Auswirkungen des inspiratorischen Muskeltrainings auf Kurzatmigkeit (Dyspnoe) und posturale Kontrolle bei Patienten mit COPD

Der Zweck dieser klinischen Studie ist es, die Mechanismen der Linderung von Dyspnoe und Verbesserungen der posturalen Kontrolle nach inspiratorischem Muskeltraining (IMT) bei Patienten mit COPD aufzuklären.

Ein Ausdauerzyklus-Belastungstest (Constant Work Rate (CWR)-Test) wird verwendet, um die Intensität und Unannehmlichkeit der Dyspnoe bei vergleichbaren Atemanstrengungen, bei vergleichbaren Arbeitsraten auf dem Fahrradergometer vor und nach der IMT zu bewerten. Die Patienten werden einen CWR-Test bei 75 % der Spitzenbelastung durchführen, die während eines maximalen inkrementellen kardiopulmonalen Belastungstests (CPET) erreicht wird. Vor, während und nach CWR-Cycling-Tests bewerten die Patienten ihre Intensität der Dyspnoe, die Unannehmlichkeit der Dyspnoe, Atemangst und Beinbeschwerden anhand einer modifizierten 10-Punkte-Borg-Skala. Die Patienten werden gebeten, am Ende des CWR-Zyklustests qualitative Deskriptoren der Dyspnoe anzugeben. Die maximale Dauer des CWR-Tests wird aufgezeichnet und die Atemminutenvolumen werden kontinuierlich während des gesamten Trainingsprotokolls registriert. Mit diesem Ausdauerbelastungstest werden die Untersucher in der Lage sein, Veränderungen beim Einsetzen von Atemnot (Intensität und Unannehmlichkeit) und die Leistung bei Ausdauerbelastungen vor und nach der IMT zu beurteilen.

Oberflächen-Elektromyographie (EMG) und ein Mehrpaar-Ösophagus-Elektrodenkathetersystem werden während der CWR-Übung verwendet, um die Rekrutierung der Atemmuskulatur, die Atemanstrengung und den neuralen Antrieb der verschiedenen Atemmuskeln zu bewerten. Der Katheter wird eingeführt, um Pes (Ösophagusdruck), Pgas (Magendruck) und EMGdi (Elektromyogramm des Zwerchfellmuskels) kontinuierlich aufzuzeichnen. PesMax (maximaler Ösophagusdruck), PgasMax (maximaler Magendruck) und PdiMax (maximaler transdiaphragmatischer Druck) werden während maximaler Schnüffel- und Hustenmanöver ermittelt. Techniken der transkutanen Oberflächenelektromyographie (sEMG) werden auf Skalenus-, Sternocleidomastoideus- und parasternale Interkostalmuskeln angewendet, um die neurale Erregung dieser Atemmuskulatur zu registrieren. Mit diesen Messungen werden die Forscher in der Lage sein zu beurteilen, ob es nach der IMT irgendwelche Veränderungen in den Rekrutierungsmustern der Atemmuskulatur und dem respiratorischen neuralen Antrieb zu den verschiedenen Atemmuskeln gibt.

Während des Trainings führt der 'Respiratory Muscle Metaboreflex' zu einer sympathisch vermittelten Vasokonstriktion des Bewegungsmuskels der Extremitäten, weniger Blut- und Sauerstoffversorgung des aktiven Extremitätenmuskels, da es durch Ermüdung der Bewegungsmuskulatur auftrat. Quadrizeps-Zuckungskräfte, die durch magnetische Stimulation des N. femoralis hervorgerufen werden, werden bewertet, um die Ermüdung der Bewegungsmuskulatur zu identischen Trainingszeitpunkten während des CWR-Tests vor und nach dem Eingriff zu messen. Mit dieser Technik werden die Forscher in der Lage sein zu beurteilen, ob der Beginn der Ermüdung des Bewegungsapparates nach der IMT verzögert ist.

