A função mitocondrial do músculo esquelético ocupa posição central na fisiologia humana por sustentar a produção de ATP, regular o balanço redox e integrar sinais metabólicos que conectam desempenho, saúde metabólica e envelhecimento. Tradicionalmente, a avaliação in vivo dessa função dependeu de métodos sofisticados e onerosos, como a espectroscopia por ressonância magnética de fósforo (31P-MRS), que estima a capacidade oxidativa a partir da cinética de ressíntese da fosfocreatina.
Nesse cenário, a espectrometria de infravermelho próximo (near-infrared spectroscopy, NIRS) emergiu como uma alternativa não invasiva, portátil e reprodutível, capaz de acessar, em tempo real, a interface entre oferta e utilização de oxigênio no músculo ativo. O avanço conceitual que permitiu extrapolar sinais ópticos de oxigenação para inferências robustas sobre capacidade mitocondrial foi consolidado de modo paradigmático pelo estudo de Ryan e colaboradores em 2012, que estabeleceu um protocolo fisiologicamente fundamentado e metodologicamente rigoroso para estimar a capacidade oxidativa mitocondrial a partir da recuperação do consumo muscular de oxigênio medida por NIRS.
Do ponto de vista físico-biológico, a NIRS baseia-se na penetração de luz no espectro de 700–900 nm através dos tecidos, região na qual a absorção diferencial depende principalmente do estado de oxigenação da hemoglobina e da mioglobina. As assinaturas espectrais dessas cromoproteínas permitem estimar variações relativas de hemoglobina/mioglobina oxigenadas (O₂HbMb), desoxigenadas (HHbMb) e do conteúdo total de heme, refletindo simultaneamente perfusão, extração de oxigênio e dinâmica microvascular.
Embora a contribuição direta do citocromo c oxidase mitocondrial para o sinal óptico seja teoricamente possível, sua concentração relativa no músculo humano é pequena, de modo que a força da NIRS reside menos na detecção direta da cadeia respiratória e mais na quantificação funcional do fluxo de oxigênio que alimenta essa cadeia. Revisões metodológicas detalhadas demonstram que, quando adequadamente calibrada e interpretada, a NIRS fornece um retrato confiável do acoplamento entre entrega e utilização de O₂, especialmente quando combinada a manobras de oclusão arterial transitória que isolam o componente metabólico do sinal.
O princípio fisiológico central explorado por Ryan et al. consiste no fato de que, em condições de oclusão arterial breve, a taxa de queda da oxigenação tecidual reflete diretamente o consumo local de oxigênio (mV̇O₂), uma vez que a oferta é temporariamente anulada. Após um estímulo contrátil curto, capaz de elevar transitoriamente a demanda energética sem induzir acidose ou depleção severa de fosfatos de alta energia, a recuperação do mV̇O₂ para valores basais segue uma cinética monoexponencial. Essa cinética é determinada pela capacidade das mitocôndrias de reoxidar equivalentes reduzidos e restaurar o estado redox celular, sendo, portanto, um índice funcional da capacidade oxidativa mitocondrial, análogo conceitual à constante de tempo da ressíntese de fosfocreatina obtida por 31P-MRS.
O protocolo descrito por Ryan em 2012 foi desenhado para maximizar reprodutibilidade e minimizar artefatos hemodinâmicos, e sua descrição detalhada é essencial para reprodução fiel. Inicialmente, o músculo de interesse — tipicamente vasto lateral ou gastrocnêmio — é preparado com a fixação do sensor NIRS sobre a pele, assegurando posicionamento estável e espaçamento entre optodos adequado para atingir o ventre muscular, após mensuração da espessura do tecido adiposo subcutâneo, variável que influencia a amplitude absoluta do sinal óptico. Em seguida, realiza-se uma calibração isquêmica: uma oclusão arterial prolongada, geralmente de cinco a seis minutos, por meio de manguito inflado acima da pressão sistólica, até que o sinal de oxigenação atinja um platô mínimo estável. Essa manobra define o limite inferior fisiológico do sinal e permite normalizar as variações subsequentes, reduzindo a influência da espessura adiposa e possibilitando comparações interindividuais.
