A capacidade oxidativa do músculo esquelético representa uma das propriedades fisiológicas mais importantes para a manutenção da homeostase energética, do desempenho físico e da saúde metabólica. Essa capacidade é determinada, fundamentalmente, pela densidade mitocondrial, pela atividade das enzimas da cadeia respiratória, pela disponibilidade de oxigênio e pela eficiência do acoplamento entre a fosforilação oxidativa e a síntese de ATP. Como consequência, alterações da função mitocondrial constituem um importante biomarcador tanto do treinamento físico quanto do envelhecimento, do descondicionamento, das doenças metabólicas, cardiovasculares e neuromusculares. Nesse contexto, a Espectroscopia no Infravermelho Próximo (Near Infrared Spectroscopy – NIRS) emergiu nas últimas duas décadas como uma das mais relevantes ferramentas não invasivas para avaliação funcional da bioenergética muscular in vivo, permitindo quantificar a capacidade oxidativa mitocondrial diretamente no tecido, sem necessidade de biópsias musculares ou equipamentos complexos como a espectroscopia por ressonância magnética de fósforo (^31P-MRS).
O princípio fisiológico da técnica baseia-se na elevada transparência relativa dos tecidos biológicos à luz no espectro entre aproximadamente 700 e 900 nm. Nessa faixa espectral, a absorção luminosa ocorre predominantemente pelos cromóforos hemoglobina e mioglobina, cujas propriedades ópticas variam conforme seu estado de oxigenação. Dessa forma, a NIRS monitora continuamente as concentrações relativas de hemoglobina e mioglobina oxigenadas (O₂Hb/Mb), desoxigenadas (HHb/Mb), hemoglobina total e saturação tecidual de oxigênio (SmO₂), fornecendo uma medida dinâmica do equilíbrio entre oferta e utilização de oxigênio pelo músculo esquelético. Diferentemente de técnicas que avaliam exclusivamente o fluxo sanguíneo ou a perfusão, a NIRS permite acompanhar, em tempo real, a interação entre os componentes convectivos e difusivos do transporte de oxigênio descritos pelas equações de Fick, oferecendo uma perspectiva integrada da fisiologia muscular durante o exercício e a recuperação.
Embora a NIRS seja amplamente utilizada para monitorar oxigenação muscular durante o exercício, sua aplicação mais sofisticada consiste na determinação da capacidade mitocondrial por meio da cinética de recuperação do consumo de oxigênio muscular (mV̇O₂) após um estímulo contrátil padronizado. Essa abordagem fundamenta-se no princípio de que, imediatamente após o término do exercício, o metabolismo oxidativo permanece elevado para restaurar as reservas energéticas celulares, especialmente a fosfocreatina, processo cuja velocidade depende predominantemente da capacidade funcional das mitocôndrias. Consequentemente, quanto maior a eficiência oxidativa do músculo, mais rapidamente o consumo de oxigênio retorna aos valores basais. Esse comportamento segue uma cinética monoexponencial cuja constante de recuperação constitui um índice quantitativo da capacidade oxidativa mitocondrial.
Para mensurar essa resposta, utiliza-se um protocolo composto por um breve período de exercício voluntário ou estimulação elétrica muscular, seguido por uma sequência de oclusões arteriais transitórias realizadas com manguito pneumático insuflado acima da pressão sistólica, geralmente entre 250 e 300 mmHg. Durante cada oclusão, o fluxo arterial é interrompido temporariamente, eliminando a chegada de novo oxigênio ao tecido. Nessa condição, a velocidade de redução da oxigenação muscular passa a refletir exclusivamente o consumo mitocondrial de oxigênio. A repetição seriada dessas oclusões ao longo da recuperação permite construir uma curva de decaimento exponencial do mV̇O₂, cuja constante de recuperação representa a capacidade oxidativa do músculo avaliado. Essa metodologia foi originalmente desenvolvida por Motobe e posteriormente refinada por Ryan e colaboradores mediante algoritmos de correção das alterações de volume sanguíneo, aumentando substancialmente sua reprodutibilidade e validade fisiológica.
Um aspecto metodológico fundamental refere-se justamente às variações do volume sanguíneo durante as oclusões arteriais. Pequenas alterações na quantidade de sangue presente no leito vascular modificam a absorção óptica independentemente do metabolismo muscular, introduzindo erro sistemático na estimativa do consumo de oxigênio. Ryan et al. demonstraram que a aplicação de algoritmos específicos de correção do volume sanguíneo elimina esse viés, permitindo que as alterações observadas nos sinais de oxi- e desoxi-hemoglobina reflitam efetivamente a utilização mitocondrial de oxigênio. Com essa correção, a técnica apresentou excelente reprodutibilidade, com coeficientes de variação próximos de 10%, tornando-se suficientemente robusta para aplicações clínicas, esportivas e científicas.
A validade fisiológica desse método foi posteriormente confirmada por diversos estudos. A constante de recuperação obtida pela NIRS apresenta elevada concordância com a cinética de ressíntese da fosfocreatina determinada por espectroscopia de fósforo (^31P-MRS), considerada o padrão-ouro não invasivo para avaliação da função mitocondrial. Além disso, estudos demonstraram correlação significativa entre os índices obtidos pela NIRS e medidas diretas da respiração mitocondrial em amostras provenientes de biópsias musculares, confirmando que a constante de recuperação do mV̇O₂ constitui um marcador fisiologicamente válido da capacidade oxidativa mitocondrial.
