Prediction of nocturnal ventilation by pulmonary function testing in patients with amyotrophic lateral sclerosis

Abstract

Background In amyotrophic lateral sclerosis (ALS) prognosis is poor due to progressive weakening of the respiratory muscles. Survival and quality of life can be improved by noninvasive ventilation (NIV), which is initially applied while sleeping. The indication for NIV is based on pulmonary function testing (PFT) and polysomnography (PSG) with capnography (tCO₂). While it is desirable to predict nocturnal ventilation by waking PFT in ALS, the parameters suited for reliable predictions remain elusive.

Methods We retrospectively analyzed parameters derived from PFT (spirometry, body plethysmography, diffusion capacity, respiratory muscle testing) and blood gas analysis, PSG and tCO₂ in 42 patients with ALS (27 men, 15 women, age 69 ± 12.1 years) and performed Spearman’s correlation analysis of daytime waking parameters and nighttime sleep parameters.

Results 28 patients (66.7%) showed restrictive impairment of ventilation and 15 patients (48.3%) showed insufficiency of the respiratory musculature. There was no obstructive impairment of ventilation. We did not observe any significant correlations between any single daytime PFT parameter with nocturnal pCO₂. However, there were significant correlations between the ratios PIF/PEF, MEF50/MIF50, DLCO/VA as well as FEV₁/FVC and nocturnal pCO₂. Highly normal FEV₁/FVC and Krogh-Factor (DLCOc/VA) indicated nocturnal hypercapnia. Furthermore, waking hypercapnia, concentrations of bicarbonate and base excess were each positively correlated with nocturnal hypercapnia.

Conclusions Waking PFT is not a good predictor of nocturnal ventilation. Inspiratory parameters as well as the ratios FEV₁/FVC and DLCO/VA performed best and should be included in the interpretation. Our analyses confirm the relevance of inspiratory muscle weakness in ALS. PSG and tCO₂ remain the gold standard for the assessment of nocturnal ventilation.

Zusammenfassung

Hintergrund Bei amyotropher Lateralsklerose (ALS) ist die Prognose aufgrund der fortschreitenden Insuffizienz der Atemmuskulatur begrenzt. Überleben und Lebensqualität können durch eine nicht-invasive Beatmung (NIV) verbessert werden, die zunächst nur nachts angewandt wird. Die Indikation zur NIV basiert auf der Lungenfunktionsprüfung (PFT) und der Polysomnografie (PSG) mit Kapnografie (tCO₂). Obwohl es wünschenswert wäre, die nächtliche Hypoventilation bei ALS durch PFT im Wachzustand vorherzusagen, sind die Parameter, die für eine zuverlässige Vorhersage geeignet sind, noch nicht bekannt.

Methoden Wir analysierten retrospektiv Parameter aus den PFT (Spirometrie, Bodyplethysmografie, Diffusionskapazität, Atemmuskulaturuntersuchungen) und der Blutgasanalyse, der PSG und tCO₂ bei 42 ALS-Patienten (27 Männer, 15 Frauen, Alter 69 ± 12,1 Jahre) und führten eine Spearman-Korrelationsanalyse der Wachparameter am Tag und der nächtlichen Parameter im Schlaf durch.

Ergebnisse 28 Patienten (66,7%) zeigten eine restriktive Ventilationsstörung und 15 Patienten (48,3%) eine Insuffizienz der Atemmuskulatur. Eine obstruktive Ventilationsstörung lag nicht vor. Wir konnten keine signifikanten Korrelationen zwischen einem einzelnen PFT-Parameter am Tag und den nächtlichen pCO₂-Werten feststellen. Allerdings gab es signifikante Korrelationen zwischen den Verhältnissen PIF/PEF, MEF50/MIF50, DLCO/VA sowie FEV₁/FVC und dem nächtlichen pCO₂. Hochnormale FEV₁/FVC und der Krogh-Faktor (DLCOc/VA) wiesen auf nächtliche Hyperkapnien hin. Außerdem waren eine Hyperkapnie im Wachzustand, die Bikarbonatkonzentration und der Basenüberschuss positiv mit nächtlicher Hyperkapnie korreliert.

