• No results found

Cardiovascular responses to hypovolemic circulatory stress in women

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Cardiovascular responses to hypovolemic circulatory stress in women"

Copied!
74
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Division of Cardiovascular Medicine Department of Medical and Health Sciences

Linköping University, Sweden

Linköping 2008

Linköping University Medical Dissertation No. 1087

Cardiovascular responses to

hypovolemic circulatory

stress in women

With special reference to venous

compliance and capacitance

Marcus Lindenberger

(2)

                                    ©Marcus Lindenberger, 2008       Cover picture:  Left: Pooling of venous blood followed by filtration of fluid in the lower limbs  in  response  to  lower  body  negative  pressure  (LBNP),  creating  experimental  hypovolemic circulatory stress. 

Right:  Mobilization  of  venous  blood  and  fluid  from  muscle  and  skin  to  the  central circulation in response to LBNP in a woman. 

   

Published  articles  have  been  reprinted  and  used  with  the  permission  of  the  copyright  holder  (Article  I,  Am  J  Physiol  Regul  Integr  Comp  Physiol;  Articles  II  and III, Am J Physiol Heart Circ Physiol).      Printed in Sweden by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden, 2008       ISBN 978‐91‐7393‐756‐6  ISSN 0345‐0082 

(3)

                                                                   

To my family 

           

(4)

                                                               

You’ll Never Walk Alone 

Liverpool FC anthem and way of life 

 

(5)

Contents 

CONTENTS

ABSTRACT... 3  LIST OF PAPERS ... 5 ABBREVIATIONS... 6 INTRODUCTION... 7 AIMS ... 13 MATERIALS ... 14 Ethics... 14 Healthy volunteers (paper I‐IV)... 14 Women prone to vaso‐vagal reaction (additional study) ... 15 METHODS ... 16 Lower body negative pressure (LBNP)... 16 Cardiovascular responses... 17 Changes in calf volume ... 19 Changes in upper arm volume during LBNP... 22 Blood samples... 23 Data recordings... 23 Statistics ... 24 RESULTS ... 25 Calf volumetric responses (paper I‐IV) ... 25 The effect of capillary fluid filtration on compliance calculations ... 29 Total hypovolemic response (paper I‐IV) ... 30 Cardiovascular responses to acute hypovolemia (paper III‐IV)... 30 Women prone to vaso‐vagal reaction during LBNP (additional study).. 37

(6)

DISCUSSION ... 40 Venous capacitance and compliance... 40 Capillary fluid filtration in the calf and capillary filtration coefficient. 42 Cardiovascular responses to hypovolemic circulatory stress... 45 Cardiovascular responses in women prone to vaso‐vagal reaction ... 49 Methodological considerations and limitations... 51 CONCLUSIONS ... 53 POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING ... 54 ACKNOWLEDGEMENTS ... 58 REFERENCES ... 60

(7)

Abstract 

ABSTRACT

Acute haemorrhage is a leading cause of death in trauma. Young women (YW)  seem  more  susceptible  to  hypovolemic  stress  than  young  men  (YM),  but  the  underlying mechanisms are not clear. Elderly subjects are more vulnerable to  haemorrhage,  with  a  decreased  defence  of  central  blood  volume  in  elderly  men, but the defence has not been evaluated in elderly women (EW). The aims  were  to  assess  differences  in  cardiovascular  responses  to  hypovolemic  circulatory stress, emphasizing compensatory mechanisms to maintain central  blood volume in YW, EW and women prone to vaso‐vagal reaction (VW).    Lower  body  negative  pressure  (LBNP)  was  used  as  a  model  for  haemorrhage  and  to  create  acute  hypovolemic  stress.  Volumetric  techniques  were  used  to  assess  venous  compliance,  capacitance  and  capillary  fluid  exchange  both  caused  by  LBNP  in  the  calf  and  the  response  to  maintain  central blood volume. 

  LBNP induced a comparable hypovolemic stimulus in YW and YM, with  lower  calf  venous  compliance  and  capacitance  but  higher  net  capillary  fluid  filtration  in  YW.  YW  responded  with  smaller  vasoconstriction  without  association  between  P‐NE  and  peripheral  vascular  resistance  in  contrast  to  YM.  Venous  capacitance  response  was  decreased  with  time  in  YW.  Further,  net capillary fluid absorption from peripheral tissues to central circulation was  decreased  in  YW  in  response  to  hypovolemic  stress.  All  in  all,  this  indicates  less efficiency to defend central blood volume in young women. 

  Calf venous compliance and capacitance was maintained in EW compared  to  YW  but  capillary  filtration  was  decreased,  implying  reduced  capillary  function  with  age.  With  increasing  transmural  pressures  however,  filtration  and  capillary  filtration  coefficient  (CFC)  increased  indicating  increased  capillary susceptibility to transmural pressure load in dependent regions with  age.  Heart  rate  increase  was  attenuated  in  EW  while  peripheral  vascular  conductance  was  maintained  suggesting  reduced  cardiovagal  baroreceptor  function  in  response  to  hypovolemia  with  age.  Venous  capacitance  response  and  fluid  absorption  from  peripheral  tissues  to  central  circulation  were  decreased with age, indicating less efficiency to defend central blood volume.    LBNP induced a slower hypovolemic stimulus in VW compared with non‐ vagal women. Further, the cardiopulmonary baroreflex was less efficient, and  the venous capacitance response from peripheral tissues to central circulation  was decreased, which may explain their susceptibility to orthostatic challenge. 

(8)

   

(9)

      List of papers 

LIST OF PAPERS

The presented thesis is mainly based on the papers listed below, which will be  referred to in the text by their Roman numbers. The results of some additional  experiments will also be presented.     

I. Sex‐related  effects  on  venous  compliance  and  capillary  filtration  in  the lower limb. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 292: R852‐ R859, 2007. 

   

II. Decreased  capillary  filtration  but  maintained  venous  compliance  in  the  lower  limb  of  aging  women.  Am  J  Physiol  Heart  Circ  Physiol.  293: H3568‐H3574, 2007. 

   

III. Lower capacitance response and capillary fluid absorption in women  to  defend  central  blood  volume  in  response  to  acute  hypovolemic  circulatory stress. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 295: H867‐H873,  2008.      IV. Reduced defense of central blood volume during acute hypovolemic  circulatory stress in aging women. Submitted.                         

(10)

ABBREVIATIONS

AUC    Area under the curve  BMI    Body mass index  BP      Blood pressure  BRS    Baroreceptor sensitivity  Β0, β1, β2    Characteristics of venous compliance and capacitance  C      Compliance  Cap 50    Time to 50% of the calf venous capacitance response  CFC    Capillary filtration coefficient  CO     Cardiac output  CV     Coefficient of variation  CVP    Central venous pressure  DBP    Diastolic blood pressure  ΔV     Change in volume  ΔP      Change in pressure  EW     Elderly women  FBF     Forearm blood flow  FVC    Forearm vascular conductance  FVR    Forearm vascular resistance  HR     Heart rate  HUT    Head‐up tilt  LBNP    Lower body negative pressure  MAP    Mean arterial pressure  NE     Norepinephrine  P‐NE    Plasma Norepinephrine  PP      Pulse pressure  SBP     Systolic blood pressure  SV      Stroke volume  YM     Young men  YW     Young women  VW     Women responding with vaso‐vagal reaction  V0      Unstressed venous volume   

(11)

