Misurazione della capacità di diffusione polmonare del gas a doppio test durante l'esercizio fisico nell'uomo utilizzando il metodo del respiro singolo

Questo protocollo presenta un metodo per valutare la riserva alveolare-capillare polmonare misurata mediante la misurazione combinata a respiro singolo della capacità di diffusione al monossido di carbonio (D,_L,CO) e all'ossido nitrico (D_{, L,NO)} durante l'esercizio. I presupposti e le raccomandazioni per l'uso della tecnica durante l'esercizio costituiscono la base di questo articolo.

La misurazione combinata a respiro singolo della capacità di diffusione del monossido di carbonio (D,_{L, CO}) e dell'ossido nitrico (D,_{L, NO)} è una tecnica utile per misurare la riserva alveolare-capillare polmonare sia nella popolazione sana che in quella dei pazienti. La misurazione fornisce una stima della capacità del partecipante di reclutare e distendere i capillari polmonari. Il metodo è stato recentemente segnalato per mostrare un'elevata affidabilità test-retest in volontari sani durante l'esercizio di intensità da leggera a moderata. Da notare che questa tecnica consente fino a 12 manovre ripetute e richiede solo un singolo respiro con un tempo di apnea relativamente breve di 5 secondi. Vengono forniti dati rappresentativi che mostrano le variazioni graduali di D_{L, NO} e D_L,CO dal riposo all'esercizio a intensità crescenti fino al 60% del carico di lavoro massimo. La misurazione della capacità di diffusione e la valutazione della riserva alveolo-capillare è uno strumento utile per valutare la capacità del polmone di rispondere all'esercizio sia nella popolazione sana che in quella di pazienti come quelli con malattia polmonare cronica.

L'esercizio fisico porta ad un notevole aumento della domanda di energia rispetto allo stato di riposo. Il cuore e i polmoni rispondono aumentando la gittata cardiaca e la ventilazione con conseguente espansione del letto alveolare-capillare, principalmente il reclutamento e la distensione dei capillari polmonari¹. Ciò garantisce un sufficiente scambio gassoso polmonare, che può essere misurato da un aumento della capacità di diffusione polmonare (D_L)^2,3,4. I primi tentativi di misurare_{D L} durante l'esercizio risalgono a più di un secolo fa ^5,6,7. La capacità di aumentare la D_L dallo stato di riposo è spesso indicata come riserva alveolare-capillare ^8,9.

Sperimentalmente, i contributi relativi della capacità di diffusione della membrana alveolare-capillare (D_M) e del volume ematico capillare polmonare (V_C) alla riserva alveolo-capillare possono essere valutati con diversi metodi, incluso il classico metodo delle frazioni multiple di ossigeno inspirato ()¹⁰. Una tecnica alternativa che può essere utile in questo contesto è il metodo del gas a doppia prova, in cui_{il DL} in monossido di carbonio (CO) e ossido nitrico (NO) (D_L,CO/NO) sono misurati contemporaneamente¹¹. Questa tecnica è stata sviluppata negli anni '80 e sfrutta il fatto che la velocità di reazione dell'NO con l'emoglobina (Hb) è sostanzialmente maggiore di quella del CO, in modo tale che la diffusione polmonare del CO dipende più dal V_C che dal NO. Quindi, il principale sito di resistenza (~75%) alla diffusione del CO si trova all'interno del globulo rosso, mentre la principale resistenza (~60%) alla diffusione di NO è a livello della membrana alveolare-capillare e del plasma polmonare¹². La misurazione simultanea di D_L,CO e D_L,NO consente quindi di valutare i contributi relativi di D_M e V_C a D_L¹², dove la variazione di D_L,NO osservata durante l'esercizio riflette quindi in gran parte l'espansione della membrana alveolare-capillare. Un ulteriore vantaggio di questo metodo quando si ottengono misurazioni durante l'esercizio è che comporta un tempo di apnea relativamente breve (~5 s) e meno manovre rispetto alla tecnica classica , in cui vengono eseguite più manovre ripetute con una apnea standardizzata di 10 s a diversi livelli di ossigeno. Anche se recentemente è stato applicato con un tempo di apnea più breve e meno manovre ad ogni intensit๳. Ciononostante, consente solo un totale di sei manovre D_L,CO per sessione, mentre è possibile eseguire fino a 12 manovre D_L,CO/NO ripetute senza alcun effetto misurabile sulle stime risultanti¹⁴. Queste sono considerazioni importanti quando si ottengono misurazioni durante l'esercizio poiché sia una lunga apnea che più manovre possono essere difficili da eseguire a intensità molto elevate o in popolazioni di pazienti che soffrono di dispnea.

Il presente lavoro fornisce un protocollo dettagliato, che include considerazioni teoriche e raccomandazioni pratiche sulla misurazione di D_L,CO/NO durante l'esercizio e il suo utilizzo come indice della riserva alveolare-capillare. Questo metodo è facilmente applicabile in ambito sperimentale e permette di valutare come la limitazione della diffusione nei polmoni possa influenzare l'assorbimento di ossigeno in diverse popolazioni.

