Summary
Hier beschrijven we een eenvoudige, niet-invasieve benadering met behulp van nabij-infrarood spectroscopie en moeten beoordelen reactieve hyperemia, neurovasculaire koppeling skeletspieren oxidatieve capaciteit een enkel bezoek kliniek of laboratorium.
Abstract
Oefening vertegenwoordigt een belangrijke hemodynamische stress die vraagt om een reactie van sterk gecoördineerde neurovasculaire te voldoen van de zuurstoftoevoer naar de metabole vraag. Reactieve hyperemia (in antwoord op een korte periode van weefsel ischemie) is een onafhankelijke voorspeller voor cardiovasculaire gebeurtenissen en belangrijk inzicht verschaffen in vasculaire gezondheid en vasodilatory capaciteit biedt. Skeletspieren oxidatieve capaciteit is even belangrijk bij gezondheid en ziekte, zoals het bepaalt de energievoorziening voor myocellular processen. Hier beschrijven we een eenvoudige, niet-invasieve benadering nabij-infrarood spectroscopie met elk van deze belangrijke klinische eindpunten (reactieve hyperemia, neurovasculaire koppeling en spier oxidatieve capaciteit) tijdens een interne kliniek of laboratorium bezoek te beoordelen. In tegenstelling tot Doppler echografie, magnetische resonantie beelden/spectroscopie, of invasieve katheter gebaseerde stroom metingen of spier biopsieën is onze aanpak minder afhankelijk van de exploitant, lage kosten, en volledig niet-invasieve. Representatieve gegevens uit ons lab samen met samenvattingsgegevens uit eerder gepubliceerde literatuur illustreren het nut van elk van deze eindpunten. Zodra deze techniek is de knie, toepassing op klinische populaties zal belangrijke mechanistische inzicht bieden in oefening intolerantie en cardiovasculaire dysfunctie.
Introduction
Het hyperemic antwoord op een korte periode van weefsel ischemie heeft ontpopt als een belangrijke niet-invasieve maatregel van (micro) vasculaire functie. Tijdens occlusie van een slagader conduit verwijden downstream arteriolen in een poging om te compenseren de ischemische belediging. Na het uitbrengen van de occlusie, de verminderde vasculaire weerstand resulteert in hyperemia, de omvang van die wordt gedicteerd door iemands vermogen om te verwijden de stroomafwaarts microvasculature. Terwijl reactieve hyperemia een sterke onafhankelijke voorspeller voor cardiovasculaire gebeurtenissen1,2 en daarom een klinisch significante eindpunt is, is haar functionele betekenis uit te oefenen van tolerantie en kwaliteit van leven minder duidelijk.
Inderdaad, dynamische oefening vertegenwoordigt een belangrijke cardiovasculaire stress die vraagt om een reactie van sterk gecoördineerde neurovasculaire te voldoen van de zuurstoftoevoer naar de metabole vraag. Skeletspieren bloedstroom kan bijvoorbeeld, bijna 100-fold verhogen tijdens geïsoleerde spier samentrekkingen3, die de pompen capaciteit van het hart overweldigen zou als een dergelijk hemodynamische antwoord werden geëxtrapoleerd naar hele lichaam-oefening. Dienovereenkomstig, om te voorkomen dat ernstige hypotensie, sympathieke (dat wil zeggen, vasoconstrictor) nerveus activiteit toenames te herdistribueren van de cardiale output uit de buurt van inactieve en viscerale weefsels en naar actieve skeletspieren4. Sympathieke uitstroom is ook gericht op de uitoefening van skeletspieren5; echter, plaatselijke metabolische signalering verzwakt de vasoconstrictor reactie met het oog op voldoende weefsel zuurstof levering6,7,8,9,10, 11. collectief, dit proces heet functionele sympatholysis12, en is noodzakelijk om de normale regulering van skeletspieren doorbloeding tijdens de training. Aangezien skeletspieren doorbloeding een belangrijke determinant van aërobe capaciteit is — een onafhankelijke voorspeller van levenskwaliteit en hart-en vaatziekten morbiditeit en mortaliteit13— begrip van de controle van de skeletspieren bloed stroom en weefsel zuurstof levering tijdens de oefening is van grote klinische betekenis.
Zuurstoftoevoer is slechts de helft van de vergelijking van Fick, echter met gebruik van de zuurstof die voldoet aan de andere helft van de vergelijking. Onder de grote determinates voor zuurstof gebruik, Mitochondriale oxidatieve fosforylatie speelt een essentiële rol bij het verstrekken van voldoende energie voor cellulaire processen zowel in rust en tijdens het sporten. Inderdaad, bijzondere waardeverminderingen in spier oxidatieve capaciteit kunnen beperken functionele capaciteit en kwaliteit van leven14,15,16. Verschillende maatregelen worden vaak gebruikt om een index van de spier oxidatieve capaciteit, met inbegrip van invasieve muscle biopsies en kostbare en tijdrovende magnetische resonantie spectroscopie (MRS) technieken.
