Summary

Kas iskelet nörovasküler kaplin, oksidatif kapasite ve mikrovasküler işlevi 'One Stop Shop' yakın kızılötesi spektroskopi ile

Published: February 20, 2018
doi:

Summary

Burada, reaktif hiperemi, nörovasküler kaplin ve kas iskelet oksidatif kapasite tek bir klinik veya laboratuvar ziyaret değerlendirmek için yakın kızılötesi Spektroskopi kullanarak basit, non-invaziv bir yaklaşım açıklar.

Abstract

Egzersiz Metabolik isteğe bağlı oksijen teslim eşleşmesi için son derece koordineli nörovasküler yanıt gerektiren bir büyük hemodinamik stres temsil eder. Reaktif hiperemi (doku iskemi kısa bir süre yanıt) olarak kardiyovasküler olaylar bağımsız bir tahmin ve damar sağlığı ve vasodilatory kapasitesi önemli bilgi sağlar. Kas iskelet oksidatif kapasite sağlık ve hastalık, eşit derecede önemli olduğu myocellular işlemler için enerji kaynağı belirler. Burada, her biri bu büyük klinik bitiş noktaları (Reaktif hiperemi, nörovasküler kaplin ve kas oksidatif kapasite) tek bir klinik veya laboratuvar ziyaret sırasında değerlendirmek için yakın kızılötesi Spektroskopi kullanarak basit, non-invaziv bir yaklaşım açıklar. Doppler ultrason, manyetik rezonans görüntüleri/spektroskopisi, veya invaziv kateter tabanlı akış ölçümleri veya Kas biyopsisi farklı olarak, bizim daha az operatöre bağlı, düşük maliyetli ve tamamen non-invaziv bir yaklaşımdır. Temsilcisi laboratuarımıza Özet verileri önceden yayınlanmış edebiyat ile birlikte alınan verilerden yardımcı programı her birinin bu endpoints göstermektedir. Bu teknik hakim sonra klinik nüfus uygulaması önemli mekanik kavrama içine egzersiz intoleransı ve kardiyovasküler disfonksiyon sağlayacak.

Introduction

Hiperemik doku iskemi kısa bir süre yanıt (mikro) vasküler işlev anahtar bir non-invaziv ölçüsü olarak ortaya çıkmıştır. Bir boru arter tıkanıklığı sırasında aşağı akım arteriyoller iskemik hakaret dengelemek için bir çaba genişletmek. Tıkanıklığı serbest bırakılmasıyla, hiperemi, hangi büyüklüğü aşağı akım microvasculature genişletmek için kişinin yeteneği tarafından dikte azalmış vasküler direnç sonuçlanır. Reaktif hiperemi kardiyovasküler olaylar1,2 ve bu nedenle klinik olarak anlamlı bir bitiş noktası bir güçlü bağımsız tahmin olmakla birlikte, fonksiyonel önemini egzersiz toleransı ve yaşam kalitesi için daha az açıktır.

Gerçekten de, dinamik egzersiz Metabolik isteğe bağlı oksijen teslim eşleşmesi için son derece koordineli nörovasküler yanıt gerektiren bir büyük kardiyovasküler stres temsil eder. Örneğin, kas iskelet kan akışını neredeyse 100-fold sırasında hemodinamik yanıt tüm vücut egzersiz için yaygınlaştırılması Eğer kalbin pompalama kapasitesi boğmak izole kas kasılmaları3, artırabilirsiniz. Buna göre şiddetli hipotansiyon, sempatik (Yani, vasoconstrictor) önlemek için gergin aktiviteyi artırır kardiyak çıkış etkin olmayan ve visseral dokularda uzak ve etkin kas iskelet4doğru yeniden dağıtmak için. Sempatik çıkış da egzersiz kas iskelet5‘ e yönlendirilir; Ancak, yerel metabolik sinyal vasoconstrictor yanıt yeterli doku oksijen teslim6,7,8,9,10, sağlamak için azaltarak 11. toplu olarak, bu işlem fonksiyonel sympatholysis12olarak adlandırılır ve egzersiz sırasında kas iskelet kan akımı normal düzenlenmesi zorunludur. İskelet kası kan akımı aerobik kapasite önemli bir belirleyici olduğundan — yaşam kalitesi ve kardiyovasküler hastalık morbidite ve mortalite13bağımsız bir tahmin — iskelet kası kan akışı ve doku oksijen denetimini anlama egzersiz sırasında teslimat büyük klinik önemi olur.

Oksijen teslim sadece yarısı Fick eşit olarak, ancak, diğer yarısı eşit olarak tatmin edici oksijen kullanımı ile bu. Arasında büyük oksijen kullanımı belirlemiştir, mitokondriyal oksidatif fosforilasyon hücresel süreçler istirahat ve egzersiz sırasında için yeterli enerji sağlayan önemli bir rol oynar. Nitekim, kas oksidatif kapasite bozukluğu fonksiyonel kapasite yaşam kalitesi14,15,ve16sınırlayabilirsiniz. Çeşitli önlemler sık kas oksidatif kapasite invaziv Kas biyopsisi ve pahalı ve zaman alıcı manyetik rezonans spektroskopi (MRS) teknikleri de dahil olmak üzere, bir dizin sağlamak için kullanılır.