Após o retorno à normóxia e estabilização do sinal basal, aplica-se um estímulo contrátil breve. No estudo original, esse estímulo foi produzido por estimulação elétrica transcutânea a 4 Hz durante aproximadamente 30 segundos, intensidade suficiente para elevar o consumo de oxigênio sem provocar fadiga significativa. Imediatamente ao término do estímulo, inicia-se a sequência crítica de oclusões arteriais transitórias repetidas, tipicamente de cinco a dez segundos de duração cada, intercaladas por breves períodos de reperfusão. Durante cada oclusão, calcula-se a inclinação da queda do sinal de oxigenação, que corresponde ao mV̇O₂ naquele momento específico da recuperação. A série de valores de mV̇O₂ obtidos ao longo do tempo pós-estímulo é então ajustada a uma função monoexponencial, da qual se extrai a constante de tempo (τ) ou, de forma equivalente, a constante de taxa (k). Essa constante representa a capacidade mitocondrial funcional: quanto mais rápida a recuperação do consumo de oxigênio, maior a capacidade oxidativa do músculo avaliado.
Um aspecto metodológico crucial introduzido por Ryan et al. foi a correção sistemática dos sinais de NIRS para variações de volume sanguíneo durante as oclusões. Sem essa correção, mudanças no conteúdo total de hemoglobina podem distorcer a estimativa da inclinação do sinal e comprometer a reprodutibilidade. Ao empregar algoritmos que combinam O₂HbMb e HHbMb de modo a isolar o componente metabólico puro, o estudo demonstrou coeficientes de variação em torno de 10% para a constante de recuperação, valor comparável a técnicas consideradas padrão-ouro. Ensaios de confiabilidade mostraram ainda que, após calibração isquêmica, a medida torna-se robusta frente a diferenças de tecido adiposo e aplicável tanto em indivíduos saudáveis quanto em populações clínicas, como pacientes com lesão medular crônica.
Desenvolvimentos metodológicos posteriores aprofundaram essa abordagem ao demonstrar que a estimativa da capacidade mitocondrial por NIRS não depende necessariamente da amostragem completa de toda a fase de recuperação metabólica. Sumner e colaboradores, em 2020, demonstraram que a informação determinante da constante de recuperação está concentrada predominantemente nos instantes iniciais pós-exercício, quando o consumo muscular de oxigênio é elevado e menos suscetível a erros associados às correções de volume sanguíneo. Com base nessa constatação, os autores validaram um protocolo abreviado, baseado em apenas seis oclusões arteriais iniciais associadas a um ponto final de repouso, em substituição aos protocolos tradicionais que utilizam mais de vinte oclusões para o ajuste da curva monoexponencial.
Os resultados mostraram equivalência estatística plena entre o protocolo abreviado (Mito6) e o protocolo completo (Mito22), com elevados coeficientes de correlação intraclasse, ausência de viés sistemático e reprodutibilidade comparável à abordagem clássica. Adicionalmente, foi demonstrado que a realização sequencial de múltiplos testes abreviados não induz efeitos de ordem sobre a constante de recuperação, permitindo a obtenção de várias estimativas em um intervalo temporal reduzido. Do ponto de vista fisiológico, esse refinamento não altera o significado da variável central: a constante de recuperação continua a refletir propriedades intrínsecas do sistema mitocondrial. Do ponto de vista operacional, contudo, o protocolo abreviado reduz significativamente o desconforto do participante, o tempo experimental e a dependência de correções hemodinâmicas extremamente precisas, ampliando a robustez do método em populações com maior espessura de tecido adiposo ou menor qualidade de sinal óptico.
Estudos subsequentes do mesmo grupo de pesquisa reforçaram ainda a validade fisiológica da abordagem ao demonstrar que a constante de recuperação do mV̇O₂ é independente do tipo de contração (voluntária ou elétrica) e da intensidade relativa do estímulo, desde que este seja submáximo e de curta duração. Essa independência é coerente com o conceito de que a cinética de recuperação oxidativa reflete propriedades intrínsecas do sistema mitocondrial, e não o padrão específico de recrutamento de fibras durante o exercício precedente. Em paralelo, revisões abrangentes da literatura consolidaram o entendimento de que a NIRS, quando empregada com protocolos padronizados, é sensível a adaptações induzidas pelo treinamento, ao envelhecimento e a estados patológicos caracterizados por disfunção mitocondrial, situando-se como ferramenta estratégica para estudos longitudinais e aplicações translacionais.
No contexto aplicado, dispositivos portáteis como o Moxy Monitor ampliaram o alcance da NIRS para ambientes clínicos e esportivos. Embora originalmente concebidos para monitorar a saturação muscular de oxigênio (SmO₂) em escala percentual, estudos de validação demonstraram que, quando associados à calibração fisiológica por oclusão arterial, esses dispositivos apresentam confiabilidade e validade suficientes para inferências quantitativas sobre a dinâmica de oxigenação muscular. Essa característica permite adaptar os princípios do protocolo de Ryan — e seus refinamentos metodológicos posteriores — a sistemas comerciais portáteis, desde que se respeitem rigorosamente as etapas de calibração isquêmica, controle de posicionamento do sensor e análise cinética do sinal.
