeros intentos de medir la DL durante el ejercicio se remontan a hace más de un siglo 5,6,7. La capacidad de aumentar la DL desde el estado de reposo a menudo se denomina reserva alveolar-capilar 8,9.
Experimentalmente, las contribuciones relativas de la capacidad de difusión de la membrana alveolar-capilar(DM) y el volumen sanguíneo capilar pulmonar (VC) a la reserva alveolar-capilar pueden evaluarse mediante diferentes métodos, incluido el método clásico de fracciones múltiples de oxígeno inspirado (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">)10. Una técnica alternativa que puede ser útil en este contexto es el método de doble prueba de gases, en el que se miden simultáneamente el DL al monóxido de carbono (CO) y el óxido nítrico (NO) (DL,CO/NO) 11. Esta técnica fue desarrollada en la década de 1980, y aprovecha el hecho de que la velocidad de reacción del NO con la hemoglobina (Hb) es sustancialmente mayor que la del CO, de modo que la difusión pulmonar del CO depende más del VC que del NO. Por lo tanto, el principal sitio de resistencia (~75%) a la difusión del CO se encuentra dentro de los glóbulos rojos, mientras que la principal resistencia (~60%) a la difusión del NO se encuentra en la membrana alveolar-capilar y en el plasma pulmonar12. Por lo tanto, la medición concurrente de DL,CO y DL,NO permite evaluar las contribuciones relativas de DM y VC a DL12, donde el cambio en DL,NO observado durante el ejercicio refleja en gran medida la expansión de la membrana alveolar-capilar. Una ventaja adicional de este método a la hora de obtener mediciones durante el ejercicio es que implica un tiempo de apnea relativamente corto (~5 s) y menos maniobras en comparación con la técnica clásica <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> , en la que se realizan múltiples maniobras repetidas con una apnea estandarizada de 10 s a diferentes niveles de oxígeno. Aunque <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> recientemente se ha aplicado con un menor tiempo de apnea y menos maniobras en cada intensidad13. Sin embargo, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> solo permite un total de seis maniobras DL,CO por sesión, mientras que se pueden realizar hasta 12 maniobras DL (CO/NO repetidas) sin ningún efecto medible en las estimaciones resultantes14. Estas son consideraciones importantes a la hora de obtener mediciones durante el ejercicio, ya que tanto una apnea larga como múltiples maniobras pueden ser difíciles de realizar a intensidades muy altas o en poblaciones de pacientes que experimentan disnea.
El presente trabajo proporciona un protocolo detallado, que incluye consideraciones teóricas y recomendaciones prácticas sobre la medición de DL,CO/NO durante el ejercicio y su uso como índice de la reserva alveolar-capilar. Este método es fácilmente aplicable en el entorno experimental y permite evaluar cómo la limitación de la difusión en los pulmones puede afectar a la absorción de oxígeno en diferentes poblaciones.
Teoría y principios de medición El método DL,CO/NO implica una sola inhalación de una mezcla de gases con la suposición de que los gases se distribuyen uniformemente en el espacio alveolar ventilado después de la inhalación. La mezcla de gases consta de varios gases, incluido un gas trazador inerte. La dilución del gas trazador en el espacio alveolar ventilado, basada en su fracción en el aire al final de la espiración, puede utilizarse para calcular el volumen alveolar (VA)15. La mezcla de gases también incluye el gas de prueba CO y NO, los cuales se diluyen en el espacio alveolar ventilado y se difunden a través de la membrana alveolar-capilar. A partir de sus fracciones alveolares, se pueden calcular sus tasas individuales de desaparición (k), también denominada constante de difusión, del espacio alveolar. Por convención, la DL para un gas de prueba medido durante una maniobra de una sola respiración se obtiene de la siguiente ecuación16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
donde FA0 es la fracción alveolar del gas de prueba (CO o NO) al inicio de la apnea de la maniobra individual de DL , mientras que FA es la fracción alveolar del gas de prueba al final de la apnea, y tBH es el tiempo de apnea. DL es mecánicamente equivalente a la conductancia del gas de prueba a través de la membrana alveolar-capilar, a través del plasma y el interior de los glóbulos rojos hasta la hemoglobina. Por lo tanto, depende tanto de la conductancia de DM como de la llamada conductancia específica de la sangre capilar pulmonar (θ), de la cual esta última depende tanto de la conductancia del gas de prueba en sangre como de su velocidad de reacción con la hemoglobina10. Dado que el recíproco de la conductancia es la resistencia, la resistencia total a la transferencia de un gas de prueba depende de las siguientes resistencias de la serie10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Estos componentes pueden distinguirse midiendo simultáneamente el DL a CO y NO, porque estos tienen diferentes valores θ y, por lo tanto, sus respectivos valores DL dependen de manera diferente de VC. La difusión pulmonar del CO depende más del VC que del NO, y el principal sitio de resistencia (~75%) a la difusión del CO se encuentra dentro de los glóbulos rojos12. Por el contrario, la principal resistencia (~60%) a la difusión del NO se encuentra en la membrana alveolar-capilar y en el plasma pulmonar, porque la velocidad de reacción del NO con la hemoglobina es sustancialmente mayor que la del CO. Por lo tanto, al medir simultáneamente DL,CO y DL,NO, los cambios tanto en DM como en VC afectarán marcadamente al primero, mientras que este último dependerá mucho menos de VC, lo que permitirá una evaluación integradora de los factores que determinan DL.
El informe de las métricas DL,CO/NO se puede realizar utilizando diferentes unidades. Por lo tanto, la Sociedad Respiratoria Europea (ERS) utiliza mmol/min/kPa, mientras que la Sociedad Torácica Americana (ATS) utiliza mL/min/mmHg. El factor de conversión entre las unidades es 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

