Air stacking: effects on pulmonary function in patients with spinal muscular atrophy and in patients with congenital muscular dystrophy.

OBJECTIVE: Respiratory complications are the main causes of morbidity and mortality in patients with neuromuscular disease (NMD). The objectives of this study were to determine the effects that routine daily home air-stacking maneuvers have on pulmonary function in patients with spinal muscular atrophy (SMA) and in patients with congenital muscular dystrophy (CMD), as well as to identify associations between spinal deformities and the effects of the maneuvers.
METHODS: Eighteen NMD patients (ten with CMD and eight with SMA) were submitted to routine daily air-stacking maneuvers at home with manual resuscitators for four to six months, undergoing pulmonary function tests before and after that period. The pulmonary function tests included measurements of FVC; PEF; maximum insufflation capacity (MIC); and assisted and unassisted peak cough flow (APCF and UPCF, respectively) with insufflations.
RESULTS: After the use of home air-stacking maneuvers, there were improvements in the APCF and UPCF. In the patients without scoliosis, there was also a significant increase in FVC. When comparing patients with and without scoliosis, the increases in APCF and UPCF were more pronounced in those without scoliosis.
CONCLUSIONS: Routine daily air-stacking maneuvers with a manual resuscitator appear to increase UPCF and APCF in patients with NMD, especially in those without scoliosis.

Introduction

Neuromuscular diseases (NMDs) are acquired or inherited conditions that affect parts of the neuromuscular system, such as skeletal muscles, peripheral motor nerves, neuromuscular junction, and motor neurons in the spinal cord.

Spinal muscular atrophy (SMA) is an autosomal recessive neurodegenerative disease of childhood characterized by degeneration and loss of lower motor neurons in the anterior horn cells of the spinal cord, causing progressive proximal weakness and atrophy of skeletal muscles.( 1 , 2 ) The cause of SMA is the homozygous mutation in the SMN1 gene, and SMA is usually classified as one of four types, according to the age at onset and the maximum function attained( 1 , 2 ): type I (onset within the first six months of life and inability to sit without support); type II (onset after six months of age and inability to walk unaided); type III (onset after the two years of age and ability to walk at some point in life); and type IV (onset in adulthood).

Some of the most common inherited muscle diseases include progressive muscular dystrophies (e.g., Duchenne muscular dystrophy and limb-girdle muscular dystrophy) and congenital muscular dystrophy (CMD), the latter comprising a clinically and genetically heterogeneous group of muscular dystrophies that present within the first two years of life, characterized by hypotonia, muscle weakness, delayed motor development, and contractures.( 3 ) The most common forms of CMD involve deficiency of merosin, collagen VI, selenoprotein-N1, and lamin A/C, as well as of the glycosyltransferases involved in the glycosylation of alpha-dystroglycan protein.( 3 )

The main causes of morbidity and mortality in patients with NMD are the pulmonary complications that result from respiratory muscle weakness.(4,5) Patients with NMD develop restrictive respiratory disorders caused by progressive weakening of the respiratory muscles and musculoskeletal deformities such as kyphoscoliosis.( 6 , 7 ) When NMD patients are unable to achieve an adequate PEF, they might also have impaired cough, as evidenced by a reduction in their peak cough flow (PCF), which results from inspiratory and expiratory muscle weakness.( 8 ) Ineffective cough (i.e., the inability to clear the airway by coughing) has been associated with PCF values of < 160 L/min.( 9 ) In addition, when the PCF is < 270 L/min, the risk of ineffective cough can increase during episodes of respiratory infection, impairing the removal of secretions and proper airway clearance, which can lead to respiratory failure.( 5 , 9 , 10 )

The maintenance of respiratory capacity is essential for the survival of patients with NMD, including those with minimal lung capacity. Therefore, it is relevant to investigate the effectiveness of air stacking, a technique that provides cough assistance, promoting improvement in respiratory capacity, as well as to helping reduce the risk of respiratory infections. The aim of this study was to determine the effects of routine daily air-stacking maneuvers on pulmonary function in patients with SMA or CMD. In addition, we aimed to identify associations between spine deformities and the effects of air stacking.

Methods

In this longitudinal, uncontrolled study, we evaluated NMD patients treated at the NMD Outpatient Clinic of the University of São Paulo School of Medicine Hospital das Clínicas between February 2010 and August 2011. The diagnosis of CMD was confirmed by muscle biopsy, whereas that of SMA was confirmed by molecular testing. The inclusion criteria were showing an FVC < 90% of the predicted value, being over 6 years of age, never having been submitted to air-stacking maneuvers, and presenting with a level of cognition sufficient to understand the procedures that were to be performed. The exclusion criteria were having a concomitant lung disease, having a respiratory infection on the day of the assessment, having had a tracheostomy or being on noninvasive ventilation for more than 15 h/day, and using sedatives. Before and after the period of routine daily home air-stacking maneuvers, all patients underwent pulmonary function tests and were classified as underweight, normal, overweight, or obese, according to their body mass index (BMI).