Burada, biz yakın kızılötesi spektroskopi (NIRS), her biri bu üç önemli klinik bitiş noktaları (Reaktif hiperemi, sympatholysis ve kas oksidatif kapasite) tek bir klinik veya laboratuvar ziyaret değerlendirmek için kullanarak roman, non-invaziv bir yaklaşım öneriyorum. Üç kat bu yaklaşım önemli avantajları: ilk olarak, bu kolayca taşınabilir, nispeten düşük maliyetli ve gerçekleştirmek kolay bir tekniktir. Reaktif hiperemi ölçmek için geçerli Doppler ultrason yaklaşımlar son derece operatöre bağlı — geniş beceri gerektiren ve eğitim — ve sofistike, yüksek maliyetli veri edinme donanım ve Post-işleme yazılımı gerektirir. Ayrıca, bu makul klinik ve/veya izleme veya tedavi edici etkinliği test başucu için büyük klinik denemeler içine tanıttı. İkinci olarak, Metodolojisi sayesinde kas iskelet microvasculature üzerinde özellikle teknik genel özgüllüğü artırmak, bu teknik odaklanır. Alternatif yaklaşımlar Doppler ultrason kullanarak tamamen ters yönde kanalı gemiler üzerinde odaklanmak ve değişiklikler, sinyal nemlendirin sonucuna. Üçüncü olarak, bu tamamen non-invaziv bir tekniktir. Kas iskelet oksidatif kapasite ile invaziv geleneksel olarak değerlendirildiğini ve ağrılı kas biyopsisi ve fonksiyonel sympatholysis sympathomimetics ve sympatholytics içi Arteryel enjeksiyon ile tespit edilebilir. Bu yaklaşım hep birlikte bu gereksinimleri önler.

Protocol

Bu iletişim kuralı Kurumsal değerlendirme Komitesi Arlington Texas Üniversitesi’nde kuralları izler ve Helsinki Deklarasyonu en son sürümü tarafından ayarla standartlarına uygundur. Buna göre yazılı Onam yapıldı (ve olmalıdır) araştırma yordamlar başlamasından için elde edilen rahip. 1. araçları Not: Aşağıdaki araçları açıklama bizim laboratuarda kullanılan yakın kızılötesi (Nur) Spektrometre ve veri toplama sistemine bağlıdır ( …

Representative Results

Kas iskelet oksidatif kapasite Şekil 2 bir iskelet kası NIRS kaynaklı oksidatif kapasite değerlendirme sırasında bir temsilcisi katılımcı tepki gösterir. Paneli A gösterir doku doygunluk profil bir 5 dk sırasında Arteryel oklüzyon protokolü, grip egzersiz ve egzersiz kurtarma sırasında aralıklı Arteryel oklüzyon kelepçele. Panel B aralıklı arteriyel i…

Discussion

Burada açıklanan yöntemleri non-invaziv, klinik değerlendirme reaktif hiperemi, nörovasküler kaplin ve kas iskelet oksidatif kapasite içinde tek bir klinik veya laboratuvar ziyaret etkinleştirin.

Kritik konuları

NIRS nispeten sağlam ve kullanımı kolay olsa da, bu veri toplama gerekir dikkatli optodes kas göbek üzerinde yerleşimini sıkıca yerde hareket artefaktı önlemek için güvenli ve loş bir odada önlemek için bir s…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser bir Arlington disiplinler arası araştırma programı hibe Texas Üniversitesi tarafından desteklenmiştir.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Clifford, P. S., Hellsten, Y. Vasodilatory mechanisms in contracting skeletal muscle. J Appl Physiol. 97 (1), 393-403 (2004).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Nelson, M. D., et al. PDE5 inhibition alleviates functional muscle ischemia in boys with Duchenne muscular dystrophy. Neurology. 82 (23), 2085-2091 (2014).
  11. Nelson, M. D., et al. Sodium nitrate alleviates functional muscle ischaemia in patients with Becker muscular dystrophy. J Physiol. 593 (23), 5183-5200 (2015).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Westerblad, H., Place, N., Yamada, T., Rassier, D. E. . Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. , 279-296 (2010).
  15. 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).
  16. Cabalzar, A. L., et al. Muscle function and quality of life in the Crohn’s disease. Fisioter Mov. 30, 337-345 (2017).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ryan, T. E., et al. Skeletal muscle oxidative capacity in amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 50 (5), 767-774 (2014).
  27. 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).
  28. McLay, K. M., et al. Vascular responsiveness determined by near-infrared spectroscopy measures of oxygen saturation. Exp Physiol. 101 (1), 34-40 (2016).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Southern, W. M., et al. Reduced skeletal muscle oxidative capacity and impaired training adaptations in heart failure. Physiol Rep. 3 (4), (2015).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
check_url/57317?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Rosenberry, R., Chung, S., Nelson, M. D. Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with ‘One Stop Shop’ Near-infrared Spectroscopy. J. Vis. Exp. (132), e57317, doi:10.3791/57317 (2018).

View Video