Name: Författare i fokus: Integrera mätningar av alveolärkapillärreserv i träningsanpassning och terapeutiska 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 fick ekonomiskt stöd från Svend Andersens Stiftelse. Centrum för fysisk aktivitetsforskning stöds av TrygFonden Grants ID 101390, ID 20045 och ID 125132. JPH finansieras av HelseFonden och Köpenhamns universitetssjukhus, Rigshospitalet, medan HLH finansieras av Beckettstiftelsen.

Den vetenskapliga etiska kommittén för Region Hovedstaden har tidigare godkänt mätning av DL,CO/NO i vila, under träning och i ryggläge hos både friska frivilliga och patienter med kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL) vid vår institution (protokoll H-20052659, H-21021723 och H-21060230).
OBS: Innan DL,CO/NO mäts under träning måste en dynamisk spirometri och ett kardiopulmonellt träningstest (CPET) utföras. Den dynamiska spirometrin används för kvalitetskon...

Bedömning av pulmonell alveolär-kapillär reserv under träning

Protokollet ger ett standardiserat tillvägagångssätt för mätning av D, L, CO/NO under träning med hjälp av den dubbla testgasen med ett andetag. Eftersom de erhållna DL,CO/NO-måtten ökar på grund av pulmonell kapillärrekrytering och utspändhet, ger metoden ett fysiologiskt meningsfullt mått på den alveolära kapillärreserven.
Kritiska steg i protokollet Metoden kräver en utandning till residualvolym följt av en inandning till total lu...

Träning leder till en avsevärd ökning av energibehovet jämfört med vilotillståndet. Hjärtat och lungorna svarar genom att öka hjärtminutvolymen och ventilationen, vilket resulterar i en expansion av den alveolära kapillärbädden, främst rekrytering och utspändhet av lungkapillärer1. Detta säkerställer ett tillräckligt lunggasutbyte, vilket kan mätas genom en ökning av lungdiffusionskapaciteten (DL)2,3,4. De första försöken att mäta DL under träning går tillbaka mer än ett sekel 5,6,7. Förmågan att öka DL från vilotillståndet kallas ofta den alveolära kapillärreserven 8,9.
Experimentellt kan de relativa bidragen av alveolar-kapillärmembrandiffusionskapacitet (DM) och lungkapillärblodvolym (VC) till alveolär kapillärreserv bedömas med olika metoder, inklusive den klassiska multipla fraktioner av inandat syre (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) metod10. En alternativ teknik som kan vara användbar i detta sammanhang är den dubbla testgasmetoden, där DL till kolmonoxid (CO) och kväveoxid (NO) (DL,CO/NO) mäts samtidigt11. Denna teknik utvecklades på 1980-talet och drar nytta av det faktum att reaktionshastigheten för NO med hemoglobin (Hb) är betydligt högre än för CO, så att lungdiffusionen av CO beror mer på VC än vad NO. Därför är den huvudsakliga platsen för resistens (~ 75%) mot CO-diffusion belägen i den röda blodkroppen, medan det huvudsakliga motståndet (~60%) mot NO-diffusion är vid det alveolära kapillärmembranet och lungplasma12. Den samtidiga mätningen av DL,CO och DL,NO gör det således möjligt att bedöma de relativa bidragen frånD M ochV C till DL12, där den förändring i DL,NO som observerats under träning således till stor del återspeglar expansionen av det alveolära kapillärmembranet. En ytterligare fördel med denna metod vid mätning under träning är att den innebär en relativt kort andningstid (~5 s) och färre manövrar jämfört med den klassiska <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> tekniken, där flera upprepade manövrar med en standardiserad 10 s andningshållning utförs vid olika syrenivåer. Även om <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> det nyligen har tillämpats med en kortare andhållningstid och färre manövrar vid varje intensitet13. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> Tillåter dock endast totalt sex DL,CO-manövrar per session, medan upp till 12 upprepade DL,CO/NO-manövrar kan utföras utan någon mätbar effekt på de resulterande uppskattningarna14. Detta är viktigt att tänka på när man gör mätningar under träning eftersom både ett långt andtaget och flera manövrar kan vara svåra att utföra vid mycket höga intensiteter eller i patientpopulationer som upplever dyspné.
Detta dokument ger ett detaljerat protokoll, inklusive teoretiska överväganden och praktiska rekommendationer om mätning av DL,CO/NO under träning och dess användning som ett index för den alveolära kapillärreserven. Denna metod är lätt att tillämpa i experimentmiljö och möjliggör bedömning av hur diffusionsbegränsning i lungorna kan påverka syreupptagningsförmågan i olika populationer.
Teori och mätprinciper DL,CO/NO-metoden innebär ett enda andetag av en gasblandning med antagandet att gaserna fördelar sig lika i det ventilerade alveolära utrymmet efter inandning. Gasblandningen består av flera gaser, bland annat en inert spårgas. Utspädningen av spårgasen i det ventilerade alveolära utrymmet, baserat på dess fraktion i slutexpiratorisk luft, kan användas för att beräkna alveolarvolymen (VA)15. Gasblandningen omfattar även testgasen CO och NO, som båda späds ut i det ventilerade alveolära utrymmet och diffunderar över det alveolära kapillärmembranet. Baserat på deras alveolära fraktioner kan deras individuella försvinnandehastigheter (k), även kallad diffusionskonstanten, från det alveolära rummet beräknas. Enligt vedertaget bruk härledsD-L för en provgas som uppmätts under en manöver med ett andetag av följande ekvation16:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
där FA0 är den alveolära fraktionen av provgasen (CO eller NO) i början av andningsuppehållet för den enskilda D L-manövern, medan F A är den alveolära fraktionen av provgasen i slutet av andningsuppehållet och tBH är andningsuppehållstiden. DL är mekaniskt ekvivalent med testgasens konduktans över det alveolära kapillärmembranet, genom plasma och de röda blodkropparnas inre till hemoglobin. Det beror alltså både på konduktansen hos DM och den så kallade specifika konduktansen hos lungkapillärblodet (θ), varav det senare beror både på testgasens konduktans i blodet och på dess reaktionshastighet med hemoglobin10. Med tanke på att den reciproka konduktansen är resistans, beror det totala motståndet mot överföringen av en testgas på följande motstånd i serie10:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Dessa komponenter kan särskiljas genom att mäta DL till CO och NO, eftersom dessa har olika θ-värden, och deras respektive DL-värden därför beror olika på VC. Lungdiffusionen av CO beror mer på VC än NO, med den huvudsakliga platsen för resistens (~ 75%) mot CO-diffusion i den röda blodkroppen12. Däremot är det huvudsakliga motståndet (~60%) mot NO-diffusion vid det alveolära kapillärmembranet och lungplasman, eftersom reaktionshastigheten för NO med hemoglobin är betydligt större än för CO. Därför, genom att samtidigt mäta DL,CO och DL,NO, kommer förändringar i både DM och VC att markant påverka den förra, medan den senare kommer att bero mycket mindre på VC, vilket möjliggör en integrativ bedömning av de faktorer som bestämmer DL.
Rapporteringen av D, L, CO/NO-mått kan göras med hjälp av olika enheter. Därför använder European Respiratory Society (ERS) mmol/min/kPa, medan American Thoracic Society (ATS) använder ml/min/mmHg. Omvandlingsfaktorn mellan enheterna är 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 kombinerade mätningen med ett andetag av diffusionskapaciteten hos kolmonoxid (DL,CO) och kväveoxid (DL,NO) är en användbar teknik för att mäta pulmonell alveolär kapillärreserv i både friska och patientpopulationer. Mätningen ger en uppskattning av deltagarens förmåga att rekrytera och vidga lungkapillärer. Metoden har nyligen rapporterats uppvisa en hög test-retest-reliabilitet hos friska frivilliga under träning av lätt till måttlig intensitet. Observera att denna teknik tillåter upp till 12 upprepade manövrar och kräver endast ett enda andetag med en relativt kort andhämtningstid på 5 s. Representativa data tillhandahålls som visar de gradvisa förändringarna i DL,NO och DL,CO från vila till träning vid ökande intensiteter på upp till 60 % av maximal arbetsbelastning. Mätning av diffusionskapacitet och utvärdering av alveolär kapillärreserv är ett användbart verktyg för att utvärdera lungans förmåga att svara på träning både i den friska befolkningen och i patientpopulationer som de med kronisk lungsjukdom.

