Name: skeletal muscle neurovascular coupling, oxidative capacity, and microvascular function with 'one stop shop' near-infrared spectroscopy
Uploaded: 2018-02-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 4 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with 'One Stop Shop' Near-infrared Spectroscopy at JoVE.com

Este trabalho foi apoiado por uma Universidade do Texas em subvenção do programa de pesquisa interdisciplinar de Arlington.

Este protocolo segue as diretrizes do Conselho de revisão institucional da Universidade do Texas em Arlington e está em conformidade com as normas estabelecidas pela versão mais recente da declaração de Helsinque. Nesse sentido, escrito consentimento informado foi (e deve ser) obtidos antes do início dos procedimentos de investigação.
1. instrumentação
Nota: A seguinte descrição de instrumentação baseia-se no infravermelho próximo (NIR) espectrômetro e dados aquisição sistema usado no nosso laboratório (ver Tabela de materiais). Assim, as instruções seguintes etapas que são necessárias para o funcionamento ideal destes dispositivos. Estas etapas incluem a calibração da sonda NIR usando o software que acompanha e calibração fantasma e a aplicação de um pano escuro para eliminar a luz ambiente. Caso o hardware de coleta de dados diferentes e/ou o software é utilizado, os investigadores devem consultar seus próprios manuais de usuário específico para calibração e considerações de luz ambientes. A Figura 1 ilustra a montagem experimental e instrumentação descrito imediatamente abaixo.
<ol><li>Instrua o assunto se encontram em decúbito dorsal com as pernas dentro de uma câmara de pressão negativa (LBNP) inferior do corpo (figura 1A), para que a sua linha de cintura é aproximadamente mesmo com a abertura para a caixa do LBNP. Para obter instruções sobre como construir uma câmara LBNP, consulte referências17.
</li>
	<li>Coloque três eletrodos de eletrocardiograma sobre o assunto: um sobre o assunto e dois em uma posição inferior, médio-clavicular do lado esquerdo medial à crista ilíaca. Essa configuração fornece os melhores resultados devido ao acesso limitado aos membros inferiores, instrumentação dos membros superiores e movimento do braço durante o exercício de aperto de mão.</li>
	<li>Coloque um módulo de monitor de pressão arterial não-invasiva no pulso dominante do sujeito. Coloque as algemas de pressão arterial de dedo em cada dedo e conectá-los ao módulo (figura 1B). Certifique-se que o dedo de trapo de pressão arterial é devidamente calibrado de acordo com o manual que acompanha seu dispositivo.</li>
	<li>Instrua o sujeito a compreender um dinamômetro de aperto de mão (HGD) com seu braço não-dominante em uma posição ligeiramente abduzido. O braço deve ser posicionado confortavelmente em uma mesa de cabeceira. A distância e o ângulo da HGD devem ser ajustados para permitir a força de preensão ideal com movimento mínimo do braço (Figura 1).</li>
	<li>Fixe o HGD para uma mesa de cabeceira.</li>
	<li>Medir a contração voluntária máxima (MVC) do participante. Diga-o participante que, quando solicitado, eles devem apertar o HGD tão duro quanto possível utilizando apenas os músculos na mão e antebraço. Instrua o assunto que eles devem abster-se de recrutar sua parte superior do braço, peito, ombro ou músculos abdominais ao realizar a máxima aderência.</li>
	<li>Repita etapa 1.6 três vezes, separados pelo menos 60 s. Record a força máxima alcançada (melhor de 3). Esta força máxima será usada para calcular a intensidade do exercício para a capacidade oxidativa do músculo esquelético e neurovasculares de acoplamento (abaixo).</li>
	<li>Coloque uma braçadeira rápida inflação ao redor do braço superior da mão exercitar. Conectar-se a companhia aérea do controlador de inflação rápida à braçadeira.</li>
	<li>Identifica dos dedos flexor profundo. Use um marcador de pele para demarcar as fronteiras do músculo palpável.</li>
	<li>Certifique-se de que o espectrômetro NIR é devidamente calibrado de acordo com o manual do usuário incluído com seu dispositivo. Limpe a pele sobre a qual se posicionará a sonda NIR com uma compressa com álcool prep.</li>
	<li>Coloque a sonda NIR sobre o centro da barriga do músculo (dos dedos flexor profundo) e afixá-lo de forma segura para o antebraço.</li>
	<li>Embrulhe a sonda e antebraço com pano escuro, minimizando a interferência de luz ambiente (Figura 1, Figura 1).</li>
	<li>Quando estiver pronto para executar a parte funcional sympatholysis do estudo, sele o assunto na câmara LBNP.</li>
</ol>2. capacidade oxidativa do músculo
Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir a capacidade oxidativa do músculo esquelético é representado na Figura 2. Esta abordagem experimental anteriormente foi validada contra na vivo fósforo MRS18 e em situ músculo respirometria19e está ganhando aceitação generalizada20.
<ol><li>Instrumentar o assunto como indicado acima (Instrumentação).</li>
	<li>Instrua o sujeito a mentir ainda por 2 min enquanto monitoramento deoxyhemoglobin (HHb) e da oxihemoglobina (HbO2) através da sonda NIR. Nota: Este período de descanso permite que o sujeito para se recuperar de qualquer artefato de movimento associado com o processo de instrumentação e garante medições de linha de base estável. Se depois de 2 min sem flutuações significativas ocorreram, o assunto pode ser considerado em um estado estacionário, ou de base de descanso.</li>
	<li>Antes da oclusão do manguito, informe o seu assunto que você irá insuflar a braçadeira. Infle o braço superior do manguito pelo menos 30 mmHg acima da pressão arterial sistólica por 5 min (i.e., suprasystolic). Instrua o assunto para manter o seu braço mais ainda e relaxada possível durante a insuflação do manguito e seguir deflação do manguito. Nota: Este 5 min protocolo de oclusão artéria braquial manguito reflete intimamente que o padrão clínico atualmente aceito para oclusão vascular testa21,22,23,24,25.</li>
	<li>Registre o valor inicial/linha de base (antes da oclusão do manguito) e o valor do nadir de saturação de tecido (StO2) durante a oclusão do manguito e determinar o ponto médio entre estes dois valores. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57317/57317eq1.jpg">
</li>
	<li>Permitir que o assunto recuperar a oclusão do manguito e retornar aos valores de base de descanso. Uma vez que o assunto tem mantido uma linha de base de descanso pelo menos 1 min completa, continue para a próxima etapa.</li>
	<li>Instruir o sujeito a apertar e manter um aperto de mão isométrico a 50% de seu MVC. Incentive o assunto para manter a sua contração isométrica até o tecido elimina a saturação em 50%. Após atingir esse valor, diz o assunto para relaxar a sua mão e informá-los que não há mais exercício ou movimento é necessária.</li>
	<li>Dentro de 3-5 s seguinte exercício cessação, administrar a seguinte série de oclusão de braçadeira rápida (uma série = 1 inflação + 1 deflação), como previamente estabelecido18: Série #1 - 6: 5 s na/5 s fora Série #7 - 10: 7 s na/10 s fora Série #11-14:10 s na/15 s fora Série #15-18:10 s na/20 s fora</li>
	<li>Depois de completar a série de inflação/deflação 18th , instrua o assunto para descansar, permitindo que a saturação de tecido retornar aos valores de base inicial. Depois esses valores permaneceram consistentes pelo menos 2 min, repita as etapas de 2.4 e 2.5.</li>
	<li>
Calcular a capacidade oxidativa do músculo esquelético
	<ol>
<li>Calcule a inclinação da mudança no StO2para cada uma das oclusões do 18 manguito individuais, formando os pontos de recuperação monoexponential ilustrados na Figura 2.</li>
		<li>Ajustar os dados calculados de 2.7 para a seguinte curva de19,monoexponential18,26 y = fim - Δ x e-kt Nota: 'y' é a taxa de consumo de oxigênio muscular relativo (mV̇O2) durante a insuflação do manguito, 'End' representa o mV̇O2 , imediatamente após a cessação do exercício; Delta ('Δ') significa a mudança no mV̇O2 de descanso ao final do exercício; 'k' é o ajuste constante de velocidade; ' t ' é tempo. Tau é calculada como 1/k.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. reativa hiperemia
Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir a hiperemia reativa é retratado na Figura 3.
<ol><li>Com o assunto deitado em decúbito dorsal e instrumentado como descrito acima (Instrumentação), instrua o assunto para que fique o mais imóvel possível.</li>
