Cardiodynamic oxygen uptake at the onset of exercise: role of the respiratory pump


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PhD thesis: a PhD thesis.
Cardiodynamic oxygen uptake at the onset of exercise: role of the respiratory pump
STUCKY Frédéric
Kayser Bengt
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Issued date
The rate at which oxygen uptake increases at the onset of exercise (V̇O2-on kinetics) is a marker of exercise performance and tolerance, and is partly determined by rapid cardiovascular adjustments during the early phase of the transient (“cardiodynamic phase”, Φ1). Individuals with reduced ability to accelerate cardiac O2 transport to the working muscles demonstrate slow V̇O2-on kinetics, which is linked to poor exercise tolerance. Voluntary respiratory maneuvers
are known to increase venous return and could therefore improve the cardiovascular response to exercise and speed up V̇O2-on kinetics. This thesis reports and discusses results obtained in a set of experiments designed to gain further insights into the relationship between respiratory mechanics, cardiac function and pulmonary V̇O2 during Φ1 in healthy subjects. The main findings are as follows: 1) a sudden increase in venous return resulting from the application of lower body positive pressure produces an increase in pulmonary blood flow, in turn resulting in greater transient pulmonary O2 transfer; 2) performing respiratory maneuvers to increase intra-abdominal (“abdominal breathing”, AB) or intra-thoracic (“rib cage breathing”, RC) pressure swings facilitate venous return and increase right and left ventricular cardiac output;
3) “deep breathing” (DB) maneuvers combining the mechanics of AB and RC produce similar cardiovascular effects; 4) AB and RC performed from the onset of exercise increase alveolar O2 transfer during Φ1, and 5) a 1-min bout of DB prior to exercise onset partly abolishes the rise in V̇O2 during Φ1 by preemptively increasing pulmonary blood flow. Collectively, these
findings provide new mechanistic insights into the relationship between early cardiovascular adjustments and the V̇O2 response at exercise onset. They further support the concept that respiratory maneuvers can modulate venous return, pulmonary blood flow and thus alveolar O2 transfer in advance of exercise onset, which provides a solid framework for the evaluation of this low cost, low risk technique to improve exercise capacity in patients with impaired cardiac function. Further studies are needed to determine whether these results can be replicated in this population and if such intervention can improve V̇O2-on kinetics and exercise tolerance.
La réponse cardiovasculaire quasi-immédiate dans les premières secondes d’exercice (phase
« cardiodynamique », Φ1) participe à une cinétique de consommation d’oxygène (V̇O2) rapide grâce à un transport adéquat d’O2 vers la circulation périphérique. Les pathologies réduisant la capacité à accélérer le transport cardiovasculaire d’O2 ralentissent la cinétique de V̇O2, et sont liées à une faible tolérance à l’effort. Certaines manœuvres respiratoires facilitant le retour veineux pourraient contribuer à accélérer la réponse cardiovasculaire et améliorer ainsi la cinétique de V̇O2 dans cette population. Cette thèse présente et discute les résultats d’une série d’expérimentations visant à approfondir la compréhension des liens entre la mécanique respiratoire, la fonction cardiaque et l’échange d’oxygène au niveau pulmonaire au cours de Φ1. Les observations principales sont : 1) une augmentation soudaine du retour veineux produit
une augmentation du flux sanguin pulmonaire, donnant lieu à un transfert d’O2 supérieur au niveau pulmonaire ; 2) les manœuvres respiratoires visant à augmenter l’amplitude de la pression intra-abdominale (« respiration abdominale », AB) ou intra-thoracique (« respiration thoracique », RC) au cours du cycle respiratoire facilitent le retour veineux et augmentent le débit cardiaque du ventricule droit et gauche ; 3) les manœuvres de respiration profonde (DB) qui combinent les mécaniques de RC et AB produisent des effets cardiovasculaires similaires ;
4) AB et RC effectués au début de l’exercice produisent une augmentation du transfert d’O2 alvéolaire pendant Φ1 et 5) DB effectué pendant une minute immédiatement avant le début de l’exercice élimine partiellement l’augmentation de V̇O2 normalement observée durant Φ1 grâce à une augmentation préalable du flux sanguin pulmonaire. Ces observations sur le lien entre réponse cardiovasculaire et cinétique de V̇O2 au début de l’exercice confirment le bénéfice potentiel de l’utilisation de manœuvres respiratoires pour améliorer le retour veineux et le transport d’O2 au début de l’exercice. Des investigations supplémentaires sont dès lors nécessaires afin de confirmer ces résultats chez des patients souffrant de dysfonctions cardiovasculaires et observer une éventuelle amélioration de la cinétique de V̇O2 et de la tolérance à l’exercice.
Create date
02/12/2021 9:13
Last modification date
19/01/2022 10:02
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