צימוד נוירו-וסקולריים שרירי השלד, קיבולת חמצוני, ופועלים Microvascular עם 'אחד עצור חנות' ספקטרוסקופיית אינפרא אדום
Summary
כאן, אנו מתארים גישה פשוטה, לא פולשנית באמצעות ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי להעריך hyperemia תגובתי, נוירו-וסקולריים צימוד וקיבולת חמצוני שרירי השלד, ביקור במרפאה או מעבדה בודד.
Abstract
תרגיל מייצג הלחץ והמודינמיקה הגדולות הדורשת תגובה נוירו-וסקולריים גבוהה מתואם כדי להתאים חמצן משלוח דרישה מטבולית. Hyperemia ריאקטיבי (בתגובה תקופה קצרה של רקמות איסכמיה) חזאי עצמאית של אירועי לב וכלי דם ומספק תובנה חשובה לבריאות כלי הדם ויכולת vasodilatory. קיבולת חמצוני שרירי השלד חשוב באותה מידה על בריאות ומחלה, כמו זה קובע את אספקת האנרגיה עבור תהליכים myocellular. כאן, אנו מתארים גישה פשוטה, לא פולשנית באמצעות ספקטרוסקופית אינפרא אדום כדי להעריך כל אחד אלה קצה קליניים עיקריים (hyperemia תגובתי, נוירו-וסקולריים צימוד והקיבולת שריר חמצוני) במהלך ביקור במרפאה או מעבדה בודדת. שלא כמו אולטרסאונד דופלר, תהודה מגנטית תמונות/ספקטרוסקופיה, או מדידות זרימה ספירליים פולשני או ביופסיות שריר, הגישה שלנו היא פחות תלוי המפעיל נמוכים, לחלוטין בלתי-פולשנית. נציג נתונים מהמעבדה שלנו ויחד עם נתוני סיכום מן הספרות שפורסמו בעבר ממחישים את התועלת של כל אלה והגישור. ברגע בטכניקה זו הוא שולט, ליישום אוכלוסיות קליניות תספק תובנות מכניסטית חשוב התרגיל הסובלנות ואי תפקוד לב וכלי דם.
Introduction
התגובה hyperemic תקופה קצרה של רקמות איסכמיה התפתחה כאמצעי לא פולשנית מפתח של תפקוד כלי הדם (מיקרו). במהלך חסימה של עורק conduit, רבים במורד הזרם להתרחב בניסיון לקזז את העלבון איסכמי. עם שחרורם של סגר, ההתנגדות כלי הדם ירד תוצאות hyperemia, שסדר מוכתב על ידי היכולת להתרחב את microvasculature במורד הזרם. בעוד hyperemia תגובתי היא מנבא חזק עצמאית של אירועי לב וכלי דם1,2 , ולפיכך נקודת קצה של משמעות קלינית, את משמעותו הפונקציונלית לממש סובלנות ואת איכות החיים הוא פחות ברור.
אכן, תרגול דינאמי מייצג הלחץ הלב וכלי הדם הגדולים הדורשת תגובה נוירו-וסקולריים גבוהה מתואם כדי להתאים חמצן משלוח דרישה מטבולית. לדוגמה, זרימת הדם שרירי השלד יכול להגדיל כמעט 100-fold במהלך שריר מבודד התכווצויות3, אשר להציף את יכולת השאיבה של הלב אם תגובה כזו והמודינמיקה היו אומדן לממש לכל הגוף. בהתאם לכך, כדי למנוע לחץ. דם, סימפטי (קרי, מצר את כלי הדם) האימננטיים לפעילות מגביר להפיץ תוצא מן הרקמות לא פעילה ולא מהבטן וכלפי פעיל שרירי השלד4. יצוא סימפטי מופנית גם פעילות גופנית שרירי השלד5; עם זאת, איתות מטבולית המקומי נחלש התגובה מצר את כלי הדם על מנת להבטיח רקמה מספקת חמצן משלוח6,7,8,9,10, 11. באופן קולקטיבי, תהליך זה נקרא sympatholysis תפקודית12, והוא לבריאותה של ויסות זרימת הדם שרירי השלד נורמלי במהלך פעילות גופנית. כיוון זרימת הדם שרירי השלד הוא דטרמיננטה מפתח יכולת אירובית — חזאי עצמאית של איכות חיים, מחלות לב וכלי דם התחלואה והתמותה13— הבנת השליטה של החמצן בדם שרירי השלד זרימה ורקמות משלוח במהלך פעילות גופנית היא בעלת משמעות קלינית רבה.
