ERS International Congress, Madrid, 2019: highlights from the Sleep and Clinical Physiology Assembly

The 2019 European Respiratory Society (ERS) International Congress took place in Madrid, Spain, and served as a platform to find out the latest advances in respiratory diseases research. The research aims are to understand the physiology and consequences of those diseases, as well as the improvement in their diagnoses, treatments and patient care. In particular, the scientific sessions arranged by ERS Assembly 4 provided novel insights into sleep-disordered breathing and new knowledge in respiratory physiology. This article, divided by session, will summarise the most relevant studies presented at the ERS International Congress. Each section has been written by Early Career Members specialising in the different fields of this interdisciplinary assembly

Validation of Noninvasive Assessment of Pulmonary Gas Exchange in Patients with Chronic Obstructive Pulmonary Disease during Initial Exposure to High Altitude

Investigation of pulmonary gas exchange efficacy usually requires arterial blood gas analysis (aBGA) to determine arterial partial pressure of oxygen (mPaO2) and compute the Riley alveolar-to-arterial oxygen difference (A-aDO2); that is a demanding and invasive procedure. A noninvasive approach (AGM100), allowing the calculation of PaO2 (cPaO2) derived from pulse oximetry (SpO2), has been developed, but this has not been validated in a large cohort of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients. Our aim was to conduct a validation study of the AG100 in hypoxemic moderate-to-severe COPD. Concurrent measurements of cPaO2 (AGM100) and mPaO2 (EPOC, portable aBGA device) were performed in 131 moderate-to-severe COPD patients (mean ±SD FEV1: 60 ± 10% of predicted value) and low-altitude residents, becoming hypoxemic (i.e., SpO2 < 94%) during a short stay at 3100 m (Too-Ashu, Kyrgyzstan). Agreements between cPaO2 (AGM100) and mPaO2 (EPOC) and between the O2-deficit (calculated as the difference between end-tidal pressure of O2 and cPaO2 by the AGM100) and Riley A-aDO2 were assessed. Mean bias (±SD) between cPaO2 and mPaO2 was 2.0 ± 4.6 mmHg (95% Confidence Interval (CI): 1.2 to 2.8 mmHg) with 95% limits of agreement (LoA): −7.1 to 11.1 mmHg. In multivariable analysis, larger body mass index (p = 0.046), an increase in SpO2 (p < 0.001), and an increase in PaCO2-PETCO2 difference (p < 0.001) were associated with imprecision (i.e., the discrepancy between cPaO2 and mPaO2). The positive predictive value of cPaO2 to detect severe hypoxemia (i.e., PaO2 ≤ 55 mmHg) was 0.94 (95% CI: 0.87 to 0.98) with a positive likelihood ratio of 3.77 (95% CI: 1.71 to 8.33). The mean bias between O2-deficit and A-aDO2 was 6.2 ± 5.5 mmHg (95% CI: 5.3 to 7.2 mmHg; 95%LoA: −4.5 to 17.0 mmHg). AGM100 provided an accurate estimate of PaO2 in hypoxemic patients with COPD, but the precision for individual values was modest. This device is promising for noninvasive assessment of pulmonary gas exchange efficacy in COPD patients

Brain alterations associated with hypoxia and obstructive sleep apnea syndrome during exercise