	<li>Uma vez que o assunto tem alcançado um estado de repouso consistente, continue a gravar pelo menos 1 min de dados de base e em seguida rapidamente insuflar um manguito de pressão arterial na parte superior do braço a uma pressão de suprasystolic (30 mmHg acima da pressão arterial sistólica).</li>
	<li>A marca de 5 min, rapidamente, esvazie a braçadeira enquanto gravava a resposta hiperemiada.</li>
	<li>Continue gravando para pelo menos de 3 min para capturar a recuperação do sujeito.</li>
	<li>
Cálculo de hiperemia reativa Nota: Os parâmetros NIRS calculados são representados na Figura 3.<ol>
<li>Calcule a linha de base StO2 como o StO média2 por 1 min completo prévio ao aparecimento de oclusão arterial do manguito.</li>
		<li>Determine a taxa metabólica do músculo esquelético descanso como a taxa de dessaturação (i.e., inclinação média) durante o manguito oclusão (definido como inclinação 1)27,28.</li>
		<li>Calcule a hiperemia reativa como segue: a) a média ascendente após lançamento do manguito (i.e., reperfusão taxa, definida como inclinação 2), calculado a partir do momento da liberação do manguito pela fase linearmente crescente do rastreamento rebote; b) StO2 valor máximo alcançado após liberação do manguito (denotada como StO2máx); c) a área de hiperemia reativa sob a curva (AUC); calculado a partir na época do lançamento do manguito para 1-, 2 - e 3-min postar manguito-oclusão (AUC AUC 1-min, min 2 e 3 AUC-min, respectivamente); e d) o hiperemiada reserva, calculado como a mudança na StO2 acima da linha de base e relatado como uma mudança de % (por cento). Este valor é calculado como a mais alta saturação alcançada durante o pós-oclusiva rebote menos a saturação média calculada no passo 3.5.1 (veja acima). Nota: Grandes diferenças nos dados de base afetará grandemente a interpretação da reserva hiperemiada.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. funcional Sympatholysis
Nota: Um rastreamento de dados representativos, ilustrando o procedimento experimental para medir sympatholysis funcional é representado na Figura 4.
<ol><li>Instrumentar o assunto como indicado acima (Instrumentação).</li>
	<li>Certifique-se de um selo hermético na câmara LBNP.</li>
	<li>Com o assunto deitado ainda e em repouso, colete 3 min de dados de base.</li>
	<li>A marca de 3 min, ligue o aspirador. Ajuste o vácuo para que a pressão no interior da câmara LBNP está entre-20 e -30 mmHg. Permita o vácuo concorrer a 2 min enquanto monitora a resposta do sujeito.</li>
	<li>A marca de 5 min, desligue o aspirador e permitir que o assunto descansar por 3 min.</li>
	<li>A marca de 8 min, iniciar o prompt de voz guiando o assunto através do exercício de aperto de mão rítmica (20% MVC).</li>
	<li>Confirme que o assunto é manter seu aperto em toda a totalidade de cada fase emocionante e relaxar completamente durante entre cada repetição. Monitorar a sua saída de força e confirmar que eles estão conseguindo 20% MVC com cada aperto. Continue o exercício até a marca de 11 min.</li>
	<li>A marca de 11 min, ligue o vácuo incentivando o assunto para continuar o exercício rítmico. Permita o vácuo executar a partir de 11-13 min e, em seguida, desligá-lo.</li>
	<li>Com o assunto continuar realizando exercício de aperto de mão rítmica em 20% dos seu MVC para um adicional 2 min. Após a cessação do exercício, tem o resto do assunto tranquilamente e fica quieto.</li>
	<li>
Cálculo funcional Sympatholysis
	<ol>
<li>Normalize a mudança na oxihemoglobina com LBNP ao total sinal lábil (TLS), determinada durante a oclusão de braçadeira 5 min: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57317/57317eq2.jpg"> <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57317/57317eq3.jpg">
</li>
		<li>Calcule cada evento como a média final de 20 min de cada evento.</li>
		<li>Calcule a atenuação induzida pelo exercício da redução da oxihemoglobina: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57317/57317eq4.jpg">
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Huang, A. 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L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+four+different+vascular+occlusion+tests+for+assessing+reactive+hyperemia+using+near-infrared+spectroscopy.">Comparison of four different vascular occlusion tests for assessing reactive hyperemia using near-infrared spectroscopy.</a> Crit Care Med. 39 (4), 695-701 (2011).</li><li>McLay, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vascular+responsiveness+determined+by+near-infrared+spectroscopy+measures+of+oxygen+saturation.">Vascular responsiveness determined by near-infrared spectroscopy measures of oxygen saturation.</a> Exp Physiol. 101 (1), 34-40 (2016).</li><li>McLay, K. M., Nederveen, J. P., Pogliaghi, S., Paterson, D. H., Murias, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Repeatability+of+vascular+responsiveness+measures+derived+from+near-infrared+spectroscopy.">Repeatability of vascular responsiveness measures derived from near-infrared spectroscopy.</a> Physiol Rep. 4 (9), (2016).</li><li>Ryan, T. E., Southern, W. M., Brizendine, J. T., McCully, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activity-induced+changes+in+skeletal+muscle+metabolism+measured+with+optical+spectroscopy.">Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy.</a> Med Sci Sports Exerc. 45 (12), 2346-2352 (2013).</li><li>Southern, W. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduced+skeletal+muscle+oxidative+capacity+and+impaired+training+adaptations+in+heart+failure.">Reduced skeletal muscle oxidative capacity and impaired training adaptations in heart failure.</a> Physiol Rep. 3 (4), (2015).</li><li>Ryan, T. E., Brizendine, J. T., McCully, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+of+exercise+type+and+intensity+on+the+noninvasive+assessment+of+skeletal+muscle+mitochondrial+function+using+near-infrared+spectroscopy.">A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy.</a> J Appl Physiol. 114 (2), 230-237 (2013).</li><li>Adami, A., Cao, R., Porszasz, J., Casaburi, R., Rossiter, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reproducibility+of+NIRS+assessment+of+muscle+oxidative+capacity+in+smokers+with+and+without+COPD.">Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD.</a> Respir Physiol Neurobiol. 235, 18-26 (2017).</li><li>Lacroix, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reproducibility+of+near-infrared+spectroscopy+parameters+measured+during+brachial+artery+occlusion+and+reactive+hyperemia+in+healthy+men.">Reproducibility of near-infrared spectroscopy parameters measured during brachial artery occlusion and reactive hyperemia in healthy men.</a> J Biomed Opt. 17 (7), 077010 (2012).</li><li>Bopp, C. M., Townsend, D. K., Warren, S., Barstow, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relationship+between+brachial+artery+blood+flow+and+total+[hemoglobin+myoglobin]+during+post-occlusive+reactive+hyperemia.">Relationship between brachial artery blood flow and total [hemoglobin+myoglobin] during post-occlusive reactive hyperemia.</a> Microvasc Res. 91, 37-43 (2014).</li><li>Willingham, T. B., Southern, W. M., McCully, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+reactive+hyperemia+in+the+lower+limb+using+near-infrared+spectroscopy.">Measuring reactive hyperemia in the lower limb using near-infrared spectroscopy.</a> J Biomed Opt. 21 (9), 091302 (2016).</li><li>Kragelj, R., Jarm, T., Erjavec, T., Presern-Strukelj, M., Miklavcic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parameters+of+postocclusive+reactive+hyperemia+measured+by+near+infrared+spectroscopy+in+patients+with+peripheral+vascular+disease+and+in+healthy+volunteers.">Parameters of postocclusive reactive hyperemia measured by near infrared spectroscopy in patients with peripheral vascular disease and in healthy volunteers.</a> Ann Biomed Eng. 29 (4), 311-320 (2001).</li><li>Gurley, K., Shang, Y., Yu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+optical+quantification+of+absolute+blood+flow,+blood+oxygenation,+and+oxygen+consumption+rate+in+exercising+skeletal+muscle.">Noninvasive optical quantification of absolute blood flow, blood oxygenation, and oxygen consumption rate in exercising skeletal muscle.</a> J Biomed Opt. 17 (7), 075010 (2012).</li></ol>

Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Os métodos aqui descritos permitem avaliação não-invasiva, clínica de hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa do músculo esquelético em uma única visita clínica ou laboratório.
Considerações críticas
Embora NIRS é relativamente robusto e fácil de usar, recolha destes dados exige cuidadosa colocação do optodes diretamente sobre o ventre muscular, preso firmemente no lugar para evitar artefato de movimento e coberto com uma folha de vinil preto em um quarto mal iluminado para evitar interferência de infravermelho próximo de luz externa. Além disso, obter dados de boa qualidade depende muito comunicação clara entre o testador e o sujeito e a equipe de teste. Nós e outros, descobriram que, quando executada com atenção e cuidados adequados, NIRS é altamente reprodutível em uma visita de estudo único e entre várias visitas10,11,24,29. Além disso, as variáveis fisiológicas resultado aqui indicadas (ou seja, capacidade oxidativa do músculo esquelético, hiperemia reativa e acoplamento neurovascular) são sensíveis à intervenção experimentais e clínicos, tanto dentro e entre as visitas de estudo 30 , 31 , 10 , 11.
Há consenso atualmente limitado noticiar o apropriado das variáveis resultado NIRS. Por exemplo, quando se mede a capacidade oxidativa do músculo esquelético, os investigadores caberia a cinética de recuperação da HbO232, HHb19, Hbdiff30 e tecido O2 saturação (presente estudo e os outros33 ). Da mesma forma, uma propagação semelhante nas variáveis de resultado também têm sido relatadas para hiperemia reativa baseada em NIRS. 34 , 35 , 36 , 37 Alguns desta discrepância podem relacionar o tipo de dispositivo NIRS usado. Por exemplo, dispositivos de frequência-domínio (como usado aqui) fornecem a quantificação absoluta da HbO2 e HHb e, portanto, não podem ser afetados por alterações agudas no teor total de Hb (eliminando a necessidade de corrigir os dados). Em contraste, no entanto, dispositivos assemelhace são muito afetados por aguda alterações na hemoglobina total, que exigem a correção de dados25.
Modificações e solução de problemas
Uma limitação importante e atualmente inevitável de NIRS é sua profundidade de penetração limitada (~ 2 cm). Portanto, adiposidade membro pode reduzir significativamente — e até mesmo completamente eliminar — o sinal NIRS e deve ser considerada quando assuntos potenciais de triagem. Para controlar, por isso, os investigadores são incentivados a medir antebraço espessura de dobras cutâneas e excluir os participantes com adiposidade periférica significativa.
Qualquer fator que pode modular a resposta vascular, acoplamento neurovascular, e/ou capacidade oxidativa do músculo esquelético (ou seja, medicação, mutações genéticas, etc.) certamente afetará as medições de ponto de extremidade principal aqui descritas . Investigadores, portanto, são incentivados a ter esses fatores em consideração quando se adaptando a este protocolo e planejamento futura experimentação.
Para determinação de sympatholysis funcional, os investigadores podem desejar incluir um segundo desafio LBNP descanso para garantir o sinal ainda está presente e que as diferenças observadas durante o exercício-LBNP não eram simplesmente devido a uma perda de sinal ou medição do erro. É recomendável para permitir que o 3-5 min permitir que o sinal da oxihemoglobina para recuperação completa para valores basais antes de repetir o desafio LBNP descanso.
Futuras aplicações ou direções depois de dominar esta técnica
Espectroscopia NIR usa luz laser para avaliar a concentração de hemoglobina oxigenada e desoxigenada no tecido. Durante a medição de hiperemia reativa e sympatholysis funcional, alterações relativas desses parâmetros acredita-se que representam mudanças no fluxo microvascular. Espectroscopia de correlação difusa (DCS) é uma imagem infravermelha emergente abordagem que, além de avaliar a concentração de oxi- e deoxyhemoglobin, também pode quantificar a perfusão microvascular38. Dadas as semelhanças óbvias entre essas duas abordagens da imagem latente, incorporação de DCS as propostas técnicas seria praticamente imperceptível e pode fornecer insights adicionais sobre a quantificação da função microvascular e perfusão.
Uma vez que esta técnica é dominada, aplicativo para populações clínicas, tais como aqueles com insuficiência cardíaca, irá fornecer uma visão mecanicista importante exercício intolerância e disfunção cardiovascular.

A resposta hiperemiada para um breve período de isquemia do tecido tem emergido como uma medida-chave não-invasiva da função vascular (micro). Durante a oclusão de uma artéria de canalização, a jusante arteríolas dilatar-se em um esforço para compensar o insulto isquêmico. Após a liberação da oclusão, a diminuição da resistência vascular resulta em hiperemia, a magnitude do que é ditada pela capacidade de dilatar a microvasculatura a jusante. Enquanto a hiperemia reativa é um forte preditor independente de eventos cardiovasculares1,2 e, portanto, um ponto de extremidade clinicamente significativo, seu significado funcional para exercer tolerância e qualidade de vida é menos claro.
Com efeito, o exercício dinâmico representa um grande estresse cardiovascular que exige uma resposta altamente coordenada neurovascular para coincidir com a entrega de oxigênio a demanda metabólica. Por exemplo, fluxo de sangue do músculo esquelético pode aumentar quase 100-fold durante o músculo isolado contrações3, que iria sobrecarregar a capacidade de bombeamento do coração se tal resposta hemodinâmica foram extrapolada para o exercício de todo o corpo. Nesse sentido, para evitar hipotensão severa, simpático (i.e., vasoconstritor) aumenta a atividade nervosa para redistribuir o débito cardíaco de tecidos inativos e viscerais e para o músculo esquelético ativo4. Efluxo simpático também é direcionado para o músculo esquelético exercício5; no entanto, sinalização metabólica local atenua a resposta vasoconstritora para assegurar adequada de tecido oxigênio entrega6,7,8,9,10, 11. coletivamente, este processo é denominado funcional sympatholysis12e é imperativo para o regulamento normal do fluxo de sangue do músculo esquelético durante o exercício. Desde que o fluxo de sangue do músculo esquelético é um determinante-chave da capacidade aeróbia — um preditor independente de qualidade de vida e doença cardiovascular morbidade e mortalidade13— noções básicas sobre o controle de oxigênio de tecido e fluxo de sangue muscular esquelético entrega durante o exercício é de grande importância clínica.
Entrega de oxigênio é apenas metade da equação de Fick, no entanto, com utilização de oxigênio satisfaça a outra metade da equação. Entre os principais determinates da utilização de oxigênio, a fosforilação oxidativa mitocondrial desempenha um papel essencial no fornecimento de energia adequada para processos celulares em repouso e durante o exercício. Com efeito, deficiências na capacidade oxidativa do músculo podem limitar funcional capacidade e qualidade de vida de14,15,16. Várias medidas são comumente usadas para fornecer um índice da capacidade oxidativa muscular, incluindo biópsias de músculo invasivo e caro e demorado de ressonância magnética espectroscopia (MRS) técnicas.
Aqui, propomos uma abordagem não-invasiva, romance, usando espectroscopia de infravermelho próximo (NIR), para avaliar cada um desses três principais clínicos pontos de extremidade (hiperemia reativa, sympatholysis e capacidade oxidativa do músculo) em uma única visita clínica ou laboratório. As principais vantagens desta abordagem são triplo: primeiro, esta técnica é facilmente transportável, custo relativamente baixo e fácil de executar. As abordagens atuais do ultra-som Doppler para medir a hiperemia reativa são altamente dependente do operador — que requer grande habilidade e treinamento — e requer software de hardware e pós-processamento de aquisição de dados sofisticados, de alto custo,. Além disso, este poderia concebivelmente ser introduzido a clínica e/ou grandes ensaios clínicos para cabeceira de monitoramento ou testes de eficácia terapêutica. Em segundo lugar, em virtude da metodologia, esta técnica incide especificamente sobre a microvasculatura do músculo esquelético, aumentando a especificidade global da técnica. Abordagens alternativas usando ultra-som Doppler concentrar inteiramente em navios de conduíte upstream e inferir alterações a jusante, que podem umedecer o sinal. Em terceiro lugar, esta técnica é completamente não-invasivo. Capacidade oxidativa do músculo esquelético é tradicionalmente avaliada com invasiva e biópsias musculares dolorosas e sympatholysis funcionais podem ser avaliadas com injeção intra-arterial de simpaticomiméticos e sympatholytic. Essa abordagem evita esses requisitos todos juntos.

