Weathering the Storm: Rehabilitacja naczyń płuc, serca i mózgu w przypadku COVID-19

Cel 1 - Czy zindywidualizowana rehabilitacja kardiologiczna poprawia regenerację krążeniowo-oddechową i mózgowo-naczyniową? Powszechnie przyjmuje się, że „ćwiczenia to lekarstwo”; pigułka wieloskładnikowa i kamień węgielny w zapobieganiu i wychodzeniu z chorób, w tym tych o podobnej patogenności do COVID19 (np. zespół ostrej ciężkiej niewydolności oddechowej, zespół oddechowy bliskowschodni i zespół ostrej niewydolności oddechowej). Mówiąc dokładniej, ćwiczenia są uważane za medycynę naczyniową, zdolną do poprawy żywotności tętnic poprzez gojenie śródbłonka. Ukierunkowane, powtarzające się i epizodyczne wzrosty przepływu krwi i naprężenia ścinającego tętnic podczas zindywidualizowanych ataków ćwiczeń mechanicznie stymulują śródbłonek, wyzwalając produkcję tlenku azotu i innych cząsteczek naczynioaktywnych i przeciwzapalnych wymaganych do tworzenia naczyń i angiogenezy. Dlatego wysiłkowe gojenie pierwotnej struktury naczyniowej, którą uszkadza wirus SARS-CoV2, zapewnia znaczne korzyści regeneracyjne naczyniowe dla narządów końcowych, takich jak płuca, serce i mózg. Na przykład wymieniono kilka podstawowych korzyści sercowo-oddechowych wynikających z terapii ruchowej w leczeniu różnych chorób sercowo-oddechowych, aby podkreślić wykonalność poprawy powrotu do zdrowia po COVID19 za pomocą zindywidualizowanych interwencji ruchowych: 1) wydolność tlenowa jest powiązana z osłabioną dysfunkcją śródbłonka w tętnicach obwodowych po ostrym zakażeniu H1N1; 2) przywrócenie sprężystości i siły płuc oraz wzrost antyoksydantów zmniejszających stany zapalne po treningu wysiłkowym przyczynia się do poprawy wydolności krążeniowo-oddechowej; oraz 3) ulepszona autonomiczna modulacja układu krążeniowo-oddechowego poprawia wydolność wysiłkową i ogólny stan zdrowia.

Chociaż istnieje niewiele dowodów, które wyraźnie wskazują, że funkcja naczyń mózgowych jest zmieniona po zakażeniu COVID19, dowody epidemiologiczne wskazują, że osoby, które wyzdrowiały z COVID19, mają większe ryzyko udaru mózgu. Im wcześniej w leczeniu udaru mózgu zostanie wprowadzona rehabilitacja wysiłkowa ruchowa, tym większa poprawa wydolności wysiłkowej, funkcji naczyń obwodowych i mózgowo-naczyniowych, w dużej mierze dzięki złagodzeniu stanu zapalnego naczyń i zwiększeniu modulatorów neurotroficznych. Brak aktywności fizycznej u osób, które przeszły udar mózgu lub są w grupie wysokiego ryzyka wystąpienia udaru, dodatkowo zaostrza zapalną dysfunkcję naczyń. Ćwiczenia bezpośrednio stymulują śródbłonek naczyń mózgowych poprzez zwiększenie przepływu krwi i wewnątrztętniczego naprężenia ścinającego w tętnicach mózgowych. Czynność naczyniowo-mózgowa jest regulowana przez znakomity synergistyczny i redundantny zestaw fizjologicznych kontrolerów (tj. tętniczego ciśnienia parcjalnego dwutlenku węgla i tlenu, tętniczego ciśnienia krwi, neurogennej autonomicznej modulacji i pojemności minutowej serca). Oprócz bezpośrednich korzyści naczyniowo-mózgowych terapii ruchowej, ogólnoustrojowa poprawa krążeniowo-oddechowa, która poprawia wymianę gazową, ciśnienie krwi, odruchy autonomiczne i czynność serca, będzie miała ważne korzyści naczyniowe w mózgu. Dlatego proponowane badania przynoszą znaczące korzyści w poprawie wydolności wysiłkowej, a także funkcji krążeniowo-oddechowej i mózgowo-naczyniowej podczas powrotu do zdrowia po zakażeniu COVID19.