Chez l'homme, l'hypoxie correspond à une inadéquation entre les besoins tissulaires et les apports en oxygène. Cet état est une caractéristique commune à l'exposition à l'altitude et au syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS), bien que celle-ci soit continue dans le premier cas et intermittente et nocturne dans le second.L'hypoxie d'altitude entraine une altération des performances cognitives et motrices. La réduction de la performance à l'exercice en altitude a longtemps été attribuée à une altération du métabolisme musculaire du fait d'une réduction de l'apport en oxygène. Les perturbations cérébrales induites par l'hypoxie pourraient également avoir un rôle majeur dans cette limitation.Le SAOS, véritable enjeu de santé publique, est associé à des troubles cognitifs pouvant ainsi influencer le fonctionnement quotidien des patients souffrant de ce syndrome et résulter en une somnolence diurne excessive, une baisse de la qualité de vie ou encore une réduction de la productivité au travail et des performances scolaires. Le fait que ces altérations cérébrales puissent influencer les capacités motrices et à l'effort des patients atteints d’apnées obstructives du sommeil reste en revanche à investiguer.Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à deux modèles d’exposition hypoxique et à leurs conséquences cérébrales et neuromusculaires. Nous avons tout d’abord étudié l'effet d'une exposition à l'hypoxie d'altitude aigue (quelques heures) et prolongée (plusieurs jours) sur la fonction neuromusculaire et ses répercussions à l'exercice chez le sujet sain. Nous avons ensuite étudié l'influence du modèle d'hypoxie intermittente associé au SAOS sur la fonction neuromusculaire et la tolérance à l'exercice de ces patients. Nous avons ainsi cherché à caractériser les altérations cérébrales à l'exercice en lien avec ce syndrome et leur réversibilité suite à un traitement en ventilation par pression positive continue.Chez le sujet sain, nous avons démontré que la performance à l'exercice impliquant une masse musculaire réduite (fléchisseurs du coude) n'était pas limitée par une fatigue centrale accrue après 1 et 5 jours d'exposition à une altitude de 4350 m. Nous avons mis en évidence que la dysfonction musculaire (force et endurance réduites) observée chez le patient SAOS est associée à un déficit d'activation supraspinal et une augmentation de l'inhibition intracorticale. De plus, nos résultats suggèrent qu'une altération de la réponse cérébrovasculaire à l'exercice puissent impacter négativement la tolérance à l'exercice des patients souffrant d'un SAOS sévère. Ces altérations neuromusculaires et cérébrovasculaires n'étaient pas corrigées après un traitement de huit semaines par ventilation nocturne en pression positive continue soulignant la nature persistante de ces altérations cérébrales.In humans, hypoxia is defined as the mismatch between tissue requirement and oxygen delivery. This condition is a common feature between high-altitude exposure and obstructive sleep apnea syndrome (OSA), although it is continuous in the first instance and intermittent and nocturnal in the second one.High-altitude exposure causes an impairment in cognitive and motor performance. The reduction in exercise performance observed under hypoxic condition has been mainly attributed to altered muscle metabolism due to impaired oxygen delivery. However, hypoxia-induced cerebral perturbations may also play a major role in exercise limitation.OSA, a major public health concern, is associated with cognitive impairment that can alter patients' daytime functioning and result in excessive daytime sleepiness, reduced quality of life and lowered work productivity and school performance. The fact that these cerebral alterations can influence motor and exercise performance in patients with obstructive sleep apnea remains to be investigated.In this thesis, we investigated two different models of hypoxic exposure and their cerebral and neuromuscular consequences. First, we assessed the effect of acute (several hours) and prolonged (several days) high-altitude exposure on the neuromuscular function and its repercussions during exercise in healthy subject. Then, we then investigated the model of intermittent hypoxia associated with OSA and its influence on the neuromuscular function and exercise tolerance in these patients. We seeked to characterize cerebral alterations during exercise associated with this syndrome and their reversibility following continuous positive airway pressure treatment.In healthy subject, we showed that exercise performance involving a small muscle mass (elbow flexors) was not limited by an exacerbated amount of central fatigue after 1 and 5 days of high-altitude exposure (4,350 m). We highlighted that muscle dysfunction (reduced strength and endurance) was associated with a supraspinal activation deficit and an increase in intracortical inhibition. Moreover, our results suggest that an alteration in cerebrovascular response during exercise may contribute to reduced exercise tolerance observed in patients with severe OSA syndrome. The neuromuscular and cerebrovascular abnormalities were not reversed following an eight-week continuous positive airway pressure treatment, highlighting the persistent nature of the cerebral alterations

Altérations cérébrales associées à l'hypoxie et au syndrome d'apnées obstructives du sommeil à l'exercice

