Физиология человека, 2022, T. 48, № 4, стр. 93-102

МЕТОДИКА

В исследовании принимали участие практически здоровые мужчины-добровольцы в возрасте 20–30 лет, имеющие разный уровень двигательной активности. В их числе лица, ведущие преимущественно сидячий образ жизни и имеющие регулярные тренировочные мышечные нагрузки. Все испытуемые были разделены на три группы в соответствии с величиной МПК, которую определяли при проведении велоэргометрического теста со ступенчато возрастающей нагрузкой до отказа (велоэргометр Monark 928 E, Швеция) с использованием прямого газоанализа (Метаболограф “Спиролан-М”, модель ПТС-14П-01, Россия). Повышение мощности физической нагрузки составляло 25 Вт в минуту. В группу 1 включали лиц с величиной МПК 30–40 мл/мин/кг (n = 14), в группу 2 – 41–50 мл/мин/кг (n = 24), в группу 3 51–60 мл/мин/кг (n = 15) (табл. 1).

У испытуемых определяли артериальное давление (АД) и частоту сердечных сокращений (ЧСС) в покое с помощью полуавтоматического манометра Microlife BP 3AS1-2 (Швейцария).

Параметры МЦ регистрировали с применением биомикроскопии ногтевого ложа и метода лазерной доплеровской визуализации (ЛДВ). Установка для биомикроскопии включала микроскоп МБС-9 с цифровым окуляром (модель DCM510). Общее увеличение установки составило 105×. Оценивали плотность функционирующих капилляров (ПФК) и диаметр их переходной части (DK). Регистрацию изображений микрососудов производили с разрешением 2560 × 1920 пикселей с последующим анализом в программе ScopePhoto 3.0.

Для регистрации функциональных характеристик МЦ был применен метод лазерной доплеровской визуализации (ЛДВ) (EasyLDI, AΪMAGO SA, Швейцария). Регистрирующим элементом EasyLDI является неинвазивная, бесконтактная камера, работающая в масштабе реального времени. Метод позволяет визуализировать процессы МЦ тканей в следующих звеньях гемомикроциркуляторного русла: артериолы, терминальные артериолы, капилляры, посткапиллярные венулы, венулы и артериоло-венулярные анастомозы. С помощью данного метода регистрировали перфузию кожи на середине предплечья, ее величина была представлена как показатель микроциркуляции (ПМ) и выражена в относительных единицах. Регистрацию параметров МЦ проводили в покое и сразу после окончания велоэргометрического теста.

Образцы цельной крови (9 мл) доноров получали утром натощак венопункцией в вакуумные пробирки (вакутайнеры с EDTA) в условиях клинической лаборатории в день проведения велоэргометрического теста. Регистрировали основные параметры гемореологического профиля: вязкость крови при высоких (γ > 100 с^–1, ВК1) и низких скоростях сдвига (γ < 20 с^–1, ВК2), вязкость плазмы (ВП), вязкость суспензии эритроцитов (ВС) при стандартизированном гематокрите – 40% и вязкости суспензионной среды – растворе Рингера (вязкость раствора – 1.10 мПа с) с помощью ротационного вискозиметра Брукфилда (модель DV2TLV). Гематокрит (Hct) определяли с помощью гематокритной центрифуги (Elmi СМ-70).

Агрегацию эритроцитов регистрировали агрегометром Myrenne (Германия). Кроме того, процесс агрегации и форму клеток контролировали методом световой микроскопии. Для оценки деформируемости эритроцитов определяли индекс их удлинения (ИУЭ) в проточной микрокамере [19], где создавали постоянное течение суспензии эритроцитов (Hct = 0.5%). В микрокамеру подавали давление, которое создавало напряжение сдвига 0.54 Н/м² и вытягивало клетки, прикрепленные ко дну камеры. Адгезия клеток происходила спонтанно. На основе измерения длины (L) и ширины (W) вытянутых потоком клеток рассчитывали индекс их удлинения (ИУЭ) как показатель деформируемости эритроцитов: ИУЭ = = L/W (отн. ед.).