<table><tbody><tr><td>Dual-channel OxiplexTS Near-infrared spectroscopy machine</td><td>Iss Medical</td><td>101</td><td></td></tr><tr><td>NIRS muscle sensor</td><td>Iss Medical</td><td>201.2</td><td></td></tr><tr><td>E20 Rapid cuff inflation system</td><td>Hokanson</td><td>E20</td><td></td></tr><tr><td>AG101 Air Source</td><td>Hokanson</td><td>AG101</td><td></td></tr><tr><td>Smedley Handgrip dynometer (recording)</td><td>Stolting</td><td>56380</td><td></td></tr><tr><td>Powerlab 16/35, 16 Channel Recorder</td><td>ADInstruments</td><td>PL3516</td><td></td></tr><tr><td>Human NIBP Set</td><td>ADInstruments</td><td>ML282-SM</td><td></td></tr><tr><td>Bio Amp</td><td>ADInstruments</td><td>FE132</td><td></td></tr><tr><td>Quad Bridge Amp</td><td>ADInstruments</td><td>FE224</td><td></td></tr><tr><td>Connex Spot Monitor</td><td>Welch Allyn</td><td>71WX-B</td><td></td></tr><tr><td>Origin(Pro) graphing software</td><td>OrignPro</td><td>Pro</td><td></td></tr><tr><td>Lower body negative pressure chamber</td><td>Physiology Research Instruments</td><td>standard unit</td><td></td></tr></tbody></table>

skeletal muscle neurovascular coupling, oxidative capacity, and microvascular function with 'one stop shop' near-infrared spectroscopy

Exercício representa um grande estresse hemodinâmico que exige uma resposta altamente coordenada neurovascular para coincidir com a entrega de oxigênio a demanda metabólica. Hiperemia reativa (em resposta a um breve período de isquemia do tecido) é um preditor independente de eventos cardiovasculares e fornece dicas importantes para a saúde vascular e vasodilatador capacidade. Capacidade oxidativa do músculo esquelético é igualmente importante na saúde e na doença, como determina o fornecimento de energia para processos de myocellular. Aqui, descrevemos uma abordagem simples e não-invasiva usando espectroscopia de infravermelho próximo para avaliar cada um desses grandes clínicos pontos de extremidade (hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa muscular) durante uma única visita clínica ou laboratório. Ao contrário de ultra-som Doppler, imagens/espectroscopia de ressonância magnética, ou medições de fluxo baseado em cateter invasivo ou biópsias de músculo, nossa abordagem é menos operador-dependente, baixo custo e completamente não-invasivo. Dados representativos do nosso laboratório juntamente com dados de Resumo de literatura publicada anteriormente ilustram a utilidade de cada um desses pontos de extremidade. Uma vez que esta técnica é dominada, aplicativo para populações clínicas irá fornecer uma visão mecanicista importante exercício intolerância e disfunção cardiovascular.

