Effects of respiratory muscle endurance training and unloading by normoxic HE-O2 breathing on exercise in obese adolescents

Obesity is defined as an excessive accumulation of fat that causes a generalized increase in body mass. Although its etiology is not completely understood, it is agreed that obesity results from the chronic imbalance between energy intake and energy expenditure. Obesity has become a serious public health concern affecting a significant portion of the population and is the most important health challenges of the 21st century.These obese individuals are at an increased risk of morbidity and mortality from conditions such as diabetes, heart disease, hypertension, sleep-disordered breathing and some forms of cancer.Among its wide range of adverse effects, obesity has been shown to impact on respiratory function, exercise tolerance, pulmonary gas exchange, respiratory pattern, and strength and endurance of the respiratory muscles.The topic has been studied for at least the last half century, and some clear patterns have emerged: obese patients tend to have higher respiratory rates and lower tidal volumes. Total respiratory system compliance is reduced for a variety of reasons. A decrease in chest wall compliance (Cw) would overload the respiratory muscles by increasing the respiratory effort to displace the chest wall in obese subjects. Lung volumes tend to be reduced, especially the expiratory reserve volume. The increase in the work of breathing could result from work done to overcome reduction in chest wall compliance, or work performed to overcome airways and lung tissues resistance. In addition, considerable energy may be spent due to an inefficiency of respiratory muscles.However, whether these patho-physiological changes in respiratory function and symptoms influence exercise performance in the obese is yet to be fully determined. The response in operational lung volumes at end-expiration (EEVL) and end-inspiration (EIVL) during exercise, is determined by both respiratory mechanics and respiratory muscle recruitment and, for this reason, it is very important in order to investigate the impact of respiratory muscles on exercise dyspnea in patients suffering of lung diseases or obese. Opto-electronic Plethysmography allows continuous measurement of the volume of the total chest wall, split into pulmonary rib cage, abdominal rib cage and abdomen, from which lung volume variations coul be estimated. While the impact of obesity on respiratory function at rest has been extensively studied, its impact on exercise performance and on the response in operational lung volumes is complex, with the available data sometimes providing contradictory information.Although physical activity and exercise are important components in the prevention and treatment of obesity, many obese adults without coexisting disorders are unable to exercise due to dyspnea on exertion. As a result they do not engage in regular physical activity. Therefore, exertional dyspnea in obese adults is also an obstacle to the prevention and treatment of obesity and coexisting comorbidities. For these reasons the impact of factors affecting exercise dyspnoea deserves further investigation in obese people and especially in obese adolescents. Increasing exercise tolerance could help to interrupt the vicious cycle of obesity - exercise intolerance – reduced level of habitual physical activity – reduced energy expenditure – increased obesity, which usually characterize the condition, and it could represent a valid adjunctive tool in the long-term treatment of obesity.Interventions such as breathing a low-density normoxic gas mixture or Respiratory Muscle Endurance Training can induce significant improvement in dyspnea and exercise capacity. The aim of this study was to investigate the response in chest wall volumes and its compartments at end-expiration and end-inspiration during exercise in obese adolescents, using Opto-electronic Plethysmography,in order to establish whether a specific breathing pattern exist for this population. On the other hand we wondered which would be the effects of unloading respiratory muscle by HeO2 and of respiratory muscle endurance training (RMET) on exercise performance in obese adolescents and, in particular, the effects of these interventions on operation lung volumes and ventilatory strategy.