Статистическую обработку полученных цифровых материалов проводили посредством пакетов программ Microsoft Office Excel 2019 и Statistica 6.0. Поскольку групповые выборки данных не подчинялись закону нормального распределения, были применены непараметрические методы. Для проверки различий в трех группах наблюдения использовали критерий Краскела-Уоллиса. Парное сравнение проводили при помощи Т-критерия Вилкоксона. Гипотезу о взаимосвязи данных проверяли с помощью корреляций Спирмена. За уровень статистически значимых принимали изменения при p < 0.05. Числовые данные в группах представляли в виде медианы (Ме), нижнего и верхнего квартилей 25 и 75% соответственно (Q1; Q3).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Показатели функционального состояния организма. Были установлены статистически значимые различия между группами в индексе массы тела (ИМТ) (р < 0.05). Самые высокие значения ИМТ были у лиц группы 1, в группе 2 он был меньше на 12%, а в группе 3 – на 16% (табл. 1). Показатели ЧСС и АД в покое у лиц с разным уровнем МПК существенно различались (р < 0.05). Наибольшие значения были зарегистрированы у лиц группы 1, а в группе 3 указанные показатели были умеренно снижены (8–14%), что свидетельствует об экономизации функций сердечно-сосудистой системы у лиц с более высоким аэробным потенциалом. В группе 2 указанные показатели имели промежуточные значения относительно данных групп 1 и 3. Кроме этого, для лиц группы 3 была характерна более экономичная работа сердца в условиях напряженной мышечной деятельности, чем у испытуемых в группах 1 и 2. На это указывает меньшая, на 28 и 24% соответственно, величина пульсового критерия экономичности (ПКЭ) (р < 0.05). Статистически значимо и особенно выражено различалась величина критической мощности (Wкр.), под которой понимали относительную мощность работы при достижении МПК. У лиц группы 3 этот показатель был на 67% больше, чем в группе 1, а различия между группами 1 и 2 составили 34% (табл. 1).

Показатели микроциркуляции. По данным биомикроскопии были установлены статистически значимые различия между группами в значениях DК кожи в состоянии покоя (р < 0.05) (табл. 2). У лиц группы 3 он был больше на 33%, чем в группе 1, а разница между группами 1 и 2 составила 13%. При этом ПФК существенно не различалась. В условиях покоя также не было выявлено значимых различий в ПМ, характеризующем перфузию кожи.

После интенсивной мышечной работы было зарегистрировано сходное по величине и статистически значимое увеличение ПФК во всех группах наблюдения (8–10%; р < 0.05), при этом выраженность изменений DК различалась. В первой и второй группах увеличение DК составило 6 и 4% (р < 0.05) соответственно, а в группе 3 DК практически не изменился. Важно отметить, что несмотря на указанные различия в изменениях DК в ответ на мышечную нагрузку, у лиц групп 2 и 3 он оставался на 20–22% больше, чем в группе 1 (р < 0.05). Была найдена корреляционная взаимосвязь между ПФК и DК в объединенной группе (–0.55; p < 0.05), свидетельствующая о возможности регуляции кровотока в обменных сосудах двумя путями: 1) изменением диаметра или 2) числа микрососудов, включенных в циркуляцию.

Наиболее выраженные и статистически значимые различия в комплексе микроциркуляторных показателей были выявлены в резервах кожного кровотока. Прирост ПМ после мышечной нагрузки у лиц группы 1 был наименьшим и составил 35%, в группе 2 – 67%, а в группе 3 – 80% (рис. 1).

Рис. 1.

Изменения (%) показателя микроциркуляции (ПМ) в ответ на мышечную нагрузку у лиц с разным уровнем максимального потребления кислорода (МПК) (p = 0.0124). Данные на рисунке представлены в виде медианы, нижнего и верхнего квартилей 25–75%, минимального и максимального значений.