Teoria e principi di misura
Il metodo D_L,CO/NO prevede un singolo respiro di una miscela di gas con l'ipotesi che i gas si distribuiscano equamente nello spazio alveolare ventilato dopo l'inalazione. La miscela di gas è costituita da diversi gas tra cui un gas tracciante inerte. La diluizione del gas tracciante nello spazio alveolare ventilato, in base alla sua frazione in aria di fine espirazione, può essere utilizzata per calcolare il volume alveolare (V_A)¹⁵. La miscela di gas comprende anche i gas di prova CO e NO, entrambi diluiti nello spazio alveolare ventilato e diffusi attraverso la membrana alveolare-capillare. Sulla base delle loro frazioni alveolari, è possibile calcolare i loro tassi individuali di scomparsa (k), chiamati anche costanti di diffusione, dallo spazio alveolare. Per convenzione, la D_L per un gas di prova misurato durante una manovra a respiro singolo, è derivata dalla seguente equazione¹⁶:

dove F_A0 è la frazione alveolare del gas di prova (CO o NO) all'inizio della apnea della singola manovra D_L , mentre F_A è la frazione alveolare del gas di prova alla fine dell'apnea e tBH è il tempo di apnea. _{D L} è meccanicamente equivalente alla conduttanza del gas di prova attraverso la membrana alveolare-capillare, attraverso il plasma e l'interno dei globuli rossi fino all'emoglobina. Dipende quindi sia dalla conduttanza di D_M che dalla cosiddetta conduttanza specifica del sangue capillare polmonare (θ), di cui quest'ultima dipende sia dalla conduttanza del gas in esame nel sangue che dalla sua velocità di reazione con l'emoglobina¹⁰. Dato che il reciproco di conduttanza è la resistenza, la resistenza totale al trasferimento di un gas di prova dipende dalle seguenti resistenze della serie¹⁰:

Queste componenti possono essere distinte misurando contemporaneamente il valore di D_L a CO e NO, perché questi hanno valori θ diversi e i loro rispettivi valori di D_L dipendono quindi in modo diverso da V_C. La diffusione polmonare del CO dipende più pesantemente dal V_C rispetto al NO, con il principale sito di resistenza (~75%) alla diffusione del CO che si trova all'interno del globulo rosso¹². Al contrario, la principale resistenza (~60%) alla diffusione dell'NO è a livello della membrana alveolare-capillare e del plasma polmonare, perché la velocità di reazione dell'NO con l'emoglobina è sostanzialmente maggiore di quella del CO. Quindi, misurando contemporaneamente D_L,CO e D_L,NO, i cambiamenti sia in D_M che in V_C influenzeranno notevolmente il primo, mentre quest'ultimo dipenderà molto meno da V_C, consentendo così una valutazione integrativa dei fattori che determinano D_L.

La segnalazione delle metriche D_{L, CO/NO} può essere effettuata utilizzando unità diverse. Quindi, la European Respiratory Society (ERS) utilizza mmol/min/kPa, mentre l'American Thoracic Society (ATS) utilizza mL/min/mmHg. Il fattore di conversione tra le unità è 2,987 mmol/min/kPa = mL/min/mmHg.

Il Comitato Etico Scientifico per la Regione della Capitale della Danimarca ha precedentemente approvato la misurazione di D_L,CO/NO a riposo, durante l'esercizio fisico e in posizione supina sia in volontari sani che in pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) presso il nostro istituto (protocolli H-20052659, H-21021723 e H-21060230).

NOTA: Prima di misurare_{D L, CO/NO} durante l'esercizio, è necessario eseguire una spirometria dinamica e un test da sforzo cardiopolmonare (CPET). La spirometria dinamica viene utilizzata per il controllo di qualità delle singole manovre D_L,CO/NO, mentre la CPET viene utilizzata per determinare il carico di lavoro al quale D_L,CO/NO deve essere misurato durante l'esercizio. Nei pazienti con limitazione del flusso d'aria, in particolare a causa di malattia polmonare ostruttiva, può essere vantaggioso integrare la spirometria dinamica con una pletismografia di tutto il corpo per ottenere una valida misura della capacità vitale. Si raccomanda un controllo medico sanitario per escludere eventuali controindicazioni note prima di iniziare la CPET¹⁷. È importante sottolineare che il CPET deve essere eseguito almeno 48 ore prima della misurazione D_L,CO/NO ottenuta durante l'esercizio, poiché un precedente esercizio vigoroso può influenzare_{D L} per almeno 24 ore^18,19.

1. Spirometria dinamica

NOTA: La spirometria dinamica deve essere eseguita in conformità con le attuali linee guida cliniche dell'ERS e dell'ATS²⁰.

1. Misurare il peso (con l'approssimazione di 100 g) e l'altezza (con l'approssimazione di 1 mm).
2. Chiedi al partecipante di sedersi su una sedia verticale.
3. Eseguire una spirometria dinamica durante una manovra di espirazione forzata per identificare il volume forzato espirato, in 1 s (FEV₁) e la capacità vitale forzata (FVC) del partecipante, come descritto altrove²⁰.

2. Test da sforzo cardiopolmonare (CPET)

NOTA: La CPET deve essere eseguita in linea con le attuali raccomandazioni cliniche²¹.

1. Regolare il cicloergometro in base all'altezza del partecipante e posizionare un cardiofrequenzimetro (FC) sul petto.
2. Posizionare il partecipante sul cicloergometro. Dotare il partecipante di una maschera collegata a un sistema di misurazione metabolica, per misurare la ventilazione e lo scambio gassoso polmonare durante tutto il test.
3. Chiedi al partecipante di iniziare a pedalare a un ritmo autoselezionato ≥60 round al minuto (RPM) ed eseguire un periodo di riscaldamento di 5 minuti con un carico di lavoro submassimale in base al livello di attività auto-riferito, alla forma fisica giornaliera e allo stato della malattia (ad esempio, 15-150 W).
4. Aumentare il carico di lavoro di 5-20 W ogni minuto fino a quando il partecipante non raggiunge l'esaurimento volontario. Gli incrementi dovrebbero essere basati sull'attuale livello di forma fisica del partecipante, in modo che il test dovrebbe terminare 8-12 minuti dopo l'inizio della fase incrementale.
5. Istruire il partecipante ad evitare altri esercizi vigorosi per le successive 48 ore.

