Ανταγωνισμός αναπνευστικών και περιφερικών μυών στην άσκηση σε ασθενείς με χρόνια αποφρακτική πνευμονοπάθεια (ΧΑΠ)

Abstract

In patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD), one of the proposed mechanisms for improving exercise tolerance, when work of breathing is experimentally reduced, is redistribution of blood flow from the respiratory to locomotor muscles. Hence, the purpose of the dissertation was to investigate whether the well documented improvement in exercise capacity with heliox or oxygen administration occurs on the basis of blood flow redistribution from the respiratory to locomotor muscles. To accomplish this goal, simultaneous measurements of quadriceps, intercostal and abdominal muscle blood flow were performed during exercise in room air and whilst breathing heliox or pure oxygen. Both inhaled mixtures are known to enhance exercise capacity in COPD owing primarily to increased arterial oxygen concentration but also due to reduced mechanical work of breathing with oxygen supplementation, or consequently to reduced work of breathing but not directly also increased arterial O2 concentration following heliox administration. It was reasoned that if during exercise whilst breathing heliox or pure oxygen, respiratory muscle blood flow was less than that during air breathing and quadriceps muscle blood flow was concomitantly increased, this would point towards a potential redistribution of blood flow from the respiratory to the locomotor muscle. Intercostal, abdominal and vastus lateralis muscle perfusion were simultaneously measured by near infrared spectroscopy using indocyanine green dye. Measurements were performed during constant-load exercise at 75% of peak capacity to exhaustion while breathing room air, and at the same workload, breathing either normoxic heliox (helium 79% and oxygen 21%) or 100% oxygen. Times to exhaustion whilst breathing heliox and oxygen did not differ (659±42 sec with heliox and 696±48 sec with 100% O2), but both exceeded that on room air (406±36 sec, p<0.001). At exhaustion, intercostal and abdominal muscle blood flow during heliox (9.5±0.6 and 8.0±0.7 ml/min/100g, respectively) was greater compared to room air (6.8±0.5 and 6.0±0.5 ml/min/100g, respectively; p<0.05), whilst neither intercostal nor abdominal muscle blood flow differed between oxygen and air breathing. Quadriceps muscle blood flow was also greater with heliox compared to room air (30.2±4.1 versus 25.4±2.9 ml/min/100g; p<0.01), but did not differ between air and oxygen breathing. These findings confirm that reducing the burden on respiration by heliox or oxygen breathing prolongs time to exhaustion (at 75% of maximal capacity) in COPD patients. However, the findings do not support the hypothesis that redistribution of blood flow from the respiratory to locomotor muscles is the explanation but rather suggest that a common basis for enhanced exercise performance may be improved respiratory and locomotor muscle O2 availability afforded by these interventions.

Ο στόχος της παρούσης διατριβής ήταν να διερευνήσει σε ασθενείς με ΧΑΠ εάν η καλά τεκμηριωμένη βελτίωση της ικανότητας για άσκηση που συντελείται μετά από μείωση του έργου των αναπνευστικών μυών, οφείλεται στην αναδιανομή της αιματικής ροής από τους αναπνευστικούς στους περιφερικούς μυς. Για την επίτευξη του στόχου αυτού επιστρατεύθηκε η μέθοδος της εγγύς υπέρυθρης φασματοσκοπίας σε συνδυασμό με την χρωστική ουσία ινδοκυανίνη για την ταυτόχρονη καταγραφή της αιματικής ροής των αναπνευστικών και περιφερικών μυών στην άσκηση σε δύο μελέτες. Στην πρώτη μελέτη πρωταρχικός στόχος ήταν η μείωση του έργου των αναπνευστικών μυών παράλληλα με τη βελτίωση των κεντρικών αιμοδυναμικών αποκρίσεων κατά τη διάρκεια άσκησης με εισπνοή μίγματος ηλίου/οξυγόνου (Ήλιο 79%, Οξυγόνο 21%). Στη δεύτερη μελέτη πρωταρχικός στόχος ήταν η αύξηση της συστεμικής διαθεσιμότητας οξυγόνου παράλληλα με τη μείωση του έργου των αναπνευστικών μυών στην άσκηση με την εισπνοή καθαρού (100%) οξυγόνου. Η καταγραφή της αιματική ροή των αναπνευστικών μυών πραγματοποιήθηκε στο έβδομο μεσοπλεύριο διάστημα και στον ορθό κοιλιακό μυ ενώ των περιφερικών μυών πραγματοποιήθηκε στον έξω πλατύ του τετρακεφάλου μηριαίο μυ. Η καρδιακή παροχή προσδιορίστηκε με τη μέθοδο της αραίωσης βασισμένη στην αρχή του Fick. Το φορτίο της αναπνοής κατεγράφη από την ανάλυση οισοφάγειων και γαστρικών καθετήρων και των αναπνεόμενων όγκων μέσω εφαρμογής της Οπτο-ηλεκτρονικής Πληθυσμογραφίας. Στην πρώτη μελέτη επιμηκύνθηκε ο χρόνος άσκησης συγκριτικά με τη συνθήκη άσκησης στον ατμοσφαιρικό αέρα καθώς η εισπνοή μίγματος ηλίου/οξυγόνου είχε ως αποτέλεσμα το έργο της αναπνοής να είναι μικρότερο, η καρδιακή παροχή μεγαλύτερη όπως και η αιματική ροή των αναπνευστικών και περιφερικών μυών, ενώ υπήρξε και υψηλότερη συστεμική συγκέντρωση οξυγόνου. Στη δεύτερη μελέτη ο χρόνος άσκησης κατά την εισπνοή 100% οξυγόνου επιμηκύνθηκε συγκριτικά με τη συνθήκη εισπνοής ατμοσφαιρικού αέρα. Παρά τη σημαντική αύξηση της ικανότητας για άσκηση, η αιματική ροή κατά τη συνθήκη εισπνοής 100% οξυγόνου στους αναπνευστικούς μυς αλλά και στους μυς των κάτω άκρων δεν ήταν διαφορετική συγκριτικά με τη συνθήκη εισπνοής στον ατμοσφαιρικό αέρα. Σημαντικό εύρημα αποτελεί το γεγονός ότι η απόδοση οξυγόνου στους αναπνευστικούς και περιφερικούς μυς ήταν παρόμοια στις συνθήκες άσκησης με εισπνοή 100% οξυγόνου ή μίγματος ηλίου/οξυγόνου καθώς και στις δύο συνθήκες η απόδοση οξυγόνου στους μυς ήταν σημαντικά μεγαλύτερη σε σχέση με τη συνθήκη εισπνοής ατμοσφαιρικού αέρα. Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής παρέχουν ισχυρή ένδειξη ότι σε ασθενείς με αποφρακτική πνευμονοπάθεια η βελτίωση της ικανότητας για άσκηση που συντελείται όταν το έργο των αναπνευστικών μυών μειωθεί σημαντικά και παράλληλα αυξηθεί η συστεμική συγκέντρωση οξυγόνου, οφείλεται στην αύξηση της απόδοσης οξυγόνου στους περιφερικούς μυς και όχι στην ανακατανομή της αιματικής ροής από τους αναπνευστικούς προς τους περιφερικούς μυς.