Giornata della Ricerca - 27 Novembre 2013
Metabolismo ossidatici ed
adattamenti funzionali
nell'anziano,
al disuso e all'allenamento
C Capelli, S Pogliaghi, E Tam, E Calabria,
P Bruseghini
DSNM-Laboratorio di Fisiologia dell’Esercizio
• Accenni di bioenergetica muscolare
• Il massimo consumo di ossigeno
Significato funzionale e prognostico
• La cinetica del consumo di ossigeno durante
esercizio muscolare
Fattori limitanti
What does it tell us in diseases ?
• Ossigenazione muscolare durante esercizio
Misurazione non invasiva con NIRS
Applicazioni
La Bioenergetica Muscolare
52-44 kJ mol-1
[ATP] = 5 mM * Kg-1
PCr + ADP + H+ ⇔ ATP + Creatine
[PCr] = 25 mM * Kg-1
Potenza, capacità e durata
dell’esercizio
60
PCr hydrolysis
Anaerobic glycolysis
Oxidative phosphorylation
.
40
30
20
VO2max
wmax (W / Kg)
50
10
0
.
0
30
60
90
120
150
Time (s)
180
210
240
Approccio integrato
Studio delle risposte durante esercizio di:
VO2 = Q * (CaO2 - CvO2)
• V’O2
• Q’ (Q’aO2)
• Ossigenazione muscolare
LUNGS
VCO2
HEART
CIRCULATION
MUSCLE
MITOCONDRIA
VO2
La valutazione funzionale del
metabolismo ossidativo nell’uomo
• V’O2max
• Cinetica V’O2 polmonare
durante transienti metabolici
• Cinetica del trasporto di O2
• Ossigenazione muscolare
esercizio massimale
• Ossigenazione muscolare
durante transienti metabolici
V’O2max
• Fattore predittivo le performance di lunga durata
VEND = F V’O2max /C
• Limitato prevalentemente dalla massima gettata
cardiaca (quindi compromesso in varie patologie
cardiovascolari)
• Diminuisce con l’invecchiamento e il disuso
• Aumenta con l’allenamento
• Inversamente correlato con la mortalità
cardiovascolare
V’O2 max and ageing
Cinetica del V’O2 e deficit di O2
Cinetica del VO2
fase 2
-1
VO 2 (L .min )
3
fase 1
4
2
a2
τ2
1
a1
TD 2
0
0
60
120
180
240
300
Quali sono i fattori
limitanti la cinetica
di V’O2 ?
• Fattori Centrali
(trasporto
O2)
• …as O2 delivery is reduced moving from right
to left, at some ‘‘tipping point’’ an O2
cardiovascoalre dilimitation occurs, and V’O2 kinetics become
progressively slowed (Poole DC et al., MSSE
40: 462- 2008)
• Fattori periferici
(perfusione periferica, diffusione
e utilizzo di O2, mismatch tra
perfusione-utilizzazione O2,
intrinseca lentezza de
lmetabolismo ossidativo)
La Cinetica. del VO2 polmonare è
più lenta in pazienti con…
● ...
BPCO (Nery et al. 1982)
● …
CHF (Sietsema et al. 1994)
● …
patologie vascolari periferiche (Bauer et al. 1999)
● …
diabete tipo II (Regensteiner et al. 1998)
● …
cardiotrapiantati (Cerretelli et al. 1988, Cerretelli et
● …
trapianto cuore-polmone (Grassi et al. 1993)
● …
miopatie metaboliche(Grassi et al. 2002)
al. 1992, Grassi et al. 1997, Marconi et al. 2002, Borrelli et
al. 2003)
La Cinetica del. VO2 polmonare è
●
●
… è più rapida nei soggetti allenati che in quelli non
allenati (Cerretelli et al. 1979)
… più lenta dopo inattività-decondizionamento fisico
slower after bed rest deconditioning (Capelli et al. 2009)
●
… è più rapida in soggetti con una maggiore
percentuale di fibre di Tipo (Doria et al. 2012)
●
… più lenta negli anziani rispetto ai soggetti giovani
(Babcock et al. 1994)
Esempio: cinetica V’O2 e
invecchiamento
VO2 (% valore di equilibrio)
BIKE <VT
120
100
80
60
40
sogg. giov ane
20
sogg. anziano
0
-60
0
60
120
180
tempo (s)
240
300
360
Ossigenazione muscolare
durante esercizio
NEAR-INFRARED SPECTROSCOPY (NIRS)
Misura non invasiva dell’ossigenazione
tessutale basata su :
o le differenti proprietà di assorbimento
della radiazioni vicino all’infrarosso da
parte di HbO2 e HHb (cromofori con diversi spettri
di assorbimento)
o trasparenza dei tessuti biologici
transparence window)
(water
Vantaggi NIRS
• non invasiva
• facile da utilizzare
• applicabile a singoli muscoli anche piccoli
• alta frequenza di campionamento (studio
cinetiche)
• costo relativamente contenuto
• disponibili strumenti portatili
• ripetibile nel tempo
NIRS muscolare durante
esercizio sub massimale a step
Δ[deoxy(Hb+Mb)]
0.2
Variazioni di concentrazione (A.U.)
0.0
fase B
Δ[oxy(Hb+Mb)]
-0.2
-60
fase A
fase C
0
0.2
60
120
300
Δ[oxy(Hb+Mb)+deoxy(Hb+Mb)]
0.0
-0.2
Δ[oxy(Hb+Mb)-deoxy(Hb+Mb)]
-0.4
-60
0
60
Tempo (s)
120
300
Δ[deoxyHb]
Δ[deoxyH b] ( % of ischemic v alue)
NIRS e studio della risposta
vasoattiva
120
healthy elderly
hypertensive elderly
young
100
80
60
40
20
0
50
100
150
200
250
300 work load ( W)
NIRS muscolare e allenamento
aerobico intensità moderata (CME)
Wpre = 77±13
Wpost = 89±14 * (+15%)
[LA]pre = 2.6±0.3
[LA]post = 2.5±0.3
100
90
80
70
60
50
30
20
<VT
*
*
*
10
Δ[deoxyHb] (% ischemia)
time (s)
Results:
100
80
60
40
20
0
0
TD1
τ1
time to ss
0
60
120 time (s)
NIRS muscolare e miopatie
(frazione dell'ischemia)
Δ[deoxy(Hb+Mg)]
1.0
controlli
PP
SS
IP
FB
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
0.0
(frazione dell'ischemia)
Δ[deoxy(Hb+Mg)]
1.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.4
0.6
0.8
1.0
controlli
MO
SO
SG
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
0.0
0.2
W/Wpeak
Conclusioni
• Attualmente la tecnologia ci consente una valutazione
funzionale non invasiva nell’uomo durante esercizio del
metabolismo ossidativo.
• Possiamo studiare con alta risoluzione temporale
• Gli scambi gassosi alveolo-capillari
• Il trasporto cardiovascolare convettivo di O2
• L’ossigenazione muscolare
• La risposta vasoattiva all’esercizio
• Il matching tra perfusione periferica e utilizzo dell’O2
muscolare
Conclusioni
The Pathway of Oxygen
LUNGS
HEART
and
CIRCULATION
VCO2
MUSCLE
MITOCONDRIA
VO2
[email protected]