3. Taratura dell'apparecchiatura a capacità di diffusione del respiro singolo

NOTA: È necessario calibrare i sensori di flusso e gli analizzatori di gas per garantire che le misurazioni siano valide e affidabili. La procedura esatta è specifica del produttore e del dispositivo. La procedura di taratura, compresa la lotta biologica, deve essere completata in ogni giorno di studio e, se viene eseguito meno di un giorno di studio alla settimana, devono essere effettuate ulteriori tarature settimanali. La configurazione sperimentale è mostrata nella Figura 1.

1. Aprire il programma software sul computer e verrà avviato un periodo di riscaldamento automatico di 50 minuti per garantire una temperatura sufficiente dello pneumotaco.
2. Assicurarsi che i contenitori con i gas di prova siano aperti (vedere la figura 1D).
3. Eseguire una calibrazione del gas collegando prima la linea di campionamento dallo pneumotach al plug-in dell'unità di analisi MS-PFT denominato CAL (vedere la Figura 1B).
4. Avviare la calibrazione del gas selezionando Calibrazione nella Home Page (vedere la Figura 2A) e scegliere Calibrazione del gas. Avviare la calibrazione premendo Start o F1 (vedere la Figura 2B).
5. Collegare la linea di campionamento allo pneumotach quando la calibrazione del gas è stata completata e accettata.
6. Eseguire una calibrazione del volume utilizzando una siringa valida da 3 L. Avviare la calibrazione del volume selezionando Calibrazione nella Home Page (vedere la Figura 2A) e scegliere Calibrazione volume. Avviare la calibrazione premendo F1 e seguire le istruzioni fornite dal software (vedere la Figura 2C).
7. Assicurarsi che la sacca inspiratoria sia collegata all'unità analizzatore MS-PFT (vedere la Figura 1C).
8. Completare la procedura di taratura eseguendo una misurazione di controllo biologico a riposo in posizione seduta. Questo dovrebbe essere eseguito da un non fumatore sano per garantire l'affidabilità del metodo. Se la variazione settimanale di D_L,CO o D_L,NO varia di settimana in settimana del soggetto in questione più di 1,6 e 6,5 mmol/min/kPa (5 e 20 mL/min/mmHg), rispettivamente, la variazione può essere dovuta a un errore della macchina e deve essere ulteriormente studiata^{12, 22}.

4. Preparazione del partecipante

1. Calcolare il carico di lavoro desiderato dai risultati CPET precedenti per l'intensità scelta (% del carico di lavoro massimo (W_max)) alla quale verrà misurato il D_L,CO/NO .
2. Almeno 48 ore dopo che il partecipante ha eseguito la CPET, chiedere al partecipante di tornare in laboratorio per ottenere la misurazione D_L,CO/NO durante l'esercizio.
3. Misurare l'altezza (in cm fino al mm più vicino), il peso (in kg fino a 100 g più vicino) e l'Hb dal sangue capillare (in mmol/L fino a 0,1 mmol/L) del paziente.
4. Nella Home Page del programma scegliere Paziente > Nuovo paziente (Vedi Figura 2A) e inserire i dati richiesti: Identificazione, Cognome, Nome, Data di nascita, Sesso, Altezza e Peso del partecipante. Continuare selezionando OK o F1 (vedere la Figura 2D).

5. Misurazione D_{L, CO/NO} durante il riposo eretto

Nota: Le misurazioni D_L,CO/NO vengono eseguite in conformità con le attuali raccomandazioni cliniche della task force¹² dell'ERS.

1. Nella Home Page scegliere Misura > NO Diffusione a membrana (vedere la Figura 2E).
2. Avviare il reset automatico del software, azzerare l'analizzatore di gas per tutti i gas di prova e avviare la miscelazione dei gas di prova nella sacca inspiratoria collegata. Avviare il ripristino automatico premendo F1 (vedere la Figura 2F).
   1. Il ripristino automatico richiede 140-210 s. Osservare le istruzioni fornite dal software per riconoscere quando avviare la misurazione. È importante avviare immediatamente la misurazione quando il software indica di collegare il paziente.
3. Posizionare il partecipante su una sedia verticale dotata di clip per il naso. Istruire il partecipante su come eseguire la manovra come descritto di seguito.
   1. Chiedere al partecipante di utilizzare la clip nasale e di iniziare le normali respirazioni correnti attraverso un boccaglio collegato allo pneumotachico. Per garantire un sistema chiuso per le misurazioni, assicurarsi che le labbra del partecipante siano tenute chiuse attorno al boccaglio.
   2. Dopo tre respirazioni normali, istruire il partecipante ad eseguire una rapida espirazione massimale per raggiungere il volume residuo (RV).
   3. Quando viene raggiunto il ventricolo destro, istruire immediatamente il partecipante a eseguire una rapida inspirazione massimale alla capacità polmonare totale (TLC), mirando a un tempo inspiratorio di < 4 secondi. Durante l'inspirazione massima, una valvola si apre, consentendo al partecipante di inalare la miscela di gas miscelata con una concentrazione nota di NO (800 ppm NO/N₂ ) in una sacca inspiratoria appena prima dell'inalazione.
   4. Chiedere al partecipante di effettuare un'apnea di 5 (4-8) s a TLC. Durante l'inspirazione viene mirato un volume inspirato (V_I) ≥90% della FVC (o capacità vitale basata sulla pletismografia) con un tempo di apnea di 4-8 s²³ (Tabella 1).
   5. Dopo l'apnea, istruire il partecipante ad eseguire un'espirazione massima forte e costante senza interruzioni.
   6. Dopo l'espirazione massima, chiedere al partecipante di lasciare andare il boccaglio e la clip per il naso. Il software calcolerà quindi D_{L, NO} e D_{L, CO} senza alcun comando.
4. Usa l'incoraggiamento verbale durante la manovra per assicurarti che il partecipante raggiunga RV e TLC. Valutare l'accettabilità della manovra come da Tabella 1.
5. Eseguire nuovamente la manovra dopo un periodo di lavaggio di almeno 4 minuti e fino a quando due manovre soddisfano i criteri di accettabilità (Tabella 1) o fino a quando non sono state eseguite un totale di 12 manovre (vedi sotto) nella stessa sessione.
6. I D_L,NO e D_L,CO sono riportati secondo i criteri delineati nella tabella 2. Si consiglia inoltre di mantenere il tempo di apnea, il volume inspirato e il volume alveolare come riportato. Inoltre, deve essere riportato il numero di manovre accettabili e ripetibili e i risultati basati su manovre che non soddisfano i criteri di accettabilità o ripetibilità devono essere interpretati con cautela.

