Relief of exertional breathlessness following bariatric surgery for severe obesity: Physiological mechanisms

Purpose: Obese adults are two-to-four times more likely to experience physical activity-limiting breathlessness than their normal weight counterparts. Despite the high prevalence of breathlessness in obesity, researchers and healthcare providers have a limited understanding of the physiological mechanisms of breathlessness on exertion in obesity. Therefore, the aim of this study was to advance the understanding of the physiological mechanisms of exertional breathlessness in obesity by examining the effects of extreme weight loss through bariatric surgery for class III obesity (BMI>40 kg/m2) on physiological and breathlessness responses during cardiopulmonary cycle exercise testing. We hypothesized that relief of exertional breathlessness following bariatric surgery would be primarily related to the reduced metabolic and ventilatory requirements of exercise, while changes in static and dynamic respiratory mechanics would be less important.Methods: We compared cardiac, metabolic, ventilatory, breathing pattern, operating lung volume and breathlessness responses to symptom-limited incremental CPET (25-watts/2-min) in 6 obese adults (3 women) aged 43.7±2.8 years (mean±SEM) before (PRE) and 3-months after bariatric surgery (POST). Pulmonary function test and body composition parameters were also compared PRE and POST.Results: Compared with PRE, body mass, BMI, fat mass and lean body mass decreased by an average of 23.8 kg (129.4±6.2 vs.105.6±5.8 kg), 8.7 kg/m2 (47.1±1.6 vs. 38.4±1.6 kg/m2), 18.5 kg (61.6±4.6 vs. 43.1±4.8 kg) and 4.4 kg (62.2±4.1 vs. 57.8±4.6 kg) in POST, respectively (all p<0.05). Peak power output was not significantly different in POST vs. PRE: 154±21 vs. 133±11 watts (p=0.185). With few exceptions, heart rate, the rate of oxygen uptake, the rate of carbon dioxide production and minute ventilation (V̇E) were lower during exercise in POST vs. PRE. The reduced V̇E response to exercise in POST vs. PRE reflected adoption of a relatively slower (less tachypneic) breathing pattern. Inspiratory capacity (IC) decreased by 0.13 L from rest-to-peak exercise in PRE, reflecting dynamic lung hyperinflation. In contrast, IC increased by 0.21 L from rest-to-peak exercise in POST (p=0.034 vs. PRE). Inspiratory reserve volume (expressed as a percentage of forced vital capacity [IRV%FVC]) was lower at any given V̇E during exercise in POST vs. PRE. Clinically-meaningful decreases in intensity ratings of breathlessness were observed during exercise at standardized submaximal power outputs ≥75 watts in POST vs. PRE; for example, by 1.0 and 1.4 Borg 0-10 scale units at 75-watts (p<0.05) and at the highest equivalent power output of 117-watts (p<0.08). However, these differences did not persist when breathlessness was examined in relation to V̇E. Breathlessness-IRV%FVC curves were rightward shifted during exercise in POST vs. PRE, such that breathlessness intensity ratings were lower at any given IRV%FVC during exercise in POST vs. PRE.Conclusion: Relief of exertional breathlessness following extreme weight loss via bariatric surgery for class III obesity could not be explained by improved breathing mechanics but was mechanistically linked to the reduced metabolic and ventilatory requirements of exercise.Objectifs: Les adultes obèses sont deux à quatre fois plus susceptibles de subir de l'essoufflement qui pourrait limiter leur activité physique comparé à des individus de poids normal. La compréhension des mécanismes physiologiques sur cet essoufflement parmi les chercheurs et professionnels de santé demeurent toutefois limitées. Donc, le but de cette étude était de mieux comprendre les mécanismes physiologiques de l'essoufflement chez les individus obèses en examinant les effets de la perte de poids extrême à la suite d'une intervention de chirurgie bariatrique pour l'obésité de classe III (IMC ≥ 40 kg/m2). À cet effet, nous avons évalué les responses physiologiques et l'essoufflement lors d'un test d'exercice cardio-pulmonaire à base de cycloergomètre. Nous postulons que le soulagement de l'essoufflement à l'effort à la suite d'une chirurgie bariatrique serait principalement lié à la réduction des besoins métabolique et ventilatoires durant l'exercice, tandis que les changements de mécanismes respiratoires statique et dynamique seraient moins important. Méthodologie: Nous avons comparé les paramètres cardiaques, métaboliques, le schéma respiratoire, les volumes pulmonaires ainsi que le taux d'essoufflement atteint à la limite symptomatique lors d'un test d'exercice à intensité progressive sur une bicyclette ergométrique (25 watts/2 min) avec 6 adultes obèses (3 femmes) âgés de 43,7±2,8 ans (moyenne ± SEM) avant (PRÉ) et 3 mois après la chirurgie bariatrique (POST). Les tests de fonction pulmonaire et les paramètres de composition corporelle ont également été évalués PRÉ-POST.Résultats: Par rapport au PRÉ, la masse corporelle, l'IMC, la masse grasse et la masse maigre ont diminué en moyenne de 23,8 kg (129,4 ± 6,2 vs 105,6 ± 5,8 kg), 8,7 kg / m2 (47,1 ± 1,6 vs 38,4 ± 1,6 kg / m2), 18,5 kg (61,6 ± 4,6 vs 43,1 ± 4,8 kg) et 4,4 kg (62,2 ± 4,1 vs 57,8 ± 4,6 kg) dans le POST, respectivement (tous p <0,05). La puissance de sortie maximale n'était pas significativement différente entre le POST et PRÉ: 154 ± 21 vs 133 ± 11 watts (p = 0,185). En dehors de quelques exceptions, la fréquence cardiaque, le taux d'absorption d'oxygène, le taux de production de dioxyde de carbone et la ventilation (V̇E) étaient plus faibles pendant l'exercice durant le POST comparativement au PRÉ. La réduction de la réponse V̇E durant l'exercice dans le POST par rapport au PRÉ reflète l'utilisation d'un schéma respiratoire relativement plus lent (moins de tachypnée). Le fait que la capacité inspiratoire (CI) entre les exercices de repos et les exercices de pointe a diminué de 0,13 L révèle une hyperinflation pulmonaire dynamique. En revanche, la CI a augmenté de 0,21 litre lors de l'exercice de repos à l'exercice maximale dans le POST (p = 0,034 vs PRÉ). Le volume de réserve inspiratoire (exprimé en pourcentage de la capacité vitale forcée [% CVF]) était plus faible à toute mesure de V̇E durant l'exercice dans le POST vs PRÉ. Des diminutions cliniquement significatives sur l'intensité de l'essoufflement ont été observées pendant l'exercice à des puissances de sortie sous-maximales normalisées ≥75 watts en POST vs PRÉ; par exemple, par 1,0 et 1,4 unités d'échelle Borg 0-10 à 75 watts (p <0,05) et à la puissance de sortie équivalente la plus élevée de 117 watts (p <0,08). Cependant, ces différences n'ont pas persisté lorsque l'essoufflement a été examiné par rapport à la V̇E. Les courbes associées à l'essoufflement et IRV%CVF ont été décalées vers la droite pendant l'exercice dans POST vs. PRÉ, de telle sorte que les taux d'intensité d'essoufflement étaient plus faibles à tout IRV% de CVF pendant l'exercice du POST comparativement au PRÉ.Conclusion: Le soulagement de l'essoufflement à l'effort après une perte de poids extrême par chirurgie bariatrique pour l'obésité de classe III ne pouvait être expliquer par une amélioration des mécanismes pulmonaires, mais était plutôt lié à une réduction d'exigences métaboliques et ventilatoires durant l'exercice