Schlussfolgerungen Die Vorhersage der nächtlichen Ventilation durch den PFT im Wachzustand ist begrenzt. Inspiratorische Parameter sowie die Verhältnisse FEV₁/FVC und DLCO/VA schneiden am besten ab und sollten in die Interpretation einbezogen werden. Unsere Analysen bestätigen die Bedeutung der inspiratorischen Muskelschwäche bei ALS. PSG und tCO₂ bleiben der Goldstandard für die Beurteilung der nächtlichen Ventilation.

Keywords

amyotrophic lateral sclerosis - polysomnography - noninvasive ventilation - pulmonary function testing - nocturnal ventilation

Schlüsselwörter

Amyotrophe Lateralsklerose - Polysomnografie - nichtinvasive Ventilation - Lungenfunktionstestung - nächtliche Ventilation

• References

• 1 Sarasate M, González N, Córdoba-Izquierdo A. et al. Impact of Early Non-Invasive Ventilation in Amyotrophic Lateral Sclerosis: A multicenter Randomized Controlled Trial. J Neuromuscul Dis 2023; 10: 627-637
• 2 Morelot-Panzini C, Bruneteau G, Gonzalez-Bermejo J. NIV in amyotrophic lateral sclerosis: The ‘when’ and ‘how’ of the matter. Respirology 2019; 24: 521-530
• 3 Windisch W, Geiseler J, Simon K. on behalf of the Guideline Commission. et al. German National Guideline for Treating Chronic Respiratory Failure with Invasive and Non-Invasive Ventilation – Revised Edition 2017: Part 2. Respiration 2018; 96: 171-203
• 4 Böing S, Randerath WJ. Chronic hypoventilation syndromes and sleep-related hypoventilation. J Thorac Dis 2015; 7: 1273-1285
• 5 Lo Mauro A, Aliverti A. Physiology of respiratory disturbances in muscular dystrophies. Breathe (Sheff) 2016; 12: 318-327
• 6 Vasta R, Moglia C, Manera U. et al. What is amyotrophic lateral sclerosis prevalence?. Amyotroph Lateral Scler Frontotemporal Degener 2022; 23: 203-208
• 7 Chandrasoma B, Balfe D, Naik T. et al. Pulmonary function in patients with amyotrophic lateral sclerosis at disease onset. Monaldi Arch Chest Dis 2012; 77: 129-133
• 8 Steier J, Kaul S, Seymour J. et al. The value of multiple tests of respiratory muscle strength. Thorax 2007; 62: 975-980
• 9 Braun NM, Arora NS, Rochester DF. Respiratory muscle and pulmonary function in polymyositis and other proximal myopathies. Thorax 1983; 38: 616-623
• 10 Kreitzer SM, Saunders NA, Tyler HR. et al. Respiratory muscle function in amyotrophic lateral sclerosis. Am Rev Respir Dis 1978; 117: 437-447
• 11 Hughes JM, Pride NB. In defence of the carbon monoxide transfer coefficient Kco (TL/VA). Eur Respir J 2001; 17: 168-174
• 12 Petersson J, Glenny RW. Gas exchange and ventilation-perfusion relationships in the lung. Eur Respir J 2014; 44: 1023-1041
• 13 Carvalho M de, Swash M, Pinto S. Diaphragmatic Neurophysiology and Respiratory Markers in ALS. Front Neurol 2019; 10: 143
• 14 Vincken WG, Elleker MG, Cosio MG. Flow-volume loop changes reflecting respiratory muscle weakness in chronic neuromuscular disorders. Am J Med 1987; 83: 673-680
• 15 Trucco F, Pedemonte M, Fiorillo C. et al. Detection of early nocturnal hypoventilation in neuromuscular disorders. J Int Med Res 2018; 46: 1153-1161
• 16 Boentert M, Glatz C, Helmle C. et al. Prevalence of sleep apnoea and capnographic detection of nocturnal hypoventilation in amyotrophic lateral sclerosis. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2018; 89: 418-424
• 17 American Thoracic Society/European Respiratory Society. ATS/ERS Statement on respiratory muscle testing. Am J Respir Crit Care Med 2002; 166: 518-624