6. Misurazione D_{L, CO/NO} durante l'esercizio

NOTA: Nella Figura 3 è riportata una cronologia delle misurazioni D_{L, CO/NO} durante l'esercizio.

1. Posizionare il cicloergometro a una distanza che consenta al partecipante di respirare attraverso il boccaglio senza dover cambiare la posizione della pedalata. Aumentare l'altezza dell'attrezzatura in modo che le misurazioni possano essere eseguite con una corretta posizione di lavoro sulla bicicletta (Vedi Figura 2).
2. Posizionare il partecipante sul cicloergometro e posizionare un monitor della frequenza cardiaca sul petto. Istruire il partecipante a eseguire ogni manovra come descritto al punto 5.3.
3. Chiedi al partecipante di iniziare a pedalare per 5 minuti con un carico di lavoro submassimale, come riscaldamento prima della misurazione.
4. Aumentare il carico di lavoro fino all'intensità desiderata avviando contemporaneamente il ripristino automatico del dispositivo premendo F1 (vedere il passaggio 5.2). Il ripristino automatico richiede 140-210 s, sufficienti per garantire che il partecipante abbia raggiunto lo stato stazionario.
5. Al termine del ripristino automatico, ruotare il boccaglio verso il partecipante ed eseguire una manovra come descritto di seguito mentre il partecipante continua a pedalare all'intensità target.
   1. Seguire i passaggi da 5.4 a 5.5. Valutare i criteri di accettabilità e ripetibilità (Tabella 1) per ogni carico di lavoro e riferire come per le misurazioni durante il riposo (vedere il passaggio 5.6 e la Tabella 2).
6. Al termine della manovra, rimuovere il boccaglio e diminuire il carico di lavoro a 15-40 W. Eseguire la fase di recupero attivo per 2 minuti, dopodiché ripetere i passaggi 6.4 e 6.5. I 2 minuti di recupero attivo e i 140-210 s durante il ripristino automatico forniscono un periodo di lavaggio sufficiente di 4-5 minuti.

Il protocollo è stato implementato nel 2021 e al momento in cui scriviamo sono state eseguite un totale di 124 misurazioni durante l'esercizio fisico (ovvero 51 in volontari sani e 73 in pazienti con BPCO di varia gravità). Le manovre, così come i dati sui criteri di accettabilità e ripetibilità soddisfatti e il tasso di guasto sono tutti forniti nella Tabella 3.

Calcoli
A titolo di esempio, i calcoli di una singola manovra D_L,CO/NO sono forniti qui sulla base dei dati della prima manovra al 20% di W_max nel gruppo sano come caso di studio descritto di seguito. Sulla base dei valori misurati riportati nella tabella 4, si calcola quanto segue:

(BTPS)

dove F_I è la frazione inspirata, V_I è il volume inspirato e D_D,inst e V_D,anat sono rispettivamente lo spazio morto strumentale e anatomico.

dove F_I è la frazione inspirata, P_B è la pressione barometrica e P_H2O è la pressione del vapore acqueo saturo, e dove

Interpretazione dei risultati D_L,CO/NO ottenuti durante l'esercizio
La misura primaria dell'esito di interesse è D_L,NO, poiché la variazione di D_L,NO dal riposo a un carico di lavoro specifico viene interpretata per fornire una misura complessiva della riserva alveolare-capillare. Nei soggetti sani, la D_L,NO aumenta linearmente con l'aumentare dell'intensità dell'esercizio, il che è attribuito all'aumento del reclutamento di sangue nel letto capillare polmonare, facilitato da un aumento della gittata cardiaca¹². Ciò porta al reclutamento capillare a causa dell'aumento del flusso sanguigno o della pressione e al reclutamento della superficie della membrana alveolare-capillare, con conseguente distribuzione più omogenea dei globuli rossi e un migliore allineamento tra le superfici dei tessuti e delle membrane dei globuli rossi¹². Al contrario, D_L,CO è considerata una misura secondaria in questo contesto, utilizzata principalmente per dedurre se si verificano cambiamenti concomitanti in V_C . Per l'interpretazione a livello individuale, le differenze tra due misurazioni superiori all'errore di misura sono considerate fisiologiche²⁴, cioè 2,7 mmol/min/kPa per D_L,NO e 1,6 mmol/min/kPa per D_L,CO.