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.

Författare i fokus: Integrera mätningar av alveolärkapillärreserv i träningsanpassning och terapeutiska strategier

Dubbel testgas pulmonell diffusionskapacitetsmätning under träning på människor med hjälp av enandedräktsmetoden

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.

Protokollet implementerades 2021 och i skrivande stund har totalt 124 mätningar under träning (dvs. 51 hos friska frivilliga och 73 hos patienter med KOL av olika svårighetsgrad) utförts. Manövrerna, liksom uppgifter om uppfyllda acceptans- och repeterbarhetskriterier, och felfrekvensen finns alla i tabell 3.
Beräkningar Som ett exempel tillhandahålls här beräkningar från en enda DL,CO/NO-manöver baserat på data från...

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

Detta protokoll presenterar en metod för att bedöma pulmonell alveolär kapillärreserv mätt genom kombinerad mätning med ett andetag av diffusionskapaciteten till kolmonoxid (DL,CO) och kväveoxid (DL,NO) under träning. Antaganden och rekommendationer för att använda tekniken under träning utgör grunden för denna artikel.

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 fokuserar på mekanismer för nedsatt lunggasutbyte vid olika sjukdomstillstånd och hur kunskap om dessa kan användas för diagnostiska och målinriktade behandlingar. Vi strävar efter att förfina förståelsen för akut träningsanpassning genom att bedöma alveolär kapillärreserv genom mätningar av diffusionskapacitet under träning. Konventionell lungfunktionstestning, såsom dynamisk spirometri, och mätningar av diffusionskapacitet under vila ger begränsad information om lungbegränsningar och anpassningar till akut träning.Vårt protokoll tar itu med denna lucka genom att introducera en mer omfattande och fysiologiskt relevant mätmetod som bedömer den alveolära kapillärreserven. Genom att tillhandahålla en mer detaljerad analys av lungfunktionen under träning bidrar denna forskning till utvecklingen av måldiagnostiska och terapeutiska strategier för lungsjukdomar, vilket förbättrar klinisk hantering och behandlingseffektivitet. Genom denna teknik kommer våra studier specifikt att belysa hur pulmonella gasutbytesbegränsningar bidrar till patofysiologin vid kronisk lungsjukdom och hur denna kan påverkas av träning.Vår forskargrupp har för avsikt att utöka denna forskning för att utforska effekten av olika terapeutiska och träningsinterventioner på lungfunktionen under träning, och för att undersöka de specifika svaren hos patienter med kronisk obstruktiv lungsjukdom. Detta kommer ytterligare att belysa lungornas anpassningsförmåga och motståndskraft vid stress.

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.