Skeletal Muscle neurovasculaire koppeling, oxidatieve capaciteit en microvasculaire functie met 'One Stop Shop' nabij-infrarood spectroscopie
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.
Protocol
Representative Results
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 art…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door een universiteit van Texas in Arlington Interdisciplinair Research Program grant.
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).