Effect of Inhaled Nebulized Furosemide (40 and 120 mg) on Breathlessness during Exercise in the Presence of External Thoracic Restriction in Healthy Men

Inhalation of nebulized furosemide has been shown to alleviate breathlessness provoked experimentally in health and disease; however, it remains unclear whether the efficacy of nebulized furosemide on breathlessness is dose-dependent. We tested the hypothesis that inhaled nebulized furosemide would be associated with a dose-dependent relief of breathlessness during exercise testing in the setting of abnormal restrictive constraints on tidal volume (VT) expansion. In a randomized, double-blind, crossover study, 24 healthy men aged 25.3 ± 1.2 years (mean ± SE) completed a symptom-limited constant-load cycle endurance exercise test in the setting of external thoracic restriction via chest wall strapping to reduce vital capacity by ~20% following single-dose inhalation nebulized furosemide (40 and 120 mg) and 0.9% saline. Compared with 0.9% saline, neither 40 nor 120 mg of inhaled nebulized furosemide had an effect on ratings of perceived breathlessness during exercise or an effect on cardiometabolic, ventilatory, breathing pattern, or dynamic operating lung volume responses during exercise. Urine production rate, the percentage of participants reporting an “urge to urinate” and the intensity of perceived “urge to urinate” were all significantly greater after inhaling the 120 mg furosemide solution compared with both 0.9% saline and 40 mg furosemide solutions. We concluded that, under the experimental conditions of this study, inhalation of nebulized furosemide at doses of 40 and 120 mg did not alleviate breathlessness during exercise in healthy men