Oxygenation in hypoxic conditions : impact of chemosensitivity on altitude tolerance, plasticity and improvement with end expiratory pressure

A l'éveil comme au cours du sommeil, en plaine comme en haute altitude, le maintien d'une oxygénation artérielle stable et élevée est un marqueur essentiel d'une bonne réponse physiologique de l'organisme. L'intolérance à l'altitude regroupe des pathologies graves voire fatales dont le développement est en lien direct avec le taux d'oxygénation artériel des sujets. D'autre part, en plaine, la prévalence élevée du syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) incite les chercheurs au développement de modèles d'études spécifiques, permettant d'investiguer les conséquences du principal stimulus du SAOS : l'hypoxie intermittente. La chémosensibilité pourrait avoir un impact important dans ces deux pathologies, ayant pour rôle le maintien des gaz du sang à des valeurs normales, en adaptant la ventilation aux conditions externes ou internes à l'organisme.Les objectifs de ce travail étaient de comprendre l'impact de la chémosensibilité (avec d'autres mécanismes décrits dans la littérature) sur l'oxygénation et la tolérance à l'altitude, d'étudier les effets de la résistance expiratoire sur l'amélioration de l'oxygénation, ainsi que les conséquences de l'hypoxie intermittente chronique sur la plasticité du chémoréflexe.Il en ressort que la chémosensibilité périphérique à l'hypoxie a un impact majeur sur le développement de l'intolérance à l'altitude. Cela semble en outre être un facteur prédictif de la survenue de ces pathologies. En hypoxie, une amélioration efficace de l'oxygénation a été obtenue par l'utilisation d'une résistance expiratoire calibrée à 10 cm H2O permettant l'amélioration de la diffusion alvéolo-capillaire. L'exposition à l'hypoxie intermittente chronique nocturne a provoqué une fragmentation du sommeil ainsi qu'une intensification de la chémosensibilité à l'hypoxie et à l'hypercapnie.Ainsi, une altération de la réponse des corps carotidiens à l'hypoxémie participerait au développement du mal aigu des montagnes et de ses complications, tout en facilitant sa prédiction avant ascension. L'utilisation d'une résistance expiratoire pourrait permettre de combler la désaturation exagérée retrouvée chez les sujets sensibles à l'altitude lors d'un séjour en haute montagne. Il apparaît également que la chémosensiblité périphérique et centrale (CO2 et O2) fasse preuve d'une plasticité importante en réponse à l'hypoxie intermittente nocturne chez des sujets sains.At awakening and during sleep, at sea level or in high altitude, maintaining a high level in arterial blood oxygenation is a marker for an adaptated physiological response external and internal factors.High altitude illness encompasses pathologies, that sometimes could be fatal, and which seems to be correlated with the level of arterial oxygenation in hypoxia.Secondly, at sea level and in general population, the high prevalence of obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) encourage scientists to develop new models for studying consequences of the main OSAS' stimulus: intermittent hypoxia.Chemosensitivity could play an important role in those two different diseases, with regulation of blood gases and homeostasis by controlling ventilation.Our objectives was to investigate (1) impact of chemosensitivity on blood oxygenation and tolerance to high altitude, comparatively to other physiological factors commonly involved, (2) effects of using positive expiratory pressure in order to improve oxygenation in hypoxia, and (3) consequences of chronic exposure to nocturnal intermittent hypoxia on chemoreflexe plasticity.We found that peripheral chemoresponse to hypoxia play a crucial role in high altitude illness development. Moreover, this variable seems to be a predictive factor for those diseases. In hypoxic conditions, using a positive expiratory pressure (10 cmH2O) lead to a significant improve in arterial oxygenation, by increasing pulmonary diffusion. Finally, nocturnal intermittent hypoxia induced significant sleep disturbances and major changes in chemoresponse to hypoxia and hypercapnia

Oxygénation en conditions hypoxiques : rôle de la chémosensibilité sur la tolérance à l'altitude, plasticité et amélioration par pression positive expiratoire

