Summary
Her beskriver vi en enkel, ikke-invasiv tilnærming med nær infrarød spektroskopi for å vurdere reaktive hyperemia, nevrovaskulære kopling og skjelettlidelser muskel oksidativt kapasitet i en klinikk eller laboratorium besøk.
Abstract
Øvelse representerer en store hemodynamic stress som krever svært koordinert nevrovaskulære svar for å matche oksygen levering til metabolske behovet. Reaktiv hyperemia (som svar på en kort periode av vev iskemi) er en uavhengig prediktor for hjerte hendelser og gir viktig innsikt i vaskulær helse og vasodilatory kapasitet. Skjelettmuskel oksidativt kapasitet er like viktig i helse og sykdom, fordi den avgjør energiforsyning for myocellular prosesser. Her beskriver vi en enkel, ikke-invasiv tilnærming med nær infrarød spektroskopi for å vurdere hver av disse store klinisk endepunktene (reaktive hyperemia nevrovaskulære kopling og muskel oksidativt kapasitet) under et klinikk eller laboratorium besøk. I motsetning til Doppler ultralyd, magnetisk resonans bilder/spektroskopi, eller invasiv kateter-baserte flyt mål eller muskel biopsier er vår tilnærming mindre operatøravhengig, rimelig og helt ikke-invasiv. Representant data fra vår lab tatt med sammendragsdata fra tidligere publisert litteratur illustrerer nytten av hver av disse end-meningene. Når denne teknikken er mestret, vil programmet klinisk bestander gi viktig mekanistisk innsikt mosjon intoleranse og hjerte dysfunksjon.
Introduction
Hyperemic responsen på en kort periode av vev iskemi har dukket opp som viktige ikke-invasiv mål (mikro) vaskulær funksjonen. Under okklusjon av en arterie kanal dilate nedstrøms arterioler å oppveie den iskemiske fornærmelsen. Etter utgivelsen av okklusjon, redusert vaskulær motstand resulterer i hyperemia, omfanget av dem er diktert av ens evne til å dilate den nedstrøms microvasculature. Reaktiv hyperemia er en sterk selvstendig prediktor for hjerte hendelser1,2 , og derfor et klinisk signifikant sluttpunkt, er funksjonell betydning å utøve toleranse og livskvalitet mindre klart.
Faktisk representerer dynamisk trening en store hjerte-stress som krever svært koordinert nevrovaskulære svar for å matche oksygen levering til metabolske behovet. For eksempel kan skjelettlidelser muskel blodstrømmen øke nesten 100-fold under isolert muskel sammentrekninger3, hvilke ville overmanne pumpekapasitet hjertets hvis slik hemodynamic respons var extrapolated til hele kroppen øvelse. Følgelig å unngå alvorlige hypotensjon, sympatisk (dvs. vasoconstrictor) nervøs aktivitet øker for å videredistribuere cardiac output fra inaktive og visceral vev og mot aktive Skjelettmuskel4. Sympatisk utløp er også rettet mot de trener Skjelettmuskel5; men lokale metabolske signalering attenuates vasoconstrictor svaret for å sikre tilstrekkelig vev oksygen levering6,7,8,9,10, 11. kollektivt, denne prosessen kalles funksjonell sympatholysis12, og er viktig å normal regulering av Skjelettmuskel blodstrøm under trening. Siden skjelettlidelser muskel blodstrømmen er en viktig determinant av Aerob kapasitet, en uavhengig prediktor for kvalitet av livet og hjerte-og karsykdommer sykelighet og dødelighet13-forståelse av Skjelettmuskel blodet flyt og vev oksygen levering under trening er stor klinisk betydning.
Oksygen levering er bare halvparten av Fick ligningen, men med oksygen utnyttelse tilfredsstille den andre halvdelen av ligningen. Blant store determinates av oksygen utnyttelse, mitokondrie oxidative fosforylering spiller en viktig rolle i å levere tilstrekkelig energi for mobilnettet prosesser resten og under trening. Faktisk, impairments i muskel oksidativt kapasitet kan begrense funksjonell kapasitet og livskvalitet14,15,16. Ulike tiltak er vanlig å gi en indeks av muskel oksidativt kapasitet, inkludert invasiv muskel biopsier og dyre og tidkrevende magnetisk resonans spektroskopi (MRS) teknikker.