Casi di studio
Una donna sana di 25 anni con un O_2max di 2696 mL O₂/min (47,3 mL O₂/min/kg) ha eseguito otto manovre D_L,CO/NO , iniziando con misurazioni durante il riposo eretto in posizione seduta, seguite da misurazioni durante l'esercizio su un cicloergometro (W_max = 208) con intensità crescente fino al 60% di W_max (Tabella 5). Tutte le manovre hanno soddisfatto sia i criteri di accettabilità che di ripetibilità.

Un uomo di 68 anni con BPCO moderata (FEV₁ = 56% del previsto) con un O₂p_eak di 1852 mL O₂/min (22,8 mL O₂/min/kg) ha eseguito otto manovre D_L,CO/NO , iniziando con misurazioni durante il riposo eretto in posizione seduta, seguite da misurazioni durante l'esercizio su un cicloergometro (W_max = 125 W) con intensità crescente fino al 60% di W_max (Tabella 6). Tutte le manovre hanno soddisfatto sia i criteri di accettabilità che di ripetibilità.

I risultati riportati per ogni carico di lavoro dai due casi sopra descritti sono presentati nella Figura 4. Inoltre, D_L,NO e D_L,CO in funzione di O₂ (calcolato dalle misurazioni dell'aria espirata) sono presentati nella Figura 5. Nell'individuo sano, si osserva un aumento quasi lineare di D_L,NO come previsto con l'eccezione di un plateau dal 20% al 40% di W_max, mentre un leggero aumento graduale di D_L,CO si verifica in tutti i carichi di lavoro. Ciò suggerisce che_{la DM aumenta} inizialmente con V_C inalterata all'inizio dell'esercizio, riflettendo una ridistribuzione del flusso sanguigno polmonare per reclutare capillari precedentemente non perfusi, ma con un concomitante aumento graduale di V_C a carichi di lavoro più elevati, dimostrando che l'alternanza di reclutamento capillare e distensione insieme funziona per ottimizzare lo scambio gassoso polmonare durante l'esercizio incrementale. Nel caso della BPCO, D_L,NO aumenta al primo carico di lavoro, per poi stabilizzarsi per rimanere allo stesso livello durante i restanti carichi di lavoro, indicando che l'intera riserva alveolare-capillare è già raggiunta al 20% di W_max. Nel complesso, l'entità del reclutamento e della distensione dei capillari polmonari, cioè la riserva alveolare-capillare, è inferiore nel caso di BPCO rispetto all'individuo sano.

Figura 1: Panoramica dell'impostazione dello studio. (A) Impostazione dello studio per la misurazione eseguita durante l'esercizio. (B) Calibrazione del gas con una linea di campionamento collegata all'unità di analisi MS-PFT plug-in denominata CAL. (C) Una sacca inspiratoria collegata all'unità di analisi MS-PFT. D) Contenitori contenenti i gas di prova. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Guida al programma. (A) Nella home page selezionare Calibrazione. (B) Selezionare Calibrazione gas. (C) Selezionare Calibrazione volume. (d) Selezionare Nuovo paziente. (E) Selezionare Nuovo paziente e compilare le informazioni richieste. (F) Selezionare le misure e scegliere NO diff Membrane. (G) Avviare il ripristino automatico premendo F1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Cronologia di una misurazione della capacità di diffusione durante l'esercizio. Creato con BioRender. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Capacità di diffusione polmonare. Confronto della capacità di diffusione polmonare con monossido di carbonio (D,_L,CO) e ossido nitrico (D,_{L, NO)} durante l'esercizio incrementale in funzione della % del carico di lavoro massimale (W_max) in un individuo sano e in un individuo con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Capacità di diffusione polmonare. Confronto della capacità di diffusione polmonare con il monossido di carbonio (D_{, L, CO}) e l'ossido nitrico (D,_{L, NO)} durante l'esercizio incrementale in funzione dell'assorbimento di ossigeno (_{O2 )} in un individuo sano e in un individuo con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Table 1: Criteri di accettabilità e ripetibilità. Abbreviazioni: D_L,CO: capacità di diffusione polmonare al monossido di carbonio, D_L,NO: capacità di diffusione polmonare all'ossido nitrico, FVC: capacità vitale forzata, V_A: volume alveolare; VC: Capacità vitale.

Table 2: Comunicazione dei dati. Abbreviazioni: D_L,CO: capacità di diffusione polmonare al monossido di carbonio, D_L,NO: capacità di diffusione polmonare all'ossido nitrico.

Table 3: Misurazioni D_L,CO/NO completate durante l'esercizio presso il nostro istituto tra luglio 2021 e dicembre 2023. Abbreviazioni: BPCO, broncopneumopatia cronica ostruttiva.

Table 4: Frazioni di gas traccianti di prova e inerti misurate in aria inspirata (F_I) e alveolare (F_A) durante una manovra a respiro singolo. Abbreviazioni: V_I: volume ispirato; V_D,anat: spazio morto anatomico; V_D,inst: spazio morto dello strumento; tBH: tempo di apnea.

Table 5: Dati di un individuo sano. Abbreviazioni: D_L,NO: capacità di diffusione polmonare all'ossido nitrico, D_L,CO: capacità di diffusione polmonare al monossido di carbonio, V_I: volume inspirato, V_A: volume alveolare.