        Introduction 

INTRODUCTION

Cardiovascular responses to hypovolemic circulatory

stress

Haemorrhage and hypovolemic circulatory stress is a leading cause of death in  trauma  (Becker  et  al.  2002,  Sauaia  et  al.  1995,  Wohltmann  et  al.  2001).  Acute  hypovolemia  induces  a  cascade  of physiological responses to  maintain  blood  pressure  homeostasis,  including  activation  of  the  baroreflex  axis.  Cardiopulmonary  (low‐pressure)  receptors  located  in  the  pulmonary  artery  and  right  atrium,  are  unloaded  during  early  hypovolemia,  while  the  arterial  baroreceptors in the aortic arch and carotid sinuses are unloaded when arterial  pressure decreases during more pronounced hypovolemia (Mancia and Mark  1983, Mark and Mancia 1983). Afferent baroreceptor nerves inhibit the central  sympathetic  nerve  centre,  leading  to  increased  sympathetic  activation  (Seller  1991),  mediated  by  efferent  sympathetic  nerve  endings  releasing  norepinephrine  (NE)  in  the  arterial  wall  as  well  as  by  release  of  NE  and  epinephrine from the adrenal medulla into the systemic circulation. The early  cardiovascular  response  to  central  hypovolemia  (within  sec)  includes  cardiac  excitation  (also  by  withdrawal  of  parasympathetic  nervous  system)  and  arterial  vasoconstriction  (Chien  1967).  This  increases  blood  pressure  and  redirects  the  blood  flow  to  vital  organs  such  as  the  brain  and  heart.  Furthermore,  the  vasoconstrictor  response  reduces  blood  flow  to  the  venous  section,  decreasing  peripheral  venous  pressure.  Capacitance  vein  blood  volume  then  decreases  substantially,  leading  to  mobilization  of  blood  to  the  central  venous  circulation  (Rothe  1983).  These  responses  act  momentarily  to  maintain homeostasis as a first line of defence against hypovolemia. Effective  circulating blood volume is further increased through a slower but continuous  net  capillary  absorption  of  extra‐vascular  fluid  which  has  a  major  impact  on  early  plasma  volume  restitution  (Lanne  and  Lundvall  1992).  If  the  subject  survives the first critical phase, extra‐ and intravascular volume is restored by  increased thirst and water intake, by endocrine and reflex regulation of renal  water  and  salt  excretion  as  well  as  through  erythropoesis  (Fitzsimons  1998,  Miller et al. 1991). 

(12)

The  venous  section  of  the  cardiovascular  system  can  be  looked  upon  as  a  voluminous  blood  reservoir  containing  70%  of  total  blood  volume,  with  another  15%  in  the  heart  and  lungs  (Rowell  1993),  and  due  to  its  great  compliance well designed to preserve a proper inflow of blood into the heart  during various cardiovascular adjustments (Rothe 1979). Thus, central venous  pressure  and  filling  of  the  heart  may  be  maintained  at  a  fairly  stable  level  despite  variations  in  venous  blood  volume.  Although  neuropeptide  Y  has  been  shown  to  constrict  superficial  veins  (Linder  et  al.  1996),  no  evidence  exists  that  active  venoconstriction  of  capacitance  vessels  in  skeletal  muscle  provides  an  important  mechanism  translocating  blood  towards  the  central  circulation  (Stewart  et  al.  2001).  Skeletal  muscle  and  skin  is  a  primary  target  for the baroreflex arterial vasoconstriction during hypovolemia and due to its  large  total  mass  in  the  human  body,  the  functional  importance  of  the  compensatory  capacitance  response  and  net  capillary  fluid  absorption  seems  vital (Lesh and Rothe 1969, Lundvall et al. 1993, Olsen et al. 2000, Rothe 1983,  Skelton  1927).  A  potent  net  capillary  fluid  absorption  is  dependent  on  both  high  hydrodynamic  conductivity  as  well  as  a  decline  in  capillary  pressure  caused by reflex autonomic adjustments of both α‐ and β‐ adrenergic receptors  affecting the pre‐ to post‐capillary resistance ratio, creating a net driving force  over the capillary wall (Lundvall and Hillman 1978, Maspers et al. 1990).   

Lower  body  negative  pressure  (LBNP)  is  an  excellent  model  for  acute  haemorrhage  and  hypovolemic  circulatory  stress,  by  inducing  central  hypovolemia and unloading of baroreceptors (Convertino et al. 2008, Cooke et  al. 2004). When evaluating differences in cardiovascular responses to LBNP it  is  of  importance  to  consider  the  created  hypovolemic  stimulus  since  LBNP  induces  the  pooling  of  blood  in  the  lower  limbs,  and  increased  limb  venous  compliance  and  capacitance  have  been  shown  to  induce  greater  orthostatic  intolerance  (Morikawa  et  al.  2001,  Olsen  et  al.  2000,  Tsutsui  et  al.  2002).  Net  capillary  fluid  filtration  in  the  lower  limb  further  increases  the  hypovolemic  stimulus  over  time  and  its  importance  has  been  demonstrated  in  patients  suffering from postural orthostatic tachycardia syndrome (POTS) (Lanne and  Olsen 1997, Lundvall et al. 1993, Stewart 2003). 

(13)

        Introduction 

Sex-related differences in response to acute

hypovolemia

Young women are more susceptible to experimental hypovolemic circulatory  stress  than  men  (Convertino  1998,  Franke  et  al.  2003,  Fu  et  al.  2004,  Gotshall  2000, White et al. 1996) but the mechanisms underlying the susceptibility are  not clear and probably multi‐factorial (Fu et al. 2004). In accordance with some  findings in the arterial tree (Sonesson et al. 1993) it may be hypothesized that  women  have  greater  venous  compliance  with  greater  blood  pooling  in  the  lower  limbs  and  greater  hypovolemia.  This  seems  to  be  refuted  however  by  two  recent  studies,  presenting  greater  calf  venous  compliance  in  young  men  (Meendering  et  al.  2005a,  Monahan  and  Ray  2004).  However,  the  technique  used  to  calculate  calf  venous  compliance  does  not  exclude  the  considerable  contribution  of  fluid  filtration  to  calf  volume  increase,  possibly  confounding  the  conclusions.  No  available  data  on  sex  differences  in  calf  capillary  fluid  filtration  and  capillary  fluid  coefficient  (CFC)  exists,  even  though  sex  hormones  seem  to  influence  capillary  permeability  and  body  fluid  homeostasis  (Pechere‐Bertschi  et  al.  2000,  Stachenfeld  et  al.  2001,  Stachenfeld  and Taylor 2005, Tollan et al. 1992). In line with these findings, a recent large  animal  study  detected  increased  micro‐vessel  permeability  in  females  compared to male pigs (Huxley et al. 2005). 

 

A decrease in baroreceptor sensibility (BRS) in young women compared with  young men has been postulated by several authors (Franke et al. 2003, Laitinen  et  al.  1998,  Shoemaker  et  al.  2001),  and  women  seem  to  respond  with  diminished arterial vasoconstriction to the infusion of α‐receptor agonists, e.g.  NE (Bowyer et al. 2001, Freedman et al. 1987, Kneale et al. 2000). Furthermore,  a more pronounced decrease in stroke volume (SV) and in cardiac output (CO)  has  been  proposed  as  the  main  mechanism  for  the  susceptibility  of  hypovolemic circulatory stress (Convertino 1998, Fu et al. 2004, Fu et al. 2005),  due to smaller and functionally stiffer hearts impeding cardiac filling in young  women  (Fu  et  al.  2004,  Fu  et  al.  2005),  as  well  as  lower  relative  circulating  blood  volume  in  women  (Convertino  1998,  Fu  et  al.  2005,  White  et  al.  1996).  The central hypovolemia that occurs during hypovolemic circulatory stress is  compensated  for  by  the  mobilization  of  blood  from  peripheral  capacitance  vessels  towards  the  central  circulation,  as  well  as  by  net  capillary  fluid  absorption from tissue to blood in order to defend central blood volume and  increase venous return to the heart (Ablad and Mellander 1963, Convertino et  al. 2004, Lundvall and Lanne 1989a, Mellander 1960, Olsen et al. 2000). A less 

(14)

efficient  defence  of  central  blood  volume  could  hypothetically  explain  the  decreased  SV  and  CO  detected  in  women,  but  has  not  been  assessed  in  women. 