Her foreslår vi en roman, ikke-invasiv tilnærming, med nær infrarød spektroskopi (NIRS), for å vurdere hver av disse tre store klinisk endepunktene (reaktive hyperemia, sympatholysis og muskel oksidativt kapasitet) i en enkelt klinikk eller laboratorium besøk. De store fordelene med denne tilnærmingen er tre-fold: først, denne teknikken er lett bærbar, relativt lave kostnader og enkel å utføre. Gjeldende Doppler ultralyd tilnærminger for å måle reaktive hyperemia er svært operatøravhengig-som krever omfattende kompetanse og opplæring, og krever avansert, høye kostnader, data oppkjøpet maskinvare og post-prosessering programvare. Videre, dette kan tenkes bli introdusert i klinikken og/eller store kliniske studier for sengen overvåking og testing terapeutiske effekten. Andre i kraft av metodene fokuserer denne teknikken spesielt på skjelettmuskulatur microvasculature, øker den samlede spesifisiteten av teknikken. Alternative tilnærminger ved hjelp av Doppler ultralyd fokusere utelukkende på oppstrøms kanal fartøy og antyde endringer nedstrøms, som kan dempe signalet. Tredje, denne teknikken er fullstendig non-invasiv. Skjelettmuskel oksidativt kapasitet er tradisjonelt vurdert med invasiv og smertefulle muskel biopsier og funksjonelle sympatholysis vurderes med intra arteriell injeksjon av sympatomimetika og sympatholytics. Dette unngår disse kravene alle sammen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokollen følger retningslinjene for institusjonelle gjennomgang styret ved University of Texas i Arlington og overholder standarder fastsatt av den nyeste versjonen av erklæringen i Helsinki. Følgelig skriftlig samtykke var (og bør) innhentet før begynnelsen av forskning prosedyrer.
1. instrumentering
Merk: Følgende instrumentering beskrivelse er basert på nær infrarød (NIR) spectrometer og data oppkjøpet systemet brukes i vår lab (se Tabell for materiale). Dermed inkluderer instruksjonene trinnene som er nødvendige for optimal funksjonen til disse enhetene. Disse trinnene inkluderer kalibrering av NIR sonde med medfølgende programvare og kalibrering phantom og anvendelsen av en mørk klut utelate omgivelseslys. Som ulike data samling maskinvare og/eller programvare brukes, bør etterforskere konsultere sine egne spesifikke brukerhåndbøker for kalibrering og ambient lys hensyn. Figur 1 illustrerer den eksperimentelle set-up og instrumentering beskrevet nedenfor.
- Instruere gjenstand å ligge ryggen med bena i en lavere kroppen negative trykket (LBNP) kammer (figur 1A), slik at deres belte linjen er ca selv med åpningen i boksen LBNP. For instruksjoner om hvordan å bygge en LBNP kammer, se referanser17.
- Fest tre elektrokardiogram elektrodene på emnet: to i en dårligere, kravebenet beliggenhet og en på emnet er venstre mediale til iliaca bølgetopp. Denne konfigurasjonen gir de beste resultatene på grunn av begrenset tilgang til lavere lemmer, instrumentering av øvre lemmer og armbevegelse under hånden grep trening.
- Plass en ikke-invasiv blodtrykk skjerm modul på emnet dominerende håndleddet. Plasser fingeren blodtrykk mansjetter på fingrene og koble dem til modulen (figur 1B). Sikre finger blodtrykk mansjetter er riktig kalibrert i henhold til brukerhåndboken som følger med enheten.
- Angi emnet til å forstå en hånd grep dynamometer (HGD) med deres ikke-dominante arm i en litt bortført posisjon. Armen bør være komfortabelt plassert på et nattbord. Avstand og vinkel på HGD burde være innstilt for å tillate optimalt grep styrke med minimal armbevegelse (figur 1 c).
- Sikker HGD til et nattbord.
- Mål maksimal frivillig sammentrekning (MVC) av deltakeren. Fortelle deltakeren at når du blir spurt, de må presse HGD så hardt som mulig mens bare benytte musklene i hånden og underarmen. Instruere emnet at de må avstå fra rekruttere sine overarmen, brystet, skulder eller magemusklene når maksimalt grep.