Tabella 6: Dati di un individuo con broncopneumopatia cronica ostruttiva. Abbreviazioni: D_L,NO: capacità di diffusione polmonare all'ossido nitrico, D_L,CO: capacità di diffusione polmonare al monossido di carbonio, V_I: volume inspirato, V_A: volume alveolare.

Il protocollo fornisce un approccio standardizzato alla misurazione di D_L,CO/NO durante l'esercizio utilizzando la tecnica del doppio test gas a singolo respiro. Poiché i parametri D_L,CO/NO ottenuti aumentano a causa del reclutamento e della distensione dei capillari polmonari, il metodo fornisce una misura fisiologicamente significativa della riserva alveolare-capillare.

Passaggi critici del protocollo
Il metodo richiede un'espirazione al volume residuo seguita da un'inspirazione alla capacità polmonare totale alla quale viene effettuata un'apnea di 5 s e terminata con un'espirazione a RV. Questo è un passaggio critico, in quanto può essere complicato da eseguire durante l'esercizio e soprattutto durante l'esercizio ad alta intensità. L'aumento dell'intensità dell'esercizio può portare a una diminuzione della V_I, e se scende al di sotto dell'85% della capacità vitale, la manovra non è accettabile (vedi Tabella 1). Pertanto, è importante che l'istruttore del test annoti se il partecipante inspira a sufficienza e confermi un tempo di apnea sufficiente da quattro a otto secondi, immediatamente dopo ogni manovra¹². Inoltre, in alcuni casi può essere difficile raggiungere i criteri di ripetibilità; in questi casi, vengono riportati i dati della manovra con il più alto D_L,NO e si consiglia di indicare esplicitamente in quanti casi ciò è stato necessario al momento della presentazione dei dati. In alcuni casi, potrebbe non essere possibile ottenere misurazioni accettabili o ripetibili durante l'esercizio, ad esempio negli studi su pazienti con dispnea grave in modo che non siano in grado di raggiungere una sufficiente apnea e/o quelli con iperinflazione dinamica con una concomitante diminuzione della capacità inspiratoria durante l'esercizio. In questi casi può essere più adatto utilizzare le misurazioni D_L,CO/NO ottenute in posizione supina, che porta anche al reclutamento e alla distensione dei capillari polmonari, anche se meno pronunciati rispetto all'esercizio submassimale^24,25.

Modifiche e risoluzione dei problemi del metodo
È importante che una misurazione a riposo preceda sempre qualsiasi misurazione eseguita durante l'esercizio, poiché D_L,CO può essere ridotto fino a 6-20 ore dopo un esercizio ad alta intensità eseguito fino all'esaurimento 18,19,26. Inoltre, è importante registrare la FC e/o altri indici di carico metabolico per garantire che le misurazioni ottenute in soggetti diversi siano state effettuate a regime stazionario e a carichi di lavoro metabolici simili.

Il metodo potrebbe non essere sensibile per rilevare piccoli cambiamenti in D_{L, NO} o D_{L, CO}, poiché la variabilità da test a test all'interno della stessa sessione è stata segnalata fino al 7% a seconda della metrica specifica¹². Di conseguenza, è importante scegliere un'intensità di esercizio che sia sufficiente per indurre un aumento maggiore dell'errore di misurazione, tenendo presente anche che il partecipante deve essere in grado di eseguire almeno due manovre accettabili all'intensità data. Tra gli studi precedenti che hanno utilizzato il metodo del gas a doppio test, sono state utilizzate varie intensità da lieve a moderata. La maggior parte degli studi ha utilizzato un'intensità relativa correlata alla % della soglia ventilatoria^24,27, alla % della FC massima prevista dall'età²⁸ o alla % della riserva massima di ossigeno²⁹, mentre solo uno studio ha applicato un'intensità assoluta a un carico di lavoro fisso di 80 W³⁰. In tutti gli studi, questi carichi di lavoro corrispondono a intensità relative che vanno dal 20% all'86% di W_max 24,27,29. Per facilitare il confronto delle misurazioni tra gli studi, si raccomanda di implementare un'intensità relativa, ad esempio % di W_max, % di FC massima (FC_max) o % di O_2max (o picco di O_2), e di riportare sia W_max che il carico di lavoro al quale è stata ottenuta la misurazione.