Age-related differences in response to acute

hypovolemia

Mortality  to  trauma  increases  with  increasing  age  in  both  women  and  men,  even after adjustment for higher prevalence of pre‐existing diseases (George et  al. 2003, OʹKeefe et al. 2001, Taylor et al. 2002). On the other hand, orthostatic  tolerance does not seem to decrease with age (Laitinen et al. 2004). In men, this  can  be  attributed  to  decreased  venous  compliance  in  the  lower  limbs  with  increasing age, protecting against large volume displacements to the legs and  central  hypovolemia  (Monahan  et  al.  2001,  Olsen  and  Lanne  1998,  Tsutsui  et  al. 2002). Calf venous compliance in elderly women is unknown however, but  there  are  reasons  to  suspect  differences  with  age  between  women  and  men,  since  young  men  have  greater  calf  venous  compliance  than  young  women  (Meendering  et  al.  2005a,  Monahan  and  Ray  2004).  Further,  women  demonstrate  a  slower  decrease  in  arterial  compliance  with  age  compared  to  men, an effect probably attributed to estrogen (Debasso et al. 2004, Tomiyama  et  al.  2003).  Estrogens  have  been  shown  to  affect  cellular  transcription  of  elastin  and  collagen,  and  estrogen‐receptors  are  known  to  exist  in  smooth  muscle  cells  in  veins  and  arteries  (Kappert  et  al.  2006,  Knaapen  et  al.  2005,  Mendelsohn  2002).  Aging  men  have  been  shown  to  have  an  intact  calf  capillary  filtration  and  CFC  (Lanne  and  Olsen  1997).  The  marked  drop  in  estrogen  level  during  menopause  in  women  might  however  affect  capillary  fluid filtration and CFC, but this has not been evaluated in aging women.    

Impaired  cardiovagal  BRS  as  well  as  decreased  α‐  and  β‐adrenergic  receptor  responses  has  been  found  with  age  in  mixed  groups  of  women  and  men,  potentially  affecting  HR  and  vasoconstriction  during  hypovolemia  (Brown  et  al. 2003, Dinenno et al. 2002, Jones et al. 2003, Laitinen et al. 1998, Schutzer and  Mader  2003,  van Brummelen et al. 1981).  Further,  Olsen  et al.  (2000) found a  ~50%  reduction  in  venous  capacitance  response  with  age  in  healthy  men  during  experimental  hypovolemic  stress,  which  could  seriously  impede  survival  during  severe  haemorrhage  (Olsen  et  al.  2000).  Compensatory  mechanisms  to  defend  central  blood  volume  and  blood  pressure  during  hypovolemia have not yet been evaluated in elderly women. 

(15)

        Introduction 

Vaso-vagal syncope

Syncope  is  a  common  clinical  problem  that  affects  up  to  3.5%  of  the  general  population  (Savage  et  al.  1985)  and  occurs  most  frequently  during  upright  posture (Mosqueda‐Garcia et al. 2000). Increased calf venous pooling has been  reported in subjects prone to syncope during head‐up tilt (HUT) (Hargreaves  and  Muir  1992),  although  others  have  found  similar  decrease  in  central  hypovolemia in subjects experiencing syncope vs. controls (Epstein et al. 1968,  Mosqueda‐Garcia et al. 1997). Other mechanisms behind orthostatic and vaso‐ vagal syncope in women may be defect cardiopulmonary baroreflex (Thomson  et al. 1997, Wasmund et al. 2003, Wijeysundera et al. 2001) or differences in the  venous section with reduced venous return to the heart (Fuca et al. 2006).   

This  thesis  focuses  on  compensatory  cardiovascular  responses  in  the  early  phase  of  acute  hypovolemic  circulatory  stress  with  emphasis  on  venous  capacitance function and transcapillary fluid absorption from skeletal muscle  and skin to blood. 

     

(16)
(17)

        Aims 

AIMS

• To evaluate sex‐related differences as well as age‐related changes in calf  venous compliance and capacitance in women.    • To examine sex‐related differences as well as age‐related changes in calf  net capillary fluid filtration.   

• To  study  sex‐related  differences  in  the  cardiovascular  response  to  experimental  hypovolemic  circulatory  stress  in  young,  emphasizing  compensatory mechanisms to maintain central blood volume. 

 

• To  assess  age‐related  changes  in  the  cardiovascular  response  during  experimental  hypovolemic  circulatory  stress  in  women,  emphasizing  compensatory mechanisms to maintain central blood volume. 

 

• To  evaluate  differences  in  the  cardiovascular  response  during  experimental  hypovolemic  circulatory  stress  in  women  prone  to  vaso‐ vagal reactions compared with non vaso‐vagal responding women. 

(18)

MATERIALS

Ethics

The studies were approved by the Ethics Committee at Linköping University.  All volunteers gave informed consent according to the Declaration of Helsinki. 

Healthy volunteers (paper I-IV)

Paper  I‐IV  comprised  of  a  total  of  50  volunteers  (range  20‐75  yrs,  mean  33.5±2.7  yrs),  divided  into  three  groups;  22  young  women  (YW,  range  20‐27  yrs,  mean  23.1±0.4  yrs),  16  young  men  (YM,  range  20‐26  yrs,  mean  23.2±0.5  yrs),  12  elderly  women  (EW,  range  61‐75  yrs,  mean  66.4±1.4  yrs).  All  volunteers  were  healthy  with  no  history  of  hypertension  and  physical  examination showed an absence of varicose veins, diabetes (normal HbA1c) or  other  systemic  diseases.  All  were  non‐smokers  and  based  on  an  interview  regarding  earlier  and  current  training  activities,  they  were  found  to  be  of  average  physical  fitness,  excluding  sedentary  individuals  and  well‐trained  athletes.  In  paper  I,  a  total  of  28  volunteers  divided  into  12  YW  and  16  YM  were studied. In paper II and IV, a total of 34 women divided into 22 YW and  12 EW were studied. In paper III, a total of 38 volunteers divided into 22 YW  and 16 YM were studied. Table 1 shows the demographic values in YW, YM  and EW at rest. 

(19)

        Materials 

Women prone to vaso-vagal reaction during

LBNP (additional study)

 

Five young women responded with a vaso‐vagal reaction during LBNP of 44  mmHg  (VW,  range  21‐25  yrs,  mean  22.6±0.6  yrs)  and  their  cardiovascular  responses  were  compared  with  the  group  of  YW  that  tolerated  LBNP  well  (n=22).  Three  VW  were  detected  as  a  part  of  article  II‐IV,  one  during  a  pilot  study  and  the  last  subject  was  first  excluded  due  to  bad  data  quality,  but  developed  a  vaso‐vagal  reaction  in  the  end.  The  five  VW  were  later  re‐ examined  to  complete  their  registrations  (except  for  Plasma  Norepinephrine,  P‐NE). Table 1 shows the demographic values in VW at rest. 

 

YW,  young  women;  YM,  young  men;  EW,  elderly  women;  VW,  vagal  women.  BMI,  body  mass  index;  HR,  heart  rate;  SBP,  systolic  blood pressure;  DBP,  diastolic  blood  pressure;  MAP,  mean  arterial  pressure;  PP,  pulse  pressure;  FBF,  forearm  blood  flow;  FVR,  forearm  vascular  resistance;  FVC,  forearm  vascular  conductance;  P‐NE,  Plasma  Norepinephrine. * YM vs. YW; †EW vs. YW; #VW vs. YW.

n Age (yrs) Height (cm) Weight (kg) BMI (kg/m2) HR (beats/min) SBP (mmHg) DBP (mmHg) MAP (mmHg) PP (mmHg) FBF (ml/100ml min‐1) FVR (FVR units) FVC (FVC units, 10E‐3) P‐ NE (pmol/l) YM 16 23.2±0.5 181±1*** 72±1*** 21.8±0.4 56±2 116±2*** 60±1 78±1 56±2*** 3.0±0.2** 28±2* 37±3* 1.6±0.2 YW 22 23.1±0.4 169±1 62±2 21.7±0.4 60±2 106±1 63±1 77±1 43±2 2.2±0.2 37±3 30±2 1.2±0.1 EW 12 66.4±1.4† † † 166±1 64±2 23.4±0.5† 63±2 138±5† † † 82±1† † † 101±2† † † 57±4† † † 1.9±0.2 66±10† † 18±2† † 2.2±0.3† † VW 5 22.6±0.6 166±2 65±3 23.5±0.9 67±4 103±3 62±4 79±4 37±2 1.6±0.2 51±8# 21±3 ‐‐‐ ‐‐‐ Table 1. Demographic resting values (mean±SE).