- Gjenta trinn 1.6 atskilt tre ganger, med minst 60 s. post maksimal kraft oppnådd (beste 3). Denne maksimal kraft brukes til å beregne treningsintensiteten for Skjelettmuskel oksidativt kapasitet og nevrovaskulære kopling (nedenfor).
- Plassere en rask-inflasjon mansjetten rundt overarmen trener hånden. Koble flyselskapet fra rask inflasjon kontrolleren til mansjetten.
- Identifisere bøyer digitorum profundus. Bruk merketråd huden til å avgrense grenser håndgripelig muskelen.
- Kontroller at NIR spectrometer er riktig kalibrert i henhold til brukerhåndboken som følger med enheten. Rengjør huden som NIR sonden plasseres med en alkohol prep tørke.
- Plasser NIR sonden over midten av magen av muskelen (bøyer digitorum profundus) og affix det sikkert til underarmen.
- Pakk sonden og underarm med mørk klut, minimere interferens fra omgivelseslys (figur 1 c, figur 1 d).
- Når du er klar til å utføre den funksjonelle sympatholysis delen av studien, sel emnet i LBNP kammeret.
2. Skjelettmuskel oksidativt kapasitet
Merk: En representant data sporing illustrerer den eksperimentelle prosedyren for å måle Skjelettmuskel oksidativt kapasitet er avbildet i figur 2. Denne eksperimentelle har tidligere blitt validert mot i vivo fosfor MRS18 og i situ muskel respirometry19, og blir stadig mer utbredt aksept20.
- Instrumentet emnet som angitt ovenfor (Instrumentation).
- Instruere gjenstand å ligge fortsatt for 2 min mens overvåking deoxyhemoglobin (HHb) og oxyhemoglobin (HbO2) via NIR sonden.
Merk: Denne hvileperiode lar emnet å gjenopprette fra noen bevegelse gjenstand knyttet til instrumentering prosessen, og sikrer stabil opprinnelige mål. Hvis etter 2 min ingen svingningene har oppstått, anses gjenstand på en steady state, eller hvile planlagte. - Før mansjett okklusjon, varsle motivet at du vil blåse mansjetten. Blåse overarmen mansjett minst 30 mmHg over systolisk blodtrykk i 5 min (dvs. suprasystolic). Instruere gjenstand å holde deres arm som fortsatt og avslappet som mulig både under mansjett inflasjon og følgende mansjett deflasjon.
Merk: Denne 5 min brachialis arterien mansjett okklusjon protokollen tett viser nå akseptert klinisk standard for vaskulær okklusjon tester21,22,23,24,25. - Første/opprinnelige verdien (før mansjett okklusjon) og nadir verdien av vev metning (StO2) under mansjett okklusjon og bestemme midtpunktet mellom disse to verdiene.
- Tillate Emnet gjenopprette fra mansjett okklusjon og gå tilbake til de hviler opprinnelige verdiene. Når emnet har beholdt en hvile baseline for minst 1 full min, Fortsett til neste trinn.
- Instruere kan presse og opprettholde en isometrisk grep på 50% av deres MVC. Oppfordre gjenstand å opprettholde deres isometrisk kontraksjon inntil vevet umettet med 50%. Ved å oppnå denne verdien, Ell faget å slappe av hånden og informere dem om at flere trening eller bevegelse er nødvendig.
- Innen 3-5 s følgende utøve opphør, administrere følgende rask mansjett okklusjon serien (én serie = 1 inflasjon + 1 deflasjon), som tidligere etablert18:
Serien #1 - 6: 5 s på/5 s av
Serien #7 - 10: 7 s på/10 s av
Serie #11-14:10 s på/15 s av
Serie #15-18:10 s på/20 s av - Etter endt 18th inflasjon/deflasjon serien, instruere gjenstand for hvile, slik at vev metning å gå tilbake til første opprinnelige verdiene. Etter disse verdiene har vært konsekvent i minst 2 minutter, Gjenta trinn 2.4 og 2.5.
-
Beregne Skjelettmuskel oksidativt kapasitet
- Beregne skråningen av endring i StO2for hver av de individuelle 18 mansjett occlusions, danner monoexponential gjenopprettingspunkter illustrert i figur 2C.
