Hengitetyn typpioksidin vaikutus maksimaaliseen hapenkulutukseen harjoituksen aikana hypoksiassa (iNO)

Tausta

Harjoittelun aikana hypoksisissa olosuhteissa maksimaalinen hapenottokyky (V̇O2max) laskee asteittain, kun inspiroitu happijännitys laskee. Yleisesti oletetaan, että tämä V̇O2max:n väheneminen johtuu kokonaan valtimoiden happipitoisuuden vähenemisestä. Aiempi työ vaikeissa hypoksiatapauksissa on kuitenkin osoittanut odotettua suuremman V̇O2max-arvon alenemisen. Lisäksi hypoksian aiheuttamaa V̇O2max:n heikkenemistä ei voitu selittää kokonaan alentuneella inspiroidulla O2-jännityksellä, ja se viittaa siihen, että muut mekanismit vaikuttavat V̇O2max:n laskuun. Aiemmat tutkimukset osoittivat, että heikentynyt keuhkojen kaasunvaihto ja pienentynyt sydämen minuuttitilavuus vähentyneen valtimoiden happipitoisuuden lisäksi olivat avaintekijöitä heikentyneeseen V̇O2max-arvoon vaikeassa hypoksiassa (10,5 % sisäänhengitettyä happea). Syy kaasunvaihdon heikkenemiseen ja alentuneeseen sydämen minuuttitilavuuteen on tällä hetkellä epäselvä, mutta hypoksisen keuhkojen vasokonstriktion (HPV) on oletettu voivan lisätä keuhkojen verisuonten vastusta ja keuhkovaltimon painetta erittäin raskaan rasituksen aikana. HPV-välitteinen keuhkojen verisuonten vastuksen lisääntyminen lisäisi oikean sydämen työtä ja mahdollisesti heikentäisi sydämen pumppauskapasiteettia, mikä johtaisi aivohalvauksen tilavuuden ja viime kädessä sydämen minuuttitilavuuden pienenemiseen. HPV on havaittu terveillä ihmisillä jopa lievässä hypoksiassa (15–18 % sisäänhengitettyä happea). Inhaloitava typpioksidi (iNO) on selektiivinen keuhkojen verisuonia laajentava aine, ja sen on osoitettu vähentävän keuhkojen verisuonten vastusta harjoituksen aikana potilailla, joilla on keuhkojen verisuonten toimintahäiriö (ts. krooninen keuhkoahtaumatauti). Lisäksi iNO:n on osoitettu vapauttavan HPV:tä terveissä yksilöissä. Jos iNO voi estää HPV:n, tämä lieventäisi keuhkojen verisuoniresistenssin lisääntymistä kohtalaisesti (~13,6 % sisäänhengitetty happi) ja vakavampi (~12,1 % sisäänhengitettyä happea) hypoksia ja parantaa V̇O2max-arvoa hypoksisen harjoituksen aikana. Siksi oletamme, että iNO parantaa V̇O2max-arvoa harjoituksen aikana keskivaikeassa ja vaikeassa hypoksiassa, joka on toissijainen keuhkovaltimon systolisen paineen alenemisen vuoksi, mikä lisää aivohalvaustilavuutta ja sydämen huipputehoa. Lisäksi suurempia parannuksia V̇O2max:ssa iNO:n kanssa havaitaan vaikeassa hypoksiassa verrattuna iNO-välitteiseen V̇O2max:n muutokseen kohtalaisessa hypoksiassa. Tämä antaisi ratkaisevan todisteen siitä, että keuhkojen verisuonisto on avaintekijä V̇O2max:n alenemisessa sekä kohtalaisissa että vaikeissa hypoksisissa olosuhteissa.

Kokeilutavoitteet

Tarkoitus: Tutkia iNO:n vaikutusta maksimaaliseen hapenkulutukseen (V̇O2max) harjoituksen aikana hypoksiassa.

Hypoteesi: Hengitetty NO parantaa V̇O2max-arvoa hypoksisen rasituksen aikana, mikä on toissijaista lisääntyneen aivohalvauksen tilavuuden ja huippusydämen minuuttitilavuuden vuoksi. Suurempi parannus V̇O2max:ssa iNO:n kanssa havaitaan vakavammissa hypoksiaolosuhteissa verrattuna iNO-välitteiseen V̇O2max:n muutokseen kohtalaisessa hypoksiassa.

Tutkimussuunnittelu: Satunnaistettu kaksoissokkoutettu ristikkosuunnittelu.

Tutkimuspöytäkirja: Kuusi istuntoa suoritetaan 3 viikon aikana seuraavassa järjestyksessä: Päivä 1) Osallistujien ilmoittautuminen, sairaushistoria, normaali keuhkotoiminta (PFT) ja kardiopulmonaalinen rasitustesti (CPET) hengitysnormoksia (21 % sisäänhengitettyä happea). Päivät 2–5) Satunnaisesti järjestetyt kokeelliset CPET-tutkimukset joko hengitettäessä A) kohtalainen hypoksia (13,6 % sisäänhengitettyä happea), B) vaikea hypoksia (12,1 % sisäänhengitettyä happea), C) kohtalainen hypoksia, 40 ppm iNO, ja D) vaikea hypoksia 40 ppm inNO. Päivä 6) Lepo- ja harjoituskokeet hengityksen aikana, normoksia, keskivaikea ja vaikea hypoksia sekä kohtalainen ja vaikea hypoksia iNO:n kanssa, ultraääni Doppler-mittaukset keuhkovaltimon systolisen paineen määrittämiseksi.

Hypoksiaolosuhteet ovat verrattavissa 14 000-17 000 jalan korkeuteen. 17 000 jalkaa vastaisi seisomista King Peakin huipulla Yukonissa (4. korkein vuori Kanadassa).