The study was approved by the Research Ethics Committee of the Hospital das Clínicas (Protocol no. 0087/09). All participating patients or their legal guardians gave written informed consent.

Evaluation of pulmonary function

All pulmonary function tests were performed by the same respiratory therapist, who used a pneumotachograph and a spirometer (Spirolab II; Medical International Research, Rome, Italy) to measure FVC, PEF, PCF, and assisted PCF (APCF, assisted by air stacking to the maximum pulmonary volume with a manual resuscitator), in randomized order and in accordance with the Brazilian Thoracic Association Guidelines for Pulmonary Function Tests.( 11 ) All measurements were performed with the subject in a seated position, with the head in a neutral position. The subject wore a face mask that covered the nose and mouth, connected to the pneumotachograph and the spirometer. Patients were asked to inhale as deeply as possible, then perform a forced expiratory maneuver down to residual volume and sustain that for at least three seconds. Three measurements were taken, and the best of the three was considered in the analyses, as long as the difference between any two of the three measurements was no more than 0.15 L. For each subject, we obtained at least three measurements with three acceptable curves and two reproducible curves per measurement. From those curves, we computed the values of FVC and PEF. Predicted values were calculated with the reference equations for spirometry in Brazil, which vary according to gender and age bracket (6-13 years; 14-19 years; and ≥ 20 years).( 12 - 16 ) Unassisted PCF (UPCF) was measured with the subject in a seated position, wearing a face mask that covered the nose and mouth; the subject was asked to perform a maximal inspiration followed by a cough. A maximum of six coughs or attempts to cough were allowed, and the best value obtained was considered in the analyses, as long as the difference between any two of the three measurements was no more than 20 L/min.

Determination of maximum insufflation capacity

Using a manual resuscitator, we determined the maximum insufflation capacity (MIC) after air stacking from the volume delivered to the patient via a face mask connected to the pneumotachograph and the spirometer. We performed three consecutive manual insufflations while requesting that the patient take a deep breath and hold it (with a closed glottis), stacking breaths to achieve the MIC. During each insufflation, the examiner used a thumb to block the valve of the air outlet of the T-piece of the resuscitator. At the end of each insufflation, the thumb was removed and the patient exhaled the maximal volume of held air into the system, which measured the MIC. We determined the APCF by following that same protocol, except for the last step, in which, rather than exhaling, the patient was asked to cough and the PCF was recorded. The highest of the PCFs recorded in a maximum of six coughs or attempts to cough was considered in the analyses.

Air stacking protocol

All patients received a manual resuscitator with an attached face mask of a size proportional to the face of the patient, in order to perform the routine daily air-stacking maneuvers at home for four to six months, the duration depending on the time since the last evaluation. At the NMD Outpatient Clinic, patients and caregivers were trained in the air-stacking technique and were instructed to perform the maneuvers with the patient in a sitting position, the caregiver positioned behind the patient, and the mask connected to the manual resuscitator. The prescribed daily regimen was 10 series of three to four consecutive manual insufflations, the patient taking deep, sustained breaths (held with a closed glottis) during each series. The patients were instructed to hold the total volume (after the final insufflation) for eight seconds and then exhale. The patients and caregivers were instructed to divide the exercises into three sessions per day, to be performed in the morning, afternoon, and evening.

Statistical analysis

All data were analyzed with GraphPad Prism software, version 5.0 (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, USA). The anthropometric characteristics were expressed as mean ± standard deviation. All numeric variables of the study were subjected to the D'Agostino-Pearson normality test. The pre- and post-training anthropometric and spirometric data were compared with Student's t-tests. Comparisons regarding different parameters were analyzed with unpaired Student's t-tests, as were comparisons between the patients with and without scoliosis. We also employed Pearson's correlation coefficients to investigate associations between UPCF and FVC; between UPCF and MIC; between PEF and MIC; and between the MIC-FVC difference (ΔMIC-FVC) and the APCF-UPCF difference (ΔAPCF-UPCF). In all cases, the level of significance was p < 0.05.

Results

We recruited 22 patients with NMD. Three patients were lost to follow-up, and another was excluded because of respiratory complications that led to the need for tracheostomy. Therefore, the final sample comprised 18 patients (10 females and 8 males; 7-23 years of age), all of whom completed the respiratory evaluations. Ten patients were diagnosed with CMD, 4 were diagnosed with SMA type II, and 4 were diagnosed with SMA type III.

The mean ages and anthropometric characteristics of the patients, before and after the training, are shown, by diagnosis, in Table 1. There was a statistically significant post-training increase in the mean height of the patients. The mean BMI of the patients did not change. Six patients who were under 20 years of age presented alterations in BMI-4 were underweight, 1 was obese, and 1 was overweight. Two patients who were over 20 years of age were underweight. Nine patients were found to have structural scoliosis. None of the patients had undergone any kind of respiratory therapy or had been on noninvasive ventilation prior to enrollment in the study.

