ОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

Адаптация к интервальной гипоксии: динамика насыщения крови кислородом и некоторых гематологических показателей

В. П. Катунцев, С. Ю. Захаров, Т. В. Сухоставцева, А. А. Пучкова
Информация об авторах

Федеральный медицинский биофизический центр имени А. И. Бурназяна, Москва, Россия

Для корреспонденции: Владимир Петрович Катунцев
ул. Душинская, д. 14, кв. 82, г. Москва, 111024; ur.xednay@takpv

Информация о статье

Финансирование: работа выполнена в рамках гос. задания ФМБА России без дополнительного финансирования.

Благодарности: авторы выражают благодарность всем добровольцам, принимавшим участие в проведении исследований в качестве обследуемых лиц

Вклад авторов: В. П. Катунцев — концепция и дизайн исследования; С. Ю. Захаров, Т. В. Сухоставцева, А. А. Пучкова — сбор и обработка материала; Т. В. Сухоставцева — статистическая обработка; В. П. Катунцев — написание текста; С. Ю. Захаров, Т. В. Сухоставцева — редактирование.

Статья получена: 07.09.2020 Статья принята к печати: 17.11.2020 Опубликовано online: 29.11.2020
|

Среди многих актуальных проблем современной медицины особое место занимает проблема воздействия на организм пониженного парциального давления кислорода (РО2), т. е. гипоксической гипоксии. Известно, что в зависимости от степени снижения РО2 в окружающей среде гипоксический фактор может стать как причиной развития патологического состояния, так и средством повышения резервных возможностей организма, способным оказывать на здоровье человека укрепляющий и саногенный эффект [110]. В работах Ф. З. Меерсона получен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о возможности путем предварительной адаптации к гипоксии повысить устойчивость организма не только к гипоксическим, но и к другим экстремальным условиям внешней среды (холоду, интенсивным нагрузкам), что позволило ему обосновать концепцию о перекрестной адаптации и общем механизме адаптации и профилактики [11, 12].

Большим достижением в биологии последних трех десятилетий стала расшифровка молекулярного механизма поддержания кислородного гомеостаза организма. Ключевая роль в этом механизме принадлежит специфическим факторам транскрипции, индуцируемым гипоксией (hypoxia-inducible factor, HIF) [13]. Одним из наиболее важных и изученных HIF является HIF-1.
Он представляет собой гетеродимер, состоящий из О2-зависимой субъединицы HIF-1α и структурной субъединицы HIF-1β. Концентрация и стабильность HIF-1α, а также активность транскрипции прямо зависят от уровня РО2 в клетке [14, 15]. В условиях пониженного РО2 HIF-1α инициирует в организме цепь генноопосредованных клеточных и системных реакций, направленных на адекватную доставку кислорода к тканям и его утилизацию. HIF-1 и HIF-2 инициируют продукцию в почках гормона эритропоэтина (Эпо), регулирующего процесс образования в костном мозге эритроцитов [16] — основных переносчиков кислорода от легких к тканям.

Это теоретическое положение хорошо согласуется с экспериментально установленными данными о том, что длительное пребывание людей на высотах более 2200 м приводит к повышению концентрации Эпо в сыворотке крови [17], а акклиматизация к условиям высокогорья характеризуется развитием полицитемии, увеличением концентрации гемоглобина и кислородной емкости крови [1, 3, 1820]. Однако при использовании для адаптации к гипоксии интервальных гипоксических тренировок (ИГТ) взаимосвязь динамики уровня Эпо, изменений показателей красного ростка крови и физиологических эффектов периодических гипоксических воздействий далеко не всегда отчетливо проявляется. Так, в результате использования в качестве тренировки бегунов четырехнедельного курса нормобарических ИГТ (5 мин гипоксия / 5 мин нормоксия по 70 мин 5 дней в неделю при FIO2 в первую неделю = 12%, во вторую неделю = 11%, в третью и четвертую недели = 10%) авторам не удалось наблюдать повышение концентрации Эпо, показателей красного роста крови и физической работоспособности [21]. По другим данным, несмотря на двухкратное повышение уровня Эпо в крови спортсменов после четырех недель ИГТ в барокамере (3 ч в день, 5 дней в неделю) при уровне давления, соответствующем давлению на высотах 4000–5500 м, не было найдено существенных изменений со стороны показателей красного ростка крови и массы гемоглобина [22]. У 10 здоровых мужчин-добровольцев, участвовавших в двухнедельном курсе нормобарической ИГТ (5 мин гипоксия / 5 мин нормоксия 4 раза в день), происходила активация комплемента, повышались фагоцитарная активность нейтрофилов и содержание иммуноглобулинов [23]. Однако обнаруженные этими авторами положительные эффекты ИГТ наблюдались при отсутствии изменений со стороны содержания Эпо, числа эритроцитов и уровня гемоглобина. В 12-дневном курсе нормобарических ИГТ в режиме 2 ч/сутки при FIO2 ~13% у группы из девяти здоровых мужчин не происходило изменений уровня гематокрита и концентрации гемоглобина [24]. Тем не менее к пятому дню ИГТ возрастало число ретикулоцитов в крови.