YW,  young  women;  YM,  young  men;  EW,  elderly  women;  VW,  vagal  women.  BMI,  body  mass  index;  HR,  heart  rate;  SBP,  systolic  blood pressure;  DBP,  diastolic  blood  pressure;  MAP,  mean  arterial  pressure;  PP,  pulse  pressure;  FBF,  forearm  blood  flow;  FVR,  forearm  vascular  resistance;  FVC,  forearm  vascular  conductance;  P‐NE,  Plasma  Norepinephrine. * YM vs. YW; †EW vs. YW; #VW vs. YW.

n Age (yrs) Height (cm) Weight (kg) BMI (kg/m2) HR (beats/min) SBP (mmHg) DBP (mmHg) MAP (mmHg) PP (mmHg) FBF (ml/100ml min‐1) FVR (FVR units) FVC (FVC units, 10E‐3) P‐ NE (pmol/l) YM 16 23.2±0.5 181±1*** 72±1*** 21.8±0.4 56±2 116±2*** 60±1 78±1 56±2*** 3.0±0.2** 28±2* 37±3* 1.6±0.2 YW 22 23.1±0.4 169±1 62±2 21.7±0.4 60±2 106±1 63±1 77±1 43±2 2.2±0.2 37±3 30±2 1.2±0.1 EW 12 66.4±1.4† † † 166±1 64±2 23.4±0.5† 63±2 138±5† † † 82±1† † † 101±2† † † 57±4† † † 1.9±0.2 66±10† † 18±2† † 2.2±0.3† † VW 5 22.6±0.6 166±2 65±3 23.5±0.9 67±4 103±3 62±4 79±4 37±2 1.6±0.2 51±8# 21±3 ‐‐‐ ‐‐‐ n Age (yrs) Height (cm) Weight (kg) BMI (kg/m2) HR (beats/min) SBP (mmHg) DBP (mmHg) MAP (mmHg) PP (mmHg) FBF (ml/100ml min‐1) FVR (FVR units) FVC (FVC units, 10E‐3) P‐ NE (pmol/l) YM 16 23.2±0.5 181±1*** 72±1*** 21.8±0.4 56±2 116±2*** 60±1 78±1 56±2*** 3.0±0.2** 28±2* 37±3* 1.6±0.2 YW 22 23.1±0.4 169±1 62±2 21.7±0.4 60±2 106±1 63±1 77±1 43±2 2.2±0.2 37±3 30±2 1.2±0.1 EW 12 66.4±1.4† † † 166±1 64±2 23.4±0.5† 63±2 138±5† † † 82±1† † † 101±2† † † 57±4† † † 1.9±0.2 66±10† † 18±2† † 2.2±0.3† † VW 5 22.6±0.6 166±2 65±3 23.5±0.9 67±4 103±3 62±4 79±4 37±2 1.6±0.2 51±8# 21±3 ‐‐‐ ‐‐‐ Table 1. Demographic resting values (mean±SE).

(20)

METHODS

Lower body negative pressure (LBNP)

All  measurements  were  carried  out  with  the  subjects  in  the  supine  position.  The LBNP technique was used to create defined transmural pressure changes  over  the  vessel  walls  as  well  as  to  simulate  acute  hypovolemic  circulatory  stress  and  orthostatism.  LBNP  is  an  excellent  model  for  acute  haemorrhage  and  hypovolemic  circulatory  stress  by  inducing  central  hypovolemia  and  unloading of baroreceptors and sympathetic activation (Convertino et al. 2008,  Cooke et al. 2004). The advantages with LBNP compared to head‐up tilt (HUT)  is  that  the  subject  remains  in  the  supine  position,  which  facilitates  physiological  measurements  and  minimizes  the  risk  of  confounding  skeletal  activity  and change  in  transmural  pressure  is  easier  to  define.  During  LBNP,  80% of the negative pressure is transmitted to the underlying muscle tissue of  the leg irrespective of muscle depth, time and magnitude, leading to a defined  increase in transmural pressure over the vessel wall, with concomitant vessel  dilatation and blood pooling (Olsen and Lanne 1998). LBNP of 40 to 50 mmHg  results  in  a  similar  shift  in  thoracic  blood  volume  as  passive  HUT  to  70°  (Taneja  et  al.  2007),  but  regional  blood  pooling  differs  between  LBNP  and  HUT.  While  both  techniques  lead  to  increased  blood  pooling  in  lower  limbs  and the pelvic region, LBNP induces a decrease in splanchnic blood volume,  similar to  in haemorrhage, while HUT brings  on splanchnic filling (Taneja et  al.  2007).  Figure  1  illustrates  the  cardiovascular  response  in  young  men  to  LBNP  of  11,  22  and  44  mmHg  (%  of  resting  values).  Heart  rate  (HR)  is  unchanged  during  LBNP  of  11  mmHg,  but  increases  with  increasing  LBNP  thereafter. Systolic blood pressure (SBP) is stepwise reduced from LBNP of 22  mmHg,  while  diastolic  blood  pressure  (DBP)  is  stable  or  slightly  raised,  leading to progressively decreased pulse pressure (PP) with increasing LBNP,  but  maintained  mean  arterial  pressure  (MAP).  Forearm  vascular  resistance  (FVR) increases rapidly and the maximal response is seen within the first min  after  initiation  of  LBNP.  After  termination  of  LBNP,  the  cardiovascular  parameters return to resting values within the first min. 

(21)

        Methods 

Experiments  were  performed  at  a  stable  room  temperature  of  23‐25°C  and  started 1 h after a regular meal. The subjects were instructed to abstain from  caffeine  beverages  on  the  day  of  the  investigation.  The  experiments  were  performed  at  two  separate  occasions,  each  lasting  2‐3  h.  The  subjects  were  placed in the supine position with the legs and pelvis enclosed in an airtight  box up to the level of the iliac crest with a seal fitted hermetically around the  waist.  The  pressure  in  the  LBNP  chamber  was  measured  continuously  by  a  manometer  (DT‐XX  disposable  transducer,  Viggo  spectramed,  Helsingborg,  Sweden) and held constant by a rheostat. The LBNP chamber was connected  to a vacuum source permitting stable negative pressure to be produced within  5  sec  and  maintained  at  constant  pressure  for  8  min  LBNP  of  11,  22  and  44  mmHg were used, with at least 30 min rest between each experiment to assure  a return to the basal state.  

 

No subjects were taking any regular medication. YW were scheduled between  day  7  and  21  after  start  of  menstruation,  not  excluding  contraceptive  use  (10  out of the 22 YW). The type of contraceptives was not registered. The time in  the  menstrual  cycle  was  chosen  in  accordance  with  two  large  studies  on  gender and LBNP tolerance (Gotshall 2000, White et al. 1996). Cardiovascular  responses to LBNP seems to be unaffected by menstrual phase (Claydon et al.  2006,  Frey  et  al.  1986,  Meendering  et  al.  2005b),  and  furthermore,  venous  compliance  and  capacitance  do  not  change  over  the  course  of  the  menstrual  cycle  or  by  oral  contraceptive  use  (Meendering  et  al.  2005a).  EW  were  all  postmenopausal and not on hormone replacement therapy. 