L'importanza del metodo rispetto ai metodi esistenti/alternativi
Per quanto riguarda , D_M e V_C possono essere derivati matematicamente da D_L,CO/NO^12,31, e mentre questo dovrebbe essere fatto con cautela (vedi 'Limiti del metodo' di seguito), consente una valutazione meccanicistica più diretta di come l'espansione della superficie alveolare-capillare attraverso il reclutamento capillare polmonare (valutato da D_M) e la distensione (un aumento di V_C che supera quello di D_M) contribuiscono alle modificazioni associate all'esercizio nello scambio gassoso polmonare. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, il metodo D_L,CO/NO a respiro singolo è stato convalidato solo in condizioni di riposo eretto¹¹. I due metodi sono stati utilizzati durante l'esercizio fisico in diversi studi precedenti e mostrano cambiamenti fisiologici simili in D_{, M} e V_C in individui giovani sani ^3,24. Tuttavia, è possibile un numero diverso di manovre con ogni metodo, consentendo un massimo di sei e D_L,CO/NO consentendo fino a 12 manovre nella stessa sessione¹². Questo perché, pur avendo la stessa frazione di CO (~0,30), il tempo di apnea più breve (5 s contro 10 s) di D_L,CO/NO si traduce in un minore accumulo di CO nel sangue e di conseguenza in una minore contropressione di CO¹⁴. Inoltre, è possibile condurre manovre fino a 22 D_L,CO/NO senza influire su D_L,NO, perché i livelli di NO espirati endogeni, compresi tra 11 e 66 ppb, sono 1000 volte inferiori rispetto alle misurazioni di NO, che sono nell'intervallo ppm¹⁴. Quindi, dato che utilizza 10 s D_L,CO, e sono necessarie almeno due manovre per valutare la ripetibilità a ciascuna, corrispondenti a un minimo di quattro manovre ad ogni intensità di esercizio, quando viene effettuata una doppia terminazione, questo potrebbe non essere fattibile durante l'esercizio. Pertanto, i metodi basati in precedenza hanno utilizzato una singola manovra per ogni volta, con il risultato di un minimo di tre manovre ad ogni intensità di esercizio³², con il notevole inconveniente che non può essere valutato fino a che punto le manovre siano effettivamente ripetibili. Tuttavia, il metodo D_L,CO/NO richiede solo due misurazioni se soddisfano i criteri di ripetibilità e sono considerate accettabili ad ogni intensità di esercizio. Tuttavia, è stato dimostrato che fornisce una ripetibilità accettabile paragonabile a quella di D_L,CO/NO durante l'esercizio, anche quando il tempo di apnea è ridotto. Quindi, durante l'esercizio moderato, abbiamo precedentemente trovato un coefficiente di varianza (CV) tra un giorno e l'altro dal 2% al 6% per le diverse metriche D_{L, CO / NO} al tempo di apnea di ~ 6 s²⁴, mentre solo CV leggermente più alti del 7%, 8% e 15% per D_{L, CO}, V_C e D_M, rispettivamente, sono stati riportati utilizzando un tempo di apnea simile³².

In una nota correlata, D_L,CO misurato nel contesto di D_L,CO/NO è noto per essere costantemente inferiore al più ampiamente utilizzato D_L,CO basato su una apnea di^{10 s 12,33}. Secondo studi precedenti, ciò non è dovuto alla differenza nel tempo di apnea, poiché un tempo di apnea più breve aumenterebbe D_L,CO³⁴. Piuttosto, potrebbe derivare da vari altri fattori, tra cui la composizione del gas inalato e la cinetica disparata di CO rispetto a NO³³. In primo luogo, D_L,CO/NO impiega elio, mentre il classico 10 s_{D L,CO} utilizza il metano come gas tracciante inerte; A causa delle loro proprietà fisiche distinte, questi gas presentano diverse distribuzioni e solubilità nei polmoni e nei tessuti. Ciò potrebbe comportare un V_A più basso con l'elio rispetto al metano. Infine, la reattività dei gas di prova significa che le differenze nella cinetica di NO e CO quando si legano con l'emoglobina potrebbero svolgere un ruolo. Anche se speculativa, la presenza di NO in D_L,CO/NO può, quindi, influenzare il legame di CO all'emoglobina³³.

La velocità di diffusione del CO attraverso la membrana alveolare-capillare dipende dal legame del CO all'emoglobina nel sangue e, oltre ad essere utilizzata per calcolare il θCO, la correzione dell'emoglobina del valore D_L,CO-up può essere appropriata a seconda del contesto specifico³⁵. Questo è prevalente in un ambiente clinico, ma è meno cruciale negli individui sani in cui l'impatto su D_L,CO è spesso trascurabile. Tali correzioni possono anche essere utilizzate per valutare_{D L, CO/NO} durante l'esercizio, ma sono meno rilevanti quando vengono valutati cambiamenti specifici da riposo a esercizio, dove i cambiamenti (acuti) nell'emoglobina sono di minore importanza. In ogni caso, dovrebbero essere fatte con cautela, poiché queste equazioni presuppongono un rapporto di 0,7 tra D_M e θ∙V_c per la CO³⁵, una presunzione che potrebbe non essere vera durante l'esercizio.

Limiti del metodo
L'aumento dipendente dall'intensità di D_{L, NO} e D_L,CO durante l'esercizio fisico in individui sani riflette il reclutamento e la distensione dei capillari polmonari. Una misura diretta della riserva alveolare-capillare può probabilmente essere ottenuta solo a intensità submassimale, in quanto l'approccio non sarebbe praticamente fattibile né in ambito sperimentale né in un contesto clinico a massima intensità in cui il reclutamento e la distensione massimi possono essere evidenti. La scelta pragmatica è quindi quella di mirare a un carico di lavoro prestabilito (assoluto o relativo) sufficiente a innescare il reclutamento e la distensione capillare polmonare in modo sistematico, pur essendo fattibile per tutti i partecipanti. Nel presente protocollo, l'intensità si basava sulla % di W_max in quanto questo è facilmente trasferibile ad altri studi. Tradizionalmente, l'esercizio fisico è stato prescritto in base alla % di O_2max o FC_max, ma ciò richiede che tutti i partecipanti raggiungano il loro vero massimo. In caso contrario, i partecipanti potrebbero potenzialmente eseguire la misurazione a diverse intensità relative³⁶, il che può rappresentare un problema e complicare l'interpretazione fisiologica nelle popolazioni con grave dispnea da sforzo, come i pazienti con malattie polmonari o cardiache croniche.