Table 1

Ages and anthropometric data for 18 patients with neuromuscular diseases, before and after the training (4-6 months of routine daily home air-stacking maneuvers).a

Characteristic	Pre-training	Post-training
Age (years)	15.39 ± 5.50	15.72 ± 5.37
Height (cm)	151.7 ± 14.82	152.6 ± 14.78*
Weight (Kg)	40.50 ± 10.26	40.78 ± 10.20
BMI	17.65 ± 4.16	17.60 ± 4.23

BMI: body mass index

Data are presented as mean ± SD

p < 0.05 vs. pre-training (paired Student's t-test).

Pulmonary function variables

In terms of the pulmonary function variables, there were no statistical differences between the SMA and CMD groups, before or after the training (Table 2). In the sample as a whole, the mean values for FVC, MIC, and PEF did not differ significantly between the pre- and post-training periods, although there were significant post-training increases in the mean UPCF and mean APCF (Table 3). The increases in UPCF and APCF were less pronounced in the patients with scoliosis than in those without. In addition, there was a significant post-training increase in the mean FVC of the patients without scoliosis, whereas no such increase was observed in the patients with scoliosis (Table 4).

Table 2

Pulmonary function variables in 18 patients with neuromuscular diseases, before and after the training (4-6 months of routine daily home air-stacking maneuvers), by diagnosis.

Variable	Pre-training		Post-training
	SMA	CMD	SMA	CMD
	(n = 8)	(n = 10)	(n = 8)	(n = 10)
FVC (L)	1.818 ± 0.652	1.758 ± 0.580*	1.835 ± 0.625	1.824 ± 0.668*
MIC (L)	2.044 ± 0.732	2.047 ± 0.585*	2.084 ± 0.676	2.036 ± 0.706*
UPCF (L/min)	237.30 ± 85.48	274.10 ± 84.10*	261.90 ± 75.19	290.80 ± 102.80*
APCF (L/min)	248.40 ± 73.86	292.20 ± 313.3*	283.10 ± 85.16	313.30 ± 110.10*

SMA: spinal muscular atrophy; CMD: congenital muscular dystrophy; MIC: maximum insufflation capacity; UPCF: unassisted peak cough flow; and APCF: assisted peak cough flow

Data are presented as mean ± SD

p > 0.05 vs. SMA (unpaired Student's t-test).

Table 3

Pulmonary function variables in 18 patients with neuromuscular diseases, before and after the training (4-6 months of routine daily home air-stacking maneuvers).

Variable	Pre-training	Post-training
FVC (L)	1.784 ± 0.595	1.829 ± 0.631
MIC (L)	2.046 ± 0.634	2.057 ± 0.673
PEF (L/min)	175.80 ± 89.04	191.3 ± 96.90
UPCF (L/min)	257.80 ± 84.31	277.90 ± 90.24*
APCF (L/min)	272.70 ± 82.92	299.80 ± 98.19*

MIC: maximum insufflation capacity; UPCF: unassisted peak cough flow; and APCF: assisted peak cough flow. aData are presented as mean ± SD

p < 0.0001 vs. pre-training (paired Student's t-test).

Table 4

Pulmonary function variables in 18 patients with neuromuscular diseases, with and without scoliosis, before and after the training (4-6 months of routine daily home air-stacking maneuvers).a

Variable	Pre-training		Post-training
	Without scoliosis	With scoliosis	Without scoliosis	With scoliosis
	(n = 9)	(n = 9)	(n = 9)	(n = 9)
FVC (L)	2.10 ± 0.332	1.469 ± 0.646	2.191 ± 0.315*	1.467 ± 0.672
MIC (L)	2.357 ± 0.323	1.734 ± 0.729	2.409 ± 0.278	1.706 ± 0.778
UPCF (L/min)	295.50 ± 54.99	220 ± 94.19	315.60 ± 51.50†	240.30 ± 107.10
APCF (L/min)	299.10 ± 57.56	246.30 ± 98.65	334.80 ± 52.16‡	264.90 ± 122.5

MIC: maximum insufflation capacity; UPCF: unassisted peak cough flow; and APCF: assisted peak cough flow

Data are presented as mean ± SD

p < 0.05 vs. pre-training (paired Student's t-test)

p < 0.01 vs. pre-training (paired Student's t-test)

p < 0.0001 vs. pre-training (paired Student's t-test).

As depicted in Figure 1, a comparison analysis of the pre-training data revealed a correlation between UPCF and FVC; between UPCF and MIC; between PEF and MIC; and between ΔAPCF-UPCF and ΔMIC-FVC (Figure 1).

Figure 1

Correlation analysis of pre-training data. UPCF: unassisted peak cough flow; MIC: maximum insufflation capacity; APCF: assisted peak cough flow; ?APCF-UPCF: difference between APCF and UPCF; and ?MIC-FVC: difference between MIC and FVC.

Discussion

While it was not possible to verify adherence to the regimen of routine daily home air-stacking maneuvers, we observed increases in UPCF and APCF among NMD patients for whom such exercises were prescribed. We also observed an increase in FVC among the patients without scoliosis. In addition, the increases in UPCF and APCF were much less pronounced in the patients with scoliosis than in those without.