אספקת החמצן היא רק חצי מהמשוואה Fick, עם זאת, עם ניצול חמצן מספקת את החצי השני של המשוואה. בין העיקריות determinates ניצול החמצן, זרחון חמצוני מיטוכונדריאלי ממלא תפקיד חיוני באספקת אנרגיה נאותה עבור תהליכים תאיים גם במנוחה וגם במהלך פעילות גופנית. אכן, בעלי קיבולת חמצוני שריר ניתן להגביל פונקציונלי קיבולת ואת איכות החיים14,15,16. אמצעים שונים משמשים כדי לספק מדד של קיבולת חמצוני שריר, כולל ביופסיות שריר פולשנית וטכניקות ספקטרוסקופיה (MRS) יקרים ולגזול תהודה מגנטית.
כאן, אנו מציעים גישה חדשנית, לא פולשנית, באמצעות ספקטרוסקופית אינפרא אדום (NIRS), כדי להעריך את כל אלה שלוש הגדולות קליניים נקודות הקצה (תגובתי hyperemia, sympatholysis, ויכולת שריר חמצוני) בביקור במרפאה או מעבדה בודדת. היתרונות הגדולים של גישה זו הם: מורכבת משלושה שלבים: ראשית, טכניקה זו היא ניידת בקלות, עלות נמוכה יחסית וקל לביצוע. לגישות אולטרסאונד דופלר למדידת תגובתי hyperemia הם מאוד תלוי המפעיל — המצריכה מיומנות מקיף והדרכה – דורשים נתונים מתוחכמת, עלות גבוהה, רכישת חומרה, שלאחר עיבוד תוכנה. יתר על כן, זה יכול שכעיקרון להזרים את המרפאה ו/או ניסויים קליניים גדולים על מיטתה ניטור או בדיקות יעילות טיפולית. שנית, בזכות המתודולוגיה, טכניקה זו מתמקד במיוחד microvasculature שרירי השלד, הגדלת יחודיות הכוללת של הטכניקה. גישות חלופיות באמצעות אולטרסאונד דופלר להתמקד אך ורק על כלי שיט במעלה צינור, להסיק שינויים במורד הזרם, אשר ניתן לצנן את האות. שלישית, טכניקה זו היא לחלוטין בלתי-פולשנית. קיבולת חמצוני שרירי השלד מוערך באופן מסורתי עם פולשני, ביופסיות שריר כואב ולאחר sympatholysis פונקציונלי עשויים להידרש עם הזרקת התוך עורקי של sympathomimetics ושל sympatholytics. גישה זו מונע דרישות אלה כולם יחד.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשיטות המתוארות בזאת מאפשרים הערכה לא פולשנית, קליני של hyperemia תגובתי, נוירו-וסקולריים צימוד והקיבולת שרירי השלד חמצוני ב ביקור במרפאה או מעבדה בודדת.
שיקולים קריטי
למרות NIRS חזקים יחסית, קל לשימוש, אוסף של נתונים אלה דורשות זהירות הצבת optodes ישירו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי אונ’ טקסס תכנית המחקר הבינתחומי ארלינגטון גרנט.
Materials
| Dual-channel OxiplexTS Near-infrared spectroscopy machine | Iss Medical | 101 | |
| NIRS muscle sensor | Iss Medical | 201.2 | |
| E20 Rapid cuff inflation system | Hokanson | E20 | |
| AG101 Air Source | Hokanson | AG101 | |
| Smedley Handgrip dynometer (recording) | Stolting | 56380 | |
| Powerlab 16/35, 16 Channel Recorder | ADInstruments | PL3516 | |
| Human NIBP Set | ADInstruments | ML282-SM | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE132 | |
| Quad Bridge Amp | ADInstruments | FE224 | |
| Connex Spot Monitor | Welch Allyn | 71WX-B | |
| Origin(Pro) graphing software | OrignPro | Pro | |
| Lower body negative pressure chamber | Physiology Research Instruments | standard unit |
References
- Huang, A. L., et al. Predictive value of reactive hyperemia for cardiovascular events in patients with peripheral arterial disease undergoing vascular surgery. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 27 (10), 2113-2119 (2007).
