Name: Yazar Spotlight: Alveolar-kılcal rezerv ölçümlerinin egzersiz adaptasyonu ve terapötik stratejilere entegre edilmesi
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

Çalışma, Svend Andersen Vakfı'ndan finansal destek aldı. Fiziksel Aktivite Araştırma Merkezi, TrygFonden Hibeleri ID 101390, ID 20045 ve ID 125132 tarafından desteklenmektedir. JPH, HelseFonden ve Kopenhag Üniversite Hastanesi, Rigshospitalet tarafından finanse edilirken, HLH Beckett Vakfı tarafından finanse edilmektedir.

Danimarka Başkent Bölgesi Bilimsel Etik Komitesi, kurumumuzda hem sağlıklı gönüllülerde hem de kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) olan hastalarda istirahatte, egzersiz sırasında ve sırtüstü pozisyondaDL,CO/NO ölçümünü daha önce onaylamıştır (protokoller H-20052659, H-21021723 ve H-21060230).
NOT: Egzersiz sırasında DL, CO / NO ölçülmeden önce dinamik bir spirometri ve bir kardiyopulmoner egzersiz testi (CPET) yapılmalıdır. Dinam...

Egzersiz Sırasında Pulmoner Alveolar-Kapiller Rezervin Değerlendirilmesi

Protokol, ikili test gazı tek nefes tekniğini kullanarak egzersiz sırasında DL, CO / NO ölçümüne standart bir yaklaşım sağlar. Elde edilen DL, CO/NO metrikleri pulmoner kapiller respirasyon ve distansiyon nedeniyle arttığından, yöntem alveolar-kapiller rezervin fizyolojik olarak anlamlı bir ölçümünü sağlar.
Protokoldeki kritik adımlar Yöntem, rezidüel hacme bir ekshalasyon ve ardından 5 s'lik bir nefes tutmanın gerçekleştir...