In humans, hypoxia is defined as the mismatch between tissue requirement and oxygen delivery. This condition is a common feature between high-altitude exposure and obstructive sleep apnea syndrome (OSA), although it is continuous in the first instance and intermittent and nocturnal in the second one.High-altitude exposure causes an impairment in cognitive and motor performance. The reduction in exercise performance observed under hypoxic condition has been mainly attributed to altered muscle metabolism due to impaired oxygen delivery. However, hypoxia-induced cerebral perturbations may also play a major role in exercise limitation.OSA, a major public health concern, is associated with cognitive impairment that can alter patients' daytime functioning and result in excessive daytime sleepiness, reduced quality of life and lowered work productivity and school performance. The fact that these cerebral alterations can influence motor and exercise performance in patients with obstructive sleep apnea remains to be investigated.In this thesis, we investigated two different models of hypoxic exposure and their cerebral and neuromuscular consequences. First, we assessed the effect of acute (several hours) and prolonged (several days) high-altitude exposure on the neuromuscular function and its repercussions during exercise in healthy subject. Then, we then investigated the model of intermittent hypoxia associated with OSA and its influence on the neuromuscular function and exercise tolerance in these patients. We seeked to characterize cerebral alterations during exercise associated with this syndrome and their reversibility following continuous positive airway pressure treatment.In healthy subject, we showed that exercise performance involving a small muscle mass (elbow flexors) was not limited by an exacerbated amount of central fatigue after 1 and 5 days of high-altitude exposure (4,350 m). We highlighted that muscle dysfunction (reduced strength and endurance) was associated with a supraspinal activation deficit and an increase in intracortical inhibition. Moreover, our results suggest that an alteration in cerebrovascular response during exercise may contribute to reduced exercise tolerance observed in patients with severe OSA syndrome. The neuromuscular and cerebrovascular abnormalities were not reversed following an eight-week continuous positive airway pressure treatment, highlighting the persistent nature of the cerebral alterations.Chez l'homme, l'hypoxie correspond à une inadéquation entre les besoins tissulaires et les apports en oxygène. Cet état est une caractéristique commune à l'exposition à l'altitude et au syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS), bien que celle-ci soit continue dans le premier cas et intermittente et nocturne dans le second.L'hypoxie d'altitude entraine une altération des performances cognitives et motrices. La réduction de la performance à l'exercice en altitude a longtemps été attribuée à une altération du métabolisme musculaire du fait d'une réduction de l'apport en oxygène. Les perturbations cérébrales induites par l'hypoxie pourraient également avoir un rôle majeur dans cette limitation.Le SAOS, véritable enjeu de santé publique, est associé à des troubles cognitifs pouvant ainsi influencer le fonctionnement quotidien des patients souffrant de ce syndrome et résulter en une somnolence diurne excessive, une baisse de la qualité de vie ou encore une réduction de la productivité au travail et des performances scolaires. Le fait que ces altérations cérébrales puissent influencer les capacités motrices et à l'effort des patients atteints d’apnées obstructives du sommeil reste en revanche à investiguer.Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à deux modèles d’exposition hypoxique et à leurs conséquences cérébrales et neuromusculaires. Nous avons tout d’abord étudié l'effet d'une exposition à l'hypoxie d'altitude aigue (quelques heures) et prolongée (plusieurs jours) sur la fonction neuromusculaire et ses répercussions à l'exercice chez le sujet sain. Nous avons ensuite étudié l'influence du modèle d'hypoxie intermittente associé au SAOS sur la fonction neuromusculaire et la tolérance à l'exercice de ces patients. Nous avons ainsi cherché à caractériser les altérations cérébrales à l'exercice en lien avec ce syndrome et leur réversibilité suite à un traitement en ventilation par pression positive continue.Chez le sujet sain, nous avons démontré que la performance à l'exercice impliquant une masse musculaire réduite (fléchisseurs du coude) n'était pas limitée par une fatigue centrale accrue après 1 et 5 jours d'exposition à une altitude de 4350 m. Nous avons mis en évidence que la dysfonction musculaire (force et endurance réduites) observée chez le patient SAOS est associée à un déficit d'activation supraspinal et une augmentation de l'inhibition intracorticale. De plus, nos résultats suggèrent qu'une altération de la réponse cérébrovasculaire à l'exercice puissent impacter négativement la tolérance à l'exercice des patients souffrant d'un SAOS sévère. Ces altérations neuromusculaires et cérébrovasculaires n'étaient pas corrigées après un traitement de huit semaines par ventilation nocturne en pression positive continue soulignant la nature persistante de ces altérations cérébrales