Eine isokapnische Hyperpnoe-Studie wird durchgeführt, um die Perfusion der Atemmuskulatur, die Intensität und Unannehmlichkeit der Atemnot, das Rekrutierungsmuster der Atemmuskulatur, die Atemanstrengung und den neuralen Atemantrieb ohne die Arbeit des Bewegungsmuskels vor und nach der IMT zu beurteilen. Die Patienten werden gebeten, ein gezieltes Minutenventilationsmuster beizubehalten, das ihrer Atemfrequenz, ihrem Tidalvolumen und ihrem Minutenventilationsvolumen entspricht, die in Ruhe und während der letzten Minute des Belastungstests mit konstanter Belastung (bei ~75 % WRpeak) aufgezeichnet wurden. Die Experimentatoren geben den Patienten eine verbale Anleitung, um die Frequenz und Tiefe ihrer Atmung so anzupassen, dass die Zielventilation erreicht und innerhalb von ±5 % konstant gehalten wird. Die Isokapnie wird aufrechterhalten, indem die Probanden aus einem Douglas-Beutel mit 5 % CO2, 21 % O2, Rest N2 inspiriert werden, der über ein Schlauchstück mit einem Zweiwege-Rückatmungsventil (Modell 2700, Hans Rudolph) verbunden wird.

Belastungsatmungstests werden durchgeführt, um die Intensität und Unannehmlichkeit der Dyspnoe, die Rekrutierungsmuster der Atemmuskulatur, die Atemanstrengung und den neuralen Atemantrieb zu beurteilen. Die Patienten werden gebeten, so lange wie möglich (3-7 Minuten) durch ein TFRL-Gerät (powerbreathe KH1) mit konischem Durchfluss zu atmen. Der Widerstand wird auf 50 % des PImax des Patienten eingestellt. Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung und Anzahl der Atemzüge werden überwacht. Vor und nach dem Test werden Borgdyspnoe, Atemanstrengung und Unannehmlichkeiten aufgezeichnet. Der Test wird nach 8 Wochen IMT bei gleichem Widerstand wiederholt. Borg-Dyspnoe, Atemanstrengung und Unbehagen werden zum Zeitlimit des Vortrainings und zum Symptomlimit aufgezeichnet. Die längste Zeit für das Post-Training kann bis zu 15 Minuten betragen.

Der respiratorische (d. h. interkostale, scalene und abdominale) und der Bewegungsmuskel-Durchblutungsindex (d. h. Vastus lateralis) werden gleichzeitig während isokapnischer Hyperpnoe-Versuche sowie während des CWR-Tests (bei 75 % der maximalen Arbeitsfrequenz) vor und nach der IMT gemessen nach einem zuvor etablierten Verfahren unter Verwendung von Nah-Infrarot-Spektroskopie (NIRS) und Indocyaningrün (ICG). Die Sauerstoffversorgung der Atemwege (d. h. Zwischenrippen, Skalenus, Bauch) und des Bewegungsmuskels (d. h. Vastus lateralis) wird berechnet, indem der Blutflussindex mit dem arteriellen Sauerstoffgehalt multipliziert wird, wobei letzterer nicht-invasiv durch Pulsoximetrie berechnet wird. Die Sauerstoffsättigung der Atemwege (d. h. Zwischenrippen, Skalenus, Bauch) und des Bewegungsmuskels (d. h. Vastus lateralis) (Stio2) – ein Index der Sauerstoffverfügbarkeit, der das Gleichgewicht zwischen Sauerstoffangebot und -bedarf widerspiegelt – wird während der Studie kontinuierlich von NIRS aufgezeichnet.

Eine nicht-invasive Technik zur Untersuchung der neuronalen Verarbeitung von Atmungsempfindungen wird verwendet, um Änderungen in der affektiven Unannehmlichkeitskomponente von Dyspnoe während einer standardisierten Atemaufgabe zu bewerten. Elektroenzephalographie (EEG) wird verwendet, um atembezogene evozierte Potenziale (RREPs) während der belasteten und unbelasteten Atmung zu messen. Der aus dem EEG aufgezeichnete RREP ist ein Maß für die zerebrale kortikale Aktivität, die durch die Aktivierung von Lungen- und Muskel-Mechanorezeptoren aufgrund kurzer inspiratorischer Okklusionen ausgelöst wird. Die Patienten tragen EEG-Sensoren [129-Kanal-System, Electrical Geodesics Inc., Eugene, USA] und atmen über ein Mundstück durch einen Atemkreislauf mit einem Rückatemventil. Die Inspiration wird alle zwei bis sechs Atemzüge durch Aktivierung des Okklusionsventils mit Druckluft kurz für 150 Millisekunden unterbrochen, wodurch die RREP induziert wird. Die Patienten bewerten ihre wahrgenommene Intensität und Unannehmlichkeit der Dyspnoe und die Intensität der Okklusion auf einer Borg-Skala, während die Inspirationslast und Okklusion über ein Beatmungsventil angelegt werden. Diese Methode wird verwendet, um zu beurteilen, ob es weniger Unannehmlichkeiten gibt, die mit einer gegebenen Menge an Dyspnoe verbunden sind, die durch eine resistive Atmungsaufgabe ausgelöst wird, und ob diese Änderungen mit Änderungen in der zentralen Verarbeitung der Dyspnoe-Empfindung korrelieren.

