Физиология человека, 2019, T. 45, № 6, стр. 103-108
Реакция аортальной и периферической гемодинамики и эластичности артерий на острую нормобарическую гипоксию у альпинистов до и после продолжительного пребывания в горах
В. Н. Мельников 1, *, И. В. Кармакулова 1, Т. Г. Комлягина 1, И. В. Шевченко 1, С. Г. Кривощёков 1
1 ФГБУ НИИ физиологии и фундаментальной медицины
Новосибирск, Россия
* E-mail: mevlanic@yandex.ru
Поступила в редакцию 12.02.2019
После доработки 29.03.2019
Принята к публикации 02.06.2019
Аннотация
Цель работы – выяснить, сохраняются ли кардиотропные эффекты высокогорья и резистентность к острой нормобарической гипоксии после возвращения в равнинные условия. Десять тренированных альпинистов-мужчин дважды обследовались до и через 2–4 нед. после 20-дневного пребывания на высоте 4000–7000 м. Обследования производились в равнинных условиях в трех функциональных состояниях: в покое, через 17 мин после дыхания гипоксической смесью (10% О2, среднегрупповая сатурация крови кислородом в конце сеанса 80%) и после 12-минутного восстановления. С помощью аппланационной тонометрии и анализа пульсовой волны обнаружено повышение частоты сердечных сокращений (ЧСС), эластичности крупных артерий конечностей по аугментационному индексу и ухудшение показателя субэндокардиальной жизнеспособности при остром действии гипоксии до восхождения. Пребывание в горах повышает эластичность артерий, снижает аортальное и периферическое давление крови, разгружает левый желудочек и таким образом улучшает его диастолическую перфузию в покое и при острой гипоксии, что свидетельствует об отсроченных положительных кардиоваскулярных эффектах высокогорных условий.
Влияние острой нормобарической гипоксии на кровеносные сосуды, гемодинамику и сократительную функцию сердца к настоящему времени весьма подробно изучено: повышается растяжимость крупных магистральных артерий [1, 2], но не аорты [3], возрастает кровоток в периферических тканях за счет увеличения частоты сердечных сокращений (ЧСС) [4]. Артериальное давление (АД) изменяется разнонаправленно в зависимости от преобладания констрикторных симпатических влияний на артерии [5] либо дилятационного эффекта эндотелиальных факторов [6]. Увеличиваются конечный систолический и диастолический размеры левого желудочка (КСР и КДР ЛЖ) при соответствующем уменьшении фракции выброса [7]. Кратковременно действующие горные условия, включающие наряду с холодом и повышенной мышечной активностью острую гипобарическую гипоксию, у равнинных жителей уменьшают объем левого желудочка и ударный объем [8], увеличивают АД [9], повышают жесткость аорты и периферических артерий [10] и ухудшают условия диастолического кровоснабжения миокарда [11]; при этом повышенный запрос периферических тканей на усиление кровотока обеспечивается за счет увеличения ЧСС [12]. Однако отсроченные эффекты пребывания в горах на сердце и сосуды и резистентность к гипоксии остаются не изученными. Позитивное действие ишемического прекондиционирования на устойчивость сердца к экспериментальному инфаркту [13] наталкивает на предположение о тренирующем влиянии гипоксии, ведущего фактора ишемии, на кровоснабжение и эффективность сокращения миокарда левого желудочка.
Цель работы заключалась в проверке гипотезы о том, что пребывание в горах оказывает отсроченное действие, увеличивая эластичность периферических артерий, снижая нагрузку на сердце и повышая его резистентность к острой гипоксии.
МЕТОДИКА
В исследовании участвовали 15 некурящих практически здоровых мужчин, имевших АД и ЧСС в покое меньше 140/90 мм рт. ст. и 80 уд./мин. У двоих оказались медицинские противопоказания к восхождению, их данные использовали только как характеристики фонового состояния. Средний возраст составлял 39.5 ± 11.1 лет (M ± SD), индекс массы тела – 25.1 ± 3.6 кг/м2. Все испытуемые регулярно занимались бегом, лыжными гонками, плаванием, борьбой и имели квалификации в этих видах спорта от первого разряда до мастера спорта. Альпинистский стаж участников варьировал от 9 до 21 года.