Altérations cérébrales associées à l'hypoxie et au syndrome d'apnées obstructives du sommeil à l'exercice

In humans, hypoxia is defined as the mismatch between tissue requirement and oxygen delivery. This condition is a common feature between high-altitude exposure and obstructive sleep apnea syndrome (OSA), although it is continuous in the first instance and intermittent and nocturnal in the second one.High-altitude exposure causes an impairment in cognitive and motor performance. The reduction in exercise performance observed under hypoxic condition has been mainly attributed to altered muscle metabolism due to impaired oxygen delivery. However, hypoxia-induced cerebral perturbations may also play a major role in exercise limitation.OSA, a major public health concern, is associated with cognitive impairment that can alter patients' daytime functioning and result in excessive daytime sleepiness, reduced quality of life and lowered work productivity and school performance. The fact that these cerebral alterations can influence motor and exercise performance in patients with obstructive sleep apnea remains to be investigated.In this thesis, we investigated two different models of hypoxic exposure and their cerebral and neuromuscular consequences. First, we assessed the effect of acute (several hours) and prolonged (several days) high-altitude exposure on the neuromuscular function and its repercussions during exercise in healthy subject. Then, we then investigated the model of intermittent hypoxia associated with OSA and its influence on the neuromuscular function and exercise tolerance in these patients. We seeked to characterize cerebral alterations during exercise associated with this syndrome and their reversibility following continuous positive airway pressure treatment.In healthy subject, we showed that exercise performance involving a small muscle mass (elbow flexors) was not limited by an exacerbated amount of central fatigue after 1 and 5 days of high-altitude exposure (4,350 m). We highlighted that muscle dysfunction (reduced strength and endurance) was associated with a supraspinal activation deficit and an increase in intracortical inhibition. Moreover, our results suggest that an alteration in cerebrovascular response during exercise may contribute to reduced exercise tolerance observed in patients with severe OSA syndrome. The neuromuscular and cerebrovascular abnormalities were not reversed following an eight-week continuous positive airway pressure treatment, highlighting the persistent nature of the cerebral alterations.Chez l'homme, l'hypoxie correspond à une inadéquation entre les besoins tissulaires et les apports en oxygène. Cet état est une caractéristique commune à l'exposition à l'altitude et au syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS), bien que celle-ci soit continue dans le premier cas et intermittente et nocturne dans le second.L'hypoxie d'altitude entraine une altération des performances cognitives et motrices. La réduction de la performance à l'exercice en altitude a longtemps été attribuée à une altération du métabolisme musculaire du fait d'une réduction de l'apport en oxygène. Les perturbations cérébrales induites par l'hypoxie pourraient également avoir un rôle majeur dans cette limitation.Le SAOS, véritable enjeu de santé publique, est associé à des troubles cognitifs pouvant ainsi influencer le fonctionnement quotidien des patients souffrant de ce syndrome et résulter en une somnolence diurne excessive, une baisse de la qualité de vie ou encore une réduction de la productivité au travail et des performances scolaires. Le fait que ces altérations cérébrales puissent influencer les capacités motrices et à l'effort des patients atteints d’apnées obstructives du sommeil reste en revanche à investiguer.Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à deux modèles d’exposition hypoxique et à leurs conséquences cérébrales et neuromusculaires. Nous avons tout d’abord étudié l'effet d'une exposition à l'hypoxie d'altitude aigue (quelques heures) et prolongée (plusieurs jours) sur la fonction neuromusculaire et ses répercussions à l'exercice chez le sujet sain. Nous avons ensuite étudié l'influence du modèle d'hypoxie intermittente associé au SAOS sur la fonction neuromusculaire et la tolérance à l'exercice de ces patients. Nous avons ainsi cherché à caractériser les altérations cérébrales à l'exercice en lien avec ce syndrome et leur réversibilité suite à un traitement en ventilation par pression positive continue.Chez le sujet sain, nous avons démontré que la performance à l'exercice impliquant une masse musculaire réduite (fléchisseurs du coude) n'était pas limitée par une fatigue centrale accrue après 1 et 5 jours d'exposition à une altitude de 4350 m. Nous avons mis en évidence que la dysfonction musculaire (force et endurance réduites) observée chez le patient SAOS est associée à un déficit d'activation supraspinal et une augmentation de l'inhibition intracorticale. De plus, nos résultats suggèrent qu'une altération de la réponse cérébrovasculaire à l'exercice puissent impacter négativement la tolérance à l'exercice des patients souffrant d'un SAOS sévère. Ces altérations neuromusculaires et cérébrovasculaires n'étaient pas corrigées après un traitement de huit semaines par ventilation nocturne en pression positive continue soulignant la nature persistante de ces altérations cérébrales