Egzersiz, dinlenme durumuna kıyasla enerji talebinde önemli bir artışa yol açar. Kalp ve akciğerler, kalp debisini ve ventilasyonu artırarak yanıt verir, bu da alveolar-kılcal yatağın genişlemesine, özellikle pulmoner kılcal damarların toplanmasına ve şişmesineneden olur 1. Bu, pulmoner difüzyon kapasitesindeki(DL) bir artışla ölçülebilen yeterli bir pulmoner gaz değişimi sağlar2,3,4. Egzersiz sırasındaDL'yi ölçmeye yönelik ilk girişimler bir asırdan daha eskiye dayanmaktadır 5,6,7. Dinlenme durumundanDL'yi artırma yeteneği genellikle alveolar-kılcal rezerv 8,9 olarak adlandırılır.
Deneysel olarak, alveolar-kapiller membran difüzyon kapasitesinin(DM) ve pulmoner kapiller kan hacminin (VC) alveolar-kapiller rezervine göreceli katkıları, solunan oksijenin klasik çoklu fraksiyonları (<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;">) yöntemi10 dahil olmak üzere farklı yöntemlerle değerlendirilebilir. Bu bağlamda yararlı olabilecek alternatif bir teknik, DL ila karbon monoksit (CO) ve nitrik oksit (NO) (DL, CO / NO) aynı anda ölçüldüğü çift testli gaz yöntemidir11. Bu teknik 1980'lerde geliştirilmiştir ve NO'nun hemoglobin (Hb) ile reaksiyon hızının CO'nunkinden önemli ölçüde daha büyük olduğu gerçeğinden yararlanır, öyle ki CO'nun pulmoner difüzyonu NO'dan daha fazla VC'ye bağlıdır. Bu nedenle, CO difüzyonuna karşı ana direnç bölgesi (~% 75) kırmızı kan hücresi içinde bulunur, NO difüzyonuna karşı ana direnç (~% 60) alveolar-kapiller membran ve pulmoner plazmadadır12. DL, CO ve DL, NO'nun eşzamanlı ölçümü, D M ve VC'nin DL12'ye göreceli katkılarının değerlendirilmesine izin verir, burada egzersiz sırasında gözlenen DL, NO'daki değişiklik büyük ölçüde alveolar-kapiller membranın genişlemesini yansıtır. Egzersiz sırasında ölçümler elde edilirken bu yöntemin ek bir avantajı, farklı oksijen seviyelerinde standart 10 s'lik bir nefes tutma ile birden fazla tekrarlanan manevranın gerçekleştirildiği klasik <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> tekniğe kıyasla nispeten kısa bir nefes tutma süresi (~ 5 s) ve daha az manevra içermesidir. Her ne kadar son zamanlarda daha kısa nefes tutma süresi ve her şiddette daha az manevra ile uygulanmış olsa <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> da13. Bununla birlikte, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq01.jpg" style="margin: auto;"> seans başına yalnızca toplam altı DL,CO manevrasına izin verirken, ortaya çıkan tahminler üzerinde ölçülebilir bir etki olmaksızın 12'ye kadar tekrarlanan DL,CO/NO manevrası gerçekleştirilebilir14. Bunlar, egzersiz sırasında ölçüm yaparken önemli hususlardır, çünkü hem uzun bir nefes tutma hem de çoklu manevraların çok yüksek yoğunluklarda veya nefes darlığı yaşayan hasta popülasyonlarında gerçekleştirilmesi zor olabilir.
Bu makale, egzersiz sırasında DL, CO/NO ölçümü ve alveolar-kapiller rezervin bir indeksi olarak kullanımı hakkında teorik düşünceler ve pratik öneriler içeren ayrıntılı bir protokol sunmaktadır. Bu yöntem deney ortamında kolayca uygulanabilir ve akciğerlerdeki difüzyon sınırlamasının farklı popülasyonlarda oksijen alımını nasıl etkileyebileceğinin değerlendirilmesine izin verir.
Teori ve ölçüm ilkeleri DL, CO / NO yöntemi, gazların solunduktan sonra havalandırılan alveolar boşlukta eşit olarak dağıldığı varsayımıyla, bir gaz karışımının tek bir nefesini içerir. Gaz karışımı, inert bir izleyici gaz da dahil olmak üzere birkaç gazdan oluşur. İz gazın, ekspirasyon sonu havadaki fraksiyonuna bağlı olarak havalandırılan alveolar boşlukta seyreltilmesi, alveolar hacmi (VA)15 hesaplamak için kullanılabilir. Gaz karışımı ayrıca, her ikisi de havalandırılan alveolar boşlukta seyreltilen ve alveolar-kılcal membran boyunca yayılan test gazı CO ve NO'yu içerir. Alveolar fraksiyonlarına dayanarak, alveolar boşluktan yayılma sabiti olarak da adlandırılan bireysel kaybolma oranları (k) hesaplanabilir. Konvansiyonel olarak, tek nefesli bir manevra sırasında ölçülen bir test gazı için DL, aşağıdaki denklem16 ile türetilir:
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq02v3.jpg" style="margin: auto;">
burada FA0,bireysel DL manevrasının nefes tutma başlangıcında test gazının (CO veya NO) alveolar fraksiyonu iken, FA, nefes tutmanın sonundaki test gazının alveolar fraksiyonudur ve tBH nefes tutma süresidir. DL, test gazının alveolar-kılcal zar boyunca, plazma ve kırmızı kan hücresinin iç kısmından hemoglobine iletkenliğine mekanik olarak eşdeğerdir. Bu nedenle, hem DM'nin iletkenliğine hem de pulmoner kılcal kanın (θ) spesifik iletkenliğine bağlıdır, ikincisi hem test gazının kandaki iletkenliğine hem de hemoglobin10 ile reaksiyon hızına bağlıdır. İletkenliğin tersinin direnç olduğu göz önüne alındığında, bir test gazının transferine karşı toplam direnç, seri10'daki aşağıdaki dirençlere bağlıdır:
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65871/65871eq03v2.jpg" style="margin: auto;">
Bu bileşenler, DL'den CO ve NO'ya aynı anda ölçülerek ayırt edilebilir, çünkü bunlar farklı θ değerlerine sahiptir ve bu nedenleilgili DL değerleri VC'ye farklı şekilde bağlıdır. CO'nun pulmoner difüzyonu, NO'dan daha fazla VC'ye bağlıdır ve CO difüzyonuna karşı ana direnç bölgesi (~% 75) kırmızı kan hücresi12 içinde bulunur. Buna karşılık, NO difüzyonuna karşı ana direnç (~% 60) alveolar-kapiller membran ve pulmoner plazmadadır, çünkü NO'nun hemoglobin ile reaksiyon hızı CO'nunkinden önemli ölçüde daha yüksektir. Bu nedenle, DL, CO ve DL, NO'yu aynı anda ölçerek,hem DM hem deVC'deki değişiklikler birincisini belirgin şekilde etkileyecektir, ikincisi ise VC'ye çok daha az bağlı olacak, böyleceDL'yi belirleyen faktörlerin bütünleştirici bir değerlendirmesine izin verecektir.
D, L, CO/NO metriklerinin raporlanması farklı birimler kullanılarak yapılabilir. Bu nedenle, Avrupa solunum derneği (ERS) mmol/dak/kPa kullanırken, Amerikan Toraks Derneği (ATS) mL/dak/mmHg kullanır. Birimler arasındaki dönüşüm faktörü 2.987 mmol/dak/kPa = mL/dak/mmHg'dir.