 

Cardiovascular responses

Blood pressure  (BP)  and HR were  measured  non‐invasively  in  the  left  upper  arm  by  oscillometric  technique  (Dinamap  Pro  200,  Critikon)  directly  prior  to  LBNP and 1, 3, 6 and 8 min after LBNP initiation, and further 1, 2 and 4 min  after LBNP termination. Forearm blood flow (FBF) was measured in the right  forearm  by  standard  venous  occlusion  double‐looped  mercury‐in‐silicone  strain‐gauge  plethysmography  (Hokanson  EC‐6,  D.E.  Hokanson,  Bellevue,  WA),  with  the  forearm  at  heart  level  and  the  strain‐gauge  at  the  maximal  circumference. Occlusion of hand blood flow was accomplished by a wrist cuff  inflated  100  mmHg  above  SBP  at  least  one  min  before  measurement  of  FBF.  FBF was measured six times at baseline directly prior to LBNP and 30 sec, 1, 3, 

(22)

6  and  8  min  after  institution  of  LBNP,  as  well  as  1,  2  and  4  min  after  LBNP  termination.  Simultaneously,  BP  was  measured  in  the  contra‐lateral  arm  and  FVR as well as forearm vascular conductance (FVC) was calculated:    FVR = MAP/FBF    FVC = FBF/MAP  Figure 1. Hemodynamic responses to hypovolemic circulatory stress  (% of resting values) caused by 8 min LBNP of 11, 22 and 44 mmHg  in  young  men  (n=16,  mean±SE).  HR,  heart  rate;  SBP,  systolic  blood  pressure;  DBP,  diastolic  blood  pressure;  PP,  pulse  pressure;  MAP,  mean  arterial  pressure;  FBF,  forearm  blood  flow;  FVR,  forearm  vascular resistance.  100 120 140 HR (%) 110 95 SBP (%) 90 100 95 105 FBF (%) 5075 100 FVR (%) 100 200 300 MAP (%) 95 100 105 DBP (%) 100 105 PP (%) 80 100 11 8 min 22 44 90 100 120 140 HR (%) 110 95 SBP (%) 90 100 95 105 FBF (%) 5075 100 FVR (%) 100 200 300 MAP (%) 95 100 105 DBP (%) 100 105 PP (%) 8080 100 11 8 min 22 44 90 90

(23)

        Methods 

Changes in calf volume

Mercury‐in‐silicone  strain‐gauge  plethysmography  was  used  to  measure  changes  in  calf  volume  (ml/100ml).  The  strain  gauge  was  applied  at  the  maximal circumference of the right calf with the subject in the supine position.  In  all  subjects  care  was  taken  to  place  the  calf  5cm  below  heart  level  and  to  avoid  any  confounding  external  pressure,  the  lowest  part  of  the  calf  was  at  least 2cm above the floor of the LBNP chamber. Further, the subjects rested in  the supine position for at least 30 min to ensure stable calf volume and arterial  inflow prior to initiation of LBNP. 

Figure  2.  Original  tracing  illustrating  tissue  volume  changes  in  the 

calf in response to LBNP of 44 mmHg in a 23‐year‐old woman. Initial  rapid  increase  in  volume  reflects  capacitance  response  of  2.34  ml/100ml.  The  subsequently  much  slower  but  continuous  increase  reflects  a  net  capillary  filtration  of  plasma  fluid  into  extra‐vascular  tissue of 0.163 ml/100ml min‐1

Calf capacitance response and capillary fluid filtration

At onset of LBNP there is an initial rapid increase of calf volume followed by a  slower  but  continuous  increase,  and  at  cessation  of  LBNP  there  is  a  rapid  decrease in calf volume (Fig. 2). These different phases reflect (1) capacitance  response  (blood  pooling);  (2)  net  capillary  filtration  of  intravascular  fluid  to  extravascular  space;  (3)  rapid  return  of  pooled  blood  after  termination  of  LBNP  corresponding  to  (1).  This  interpretation  is  aided  by  the  fact  that  the 

8 min 1 ml/100ml LBNP 8 min 1 ml/100ml LBNP

(24)

capacitance  response  is  terminated  within  approximately  3  min  (Lundvall  et  al.  1993,  Schnizer  et  al.  1978).  Thus,  the  calf  capacitance  response  (ml/100ml)  was  calculated  from  the  increase  in  calf  volume  at  onset  of  LBNP  to  the  line  defined  from  the  filtration  slope  between  3  and  8  min  (Fig.  2).  Since  the  compliance  of  the  arterial  bed  is  only  ≈3%  of  that  of  the  venous  bed,  almost  exclusively venous blood is pooled (Rothe 1979), and the capacitance response  is denoted venous capacitance response (Fig. 3 A). Net capillary fluid filtration  (ml/100ml min‐1) was calculated assessing the increase in calf volume per min 

after  min  3  (Fig  3  B).  The  total  net  capillary  fluid  filtration  (ml/100ml)  was  calculated as rate of filtration times the time of the LBNP stimulus (8 min). The  total  calf  volume  increase  (ml/100ml)  was  calculated  as  venous  capacitance  response  +  total  net  capillary  fluid  filtration.  Further,  the  time  from  onset  of  LBNP  to  50  %  of  the  venous  capacitance  response  (Cap 50)  was  defined.  The 

coefficient of variation (CV) for measurements of calf capacitance response on  two  separate  days  was  10.4%  in  YM  and  8.4%  in  EW  while  CV  for  measurements  of  calf  capillary  filtration  was  9.4  %  in  YM  and  9.6%  in  EW  (LBNP of 44 mmHg). 

Figure  3.  Venous  capacitance  response  (blood  pooling)  (A)  and  net 

capillary fluid filtration (B) in the calf in young men (mean±SE, n=16)  in  response  to  LBNP  of  11,  22  and  44  mmHg.  Both  capacitance  response  and  net  fluid  filtration  increased  with  increasing  LBNP  levels (P < 0.0001).        11 22 44 LBNP (mmHg) 0 1 2 3 V en o us ca pa cit anc e,  ca lf (m l/ 10 0m l) A 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Capi ll ary fl u id  fi ltrat io n , ca lf (ml /10 0m mi n ‐1) B 11 22 44 LBNP (mmHg) 11 22 44 LBNP (mmHg) 0 1 2 3 V en o us ca pa cit anc e,  ca lf (m l/ 10 0m l) A 11 22 44 11 22 44 LBNP (mmHg) 0 1 2 3 V en o us ca pa cit anc e,  ca lf (m l/ 10 0m l) A 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Capi ll ary fl u id  fi ltrat io n , ca lf (ml /10 0m mi n ‐1) B 11 22 44 LBNP (mmHg) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.05 0.10 0.15 0.20 Capi ll ary fl u id  fi ltrat io n , ca lf (ml /10 0m mi n ‐1) B 11 22 44 11 22 44 LBNP (mmHg)

(25)

        Methods 

Venous compliance

Venous  compliance  was  measured  in  the  calf.  Compliance  (C,  ml/100ml  mmHg‐1) is generally ascribed as a change in volume caused by a change in  pressure: 

 

C = ΔV/ΔP   

In  the  calf  ΔV  reflects  venous  capacitance  response  (ml/100ml)  and  ΔP  the  increase  in  transmural  pressure  (80%  of  the  applied  negative  pressure,  mmHg). Olsen and Länne (1998) used negative pressure and applied a linear  regression model when studying calf venous compliance at higher transmural  pressure  gradients  (18‐51  mmHg)  (Olsen  and  Lanne  1998).  Halliwill  et  al.  (1999) on the other hand developed the thigh cuff occlusion technique with a  non‐linear  regression  model  to  calculate  calf  venous  compliance  also  at  slightly lower transmural pressure levels (10‐60 mmHg) (Halliwill et al. 1999).  We studied calf venous compliance at transmural pressures of 9 to 36 mmHg,  and  combined  these  two  previous  techniques  (negative  pressure  and  non‐ linear regression, see the Results section). 

Capillary filtration coefficient (CFC)

The  capillary  filtration  coefficient  (CFC,  ml/100ml min‐1  mmHg‐1)  in  the  calf 

was calculated as:    CFC = ΔV/ (ΔP x t)    ΔV denotes the total net capillary fluid filtration during LBNP (ml/100ml), ΔP  denotes the LBNP induced change in transmural capillary pressure (mmHg),  and t denotes time (min). 