Patients with NMD show a decrease in muscle strength and consequently lose the ability to take spontaneous deep breaths. Therefore, these patients initially develop microatelectasis and eventually develop permanent pulmonary restriction.( 17 ) The ability to cough efficiently is correlated with the clearance of airway secretions. Patients who are unable to perform air-stacking maneuvers effectively can take deep breaths with the aid of a volumetric ventilator at a pressure of 40 cmH2O. Thus, through regular maximal insufflations, it is possible to increase the MIC and dynamic lung compliance.( 10 ) The availability of such devices facilitates the care of patients with NMD, even at the early stages of respiratory muscle impairment, because the assisted maneuvers or the PCF produced with the aid of these devices are ideal for the mechanical reproduction of a cough. However, their high cost limits the ability of patients to acquire such instruments.

Assisted cough techniques have been shown to be critical in preventing episodes of respiratory failure that lead to hospitalization and the need for tracheostomy in patients with NMD.( 4 ) However, only a few studies have investigated the effects of air-stacking maneuvers on the pulmonary function of patients with NMD,( 10 , 18 , 19 ) and there have been no reports of previous studies employing this methodology in patients with CMD.

In the present study, the PCF was higher after the training. The steady expansion of the lungs with daily deep breaths not only improves inspiratory capacity, but also allows for increased lung distension and more efficient gas exchange; this offers better ventilation to the lungs and increases the volume of voice and PCF, leading to a reduction in microatelectasis and an improvement in lung compliance.( 8 , 10 , 20 - 22 ) Although the spirometry maneuvers employed in order to assess PEF and PCF are similar, each requires a different combination of respiratory muscle groups. The closing of the glottis increases the transpulmonary pressure created by coughing. However, the effectiveness of a cough depends on the PCF, which is greater if the airways are narrowed during coughing; this is more effective in removing secretions than is simply performing a forced expiratory maneuver.( 23 )

Patients with NMD also show a decrease in FVC-a marker of the development and progression of the disease-due to progressive weakening of the respiratory muscles and to spinal deformities, which leads to decreased volumes and reduced lung expansion.( 6 , 20 , 24 ) The benefits of air-stacking maneuvers in patients with diminished FVC were demonstrated by Bach et al.( 20 ) During the short period of training evaluated in the present study, no improvement of FVC was noted for the sample as a whole. However, there was a significant post-training improvement in FVC in the subgroup of patients without scoliosis. This finding suggests that chest deformities not only impair lung function( 25 , 26 ) but also have a negative effect on the response to air-stacking exercises.

In the present study, we found that PCF correlated with FVC and MIC. Effective PCF and PEF both require high lung volumes, which explains their good correlation with FVC and MIC. The correlation between UPCF and MIC, as well as the correlation between ΔAPCF-UPCF and ΔMIC-FVC, is explained by their dependence on bulbar innervated muscles and on the integrity of the glottic function. The PCF is also dependent on the permeability of the hypopharynx being maintained by innervation of the bulbar muscles of the hypopharyngeal musculature.( 27 - 29 ) In addition, glottic function is the most important factor in protecting the airways and maintaining cough efficacy in patients with NMD.( 10 )

The present study has some significant limitations, such as the heterogeneity and small size of the patient sample, the difficulty that younger patients have in performing air-stacking maneuvers, the unsupervised nature of the home application of the maneuvers, the lack of comparisons between APCF and abdominal thrust, and the lack of a control group (due to ethical issues). Nevertheless, we can conclude that home air-stacking maneuvers should be prescribed for patients with NMD, in order to increase their PCF.

Introdução

As doenças neuromusculares (DNM) são doenças adquiridas ou hereditárias que afetam partes do sistema neuromuscular, tais como músculos esqueléticos, nervos motores periféricos, junção neuromuscular, e neurônios motores da medula espinhal.

A amiotrofia espinhal (AE) é uma doença neurodegenerativa autossômica recessiva da infância; caracteriza-se pela degeneração e perda de neurônios motores inferiores nas células do corno anterior da medula espinhal e causa fraqueza proximal progressiva e atrofia muscular esquelética.( 1 , 2 ) A AE é causada pela mutação em homozigose no gene SMN1 e é geralmente classificada em quatro tipos, de acordo com a idade de início e a função máxima alcançada( 1 , 2 ): tipo I (início nos primeiros seis meses de vida e incapacidade de se sentar sem apoio); tipo II (início depois de seis meses de idade e incapacidade de andar sem ajuda); tipo III (início depois de dois anos de idade e capacidade de andar em algum momento da vida) e tipo IV (início na idade adulta).