Показатели гемореологического профиля. В комплексе гемореологический показателей, представленных в табл. 3, статистически значимые различия между группами наблюдения были зарегистрированы в вязкости крови при относительно высоких скоростях сдвига (ВК1) (р < 0.05). У лиц группы 1 вязкость крови была больше, чем в группах 2 и 3 на 9 и 14% соответственно. Меньшие значения вязкости крови в группах с более высоким МПК были получены и при относительно высоких напряжениях сдвига, но различия имели тенденциозный характер. На важность гемореологического компонента в реализации аэробного потенциала организма указывает корреляционная связь МПК с ВК (r = –0.73; p < 0.05). Наличие отрицательной корреляции свидетельствует о том, что умеренное снижение ВК будет способствовать приросту аэробной производительности.

Известно, что вязкость крови как интегральная характеристика зависит от комплекса факторов, среди которых гематокрит, вязкость плазмы, агрегация и деформируемость эритроцитов [20, 21]. Поскольку различия в значениях гематокрита были несущественны, то вероятной причиной сниженной вязкости крови у лиц групп 2 и 3 является умеренно сниженная вязкость плазмы. Об этом свидетельствует типичная корреляционная взаимосвязь между ВК и ВП r = 0.79 (p < 0.05).

Агрегация эритроцитов, зарегистрированная в условиях низкого напряжения сдвига (ПАЭ2), статистически значимо различалась между группами лиц с разным уровнем МПК (p < 0.05). В группе 1 она была больше на 23 и 30%, чем в группах 2 и 3 соответственно (табл. 4). Что касается другой важной микрореологической характеристики эритроцитов – деформируемости, оцениваемой по индексу удлинения клеток (ИУЭ), то имелась тенденция к ее увеличению в группах с более высоким уровнем МПК. Сходные тенденциозные различия были получены при определении вязкости суспензии (ВС) со стандартным гематокритом и вязкостью суспензионной среды, которая отражает общую потоковую деформацию большой массы эритроцитов [19]. Наибольшие значения ВС были зафиксированы у лиц группы 1, а наименьшие в группе 3. В объединенной группе была найдена заметная корреляция (r = 0.68; p < < 0.05) между ИУЭ и МПК, свидетельствующая о существенном вкладе деформационных свойств эритроцитов в достижение высокого аэробного потенциала.

В гемореологии в качестве интегрального показателя, объединяющего комплекс макро- и микрореологических характеристик, и часто используемого для оценки эффективности транспортной функции крови, применяют отношение Hct/ВК1. В группах с разным уровнем МПК этот параметр статистически значимо различался (р < < 0.05). Его значения, а следовательно, и эффективность транспортной функции крови, была самой низкой в группе 1. В группе 2 и 3 данный показатель был на 7 и 12% больше соответственно (рис. 2).

Рис. 2.

Показатель эффективности транспортной функции крови (Hct/ВК1) у лиц с разным уровнем максимального потребления кислорода (МПК) (p = 0.012). Данные см. подпись к рис. 1.

Таким образом, показатели МЦ и гемореологического профиля свидетельствовали о потенциальной возможности более существенно повышать объемный кровоток и доставку кислорода в ткани у лиц с более высоким аэробным потенциалом организма.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