Альпинистов подвергли двум обследованиям – в июне и сентябре. Первое проводили до пребывания в горах, затем испытуемые провели 20–50 дней в высокогорье с проживанием в условиях лагеря на высоте 4100 м и кратковременными восхождениями на 6500–7000 м. Второе обследование выполняли через 1–3 нед. после возвращения в Новосибирск (высота над уровнем моря 200 м).
Перед гипоксическим тестом для оценки функции сердца однократно до восхождения проводили эхокардиографию на аппарате Voluson E-8 (GE, США) в М-модальном и двумерном режиме в стандартных эхокардиографических позициях по общепринятой методике.
Реакцию на острую гипоксию проверяли при дыхании через лицевую маску воздухом с плавно снижавшимся содержанием О2 от 21 до 10%. Смесь приготавливали кислородным концентратором New Life компании AirStep (США), переоборудованным, согласно свидетельству на полезную модель № 24 098 от 27 июля 2002 г., в гипоксикатор (модель Тибет-4). Средняя сатурация крови кислородом, измеренная пульсоксиметром Autocorr (США) с фотодатчиком на мочке уха, при таком воздействии составляла 80%. Все обследования проводили в утреннее время одним оператором при температуре воздуха 25°С в трех функциональных состояниях: после 15-минутной адаптации к лабораторным условиям в покое, на 17-й мин дыхания гипоксической смесью и через 12 мин дыхания обычным воздухом (восстановление).
В положении сидя измеряли АД в плечевой артерии с помощью автоматического тонометра OMRON (Япония), затем аппланационным тонометром регистрировали профиль пульсовой волны в правой радиальной артерии на запястье [14]. Штатный алгоритм аппарата Сфигмокор (AtCor Medical, Австралия) по этим данным определял профиль пульсовой волны давления в корне аорты [15] с вычислением характеристик, приведенных в табл. 1. Временные показатели: длительности систолы и диастолы (ДС, ДД) и время начала отраженной волны (ВНОВ) – выражали в процентах от длительности кардиоцикла.
Таблица 1.
Показатель | Покой | Гипоксия | р(1–3) | р(2–4) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
(1) до восхожд. |
(2) после восхожд. |
р(1–2) | (3) до восхожд. |
(4) после восхожд. |
р(3–4) | |||
ЧСС, уд./мин |
59.5 54.8; 71.0 |
57.0 50.0; 63.5 |
74.0 65.8; 82.3 |
69.5 58.5; 75.3 |
0.007 | 0.007 | ||
брСАД, мм рт. ст. |
130 123; 140 |
118 109; 125 |
0.007 | 128 123; 135 |
120 112; 128 |
0.012 | ||
брДАД, мм рт. ст. |
75 70; 85 |
71 62; 75 |
0.007 | 74 70; 77 |
66 64; 73 |
0.007 | 0.091 | |
брПАД, мм рт. ст. |
57 49; 60 |
52 45; 56 |
0.050 | 56 50; 61 |
54 48; 58 |
|||
аСАД, мм рт. ст. |
112 103; 122 |
103 95; 106 |
0.007 | 105 103; 113 |
100 96; 105 |
0.007 | 0.058 | |
аДАД, мм рт. ст. |
75 71; 87 |
71 62; 76 |
0.007 | 74 71; 79 |
68 65; 74 |
0.008 | ||
аПАД, мм рт. ст. |
37 33; 39 |
34 28; 36 |
0.063 | 33 29; 37 |
32 28; 35 |
|||
ДКЦ, мс | 1012 844; 1099 |
1055 945; 1196 |
809 730; 918 |
864 795; 1031 |
0.007 | 0.007 | ||
ДС, % | 29.5 27.0; 31.0 |
28.5 26.0; 31.0 |
34.0 33.3; 38.3 |
31.0 30.0; 35.0 |
0.041 | 0.005 | 0.011 | |
ДД, % | 70.5 69.0; 73.0 |
71.5 69.0; 74.0 |
66.0 61.8; 66.8 |
69.0 65.0; 70.0 |
0.041 | 0.005 | 0.011 | |