Dentre as doenças musculares hereditárias mais comuns estão distrofias musculares progressivas (como, por exemplo, a distrofia muscular de Duchenne e a distrofia muscular de cinturas) e a distrofia muscular congênita (DMC), que compreende um grupo clinicamente e geneticamente heterogêneo de distrofias musculares que surgem nos dois primeiros anos de vida e que se caracteriza por hipotonia, fraqueza muscular, desenvolvimento motor atrasado e contraturas.( 3 ) As formas mais comuns de DMC envolvem deficiência de merosina, colágeno VI, selenoproteína-N1 e lamina A/C, bem como das glicosiltransferases envolvidas na glicosilação da proteína alfa-distroglicana.( 3 )

As principais causas de morbidade e mortalidade em pacientes com DNM são as complicações pulmonares resultantes da fraqueza muscular respiratória.( 4 , 5 ) Pacientes com DNM apresentam doenças respiratórias restritivas causadas pelo enfraquecimento progressivo dos músculos respiratórios e por deformidades musculoesqueléticas tais como a cifoescoliose.( 6 , 7 ) Quando pacientes com DNM são incapazes de alcançar um PFE adequado, é possível que apresentem também tosse prejudicada, evidenciada pela redução do pico de fluxo da tosse (PFT), que resulta da fraqueza muscular inspiratória e expiratória.( 8 ) Estabeleceu-se uma relação entre a tosse ineficaz (isto é, a incapacidade de desobstruir a via aérea por meio da tosse) e valores de PFT < 160 L/min.( 9 ) Além disso, quando o PFT é < 270 L/min, o risco de tosse ineficaz pode aumentar durante episódios de infecção respiratória, prejudicando a remoção de secreções e a desobstrução adequada das vias aéreas, o que pode levar a insuficiência respiratória.( 5 , 9 , 10 )

A manutenção da capacidade respiratória é essencial para a sobrevivência de pacientes com DNM, inclusive daqueles com capacidade pulmonar mínima. Portanto, é relevante investigar a eficácia do empilhamento de ar, uma técnica de assistência à tosse que melhora a capacidade respiratória e ajuda a reduzir o risco de infecções respiratórias. O objetivo deste estudo foi determinar os efeitos de manobras diárias de empilhamento de ar na função pulmonar de pacientes com AE ou DMC. Além disso, buscamos identificar associações entre deformidades da coluna vertebral e os efeitos do empilhamento de ar.

Métodos

Neste estudo longitudinal não controlado, avaliamos pacientes com DNM atendidos no Ambulatório de DNM do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo entre fevereiro de 2010 e agosto de 2011. O diagnóstico de DMC foi confirmado por meio de biópsia muscular, ao passo que o de AE foi confirmado por meio de teste molecular. Os critérios de inclusão foram CVF < 90% do previsto, idade > 6 anos, nunca ter realizado manobras de empilhamento de ar e apresentar um nível de cognição suficiente para compreender os procedimentos que seriam realizados. Os critérios de exclusão foram doença pulmonar concomitante, infecção respiratória no dia da avaliação, traqueostomia ou ventilação não invasiva durante mais de 15 h/dia e uso de sedativos. Antes e depois do período de manobras de empilhamento de ar realizadas diariamente em casa, todos os pacientes foram submetidos a testes de função pulmonar e foram classificados em abaixo do peso, normais, acima do peso ou obesos, de acordo com seu índice de massa corporal (IMC).

O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa do Hospital das Clínicas (Protocolo no. 0087/09). Todos os participantes ou responsáveis assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido.

Avaliação da função pulmonar

Todos os testes de função pulmonar foram realizados pelo mesmo fisioterapeuta respiratório, que usou um pneumotacógrafo e um espirômetro (Spirolab II; Medical International Research, Roma, Itália) para medir a CVF, o PFE, o PFT e o PFT assistido (PFTASS, assistido por empilhamento de ar até o volume pulmonar máximo com um ressuscitador manual), em ordem aleatória e de acordo com as Diretrizes para Testes de Função Pulmonar da Sociedade Brasileira de Pneumologia e Tisiologia.( 11 ) Todas as medições foram realizadas com os pacientes sentados, com a cabeça em posição neutra. Os pacientes usavam uma máscara facial que cobria o nariz e a boca e se conectava ao pneumotacógrafo e ao espirômetro. Os pacientes eram instruídos a inspirar o mais profundamente possível e, em seguida, executar uma manobra expiratória forçada até o volume residual e mantê-la durante pelo menos três segundos. Foram realizadas três medições, e a melhor das três foi usada nas análises, contanto que a diferença entre quaisquer duas das três medições não fosse maior que 0.1.5 L. Para cada paciente, foram obtidas pelo menos três medidas com três curvas aceitáveis e duas curvas reprodutíveis por medição. A partir dessas curvas, foram computados os valores de CVF e PFE. Os valores previstos foram calculados por meio das equações de referência para a espirometria no Brasil, que variam de acordo com o gênero e a faixa etária (6-13 anos; 14-19 anos e ≥ 20 anos).( 12 - 16 ) O PFT não assistido (PFTNA) foi medido com os pacientes sentados e usando uma máscara facial que cobria o nariz e a boca; os pacientes eram instruídos a realizar uma inspiração máxima seguida de uma tosse. Foram permitidas no máximo seis tosses ou tentativas de tosse, e o melhor valor obtido foi usado nas análises, contanto que a diferença entre quaisquer duas das três medidas não fosse maior que 20 L/min.

