Laboratorio per lo studio della fisiopatologia dell'esercizio

Il Laboratorio per lo Studio della Fisiopatologia dell’Esercizio, unità funzionale della Divisione di Cardiologia Riabilitativa, nasce con l’obiettivo di studiare i determinanti fisiopatologici della ridotta tolleranza allo sforzo, quadro clinico comune a molteplici patologie sia cardiache che extra-cardiache e gravato da pesanti ricadute assistenziali e sociali. A questo scopo, il Laboratorio applica le metodiche di valutazione funzionale comunemente utilizzate nella pratica clinica e contribuisce allo sviluppo di nuovi test valutativi. Inoltre, il Laboratorio conduce protocolli di ricerca clinica nel campo della fisiologia e della fisiopatologia dell’esercizio, sviluppati autonomamente o in collaborazione con altre Istituzioni nazionali e internazionali. La popolazione di riferimento per l’attività valutativa e di ricerca è quella dei pazienti con scompenso cardiaco cronico, anche se qualsiasi patologia in ambito cardiologico, pneumologico e neurologico determinante una riduzione della tolleranza allo sforzo è considerata d’interesse.
Nel 2016 sono stati eseguiti 1351 esami, di cui 928 test ergometrici al cicloergometro, 39 test ergometrici al tappeto ruotante, 133 test ergometrici cardiopolmonari al cicloergometro e 1251 walking test di 6 minuti. Le indicazioni all’esecuzione degli esami comprendono la valutazione diagnostica di ischemica miocardica in soggetti senza cardiopatia accertata o cardiopatici noti, la stratificazione prognostica dei pazienti con scompenso cardiaco cronico e la valutazione della capacità funzionale nei pazienti sia cardiopatici che con patologie extracardiache da avviare alla ripresa delle abituali attività lavorative e del tempo libero e/o a training domiciliare, oltre alla ricerca clinica. Le prestazioni vengono effettuate sia per i pazienti ricoverati nelle varie Divisioni del nostro Istituto che per esterni in regime di convenzione. Il personale del Laboratorio gestisce l’archiviazione dei risultati degli esami nel Sistema Informatico Ospedaliero e in file specifici dedicati alla ricerca e collabora alla realizzazione di protocolli di ricerca sia d’Istituto che multicentrici a livello nazionale e internazionale.

 

Attività di Ricerca


L’attività di ricerca del Laboratorio riguarda varie popolazioni di pazienti cardiopatici e non cardiopatici. Nei pazienti con scompenso cardiaco cronico è stato determinato il limite superiore dell’intensità dell’esercizio aerobico prolungato (‘potenza critica’), e sono state fornite informazioni importanti per la prescrizione dell’allenamento aerobico nella pratica clinica. Sulla base di questa esperienza  è stata ideata e coordinata la stesura del primo documento congiunto di European Association for Cardiovascular Prevention and Rehabilitation, American Association of Cardiovascular and Pulmonary Rehabilitation e Canadian Association of Cardiac Rehabilitation sulla prescrizione dell’esercizio aerobico in ambito cardiologico (‘Aerobic exercise intensity assessment and prescription in cardiac rehabilitation: a joint position statement of the European Association for Cardiovascular Prevention and Rehabilitation, the American Association of Cardiovascular and Pulmonary Rehabilitation and the Canadian Association of Cardiac Rehabilitation’), pubblicato nel 2013 sulle riviste ufficiali delle 3 Associazioni. Inoltre, si è partecipato alla stesura di un altro importante documento congiunto con l’American Heart Association dal titolo “EACPR/AHA Scientific Statement. Clinical recommendations for cardiopulmonary exercise testing data assessment in specific patient populations”, che pone le basi per un uso mirato del test ergometrico cardiopolmonare in specifiche popolazioni di pazienti con patologie cardiache ed extra-cardiache, sfruttandone appieno le potenzialità valutative e prognostiche. Ancora, nei pazienti con scompenso cardiaco cronico portatori di LVAD si è valutato mediante emogasanalisi in esercizio il rapporto ventilazione/perfusione durante sforzo incrementale, evidenziando il ruolo svolto dal ventricolo destro nella risposta emodinamica all’esercizio e fornendo informazioni di rilievo per la futura progettazione di device capaci di adeguare la velocità della pompa alle variazioni del fabbisogno energetico in esercizio. Ancora, è stato avviato un protocollo per la valutazione dell’ischemia miocardica inducibile mediante analisi degli scambi gassosi in esercizio in collaborazione con l’University Institute for Cardiovascular Diseases del Clinical Center of Serbia di Belgrado, Serbia. L’attività di ricerca è stata infine estesa alla valutazione e allo studio della fisiopatologia dell’esercizio dei pazienti neurologici affetti da sclerosi laterale amiotrofica a da morbo di Parkinson. In particolare, in collaborazione con la Divisione di Neurologia Riabilitativa del nostro Istituto, sono stati progettati e conclusi due protocolli di allenamento aerobico dei pazienti con sclerosi laterale amiotrofica e morbo di Parkinson, volti a valutare gli effetti di tale intervento sui molteplici aspetti clinico-funzionali caratteristici di queste due popolazioni.