ПСЭЖ, % | 203 189; 227 |
212 193; 227 |
161 138; 175 |
192 160; 199 |
0.044 | 0.005 | 0.007 | |
ВНОВ, % | 15.0 13.0; 17.6 |
16.3 13.4; 18.4 |
19.5 16.6; 20.3 |
18.4 17.1; 21.2 |
0.011 | 0.012 | ||
Aмпл, % | 157 147; 168 |
157 145; 165 |
172 163; 177 |
171 154; 179 |
0.005 | 0.008 | ||
АугД, мм рт. ст. | 3.5 0.8; 6.0 |
1.5 0.5; 4.5 |
–0.5 –2.0; 2.0 |
–1.5 –3.0; 1.3 |
0.007 | 0.005 | ||
АугИ@75, % | 0.5 –5.3; 8.0 |
–1.0 –8.8; 4.0 |
0.059 | –2.0 –6.0; 3.3 |
–7.5 –12.0; –0.5 |
0.058 | 0.082 |
Примечание: ДКЦ – длительность кардиоцикла; ДС – длительность систолы; ДД – длительность диастолы; ПСЭЖ – показатель субэндокардиальной жизнеспособности; ВНОВ – время начала отраженной волны; Ампл. – брахиально-аортальная амплификация пульсового давления; АугД (АугИ) – аугментационное давление (индекс). р – критерий Вилкоксона для связанных выборок; а – аортальное; бр – брахиальное. Приведены только значения р ≤ 0.1.
Сравнение параметров до и после пребывания в горах и в реакции на гипоксический тест выполняли с использованием статистического пакета SPPS-19 (IBM, США). В связи с малочисленностью групп и невозможностью установить соответствие гауссовому распределению в качестве дескриптивных числовых характеристик приводятся медиана, верхний и нижний квартили, а в качестве статистических критериев применяется непараметрический тест Вилкоксона для связанных выборок.
Проверку связи между тонометрическими и эхокардиографическими параметрами выполняли двумя способами. Во-первых, вычисляли частные корреляции при контроле возраста, ЧСС и систолического АД (АДС) – показателей, которые в значительной мере определяют гемодинамические характеристики и упругоэластические свойства артерий. Во-вторых, сравнивали средние тонометрические величины в двух подгруппах с низкими (меньше медианы) и высокими значениями каждого из эхокардиографических показателей.
р ≤ 0.05 считался граничным уровнем статистической значимости, однако уровень p ≤ 0.1 также указывается для иллюстрации тенденции в различии средних или достоверности корреляций.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние пребывания в горах на показатели в покое (табл. 1). Пребывание в горах не изменило ЧСС в покое (состояния 1 и 2, табл. 1), длительность фаз кардиоцикла, амплификацию пульсового давления (Ампл. как отношение периферического пульсового давления к аортальному), аугментационное давление (АугД, или прирост давления в корне аорты за счет отраженной волны) и время начала отраженной волны (ВНОВ). ВНОВ обратно коррелирует со скоростью распространения пульсовой волны [16] и считается суррогатной характеристикой эластичности аорты, при ригидности которой отраженная волна раньше приходит в корень аорты [6]. Повышенная аугментация центрального давления указывает на возрастание жесткости периферических артерий. Амплификация пульсового давления считается показателем эластичности периферических артерий у гипертензивных пациентов [17]: чем выше систолическое давление на периферии артериального русла в сравнении с аортой при равенстве значений диастоличекого давления, тем податливее, эластичнее эти артерии.