- Passe de beregnede dataene fra 2.7 til den følgende monoexponential kurve18,19,26
y = slutt - Δ x e-kt
Merk: "y" er relative muskel oksygen forbruksraten (mV̇O2) under mansjett inflasjon, "End" representerer mV̇O2 umiddelbart etter opphør av trening; delta ('Δ') innebærer forandring i mV̇O2 resten til slutten av trening; "k" er montering rate konstant; 't' tid. Tau beregnes som 1/k.
3. reaktive Hyperemia
Merk: En representant data sporing illustrerer den eksperimentelle prosedyren for å måle reaktive hyperemia er avbildet i Figur 3.
- Med motivet ligger supine og instrumenterte som beskrevet ovenfor (Instrumentation) instruere gjenstand å ligge så stille som mulig.
- Når emnet har oppnådd en konsekvent hvile tilstand, fortsette å ta minst 1 min opprinnelige data og deretter raskt øke en blodtrykk mansjett på overarmen til et suprasystolic trykk (30 mmHg over systolisk blodtrykk).
- På 5 min merket, tømmes raskt mansjetten mens hyperemic svaret.
- Fortsette innspillingen for minst 3 min å fange fagets utvinning.
-
Beregne reaktive Hyperemia
Merk: Parameterne NIRS beregnet er avbildet i figur 3.- Beregne baseline StO2 som gjennomsnittlig StO2 over 1 full min før starten på arteriell mansjett okklusjon.
- Finne den hvile Skjelettmuskel metabolic rate som desaturation rate (dvs. gjennomsnittlig stigningstallet) under mansjett okklusjon (definert som skråningen 1)27,28.
- Beregne reaktive hyperemia som følger:
a) den gjennomsnittlige upslope etter mansjett utgivelsen (dvs. reperfusion rate, definert som skråningen 2), beregnet fra øyeblikket av mansjetten utgivelsen lineært økende fasen av etterpå spor;
b) den høyeste StO2 verdien nådd etter mansjett utgivelsen (betegnet som StO2max);
c) reaktive hyperemia området under kurven (AUC); beregnet fra tidspunktet for mansjett utgivelsen til 1-, 2- og 3-min post mansjett-okklusjon (AUC 1-min, AUC 2-min, og AUC 3-minutter, henholdsvis); og
d) den hyperemic reservere, beregnet som endring i StO2 over grunnlinjen og rapportert som % endring. Denne verdien beregnes som høyeste metning oppnådde under den etter occlusive etterpå minus gjennomsnittlig metning beregnet i trinn 3.5.1 (se ovenfor).
Merk: Store forskjeller i opprinnelige data vil sterkt påvirke tolkning av hyperemic reserve.
4. funksjonell Sympatholysis
Merk: En representant data sporing illustrerer den eksperimentelle prosedyren for å måle funksjonelle sympatholysis er avbildet i Figur 4.
- Instrumentet emnet som angitt ovenfor (Instrumentation).
- Sikre en lufttett forsegling i LBNP kammeret.
- Med emnet ligger fortsatt og resten, samle 3 min opprinnelige data.
- På 3 min merke, slå på vakuum. Juster vakuum slik at trykket inne i LBNP kammeret er mellom 20 og -30 mmHg. Tillate vakuum å kjøre i 2 minutter mens overvåking fagets svar.
- På 5 min merke, deaktivere vakuum og la emnet å hvile i 3 minutter.
- På 8 min merke, starte stemmeveiledning guiding faget gjennom rytmisk hånd grep øvelsen (20% MVC).
- Kontrollere at emnet er opprettholde deres presse gjennom hele hver gripende fase og avslappende helt under mellom hver gjentakelse. Overvåke deres force produksjon og bekrefte at de er nå 20% MVC med hver grep. Fortsett øvelse til 11 min merket.
- På 11 min merke, slå på vakuum oppmuntrende emnet fortsette å utøve sine rytmisk. Tillate vakuum å løpe fra 11-13 min, så slå den av.
- Har emnet fortsette utfører rytmisk hånd grep trening på 20% av deres MVC for en ekstra 2 min. Ved trening opphør, har temaet resten stille og ligger fremdeles.
-
Beregne funksjonell Sympatholysis
- Normalisere endringen i oxyhemoglobin med LBNP på totalt labil signalet (TLS), bestemmes under 5 min mansjett okklusjon:
- Beregne hver hendelse som siste 20 min gjennomsnittet av hver event.