Outro aspecto de grande relevância fisiológica consiste na relativa independência da constante de recuperação em relação ao tipo e à intensidade do exercício utilizado para elevar temporariamente o metabolismo muscular. Ryan et al. demonstraram que exercícios voluntários e contrações induzidas por estimulação elétrica produzem constantes de recuperação praticamente idênticas. Da mesma forma, diferentes frequências de contração e distintas intensidades de estimulação elétrica não alteram significativamente a constante exponencial obtida. Esses achados confirmam que a velocidade de recuperação reflete uma propriedade intrínseca da maquinaria oxidativa mitocondrial, e não a magnitude do estímulo utilizado para elevá-la, conferindo elevada robustez metodológica ao protocolo.
Nos últimos anos, avanços metodológicos tornaram o procedimento ainda mais eficiente. Tradicionalmente, a determinação da capacidade mitocondrial exigia aproximadamente vinte a vinte e cinco oclusões arteriais para caracterizar toda a curva exponencial de recuperação. Entretanto, Sumner et al. demonstraram que protocolos abreviados contendo apenas seis oclusões (“Mito6”) produzem constantes de recuperação estatisticamente equivalentes às obtidas pelos protocolos convencionais, reduzindo substancialmente o tempo de avaliação, o desconforto do participante e a complexidade operacional do exame. Além disso, a possibilidade de realizar múltiplos testes consecutivos sem efeito de ordem aumenta a precisão das estimativas e amplia a aplicabilidade clínica e esportiva da técnica.
Sob o ponto de vista aplicado, a avaliação da função mitocondrial por NIRS possui inúmeras vantagens em relação às técnicas tradicionais. Trata-se de um método portátil, não invasivo, relativamente baixo custo, de rápida execução e passível de utilização tanto em ambiente laboratorial quanto em campo. Essas características permitem monitorar adaptações ao treinamento aeróbio, avaliar processos de descondicionamento, investigar doenças metabólicas e neuromusculares, acompanhar programas de reabilitação cardiovascular e analisar respostas fisiológicas em atletas de alto rendimento. Adicionalmente, a possibilidade de realizar medidas seriadas favorece o acompanhamento longitudinal das adaptações mitocondriais ao treinamento, aspecto praticamente inviável mediante biópsias musculares repetidas.
Apesar dessas vantagens, alguns fatores metodológicos devem ser rigorosamente controlados para garantir a qualidade das medidas. A espessura do tecido adiposo subcutâneo influencia a profundidade de penetração da luz e pode reduzir a intensidade do sinal óptico, exigindo ajustes na distância entre emissor e detector e, preferencialmente, calibração isquêmica individual. Além disso, movimentação do sensor, alterações na geometria muscular durante a contração, presença de grandes vasos superficiais, diferenças anatômicas entre músculos e variabilidade na dispersão óptica dos tecidos constituem potenciais fontes de erro experimental. Por essa razão, protocolos padronizados de posicionamento do sensor, estabilização mecânica, calibração fisiológica e processamento matemático dos sinais são indispensáveis para assegurar elevada reprodutibilidade dos resultados.
Em síntese, a espectroscopia no infravermelho próximo consolidou-se como uma das mais importantes tecnologias para investigação da bioenergética muscular in vivo. Ao quantificar a cinética de recuperação do consumo de oxigênio após exercício, a técnica fornece um índice funcional direto da capacidade oxidativa mitocondrial, refletindo a eficiência da fosforilação oxidativa e da produção aeróbia de ATP. Associando elevada validade fisiológica, excelente reprodutibilidade, portabilidade e reduzido custo operacional, a NIRS representa atualmente uma ferramenta estratégica tanto para a pesquisa científica quanto para a fisiologia aplicada ao esporte, à medicina do exercício e à reabilitação, aproximando a avaliação da função mitocondrial da prática clínica e do monitoramento cotidiano do treinamento físico.
Referências
ADAMI, A.; ROSSITER, H. B. Principles, insights and potential pitfalls of the non-invasive determination of mitochondrial function by near-infrared spectroscopy. Journal of Applied Physiology, Bethesda, v. 124, n. 1, p. 245–255, 2018.
BARSTOW, T. J. Understanding near infrared spectroscopy and its application to skeletal muscle research. Journal of Applied Physiology, Bethesda, v. 126, n. 5, p. 1360–1376, 2019.
BUCHHEIT, M. et al. Reproducibility and sensitivity of muscle reoxygenation and oxygen uptake recovery kinetics following running exercise in the field. Clinical Physiology and Functional Imaging, Oxford, v. 31, n. 5, p. 337–346, 2011.
HAMAOKA, T.; MCCULLY, K. K. Review of early development of near-infrared spectroscopy and recent advancement of studies on muscle oxygenation and oxidative metabolism. Journal of Physiological Sciences, Tokyo, v. 69, p. 799–811, 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, Bethesda, 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, Bethesda, 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, Lausanne, v. 11, art. 111, 2020.