Päivänä 1 osallistujat suorittavat tietoisen suostumuksen, täyttävät sairaushistoriakyselyn ja tutkitaan liikuntavalmiuskyselyllä. Heille tehdään keuhkojen toiminta- ja kardiopulmonaalinen rasitustesti samana päivänä. Osallistujat viettävät tänä testipäivänä laboratoriossa noin kolme tuntia.

Päivinä 2, 3, 4 ja 5 osallistujat hengittävät A) kohtalaista hypoksiaa (13,6 % sisäänhengitettyä happea), B) vaikeaa hypoksiaa (12,1 % sisäänhengitettyä happea), C) kohtalaista hypoksiaa 40 ppm iNO:lla ja D) vaikeaa hypoksiaa 40 ppm iNO ja niiden verenvirtaus/sydämen minuuttitilavuus ja uloshengityskaasu arvioidaan ja aika uupumukseen määritetään tavallisessa kardiopulmonaalisessa rasitustestissä. Ennen päivää kaksi olosuhteiden järjestys blokattu satunnaistetaan sen varmistamiseksi, että molemmat CPET:t yhdestä happipitoisuudesta (joko 12,1 tai 13,6 %) ovat valmiit ennen toisen happipitoisuuden ehdon aloittamista.

Päivänä 2 osallistuja makaa selällään ja lepää 5 minuuttia. Heidän lepoverenpaineensa määritetään manuaalisella auskultaatiolla. Leposydämen minuuttitilavuus arvioidaan käyttämällä noninvasiivista impedanssikardiografiaa ja pulssioksimetrialla arvioitua happisaturaatiota. Ilmanvaihto mitataan vanhentuneen kaasun analyysistä. Näiden mittausten jälkeen kohde alkaa hengittää yhtä neljästä koeolosuhteista (katso yllä). 5 minuutin pesujakson jälkeen ventilaatio, sydämen minuuttitilavuus ja happisaturaation tallennukset toistetaan. Osallistujat suorittavat sitten tavallisen kardiopulmonaalisen rasitustestin jatkaen samalla normoksisen ilman hengittämistä. Osallistujat viettävät tänä testipäivänä laboratoriossa noin kolme tuntia.

Päivät 3, 4 ja 5 ovat identtisiä päivän 2 kanssa, paitsi että osallistujat hengittävät muita koeolosuhteita.

Päivänä 6 koehenkilö makaa selällään ja lepää 5 minuuttia, jotta saadaan selällään olevat perusmittaukset. Sen jälkeen osallistujat istuvat pystyasennossa ja perusmittaukset kirjataan. Heidän systeeminen lepopaineensa määritetään manuaalisella kuuntelulla ja keuhkovaltimoiden systolinen valtimopaine määritetään sydämen ultraäänikuvauksella. Leposydämen minuuttitilavuus arvioidaan noninvasiivisella impedanssikardiografialla. Lepomittaukset suoritetaan hengitettäessä hengityksen aikana, normoksia, keskivaikea ja vaikea hypoksia sekä kohtalainen ja vaikea hypoksia iNO:lla (järjestys satunnaistettu). Osallistujat suorittavat sitten lyhyitä kevyitä harjoituksia kiinteällä intensiteetillä ja kaikki mittaukset toistetaan hengittäessä normoksiaa, kohtalaista ja vaikeaa hypoksiaa sekä kohtalaista ja vaikeaa hypoksiaa iNO:lla (järjestys satunnaistettu). Tutkimuksen osallistujat harjoittelevat kevyellä teholla yhteensä ~25 minuuttia (5 minuuttia per olosuhde). Sekä lepo- että harjoitusmittauksissa annetaan 10 minuutin pesuaika olosuhteiden välillä vaihdettaessa.

Osallistujan kesto: Jokainen käynti kestää noin 3 tuntia. Jokaisen osallistujan kokonaiskesto on noin 18 tuntia.

Interventio

Inhaloitava typpioksidiinterventio: Inhaloitava NO on selektiivinen keuhkojen verisuonia laajentava aine ja sen on osoitettu parantavan verenkiertoa hyvin tuuletetuille keuhkoalueille (esim. parantaa ventilaation ja perfuusion yhteensopivuutta) olosuhteissa, joissa verisuonten sävy on kohonnut. Sisäänhengitetyn NO:n on aiemmin osoitettu alentavan keuhkovaltimon painetta harjoituksen aikana keuhkosairauspotilailla, mutta se ei vaikuta systeemiseen verenpaineeseen. On tärkeää huomata, että suonensisäisesti annettavan verisuonia laajentavan lääkkeen (esim. prostasykliiniä) systeemisen verisuonten laajenemisen, vaikean valtimoverenpaineen ja pyörtymisen välttämiseksi 19-20. Aiemman työn mukaisesti 40 ppm:n standardiannos inhaloitavaa NO:ta annetaan ei-uudelleenhengityskiertoa käyttäen.

Tilastollinen analyysi ja tulkinta Yksisuuntaista toistuvien mittausten ANOVAa käytetään arvioimaan V̇O2max:n muutoksia 1) keskivaikealla ja vaikealla hypoksialla ja 2) keskivaikealla ja vaikealla hypoksialla iNO:lla harjoituksen aikana verrattuna lumelääkkeeseen (normoksinen tila). Jos päävaikutus löydetään, erojen paikallistamiseksi suoritetaan Tukeyn post-hoc t-testi. Jos iNO parantaa V̇O2max-arvoa, tämä viittaa siihen, että keuhkojen verisuonten vastuksen hypoksian aiheuttama lisääntyminen on avaintekijä sydämen minuuttitilavuuden heikkenemiseen kohtalaisen ja vaikean hypoksisen rasituksen aikana.