Determinação da capacidade de insuflação máxima

Usando um ressuscitador manual, determinamos a capacidade de insuflação máxima (CIM) após o empilhamento de ar a partir do volume fornecido ao paciente por meio de uma máscara facial conectada ao pneumotacógrafo e ao espirômetro. Foram realizadas três insuflações manuais consecutivas enquanto o paciente inspirava profundamente e prendia a respiração (com a glote fechada), empilhando o ar para alcançar a CIM. Durante cada insuflação, o examinador usava um polegar para bloquear a válvula da saída de ar do tubo T do ressuscitador. No fim de cada insuflação, o polegar era removido e o paciente expirava o volume máximo de ar, até então preso, para dentro do sistema, que media a CIM. Determinamos o PFTASS seguindo esse mesmo protocolo, à exceção do último passo, no qual, em vez de expirar, o paciente era orientado a tossir e o PFT era registrado. O maior dos PFT registrados em no máximo seis tosses ou tentativas de tosse foi usado nas análises.

Protocolo de empilhamento de ar

Todos os pacientes receberam um ressuscitador manual conectado a uma máscara facial de tamanho proporcional à face do paciente, a fim de realizar as manobras diárias de empilhamento de ar em casa durante quatro a seis meses; a duração dependia do tempo decorrido desde a última avaliação. No Ambulatório de DNM, os pacientes e cuidadores receberam treinamento para realizar a técnica de empilhamento de ar e foram instruídos a realizar as manobras com o paciente sentado e o cuidador posicionado atrás do paciente, e a máscara conectada ao ressuscitador manual. O regime diário prescrito foi de 10 séries de três a quatro insuflações manuais consecutivas, com o paciente realizando inspirações profundas e mantendo a respiração presa com a glote fechada durante cada série. Os pacientes foram instruídos a prender o volume total (após a insuflação final) durante oito segundos e então expirar. Os pacientes e cuidadores foram instruídos a dividir os exercícios em três sessões por dia (manhã, tarde e noite).

Análise estatística

Todos os dados foram analisados com o programa GraphPad Prism, versão 5.0 (GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, EUA). As características antropométricas foram expressas em média ± desvio-padrão. Todas as variáveis numéricas do estudo foram submetidas ao teste de normalidade de D'Agostino-Pearson. Os dados antropométricos e espirométricos pré e pós-treinamento foram comparados por meio de testes-t de Student. Comparações de diferentes parâmetros foram analisadas por meio de testes-t de Student não pareados, assim como o foram as comparações dos pacientes com e sem escoliose. Foram também empregados coeficientes de correlação de Pearson para investigar associações entre PFTNA e CVF; entre PFTNA e CIM; entre PFE e CIM e entre a diferença entre CIM e CVF (ΔCIM-CVF) e a diferença entre PFTASS e PFTNA (ΔPFTASS-PFTNA). Em todos os casos, o nível de significância foi de p < 0,05.

Resultados

Foram recrutados 22 pacientes com DNM. Três pacientes foram perdidos, e outro foi excluído em virtude de complicações respiratórias que levaram à necessidade de traqueostomia. Portanto, a amostra final consistiu em 18 pacientes (10 mulheres e 8 homens; 7-23 anos de idade), todos os quais completaram as avaliações respiratórias. Dez pacientes receberam diagnóstico de DMC, 4 receberam diagnóstico de AE tipo II e 4 receberam diagnóstico de AE tipo III.

As médias de idade e as características antropométricas dos pacientes, antes e depois do treinamento, são apresentadas, por diagnóstico, na Tabela 1. Depois do treinamento, houve um aumento significativo da média de altura dos pacientes. A média do IMC dos pacientes não se alterou. Seis pacientes com menos de 20 anos de idade apresentaram alterações no IMC - 4 estavam abaixo do peso, 1 era obeso e um estava acima do peso. Dois pacientes com mais de 20 anos de idade estavam abaixo do peso. Nove pacientes apresentavam escoliose estrutural. Nenhum dos pacientes havia sido submetido a qualquer tipo de fisioterapia respiratória ou recebera ventilação não invasiva antes da inclusão no estudo.

Tabela 1

Idades e dados antropométricos de 18 pacientes com doenças neuromusculares, antes e depois do treinamento (4-6 meses de manobras de empilhamento de ar realizadas diariamente em casa).a

Característica	Pré-treinamento	Pós-treinamento
Idade (anos)	15,39 ± 5,50	15,72 ± 5,37
Estatura (cm)	151,7 ± 14,82	152,6 ± 14,78*
Peso (kg)	40,50 ± 10,26	40,78 ± 10,20
IMC	17,65 ± 4,16	17,60 ± 4,23

IMC: índice de massa corporal. aDados apresentados na forma de média ± dp

p < 0,05 vs. pré-treinamento (teste t de Student pareado).