МПК представляет собой интегральный показатель, характеризующий адаптационные резервы целостного организма, его аэробный потенциал [1–3]. Полученные результаты демонстрируют различия между лицами, имеющими разный уровень МПК, в параметрах системы транспорта кислорода на разных уровнях ее интеграции. Так, у лиц с более высоким МПК отмечается менее напряженная работа сердца в покое, о чем свидетельствуют умеренно сниженные величины АД и ЧСС, а также более экономичные ответы на мышечную нагрузку. Известно, что это достигается благодаря увеличенному ударному объему [7, 22] и более скоординированной работой различных отделов системы кровообращения [23, 24]. Важно отметить, что уровень центральной гемодинамики относят к наиболее изученным отделам сердечно-сосудистой системы, в том числе при адаптации организма к мышечным нагрузкам. Менее исследованной остается МЦ, представляющая собой противоположный сердцу полюс, где реализуется основная функция системы кровообращения – транскапиллярный обмен [10]. Было установлено, что при сходных значениях ПФК у лиц с более высоким МПК выраженно увеличен просвет капилляров в состоянии покоя по сравнению с испытуемыми с меньшим аэробным потенциалом. Поскольку диаметр микрососудов критическим образом влияет на величину объемного кровотока, то зарегистрированные параметры могут относиться к особенностям микроциркуляторного профиля лиц, имеющих высоких уровень аэробной производительности. Это подтверждают данные о состоянии сосудов, относящихся к системе МЦ, у спортсменов, развивающих выносливость. Именно это двигательное качество, как известно, в значительной мере определяется транспортными возможностями сердечно-сосудистой системы, включающими в себя производительность сердца и состояние транспортных путей – сосудов [25, 26].

Известно, что реактивность кожного кровотока и его резервные возможности могут быть выявлены в условиях повышенной функциональной нагрузки [27–29]. Выбор модели в виде велоэргометрического теста был обусловлен тем, что физическая работа с вовлечением значительной мышечной массы является естественным стимулом для комплекса адаптационных сосудистых реакций, направленных на перераспределение объема циркулирующей крови в пользу работающих мышц. Кроме того, в этих условиях происходит мобилизация кровотока не только в мышцах, но и в коже, так как она выполняет терморегуляторную функцию, и интенсивность кровотока в ней тесно связана с функциональной активностью мышц [23, 24]. В ответ на физическую нагрузку было зарегистрировано увеличение ПФК во всех группах наблюдения и менее значительное изменение DК. Важно отметить, что в группе с относительно низкой величиной МПК DК увеличился более выражено, чем у лиц с более высоким аэробным потенциалом, но при этом у последних DК оставался существенно больше.

Кроме сосудистых характеристик на эффективность тканевой перфузии существенное влияние оказывают реологические свойства крови. Полученные данные демонстрируют характерные особенности гемореологического профиля у лиц с более высоким уровнем МПК. У них была зарегистрирована статистически значимо сниженная ВК, что свидетельствует о меньшем сосудистом сопротивлении и о потенциальной возможности большего прироста объемного кровотока [9]. Поскольку Hct, вносящий основной вклад в величину ВК, в сравниваемых группах существенно не различался, то вероятно, улучшение текучести крови (величина обратная ВК) у лиц с высоким аэробным потенциалом связано со снижением ВП, а также с микрореологическими свойствами эритроцитов. Известно, что на уровне обменных сосудов, просвет которых может быть меньше диаметра клеток крови, существенное влияние на эффективность кровотока оказывают такие свойства эритроцитов как агрегация и деформируемость [9, 30]. Деформируемость эритроцитов является критической характеристикой не только для микрореологии самих клеток, но и для МЦ с ее задачей обеспечить адекватную тканевую перфузию и доставку кислорода в клеточные микрорайоны [31–33]. В нашем исследовании хотя и не было установлено статистически значимых различий между группами лиц с разным уровнем МПК по показателям, характеризующим деформируемость эритроцитов, но имелась четкая тенденция на прирост эластичности клеток у лиц с высокой аэробной работоспособностью. Статистически значимые корреляции между ИУЭ и МПК подтверждали взаимосвязь микрореологии эритроцитов с эффективностью транспорта кислорода.