(26)

1 ml/100ml (1)  (3) (4) (2) (5) LBNP 1 ml/100ml 1 ml/100ml (1)  (3) (4) (2) (5) LBNP

Changes in upper arm volume during LBNP

Venous capacitance response and net capillary fluid

absorption

Changes  in  upper  arm  volume  were  measured  by  air  plethysmography  to  assess venous capacitance response and net transcapillary fluid absorption in  response  to  LBNP  of  11,  22  and  44  mmHg  (Olsen  et  al.  2000).  The  air  pletysmographs  were  cylindrical,  8cm  long  and  made  of  transparent  plastic.  They had openings of different sizes to fit the subject’s upper arm, which was  placed  at  heart  level.  To  avoid  venous  stasis  the  size  of  the  openings  were  chosen to be slightly larger than the arm circumference. The air slits between  the skin and pletysmograph were then sealed with a soft latex compound that  did  not  cause  any  additional  pressure,  venous  stasis  or  irritation  to  the  skin.  The  enclosed  arm  volume  was  calculated  and  changes  in  tissue  volume  measured with a piston recorder connected to the pletysmographs. Recordings 

Figure  4.  Original  tracing  illustrating  tissue  volume  changes  in  the  upper 

arm of a 22‐year‐old man during hypovolemic circulatory stress caused by  8  min  of  LBNP  44  mmHg.  The  initial  rapid  volume  decrease  reflects  mobilization of regional blood from peripheral to central circulation (initial  capacitance  response, (1)),  while  the  much  slower,  but  continuous  decline 

reflects  net  transcapillary  fluid  absorption (2).  After  cessation  of  LBNP, 

there is a rapid return of regional blood volume (final capacitance response 

(3)),  with  total  volume  of  absorbed  fluid  after  LBNP  termination  depicted 

(27)

        Methods 

ensured that the enclosed arm segment volume was stable for at least five min  before each LBNP initiation. Application of LBNP leads to a rapid decrease in  arm  volume,  followed  by  a  much  slower,  but  continuous  decline  during  LBNP.  At  termination  of  LBNP,  there  is  a  rapid  increase  in  tissue  volume,  followed  by  a  slower  increase.  These  different  phases  reflect  (Fig.  4)  (1)  an  initial  mobilization  of  regional  blood  towards  the  central  circulation  (initial  arm  capacitance  response);  (2)  net  capillary  absorption  of  extravascular  fluid  to intravascular space; (3) rapid recovery of regional blood after termination of  LBNP  (final  capacitance  response);  (4)  total  net  capillary  fluid  absorption  during  LBNP;  (5)  transcapillary  filtration  of  fluid  from  the  intra‐  to  the  extravascular space. This interpretation of tissue volume changes during acute  hypovolemic  circulatory  stress  has  been  validated  with  the  aid  of  simultaneously  measured  blood  and  tissue  volume  changes  in  both  animals  (Ablad and Mellander 1963, Mellander 1960), and in humans using technetium  marked  erythrocytes  simultaneously  with  plethysmographic  recordings  (Lundvall  et  al.  1993,  Lundvall  and  Lanne  1989a).  The  arm  capacitance  response  is  fully  developed  within  the  first  2  min  after  institution  of  LBNP  (Lundvall and Lanne 1989a). The net transcapillary fluid absorption (ml/100ml  min‐1)  was  measured  as  the  difference  in  arm  volume  before  LBNP  and  one 

min  after  termination  of  LBNP  (Fig.  4).  Further,  the  rate  of  development  of  initial  arm  capacitance  response  was  assessed  by  determining  the  change  in  arm volume 10, 20 and 30 sec after LBNP initiation. 

Blood samples

Plasma levels of Norepinephrine (P‐NE) was measured both at rest and after  four  min  of  LBNP  44  mmHg,  since  by  this  time  the  increase  in  P‐NE  has  almost completely developed (Edfeldt 1993). The blood samples were kept on  ice,  centrifuged  within  20  min,  stored  in  a  ‐70°C  freezer  and  later  analyzed  with  HPLC  technique.  The  level  of  HbA1c  was  examined  in  EW,  to  exclude  latent diabetes mellitus. 

Data recordings

Volume recordings from the arm and calf as well as the pressure in the LBNP  chamber  were  collected  and  amplified  (MP  100A‐CE,  Biopac  Systems  Inc,  Santa Barbara, CA) for later analysis with PC software (AcqKnowledge v 3.7.0, 

(28)

Biopac  Systems  Inc,  Santa  Barbara,  CA)  Blood  flow  data  were  collected  (Hokanson  EC‐6,  D.E.  Hokanson,  Bellevue,  WA)  for  later  analysis  with  PC  software (NIVP ver. 5.29B, D.E. Hokanson, Bellevue, WA). 

Statistics

Statistical  evaluation  of  the  collected  data  was  performed  in  PC  software  (Statview ver 5.0.1, SAS Institute and SPSS ver 14, SPSS Inc). 

 

All data are given with reference to soft tissue weight, excluding bone taken as  10%  in  the  calf  and  upper  arm  and  13%  in  the  forearm  (Cooper  et  al.  1955,  Hafferl and Thiel 1969). Values are expressed as mean ± SE. The significance of  difference between and within the groups was principally tested by unpaired  Student’s t‐test and paired Student’s t‐test, respectively. Area under the curve  (AUC)  for  blood  pressure  parameters,  FVR  and  FVC  was  calculated  from  institution to termination of LBNP (paper III‐IV + additional study). Repeated  measures ANOVA was applied both between and within groups to assess the  correlation  between  CFC  and  transmural  pressure,  arm  volume  recordings  and LBNP level, speed of initial arm capacitance response as well as to assess  changes  in  various  cardiovascular  parameters  during  LBNP  and  followed  by  Tukey’s simultaneous post hoc test when appropriate (paper I‐IV + additional  study).  When  calculating  compliance,  a  regression  equation  was  adjusted  to  each  subject’s  own  volume‐pressure  data  and  β0,  β1  and  β2  stored  for  group 

comparison  with  unpaired  Student’s  t‐test  (paper  I‐III).  Coefficient  of  variation,  CV  (%),  was  calculated  on  two  different  days.  In  paper  II  and  IV,  FVC rather than FVR was applied in between group measurements, since FVC  is  a  better  marker  of  vascular  response  when  MAP  differs  between  the  two  groups (DʹAlmeida and Lautt 1992). Simple regression analysis was applied to  assess  the  association  between  FVR/FVC  and  P‐NE,  both  at  rest  and  during  LBNP  of  44  mmHg  (paper  III‐IV).  Multiple  regression  analysis  was  used  to  compare the slope of the regression lines between groups (paper III). Statistical  significance was set to P < 0.05. 

 

* †  #  denotes  P  <  0.05;  ** ††  ##  denotes  P  <  0.01;  *** †††  ###  denotes  P  <  0.001;  **** 

(29)

        Results 

RESULTS

Calf volumetric responses (paper I-IV)

Calculation of calf venous compliance (paper I-III)

Calf  venous  compliance  (C,  ml/100ml  mmHg‐1),  was  calculated  using  a 

combined  method  of  previously  utilized  techniques  (Halliwill  et  al.  1999,  Olsen  and  Lanne  1998).  In  paper  I‐IV  the  studied  pressure  interval  was  relatively low, and the resulting capacitance‐pressure curve to different levels  of lower body negative pressure (LBNP) was clearly non‐linear (e.g. Fig. 5 A),  with  larger  volume  changes  (greater  compliance)  at  lower  transmural  pressures as described by a quadratic regression equation: 

Δ Calf volume = β0 + β1 x (transmural pressure) + β2 x (transmural pressure) 2 

In  this  equation,  β0  is  the  y‐intercept,  and  β1  and  β2  are  characteristics  of  the 

volume‐pressure curve. Since compliance is dependent on prevailing pressure,  no  single  value  can  characterize  the  slope  of  this  relation.  To  simplify  data  presentation, the first derivative of the volume‐pressure curve was calculated,  creating a linear compliance‐pressure curve (e.g. Fig. 5 B):  

C = β1 + 2 x β2 x transmural pressure 

The slope of this curve equals the derivative of the compliance‐pressure curve:  Slope = 2 x β2 

C, the two components β1 and β2 as well as the slope were used to determine 

differences in calf venous compliance.   