 

Metodiche messe a punto


In collaborazione con il Servizio di Bioingegneria dell’Istituto Scientifico di Veruno, il Laboratorio ha sviluppato il software “On-kinetics”, dedicato all’analisi della cinetica on di parametri fisiologici (VO2, frequenza cardiaca, polso d’ossigeno, ecc.) durante esercizio a carico costante d’intensità moderata. Il software permette di acquisire i dati respiro per respiro dai sistemi di analisi dei gas respiratori disponibili in commercio, di ricampionarli secondo i criteri utilizzati in letteratura, di allineare al tempo zero della fase d’esercizio i dati ottenuti da prove multiple ripetute allo stesso carico e di mediarne i valori, allo scopo di ridurre la variabilità biologica del segnale e di permetterne una miglior analisi. Il software può inoltre effettuare un fitting esponenziale dei dati su finestre temporali scelte dall’operatore, fornendo automaticamente i dati matematici utili per la descrizione del comportamento della variabile valutata (costante di tempo, time delay, valore allo stadio stazionario, ecc.).
Ancora, la collaborazione con il Servizio di Bioingegneria del nostro Istituto ha permesso la realizzazione del software “Reply”, che riproduce off-line su video l’andamento dei parametri ergospirometrici durante test ergometrico cardiopolmonare. Il programma consente di acquisire i dati respiro per respiro relativi a una o più prove svolte in Laboratorio, e quindi di mettere in relazione in un sistema di assi cartesiani la maggior parte dei parametri ergospirometrici rilevati (tempo, Watt, frequenza cardiaca, VO2, VCO2, ventilazione, polso d’O2, volume corrente, frequenza respiratoria, VE/VO2, VE/VCO2, ecc.) e di osservarne il comportamento nel corso della prova. Il software fornisce la possibilità di osservare l’andamento dei dati a varie velocità, di plottarli con diverse scale di grandezza e di posizionare dei marker in punti ritenuti d’interesse. Le immagini generate dal programma sono esportabili in PowerPoint dove mantengono le caratteristiche di animazione e di gestione dei dati sopra descritte, fornendo così uno strumento prezioso dal punto di vista illustrativo e didattico per la diffusione e la condivisione dei dati ottenibili con il test ergometrico cardiopolmonare.