Zur Bewertung des posturalen Gleichgewichts wird die Verschiebung des Druckzentrums (CoP) aus den Rohdaten der Kraftplatte unter Verwendung der folgenden Gleichung geschätzt: CoP = Mx/Fz (medio-lateral) und CoP = My/Fz (anterior-posterior). CoP wird im aufrechten Stehen mit und ohne Sehvermögen auf stabiler und instabiler (Schaumstoffpolster) Unterlage gemessen. Unter bestimmten Bedingungen werden lokale Muskelvibrationen auf Knöchel- und/oder Rückenmuskeln angewendet, um die Rolle der Propriozeption bei der posturalen Kontrolle zu bewerten. Darüber hinaus wird unter bestimmten Bedingungen eine wiederholte ballistische Armbewegung verlangt, um die Wirkung einer inneren Störung auf die posturale Kontrolle zu bewerten. Effektive Mittelwerte der CoP-Verschiebungen werden für die Analyse von posturalen Stabilitätsmessungen verwendet und Mittelwerte werden für die Vibrationsversuche berechnet, um die erwartete Richtungswirkung zu analysieren. Ein Verhältnis der CoP-Verschiebungen des Vibrationsversuchs der Knöchelmuskulatur in Bezug auf den Vibrationsversuch der Rückenmuskulatur wird berechnet, um die propriozeptive posturale Kontrollstrategie zu bestimmen.

Eine Stichprobengröße von 16 Teilnehmern für die Interventionsgruppe und 8 für die Kontrollgruppe ist erforderlich, um einen Unterschied von einer Einheit in der Dyspnoe-Borg-10-Skala zu erkennen, unter der Annahme einer SD von 1 Einheit in der Änderung des Dyspnoe-Scores zwischen Prä- und Post-Messungen (Potenz 80 %, Signifikanzniveau p<0,05). Diese Schätzungen basieren auf früheren Arbeiten zur Dyspnoe während des Trainings. Daher werden 24 klinisch stabile COPD-Patienten mit Inspirationsmuskelschwäche (PiMax < 70 % des Sollwerts oder < 60 cmH2O) und Dyspnoe-Symptomen (BDI < 7) eingeschlossen. Patienten, die keine Belastungstests durchführen können, werden ausgeschlossen.

Die Patienten führen ein tägliches Training durch, das aus zwei Trainingseinheiten mit 30 Atemzügen besteht (Intensität ~50 % von PiMax; 4-5 Minuten pro Sitzung). Eine Sitzung pro Woche wird betreut im Forschungszentrum durchgeführt. Die IMT wird 8 Wochen lang mit einem TFRL-Gerät (Electronic Tapered Flow Resistive Loading) [POWERbreath®KH1, HaB International Ltd., Southam, UK] durchgeführt. Der PiMax wird jede Woche gemessen, um die entsprechende Trainingsintensität in diesem Moment auf etwa 50% des PiMax zu erhöhen. Die Scheingruppe führt IMT mit einer inspiratorischen Belastung durch, von der nicht erwartet wird, dass sie die inspiratorische Muskelfunktion verbessert (Intensität < 10 % des Ausgangs-PiMax; während des gesamten Protokolls unverändert).

Unterschiede in den primären und sekundären Ergebnissen zwischen den Gruppen nach 8 Wochen IMT werden verglichen, wobei die Baseline-Unterschiede in einer Analyse der Kovarianz (ANCOVA) angepasst werden.