Variáveis de função pulmonar

No tocante às variáveis de função pulmonar, não houve diferenças estatísticas entre os grupos AE e DMC, antes ou depois do treinamento (Tabela 2). Na amostra como um todo, não houve diferenças significativas entre as médias de CVF, CIM e PFE pré e pós- treinamento, embora tenha havido aumentos significativos das médias de PFTNA e PFTASS depois do treinamento (Tabela 3). Os aumentos de PFTNA e PFTASS foram menos pronunciados nos pacientes com escoliose do que naqueles sem o desvio. Além disso, depois da intervenção, houve um aumento significativo da média da CVF dos pacientes sem escoliose, o qual não foi observado nos pacientes com escoliose (Tabela 4).

Tabela 2

Variáveis de função pulmonar em 18 pacientes com doenças neuromusculares, antes e depois do treinamento (4-6 meses de manobras de empilhamento de ar realizadas diariamente em casa), por diagnóstico.

Variável	Pré-treinamento		Pós-treinamento
	AE	DMC	AE	DMC
	(n = 8)	(n = 10)	(n = 8)	(n = 10)
CVF (L)	1,818 ± 0,652	1,758 ± 0,580*	1,835 ± 0,625	1,824 ± 0,668*
CIM (L)	2,044 ± 0,732	2,047 ± 0,585*	2,084 ± 0,676	2,036 ± 0,706*
PFTNA (L/min)	237,30 ± 85,48	274,10 ± 84,10*	261,90 ± 75,19	290,80 ± 102,80*
PFTASS (L/min)	248,40 ± 73,86	292,20 ± 313,3*	283,10 ± 85,16	313,30 ± 110,10*

AE: amiotrofia espinhal; DMC: distrofia muscular congênita; CIM: capacidade de insuflação máxima; PFTNA: pico de fluxo da tosse não assistido; e PFTASS: pico de fluxo da tosse assistido

Dados apresentados na forma de média ± dp

p > 0,05 vs. AE (teste t de Student não pareado).

Tabela 3

Variáveis de função pulmonar em 18 pacientes com doenças neuromusculares, antes e depois do treinamento (4-6 meses de manobras de empilhamento de ar realizadas diariamente em casa).

Variável	Pré-treinamento	Pós-treinamento
CVF (L)	1,784 ± 0,595	1,829 ± 0,631
CIM (L)	2,046 ± 0,634	2,057 ± 0,673
PFE (L/min)	175,80 ± 89,04	191,3 ± 96,90
PFTNA (L/min)	257,80 ± 84,31	277,90 ± 90,24*
PFTASS (L/min)	272,70 ± 82,92	299,80 ± 98,19*

CIM: capacidade de insuflação máxima; PFTNA: pico de fluxo da tosse não assistido; e PFTASS: pico de fluxo da tosse assistido

Dados apresentados na forma de média ± dp

p < 0,0001 vs. pré-treinamento (teste t de Student pareado).

Tabela 4

Variáveis de função pulmonar em 18 pacientes com doenças neuromusculares, com e sem escoliose, antes e depois do treinamento (4-6 meses de manobras de empilhamento de ar realizadas diariamente em casa).a

Variável	Pré-treinamento		Pós-treinamento
	Sem escoliose	Com escoliose	Sem escoliose	Com escoliose
	(n = 9)	(n = 9)	(n = 9)	(n = 9)
CVF (L)	2,10 ± 0,332	1,469 ± 0,646	2,191 ± 0,315*	1,467 ± 0,672
CIM (L)	2,357 ± 0,323	1,734 ± 0,729	2,409 ± 0,278	1,706 ± 0,778
PFTNA (L/min)	295,50 ± 54,99	220 ± 94,19	315,60 ± 51,50†	240,30 ± 107,10
PFTASS (L/min)	299,10 ± 57,56	246,30 ± 98,65	334,80 ± 52,16‡	264,90 ± 122,5

CIM: capacidade de insuflação máxima; PFTNA: pico de fluxo da tosse não assistido; e PFTASS: pico de fluxo da tosse assistido. aDados apresentados na forma de média ± dp

p < 0,05 vs. pré-treinamento (teste t de Student pareado)

p < 0,01 vs. pré-treinamento (teste t de Student pareado)

p < 0,0001 vs. pré-treinamento (teste t de Student pareado).

Como mostra a Figura 1, uma análise comparativa dos dados pré-treinamento revelou correlações entre PFTNA e CVF; entre PFTNA e CIM; entre PFE e CIM; e entre ΔPFTASS- PFTNA e ΔCIM-CVF (Figura 1).

Figura 1

Análise de correlação de dados no pré-treinamento. PFTNA: pico de fluxo da tosse não assistido; CIM: capacidade de insuflação máxima; PFTASS: pico de fluxo da tosse assistido; ?PFTASS-PFTNA: diferença entre PFTASS e PFTNA; e ?CIM-CVF: diferença entre CIM e CVF.