Hier stellen wij een aanpak van nieuwe, niet-invasieve, nabij-infrarood spectroscopie (NIRS), met elk van deze drie belangrijke klinische eindpunten (reactieve hyperemia, sympatholysis en spier oxidatieve capaciteit) te beoordelen in een enkel bezoek kliniek of laboratorium. De belangrijkste voordelen van deze aanpak zijn drieledig: ten eerste, deze techniek is gemakkelijk draagbaar, relatief goedkope en gemakkelijk uit te voeren. Huidige benaderingen van Doppler echografie voor het meten van reactieve hyperemia zijn sterk afhankelijk van de operator — vereisen grote vaardigheid en opleiding — en verfijnde, hoge kosten, data acquisitie hardware en post-processing software nodig. Dit zou bovendien denkbaar in de kliniek en/of grote klinische proeven voor bed controle of testen van de therapeutische werkzaamheid worden binnengebracht. Ten tweede, op grond van de methodologie, deze techniek richt zich specifiek op de microvasculature van de skeletspieren, verhoging van de algehele specificiteit van de techniek. Alternatieve benaderingen met behulp van Doppler echografie focus volledig op de upstream conduit vaartuigen en afleiden veranderingen stroomafwaarts, die het signaal kunnen temperen. Ten derde, deze techniek is volledig niet-invasief. Skeletspieren oxidatieve capaciteit is traditioneel beoordeeld met invasieve en pijnlijke spier biopsieën, en functionele sympatholysis kunnen worden beoordeeld met intra-arteriële injectie van sympathomimetica en sympatholytics. Deze aanpak voorkomt deze eisen allemaal samen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dit protocol volgt de richtsnoeren van de institutionele review board aan de Universiteit van Texas in Arlington en voldoet aan de normen die door de nieuwste versie van de verklaring van Helsinki. Dienovereenkomstig, schriftelijke geïnformeerde toestemming was (en moet) verkregen vóór de aanvang van onderzoek procedures.
1. instrumentation
Opmerking: De volgende beschrijving van de instrumentatie is gebaseerd op het nabij-infrarood (NIR) spectrometer en data-acquisitiesysteem gebruikt in ons lab (Zie Tabel van materialen). Dus, de instructies omvatten stappen die nodig voor de optimale functie van deze apparaten zijn. Deze stappen omvatten de kalibratie van de NIR-sonde met behulp van de bijbehorende software en kalibratie phantom en de toepassing van een donker doek uit te sluiten van omgevingslicht. In het geval dat verschillende gegevens verzameling hardware en/of software worden gebruikt, moeten de onderzoekers hun eigen specifieke gebruikershandleidingen voor kalibratie en ambient licht overwegingen raadplegen. Figuur 1 illustreert de experimentele opstelling en instrumentatie onmiddellijk hieronder beschreven.
- Instrueer het onderwerp te liggen met hun benen liggende binnen een tweede lichaam negatieve druk (LBNP) kamer (figuur 1A), zodat hun gordel lijn ongeveer zelfs met de opening naar het vak LBNP is. Zie voor instructies over het bouwen van een LBNP kamer verwijzingen17.
- Drie elektrocardiogram elektroden plaatsen over het onderwerp: twee in een inferieur, midclaviculaire locatie en één over het onderwerp de linkerkant mediale op de iliacale kuif. Deze configuratie biedt de beste resultaten als gevolg van de beperkte toegang tot de onderste ledematen, instrumentatie van de bovenste ledematen, en de armbeweging tijdens de handgreep oefening.
- Plaats een niet-invasieve bloeddruk monitor module op de dominante pols van het onderwerp. Plaats de vinger bloeddruk manchetten op elke vinger en sluit ze aan op de module (figuur 1B). Zorg ervoor dat de vinger bloeddruk manchetten correct zijn gekalibreerd volgens de handleiding bij het apparaat is.
- Instrueer het onderwerp te begrijpen een handgreep dynamometer (HGD) met hun niet-dominante arm in een enigszins ontvoerde positie. De arm moet comfortabel worden geplaatst op een nachtkastje. De afstand en de hoek van de HGD moeten worden aangepast om voor optimale grip sterkte met minimale armbeweging (Figuur 1 c).
- Beveilig de HGD aan een nachtkastje.
- Meet de maximale vrijwillige contractie (MVC) van de deelnemer. Vertellen de deelnemer dat, wanneer daarom wordt gevraagd, ze moeten squeeze het HGD zo hard mogelijk terwijl alleen gebruik te maken van de spieren in de hand en de onderarm. Met deze opdracht kunt u het onderwerp geven op dat zij zich onthouden moeten van het werven van hun bovenarm, borst, schouder of buikspieren aan te spannen bij het uitvoeren van de maximale grip.