L'obesità viene definita come un eccessivo accumulo di grasso che causa un aumento generalizzato del peso corporeo. Anche se la sua eziologia non è stata completamente chiarita, è riconosciuto che l'obesità deriva da uno squilibrio cronico tra calorie spese ed assimilate. L'obesità è ormai divenuta un grave problema riguardante la salute, che interessa gran parte della popolazione e rappresenta la più grande sfida in ambito sanitario del ventunesimo secolo.I soggetti obesi sono ad alto rischio di mortalità a causa di condizioni concomitanti l'obesità quali diabete, malattie cardiovascolari, ipertensione, apnee notturne e alcune forme di cancro. Tra tutti i problemi causati dall'obesità, quelli riguardanti il sistema respiratorio sono tra i più preoccupanti: tolleranza all'esercizio, scambio di gas a livello polmonare, pattern respiatori e forza e resistenza dei muscoli respiatori sono tutti aspetti riguardanti la funzione respiratoria che vengono alterati dalla condizione di obesità. Questo è argomento di interesse della comunità scientifica già da molti anni e alcune caratteristiche respiratorie specifiche di questa popolazionie sono già emerse: i pazienti obesi mostrano elevate frequenze respiratorie e volumi correnti più bassi rispetto al normale. La complianza totale del sistema respiratorio è ridotta, in particolare quella relativa alla parete toracica a causa dell'accumulo di grasso attorno alle costole, al diaframma e all'addome; ciò sembrerebbe causare un sovraccarico dei muscoli respiratori che devono spendere più energia per muovere una parete toracica più rigida. I volumi polmonari sono generalmente ridotti, specialmente il volume di riserva espiratoria. L'aumento del lavoro respiratorio in questi soggetti può quindi essere dovuto a tre fattori: maggiore lavoro respiratorio richiesto per far fronte a una ridotta complianza del sistema, maggiore lavoro richiesto per superare le aumentate resistenze delle vie aeree e, infine, maggiore lavoro speso per far fronte a una inefficienza dei muscoli respiratori.Comunque, se e come, questi cambiamenti fisio-patologici nella funzione respiratoria influenzino la performance durante esercizio dei soggetti obesi non è ancora del tutto chiaro. La variazione dei volumi polmonari di fine espirazione e fine inspirazione durante eserzizio, è determinata sia dalla meccanica respiratoria che dal recrutamento dei muscoli respiratori e per questo motivo, il suo studio è molto importante nell'ottica di comprendere a fondo le ragioni della dispnea durante esercizio in pazienti con disfunzioni dell'apparato respiratorio. La pletismografia optoelettronica è un metodo che coonsente di stimare le variazioni dei volumi polmonari di fine inspirazione e fine espirazione mediante la misura continua delle variazioni di volume della parete toracica, suddivisa in addome e gabbia toracica (a sua volta suddivisa in addominale e polmonare). Mentre gli effetti dell'obesità sulle funzioni resiratorie a riposo sono già stati estensivamente studiati e compresi, studi sulla capacità di esercizio e sui volumi operazionali durante esercizio in soggetti obesisono complessi da interpretare e offrono per ora risultati contrastanti. Nonostante l'attività fisica e l'esercizio rivestono un ruolo cruciale nel trattamento e nella prevenzione di questa patologia, la gran parte dei soggetti obesi non si applica costantemente in programmi di attività fisica a causa della dispnea e della scarsa toleranza all'esercizio. Comprendere le dinamiche alla base della dispnea durante esercizio riscontrata nei soggetti obesi è quindi di fondamentale importanza: aumentare la tolleranza all'esercizio aiuterebbe a ridurre il circolo vizioso obesità- non tolleranza all'esercizio - ridotto livello di attività fisica - ridotto dispendio di energie - aumento di obesità che generalmente caratterizza questa condizione. Interventi come lo sgravio dei muscoli respiratori mediante l'utilizzo di miscele gassose a bassa densità (He-O2) o allenamenti specifici dei muscoli respiratori (respiratory muscle endurance training- RMET) hanno già dimostrato di avere effetti positivi sulla tolleranza all'esercizio a la dispnea in soggetti sani o ostruiti (BPCO). Lo scopo di questo studio è, da una parte quello, di studiare la variazione dei volumi di fine espirazione e di fine inspirazione della parete toracica e dei suoi compartimenti durante esercizio in adolescenti obesi mediante tecnica pletismografica per stabilire se per questi soggetti esiste un pattern respiratorio specifico, come trovato per altre patologie del sistema respiratorio ( BPCO, fibrosi cistica e fibrosi polmonare); in secondo luogo analizzare gli effetti dei due interventi sopra mensionati (HeO2 e RMET) sulla strategia ventilatoria adottata e sui pattern di risposta dei volumi di lavoro (fine inspirazione e fine espirazione) durante esercizio sempre in soggetti adolescenti obesi.