Couplage neurovasculaire Muscle squelettique, la capacité oxydative et microvasculaire fonction avec « One Stop Shop » de spectroscopie proche infrarouge
Summary
Nous décrivons ici une approche simple et non invasif, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge pour évaluer l’hyperémie réactive, couplage neurovasculaire et la capacité oxydative du muscle squelettique en une seule visite clinique ou un laboratoire.
Abstract
Exercice représente une contrainte majeure hémodynamique qui exige une réponse neurovasculaire hautement coordonnée afin de correspondre à l’apport d’oxygène à la demande métabolique. Hyperémie réactive (en réponse à une brève période d’ischémie tissulaire) est un facteur prédictif indépendant d’événements cardiovasculaires et donne un aperçu important de la santé vasculaire et capacité vasodilatatrice. La capacité oxydative du muscle squelettique est tout aussi importante dans la santé et la maladie, car elle détermine l’alimentation en énergie pour les processus myocellulaire. Nous décrivons ici une approche simple et non invasif, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge à évaluer chacun de ces paramètres cliniques majeurs (hyperémie réactive, couplage neurovasculaire et capacité oxydative du muscle) lors d’une visite clinique ou un laboratoire unique. Contrairement à l’échographie Doppler, images/spectroscopie de résonance magnétique, ou de mesures du débit de base de cathéter invasif ou biopsies musculaires, notre approche est moins dépendante des opérateur, peu coûteux et totalement non invasive. Des données représentatives de notre laboratoire avec des données de synthèse de la littérature publiée précédemment illustrent l’utilité de chacun de ces paramètres. Une fois que cette technique est maîtrisée, l’application aux populations cliniques fournira important aperçu mécaniste intolérance à l’exercice et trouble cardiovasculaire.
Introduction
La réponse hyperémique à une brève période d’ischémie tissulaire est apparue comme une clé mesure non invasive de la fonction vasculaire (micro). Durant l’occlusion d’une artère conduit, en aval artérioles se dilatent afin de compenser l’accident ischémique. Dès la sortie de l’occlusion, la diminution de la résistance vasculaire entraîne une hyperémie, dont l’ampleur est dictée par sa capacité à se dilater la microcirculation en aval. Hyperémie réactive est un prédicteur indépendant des événements cardiovasculaires1,2 et, par conséquent, un point de terminaison cliniquement significative, son importance fonctionnelle faire preuve de tolérance et la qualité de vie est moins claire.
En effet, l’exercice dynamique représente un stress cardiovasculaire majeur qui exige une réponse neurovasculaire hautement coordonnée afin de correspondre à l’apport d’oxygène à la demande métabolique. Par exemple, le débit sanguin musculaire squelettique peut augmenter presque 100 fois pendant le muscle isolé des contractions3, qui submergerait la capacité de pompage du cœur, si une telle réponse hémodynamique ont été extrapolée à l’exercice de l’ensemble du corps. Par conséquent, pour éviter une hypotension grave, sympathique (c.-à-d., vasoconstricteur) activité nerveuse augmente pour redistribuer le débit cardiaque de tissus inactifs et viscérales et vers les muscles squelettiques active4. Débit sympathique visent aussi à l’exercice du muscle squelettique5; Toutefois, la signalisation métabolique local atténue la réponse vasoconstrictrice afin d’assurer le tissu adéquat d’oxygène livraison6,7,8,9,10, 11. collectivement, ce processus s’appelle fonctionnelle sympatholysis12et est indispensable à la régulation normale de la circulation sanguine du muscle squelettique au cours de l’exercice. Étant donné que la circulation sanguine du muscle squelettique est un élément déterminant de la capacité aérobie — un facteur prédictif indépendant de la qualité de vie et maladies cardiovasculaires de la morbidité et la mortalité13— comprendre le contrôle de l’oxygène dans le sang du muscle squelettique flux et tissus livraison au cours de l’exercice est d’une grande importance clinique.
L’apport d’oxygène est seulement la moitié de l’équation de Fick, cependant, avec l’utilisation de l’oxygène satisfaire l’autre moitié de l’équation. Parmi les principaux déterminants de l’utilisation de l’oxygène, la phosphorylation oxydative mitochondriale joue un rôle essentiel dans la fourniture d’énergie suffisante pour les processus cellulaires aussi bien au repos et au cours de l’exercice. En effet, une déficience de la capacité oxydative du muscle peut limiter fonctionnelle capacité et qualité de vie14,15,16. Diverses mesures sont couramment utilisés pour fournir un indice de la capacité oxydative musculaires, y compris les biopsies musculaires envahissantes et les techniques de spectroscopie de résonance magnétique et coûteux.
Ici, nous proposons une approche innovatrice et non invasif, à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge (NIRS), à évaluer chacun de ces trois paramètres cliniques majeurs (hyperémie réactive, sympatholysis et la capacité oxydative du muscle) en une seule visite clinique ou un laboratoire. Les principaux avantages de cette approche sont de trois ordres : tout d’abord, cette technique est facile à transporter, relativement bon marché et facile à exécuter. Les approches actuelles de l’échographie Doppler pour mesurer l’hyperémie réactive sont très dépendants de l’opérateur — nécessitant de vastes compétences et de formation — et exige des données sophistiqué et coûteux, acquisition matériel et post-traitement logiciel. En outre, cela en théorie pourrait être introduite dans la clinique et/ou importants essais cliniques pour chevet ou test efficacité thérapeutique. Deuxièmement, en vertu de la méthodologie, cette technique se concentre spécifiquement sur la microcirculation de muscle squelettique, augmentant la spécificité globale de la technique. Approches alternatives en utilisant des ultrasons Doppler se concentrent entièrement sur les navires conduit en amont et en aval, des changements qui peuvent atténuer le signal en déduire. En troisième lieu, cette technique est totalement non invasive. La capacité oxydative du muscle squelettique est traditionnellement évaluée avec envahissantes et biopsies musculaires douloureux et sympatholysis fonctionnelle peut être évalué avec une injection intra-artérielle de sympathomimétiques et sympatholytiques. Cette approche évite ces exigences tous ensemble.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les méthodes décrites dans les présentes permettent une évaluation non invasive, clinique d’hyperémie réactive, couplage neurovasculaire et la capacité oxydative du muscle squelettique en une seule visite clinique ou un laboratoire.
Considérations critiques
Bien que la NIRS est relativement robuste et facile à utiliser, collecte de ces données nécessitent attention mise en place de l’optodes directement sur le ventre du muscl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par une Université du Texas à la subvention du programme de recherche interdisciplinaire Arlington.
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 |
Referências
- 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).