(30)

Sex-related differences in calf venous compliance and

capacitance (paper I and III)

Calf  venous  capacitance  increased  with  increasing  LBNP  in  both  young  women (YW) and young men (YM) (P < 0.0001), but was smaller in YW than in  YM  at  all  LBNP  levels  (P  <  0.01  overall,  Fig.  5  A).  The  rate  of  capacitance  response  development  (Cap 50)  was  equal  in  YW  and  YM at  all  LBNP  levels. 

Calf  venous  compliance  was  greater  at  small  transmural  pressures  and  decreased with increasing pressures in both YW and YM (P < 0.001, Fig. 5 B)  and  compliance  measured  as  β1  as  well  as  β2  and  slope  was  smaller  in  YW  than in YM, (each P < 0.05, Fig. 5 B). 

Figure 5. (A) Venous capacitance response in the calf in relation to 

transmural  pressure  changes  induced  by  LBNP  in  young  women  (YW, white dots, dashed lines) and young men (YM, black boxes,  solid  lines),  mean±SE.  Venous  capacitance  response  was  lower  in  YW than in YM (P < 0.01). (B) Corresponding compliance‐pressure  curves  in  YW  and  YM.  It  is  obvious  that  compliance  decreases  with  increasing  transmural  pressure  in  both  groups  (P  <  0.001).  Venous  compliance  was  greater  in  YM  at  lower  transmural  pressures (P < 0.05). * denotes sex‐related differences.  0 1 2 3 Cap aci ta nce respon se,  ca lf (m l/ 10 0m l) A Ven o us comp li ance , ca lf (m l/ 10 0m lmmH g ‐1) B 0 0.04 0.08 0.12 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0 ** * 0 1 2 3 Cap aci ta nce respon se,  ca lf (m l/ 10 0m l) A Ven o us comp li ance , ca lf (m l/ 10 0m lmmH g ‐1) B 0 0.04 0.08 0.12 0 0.04 0.08 0.12 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0 ** *

(31)

        Results 

Age-related effects on calf venous compliance and

capacitance (paper II)

Calf  capacitance  response  increased  with  increasing  LBNP  also  in  elderly  women (EW) (P < 0.0001), and was similar to calf capacitance response in YW  at  all  LBNP  level  and  overall  (Fig.  6  A).  The  rate  of  capacitance  response  development  (Cap 50)  was also  equal  at  all  LBNP  levels  in  EW and  YW.  Calf 

venous compliance was greater at small transmural pressures also in the EW  and decreased with increasing pressure (P < 0.001). No change in calf venous  compliance was seen with increasing age (Fig. 6 B). 

 

Figure 6. (A) Venous capacitance response in the calf in relation to 

transmural  pressure  changes  evoked  by  LBNP  in  elderly  women  (EW, black boxes, solid lines) and young women (YW, white dots,  dashed  lines),  mean±SE.  No  age‐related  difference  in  venous  capacitance  response  was  seen.  (B)  The  corresponding  venous  compliance‐pressure  curves  in  EW  and  YW.  No  age‐related  change in compliance was detected.      0 1 2 3 Capaci ta nce respon se,  ca lf (m l/ 10 0m l) A 0 0.02 0.06 0.10 V enous co mp li ance,  ca lf (m l/ 10 0m mm H g ‐1) B 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0 0 1 2 3 Capaci ta nce respon se,  ca lf (m l/ 10 0m l) A 0 0.02 0.06 0.10 V enous co mp li ance,  ca lf (m l/ 10 0m mm H g ‐1) B 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0 10 20 30 40 Transmural pressure (mmHg) 0

(32)

Sex-related differences in capillary fluid filtration and

capillary filtration coefficient (CFC) (paper I and III)

The net capillary fluid filtration in the calf increased with increasing LBNP in  both YW and YM (P < 0.0001), and was greater in YW at LBNP of 11 and 22 as  well as overall (P < 0.05, Fig. 7). CFC was unaffected by increasing transmural  pressure in both YW and YM, and was 0.0043±0.0002 in YW and 0.0036±0.0002  (ml/100ml min‐1 mmHg‐1) in YM, being greater in YW (P = 0.02).  Figure 7. Net capillary fluid filtration in the calf in response to LBNP  in young women (YW, white bars) and young men (YM, black bars),  mean±SE.  Net  fluid  filtration  was  larger  in  YW  at  LBNP  11  and  22  mmHg as well as overall (P < 0.05). * denotes sex‐related differences. 

Age-related differences in capillary fluid filtration and

CFC (paper II)

The  net  capillary  fluid  filtration  in  the  calf  increased  with  increasing  LBNP  also  in  EW  (P  <  0.0001).  Net  fluid  filtration  was  smaller  in  EW  than  YW  at  LBNP of 11 and 22 mmHg (each P < 0.001), but similar at LBNP of 44 mmHg  (P = 0.93, Fig. 8 A). In agreement, CFC was also reduced at LBNP of 11 and 22  mmHg  (each  P  <  0.001),  but  equal  at  higher  LBNP  (P  =  0.93).  CFC  was  dependent  on  the  prevailing  transmural  pressure  in  EW  (P  <  0.001)  and  increased  by  approximately  1/3  at  LBNP  of  44  mmHg  compared  with  lower  LBNP levels (P < 0.01), while CFC was pressure independent in YW (Fig. 8 B).   0 0.05 0.10 0.15 0.20 Capill ar y flui d  f il tra tio n , ca lf (m l/ 10 0m mi n ‐1) * * 11 22 44 LBNP (mmHg) * 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Capill ar y flui d  f il tra tio n , ca lf (m l/ 10 0m mi n ‐1) * * 11 22 44 LBNP (mmHg) 11 22 44 11 22 44 LBNP (mmHg) **

(33)

        Results 

Figure  8.  (A)  Net  capillary  fluid  filtration  in  the  calf  in  response  to  LBNP  in 

elderly  women  (EW,  black  bars)  and  young  women  (YW,  white  bars),  mean±SE.  Net  fluid  filtration  was  reduced  with  age  during  LBNP  11  and  22  mmHg (P < 0.001), but equal at LBNP 44 mmHg (P = 0.93). (B) Change in CFC  (%)  with  increasing  transmural  pressure  in  EW  (black  boxes,  solid  lines)  and  YW  (white  dots,  dashed  lines).  A  positive  association  between  CFC  and  transmural  pressure  was  found  in  EW  (P  <  0.001),  and  CFC  increased  1/3  at  high  transmural  pressure  in  EW  (P  <  0.01).  *  denotes  age‐related  differences,      † denotes change in CFC with increasing transmural pressure. 

The effect of capillary fluid filtration on

compliance calculations (paper I and II)

The  impact  of  capillary  fluid  filtration  on  calf  compliance  calculations  was  studied  using  either  calf  venous  capacitance  volume  (net  capillary  filtration  excluded)  or  total  calf  volume  (not  excluding  net  capillary  filtration)  in  the  volume‐pressure relationship. Either β1 or β2 were significantly affected by net 

capillary filtration in all groups studied (YW, YM and EW, Table 2).  CFC,  calf (%) ††† 80 100 120 140 160 B Transmural pressure (mmHg)0 10 20 30 40 A *** *** 11 22 44 LBNP (mmHg) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 C ap il lary flu id  fi ltr at io n , ca lf (m l/ 10 0m mi n ‐1) CFC,  calf (%) ††† 80 100 120 140 160 80 100 120 140 160 B Transmural pressure (mmHg)00 1010 2020 3030 4040 A *** *** 11 22 44 LBNP (mmHg) 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.05 0.10 0.15 0.20 C ap il lary flu id  fi ltr at io n , ca lf (m l/ 10 0m mi n ‐1) P 0.08 0.08 0.004 Parameter Group YW YM EW Ven cap 0.100 0.130 0.092 Total vol 0.124 0.149 0.094 Diff (%) ‐24 ‐15 ‐2 P 0.0001 0.02 0.73 Ven cap ‐0.0009 ‐0.0015 ‐0.0008 Total vol ‐0.0007 ‐0.0012 ‐0.0001 Diff (%) 22 21 87 β2

YW, young women; YM, young men; EW, elderly women. β1and β2are parameters of 

the  compliance  equation calculated  using either calf  venous  capacitance (Ven cap,  filtration excluded) or total calf volume increase (Total vol, filtration not excluded). Diff,  difference between β1and β2using Ven cap and Total vol in the compliance equation.