В связи с широким использованием в клинической, спортивной и авиакосмической медицине протоколов проведения ИГТ [7, 8, 2527] на сегодняшний день наиболее актуальными вопросами по проблеме адаптации к интервальной гипоксии остаются вопросы по изучению механизмов и оценке направленности действия на организм различных режимов гипоксических тренировок, сравнительному анализу их эффективности, поиску возможности их оптимизации [28]. Целью настоящей работы было изучение динамики насыщения крови кислородом, артериального давления, показателей красного ростка крови и уровня Эпо в ходе двухнедельного курса ИГТ.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

В исследовании участвовали в качестве обследуемых лиц 11 практически здоровых мужчин-добровольцев в возрасте 21–32 лет (средние значения: возраста — 25,3 ± 1,5 лет; массы тела — 81,5 ± 3,3 кг; длины тела — 180,4 ± 2,2 см). Критерии включения в исследование: успешное прохождение врачебно-экспертной комиссии и ознакомление с программой эксперимента.
Для проведения ИГТ использовали установку для гипокситерапии «БИО-НОВА-204» (НТО «БИО-НОВА»; Россия), позволяющую выполнять работу одновременно с двумя обследуемыми. Дыхание гипоксической газовой смесью осуществляли в положении сидя через плотно прижимаемые к лицу специальные маски в нормобарических, хорошо вентилируемых условиях лабораторного помещения, предназначенного для проведения физиологических исследований с участием человека. ИГТ проводили ежедневно, каждую продолжительностью по 60 мин, чередующимися друг за другом 6 циклами. Каждый цикл состоял из пятиминутного периода дыхания гипоксической газовой смесью и следующего за ним пятиминутного периода дыхания окружающим воздухом. Таким образом, ежедневный сеанс ИГТ состоял из шести пятиминутных периодов дыхания гипоксической газовой смесью, а общее время ежедневного воздействия на организм испытуемых гипоксической гипоксии достигало 30 мин. При выполнении первой ИГТ FIO2 составляла 10%, что соответствует PIO2 ~76 мм рт. ст. Для второй и всех последующих ИГТ использовали более низкую величину FIO2, равную 9% (PIO2 ~68,5 мм рт. ст.). В первой серии исследования продолжительность ИГТ составила 11 суток (пять обследуемых); во второй серии — 14 суток (шесть обследуемых).

Во время ИГТ осуществляли контроль за состоянием здоровья обследуемых лиц, оценивали их субъективные и объективные реакции на дыхание воздухом с пониженным содержанием кислорода. В исходном состоянии, а также при дыхании гипоксической газовой смесью с помощью монитора PVM-2703 (Nihon Kohden Corporation; Япония), снабженного каналом для измерения артериального давления и пульсоксиметром, периодически проводили регистрацию насыщения крови кислородом (SpO2), частоты сердечных сокращений (ЧСС), значений систолического (АДс) и диастолического (АДд) артериального давления.