 

Collaborazioni

  • Struttura Complessa di Cardiochirurgia, Azienda Ospedaliero-Universitaria San Giovanni Battista, Torino;

  • Cattedra di Fisiologia, Dipartimento di Scienze Mediche e Biologiche, Facoltà di Medicina e Chirurgia, Università degli Studi di Udine, Udine;

  • Istituto di Bioimmagini e Fisiologia Molecolare, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Segrate (MI);

  • Dipartimento di Malattie Neuromuscolari, Istituto Neurologico Carlo Besta, Milano;

  • Centro per le Cardiopatie Congenite Pediatriche e nell’Adulto, IRCCS Policlinico San Donato, San Donato Milanese (MI);

  • Laboratório de Insuficiência Cardíaca e Transplante, Instituto do Coração Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da USP (InCor HC-FMUSP), São Paulo, Brazil;

  • University Institute for Cardiovascular Diseases, Department for Diagnostic and Catheterization Laboratories, Clinical Center of Serbia, Belgrade, Serbia;

  • Department of Angiology and Cardiology, Kitasato University Graduate School of Medical Sciences, Sagamihara, Japan;

  • School of Sport and Health Sciences, University of Exeter, Exeter, Devon, United Kingdom.

 

Progetti di Ricerca in corso e in programmazione

  • exercise gas exchanges in continuous-flow left ventricular assist device recipients;
  • exercise training in amyotrophic lateral sclerosis: a randomized trial comparing home-based aerobic endurance training vs. usual physical therapy intervention;
  • early-start exercise training after acute hemodynamic decompensation in patients with chronic heart failure (re-start). a multicenter, randomized, controlled trial on short-term feasibility and impact on functional capacity, symptoms and neurohumoral activation;
  • different determinants of ventilatory inefficiency at different stages of reduced ejection fraction chronic heart failure natural history,
  • use of exercise gas exchanges for inducible myocardial ischemia detection in coronary artery disease patients: clinical and pathophysiological correlates with exercise stress echocardiography.

 

Attività Educazionale


Il Laboratorio organizza presso il nostro Istituto un corso annuale inserito nel piano formativo dell’European Society of Cardiology/European Association for Cardiovascular Prevention and Rehabilitation dal titolo ‘Training Course on the Use of Cardiopulmonary Exercise Testing in Cardiology’, la cui quinta edizione si è tenuta nel Novembre 2015 con 16 iscritti provenienti da 3 continenti. 
Il Laboratorio ospita inoltre nel corso dell’anno svariate figure professionali di provenienza nazionale e internazionale (medici specializzandi o specialisti in Cardiologia, laureandi in Scienze Motorie o in Fisioterapia, dottorandi o dottori di ricerca) per periodi di internato a scopo di aggiornamento e/o di supervisione per tesi di Laurea, Specializzazione o Dottorato.


Pubblicazioni

  • Mezzani A, Guazzi M. Balancing the evidence on the cardiovascular determinants of oxygen uptake improvement after endurance training in the elderly: What are the next steps? Eur J Prev Cardiol 2015 Dec 7. pii: 2047487315622093. [Epub ahead of print]
  • Arcolin I, Pisano F, Delconte C, Godi M, Schieppati M, Mezzani A, Picco D, Grasso M, Nardone A. Intensive cycle ergometer training improves gait speed and endurance in patients with Parkinson's disease: A comparison with treadmill training. Restor Neurol Neurosci. 2015; 34: 125-138.
  • Mezzani A, Giordano A, Komici K, Corrà U. Different Determinants of Ventilatory Inefficiency at Different Stages of Reduced Ejection Fraction Chronic Heart Failure Natural History. J Am Heart Assoc. 2017 May 9;6(5).
  • Komici K, Vitale DF, Leosco D, Mancini A, Corbi G, Bencivenga L, Mezzani A, Trimarco B, Morisco C, Ferrara N, Rengo G. Pressure injuries in elderly with acute myocardial infarction. Clin Interv Aging. 2017 Sep 19;12:1495-1501.
  • Mezzani A., Butera G., Chessa M., Micheletti A., Calaciura R., Carminati M. Short term cardiopulmonary efficiency improvement after transcatheter baffle leak closure in a mustard-operated patient J Cardiovasc Med (Hagerstown). 2017 Jun;18(6):447-449.