Скелетных мышцах нервно-сосудистого муфта, окислительный потенциал и микрососудистой функция с «Одна остановка магазин» ближней инфракрасной спектроскопии
Summary
Здесь мы опишем простой, неинвазивная подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии для оценки реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и скелетных мышц окислительного потенциала в одно посещение клиники и лаборатории.
Abstract
Упражнение представляет основных гемодинамический стресс, который требует высоко скоординированных нейроваскулярных реакции для того чтобы сопрягать доставки кислорода к метаболических спроса. Реактивная гиперемия (в ответ на краткий период ишемии тканей) является независимым предиктором развития сердечно-сосудистых событий и предоставляет важную возможность заглянуть в сосудистого здоровья и сосудорасширяющих потенциала. Скелетных мышц окислительного потенциала столь же важную роль в здоровье и болезни, как он определяет энергоснабжения для myocellular процессов. Здесь мы опишем простой, неинвазивная подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии для оценки каждого из этих основных клинических конечных точек (реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и окислительной способности мышц) в течение одного посещения клиники и лаборатории. В отличие от ультразвуковой допплерографии, изображения/спектроскопия магнитного резонанса, или инвазивных потока на базе катетер измерения или биопсии мышц наш подход является менее зависит от оператора, лоу кост и полностью неинвазивной. Репрезентативных данных от нашей лаборатории, вместе с резюме данных из ранее опубликованной литературы проиллюстрировать полезность каждого из этих конечные точки. Как только освоил эту технику, применение клинического населения обеспечит важные механистический проницательность в нетерпимости упражнения и сердечно-сосудистой дисфункции.
Introduction
Гиперемирована ответ на краткий период ишемии тканей стала критерием неинвазивной сосудистой функции (микро). При окклюзии артерии каналом ниже по течению артериол расширяются в попытке компенсировать ишемического инсульта. После освобождения прикус снижение сосудистого сопротивления приводит гиперемия, величина которого определяется способностью распространяться вниз по течению microvasculature. В то время как реактивная гиперемия является сильным независимым предиктором сердечно-сосудистых событий1,2 и, следовательно, клинически значимых конечной точки, ее функциональное значение проявлять терпимость и качества жизни является менее ясным.
Действительно динамические упражнения представляет основных сердечно-стресс, который требует высоко скоординированных нейроваскулярных реакции для того чтобы сопрягать доставки кислорода к метаболических спроса. Например поток крови скелетных мышц может увеличить почти 100 раз во время изолированных мышечных сокращений3, который будет подавлять насосные мощности сердца, если такой гемодинамические реакции были экстраполированы для всего тела упражнения. Таким образом чтобы избежать тяжелой гипотензии, симпатичная(ый) (то есть, сосудосуживающие) нервной деятельности увеличивается до перераспределения сердечного выброса от неактивных и висцеральных тканей и к4активных скелетных мышц. Симпатичная(ый) отток также направлен на осуществление скелетных мышц5; Однако, местные метаболических сигнализации ослабляет сосудосуживающие реакции для того, чтобы обеспечить адекватные ткани кислорода доставки6,,78,9,10, 11. коллективно, этот процесс называется функциональной sympatholysis12и важно для нормального регулирования потока крови скелетных мышц во время физических упражнений. Поскольку поток крови скелетных мышц является одним из ключевых факторов аэробной способности — независимым предиктором качества жизни и заболевания сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности13— понимание контроля скелетных мышц кровью тканей и поток кислорода Доставка во время упражнения имеет большое клиническое значение.
Доставки кислорода является лишь половина уравнения Фика, однако, с использованием кислорода, удовлетворяющих другая половина уравнения. Среди основных брендовая использования кислорода, митохондриальных окислительного фосфорилирования играет важную роль в обеспечении надлежащего пополнения энергии для клеточных процессов как в состоянии покоя, так и во время физических упражнений. Действительно нарушениями в окислительной способности мышц может ограничить функциональные способности и качества жизни14,,1516. Различные меры обычно используются для предоставления индекс окислительного потенциала мышц, включая инвазивные мышечной биопсии и дорогим и трудоемким магнитно-резонансная спектроскопия (MRS) методы.
Здесь мы предлагаем роман, неинвазивная подход, использование ближней инфракрасной спектроскопии (НДО), для оценки каждого из этих трех основных клинических конечных точек (реактивная гиперемия, sympatholysis и окислительной способности мышц) в одно посещение клиники или лаборатории. Основные преимущества этого подхода три раза: во-первых, этот метод легко переносимым, относительно низкая стоимость и легко выполнять. Нынешние подходы ультразвуковой допплерографии для измерения реактивная гиперемия сильно зависит от оператора — требуя обширной навыков и профессиональной подготовки — и требуют данных сложных, дорогостоящих, приобретение оборудования и пост-обработки программного обеспечения. Кроме того это теоретически может быть введена в клинике и/или крупных клинических испытаний для прикроватный мониторинг или тестирования терапевтической эффективности. Во-вторых согласно методологии, эта техника конкретно нацелена на microvasculature скелетных мышц, увеличивая общую специфика техники. Альтернативные подходы, с помощью ультразвуковой допплерографии полностью сосредоточиться на вышестоящем каналом судов и вывести изменения, которые могут ослабить сигнал. В-третьих этот метод является полностью неинвазивной. Скелетных мышц окислительного потенциала традиционно оценивается с инвазивными и болезненные мышечные биопсии и функциональной sympatholysis могут быть оценены с внутри артериальной инъекции симпатомиметиков и sympatholytics. Этот подход позволяет избежать эти требования все вместе.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанные здесь методы позволяют неинвазивная, клинической оценки реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и скелетных мышц окислительного потенциала в одно посещение клиники и лаборатории.
Критические соображения
Хотя НИРС являетс…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Техасского университета в Арлингтоне междисциплинарных исследований программы грантов.
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).