После возвращения уменьшились показатели АД (систолическое, диастолическое и пульсовое давление в аорте и брахиальной артерии) и аугментационный индекс (АугИ@75, стандартизованный на ЧСС = 75 уд./мин и равный процентному отношению аугментационного давления к пульсовому давлению), что указывает на увеличение эластичности артерий, вероятно, возникшее еще в горах и сохранившееся после возвращения.
Реакция на острую нормобарическую гипоксию (табл. 1). При первом обследовании сопоставление состояний 1 и 3, или сравнение реакций на острую гипоксию, показало, что уменьшилась длительность кардиоцикла, т.е. возросла ЧСС, при укорочении диастолы с 71 до 66% и соответствующем удлинении систолы из-за необходимости увеличить минутный объем крови и периферический кровоток для нивелирования тканевой гипоксии. Такое изменение соотношения между контрактильной и релаксационной стадиями левожелудочкого сокращения значительно снизило показатель субэндокардиальной жизнеспособности (ПСЭЖ). Последний рассчитывается как отношение площади под диастолической частью кривой пульсовой волны давления в корне аорты к площади под систолической частью [15] и косвенно характеризует баланс между восстановлением и нагрузкой, или доставкой энергии, происходящей в диастолу, и ее потреблением в систолу. Соответственно, снижение ПСЭЖ свидетельствует об ухудшении условий кровоснабжения миокарда.
Тестовая гипоксия уменьшила средние уровни АД в аорте при их сохранении в брахиальной артерии, что проявилось увеличенной амплификацией пульсового давления. Более позднее возвращение отраженной волны и снижение АугД свидетельствуют о расслаблении периферических артерий и увеличении их растяжимости, что относят на счет гипоксической активации эндотелиальной NO-синтазы [6, 18].
При втором обследовании сравнение состояний 2 и 4 показывает реакцию на острую гипоксию после возвращения с гор, которая была аналогичной таковой до восхождения и характеризовалась более поздним возвратом отраженной волны, увеличением ЧСС, длительности систолы, амплификации пульсового давления при уменьшении длительности диастолы, ПСЭЖ, аугментационного давления и АугИ. Пребывание в горах устранило статистически значимую гипотензивную реакцию центральной и периферической гемодинамики на тестовую гипоксию.
Сравнение реакций на острую гипоксию до и после восхождения (состояния 3 и 4) показало, что пребывание в горах не изменило реакцию ЧСС, ВНОВ, амплификации на гипоксический тест. Аортальное АД и АугИ снизились, что указывает на возросшую податливость магистральных артерий мышечно-элластического типа и уменьшение периферического сосудистого сопротивления.
Относительная длительность систолы после возвращения уменьшилась при увеличении длительности диастолы и соответствующем увеличении ПСЭЖ. Тестовая гипоксия до восхождения снизила последний показатель сильнее (на 20.5%, состояния 1–3), чем после восхождения (9.7%, состояния 2–4) (р = 0.010), что указывает на протективный эффект пребывания в горах касательно негативного влияния острой гипоксемии на диастолическое кровоснабжение миокарда.
Восстановление после острой гипоксии (рис. 1). При 12-минутном восстановлении после острой гипоксии для всех показателей наблюдалась в разной степени выраженная тенденция к восстановлению исходных значений.
Сниженные уровни АД вернулись к начальным значениям. Повышенная при гипоксическом тесте ЧСС после теста опустилась на 5% ниже исходного значения (р = 0.013), т.е. наблюдалась суперкомпенсация показателя. Если до восхождения ВНОВ не реагировало на гипоксический тест, то после пребывания в горах оно уменьшилось в остром тесте и затем превысило исходное значение на 9% (р = 0.018). Сравнение постгипоксических состояний до и после восхождения показало, что все значения АД стали ниже, ВНОВ увеличилось со 156 до 180 мс (р = 0.012) (относительная длительность от 14.6 до 16.6%, р = = 0.093). ПСЭЖ супервосстанавливается относительно исходного уровня, превышая его на 11% (р = 0.066) при обследовании до восхождения и на 9% (р = 0.051) после пребывания в горах. Вероятной метаболической причиной этого может быть кислородный долг в виде недоокисленных продуктов энергообмена, накапливающихся в миокарде при его интенсивной работе в условиях повышенного запроса на контрактильную функцию и острого недостатка кислорода.