- Suryapranata, H., et al. Predictive value of reactive hyperemic response on reperfusion on recovery of regional myocardial function after coronary angioplasty in acute myocardial infarction. Circulation. 89 (3), 1109-1117 (1994).
- Richardson, R. S., et al. High Muscle Blood-Flow in Man – Is Maximal O2 Extraction Compromised. J of Appl Physiol. 75 (4), 1911-1916 (1993).
- Clifford, P. S., Hellsten, Y. Vasodilatory mechanisms in contracting skeletal muscle. J Appl Physiol. 97 (1), 393-403 (2004).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Jacobsen, T. N., Victor, R. G. Muscle metaboreflex triggers parallel sympathetic activation in exercising and resting human skeletal muscle. Am J Physiol. 266 (6 Pt 2), H2508-H2514 (1994).
- Thomas, G. D., Victor, R. G. Nitric oxide mediates contraction-induced attenuation of sympathetic vasoconstriction in rat skeletal muscle. J Physiol. 506 (Pt 3), 817-826 (1998).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Harris, S. A., Parsons, W. J., Victor, R. G. Differential sympathetic neural control of oxygenation in resting and exercising human skeletal muscle. J Clin Invest. 98 (2), 584-596 (1996).
- Rosenmeier, J. B., Fritzlar, S. J., Dinenno, F. A., Joyner, M. J. Exogenous NO administration and alpha-adrenergic vasoconstriction in human limbs. J Appl Physiol. 95 (6), 2370-2374 (2003).
- Fadel, P. J., Keller, D. M., Watanabe, H., Raven, P. B., Thomas, G. D. Noninvasive assessment of sympathetic vasoconstriction in human and rodent skeletal muscle using near-infrared spectroscopy and Doppler ultrasound. J Appl Physiol. 96 (4), 1323-1330 (2004).
- Nelson, M. D., et al. PDE5 inhibition alleviates functional muscle ischemia in boys with Duchenne muscular dystrophy. Neurology. 82 (23), 2085-2091 (2014).
- Nelson, M. D., et al. Sodium nitrate alleviates functional muscle ischaemia in patients with Becker muscular dystrophy. J Physiol. 593 (23), 5183-5200 (2015).
- Remensnyder, J. P., Mitchell, J. H., Sarnoff, S. J. Functional sympatholysis during muscular activity. Observations on influence of carotid sinus on oxygen uptake. Circ Res. 11, 370-380 (1962).
- Kodama, S., et al. Cardiorespiratory fitness as a quantitative predictor of all-cause mortality and cardiovascular events in healthy men and women: A meta-analysis. JAMA. 301 (19), 2024-2035 (2009).
- Westerblad, H., Place, N., Yamada, T., Rassier, D. E. . Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. , 279-296 (2010).
- Tyni-Lenné, R., Gordon, A., Jansson, E., Bermann, G., Sylvén, C. Skeletal muscle endurance training improves peripheral oxidative capacity, exercise tolerance, and health-related quality of life in women with chronic congestive heart failure secondary to either ischemic cardiomyopathy or idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J of Cardiol. 80 (8), 1025-1029 (1997).
- Cabalzar, A. L., et al. Muscle function and quality of life in the Crohn’s disease. Fisioter Mov. 30, 337-345 (2017).
- Esch, B. T., Scott, J. M., Warburton, D. E. Construction of a lower body negative pressure chamber. Adv Physiol Educ. 31 (1), 76-81 (2007).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Reynolds, M. A., McCully, K. K. A cross-validation of near-infrared spectroscopy measurements of skeletal muscle oxidative capacity with phosphorus magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 115 (12), 1757-1766 (2013).