- Herhaal stap 1.6 driemaal, gescheiden door tenminste 60 s. Record de maximale kracht bereikt (beste van 3). Deze maximale kracht worden gebruikt voor het berekenen van de trainingsintensiteit voor oxidatieve capaciteit van de skeletspieren en neurovasculaire koppeling (zie hieronder).
- Plaats een snelle-inflatie manchet rond de bovenarm van de uitoefening hand. Sluit de luchtvaartmaatschappij van de snelle inflatie controller aan de manchet.
- De musculus flexor digitorum profundus identificeren. Gebruik een marker van de huid af te bakenen de grenzen van de spier voelbaar.
- Zorg ervoor dat de NIR-spectrometer correct is gekalibreerd volgens de gebruikershandleiding die bij uw apparaat worden geleverd. Reinig de huid waarlangs de NIR-sonde zal worden geplaatst met een alcohol prep wisser.
- Plaats van de NIR-sonde boven het midden van de buik van de spier (musculus flexor digitorum profundus) en brengt deze tag veilig aan de onderarm.
- Wikkel de sonde en onderarm met donkere doek, minimaliseren van de interferentie van omgevingslicht (Figuur 1 c, 1 d de figuur).
- Als u klaar bent om uit te voeren van het functionele sympatholysis gedeelte van de studie, zegel het onderwerp in de LBNP-zaal.
2. de skeletspieren oxidatieve capaciteit
Opmerking: Een representatieve gegevens traceren ter illustratie van de experimentele procedure voor het meten van de skeletspieren oxidatieve capaciteit is afgebeeld in figuur 2. Deze experimentele aanpak is eerder gevalideerd tegen in vivo fosfor MRS18 en in situ spier respirometrie19, en brede acceptatie20wint.
- Instrument het onderwerp zoals hierboven (instrumentatie) aangegeven.
- Instrueer het onderwerp te liggen nog voor 2 min terwijl toezicht op deoxyhemoglobin (HHb) en oxyhemoglobin (HbO2) via de NIR-sonde.
Opmerking: Deze rusttijd kan het onderwerp om te herstellen van een artefact van de beweging verbonden aan het proces instrumentatie, en zorgt voor een stabiele basislijnmetingen. Als na 2 min geen aanzienlijke schommelingen hebben plaatsgevonden, kan het onderwerp worden overwogen bij een stabiele toestand, of rust basislijn. - Vóór manchet occlusie, kennis uw onderwerp dat u zal worden het oppompen van de manchet. Opblazen van de bovenarm manchet ten minste 30 mmHg boven de systolische bloeddruk gedurende 5 minuten (dat wil zeggen, suprasystolic). Instrueer het onderwerp zo te houden hun arm stil en ontspannen mogelijk zowel tijdens de manchet inflatie en deflatie voor volgende manchet.
Opmerking: Deze 5 min brachialis slagader manchet occlusie protocol heeft nauw weerspiegelt dat de momenteel aanvaarde klinische voor vasculaire occlusie standaardtests21,22,23,24,25. - Opnemen van de initiële/basislijn waarde (vóór manchet occlusie) en de waarde van de nadir van weefsel verzadiging (StO2) tijdens de manchet occlusie en bepaal het middelpunt tussen deze twee waarden.
- Het toestaan van het onderwerp om te herstellen van de manchet occlusie en terugkeren naar de rust basislijnwaarden. Zodra het onderwerp een rust basislijn voor ten minste 1 volledige min onderhoudt, verder met de volgende stap.
- Instrueren onderworpen aan squeeze en onderhouden van een isometrische handgreep op 50% van hun MVC. Het aanmoedigen van het onderwerp om te handhaven hun isometrische contractie totdat het weefsel desaturates met 50%. Na het verkrijgen van deze waarde, vertellen van het onderwerp om te ontspannen hun hand en hen te informeren dat niet meer uitoefenen of verkeer nodig is.
- Binnen 3-5 s volgende oefening stopzetting, beheren van de volgende reeks van snelle manchet occlusie (één reeks = 1 inflatie + 1 deflatie), als eerder vastgestelde18:
Serie #1 - 6: 5 s op/5 s uit
Serie #7 - 10: 7 s op/10 s uit
Reeks #11-14:10 s op/15 s uit
Reeks #15-18:10 s op/20 s uit - Na het voltooien van de 18th inflatie/deflatie serie, instrueren het onderwerp om te rusten, waardoor weefsel verzadiging terug te keren naar de eerste basislijnwaarden. Nadat deze waarden zijn gebleven consistent gedurende ten minste 2 minuten, herhaalt u stappen 2.4 en 2.5.