Discussão

Embora não tenha sido possível verificar a adesão ao regime de manobras domiciliares diárias de empilhamento de ar, observamos aumentos de PFTNA e PFTASS em pacientes com DNM para os quais esses exercícios foram prescritos. Observamos também um aumento da CVF nos pacientes sem escoliose. Além disso, os aumentos de PFTNA e PFTASS foram muito menos pronunciados nos pacientes com escoliose do que naqueles sem o desvio.

Pacientes com DNM apresentam força muscular reduzida e, consequentemente, perdem a capacidade de respirar fundo espontaneamente. Portanto, esses pacientes inicialmente apresentam microatelectasias e, finalmente, restrição pulmonar permanente.( 17 ) A capacidade de tossir eficientemente correlaciona-se com a depuração de secreções das vias aéreas. Os pacientes que não são capazes de realizar manobras de empilhamento de ar de maneira eficaz podem respirar profundamente com o auxílio de um ventilador volumétrico a 40 cmH2O de pressão. Assim, por meio de insuflações máximas regulares, é possível aumentar a CIM e a complacência pulmonar dinâmica.( 10 ) A disponibilidade desses dispositivos facilita a assistência a pacientes com DNM, mesmo nos estágios iniciais de comprometimento da musculatura respiratória, pois as manobras assistidas ou o PFT produzido com a ajuda desses dispositivos são ideais para a reprodução mecânica da tosse. No entanto, o elevado custo limita a capacidade dos pacientes de adquirir tais instrumentos.

Demonstrou-se que técnicas de tosse assistida são fundamentais para prevenir episódios de insuficiência respiratória que levam a hospitalização e à necessidade de traqueostomia em pacientes com DNM.( 4 ) No entanto, apenas alguns estudos investigaram os efeitos das manobras de empilhamento de ar na função pulmonar de pacientes com DNM,( 10 , 18 , 19 ) e não há relatos de estudos anteriores que tenham empregado essa metodologia em pacientes com DMC.

No presente estudo, o PFT foi maior após o treinamento. A constante expansão dos pulmões com respirações profundas diárias não só melhora a capacidade inspiratória, mas também permite maior distensão pulmonar e troca gasosa mais eficiente; isso propicia melhor ventilação para os pulmões e aumenta o volume da voz e o PFT, levando a uma redução das microatelectasias e a uma melhora na complacência pulmonar. ( 8 , 10 , 20 - 22 ) Embora as manobras espirométricas empregadas a fim de avaliar o PFE e o PFT sejam semelhantes, cada uma delas requer uma combinação diferente de grupos de músculos respiratórios. O fechamento da glote aumenta a pressão transpulmonar criada pela tosse. No entanto, a eficácia da tosse depende do PFT, que é maior se as vias aéreas se estreitam durante a tosse; isso é mais eficaz na remoção de secreções do que simplesmente realizar uma manobra expiratória forçada.( 23 )

Pacientes com DNM apresentam também uma diminuição da CVF - um marcador do surgimento e da progressão da doença - em virtude do enfraquecimento progressivo dos músculos respiratórios e de deformidades da coluna vertebral, o que leva a volumes reduzidos e expansão pulmonar reduzida.( 6 , 20 , 24 ) Os benefícios das manobras de empilhamento de ar em pacientes com CVF reduzida foram demonstrados por Bach et al.( 20 ) Durante o curto período de treinamento avaliado no presente estudo, não se observou nenhuma melhora na CVF da amostra como um todo. No entanto, após o treinamento, houve uma melhora significativa na CVF no subgrupo de pacientes sem escoliose. Esse achado sugere que deformidades torácicas não só prejudicam a função pulmonar,( 25 , 26 ) mas também têm um efeito negativo na resposta a exercícios de empilhamento de ar.

No presente estudo, o PFT correlacionou-se com a CVF e a CIM. Para que tanto o PFT como o PFE sejam eficazes, são necessários altos volumes pulmonares, o que explica sua boa correlação com a CVF e a CIM. Tanto a correlação entre PFTNA e CIM como a correlação entre ΔPFTASS-PFTNA e ΔCIM-CVF são explicadas por sua dependência de músculos bulbares inervados e da integridade da função glótica. O PFT também depende da manutenção da permeabilidade da hipofaringe por meio da inervação dos músculos bulbares da musculatura da hipofaringe.( 27 - 29 ) Além disso, a função glótica é o fator mais importante na proteção das vias aéreas e manutenção da eficácia da tosse em pacientes com DNM.( 10 )

O presente estudo tem algumas limitações significativas, tais como a heterogeneidade e o pequeno tamanho da amostra de pacientes, a dificuldade que os pacientes mais jovens têm em realizar manobras de empilhamento de ar, a natureza não supervisionada da aplicação domiciliar das manobras, a ausência de comparações entre PFTASS e compressão abdominal e a ausência de um grupo controle (por questões éticas). Não obstante, podemos concluir que manobras domiciliares de empilhamento de ar devem ser prescritas para pacientes com DNM, a fim de aumentar seu PFT.