Поскольку ПСЭЖ как интегральная характеристика площади есть функция двух аргументов – длительности соответствующих фаз кардиоцикла и амплитуды аортального давления, встает вопрос, за счет какого аргумента возрастает ПСЭЖ во время отдыха после гипоксического теста. При несущественном изменении длительности систолы (уменьшилась на 2% как до, так и после восхождения) и диастолы (увеличилась на 2%) при сравнении догипоксического состояния с отдыхом наблюдаемое сверхвосстановление ПСЭЖ происходит за счет изменения давления в аорте – либо снижения средней амплитуды систолической ветви, либо подъема диастолической ветви, либо при сочетании этих двух причин, обе из которых указывают на увеличение растяжимости артерий, формирующих ретроградную волну.
Результаты данного исследования с выбранным дизайном не позволяют заключить, за счет какого фактора высокогорья проявился защитный эффект на диастолическую дисфункцию левого желудочка, вызванную острой гипоксией.
Связь тонометрических показателей с исходными УЗИ-характеристиками сердца. Следующим шагом работы было выяснение возможности предсказывать гемодинамические реакции на острую гипоксию по структурно-функциональным характеристикам сердца. Среди последних из конечносистолического, конечнодиастолического размера, ударного объема, фракций выброса и укорочения ЛЖ значимые ассоциации показал только конечносистолический размер как характеристикa сократительной функции. Обнаружены следующие значения коэффициента частной корреляции между КСР и показателями гемодинамики в момент первого выполнения гипоксической пробы: АугД R = 0.71 (р = 0.015), АугИ@75 R = 0.63 (р = 0.038), амплификацией пульсового давления R = –0.56 (р = 0.073). Парные сравнения подгрупп с КСР < Me (среднее 2.84 ± 0.18 см) и КСР ≥ Ме (3.19 ± 0.11 см) показали значения АугД = –2.6 ± ± 1.3 мм рт. ст. и 1.1 ± 1.7 мм рт. ст. соответственно (рМанна-Уитни = = 0.015), АугИ@75 = –5.2 ±1.6% против 2.6 ± 5.5% (р = 0.015), Ампл. = 176.1 ± 3.4% против 163.8 ± ± 9.7% (р = 0.050). Известные данные о значении этих трех тонометрических показателей как характеристик эластичности артерий [3–6, 16, 17] позволяют заключить, что мужчины с большим КСР и, соответственно, малой амплитудой сокращения ЛЖ и фракцией выброса имеют при действии острой гипоксии худшие показатели жесткости артерий.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Пребывание в горах после возвращения в низкогорье повышает эластичность артерий, снижает аортальное и периферическое давление крови, разгружает левый желудочек сердца и таким образом улучшает его диастолическую перфузию в покое и при острой гипоксии, что свидетельствует об отсроченных положительных кардиоваскулярных эффектах высокогорных условий. Большие исходные значения конечного систолического размера левого желудочка сердца ассоциированы с худшими показателями эластичности артерий и могут быть предиктором неблагоприятного отклика гемодинамики на острую гипоксию у здоровых мужчин.
Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены локальным биоэтическим комитетом Научно-исследовательского института физиологии и фундаментальной медицины (Новосибирск).
Информированное согласие. Каждый участник исследования представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.
Финансирование работы. Работа выполнена в рамках госзадания без дополнительного финансирования.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.
Список литературы
Melnikov V.N., Krivoschekov S.G., Divert V.E. et al. Baseline values of cardiovascular and respiratory parameters predict response to acute hypoxia in young healthy men // Physiol. Res. 2017. V. 66. № 3. P. 467.