Capacidade oxidativa do músculo esquelético
A Figura 2 ilustra uma resposta participante representante durante uma avaliação de capacidade oxidativa do músculo esquelético NIRS-derivado. Painel A mostra a saturação do tecido perfil durante um 5 min arterial algemá-protocolo de oclusão, exercício de empunhadura e oclusão arterial intermitente durante a recuperação do exercício. Painel B ilustra o tecido esperado dessaturação/re-saturation perfil durante as oclusões arteriais intermitentes durante o período de recuperação. A taxa de dessaturação é diretamente proporcional à taxa de consumo de oxigênio do músculo e é plotada em painel C para cada um dos períodos de oclusão intermitente do manguito. Os dados de recuperação do consumo de oxigênio muscular calculado então está apto a uma curva de monoexponential e derivado a constante de tempo de recuperação. Usando a mesma abordagem, um número crescente de estudos têm avaliado a capacidade oxidativa do músculo esquelético para a saúde e doença, através de uma variedade de grupos musculares (tabela 1).
Hiperemia reativa
A Figura 3 ilustra o perfil de NIRS-derivado de hiperemia reativa durante um teste de oclusão vascular representativa. Esta mesma abordagem tem sido utilizada em uma ampla gama de populações de estudo e grupos musculares com bom sucesso (tabela 2). Os dados indicam que a hiperemia reativa NIRS-derivado não só fornece insights valiosos sobre a reatividade vascular, mas que o teste é facilmente adaptável e clinicamente significativa.
Sympatholysis funcional
Tabela 3 resume a literatura existente usando a exata neurovascular mesmo acoplamento abordagem aqui descrita para medir sympatholysis funcional, mostrando resultados mecanicistas e clinicamente relevantes. Em indivíduos saudáveis de controle, quando LBNP é sobreposto na pega leve, a reflexa diminuição na oxigenação do músculo é atenuada pela ~ 50% (Figura 4). Falha para atenuar a atividade do nervo simpático (vasoconstritor) durante o exercício, como com doenças cardiovasculares ou neurológicas (tabela 3), perturba o equilíbrio entre a entrega de oxigênio e utilização e faz com que o músculo funcional isquemia.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57317/57317fig1.jpg"> Figura 1. Montagem experimental e instrumentação. (A) representante experimental set-up, com um típico assunto deitado em decúbito dorsal em uma cama com as pernas dentro da câmara LBNP e totalmente instrumentado. (B) braço dominante instrumentado com um dispositivo de pressão não-invasiva de sangue passo-a-passo para medição de pressão arterial passo-a-passo e um manguito de pressão arterial de artéria braquial para calibração e verificação do sistema passo-a-passo. (C) instrumentação do braço não-dominante. A mão é confortavelmente segurando um dinamômetro (conectado ao sistema de aquisição de dados), e o músculo do antebraço é instrumentado com a sonda de espectroscopia de infravermelho próximo. (D) uma vez instrumentado, os NIRS optodes são cobertas com um pano de vinil preto (para eliminar a interferência de luz ambiente). Além disso, um sistema de insuflação rápida do manguito é colocado sobre a artéria braquial. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57317/57317fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57317/57317fig2.jpg"> Figura 2. Protocolo de capacidade oxidativa do músculo esquelético. (A) rastreamento de dados brutos de um representante assunto medido através do NIRS, mostrando saturação do tecido (StO2) ao longo do tempo. Depois de estabelecer uma linha de base estável, a artéria braquial do braço não-dominante é obstruída por 5 min para estabelecer reserva de dessaturação do sujeito (diferença entre a linha de base StO2 e o nadir). Após a recuperação a partir da oclusão, o assunto é instruído a executar um punho isométrica de 50%, seguido por 18 braçadeira rápida inflação série para avaliar a cinética de recuperação de consumo de oxigênio muscular. (B) dados de análise é então realizada off-line, calculando a inclinação média de cada seguinte de série de oclusão do manguito de exercício; ilustrado aqui usando dados de série de oclusão hipotética do manguito. (C) para calcular a constante de tempo de recuperação de oxigenação muscular, a inclinação de cada um dos 18 oclusões braçadeira rápida (ou seja, consumo de oxigênio pós-exercício muscular, mV̇O2) de A é plotada contra o tempo e em forma para um curva de monoexponential. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57317/57317fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57317/57317fig3.jpg"> Figura 3. Protocolo experimental de hiperemia reativa. Com o assunto em decúbito dorsal, gravar pelo menos 1 min de dados de base, seguidos por 5 min de oclusão arterial total do manguito e pelo menos de 3 min de recuperação após o lançamento do manguito. Observe a sobreposição óbvia entre esse protocolo e do protocolo de capacidade oxidativa do músculo esquelético (Figura 2). 'Base' define o período de tempo antes da oclusão arterial do manguito. «Inclinação 1' define a taxa de dessaturação durante a oclusão do manguito e é considerada uma medida de descansar a taxa metabólica do músculo esquelético. O menor StO2 obtidos durante a isquemia é definida como ' StO2 mínimo ' e é considerada uma medida de estímulo isquêmico para vasodilate. A taxa de reperfusão de saturação de tecido é denotada como 'Inclinação 2' e é um índice de hiperemia reativa; como são StO2 máximo e a hiperemia reativa 'área sob a curva' (AUC). Para ganhar a introspecção da reserva hiperemiada, o StO2 máxima é expressa como uma porcentagem de mudança da linha de base. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57317/57317fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57317/57317fig4.jpg"> Figura 4. Protocolo experimental de sympatholysis funcional. Painel esquerdo: rastreamento de dados brutos de um tema representativo. Com o assunto em decúbito dorsal na câmara LBNP, permita 3 min de coleta de dados de linha de base do estado estacionário. Recorrer a LBNP -20 mmHg por 2 min. da oxihemoglobina/mioglobina deve diminuir em resposta à vasoconstrição simpática reflexa (círculo azul, área sombreada). Permitir que 2 min para recuperação. Pedir o assunto para realizar exercício rítmico pega em 20% MVC (medido antes da coleta de dados). Depois de 3 min de exercício rítmico, repeti-20 mmHg LBNP por 2 min enquanto o assunto continua a exercer, seguido por 2 min de exercício sem LBNP. A redução da oxihemoglobina/mioglobina deve ser significativamente atenuado (círculo vermelho, área sombreada). Se não já realizado, insufle um manguito de pressão arterial sobre a artéria braquial do braço do exercício por 5 min estabelecer a escala do sujeito de dessaturação. Observe que as áreas sombreadas na figura são apenas significou para destacar as mudanças na oxihemoglobina/mioglobina; Veja o protocolo para obter detalhes sobre como analisar as variáveis de resultado para calcular sympatholysis. Painel direito: Mudança induzida a LBNP na oxihemoglobina/mioglobina em repouso e durante exercício pega calculado a partir dos dados à esquerda. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57317/57317fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Conjunto de dados de referência /</td>
			<td>População de estudo</td>
			<td>Tamanho da amostra (n)</td>
			<td>Idade dos participantes (anos ± DP)</td>
			<td>Tau (τ) (s)</td>
			<td>Grupo muscular</td>
			<td>Relatou NIRS variável</td>
			<td>Dispositivo</td>
		</tr>
<tr>
<td>Brizendine et al. (2013)</td>
			<td>Atletas de endurance</td>
			<td>8</td>
			<td>25 ± 3</td>
			<td>19</td>
			<td>Vasto lateral</td>
			<td>Volume de sangue HBdiff/total</td>
			<td>Onda contínua (Oxymon MK III)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Ryan et al. (2014)</td>
			<td>Jovem e saudável</td>
			<td>21</td>
			<td>26 ± 2</td>
			<td>55</td>
			<td>Vasto lateral</td>
			<td>HHb</td>
			<td>Onda contínua (Oxymon MK III)</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Sul, et al. (2015)</td>
			<td>Pessoas idosas</td>
			<td>23</td>
			<td>61 ± 5</td>
			<td>63</td>
			<td>Flexores do punho</td>
			<td rowspan="2">HB' diff '
</td>
			<td>Onda contínua (Oxymon MK III)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Idosos + insuficiência cardíaca</td>
			<td>16</td>
			<td>65 ± 7</td>
			<td>77</td>
			<td>Flexores do punho</td>
			<td>Onda contínua (Oxymon MK III)</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Adami et al. (2017)</td>
			<td>Fumadores com espirometria normal</td>
			<td>23</td>
			<td>63 ± 7</td>
			<td>80</td>
			<td>Antebraço medial</td>
			<td rowspan="2">Índice de saturação de tecido (TSI)</td>
			<td>Onda contínua (Portamon)</td>
		</tr>
<tr>
<td>DPOC ouro 2-4</td>
			<td>16</td>
			<td>64 ± 9</td>
			<td>100</td>
			<td>Antebraço medial</td>
			<td>Onda contínua (Portamon)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Erickson et al. (2013)</td>
			<td>Lesão medular</td>
			<td>9</td>
			<td>43 ± 11</td>
			<td>143</td>
			<td>Vasto lateral</td>
			<td>HbO2 </td>
			<td>Onda contínua (Oxymon MK III)</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabela 1: Resumo dos relatórios publicados anteriormente através do continuum de saúde usando espectroscopia de infravermelho para medir a capacidade oxidativa do músculo esquelético.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Referência</td>
			<td>População de estudo</td>
			<td>Grupo muscular</td>
			<td>Resultados relatados</td>
			<td>Valor de resultado</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="4">Lacroix, J Biomed Opt, 2012</td>
			<td rowspan="4">Homens saudáveis</td>
			<td rowspan="4">Antebraço</td>
			<td>Pico Oxyhemoglobin</td>
			<td>28.05 ± 3,15 ΜM</td>
		</tr>
<tr>
<td>Pico de hemoglobina Total</td>
			<td>10.56 ± 1,80 ΜM</td>
		</tr>
<tr>
<td>Aumentar a taxa de pico HbO2
</td>
			<td>0,75 ± 0,22 μM/s</td>
		</tr>
<tr>
<td>Aumentar a taxa de pico Hb Total</td>
			<td>0,52 ± 0,16 μM/s</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="3">Kragelj, Ann Eng Biomed, 2001</td>
			<td rowspan="3">Doença Vascular periférica</td>
			<td rowspan="3">Antebraço</td>
			<td>Consumo de oxigênio</td>
			<td>0,68 ± 0,04 mL/min</td>
		</tr>
<tr>
<td>Hora de pico</td>
			<td>153 ± 16 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>Máxima variação absoluta na HbO2
</td>
			<td>2,93 ± 0,22 μM/100 mL</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Suffoletto, reanimação, 2012</td>
			<td rowspan="2">Admittants de UTI pós-cardíaca prisão</td>
			<td rowspan="2">Deserto do Thar</td>
			<td>Taxa de dessaturação</td>
			<td>-5.6 %/min ± 2</td>
		</tr>
<tr>
<td>Taxa de resaturation</td>
			<td>%/sec ± 0,9 0,6</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="3">Dimopoulos, Respir Care, 2013</td>
			<td rowspan="3">Hipertensão da artéria pulmonar</td>
			<td rowspan="3">Deserto do Thar</td>
			<td>Saturação de base, com 21% do2
</td>
			<td>65,8 ± 14,9%</td>
		</tr>
<tr>
<td>O2 Taxa de consumo com 21% do2
</td>
			<td>35.3 ± 9,1 %/min</td>
		</tr>
<tr>
<td>Taxa de reperfusão, com 21% do2
</td>
			<td>%/min ± 535 179</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Doerschug, sou J Physiol coração Circ Physiol, 2007</td>
			<td rowspan="2">Sepse e falência de órgãos</td>
			<td rowspan="2">Antebraço</td>
			<td>Saturação de base</td>
			<td>84%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Taxa de reoxigenação</td>
			<td>3.6 %/s</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="3">Mayeur, Crit Care Med, 2011</td>
			<td rowspan="3">Choque séptico</td>
			<td rowspan="3">Deserto do Thar</td>
			<td>Saturação de base</td>
			<td>80 ± 1,0%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Inclinação de dessaturação</td>
			<td>-9.8 %/min ± 3,7</td>
		</tr>
<tr>
<td>Inclinação de recuperação</td>
			<td>2.3 ± 1,4 %/sec</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="5">McLay, Exp Physiol, 2016</td>
			<td rowspan="5">Homens saudáveis</td>
			<td rowspan="5">Tibial Anterior</td>
			<td>Saturação de base</td>
			<td>71,3 ± 2,9%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Saturação mínima</td>
			<td>44,8 ± 8,6%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Inclinação de dessaturação</td>
			<td>-0.1 ± 0,03 %/s</td>
		</tr>
<tr>
<td>Inclinação de recuperação</td>
			<td>1,63 ± 0.5 %/s</td>
		</tr>
<tr>
<td>Saturação de pico</td>
			<td>82,6 ± 2,3%</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="4">McLay, Physiol Rep, 2016</td>
			<td rowspan="4">Homens saudáveis</td>
			<td rowspan="4">Tibial Anterior</td>
			<td>Saturação de base</td>
			<td>71,1 ± 2,4%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Saturação mínima</td>
			<td>46,2 ± 7,5%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Saturação de pico</td>
			<td>82,1 ± 1,4%</td>
		</tr>
<tr>
<td>Inclinação de recuperação</td>
			<td>1,32 ± 0,38 %/s</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabela 2: Resumo dos relatórios publicados anteriormente através do continuum de saúde usando espectroscopia de infravermelho para medir a hiperemia reativa.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>Referência</td>
			<td>População de estudo</td>
			<td>% De atenuação</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Nelson MD, J. Physiol, 2015</td>
			<td>Saudável</td>
			<td>-57</td>
		</tr>
<tr>
<td>Distrofia Muscular de Becker</td>
			<td>-13</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Vongpatanasin, J. Physiol, 2011</td>
			<td>Saudável</td>
			<td>-93</td>
		</tr>
<tr>
<td>Hipertensão</td>
			<td>-14</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Fadel, J. Physiol, 2004</td>
			<td>Pré-menopausa</td>
			<td>-84</td>
		</tr>
<tr>
<td>Pós-menopausa</td>
			<td>-19</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Lixadeira, PNAS, 2000</td>
			<td>Saudável</td>
			<td>-74</td>
		</tr>
<tr>
<td>Distrofia Muscular de Duchenne</td>
			<td>. + 7</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Nelson MD, Neurologia, 2014</td>
			<td>Saudável</td>
			<td>-54</td>
		</tr>
<tr>
<td>Distrofia Muscular de Duchenne</td>
			<td>-7</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Preço, hipertensão, 2013</td>
			<td>Pré-tratamento de hipertensão</td>
			<td>-52</td>
		</tr>
<tr>
<td>Tratamento de hypertension Post-Nebivolol</td>
			<td>-97</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Hansen, J. Clin. Investir., 1996</td>
			<td>Exercício saudável em 20% MVC</td>
			<td>-92</td>
		</tr>
<tr>
<td>Exercício saudável em 30% MVC</td>
			<td>-125</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabela 3: Resumo dos relatórios publicados anteriormente através do continuum de saúde usando espectroscopia de infravermelho próximo, em combinação com corpo negativo pressão e pega exercício inferior, para avaliar a sympatholysis funcional.