Em síntese, a espectrometria de infravermelho próximo, ancorada em princípios sólidos de biofísica e fisiologia integrativa, oferece uma via elegante para interrogar a mitocôndria em seu contexto natural de operação, o músculo perfundido e ativo. O protocolo de Ryan et al. de 2012 representa um marco ao traduzir variações ópticas em parâmetros funcionais reprodutíveis da capacidade oxidativa, enquanto os refinamentos metodológicos introduzidos posteriormente, como o protocolo abreviado validado por Sumner et al. em 2020, consolidam a NIRS como uma ferramenta operacionalmente madura. Ao combinar simplicidade, baixo custo relativo e elevada sensibilidade fisiológica, a NIRS posiciona-se como instrumento estratégico para investigar adaptações ao treinamento, declínio funcional associado ao envelhecimento e alterações metabólicas em condições clínicas, iluminando, de forma literal e conceitual, a respiração celular humana.
Referências
BARSTOW, T. J. Understanding near infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research. Journal of Applied Physiology, v. 126, n. 5, p. 1360–1376, 2019.
BOUSHEL, R.; PIANTADOSI, C. A. Near-infrared spectroscopy for monitoring muscle oxygenation. Acta Physiologica Scandinavica, v. 168, n. 4, p. 615–622, 2000.
FELDMANN, A.; SCHMITZ, R.; ERLACHER, D. Near-infrared spectroscopy-derived muscle oxygen saturation on a 0% to 100% scale: reliability and validity of the Moxy Monitor. Journal of Biomedical Optics, v. 24, n. 11, p. 115001, 2019.
RYAN, T. E. et al. Noninvasive evaluation of skeletal muscle mitochondrial capacity with near-infrared spectroscopy: correcting for blood volume changes. Journal of Applied Physiology, v. 113, n. 2, p. 175–183, 2012.
RYAN, T. E.; BRIZENDINE, J. T.; McCULLY, K. K. A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology, v. 114, n. 2, p. 230–237, 2013.
SUMNER, M. D. et al. Near infrared spectroscopy measurements of mitochondrial capacity using partial recovery curves. Frontiers in Physiology, v. 11, art. 111, 2020.
Os protocolos
Protocolo de Sumner et al. (2020) — Manual técnico-operacional (Mito6)
(derivado e validado a partir do protocolo de Ryan)
Objetivo fisiológico
Estimar a capacidade oxidativa mitocondrial do músculo esquelético in vivo por meio da cinética inicial de recuperação do consumo muscular de oxigênio (mV̇O₂), utilizando curvas parciais de recuperação obtidas por NIRS durante oclusões arteriais transitórias.
Preparação do participante
O participante deve permanecer em posição confortável e estável (sentado ou decúbito), com o membro avaliado completamente relaxado. Deve-se evitar qualquer contração voluntária durante as fases de repouso, calibração e recuperação. A temperatura ambiente deve ser controlada para minimizar variações microvasculares.
Seleção do músculo e posicionamento do sensor
O sensor NIRS é posicionado sobre o ventre do músculo alvo, tipicamente vasto lateral ou gastrocnêmio medial, alinhado longitudinalmente às fibras musculares. A espessura do tecido adiposo subcutâneo deve ser mensurada previamente, pois influencia a qualidade do sinal. O sensor deve ser firmemente fixado para evitar deslocamentos durante as oclusões.
Calibração fisiológica
Realiza-se oclusão arterial prolongada com manguito inflado proximalmente ao músculo avaliado, a pressão supra-sistólica (≥250 mmHg). A oclusão é mantida até que o sinal de oxigenação atinja um platô mínimo estável, geralmente entre 5 e 6 minutos. Esse procedimento define o limite inferior fisiológico do sinal e permite normalização intra e interindividual. Após desinsuflação, aguarda-se o retorno completo à normóxia basal.
Estímulo metabólico
Aplica-se um estímulo contrátil breve e submáximo, geralmente por estimulação elétrica neuromuscular transcutânea (TENS), em baixa frequência (≈4 Hz), por aproximadamente 30 segundos. A intensidade da corrente deve ser suficiente para elevar o consumo de oxigênio sem induzir fadiga, dor excessiva ou acidose metabólica significativa.