- Beregne arbeids-indusert demping av oxyhemoglobin reduksjon:
- Normalisere endringen i oxyhemoglobin med LBNP på totalt labil signalet (TLS), bestemmes under 5 min mansjett okklusjon:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Skjelettmuskel oksidativt kapasitet
Figur 2 viser et representativt deltaker svar under en NIRS-avledet Skjelettmuskel oksidativt kapasitet vurdering. Panelet A viser vev metning profil under en 5 min arteriell mansjett okklusjon protokollen, håndtaket trening og intermitterende arteriell okklusjon under gjenoppretting etter trening. Panelet B illustrerer den forventede vev desaturation/re-saturation profilen under de intermitterende arteriell occlusions under restitusjonsperioden. Desaturation er direkte proporsjonal med frekvensen av muskel oksygenforbruk, og er plottet i panelet C for hver av de periodevise mansjett okklusjon periodene. Gjenopprettingsdataene beregnet muskel oksygen forbruk er så passer til en monoexponential kurve og utvinning tidskonstant avledet. Bruke samme tilnærming, har et økende antall studier vurdert Skjelettmuskel oksidativt kapasitet for både helse og sykdom, på tvers av en rekke muskelgrupper (tabell 1).
Reaktiv Hyperemia
Figur 3 viser NIRS-avledet reaktive hyperemia profilen under en representant vaskulær okklusjon test. Denne samme tilnærmingen er brukt over et bredt spekter av studien befolkninger og muskelgrupper med god suksess (tabell 2). Dataene viser at NIRS-avledet reaktive hyperemia gir ikke bare verdifull innsikt i vaskulær reaktivitet, men at testen er lett tilpasses og klinisk meningsfull.
Funksjonell Sympatholysis
Tabell 3 oppsummerer eksisterende litteratur ved hjelp av de eksakt samme nevrovaskulære kopling tilnærming beskrevet her for å måle funksjonelle sympatholysis, viser både mekanistisk og klinisk relevante resultater. I sunn control fag, når LBNP oppå mild håndtaket, er refleks nedgangen i muskel oksygenering svekket av ~ 50% (Figur 4). Unnlatelse av å attenuere sympatisk (vasoconstrictor) nerve aktivitet under trening, som med hjerte eller nevrologisk sykdom (tabell 3), forstyrrer balansen mellom oksygen levering og utnyttelse, og fører funksjonelle muskler ischemia.
Figur 1. Eksperimentelle set-up og instrumentering. (A) representant eksperimentelle set-up, med en typisk motiv ligger supine på en seng med bena inne i LBNP kammeret og fullt instrumenterte. (B) dominerende armen instrumentert med en ikke-invasiv beat-to-beat blodtrykk enhet for beat-to-beat arterial blodtrykket måling og en brachialis arterien blodtrykk mansjett for kalibrering og verifisering av beat-to-beat. (C) instrumentering av ikke-dominante armen. Hånden er komfortabelt gripende en håndtaket dynamometer (koblet til data anskaffelse system), og underarmen muskler er utstyrt med nær infrarød spektroskopi sonde. (D) når instrumenterte, NIRS optodes er dekket med en svart vinyl klut (for å unngå forstyrrelser fra omgivelseslyset). I tillegg er en rask cuff inflasjon systemet plassert over brachialis arterien. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Skjelettmuskel oksidativt kapasitet protokollen. (A) rådata sporing fra et representativt emne målt via NIRS, viser vev metning (StO2) over tid. Etter å etablere en stabil plan, er brachialis arterien av ikke-dominante armen okkludert i fem minutter for å etablere fagets desaturation reserve (forskjellen mellom opprinnelig StO2 og nadir). Etter utvinning fra okklusjon, er emnet instruert til å utføre en 50% isometrisk håndtaket, etterfulgt av 18 rask mansjett inflasjon serie å vurdere muskel oksygen forbruk utvinning kinetics. (B) analyse utføres deretter frakoblet ved å beregne gjennomsnittlig skråningen av hver mansjett okklusjon serien følgende utøvelse; illustrert her med hypotetisk mansjett okklusjon seriedata. (C) for å beregne utvinning tidskonstant muskel oxygenation, skråningen av hver av de 18 rask mansjett occlusions (dvs. etter trening muskel oksygenforbruk, mV̇O2) fra A er plottet mot tiden og passer til en monoexponential kurve. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Reaktiv hyperemia eksperimentelle protokollen. Med motivet ligger supine, registrere minst 1 min opprinnelige data, etterfulgt av 5 min av totale arteriell mansjett okklusjon og minst 3 min for gjenoppretting etter mansjett utgivelsen. Merk åpenbare overlappingen mellom Skjelettmuskel oksidativt kapasitet protokollen (figur 2) og denne protokollen. "Planlagt" definerer tidsperioden før arteriell mansjett okklusjon. ' Skråningen 1 definerer desaturation hastigheten under mansjett okklusjon, og regnes som et mål på hvile Skjelettmuskel metabolic rate. Den laveste StO2 verdien fikk under iskemi er definert som ' StO2 minimum', og regnes som et mål på iskemiske stimulans til vasodilate. Vev metning reperfusion er merket som "Skråningen 2", og er en indeks på reaktive hyperemia; som er StO2 maksimum, og den reaktive hyperemia "området under kurven" (AUC). For å få innsikt i hyperemic reserve, uttrykkes StO2 maksimal som en prosentendring fra grunnlinjen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. Funksjonell sympatholysis eksperimentelle protokollen. Venstre panel: rådata sporing fra et representativt emne. Med emnet ligger supine i LBNP kammeret, Tillat 3 min for stabil opprinnelige datainnsamlingen. Slå på LBNP til-20 mmHg for 2 min. Oxyhemoglobin/myoglobin bør redusere svar reflex sympatiske vasokonstriksjon (blå sirkel, skyggelagt). Tillat 2 min for utvinning. Be personen(e) utføre rytmisk håndtaket øvelse ved 20% MVC (målt før datainnsamlingen). Etter 3 min rytmisk trening, gjenta-20 mmHg LBNP i 2 minutter mens temaet fortsetter å utøve, etterfulgt av 2 min trening uten LBNP. Reduksjonen i oxyhemoglobin/myoglobin bør være betydelig dempes (røde sirkelen, skyggelagt). Hvis det ikke allerede er utført, blåse en blodtrykk mansjett over brachialis arterien av trener armen i 5 min å etablere fagets rekke desaturation. Merk at de skyggelagte områdene i figuren er bare ment å markere endringer i oxyhemoglobin/myoglobin; se protokoll for detaljer om hvordan å analysere resultatet variablene brukes til å beregne sympatholysis. Høyre side: LBNP-indusert endring i oxyhemoglobin/myoglobin i ro og under håndtaket trening beregnet fra dataene til venstre. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Referanse/datasett | Studien befolkningen | Utvalgsstørrelsen (n) |
Alder av deltakere (år ± SD) |
Tau (τ) (s) |
Muskelgruppe | NIRS variabel rapportert | Enheten |
| Brizendine et al. (2013) | Utholdenhetsutøvere | 8 | 25 ± 3 | 19 | Vastus lateralis | HBdiff/totalt blod volum | Kontinuerlig bølge (Oxymon MK III) |
| Ryan et al. (2014) | Unge, friske | 21 | 26 ± 2 | 55 | Vastus lateralis | HHb | Kontinuerlig bølge (Oxymon MK III) |
| Sørlige et al. (2015) | Eldre | 23 | 61 ± 5 | 63 | Håndleddet bøyer | HBdiff | Kontinuerlig bølge (Oxymon MK III) |
| Eldre + hjertesvikt | 16 | 65 ± 7 | 77 | Håndleddet bøyer | Kontinuerlig bølge (Oxymon MK III) |
||
| Adami et al. (2017) | Røykere med normal Spirometri | 23 | 63 ± 7 | 80 | Mediale underarmen | Vev metning indeks (TSI) | Kontinuerlig bølge (Portamon) |
| KOLS gull 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Mediale underarmen | Kontinuerlig bølge (Portamon) |
||
| Erickson et al. (2013) | Ryggmargsskade | 9 | 43 ± 11 | 143 | Vastus lateralis | HbO2 | Kontinuerlig bølge (Oxymon MK III) |
Tabell 1: Sammendrag av tidligere publiserte rapporter over helse kontinuum bruker nær infrarød spektroskopi måle Skjelettmuskel oksidativt kapasiteten.
