Alveolar gas exchange kinetics in humans during moderate and supra-maximal intensity exercise.

Questa tesi si apre con l’introduzione della definizione di cinetica del consumo di ossigeno (V’O2) e dei suoi determinanti (Capitolo I.2), a cui segue una dettagliata descrizione dei cambiamenti che tale cinetica subisce a differenti intensità di esercizio (Capitolo I.3). Il quarto capitolo è, invece, dedicato all’analisi dei principali risultati presenti in letteratura inerenti alla risposta della gittata cardiaca e dell’estrazione muscolare periferica in corso d’esercizio, allo scopo di dare una visione il più possibile completa ed integrata dei meccanismi centrali e periferici che sottendono al trasporto e all’utilizzazione dell’ossigeno quale fonte energetica per il sostegno della contrazione muscolare. Dopo questa introduzione di carattere generale, il Capitolo II presenta i risultati di uno studio condotto su un gruppo di giovani adulti a seguito di una campagna di bed rest (head down -6°). Lo scopo di questa indagine sperimentale è stato quello di capire se il sistema di trasporto dell’ossigeno sia o meno un fattore limitante della cinetica del consumo di ossigeno, durante esercizi di moderata intensità. A seguito del decondizionamento cardiovascolare indotto dall’allettamento, i risultati ottenuti hanno evidenziato un rallentamento della risposta del sistema di trasporto dell’O2, non accompagnata da modificazioni a carico della cinetica del V’O2. Questo dato suggerisce e conferma l’idea secondo la quale la velocità di utilizzo (o consumo) d’ossigeno a livello muscolare sia controllata principalmente da meccanismi periferici cellulari o microvascolari responsabili dell’utilizzo e/o del trasporto dell’ossigeno, piuttosto che dal trasporto sistemico di ossigeno. Infine, la terza parte della tesi propone analiticamente i risultati ottenuti dalla valutazione in parallelo della cinetica: i) del consumo di ossigeno (V’O2); ii) della gittata cardiaca (Q’), quale surrogato della cinetica del trasporto di ossigeno da parte del sistema cardiovascolare; iii) dell’estrazione di ossigeno a livello muscolare periferico (o deossigenazione muscolare, [HHb]), indagata tramite NIRS. Quattordici soggetti sono stati valutati durante l’esecuzione di esercizi ad onda quadra a carico costante, al cicloergometro, condotti ad intensità moderata (80%LT) e sovra-massimale (o severa, 120%wmax). La somministrazione di esercizi di così elevata intensità, come quella sovra-massimale, è stata volutamente scelta per creare delle condizioni sperimentali “estreme”, per merito delle quali fosse possibile approfondire la comprensione dei meccanismi che regolano e condizionano il consumo di ossigeno sistemico e muscolare. In particolare, si è tentato di valutare in queste condizioni estreme il peso rivestito dai fattori centrali e periferici nella limitazione del metabolismo ossidativo. I risultati ottenuti da questo studio hanno messo in evidenza un significativo accorciamento della Fase Principale della cinetica del consumo di ossigeno durante l’esercizio severo rispetto al moderato, nel caso i dati fossero interpolati con metodo non-lineare. Risultati contrastanti sono stati ottenuti quando i dati di consumo di ossigeno sono stati interpolati linearmente dopo trasformazione semilogaritmica. In questo caso, la costante di tempo della Fase 2 ha messo in evidenza un significativo rallentamento della cinetica del V’O2 durante esercizio sovra-massimale rispetto al moderato. Questi risultati sembrano non confermare l’ipotesi secondo la quale la cinetica del V’O2, all’inizio di un esercizio di intensità sovra-massimale, sia accelerata in funzione dell’aumento della richiesta metabolica. Questo implica inoltre che il sistema di regolazione del consumo di ossigeno non si comporti in maniera lineare nel dominio degli esercizi di intensità severa. Per quello che concerne, invece, il sistema di trasporto dell’O2, i dati sperimentali hanno riportato una velocizzazione di Q’ all’inizio dell’esercizio sovra-massimale rispetto all’esercizio moderato. Inoltre la riposta di Q’ è risultata essere più rapida di quella di V’O2 nelle medesime condizioni di esercizio severo. A livello microvascolare questo scenario si è modificato. Infatti, il tempo di ritardo della cinetica della deoxy-emoglobina all’inizio dell’esercizio è risultato essere significativamente più breve durante l’esercizio severo rispetto al moderato. La diminuzione di questo parametro indica che il rapporto tra delivery ed uptake locali di ossigeno si rompa precocemente durante esercizio sovra-massimale e suggerisce una situazione più compromessa a carico della perfusione capillare del muscolo.

In this thesis the characteristics and the physiological determinants of gas exchange kinetics in humans (Chapters I.2) during exercise performed at different intensities are illustrated and discussed on the basis of the recent data presented in the literature (Chapters I.3), including the findings regarding the dynamic responses of cardiac output and muscle oxygen extraction at the onset of exercise (Chapter I.4). After this introduction, the results obtained by investigating the possible role of systemic oxygen delivery in limiting gas exchange kinetics are summarized. To this aim, the model of the head down tilt bed rest and its consequences on cardiovascular deconditioning were exploited (Chapter II). Cardiovascular deconditioning slowed oxygen delivery response, without affecting gas exchange kinetics at the onset of exercise. The invariance of oxygen uptake kinetics after HDTBR suggests and confirms the conclusion that muscular O2 uptake during moderate intensity exercise is mainly controlled by peripheral mechanisms, rather than by the bulk O2 delivery to the muscles. Subsequently, the results obtained by evaluating in parallel pulmonary O2 uptake, cardiovascular O2 delivery, as measured with cardiac output (Q’), and muscular deoxygenation kinetics, as assessed by means of NIRS, during supra-maximal intensity and moderate intensity cycling exercises are illustrated (Chapter III). Supra-maximal exercise has been selected as a valuable tool, in these extreme exercise conditions, for examining the dynamic coupling between oxygen delivery and oxygen uptake and for inferring on the relative role of central and peripheral limitations of oxidative metabolism as a function of the exercise intensity. This study showed that the time constants of the Primary Phase of V’O2 kinetics was significantly shorter during supra-maximal than during moderate-intensity exercise when the data were fitted with a non-linear curve-fitting procedure. In contrast, the time constants of the Primary Phase of V’O2 kinetics resulted significantly larger during supra-maximal than at moderate-intensity exercise when a semilogarithmic transformation was applied to the data. The findings seem to disprove the hypothesis that Q’ kinetics at the onset of supra-maximal exercise accelerates as the metabolic power request increases. This would also imply that the system controlling O2 uptake does not behave linearly in the supra-maximal intensity domain. Concerning systemic O2 delivery, Q’ response at the beginning of supra-maximal exercise was faster than at the onset of moderate exercise and it was also faster than V’O2 kinetics at supra-maximal intensity. At the microvascular level, this scenario changed, as the delay occurring at the onset of the exercise before the increase in HHb was significantly shorter during supra-maximal than during moderate exercise. After this delay, the kinetics of muscle deoxygenation was rapid. These findings suggest that the muscular O2 consumption-to-perfusion ratio was characterised by a greater rate of change during the 120%Wmax tasks than during 80%LT exercise trials.