-
Berekening van de skeletspieren oxidatieve capaciteit
- Berekenen van de helling van de verandering in de StO-2voor elk van de individuele 18 manchet occlusie, vorming van de monoexponential herstel punten geïllustreerd in figuur 2C.
- Passen de berekende gegevens van 2,7 tot en met de volgende monoexponential kromme18,19,26
y = einde - Δ x e-kt
Opmerking: 'y' is de relatieve spier zuurstof verbruik tarief (mV̇O2) tijdens de manchet inflatie, 'Beëindigen' vertegenwoordigt de mV̇O2 onmiddellijk na de beëindiging van de oefening; Delta ('Δ') betekent de verandering in mV̇O2 van rest aan het einde van oefening; 'k' is de montage tarief constante; 't' is tijd. Tau wordt berekend als 1/k.
3. de reactieve Hyperemia
Opmerking: Een representatieve gegevens traceren ter illustratie van de experimentele procedure voor het meten van reactieve hyperemia is afgebeeld in Figuur 3.
- Met het onderwerp liegen liggende en geïnstrumenteerde instrueren zoals beschreven hierboven (instrumentatie), het onderwerp te liggen zo stil mogelijk.
- Zodra het onderwerp een consistente rusttoestand bereikt heeft, blijven opnemen van ten minste 1 min. van basisgegevens en vervolgens snel opblazen een bloeddruk manchet op de bovenarm aan de druk van een suprasystolic (30 mmHg boven de systolische bloeddruk).
- Op de 5 minuten merk, snel leeglopen van de manchet tijdens het opnemen van de hyperemic reactie.
- Blijven opnemen voor ten minste 3 min om vast te leggen van de certificaathouder herstel.
-
Berekening van reactieve Hyperemia
Opmerking: De NIRS parameters berekend zijn afgebeeld in figuur 3.- Bereken basislijn StO2 als de gemiddelde StO2 over 1 volledige min voorafgaande aan het intreden van arteriële manchet occlusie.
- Bepaalt de rust stofwisseling van de skeletspieren als de desaturatie tarief (d.w.z., gemiddelde helling) tijdens manchet occlusie (gedefinieerd als helling 1)27,28.
- Reactieve hyperemia als volgt berekenen:
a) de gemiddelde buigpunten na de manchet release (dat wil zeggen, reperfusie tarief, gedefinieerd als de helling 2), berekend vanaf het moment van manchet release via de lineair stijgende fase van de rebound sporen;
b) de hoogste StO2 waarde bereikt na manchet release (aangeduid als StO2max);
c) de reactieve hyperemia gebied onder de curve (AUC); berekend vanaf het moment van manchet release 1-, 2- en 3-min post manchet-occlusie (AUC 1-min, AUC 2-min, en AUC 3-min, respectievelijk); en
d) de hyperemic reserveren, als de verandering in StO2 boven de basislijn berekend en gerapporteerd als een verandering van het percentage (%). Deze waarde wordt berekend als het hoogste verzadiging bereikt tijdens de post occlusieve rebound verminderd met de gemiddelde verzadiging berekend in stap 3.5.1 (zie hierboven).
Opmerking: Grote verschillen in de basislijngegevens zal grote invloed hebben op de interpretatie van de hyperemic reserve.
4. functionele Sympatholysis
Opmerking: Een representatieve gegevens traceren ter illustratie van de experimentele procedure voor het meten van functionele sympatholysis is afgebeeld in Figuur 4.
- Instrument het onderwerp zoals hierboven (instrumentatie) aangegeven.
- Zorgen voor een luchtdichte zegel in de LBNP-zaal.
- Met het onderwerp liggen nog steeds en onbeweeglijk, 3 min van basisgegevens te verzamelen.
- Op de 3 min merk, zet het vacuüm. Het vacuüm zodanig aanpassen dat de druk binnen de LBNP kamer tussen-20 en -30 mmHg is. Laat het vacuüm te lopen gedurende 2 minuten terwijl het toezicht op de reactie van het onderwerp.
- Op de 5 minuten merk, uitschakelen van het vacuüm en laten het onderwerp om te rusten gedurende 3 minuten.
- Op de 8 min merk, starten de stem prompt het onderwerp door de ritmische handgreep oefening begeleiden (20% MVC).
- Bevestigen dat het onderwerp hun squeeze in het geheel van elke aangrijpend fase handhaaft en volledig tijdens tussen elke herhaling ontspannen. Toezicht op de uitvoer van hun kracht en bevestigen dat zij 20% bereiken MVC met elke grip. Ga verder met training tot het mark 11 min.
- Zet op de 11 min merk, het stimuleren van het onderwerp te blijven hun ritmische oefening vacuüm. Laat het vacuüm van 11-13 min, vervolgens zwenking op vandoor.