Czynność krążeniowo-oddechową ocenia się ilościowo za pomocą znormalizowanego zestawu testów klinicznych w celu oceny czynności układu sercowo-naczyniowego i płuc w spoczynku oraz podczas submaksymalnych i maksymalnych stresorów. Na przykład spoczynkową czynność układu sercowo-naczyniowego określa się na podstawie pomiaru częstości akcji serca, czynności lewej i prawej komory serca, przepływu krwi w naczyniach obwodowych i prędkości fali tętna. Metryki te dostarczają wymiernych informacji dotyczących sztywności tętnic, autonomicznej i obwodowej funkcji naczyń, które są głównymi wyznacznikami w regulacji centralnej hemodynamiki (tj. pojemności minutowej serca, ciśnienia tętniczego krwi i przepływu krwi) oraz zdrowia układu krążenia. Nie wiadomo, czy infekcja COVID-19 wpływa na spoczynkową centralną hemodynamikę. Jednak nasza grupa badawcza wcześniej obserwowała centralną dysfunkcję hemodynamiczną po ostrych reakcjach zapalnych na różne infekcje wirusowe. Submaksymalne (rozszerzenie za pośrednictwem przepływu) i maksymalne (badanie wysiłkowe krążeniowo-oddechowe) pomiary fizjologiczne pozwalają naukowcom na ilościowe określenie zdolności układu krążeniowo-oddechowego do reagowania na czynniki stresogenne obserwowane podczas codziennej aktywności. Po interwencjach rehabilitacyjnych submaksymalne i maksymalne badanie krążeniowo-oddechowe zapewnia niezbędną ilościową ocenę skuteczności interwencji wysiłkowych.

Echokardiografia serca: Mechanika lewej i prawej komory (objętość końcoworozkurczowa i końcowoskurczowa, wypełnienie zastawki mitralnej) oraz centralna hemodynamika w jamie aorty i żyły (średnica aorty, pojemność minutowa serca, objętość wyrzutowa, częstość akcji serca) zostaną ocenione w odpoczynek za pomocą dwuwymiarowej echokardiografii za pomocą systemu Hitachi Aloka Alpha 7 (Tokio, Japonia). W przypadku osób ułożonych na lewym boku pomiary będą wykonywane w projekcji dwu- i czterojamowej. Wnętrze lewej komory będzie śledzone ręcznie zarówno podczas końcowego skurczu, jak i końcowego rozkurczu. Objętości będą mierzone przy użyciu reguły Simpsona. Objętość wyrzutowa zostanie obliczona poprzez odjęcie objętości końcoworozkurczowej od objętości końcowoskurczowej. Rzut serca zostanie obliczony jako HR pomnożone przez objętość wyrzutową. Zostaną zmierzone trzy uderzenia, a średnia zostanie wykorzystana w analizach. Frakcja wyrzutowa zostanie obliczona na podstawie objętości komór i wyrażona jako procent objętości końcowoskurczowej do końcoworozkurczowej. Prędkości zastawki mitralnej zostaną uzyskane z projekcji wierzchołkowej 4-jamowej, w której zmierzone zostaną E, A i E/A. Określone zostanie również nachylenie dopływu. Zostanie również wykonane badanie Dopplera tkankowego w celu uzyskania E' z obliczonym E/E'. Wreszcie, śledzenie plamek zostanie przeprowadzone przy użyciu oprogramowania TOMTEC do śledzenia tkanek.

Czynność naczyń mózgowych jest tradycyjnie oceniana przy użyciu podejścia jednowymiarowego, określając ilościowo odpowiedzi mózgowego przepływu krwi (CBF) na pojedyncze zaburzenie, które podkreśla jeden z głównych mechanizmów zaangażowanych w regulację CBF. Podstawowymi mechanizmami zaangażowanymi w regulację CBF w spoczynku i podczas ćwiczeń są gazometria krwi tętniczej, ciśnienie krwi tętniczej, neurogenne układy autonomiczne i metabolizm. Tak więc bodźce kliniczne są wykorzystywane do wywołania odpowiedzi naczyniowo-mózgowej poprzez zmianę warunków środowiskowych, farmakologicznych lub fizjologicznych, które specyficznie zaburzają jeden z tych podstawowych mechanizmów. Nowe podejścia, opracowane przez nasz zespół badawczy, rozwijają tradycyjne, jednowymiarowe oceny CBF, poprzez badanie układu naczyniowego mózgu za pomocą baterii ocen klinicznych lub poprzez oceny, które wywołują określone i ogólnoustrojowe zaburzenia fizjologiczne, które wpływają na CBF. Dwie strategie oceny naczyń mózgowych stosowane w tym protokole w szczególności oceniają odpowiedź naczyń mózgowych na zmiany stężenia dwutlenku węgla, ciśnienia krwi i aktywności neurogennej w spoczynku, a także podczas narastających ćwiczeń całego ciała i męczących ćwiczeń chwytających za ręce. Testy te zapewnią tradycyjną jednowymiarową ocenę ilościową funkcji naczyń mózgowych, jak również zniuansowaną ocenę ilościową integracyjnej funkcji naczyń mózgowych. Dodatkowo, wykorzystując strategie oceny, które podobnie ukierunkowane są na te same układy, które interwencje szkoleniowe mają na celu poprawę (tj. fizjologiczny powrót do zdrowia po naszej infekcji COVID19.