Что касается агрегации эритроцитов, которая может существенно влиять на вязкость крови в сосудах МЦ [34], то у лиц с относительно высоким МПК она была меньше. Считается, что снижение агрегации эритроцитов способствует повышению текучести крови и благоприятно сказывается на ее транспортной функции. В то же время, агрегация эритроцитов может рассматриваться как механизм регуляции посткапиллярного сопротивления, влияющего на эффективность транскапиллярного обмена на уровне соотношения процессов фильтрации/реабсорбции [15, 20]. Поскольку у лиц с относительно низким уровнем МПК диаметр обменных сосудов был меньше, и в этих условиях для поддержания адекватной перфузии необходим больший градиент давления между артериолярным и венулярным отделом капилляров, то повышенная агрегация эритроцитов у них может быть обусловлена действием указанного регуляторного механизма. С этим согласуются установленные различия в величине АД между группами наблюдения. Умеренно повышенное АД и ВК у лиц первой группы могут иметь компенсаторное значение, так как ВК прямо определяет величину напряжения сдвига текущей крови на сосудистом эндотелии и на мембране эритроцитов, которые в ответ на этот стимул активируют NO-синтазу и продуцируют оксид азота [35]. Этот газотрансмиттер стимулирует дилатацию артериол и прирост деформируемости эритроцитов, что повышает микрососудистую перфузию в работающих органах [11, 36, 37].

Согласно уравнению Пуазейля, диаметр сосуда и вязкость крови являются наиболее весомым факторами в комплексе характеристик, определяющих объемный кровоток. Оба эти параметра статистически значимо различались между группами лиц с разными уровнем МПК. У испытуемых с более высоким аэробным потенциалом был увеличен просвет капилляров и снижена вязкость крови, что сочеталось со значительно большим резервом кожного кровотока, определенного при помощи метода ЛДВ в условиях интенсивной мышечной работы. Прирост микрососудистой перфузии в условиях рабочей гиперемии был более чем в два раза выше у лиц группы 3, чем в группе 1. Столь выраженные различия между группами в изменениях перфузии, существенно превышающие разницу между отдельно взятыми сосудистыми и реологическими характеристиками, могут быть обусловлены комплексным, суммарным влиянием этих факторов. Необходимо отметить, что меньший резерв перфузии кожи у лиц с относительно низким МПК может быть обусловлен не только структурными и регуляторными различиями на уровне МЦР, но и ограниченными возможностями системной гемодинамики. Поскольку при интенсивной физической нагрузке происходит распределение доступного сердечного выброса между активно работающими органами, то при меньшей производительности сердца сокращается и объем крови, направляемый на обеспечение работы мышц и терморегуляцию. Взаимосвязь физической работоспособности и резервов перфузии кожи продемонстрирована в работах, в которых подчеркивается, что аэробные мышечные нагрузки являются эффективным средством повышения резервов кожного кровотока при терморегуляции [23, 31, 38].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, сравнительный анализ комплекса параметров системы кровообращения показал, что высокий аэробный потенциал организма сочетается с более экономичным функционированием системы кровообращения в состоянии покоя как на уровне макро-, так и микроциркуляции. В условиях интенсивной мышечной работы у лиц с большей величиной МПК зарегистрированы повышенные резервы перфузии кожи, которые, вероятно, достигались благодаря увеличенному просвету обменных сосудов и умеренно сниженной вязкости крови. Последняя была связана с меньшей агрегацией и большей деформируемостью эритроцитов. Можно полагать, что выявленные особенности МЦ являются частью более эффективно организованной функциональной системы транспорта кислорода у лиц с более высокой аэробной производительностью.

Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены локальным этическим комитетом ЯГПУ им. К.Д. Ушинского (Ярославль) (протокол № 2 от 08.02.2021 г.)

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. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и БРФФИ в рамках научного проекта № 20-515-00019 Бел_а.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.

Вклад авторов в публикацию. Михайлов Павел Валентинович – дизайн работы, подготовка и редактирование статьи. Остроумов Роман Сергеевич – сбор экспериментальных данных. Тихомирова Ирина Александровна – анализ и интерпретация данных. Муравьев Алексей Васильевич – организация исследования, общее руководство, утверждение окончательной версии для публикации. Осетров Игорь Александрович – статистическая обработка экспериментальных данных.