- Ryan, T. E., Brophy, P., Lin, C. T., Hickner, R. C., Neufer, P. D. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy: a comparison with in situ measurements. J Physiol. 592 (15), 3231-3241 (2014).
- Adami, A., Rossiter, H. B. Principles, insights and potential pitfalls of the non-invasive determination of muscle oxidative capacity by near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. , (2017).
- Corretti, M. C., et al. Guidelines for the ultrasound assessment of endothelial-dependent flow-mediated vasodilation of the brachial artery – A report of the International Brachial Artery Reactivity Task Force. J Am Coll Cardiol. 39 (2), 257-265 (2002).
- Thijssen, D. H., et al. Assessment of flow-mediated dilation in humans: a methodological and physiological guideline. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 300 (1), H2-H12 (2011).
- Green, D. J., Jones, H., Thijssen, D., Cable, N. T., Atkinson, G. Flow-mediated dilation and cardiovascular event prediction: does nitric oxide matter?. Hypertension. 57 (3), 363-369 (2011).
- Southern, W. M., Ryan, T. E., Reynolds, M. A., McCully, K. Reproducibility of near-infrared spectroscopy measurements of oxidative function and postexercise recovery kinetics in the medial gastrocnemius muscle. Appl Physiol Nutr Metab. 39 (5), 521-529 (2014).
- Ryan, T. E., Erickson, M. L., Brizendine, J. T., Young, H. J., McCully, K. K. Noninvasive evaluation of skeletal muscle mitochondrial capacity with near-infrared spectroscopy: correcting for blood volume changes. J Appl Physiol. 113 (2), 175-183 (2012).
- Ryan, T. E., et al. Skeletal muscle oxidative capacity in amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 50 (5), 767-774 (2014).
- Mayeur, C., Campard, S., Richard, C., Teboul, J. L. Comparison of four different vascular occlusion tests for assessing reactive hyperemia using near-infrared spectroscopy. Crit Care Med. 39 (4), 695-701 (2011).
- McLay, K. M., et al. Vascular responsiveness determined by near-infrared spectroscopy measures of oxygen saturation. Exp Physiol. 101 (1), 34-40 (2016).
- McLay, K. M., Nederveen, J. P., Pogliaghi, S., Paterson, D. H., Murias, J. M. Repeatability of vascular responsiveness measures derived from near-infrared spectroscopy. Physiol Rep. 4 (9), (2016).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Brizendine, J. T., McCully, K. K. Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy. Med Sci Sports Exerc. 45 (12), 2346-2352 (2013).
- Southern, W. M., et al. Reduced skeletal muscle oxidative capacity and impaired training adaptations in heart failure. Physiol Rep. 3 (4), (2015).
- Ryan, T. E., Brizendine, J. T., McCully, K. K. A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. 114 (2), 230-237 (2013).
- Adami, A., Cao, R., Porszasz, J., Casaburi, R., Rossiter, H. B. Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD. Respir Physiol Neurobiol. 235, 18-26 (2017).
- Lacroix, S., et al. Reproducibility of near-infrared spectroscopy parameters measured during brachial artery occlusion and reactive hyperemia in healthy men. J Biomed Opt. 17 (7), 077010 (2012).
- Bopp, C. M., Townsend, D. K., Warren, S., Barstow, T. J. Relationship between brachial artery blood flow and total [hemoglobin+myoglobin] during post-occlusive reactive hyperemia. Microvasc Res. 91, 37-43 (2014).
- Willingham, T. B., Southern, W. M., McCully, K. K. Measuring reactive hyperemia in the lower limb using near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 21 (9), 091302 (2016).
- Kragelj, R., Jarm, T., Erjavec, T., Presern-Strukelj, M., Miklavcic, D. Parameters of postocclusive reactive hyperemia measured by near infrared spectroscopy in patients with peripheral vascular disease and in healthy volunteers. Ann Biomed Eng. 29 (4), 311-320 (2001).
- Gurley, K., Shang, Y., Yu, G. Noninvasive optical quantification of absolute blood flow, blood oxygenation, and oxygen consumption rate in exercising skeletal muscle. J Biomed Opt. 17 (7), 075010 (2012).