At awakening and during sleep, at sea level or in high altitude, maintaining a high level in arterial blood oxygenation is a marker for an adaptated physiological response external and internal factors.High altitude illness encompasses pathologies, that sometimes could be fatal, and which seems to be correlated with the level of arterial oxygenation in hypoxia.Secondly, at sea level and in general population, the high prevalence of obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) encourage scientists to develop new models for studying consequences of the main OSAS' stimulus: intermittent hypoxia.Chemosensitivity could play an important role in those two different diseases, with regulation of blood gases and homeostasis by controlling ventilation.Our objectives was to investigate (1) impact of chemosensitivity on blood oxygenation and tolerance to high altitude, comparatively to other physiological factors commonly involved, (2) effects of using positive expiratory pressure in order to improve oxygenation in hypoxia, and (3) consequences of chronic exposure to nocturnal intermittent hypoxia on chemoreflexe plasticity.We found that peripheral chemoresponse to hypoxia play a crucial role in high altitude illness development. Moreover, this variable seems to be a predictive factor for those diseases. In hypoxic conditions, using a positive expiratory pressure (10 cmH2O) lead to a significant improve in arterial oxygenation, by increasing pulmonary diffusion. Finally, nocturnal intermittent hypoxia induced significant sleep disturbances and major changes in chemoresponse to hypoxia and hypercapnia.A l'éveil comme au cours du sommeil, en plaine comme en haute altitude, le maintien d'une oxygénation artérielle stable et élevée est un marqueur essentiel d'une bonne réponse physiologique de l'organisme. L'intolérance à l'altitude regroupe des pathologies graves voire fatales dont le développement est en lien direct avec le taux d'oxygénation artériel des sujets. D'autre part, en plaine, la prévalence élevée du syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) incite les chercheurs au développement de modèles d'études spécifiques, permettant d'investiguer les conséquences du principal stimulus du SAOS : l'hypoxie intermittente. La chémosensibilité pourrait avoir un impact important dans ces deux pathologies, ayant pour rôle le maintien des gaz du sang à des valeurs normales, en adaptant la ventilation aux conditions externes ou internes à l'organisme.Les objectifs de ce travail étaient de comprendre l'impact de la chémosensibilité (avec d'autres mécanismes décrits dans la littérature) sur l'oxygénation et la tolérance à l'altitude, d'étudier les effets de la résistance expiratoire sur l'amélioration de l'oxygénation, ainsi que les conséquences de l'hypoxie intermittente chronique sur la plasticité du chémoréflexe.Il en ressort que la chémosensibilité périphérique à l'hypoxie a un impact majeur sur le développement de l'intolérance à l'altitude. Cela semble en outre être un facteur prédictif de la survenue de ces pathologies. En hypoxie, une amélioration efficace de l'oxygénation a été obtenue par l'utilisation d'une résistance expiratoire calibrée à 10 cm H2O permettant l'amélioration de la diffusion alvéolo-capillaire. L'exposition à l'hypoxie intermittente chronique nocturne a provoqué une fragmentation du sommeil ainsi qu'une intensification de la chémosensibilité à l'hypoxie et à l'hypercapnie.Ainsi, une altération de la réponse des corps carotidiens à l'hypoxémie participerait au développement du mal aigu des montagnes et de ses complications, tout en facilitant sa prédiction avant ascension. L'utilisation d'une résistance expiratoire pourrait permettre de combler la désaturation exagérée retrouvée chez les sujets sensibles à l'altitude lors d'un séjour en haute montagne. Il apparaît également que la chémosensiblité périphérique et centrale (CO2 et O2) fasse preuve d'une plasticité importante en réponse à l'hypoxie intermittente nocturne chez des sujets sains

Positive expiratory pressure improves oxygenation in healthy subjects exposed to hypoxia.

INTRODUCTION: Positive end-expiratory pressure (PEEP) is commonly used in critical care medicine to improve gas exchange. Altitude sickness is associated with exaggerated reduction in arterial oxygenation. We assessed the effect of PEEP and pursed lips breathing (PLB) on arterial and tissue oxygenation under normobaric and hypobaric hypoxic conditions. METHODS: Sixteen healthy volunteers were exposed to acute normobaric hypoxia (Laboratory study, FiO₂=0.12). The protocol consisted in 3-min phases with PEEPs of 0, 5 or 10 cmH₂O, PLB or similar ventilation than with PEEP-10, interspaced with 3-min phases of free breathing. Arterial (pulse oximetry) and quadriceps (near-infrared spectroscopy) oxygenation, ventilation, cardiac function, esophageal and gastric pressures and subjects' subjective perceptions were recorded continuously. In addition, the effect of PEEP on arterial oxygenation was tested at 4,350 m of altitude in 9 volunteers breathing for 20 min with PEEP-10 (Field study). RESULTS: During the laboratory study, PEEP-10 increased arterial and quadriceps oxygenation (arterial oxygen saturation +5.6±5.0% and quadriceps oxyhemoglobin +58±73 µmol.cm compared to free breathing; p<0.05). Conversely, PLB did not increase oxygenation. Oxygenation improvement with PEEP-10 was accompanied by an increase in expiratory esophageal and gastric pressures (esophageal pressure swing +5.4±3.2 cmH₂O, p<0.05) but no change in minute ventilation, breathing pattern, end-tidal CO₂ or cardiac function (all p>0.05) compared to PEEP-0. During the field study, PEEP-10 increased arterial oxygen saturation by +6.7±6.0% after the 3(rd) minute with PEEP-10 without further significant increase until the 20(th) minute with PEEP-10. Subjects did not report any significant discomfort with PEEP. CONCLUSIONS: These data indicate that 10-cmH₂O PEEP significantly improves arterial and muscle oxygenation under both normobaric and hypobaric hypoxic conditions in healthy subjects. PEEP-10 could be an attractive non-pharmacological tool to limit blood oxygen desaturation and possibly symptoms at altitude

Arterial blood oxygen saturation (S_pO₂) in all experimental conditions.

<p>FB, free breathing with no PEEP device; PEEP-0/5/10, Positive end expiratory pressure at 0, 5 and 10 cmH₂O; T10, same ventilatory level as measured in PEEP-10 condition but without PEEP device; PLB, pursed lips breathing. * significant difference between two conditions (* p < 0.05, **, p < 0.01, *** p < 0.001).</p

Changes in quadriceps oxyhemoglobin concentration (O₂Hb, expressed as delta from the free breathing condition immediately before) in all experimental conditions.

<p>See <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0085219#pone-0085219-g001" target="_blank">Figure 1</a> for abbreviations. * significant difference between two conditions (*p < 0.05, **p < 0.01).</p

Expiratory esophageal and gastric pressure swing (P_es min-max and P_ga min-max) in all experimental conditions.

<p>See <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0085219#pone-0085219-g001" target="_blank">Figure 1</a> for abbreviations. * significant difference between two conditions (*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001).</p

Arterial oxygen saturation (SpO₂) during free breathing (FB) and during 20 min of PEEP-10 breathing at 4,350m of altitude.

<p>* significantly different compared to FB (*** p < 0.001). </p

Minute ventilation in all experimental conditions.

<p>See <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0085219#pone-0085219-g001" target="_blank">Figure 1</a> for abbreviations. * significant difference between two conditions (p < 0.05).</p