Va notato che all'interno della singola manovra D_L,CO/NO , i gas di prova potrebbero non essere distribuiti in aree relativamente scarsamente ventilate dei polmoni. Ciò pone un problema minore negli individui senza malattie polmonari, ma in presenza di una sostanziale disomogeneità della ventilazione, compreso l'intrappolamento dell'aria evidente, la vera D_L del partecipante può essere sovrastimata, perché la misurazione riflette solo le condizioni nelle regioni meglio ventilate dei polmoni, un effetto che è accentuato da trattenute respiratorie più brevi³⁷. In linea di principio, ciò può portare a una riduzione apparentemente paradossale della riserva alveolare-capillare se un partecipante con malattia polmonare è esposto a un intervento che riduce la disomogeneità della ventilazione.

La diminuzione di D_L,CO associata all'esercizio fisico che supera quella di D_L,NO alla massima intensità (60% di W_max) nel caso di BPCO qui riportato deve essere interpretata con cautela, in quanto non è facilmente interpretabile da un punto di vista fisiologico. Un modello simile è stato osservato nella maggior parte dei 73 pazienti con BPCO che abbiamo studiato finora presso il nostro istituto, e il contributo delle limitazioni meramente metodiche deve essere considerato. Quindi, a parte il fatto che il CO potrebbe essere più suscettibile dell'NO alla disomogeneità della ventilazione da impatto sopra descritta, il fatto che l'NO reagisca quasi 300 volte più velocemente con l'emoglobina e si diffonda anche attraverso i tessuti e il plasma due volte più velocemente del CO può anche svolgere un ruolo³¹. Quindi, mentre sia l'NO che il CO normalmente subiscono uno scambio gassoso limitato alla diffusione, l'assorbimento di CO può diventare limitato dalla perfusione quando la perfusione nelle singole unità polmonari diminuisce di ~100 volte³¹, portando così a una riduzione del D_L,CO misurato senza influenzare D_L,NO. Dato che la BPCO è associata alla distruzione alveolare e a una progressiva perdita di capillari con una concomitante distribuzione disomogenea della ventilazione-perfusione in tutti i polmoni³⁹, le unità polmonari con una riduzione di 100 volte della perfusione non sono rare⁴⁰ e rappresentano effettivamente aree in cui il tempo di transito dei globuli rossi può ridursi criticamente per compromettere sia l'assorbimento di ossigeno che di CO durante l'esercizio. Un ulteriore fattore complementare che può essere in gioco è una distribuzione non uniforme dei globuli rossi all'interno della rete capillare delle singole unità polmonari⁴¹, che può anche avere un effetto molto più profondo su D_L,CO che su D_L,NO.

È possibile derivare D_M e V_C dalle  misure¹², ma tuttavia non è ampiamente utilizzato perché vengono introdotti errori sistematici in quanto la loro derivazione coinvolge diverse assunzioni e costanti empiriche³¹. Ad esempio, il consenso scientifico prevalente riconosce che il rapporto di diffusività α pari a 1,97, che rappresenta il rapporto tra le solubilità fisiche di NO e CO nel tessuto⁴². Diversi studi hanno messo in discussione questo valore, con alcuni che propongono valori di α più elevati per riconciliare le discrepanze tra i diversi metodi di misurazione. Tuttavia, queste proposizioni sono prevalentemente respinte in quanto si discostano dal rapporto di diffusività fisica, portando a valori di α incoerenti¹². Inoltre, si presume che θNO abbia un valore finito, ma storicamente è stato ritenuto infinito a causa della sua rapida velocità di reazione con l'emoglobina libera. Tuttavia, ampi dibattiti e studi recenti hanno contestato questa ipotesi, stabilendo che θNO è finito, con 1,51 mL di_{CO nel sangue}/min/kPa/mmol che fornisce la migliore stima attuale, in quanto allinea bene le previsioni teoriche e gli ampi esperimenti in vitro e in vivo ¹². Allo stesso modo, le equazioni per θCO si basano su costanti empiriche ottenute a pH 7,4, rifiutando i valori precedenti che si basavano su misurazioni di pH meno accurate e non fisiologiche⁴³. Tuttavia, tra le diverse metriche che possono essere ottenute con questo metodo, D_L,NO si basa in ogni caso sul minor numero di assunzioni e sembra fornire le stime più riproducibili della riserva alveolare-capillare²⁴, e rimane quindi la principale misura di esito di interesse nel contesto della riserva alveolo-capillare.

Importanza e potenziali applicazioni del metodo in specifiche aree di ricerca
Le misurazioni di D_L,CO/NO possono fornire un resoconto completo dello scambio gassoso polmonare durante l'esercizio. Il metodo può essere potenzialmente più facile da implementare durante l'esercizio fisico rispetto agli studi clinici su popolazioni con dispnea da sforzo, come i pazienti con insufficienza cardiaca e malattia polmonare cronica, a causa delle trattenute apnee più brevi e delle meno manovre richieste ad ogni carico di lavoro. Inoltre, D_L,CO/NO fornisce specificamente D_L,NO che probabilmente fornisce la stima più imparziale della riserva alveolare-capillare a una data intensità di esercizio, rendendola così una misura di risultato adeguata in molti casi.

L'attrezzatura e il software presentati nell'articolo non sono gratuiti. Nessuno degli autori è associato ad alcuna società che fornisce la licenza per il software. Tutti gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Lo studio ha ricevuto il sostegno finanziario della Fondazione Svend Andersen. Il Centro per la ricerca sull'attività fisica è supportato dalle sovvenzioni TrygFonden ID 101390, ID 20045 e ID 125132. JPH è finanziato da HelseFonden e dall'Ospedale Universitario di Copenaghen, Rigshospitalet, mentre HLH è finanziato dalla Fondazione Beckett.