Skelettmuskulaturen neurovaskulära koppling, oxidativ kapacitet och mikrovaskulära funktion med ”One Stop Shop' nära-infraröd spektroskopi
Summary
Här beskriver vi en enkel, icke-invasiv metod med nära-infraröd spektroskopi för att bedöma reaktiv hyperemi, neurovaskulära kopplingen och skelettmuskulatur oxidativ kapacitet i ett enda klinik eller laboratorium besök.
Abstract
Motion representerar en större hemodynamisk stress som kräver ett starkt samordnad neurovaskulära svar för att matcha syretillförseln till metaboliska efterfrågan. Reaktiv hyperemi (som svar på en kort period av vävnadsischemi) är en oberoende prediktor för kardiovaskulära händelser och ger en viktig inblick i vaskulära hälsa och vasodilaterande kapacitet. Skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet är lika viktiga i hälsa och sjukdom, eftersom den bestämmer energiförsörjningen för myocellular processer. Här beskriver vi en enkel, icke-invasiv metod med nära-infraröd spektroskopi för att bedöma vart och ett av dessa stora kliniska effektmått (reaktiv hyperemi, neurovaskulära koppling och muskel oxidativ kapacitet) under en enda klinik eller laboratorium besök. Till skillnad från Doppler ultraljud, magnetisk resonans bilder/spektroskopi, eller invasiva kateter-baserade Flödesmätningarna eller Muskelbiopsier är vårt tillvägagångssätt mindre operatörsberoende, billig och helt icke-invasiv. Representativa uppgifter från våra lab tillsammans med sammanfattningsdata från tidigare publicerad litteratur illustrera nyttan av varje av dessa slutpunkter. När denna teknik är behärskar, kommer att för att kliniska populationer ge viktiga mekanistisk insikt motion intolerans och kardiovaskulära dysfunktion.
Introduction
Hyperemic svar på en kort period av vävnadsischemi har vuxit fram som en viktig icke-invasiv åtgärd (mikro) vaskulär funktion. Under ocklusion av en conduit artär vidgas nedströms arterioler i ett försök att kompensera den ischemisk förolämpningen. Med lanseringen av ocklusion leder minskad vaskulära motståndet hyperemia, vars storlek bestäms av ens förmåga att vidga de nedströms mikrocirkulation. Reaktiv hyperemi är en stark oberoende prediktor för kardiovaskulära händelser1,2 och därför en kliniskt signifikant slutpunkt, är dess funktionella betydelse att utöva tolerans och livskvalitet mindre tydlig.
Faktiskt, dynamisk träning representerar en större kardiovaskulära stress som kräver ett starkt samordnad neurovaskulära svar för att matcha syretillförseln till metaboliska efterfrågan. Exempelvis kan skelettmuskulatur blodflödet öka nästan 100-fold under isolerad muskel sammandragningar3, som skulle överbelasta sugförmågan av hjärtat om en sådan hemodynamiska responsen extrapolerades till hela kroppen motion. Följaktligen att undvika allvarlig hypotoni, sympatisk (dvs vasokonstriktor) nervös aktivitet ökar för att omfördela hjärtminutvolym från inaktiva och visceral vävnad och mot aktiv skelettmuskulatur4. Sympatisk utflöde är även riktat till exercerande skelettmuskulaturen5; Men lokala metabola signalering dämpar vasokonstriktor svaret för att säkerställa adekvat vävnad syre leverans6,7,8,9,10, 11. kollektivt, denna process kallas funktionell sympatholysis12, och är absolut nödvändigt att den normala regleringen av skelettmuskulaturen blodflödet under träning. Eftersom skelettmuskulaturen blodflödet är en avgörande faktor för aerob kapacitet — en oberoende prediktor för livskvalitet och hjärt-kärlsjukdom sjuklighet och dödlighet13— förståelse kontroll av skelettmuskulaturen blod flöde och vävnad syre leverans under träning är av stor klinisk betydelse.
Syretillförseln är bara hälften av ekvationen Fick dock med syre användning uppfyller den andra halvan av ekvationen. Bland stora determinates av syre utilization, mitokondriell oxidativ fosforylering spelar en viktig roll i att leverera tillräcklig energi för cellulära processer både i vila och under träningen. Nedskrivningar i muskel oxidativ kapacitet kan faktiskt begränsa funktionell kapacitet och livskvalitet14,15,16. Olika åtgärder används vanligen att ge ett index av muskel oxidativ kapacitet, inklusive invasiv Muskelbiopsier och dyra och tidskrävande magnetisk resonans spektroskopi (MRS) tekniker.
Här föreslår vi en roman, icke-invasiv strategi, med nära-infraröd spektroskopi (NIRS), för att bedöma vart och ett av dessa tre stora kliniska effektmått (reaktiv hyperemi, sympatholysis och muskel oxidativ kapacitet) i ett enda klinik eller laboratorium besök. De stora fördelarna med detta tillvägagångssätt är trefaldigt: först, denna teknik är lätt bärbar, relativt låg kostnad och enkel att utföra. Nuvarande Doppler ultraljud metoder för att mäta reaktiv hyperemi är mycket operatörsberoende — som kräver stor skicklighet och utbildning — och kräver sofistikerade, höga kostnader, data förvärv hårdvara och efterbearbetning programvara. Detta kan dessutom tänkas föras in på klinik och/eller stora kliniska prövningar för sängbord övervakning eller testning terapeutisk effekt. För det andra, enligt metodiken, denna teknik fokuserar specifikt på den skelettmuskulaturen mikrocirkulation, öka den övergripande specificiteten av tekniken. Alternativa metoder med hjälp av Doppler ultraljud fokusera helt på uppströms conduit fartyg och härleda förändringar nedströms, som kan dämpa signalen. För det tredje, denna teknik är helt icke-invasiv. Skelettmuskulaturen oxidativ kapacitet bedöms traditionellt med invasiv och smärtsam Muskelbiopsier och funktionella sympatholysis kan bedömas med intraarteriell injektion av sympatomimetika och sympatolytika. Detta tillvägagångssätt undviker dessa krav alla tillsammans.
Protocol
Representative Results
Discussion
De metoder som beskrivs häri aktivera icke-invasiv, klinisk utvärdering av reaktiv hyperemi, neurovaskulära kopplingen och skelettmuskulatur oxidativ kapacitet i ett enda klinik eller laboratorium besök.
Kritiska överväganden
Även om NIRS är relativt robust och lätt att använda, insamling av dessa uppgifter kräver noggrann placering av optodes direkt över muskeln magen, säkrade tätt för att undvika rörelse artefakt, och täc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av en University of Texas i Arlington tvärvetenskapliga forskningsprogrammet 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).