La medición combinada de la capacidad de difusión del monóxido de carbono (D, L, CO) y el óxido nítrico (D,L, NO) es una técnica útil para medir la reserva alveolar-capilar pulmonar tanto en poblaciones sanas como en pacientes. La medición proporciona una estimación de la capacidad del participante para reclutar y distender los capilares pulmonares. Recientemente se ha informado que el método exhibe una alta confiabilidad test-retest en voluntarios sanos durante el ejercicio de intensidad ligera a moderada. Cabe destacar que esta técnica permite hasta 12 maniobras repetidas y solo requiere una sola respiración con un tiempo de apnea relativamente corto de 5 s. Se proporcionan datos representativos que muestran los cambios graduales en DL,NO y DL,CO desde el reposo hasta el ejercicio a intensidades crecientes de hasta el 60% de la carga de trabajo máxima. La medición de la capacidad de difusión y la evaluación de la reserva alveolar-capilar es una herramienta útil para evaluar la capacidad del pulmón para responder al ejercicio tanto en la población sana como en poblaciones de pacientes como aquellos con enfermedad pulmonar crónica.

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 destacado: Integración de las mediciones de la reserva alveolar-capilar en la adaptación al ejercicio y las estrategias terapéuticas

Medición de la capacidad de difusión pulmonar de gas de prueba dual durante el ejercicio en humanos utilizando el método de respiración 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.

El protocolo se implementó en 2021 y, en el momento de escribir este artículo, se habían realizado un total de 124 mediciones durante el ejercicio (es decir, 51 en voluntarios sanos y 73 en pacientes con EPOC de diversa gravedad). Las maniobras, así como los datos sobre el cumplimiento de los criterios de aceptabilidad y repetibilidad, y la tasa de fallas, se proporcionan en la Tabla 3.
Cálculos A modo de ejemplo, aquí se proporcionan...

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Este protocolo presenta un método para evaluar la reserva alveolar-capilar pulmonar medida mediante la medición combinada de una sola respiración de la capacidad de difusión de monóxido de carbono (DL,CO) y óxido nítrico (DL,NO) durante el ejercicio. Los supuestos y recomendaciones para el uso de la técnica durante el ejercicio constituyen la base de este artículo.

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 ...

Nuestra investigación se centra en el mecanismo de alteración del intercambio gaseoso pulmonar en varios estados de la enfermedad y cómo el conocimiento de estos puede utilizarse para el diagnóstico y los tratamientos dirigidos. Nuestro objetivo es refinar la comprensión de la adaptación aguda al ejercicio mediante la evaluación de la reserva capilar alveolar a través de mediciones de la capacidad de difusión durante el ejercicio. Las pruebas convencionales de la función pulmonar, como la espirometría dinámica, y las mediciones de la capacidad de difusión durante el reposo proporcionan información limitada sobre las limitaciones pulmonares y las adaptaciones al ejercicio agudo.Nuestro protocolo aborda esta brecha mediante la introducción de un método de medición más completo y fisiológicamente relevante que evalúa la reserva capilar alveolar. Al proporcionar un análisis más detallado de la función pulmonar durante el ejercicio, esta investigación contribuye al desarrollo de estrategias diagnósticas y terapéuticas dirigidas para las enfermedades pulmonares, mejorando el manejo clínico y la eficacia del tratamiento. Mediante esta técnica, nuestros estudios dilucidarán específicamente cómo las limitaciones del intercambio gaseoso pulmonar contribuyen a la fisiopatología de la enfermedad pulmonar crónica y cómo esto puede verse afectado por el entrenamiento físico.Nuestro grupo de investigación pretende ampliar esta investigación para explorar el impacto de diversas intervenciones terapéuticas y de entrenamiento sobre la función pulmonar durante el ejercicio, e investigar las respuestas específicas en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica. Esto aclarará aún más la adaptabilidad y la resistencia de los pulmones ante la angustia.

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.

Investigación

Medicina

Optimization and Calibration of Cardiopulmonary Exercise Testing for Enhanced Assessment of Pulmonary Gas Exchange and Diffusing Capacity

Optimización y calibración de las pruebas de esfuerzo cardiopulmonar para mejorar la evaluación del intercambio gaseoso pulmonar y la capacidad de difusión