<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

Karbon monoksit (DL, CO) ve nitrik oksidin (DL, NO) yayılma kapasitesinin birleşik tek nefesle ölçümü, hem sağlıklı hem de hasta popülasyonlarında pulmoner alveolar-kapiller rezervi ölçmek için yararlı bir tekniktir. Ölçüm, katılımcının pulmoner kılcal damarları işe alma ve şişirme yeteneğinin bir tahminini sağlar. Yöntemin yakın zamanda hafif ila orta yoğunlukta egzersiz sırasında sağlıklı gönüllülerde yüksek bir test-tekrar test güvenilirliği sergilediği bildirilmiştir. Bu tekniğin 12 defaya kadar tekrarlanan manevraya izin verdiğini ve yalnızca 5 sn gibi nispeten kısa bir nefes tutma süresi ile tek bir nefes gerektirdiğini unutmayın. DL, NO ve DL,CO'daki kademeli değişiklikleri maksimum iş yükünün %60'ına kadar artan yoğunluklarda dinlenmeden egzersize gösteren temsili veriler sağlanmıştır. Difüzyon kapasitesinin ölçülmesi ve alveolar-kapiller rezervin değerlendirilmesi, akciğerin hem sağlıklı popülasyonda hem de kronik akciğer hastalığı olanlar gibi hasta popülasyonlarında egzersize yanıt verme yeteneğini değerlendirmek için yararlı bir araçtır.

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.

Yazar Spotlight: Alveolar-kılcal rezerv ölçümlerinin egzersiz adaptasyonu ve terapötik stratejilere entegre edilmesi

Tek Nefes Yöntemi Kullanılarak İnsanlarda Egzersiz Sırasında İkili Test Gazı Pulmoner Difüzyon Kapasitesi Ölçümü

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.

Protokol 2021'de uygulandı ve bu yazının yazıldığı sırada egzersiz sırasında toplam 124 ölçüm yapıldı (yani sağlıklı gönüllülerde 51 ve çeşitli şiddetlerde KOAH'lı hastalarda 73) yapıldı. Manevraların yanı sıra yerine getirilen kabul edilebilirlik ve tekrarlanabilirlik kriterlerine ilişkin veriler ve başarısızlık oranının tümü Tablo 3'te verilmiştir.
Hesaplama Örnek olarak, tek birDDL,CO/NO </su...

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

Bu protokol, egzersiz sırasında karbon monoksit (DL, CO) ve nitrik oksit (DL,NO) difüzyon kapasitesinin kombine tek nefes ölçümü ile ölçülen pulmoner alveolar-kapiller rezervi değerlendirmek için bir yöntem sunar. Egzersiz sırasında tekniğin kullanımına ilişkin varsayımlar ve öneriler bu makalenin temelini oluşturur.

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 ...

Araştırmamız, çeşitli hastalık durumlarında bozulmuş pulmoner gaz değişiminin mekanizmasına ve bunların bilgisinin tanısal ve hedefe yönelik tedaviler için nasıl kullanılabileceğine odaklanmaktadır. Egzersiz sırasında difüzyon kapasitesi ölçümleri ile alveoler kapiller rezervi değerlendirerek akut egzersiz adaptasyonu anlayışını iyileştirmeyi amaçlıyoruz. Dinamik spirometri gibi geleneksel akciğer fonksiyon testleri ve istirahat sırasında difüzyon kapasitesi ölçümleri, pulmoner sınırlamalar ve akut egzersize adaptasyonlar hakkında sınırlı bilgi sağlar.Protokolümüz, alveolar kılcal rezervi değerlendiren daha kapsamlı ve fizyolojik olarak ilgili bir ölçüm yöntemi sunarak bu boşluğu giderir. Bu araştırma, egzersiz sırasında akciğer fonksiyonunun daha ayrıntılı bir analizini sağlayarak, akciğer hastalıkları için hedef tanı ve tedavi stratejilerinin geliştirilmesine katkıda bulunur, klinik yönetim ve tedavi etkinliğini artırır. Bu teknikle, çalışmalarımız pulmoner gaz değişim sınırlamalarının kronik akciğer hastalığının patofizyolojisine nasıl katkıda bulunduğunu ve bunun egzersiz eğitiminden nasıl etkilenebileceğini spesifik olarak aydınlatacaktır.Araştırma grubumuz, çeşitli terapötik ve eğitim müdahalelerinin egzersiz sırasında pulmoner fonksiyon üzerindeki etkisini araştırmak ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı olan hastalarda spesifik yanıtları araştırmak için bu araştırmayı genişletmeyi amaçlamaktadır. Bu, akciğerlerin adaptasyon kabiliyetini ve sıkıntıya karşı dayanıklılığını daha da aydınlatacaktır.

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.