| Referanse | Studien befolkningen | Muskel gruppe | Rapportert resultat | Utfallet verdi |
| Lacroix, J Biomed Opt, 2012 | Friske menn | Underarm | Topp Oxyhemoglobin | 28.05 ± 3.15 ΜM |
| Topp totale Hemoglobin | 10.56 ± 1,80 ΜM | |||
| Øke hastigheten til toppen HbO2 | 0,75 ± 0.22 μM/s | |||
| Øke hastigheten til toppen samlede Hb | 0.52 ± 0,16 μM/s | |||
| Kragelj, Ann Biomed Eng, 2001 | Perifer karsykdom | Underarm | Oksygenforbruk | 0.68 ± 0.04 mL/min |
| Tid til topp | 153 ± 16 s | |||
| Maksimal absolutt endring i HbO2 | 2,93 ± 0.22 μM/100 mL | |||
| Suffoletto, Resuscitation, 2012 | Etter Cardiac Arrest ICU Admittants | Thenar eminense | Desaturation Rate | -5.6 ± 2 %/min |
| Resaturation Rate | 0.9 ± 0,6 %/sec | |||
| Dimopoulos, Respir omsorg, 2013 | Lungearterien hypertensjon | Thenar eminense | Planlagte metning med 21% O2 | 65.8 ± 14,9% |
| O2 Forbruksraten med 21% O2 | 35.3 ± 9.1 %/min | |||
| Reperfusion Rate med 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, er J Physiol hjertet rundp Physiol, 2007 | Organ dårlig & Sepsis | Underarm | Planlagte metning | 84% |
| Reoxygenation Rate | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit omsorg Med, 2011 | Septisk sjokk | Thenar eminense | Planlagte metning | 80 ± 1,0% |
| Desaturation skråningen | -9.8 ± 3.7 %/min | |||
| Utvinning skråningen | 2.3 ± 1.4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Friske menn | Tibialis i fremre | Planlagte metning | 71.3 ± 2,9% |
| Minimum metning | 44.8 ± 8,6% | |||
| Desaturation skråningen | -0.1 ± 0,03 %/s | |||
| Utvinning skråningen | 1,63 ± 0,5 %/s | |||
| Topp metning | 82.6 ± 2,3% | |||
| McLay, Physiol Rep, 2016 | Friske menn | Tibialis i fremre | Planlagte metning | 71.1 ± 2.4% |
| Minimum metning | 46,2 ± 7,5% | |||
| Topp metning | 82.1 ± 1,4% | |||
| Utvinning skråningen | 1.32 ± 0.38 %/s |
Tabell 2: Sammendrag av tidligere publiserte rapporter over helse kontinuum bruker nær infrarød spektroskopi for å måle reaktive hyperemia.
| Referanse | Studien befolkningen | % Demping |
| Nelson MD, J. Physiol, 2015 | Sunn | -57 |
| Becker muskeldystrofi | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Sunn | -93 |
| Hypertensjon | -14 | |
| Fadel, J. Physiol, 2004 | Pre-klimakterium | -84 |
| Etter overgangsalderen | -19 | |
| Sander, PNAS, 2000 | Sunn | -74 |
| Duchenne muskeldystrofi | . 7 | |
| Nelson MD, Nevrologi, 2014 | Sunn | -54 |
| Duchenne muskeldystrofi | -7 | |
| Pris, hypertensjon, 2013 | Hypertensjon pre-behandling | -52 |
| Hypertensjon Post-Nebivolol behandling | -97 | |
| Hansen J. Clin. Investere., 1996 | Sunn treningsøkt på 20% MVC | -92 |
| Sunn treningsøkt på 30% MVC | -125 |
Tabell 3: Sammendrag av tidligere publiserte rapporter over helse kontinuum bruke nær infrarød spektroskopi, i kombinasjon med lavere kroppen negativt trykk og håndtaket øvelsen for å vurdere funksjonelle sympatholysis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Metodene som er beskrevet her kan ikke-invasiv, klinisk evaluering av reaktive hyperemia nevrovaskulære kopling og skjelettlidelser muskel oksidativt kapasitet i en klinikk eller laboratorium besøk.