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Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with 'One Stop Shop' Near-infrared Spectroscopy

Acoplamento de Neurovascular do músculo esquelético, capacidade oxidativa e função Microvascular com 'Balcão único' espectroscopia de infravermelho próximo

Aqui, descrevemos uma abordagem simples e não-invasiva usando espectroscopia de infravermelho próximo para avaliar hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa do músculo esquelético em uma única visita clínica ou laboratório.

Exercise represents a major hemodynamic stress that demands a highly coordinated neurovascular response in order to match oxygen delivery to metabolic ...

skeletal-muscle-neurovascular-coupling-oxidative-capacity

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Medicine

12.4K visualizações.  University of Texas at Arlington. Aqui, descrevemos uma abordagem simples e não-invasiva usando espectroscopia de infravermelho próximo para avaliar hiperemia reativa, acoplamento neurovascular e capacidade oxidativa do músculo esquelético em uma única visita clínica ou laboratório.

Vídeo: Skeletal Muscle Neurovascular Coupling, Oxidative Capacity, and Microvascular Function with 'One Stop Shop' Near-infrared Spectroscopy

Myo-mechanical Analysis of Isolated Skeletal Muscle

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for the treatment of muscle disease 1,2,3, quantitative methods are needed that measure force generation and fatigability in treated muscle. We describe a detailed approach to evaluating myo-mechanical properties in freshly explanted hindlimb muscle from the mouse. We describe the atraumatic harvest of mouse extensor digitorum longus muscle, mounting the muscle in a muscle strip myograph (Model 820MS; Danish Myo Technology), and the measurement of maximal twitch and tetanic tension, contraction time, and half-relaxation time, using a square pulse stimulator (Model S48; Grass Technologies). Using these measurements, we demonstrate the calculation of specific twitch and tetanic tension normalized to muscle cross-sectional area, the twitch-to-tetanic tension ratio, the force-frequency relationship curve and the low frequency fatigue curve 4. This analysis provides a method for quantitative comparison between therapeutic interventions in mouse models of muscle disease 1,2,3,5, as well as comparison of the effects of genetic modification on muscle function 6,7,8,9.

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for muscle disease, methods are needed to quantitate force generation and fatigability in treated muscle. We detail an approach to evaluating myo-mechanical properties in explanted mouse hindlimb muscle. This analysis provides a robust approach to quantitating the effects of genetic modification on muscle function, as well as comparison of therapies in mouse models of muscle disease.

Myo-mecânico Análise do músculo esquelético isolado

To assess the in vivo effects of therapeutic interventions for the treatment of muscle disease 1,2,3, quantitative methods are needed that measure force ...

Medicina

In Vivo Canine Muscle Function Assay

We describe a minimally-invasive and reproducible method to measure canine pelvic limb muscle strength and muscle response to repeated eccentric 
contractions. The pelvic limb of an anesthetized dog is immobilized in a stereotactic frame to align the tibia at a right angle to the femur. Adhesive wrap affixes the 
paw to a pedal mounted on the shaft of a servomotor to measure torque. Percutaneous nerve stimulation activates pelvic limb muscles of the paw to either push (extend) or 
pull (flex) against the pedal to generate isometric torque. Percutaneous tibial nerve stimulation activates tibiotarsal extensor muscles. Repeated eccentric (lengthening) 
contractions are induced in the tibiotarsal flexor muscles by percutaneous peroneal nerve stimulation. The eccentric protocol consists of an initial isometric contraction 
followed by a forced stretch imposed by the servomotor. The rotation effectively lengthens the muscle while it contracts, e.g., an eccentric contraction. During 
stimulation flexor muscles are subjected to an 800 msec isometric and 200 msec eccentric contraction. This procedure is repeated every 5 sec. To avoid fatigue, 4 min rest 
follows every 10 contractions with a total of 30 contractions performed.