- Hebben het onderwerp blijven uitvoeren van ritmische handgreep oefening bij 20% van hun MVC voor een extra 2 min. Bij stopzetting van de oefening, rustig de rest van het onderwerp hebben en nog steeds liggen.
-
Berekening van de functionele Sympatholysis
- Normaliseren van de verandering in oxyhemoglobin met LBNP op het totale labile signaal (TLS), bepaald tijdens de 5 min manchet occlusie:
- Elk evenement berekend als het gemiddelde van de laatste 20 min van elk evenement.
- Bereken de oefening-veroorzaakte demping van de vermindering van de oxyhemoglobin:
- Normaliseren van de verandering in oxyhemoglobin met LBNP op het totale labile signaal (TLS), bepaald tijdens de 5 min manchet occlusie:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Oxidatieve capaciteit van skeletspieren
Figuur 2 illustreert een representatieve deelnemer reactie tijdens een beoordeling van de oxidatieve capaciteit NIRS-afgeleide skeletspieren. Deelvenster A toont het weefsel verzadiging profile tijdens een 5 min arteriële manchet occlusie protocol, handgreep oefening en intermitterende arteriële occlusie tijdens het herstel van oefening. Deelvenster B illustreert het verwachte weefsel desaturatie/re-saturation-profiel tijdens de intermitterende arteriële occlusie tijdens de herstelperiode. Het tempo van de desaturatie is recht evenredig met het aantal spier zuurstofverbruik en wordt uitgezet in deelvenster C voor elk van de perioden van intermitterende manchet occlusie. De berekende spier zuurstof verbruiksgegevens herstel is dan passen aan een monoexponential curve en het herstel tijdconstante afgeleid. Met behulp van dezelfde benadering, hebben een groeiend aantal studies geëvalueerd van skeletspieren oxidatieve capaciteit voor zowel gezondheid en ziekte, in allerlei spiergroepen (tabel 1).
Reactieve Hyperemia
Figuur 3 toont de NIRS-afgeleide reactieve hyperemia profiel tijdens een representatieve vasculaire occlusie test. Deze zelfde benadering is gebruikt in een breed scala aan studie populaties en spiergroepen met goed succes (tabel 2). De gegevens wijzen erop dat NIRS-afgeleide reactieve hyperemia levert niet alleen een waardevol inzicht geven in vasculaire reactiviteit, maar dat de test eenvoudig aan te passen en klinisch zinvol is.
Functionele Sympatholysis
Tabel 3 geeft een overzicht van de bestaande literatuur met behulp van de exacte dezelfde neurovasculaire koppeling aanpak hierin beschreven voor het meten van de functionele sympatholysis, tonen zowel mechanistische en klinisch relevante uitkomsten. In gezonde controle onderwerpen, wanneer LBNP milde handgreep, staat bovenop is de reflex afname van de oxygenatie van de spier verzwakt door ~ 50% (Figuur 4). Falen om te verzachten sympathiek (vasoconstrictor) zenuw activiteit tijdens de training, net als bij cardiovasculaire of neurologische ziekte (tabel 3), verstoort het evenwicht tussen het zuurstof levering en gebruik, en zorgt ervoor dat functionele spier ischemie.
Figuur 1. Experimentele opstelling en instrumentatie. (A) representatieve experimentele opstelling, met een typische onderwerp liggende op een bed met hun benen in de LBNP kamer en volledig geïnstrumenteerde liggen. (B) dominante arm geïnstrumenteerd met een niet-invasieve beat-to-beat bloeddruk apparaat voor arteriële bloeddruk beat-to-beat meting en een brachialis slagader bloeddruk manchet voor de calibratie and verificatie van de beat-to-beat-systeem. (C) instrumentatie van de niet-dominante arm. De hand is een rollenbank van de handgreep (verbonden met de data-acquisitiesysteem) comfortabel aangrijpend, en de spieren van de onderarm is geïnstrumenteerd met de sonde nabij-infrarood spectroscopie. (D) zodra geïnstrumenteerd, de NIRS-optodes zijn bedekt met een zwart vinyl doek (te elimineren interferentie van omgevingslicht). Daarnaast wordt een snelle manchet inflatie systeem geplaatst over de brachialis slagader. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2. Skeletspieren oxidatieve capaciteit protocol. (A) ruwe gegevens traceren van een representatieve onderwerp gemeten via NIRS, tonen weefsel verzadiging (StO2) na verloop van tijd. Na de oprichting van een stabiele basislijn, is de brachialis slagader van de niet-dominante arm geroteerd gedurende vijf minuten teneinde de certificaathouder desaturatie reserve (verschil tussen de basislijn StO2 en de nadir). Na herstel van de occlusie, wordt het onderwerp opgedragen om uit te voeren een isometrische handgreep van 50%, gevolgd door 18 snelle manchet inflatie serie te beoordelen spier zuurstof verbruik herstel kinetiek. (B) gegevens vervolgens offline analyse is uitgevoerd door het berekenen van de gemiddelde helling van elke manchet occlusie serie volgende uitoefenen; hier geïllustreerd met behulp van hypothetische manchet occlusie reeksgegevens. (C) om het berekenen van de constante van spier oxygenatie het herstel, de helling van elk van de 18 occlusie van de snelle manchet (dat wil zeggen, spier van de post-oefening zuurstofverbruik, mV̇O2) van A is uitgezet tegen de tijd en passen bij een monoexponential de curve. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3. Reactieve hyperemia experimentele protocol. Met het onderwerp liegen liggende, opnemen ten minste 1 min. van basisgegevens, gevolgd door 5 min van totale arteriële manchet occlusie, en ten minste 3 min van herstel na de release van de manchet. Opmerking de duidelijke overlap tussen de skeletspieren oxidatieve capaciteit (Figuur 2) en dit protocol. 'Baseline' definieert de periode voorafgaand aan de arteriële manchet occlusie. ' Helling 1' definieert u de snelheid van de desaturatie tijdens manchet occlusie, en wordt beschouwd als een maatregel van rust stofwisseling van de skeletspieren. De laagste StO2 waarde verkregen tijdens ischemie wordt gedefinieerd als ' StO2 minimale ', en wordt beschouwd als een maatregel van de ischemische stimulus aan vasodilate. Het weefsel verzadiging reperfusie tarief wordt aangeduid als 'Helling 2', en is een index van reactieve hyperemia; net als StO2 maximaal en de reactieve hyperemia 'gebied onder de curve' (AUC). Om inzicht te krijgen in de hyperemic reserve, wordt de StO2 maximale uitgedrukt als een procentuele verandering van de basislijn. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4. Functionele sympatholysis experimentele protocol. Linker paneel: onbewerkte gegevens traceren van een representatieve onderwerp. Met het onderwerp liggende liggen in de LBNP-zaal, toestaan 3 min van verzamelen van de gegevens van de basislijn van de stationaire toestand. Schakel LBNP -20 mmHg voor 2 min. Oxyhemoglobin/myoglobine moet afnemen in reactie op de reflex sympathische vasoconstrictie (blauwe cirkel, schaduwrijke plek). Laat 2 min voor herstel. Vragen van het onderwerp om de oefening van de ritmische handgreep op 20% MVC (gemeten vóór het verzamelen van gegevens). Na 3 min van ritmische oefening, herhaal-20 mmHg LBNP gedurende 2 minuten terwijl het onderwerp uitoefenen blijft, gevolgd door 2 min van de oefening zonder LBNP. De afname van de oxyhemoglobin/myoglobine moet aanzienlijk verzwakte (rode cirkel, schaduwrijke plek). Als het niet reeds uitgevoerd, opblazen een bloeddruk manchet over de brachialis slagader van de uitoefening arm voor 5 min om de certificaathouder desaturatie aantal. Merk op dat de gearceerde gebieden in de afbeelding zijn alleen bedoeld om te markeren van de wijzigingen in oxyhemoglobin/myoglobine; Zie protocol voor meer informatie over het analyseren van de resultaten variabelen die worden gebruikt voor het berekenen van de sympatholysis. Rechter paneel: LBNP-geïnduceerde veranderingen in oxyhemoglobin/myoglobine in rust en tijdens de training van de handgreep berekend op basis van de gegevens aan de linkerkant. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Verwijzingsgegevens/Set | Studie bevolking | Steekproefgrootte (n) |
Leeftijd van de deelnemers (jaar ± SD) |
Tau (τ) (s) |
Spiergroep | Variabele NIRS gemeld | Apparaat |
| Brizendine et al. (2013) | Duursporters | 8 | 25 ± 3 | 19 | Musculus vastus lateralis | HBdiff/total blood volume | Continu Golf (Oxymon MK III) |
| Ryan et al. (2014) | Jonge, gezonde | 21 | 26 ± 2 | 55 | Musculus vastus lateralis | HHb | Continu Golf (Oxymon MK III) |
| Zuidelijke et al. (2015) | Ouderen | 23 | 61 ± 5 | 63 | Pols flexor | HBdiff | Continu Golf (Oxymon MK III) |
| Ouderen + hartfalen | 16 | 65 ± 7 | 77 | Pols flexor | Continu Golf (Oxymon MK III) |
||
| Adami et al. (2017) | Rokers met normale spirometrie | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediale onderarm | Weefsel verzadiging index (TSI) | Continu Golf (Portamon) |
| COPD Gold 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediale onderarm | Continu Golf (Portamon) |
||
| Erickson et al. (2013) | Dwarslaesie | 9 | 43 ± 11 | 143 | Musculus vastus lateralis | HbO2 | Continu Golf (Oxymon MK III) |
Tabel 1: Overzicht van de eerder gepubliceerde rapporten over de gezondheid continuüm met behulp van nabij-infrarood spectroscopie voor het meten van de skeletspieren oxidatieve capaciteit.