Kritiske betraktninger
Selv om NIRS er relativt robust og enkel å bruke, innsamling av disse dataene kreve forsiktig optodes rett over magemusklene, sikret tett å unngå bevegelse gjenstand, og dekket med et svart vinyl ark i en dunkelt opplyst rom å unngå interferens for nær infrarød fra eksterne lys. I tillegg stoler få god kvalitetsdata tungt på klar kommunikasjon mellom testeren og emnet og testing teamet. Vi, og andre har funnet at når utført med riktig omsorg og oppmerksomhet, NIRS er svært reproduserbar innen en enkelt studie besøk, og over flere besøk10,11,24,29. Videre er fysiologiske utfallet variablene rapporterte her (dvs. Skjelettmuskel oksidativt kapasitet, reaktive hyperemia og nevrovaskulære kopling) følsomme for eksperimentell/klinisk intervensjon, både innenfor og mellom studiebesøk 30 , 31 , 10 , 11.
Det er foreløpig begrenset enighet om riktig rapportering av NIRS utfallet variablene. For eksempel når måle Skjelettmuskel oksidativt kapasitet, har etterforskere passer utvinning kinetics av HbO232, HHb19, Hbdiff30 og vev O2 metning (denne studien og andre33 ). Likeledes, en lignende spredning i utfallet variablene har også blitt rapportert for NIRS-basert reaktive hyperemia. 34 , 35 , 36 , 37 Noen av denne uoverensstemmelsen kan være relatert til type NIRS apparat. For eksempel frekvens-domene enheter (som brukt her) gir absolutt kvantifisering av HbO2 og HHb, og dermed kan ikke påvirkes av akutte endringer i totalt Hb innhold (benektende behovet å rette dataene). I motsetning imidlertid er continuous-wave enheter sterkt påvirket av akutte endringer i totalt hemoglobin, krever data korreksjon25.
Endringer og feilsøking
En viktig og for tiden uunngåelig begrensning av NIRS er begrenset penetrasjon dybden (~ 2 cm). Derfor lem lokalisert fedme kan redusere- og selv helt eliminere-NIRS signalet og bør vurderes når screening potensielle fag. For å kontrollere dette, etterforskere oppfordres til å måle underarm skinfold tykkelse, og utelate deltakerne med betydelige eksterne lokalisert fedme.
En faktor som kan modulerer vaskulær respons, nevrovaskulære kobling eller Skjelettmuskel oksidativt kapasitet (dvs. medisiner, genetiske mutasjoner, etc.) påvirker faktisk primære end-point målingene beskrevet her . Etterforskerne oppfordres derfor til å ta disse faktorene i betraktning når tilpasse denne protokollen og planlegging fremtidige eksperimentering.
For funksjonelle sympatholysis vilje, kan etterforskere ønske å ta en annen hvile LBNP utfordring å sikre signalet er fortsatt til stede, og at forskjellene observert under trening-LBNP ikke var bare på grunn av tap av signal eller måling. Det anbefales å tillate 3-5 minutter å tillate oxyhemoglobin signal full gjenoppretting til opprinnelige verdier før gjenta hvile LBNP utfordringen.
Framtidige applikasjoner eller etter mestre denne teknikken
NIR spektroskopi bruker laserlys for å vurdere konsentrasjonen av oksygenrikt og deoxygenated hemoglobin i vev. Under måling av reaktive hyperemia og funksjonelle sympatholysis antas relative endringer i disse parameterne representerer endringer i mikrovaskulær flyt. Diffus korrelasjon spektroskopi (DCS) er en voksende nær infrarød imaging tilnærming som i tillegg til å evaluere konsentrasjonen av oxy- og deoxyhemoglobin, kan også kvantifisere mikrovaskulær perfusjon38. Gitt åpenbare likhetene mellom disse to tenkelig tilnærminger, inkorporering av DCS foreslåtte teknikker ville være nesten sømløs og gir ekstra innsikt kvantifisering av mikrovaskulær funksjon og perfusjon.
Når denne teknikken er mestret, vil programmet klinisk befolkninger, som dem med hjertesvikt, gi viktig mekanistisk innsikt mosjon intoleranse og hjerte dysfunksjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de har ingen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av en University of Texas i Arlington tverrfaglig forskningsprogram 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).