In Vivo Canine Muscle Function Assay

We describe a minimally-invasive and painless method to measure canine hindlimb muscle strength and muscle response to repeated eccentric contractions.

Em função Assay Canine Muscle Vivo

We describe a minimally-invasive and reproducible method to measure canine pelvic limb muscle strength and muscle response to repeated eccentric 
...

Functional Near Infrared Spectroscopy of the Sensory and Motor Brain Regions with Simultaneous Kinematic and EMG Monitoring During Motor Tasks

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is relatively flexible with respect to participant positioning and allows for some head movements during tasks. Additionally, it is inexpensive, light weight, and portable, with very few contraindications to its use. This presents a unique opportunity to study functional brain activity during motor tasks in individuals who are typically developing, as well as those with movement disorders, such as cerebral palsy. An additional consideration when studying movement disorders, however, is the quality of actual movements performed and the potential for additional, unintended movements. Therefore, concurrent monitoring of both blood flow changes in the brain and actual movements of the body during testing is required for appropriate interpretation of fNIRS results. Here, we show a protocol for the combination of fNIRS with muscle and kinematic monitoring during motor tasks. We explore gait, a unilateral multi-joint movement (cycling), and two unilateral single-joint movements (isolated ankle dorsiflexion, and isolated hand squeezing). The techniques presented can be useful in studying both typical and atypical motor control, and can be modified to investigate a broad range of tasks and scientific questions.

Monitoring brain activity during upright motor tasks is of great value when investigating the neural source of movement disorders. Here, we demonstrate a protocol that combines functional near infrared spectroscopy with continuous monitoring of muscle and kinematic activity during 4 types of motor tasks.

Perto Funcional Espectroscopia no Infravermelho das Regiões sensoriais e motoras do cérebro com simultânea cinemática e Monitoramento EMG Durante tarefas motoras

There are several advantages that functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) presents in the study of the neural control of human movement. It is ...

Comportamento

Skeletal Muscle Gender Dimorphism from Proteomics

Gross contraction in skeletal muscle is primarily determined by a relatively small number of contractile proteins, however this tissue is also remarkably adaptable to environmental factors1 such as hypertrophy by resistance exercise and atrophy by disuse. It thereby exhibits remodeling and adaptations to stressors (heat, ischemia, heavy metals, etc.)2,3. Damage can occur to muscle by a muscle exerting force while lengthening, the so-called eccentric contraction4. The contractile proteins can be damaged in such exertions and need to be repaired, degraded and/or resynthesized; these functions are not part of the contractile proteins, but of other much less abundant proteins in the cell. To determine what subset of proteins is involved in the amelioration of this type of damage, a global proteome must be established prior to exercise5 and then followed subsequent to the exercise to determine the differential protein expression and thereby highlight candidate proteins in the adaptations to damage and its repair. Furthermore, most studies of skeletal muscle have been conducted on the male of the species and hence may not be representative of female muscle. 
In this article we present a method for extracting proteins reproducibly from male and female muscles, and separating them by two-dimensional gel electrophoresis followed by high resolution digital imaging6. This provides a protocol for spots (and subsequently identified proteins) that show a statistically significant (p &lt; 0.05) two-fold increase or decrease, appear or disappear from the control state. These are then excised, digested with trypsin and separated by high-pressure liquid chromatography coupled to a mass spectrometer (LC/MS) for protein identification (LC/MS/MS)5. This methodology (Figure 1) can be used on many tissues with little to no modification (liver, brain, heart etc.).

A straight-forward set of methods to isolate and determine the identity of the most abundant proteins expressed in skeletal muscle. About 800 spots are discerned on a two-dimensional gel from 10 mg muscle; this allows for the determination of gender-specific protein expression. These methods will give equivalent results in most tissues.

Dimorfismo Sexo músculo esquelético de Proteomics

Gross contraction in skeletal muscle is primarily determined by a relatively small number of contractile proteins, however this tissue is also remarkably ...

Non-invasive Assessment of Microvascular and Endothelial Function

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of cardiovascular disease. Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. Percent capillary recruitment is assessed by dividing the increase in capillary density induced by postocclusive reactive hyperemia (postocclusive reactive hyperemia capillary density minus baseline capillary density), by the maximal capillary density (observed during passive venous occlusion). Percent perfused capillaries represents the proportion of all capillaries present that are perfused (functionally active), and is calculated by dividing postocclusive reactive hyperemia capillary density by the maximal capillary density. Both percent capillary recruitment and percent perfused capillaries reflect the number of functional capillaries. The forearm blood flow (FBF) technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function: The ratio FBFmax/FBFbase is computed as an estimate of vasodilation, by dividing the mean of the four FBFmax values by the mean of the four FBFbase values. Forearm vascular resistance at maximal vasodilation (FVRmax) is calculated as the mean arterial pressure (MAP) divided by FBFmax. Both the capillaroscopy and forearm techniques are readily acceptable to patients and can be learned quickly.
The microvascular and endothelial function measures obtained using the methodologies described in this paper may have future utility in clinical patient cardiovascular risk-reduction strategies. As we have published reports demonstrating that microvascular and endothelial dysfunction are found in initial stages of hypertension including prehypertension, microvascular and endothelial function measures may eventually aid in early identification, risk-stratification and prevention of end-stage vascular pathology, with its potentially fatal consequences.

Capillaroscopy is a non-invasive, relatively inexpensive methodology for directly visualizing the microcirculation. The forearm blood flow technique provides accepted non-invasive measures of endothelial function.

Avaliação não invasiva da função microvascular e endotelial

The authors have utilized capillaroscopy and forearm blood flow techniques to investigate the role of microvascular dysfunction in pathogenesis of ...

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo and noninvasively in humans via phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (31PMRS). However, the approach has not been widely adopted in translational and clinical research, with variations in methodology and limited guidance from the literature. Increased optimization, standardization, and dissemination of methods for in vivo 31PMRS would facilitate the development of targeted therapies to improve OXPHOS capacity and could ultimately favorably impact cardiovascular health. 31PMRS produces a noninvasive, in vivo measure of OXPHOS capacity in human skeletal muscle, as opposed to alternative measures obtained from explanted and potentially altered mitochondria via muscle biopsy. It relies upon only modest additional instrumentation beyond what is already in place on magnetic resonance scanners available for clinical and translational research at most institutions. In this work, we outline a method to measure in vivo skeletal muscle OXPHOS. The technique is demonstrated using a 1.5 Tesla whole-body MR scanner equipped with the suitable hardware and software for 31PMRS, and we explain a simple and robust protocol for in-magnet resistive exercise to rapidly fatigue the quadriceps muscle. Reproducibility and feasibility are demonstrated in volunteers as well as subjects over a wide range of functional capacities.

Phosphorus-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: A Tool for Measuring In Vivo Mitochondrial Oxidative Phosphorylation Capacity in Human Skeletal Muscle

This work demonstrates the feasibility of an in vivo phosphorus-31 magnetic resonance spectroscopy (31PMRS) technique to quantify mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity in human skeletal muscle.

Fósforo-31 Magnetic Resonance Spectroscopy: uma ferramenta para medir<em&gt; In Vivo</em&gt; Capacidade mitocondrial fosforilação oxidativo no músculo esquelético humano

Skeletal muscle mitochondrial oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity, which is critically important in health and disease, can be measured in vivo ...