| Referentie | Studie bevolking | Spiergroep | Gerapporteerde resultaten | Waarde van de resultaten |
| Lacroix, J Biomed kiezen, 2012 | Gezonde mannen | Onderarm | Piek Oxyhemoglobin | 28.05 ± 3.15 ΜM |
| Piek totale hemoglobine | 10.56 ± 1.80 ΜM | |||
| Verhogen naar Peak-HbO2 | 0,75 ± 0,22 μM/s | |||
| Verhogen naar Peak totale Hb | 0.52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Perifere vaatziekten | Onderarm | Zuurstofverbruik | 0.68 ± 0,04 mL/min |
| Tijd tot een hoogtepunt | 153 ± 16 s | |||
| Maximale Absolute verandering in HbO2 | 2,93 ± 0,22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, reanimatie, 2012 | Post cardiale arrestatie ICU Admittants | Duimmuis Eminence | Desaturatie tarief | -5.6 ± 2 %/min |
| Resaturation tarief | 0,9 ± 0,6 %/sec | |||
| Dimopoulos, Respir zorg, 2013 | Longslagader hypertensie | Duimmuis Eminence | Basislijn verzadiging met 21% O2 | 65.8 ± 14,9% |
| O2 Tarief van het verbruik met 21% O2 | 35.3 ± 9.1 %/min | |||
| Reperfusie tarief met 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, Am J Physiol hart Circ Physiol, 2007 | Orgaanfalen & Sepsis | Onderarm | Basislijn verzadiging | 84% |
| Heroxygenatie tarief | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit zorg Med, 2011 | Septische Shock | Duimmuis Eminence | Basislijn verzadiging | 80 ± 1,0% |
| Desaturatie helling | -9.8 ± 3.7 %/min | |||
| Herstel helling | 2.3 ± 1.4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Gezonde mannen | Tibialis Anterior | Basislijn verzadiging | 71.3 ± 2,9% |
| Minimale verzadiging | 44.8 ± 8,6% | |||
| Desaturatie helling | -0,1 ± 0,03 %/s | |||
| Herstel helling | 1,63 ± 0,5 %/s | |||
| Piek verzadiging | 82,6 ± 2,3% | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Gezonde mannen | Tibialis Anterior | Basislijn verzadiging | 71.1 ± 2,4% |
| Minimale verzadiging | 46.2 ± 7,5% | |||
| Piek verzadiging | 82,1 ± 1,4% | |||
| Herstel helling | 1,32 ± 0.38 %/s |
Tabel 2: Overzicht van de eerder gepubliceerde rapporten over de gezondheid continuüm met behulp van nabij-infrarood spectroscopie voor het meten van reactieve hyperemia.
| Referentie | Studie bevolking | % Demping |
| Nelson MD, J. Physiol, 2015 | Gezonde | -57 |
| Becker spierdystrofie | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Gezonde | -93 |
| Hypertensie | -14 | |
| Fadel, J. Physiol, 2004 | Pre menopauze | -84 |
| Post-menopauze | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Gezonde | -74 |
| Duchenne spierdystrofie | . HALSLENGTE + 7 | |
| Nelson MD, neurologie, 2014 | Gezonde | -54 |
| Duchenne spierdystrofie | -7 | |
| Prijs, hypertensie, 2013 | Voorbehandeling van hypertensie | -52 |
| Behandeling van hypertensie Post-Nebivolol | -97 | |
| Hansen, J. Clin. Investeren., 1996 | Gezond op 20% MVC | -92 |
| Gezond op 30% MVC | -125 |
Tabel 3: Overzicht van de eerder gepubliceerde rapporten over de gezondheid continuüm nabij-infrarood spectroscopie, gebruiken in combinatie met lagere lichaam negatieve druk en handgreep oefening, om te beoordelen van functionele sympatholysis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De hierin beschreven methoden inschakelen niet-invasieve, klinische evaluatie van reactieve hyperemia, neurovasculaire koppeling en skeletspieren oxidatieve capaciteit in een enkel bezoek kliniek of laboratorium.