Table 2. The effects of net capillary fluid filtration on compliance calculations. β1 P 0.08 0.08 0.004 Parameter Group YW YM EW Ven cap 0.100 0.130 0.092 Total vol 0.124 0.149 0.094 Diff (%) ‐24 ‐15 ‐2 P 0.0001 0.02 0.73 Ven cap ‐0.0009 ‐0.0015 ‐0.0008 Total vol ‐0.0007 ‐0.0012 ‐0.0001 Diff (%) 22 21 87 β2

YW, young women; YM, young men; EW, elderly women. β1and β2are parameters of 

the  compliance  equation calculated  using either calf  venous  capacitance (Ven cap,  filtration excluded) or total calf volume increase (Total vol, filtration not excluded). Diff,  difference between β1and β2using Ven cap and Total vol in the compliance equation.

Table 2. The effects of net capillary fluid filtration on compliance calculations.

(34)

Total hypovolemic response (paper I-IV)

Total calf volume  increase  (i.e.  venous  capacitance  response +  total  filtration)  during LBNP was equivalent between YW and YM as well as YW and EW at  all LBNP levels (Table 3).  

 

Cardiovascular responses to acute hypovolemia

Assessment of arm capacitance response (paper III-IV)

The  initial  capacitance  response,  final  capacitance  response  as  well  as  net  capillary  fluid  absorption  were  measured  in  the  upper  arm  segment  in  response to LBNP (fig. 9). However, in many registrations there was a gradual  reduction of the capacitance response with time during LBNP (Fig. 9 B). To be  able to separate the capacitance response and fluid absorption and define the  initial  capacitance  also  in  these  curves,  the  following  assumptions  were  applied  in  all  registrations:  first,  the  maximal  arm  volume  reduction  during  the  first  two  min  of  LBNP  was  identified.  Then  the  total  net  capillary  fluid  absorption (4) was added, defining the total volume reduction at termination  of LBNP (X, Fig. 9 B). From X a tangent was drawn adjoining the lowest part  of  the  volume  curve  during  the  initial  two  min  of  LBNP,  defining  the  initial  capacitance response (Fig. 9 B).         Group YW YM EW 11 mmHg 1.00±0.05 1.16±0.09 0.90±0.08 22 mmHg 1.94±0.08 2.22±0.14 1.72±0.10 44 mmHg 3.47±0.11 3.77±0.20 3.30±0.14 Total calf volume increase Total calf volume increase (venous capacitance response + total  net  fluid  filtration)  in  response  to  LBNP  in  young  women  (YW),  young  men (YM)  and elderly women  (EW).  No  sex‐ or  age‐related differences were seen at any LBNP level. Table 3. Total calf volume increase Group YW YM EW 11 mmHg 1.00±0.05 1.16±0.09 0.90±0.08 22 mmHg 1.94±0.08 2.22±0.14 1.72±0.10 44 mmHg 3.47±0.11 3.77±0.20 3.30±0.14 Total calf volume increase Group YW YM EW 11 mmHg 1.00±0.05 1.16±0.09 0.90±0.08 22 mmHg 1.94±0.08 2.22±0.14 1.72±0.10 44 mmHg 3.47±0.11 3.77±0.20 3.30±0.14 Total calf volume increase Total calf volume increase (venous capacitance response + total  net  fluid  filtration)  in  response  to  LBNP  in  young  women  (YW),  young  men (YM)  and elderly women  (EW).  No  sex‐ or  age‐related differences were seen at any LBNP level.

(35)

        Results 

Figure 9. (A) Original tracing illustrating tissue volume changes in the upper arm 

of  a  22‐year‐old  man  during  hypovolemic  circulatory  stress  caused  by  8  min  of  LBNP  44  mmHg  (see  fig.  4  for  details).  (B)  Original  tracing  illustrating  tissue  volume changes in the upper arm during 8 min of LBNP 44 mmHg of a 21‐year‐ old  woman.  After  the  initial  capacitance  response  (mobilization  of  blood  to  the  central circulation), there is a gradual reduction of the capacitance during LBNP,  resulting in a decreased final capacitance response. See text for further details. 

Sex-related cardiovascular responses (paper III)

The  maximal  cardiac  and  peripheral  responses  to  8  min  of  LBNP  44  mmHg  can  be  seen  in  Table  4.  Changes  in  heart  rate  (HR)  and  blood  pressure  parameters were equal, while YW responded with smaller increase in forearm  vascular  resistance  (FVR),  but  with  increased  Plasma  Norepinephrine  (P‐NE)  (P < 0.05).         1.57 1.14 0.56

x

B LBNP LBNP 1.44; (1) 1.43; (3)  1.15; (4)  A 1 ml/100ml (2) (5) 1.57 1.14 0.56

x

B LBNP 1.57 1.14 0.56

x

B LBNP LBNP 1.44; (1) 1.43; (3)  1.15; (4)  A 1 ml/100ml (2) (5) Percentage of resting values, mean ± SE. YW, young women; YM, young men. HR, heart  rate;  SBP,  systolic  blood  pressure;  DBP,  diastolic  blood  pressure;  MAP,  mean  arterial  pressure;  PP,  pulse  pressure;  FVR,  forearm  vascular  resistance;  P‐NE,  plasma  Norepinephrine. * denotes sex‐related differences, P < 0.05. 

Group HR (%) SBP (%) DBP (%) MAP (%) PP (%) FVR (%) P‐NE (%)

YW 137±4 94±1 104±1 100±1 77±3 180±11* 189±16*

YM 135±4 94±1 109±2 102±1 74±3 255±39  133±9

Table 4. Maximal cardiovascular responses evoked by LBNP of 44 mmHg.

Percentage of resting values, mean ± SE. YW, young women; YM, young men. HR, heart  rate;  SBP,  systolic  blood  pressure;  DBP,  diastolic  blood  pressure;  MAP,  mean  arterial  pressure;  PP,  pulse  pressure;  FVR,  forearm  vascular  resistance;  P‐NE,  plasma  Norepinephrine. * denotes sex‐related differences, P < 0.05. 

Group HR (%) SBP (%) DBP (%) MAP (%) PP (%) FVR (%) P‐NE (%)

YW 137±4 94±1 104±1 100±1 77±3 180±11* 189±16*

YM 135±4 94±1 109±2 102±1 74±3 255±39  133±9

References

Related documents

The main findings of this study show that the criteria that mostly attracts companies to sponsor women in motorsport are media exposure, brand awareness and equality between

Second, to study lower limb venous volume load and cardiovascular responses during hypovolemic circulatory stress caused by lower body negative pressure (LBNP) in healthy women

kommer fram till att TPL kan vara ett alternativ så genomför man en analys av vilka TPL- företag som

Denna lag afser beredande af ändamålsenlig uppfostran åt barn under femton år, hvilka på grund af föräldrars eller målsmäns lastbarhet, vårdslöshet eller oförmåga att

Measurements of heart rate (HR), oxygen saturation (POX), systolic (SBP) and diastolic blood pressure (DBP) were made in rest before the exercise had started, instantly after the

The symptoms in focus were primarily neurological; effects on functioning involved physical capacity such as work ability and hand grip strength.. The first study

Thus, the aim of this systematic review is to compare the physiological responses and symptoms during activities involving the arms relative to activities involving the legs in

“What are the requirements for a robotic waiter to be implemented into a restaurant or a bar environment, and does our robot fit the prerequisites to be a part of a complete