The Exercising Brain: An Overlooked Factor Limiting the Tolerance to Physical Exertion in Major Cardiorespiratory Diseases?

International audienceSome of the authors of this publication are also working on these related projects: Randomized controlled, double blind study on the effects of heliox in cardiopulmonary performance and in peripheral muscle oxygenation during exercise in CPOD patients View project Does cardiopulmonary exercise testing provide short-term prognostic information in advanced cystic fibrosis lung disease? View projec

The role of peripheral muscle fatigability on exercise intolerance in COPD

International audienceIntroduction: Exercise limitation in chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is multi-factorial; however, growing evidence indicates that muscle dysfunction may contribute in some patients.Areas covered: This work outlines current evidence for and against increased peripheral muscle fatigability in COPD through a comprehensive review of relevant literature available on PubMed/MEDLINE until May 2020. The authors first discuss key methodological issues relative to muscle fatigue assessment by non-volitional techniques, particularly magnetic stimulation. The authors then provide a detailed discussion of critical studies to have objectively measured skeletal muscle fatigue in individuals with COPD.Expert opinion: Current evidence indicates that localized (knee extension) and cycling exercise are associated with increased quadriceps fatigability in most COPD patients. Increased fatigability, however, has not been consistently found in response to walking, likely reflecting the tendency of 'central' respiratory constraints to overshadow potential functional impairments in the appendicular muscles in this form of exercise. Thus, addressing skeletal muscle abnormalities may be critical to translate improvements in lung mechanics (e.g., due to bronchodilator therapy) into better exercise tolerance. The positive effects of pulmonary rehabilitation on muscle fatigability are particularly encouraging and suggest a role for these measurements to test the efficacy of emerging adjunct training strategies focused on the peripheral muscles

The role of peripheral muscle fatigability on exercise intolerance in COPD

International audienceIntroduction: Exercise limitation in chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is multi-factorial; however, growing evidence indicates that muscle dysfunction may contribute in some patients.Areas covered: This work outlines current evidence for and against increased peripheral muscle fatigability in COPD through a comprehensive review of relevant literature available on PubMed/MEDLINE until May 2020. The authors first discuss key methodological issues relative to muscle fatigue assessment by non-volitional techniques, particularly magnetic stimulation. The authors then provide a detailed discussion of critical studies to have objectively measured skeletal muscle fatigue in individuals with COPD.Expert opinion: Current evidence indicates that localized (knee extension) and cycling exercise are associated with increased quadriceps fatigability in most COPD patients. Increased fatigability, however, has not been consistently found in response to walking, likely reflecting the tendency of 'central' respiratory constraints to overshadow potential functional impairments in the appendicular muscles in this form of exercise. Thus, addressing skeletal muscle abnormalities may be critical to translate improvements in lung mechanics (e.g., due to bronchodilator therapy) into better exercise tolerance. The positive effects of pulmonary rehabilitation on muscle fatigability are particularly encouraging and suggest a role for these measurements to test the efficacy of emerging adjunct training strategies focused on the peripheral muscles