Near Infrared (NIr) Light Increases Expression of a Marker of Mitochondrial Function in the Mouse Vestibular Sensory Epithelium

Strategies for attenuating decline in balance function with increasing age are predominantly focused on physical therapies including balance tasks and exercise. However, these approaches do not address the underlying causes of balance decline. Using mice, the impact of near infrared light (NIr) on the metabolism of cells in the vestibular sensory epithelium was assessed. Data collected shows that this simple and safe intervention may protect these vulnerable cells from the deleterious effects of natural aging. mRNA was extracted from the isolated peripheral vestibular sensory epithelium (crista ampullaris and utricular macula) and subsequently transcribed into a cDNA library. This library was then probed for the expression of ubiquitous antioxidant (SOD-1). Antioxidant gene expression was then used to quantify cellular metabolism. Using transcranial delivery of NIr in young (4 weeks) and older (8 - 9 months) mice, and a brief treatment regime (90 sec/day for 5 days), this work suggests NIr alone may be sufficient to improve mitochondrial function in the vestibular sensory epithelium. Since there are currently no available, affordable, non-invasive methods of therapy to improve vestibular hair cell function, the application of external NIr radiation provides a potential strategy to counteract the impact of aging on cellular metabolism inthe vestibular sensory epithelium.

Near Infrared NIr Light Increases Expression of a Marker of Mitochondrial Function in the Mouse Vestibular Sensory Epithelium

Mitochondrial dysfunction is a hallmark of cellular senescence. This paper uses non-invasive near-infrared (NIr) treatment to improve mitochondrial function in the aging mouse vestibular sensory epithelium.

Infravermelho Próximo (NIR) Luz aumenta a expressão de um marcador da função mitocondrial no mouse Vestibular Sensorial Epithelium

Strategies for attenuating decline in balance function with increasing age are predominantly focused on physical therapies including balance tasks and ...

Biologia

Non-Invasive Monitoring of Microvascular Oxygenation and Reactive Hyperemia using Hybrid, Near-Infrared Diffuse Optical Spectroscopy for Critical Care

The detection of levels of impairment in microvascular oxygen consumption and reactive hyperemia is vital in critical care. However, there are no practical means for a robust and quantitative evaluation. This paper describes a protocol to evaluate these impairments using a hybrid near-infrared diffuse optical device. The device contains modules for near-infrared time-resolved and diffuse correlation spectroscopies and pulse-oximetry. These modules allow the non-invasive, continuous, and real-time measurement of the absolute, microvascular blood/tissue oxygen saturation (StO2) and the blood flow index (BFI) along with the peripheral arterial oxygen saturation (SpO2). This device uses an integrated, computer-controlled tourniquet system to execute a standardized protocol with optical data acquisition from the brachioradialis muscle. The standardized vascular occlusion test (VOT) takes care of the variations in the occlusion duration and pressure reported in the literature, while the automation minimizes inter-operator differences. The protocol we describe focuses on a 3-min occlusion period but the details described in this paper can readily be adapted to other durations and cuff pressures, as well as other muscles. The inclusion of an extended baseline and post-occlusion recovery period measurement allows the quantification of the baseline values for all the parameters and the blood/tissue deoxygenation rate that corresponds to the metabolic rate of oxygen consumption. Once the cuff is released, we characterize the tissue reoxygenation rate, magnitude, and duration of the hyperemic response in BFI and StO2. These latter parameters correspond to the quantification of the reactive hyperemia, which provides information about the endothelial function. Furthermore, the above-mentioned measurements of the absolute concentration of oxygenated and deoxygenated hemoglobin, BFI, the derived metabolic rate of oxygen consumption, StO2, and SpO2 provide a yet-to-be-explored rich data set that can exhibit disease severity, personalized therapeutics, and management interventions.

We describe a protocol to non-invasively and continuously measure absolute microvascular blood flow index and blood oxygen saturation using a multi-modal device based on near-infrared diffuse optics. We then evaluate the metabolic rate of oxygen consumption and reactive hyperemia utilizing a vascular occlusion test.

Monitoramento Não Invasivo da Oxigenação Microvascular e Hiperemia Reativa por Espectroscopia Óptica Difusa Híbrida no Infravermelho Próximo para Terapia Intensiva

The detection of levels of impairment in microvascular oxygen consumption and reactive hyperemia is vital in critical care. However, there are no ...

Using Near-Infrared Spectroscopy Wearable Devices to Identify Central Versus Peripheral Limitations During Exercise

The gold standard to assess the aerobic capacity in physically active subjects and athletes is the maximal oxygen consumption test (VO2&#8211;max), which involves analysis of exhaled&#8211;gases and cardiorespiratory variables obtained via the breath-by-breath method in an ergospirometer during an incremental exercise. However, this method cannot elucidate metabolic changes at the muscular level. Near-infrared spectroscopy (NIRS) has emerged as a valuable technology to evaluate local oxygen levels (Tissular Saturation Index, TSI) by quantifying the concentrations of oxygenated (O2-Hb) and deoxygenated (H-Hb) hemoglobin in the microvasculature of tissues. NIRS applications extend to respiratory and locomotor muscles, assessing metabolic changes associated with the cost of breathing (COB) and peripheral workload, respectively. Additionally, cerebral regions, such as the prefrontal cortex, have been explored with NIRS technology to assess physiological changes related to cognitive demand associated with planning or ideation of motor tasks linked to sports performance. Thus, by analyzing exercise-induced changes (D) in O2-Hb, H-Hb, and TSI, it is possible to identify central and peripheral exercise limitations, particularly when endurance training is the main component of physical fitness (e.g., running, cycling, triathlon, etc.). Addressing these factors is paramount for coaches and exercise physiologists to optimize athletic performance, incorporating training strategies focused on the primary exercise-limiting factors. This study outlines a protocol for utilizing wearables devices equipped with NIRS technology to analyze exercise changes in TSI, O2-Hb, and H-Hb, alongside cardiorespiratory variables typically registered in athletes during VO2&#8211;max tests. This approach offers a comprehensive method for identifying the primary systems involved in stopping exercise progression and sports performance improvement.

This protocol integrates near-infrared spectroscopy (NIRS) technology to assess localized hematological and oxygenation changes at the prefrontal cortex, respiratory (m.Intercostales), and locomotor (m.Vastus Lateralis) muscles during cardiopulmonary exercise testing, enabling the identification of central and peripheral limiting factors affecting exercise performance.

Usando dispositivos vestíveis de espectroscopia de infravermelho próximo para identificar limitações centrais versus periféricas durante o exercício

The gold standard to assess the aerobic capacity in physically active subjects and athletes is the maximal oxygen consumption test (VO2&#8211;max), which ...

Otimizando o NIRS para avaliar a função vascular dos membros inferiores

Near-Infrared Spectroscopy During Reactive Hyperemia for the Assessment of Lower Limb Vascular Function

Vascular diseases of the lower limb contribute substantially to the&#160;global burden of cardiovascular disease and comorbidities such as diabetes. Importantly, microvascular dysfunction can occur prior to, or alongside, macrovascular pathology, and both potentially contribute to patient symptoms and disease burden. Here, we describe a non-invasive approach using near-infrared spectroscopy (NIRS) during reactive hyperemia, which provides a standardized assessment of lower limb vascular (dys)function and a potential method to evaluate the efficacy of therapeutic interventions. Unlike alternative methods, such as contrast-enhanced ultrasound, this approach does not require venous access or sophisticated image analysis, and it is inexpensive and less operator-dependent. This description of the NIRS method includes representative results and standard terminology alongside the discussion of measurement considerations, limitations, and alternative methods. Future application of this work will improve standardization of vascular research design, data collection procedures, and harmonized reporting, thereby enhancing translational research outcomes in the areas of lower limb vascular (dys)function, disease, and treatment.

Autor em destaque: Melhorando a função vascular e a capacidade física em doenças cardiovasculares por meio de novas intervenções e tecnologia NIRS

Here, we describe a non-invasive approach using near-infrared spectroscopy to assess reactive hyperemia in the lower limb. This protocol provides a standardized assessment of vascular and microvascular responsiveness that may be used to determine the presence of vascular dysfunction as well as the efficacy of therapeutic interventions.

Espectroscopia de infravermelho próximo durante hiperemia reativa para avaliação da função vascular de membros inferiores 

Vascular diseases of the lower limb contribute substantially to the&#160;global burden of cardiovascular disease and comorbidities such as diabetes. ...