Kritische overwegingen
Hoewel NIRS is relatief robuust en makkelijk te gebruiken, de verzameling van deze gegevens vereist zorgvuldige plaatsing van de optodes direct boven de spier buik, vastgezet strak om te vermijden verkeer artefact, en bedekt met een zwart vinyl blad in een schemerige kamer te vermijden inmenging van het nabij infrarood uit externe licht. Bovendien, het verkrijgen van gegevens van goede kwaliteit is sterk afhankelijk van duidelijke communicatie tussen de tester en het onderwerp en het TestTeam. Wij, en anderen, hebben geconstateerd dat wanneer uitgevoerd met passende zorg en aandacht, NIRS zeer reproduceerbaar binnen een enkele studiebezoek, en tussen meerdere bezoeken10,11,24,29 is. Bovendien, de fysiologische resultaat variabelen hierin gemeld (dat wil zeggen, skeletspieren oxidatieve capaciteit, reactieve hyperemia en neurovasculaire koppeling) zijn gevoelig voor experimentele/klinische interventie, zowel binnen als tussen studiebezoeken 30 , 31 , 10 , 11.
Er is momenteel beperkt consensus op de passende openbaarmaking van de NIRS resultaat variabelen. Bijvoorbeeld bij het meten van skeletspieren oxidatieve capaciteit, hebben onderzoekers passen de kinetiek van de terugwinning van HbO232, HHb19, Hbdiff30 en weefsel O2 verzadiging (huidige studie en anderen33 ). Ook een soortgelijk spreiding in de uitkomst variabelen zijn ook gemeld voor NIRS gebaseerde reactieve hyperemia. 34 , 35 , 36 , 37 Sommige van deze discrepantie kan betrekking hebben op het type NIRS apparaat gebruikt. Bijvoorbeeld frequentiedomein apparaten (zoals hier) een absolute kwantificering van HbO2 en HHb, en kunnen dus niet worden beïnvloed door acute wijzigingen in de totale Hb gehalte (ontkenning van de noodzaak om de gegevens te corrigeren). In tegenstelling echter zijn continuous-wave apparaten sterk beïnvloed door acute veranderingen in totale hemoglobine, waarvoor gegevens correctie25.
Wijzigingen en probleemoplossing
Een belangrijke en momenteel onvermijdelijk beperking van NIRS is haar beperkte indringingsdiepte (~ 2 cm). Daarom ledemaat vetmobilisering aanzienlijk kan verminderen — en zelfs volledig te elimineren — de NIRS-signaal en moet worden overwogen bij screening potentiële onderwerpen. Om te controleren voor dit, onderzoekers worden aangemoedigd om te meten onderarm huidplooien dikte en uitsluiten van deelnemers met aanzienlijke perifere vetmobilisering.
Elke factor die kan moduleren vasculaire responsiviteit, neurovasculaire koppeling en/of skeletspieren oxidatieve capaciteit (dat wil zeggen, medicatie, genetische mutaties, enz.) zal inderdaad invloed op de metingen van de primaire eindpunt hierin beschreven . Onderzoekers worden dus aangemoedigd rekening te houden deze factoren bij de aanpassing van dit protocol en de planning van toekomstige experimenten.
Voor bepaling van de functionele sympatholysis, kunnen onderzoekers wenst op te nemen van een tweede rust LBNP uitdaging om ervoor te zorgen het signaal nog steeds aanwezig is en dat de waargenomen tijdens de oefening-LBNP waren de verschillen niet alleen als gevolg van een verlies van signaal of meting fout. Het wordt aanbevolen om 3-5 min om het signaal van de oxyhemoglobin naar volledig herstel te basislijnwaarden voordat de rust LBNP uitdaging herhaald.
Toekomstige toepassingen of richtingen na het beheersen van deze techniek
NIR spectroscopie maakt gebruik van laserlicht om te beoordelen van de concentratie van zuurstofrijk en gedeoxygeneerd hemoglobine in weefsel. Tijdens de meting van reactieve hyperemia en functionele sympatholysis, worden relatieve veranderingen in deze parameters verondersteld te vertegenwoordigen wijzigingen in microvasculaire stroom. Diffuse correlatie spectroscopie (DCS) is een opkomende nabij-infrarood imaging aanpak die, naast de evaluatie van de concentratie van oxy- en deoxyhemoglobin, kan ook het kwantificeren van microvasculaire perfusie38. Gezien de duidelijke overeenkomsten tussen deze twee benaderingen van de beeldvorming, opneming van DCS in de voorgestelde technieken zou vrijwel naadloze en extra inzicht kan geven in de kwantificering van de microvasculaire functie en perfusie.
Zodra deze techniek is de knie, toepassing aan klinische bevolkingsgroepen, zoals mensen met hartfalen, zal belangrijke mechanistische inzicht bieden in oefening intolerantie en cardiovasculaire dysfunctie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door een universiteit van Texas in Arlington Interdisciplinair Research Program grant.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. Rassier, D. E. , Springer. New York. 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).