Thomson A.J., Drummond G.B., Waring W.S. et al. Effects of short-term isocapnic hyperoxia and hypoxia on cardiovascular function // J. Appl. Physiol. 2006. V. 101. № 3. P. 809.
Lefferts W.K., Huges W.E., Heffernan K.S. Effect of acute nitrate ingestion on central hemodynamic load in hypoxia // Nitric Oxide. 2016. V. 52. № 1. P. 49.
Leuenberger U.A., Gray K., Herr M.D. Adenosine contributes to hypoxia-induced forearm vasodilatation in humans // J. Appl. Physiol. 1999. V. 87. № 6. P. 2218.
Xie A., Skatrud J.B., Puleo D.S., Morgan B.J. Exposure to hypoxia produces long-lasting sympathetic activation in humans // J. Appl. Physiol. 2001. V. 91. № 4. P. 1555.
Vedam H., Phillips C.L., Wang D.J. et al. Short-term hypoxia reduces arterial stiffness in healthy men // Eur. J. Appl. Physiol. 2009. V. 105. № 1. P. 19.
Трошенькина О.В., Мензоров М.В., Серова Д.В. и др. Влияние острой нормобарической гипоксии на состояние сердца у здоровых людей // Ульяновск. мед.-биол. журн. 2011. № 4. С. 77.
Osculati G., Revera M., Branzi G. et al. Effects of hypobaric hypoxia exposure at high altitude on left ventricular twist in healthy subjects: data from HIGHCARE study on Mount Everest // Eur. Heart J. Cardiovasc. Imaging. 2016. V. 17. № 6. P. 635.
Boos C.J., Vincent E., Mellor A. et al. The effect of high altitude on central blood pressure and arterial stiffness // J. Hum. Hypertens. 2017. V. 31. № 11. P. 715.
Revera M., Salvi P., Faini A. et al. Renin-angiotensin-aldosterone system is not involved in the arterial stiffening induced by acute and prolonged exposure to high altitude // Hypertension. 2017. V. 70. № 1. P. 75.
Salvi P., Revera M., Faini A. et al. Changes in subendocardial viability ratio with acute high-altitude exposure and protective role of acetazolamide // Hypertension. 2013. V. 61. № 4. P. 793.
Schultz M.G., Climie R.E., Sharman J.E. Ambulatory and central haemodynamics during progressive ascent to high-altitude and associated hypoxia // J. Hum. Hypertens. 2014. V. 28. № 6. P. 705.
Gill R., Kuriakose R., Gertz Z.M. et al. Remote ischemic preconditioning for myocardial protection: update on mechanisms and clinical relevance // Mol. Cell. Biochem. 2015. V. 402. № 1–2. P. 41.
Милягин В.А., Филичкин Д.Е., Шпынев К.В. и др. Контурный анализ центральной и периферической пульсовых волн у здоровых людей и больных артериальной гипертонией // Артер. гипертензия. 2009. Т. 15. № 1. С. 78.
Мельников В.Н., Суворова И.Ю., Белишева Н.К. Условия раннего развития обусловливают центральную гемодинамику и эластичность артерий у взрослых людей на Кольском Севере // Физиология человека. 2016. Т. 42. № 2. С. 43.
Wilkinson I.B., Mohammad N.H., Tyrrell S. et al. Heart rate dependency of pulse pressure amplification and arterial stiffness // Am. J. Hypertens. 2002. V. 15. № 1. P. 24.
Hashimoto J., Ito S. Pulse pressure amplification, arterial stiffness, and peripheral wave reflection determine pulsatile flow waveform of the femoral artery // Hypertension 2010. V. 56. № 5. P. 926.
Journer M.J., Casey D.P. Muscle, blood flow, hypoxia, and hypoperfusion // J. Appl. Physiol. 2014. V. 116. № 7. P. 852.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физиология человека