Cel 2 – Czy połączenie rehabilitacji mięśni wdechowych i ćwiczeń serca zapewnia dodatkowe korzyści związane z rekonwalescencją po COVID19 w zakresie układu krążeniowo-oddechowego i mózgowo-naczyniowego? Dysfunkcja płuc i zapalenie płuc są głównymi problemami związanymi z zakażeniem COVID19. Podczas gdy gorączka, kaszel, zmęczenie, bóle mięśni i duszność są najczęstszymi objawami u osób zakażonych wirusem COVID19. Dla wielu osób zarażonych COVID19 przeżycie wirusa to tylko część problemu. W niedawnym raporcie stwierdzono, że pacjenci z COVID19 uznani za wyleczonych, a tym samym wypisanych ze szpitala, mają utrzymujące się zaburzenia dyfuzji płucnej; badanie retrospektywne wykazało, że dyfuzja płucna po zakażeniu COVID19 może pozostać nieprawidłowa przez 30 dni po wypisaniu ze szpitala. Przedłużające się upośledzenie czynności płuc przypisuje się przede wszystkim atrofii mięśni oddechowych i dysfunkcji przepony wywołanej przez respirator w ciężkim zakażeniu COVID-19. Jednak przedłużający się atak kaszlu, zmęczenia i duszności związany z łagodną infekcją COVID19 może również wywołać dysfunkcję płuc i osłabić siłę mięśni oddechowych. Dysfunkcja płuc spowodowana słabą siłą mięśni wdechowych zwiększa pracę oddechową, aktywność nerwów współczulnych mięśni i zmęczenie związane z aktywnością fizyczną. Męcząca praca mięśni wdechowych zmniejsza wysiłek i wydolność fizyczną, podczas gdy zwiększona aktywność nerwu współczulnego mięśni zmniejsza przepływ krwi do aktywnych kończyn i zwiększa zmęczenie. W konsekwencji utrzymujące się upośledzenie funkcji płuc po zakażeniu COVID19, niezależnie od ciężkości, obniża wydolność wysiłkową, sprawność fizyczną, jakość życia i prawdopodobnie funkcje sercowo-naczyniowe i mózgowo-naczyniowe.

Trening mięśni wdechowych, który skutecznie obejmuje wystandaryzowane procedury oddychania zorganizowane podobnie do programów ćwiczeń fizycznych, okazał się skuteczny w zmniejszaniu zmęczenia, bólów mięśni i duszności w innych przewlekłych chorobach układu oddechowego. Poprawa wydolności krążeniowo-oddechowej po IMT wynika przede wszystkim ze wzmocnienia mięśni wdechowych. Zwiększenie siły mięśni wdechowych zmniejsza pracę oddechową podczas aktywności fizycznej i koszty metaboliczne związane z oddychaniem zarówno w spoczynku, jak i podczas aktywności fizycznej. Mięśnie szkieletowe często konkurują o dopływ krwi podczas ćwiczeń, zwłaszcza gdy praca oddechowa jest wzmożona, dlatego poprawa funkcji mięśni wdechowych za pomocą IMT w połączeniu z treningiem fizycznym prawdopodobnie zapewnia hiper addytywny bodziec przepływu krwi w całym układzie naczyniowym w porównaniu z samym treningiem fizycznym. Biorąc pod uwagę właściwości naczyniopochodne i angiogenne wynikające ze zwiększonego przepływu krwi w układzie sercowo-naczyniowym, trening IMT w połączeniu z treningiem fizycznym zapewnia innowacyjną strategię ułatwiającą szybszy powrót do zdrowia po COVID19. Żadne z dotychczasowych badań nie zbadało wpływu treningu IMT i ćwiczeń na funkcje naczyń mózgowych. Jednak poprawa funkcji krążeniowo-oddechowej związana z poprawą funkcji mięśni oddechowych powinna również synergistycznie poprawiać regulację naczyń mózgowych.

Podsumowując, IPL specjalizuje się w wykorzystaniu ćwiczeń do poprawy funkcji układu krążeniowo-oddechowego i mózgowo-naczyniowego w klinicznych modelach chorób przewlekłych. Na przykład członkowie IPL wykazali wcześniej, że reakcja naczyniowo-mózgowa na ćwiczenia zależy od dwutlenku węgla, ciśnienia tętniczego krwi i naprężenia ścinającego tętnic w stanie zdrowia i choroby. Co więcej, zindywidualizowana rehabilitacja wysiłkowa serca zwiększa CBF (~10%), przywracając normalny CBF w populacjach z niewydolnością serca. Podobnie IPL zebrało dane związane z proponowanymi badaniami, w których trening fizyczny poprawia hemodynamikę naczyń i modulację autonomiczną w populacjach żyjących z chorobami zapalnymi (cukrzycą); a także poprawia ciśnienie krwi. Specjaliści badań krążeniowo-oddechowych w IPL wykazali również, że trening mięśni poprawia tolerancję wysiłku i duszność u pacjentów otyłych, którzy są narażeni na zwiększone ryzyko powikłań zakażenia COVID. Wspólnie naukowcy z IPL mają na celu wykorzystanie tych technik i podejść do określenia optymalnych strategii w celu przyspieszenia powrotu do zdrowia po COVID19 w sercu, mózgu i płucach.