Fase de recuperação e oclusões arteriais
Imediatamente após o término do estímulo, inicia-se a fase crítica do protocolo. São realizadas seis oclusões arteriais transitórias consecutivas, cada uma com duração típica de 5 a 10 segundos, separadas por curtos períodos de reperfusão. Essas oclusões concentram-se exclusivamente na fase inicial da recuperação metabólica, quando o mV̇O₂ ainda está elevado.
Aquisição e processamento do sinal
Durante cada oclusão, calcula-se a inclinação da queda do sinal de oxigenação, representando o mV̇O₂ instantâneo. Os sinais são corrigidos para variações de volume sanguíneo, embora o protocolo Mito6 seja menos sensível a esses artefatos por se concentrar na fase inicial da recuperação.
Modelagem cinética
Os valores de mV̇O₂ obtidos nas seis oclusões iniciais são ajustados a um modelo monoexponencial, juntamente com um ponto final correspondente ao consumo basal. A constante de tempo (τ) ou constante de taxa (k = 1/τ) é extraída e interpretada como índice funcional da capacidade mitocondrial.
Características-chave do protocolo
- Número reduzido de oclusões (6)
- Menor desconforto e tempo experimental
- Possibilidade de múltiplas repetições sequenciais
- Alta equivalência fisiológica com o protocolo completo
- Maior viabilidade clínica e aplicad
Protocolo de Ryan et al. (2012) — Manual técnico-operacional (Mito22)
Objetivo fisiológico
Avaliar a capacidade mitocondrial do músculo esquelético in vivo por meio da cinética completa de recuperação do consumo muscular de oxigênio após exercício breve, utilizando NIRS e oclusões arteriais repetidas.
Preparação, posicionamento e calibração
Idênticos ao protocolo de Sumner: posicionamento rigoroso do sensor, mensuração do tecido adiposo e calibração isquêmica prolongada por oclusão supra-sistólica até platô mínimo do sinal.
Estímulo metabólico
Estimulação elétrica neuromuscular submáxima, tipicamente a 4 Hz por cerca de 30 segundos, elevando transitoriamente o consumo de oxigênio sem induzir fadiga metabólica severa.
Fase de recuperação e oclusões arteriais
Após o estímulo, são realizadas 18 a 26 oclusões arteriais transitórias, distribuídas ao longo de toda a fase de recuperação metabólica, incluindo estágios iniciais, intermediários e tardios, até que o mV̇O₂ retorne ao repouso.
Aquisição e correção do sinal
Cada oclusão fornece uma estimativa pontual do mV̇O₂. Correções rigorosas para variações de volume sanguíneo são indispensáveis, pois artefatos hemodinâmicos tornam-se progressivamente mais relevantes nas fases tardias da recuperação.
Modelagem cinética
Os valores de mV̇O₂ ao longo de toda a recuperação são ajustados a um modelo monoexponencial completo, do qual se extrai τ ou k. Essa constante representa a capacidade mitocondrial funcional.
Características-chave do protocolo
- Grande número de oclusões
- Alta densidade experimental
- Maior desconforto para o participante
- Elevada exigência de correções hemodinâmicas
- Excelente validade fisiológica e histórica
Comparação técnica e conceitual: Sumner (2020) vs. Ryan (2012)
Do ponto de vista fisiológico, ambos os protocolos medem a mesma variável fundamental: a constante de recuperação do consumo muscular de oxigênio, interpretada como índice funcional da capacidade mitocondrial. Não há diferença conceitual no significado da constante extraída.
Do ponto de vista metodológico, a diferença central reside na extensão da curva de recuperação amostrada. O protocolo de Ryan assume que toda a curva contribui igualmente para a estimativa da constante, enquanto o protocolo de Sumner demonstra que a informação dominante está concentrada na fase inicial da recuperação, tornando dispensável a amostragem tardia.
Do ponto de vista operacional, o protocolo de Sumner representa uma evolução pragmática: reduz drasticamente o número de oclusões, diminui o tempo de teste, o desconforto do participante e a propagação de erros hemodinâmicos, sem alterar a interpretação fisiológica da variável central.
Em termos de maturidade tecnológica, o protocolo de Ryan estabelece o marco fundacional da avaliação mitocondrial por NIRS, enquanto o protocolo de Sumner representa sua otimização translacional, tornando a técnica compatível com estudos longitudinais, aplicações clínicas, populações frágeis e dispositivos portáteis.
Em síntese, Sumner não substitui Ryan; ele o condensa, valida e operacionaliza, preservando o núcleo fisiológico do método e expandindo seu alcance prático.