Для гематологических исследований использовали образцы крови из локтевой вены, забираемой у обследуемых в утренние часы натощак. Морфологические показатели определяли на автоматическом гематологическом анализаторе XN-3000 (Sysmex Corporation; Япония) в фоновом периоде, после завершения 11-суточного и 14-суточного курсов ИГТ. Исследование уровня Эпо в крови выполняли на иммунохимическом анализаторе Immulite 2000 XPi (Siemens; Германия) до и после завершения 11-суточного курса ИГТ.
Для оценки развития адаптивных процессов в организме к действию интервальной гипоксии перед началом 14-суточного курса ИГТ и после его окончания проводили функциональный тест, описанный ранее [29]. Тест включал определение времени снижения SpO2 от исходных значений до 80% при дыхании газовой смесью с FIO2, равной 10% (Тс SpO2), и времени восстановления SpO2 по окончании вдыхания этой гипоксической смеси от 80% до исходного уровня (Тв SpO2).
Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Mircosoft Excel версии 2016 (16.0.5071.1000) (Microsoft Corporation; США). Соответствие нормальному распределению оценивали по критерию Колмогорова–Смирнова. Статистическую значимость различий определяли при вычислении t-критерия Стьюдента и непараметрического Т-критерия Уилкоксона. Различия считали значимыми при p < 0,05. Данные в таблицах представлены в виде M ± m.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Средние значения SpO2, ЧСС, АДс и АДд, зарегистрированные у обследуемых при дыхании гипоксической газовой смесью в процессе выполнения ИГТ, представлены в табл. 1. Снижение РО2 во вдыхаемом воздухе приводило к достоверному уменьшению SpO2 в среднем на 20,4% (p < 0,05), увеличению ЧСС на 22% (p < 0,05) и снижению АДд на 4,5% (p < 0,05) по отношению к исходным данным. Уровень АДс при этом достоверно не изменялся. Используемый протокол ИГТ субъективно легко переносили все обследуемые лица и не приводил к появлению дискомфортных ощущений. При переходе на дыхание окружающим воздухом происходило восстановление значений SpO2, ЧСС и показателей АД к очередному циклу дыхания гипоксической газовой смесью до исходных величин. В последующем цикле каждой ИГТ описанная выше закономерность по отношению к динамике вышеуказанных физиологических показателей повторялась.

Данные по динамике показателей красного ростка крови и уровня Эпо в процессе курсового проведения ИГТ представлены в табл. 2. В первой серии исследований после завершения 11-суточных гипоксических тренировок наблюдали статистически достоверное увеличение в крови абсолютного числа ретикулоцитов на 16,6% (p < 0,05). На фоне повышенного уровня в крови ретикулоцитов была отмечена отчетливая тенденция к увеличению числа эритроцитов и общего содержания гемоглобина (p > 0,05). В то же время концентрация Эпо в крови по сравнению с исходной величиной достоверно снижалась на 44,2% (p < 0,05). Во второй серии исследований увеличение продолжительности курса ИГТ до 14 суток привело к достоверному повышению числа эритроцитов на 3,9% (p < 0,05) и содержания гемоглобина на 4,7% (p < 0,05). Однако в отличие от первой серии после 14 суток гипоксических тренировок число ретикулоцитов у обследуемых не было увеличено. Более того, на этом этапе исследования оно существенно не отличалось от исходных значений, а по абсолютным значениям было даже на 6,7% ниже фонового уровня (p > 0,05). После завершения курса ИГТ как в первой, так и во второй сериях средние значения гематокрита несколько превышали исходный уровень. Однако изменения этого показателя не были статистически значимыми (p > 0,05).

Результаты функциональной пробы с дыханием газовой смесью при FlO2, равной 10%, представлены на рисунок. При выполнении этого теста после завершения 14-суточного курса ИГТ найдено статистически значимое увеличение на 93,5% времени снижения SpO2 до 80% (p < 0,05) во время дыхания гипоксической газовой смесью и статистически значимое уменьшение на 44% (p < 0,05) времени восстановления SpO2 до исходных значений после перехода на дыхание окружающим воздухом по сравнению со значениями этих показателей до ИГТ. С учетом обнаруженных сдвигов со стороны красного ростка крови эти данные, вероятно, являются следствием повышения кислородной емкости крови у обследуемых в результате проведенного курса ИГТ и развития в организме адаптационных процессов в ответ на периодическое воздействие гипоксической гипоксии.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При проведении ИГТ в нормо- или гипобарических условиях в большинстве протоколах обычно используют величины PIO2 от 114 до 76 мм рт. ст. [7, 25, 26, 3034]. В настоящей работе после первой гипоксической тренировки во время всех последующих уровень РIO2 был снижен с 76 мм рт. ст. до 68,5 мм рт. ст. При проведении двухнедельного курса ИГТ в таком режиме самочувствие у всех обследуемых оставалось хорошим, дискомфортных ощущений не возникало. Изменения ЧСС и артериального давления находились в диапазоне референсных значений для данной категории обследуемых лиц, что дает основание сделать заключение о хорошей переносимости практически здоровыми мужчинами используемого протокола ИГТ.

Как видно из полученных данных (см. табл. 1), наиболее выраженные сдвиги со стороны SpO2 и ЧСС были отмечены в первую половину первой недели гипоксических тренировок. Начиная со второй недели ИГТ, прослеживалась направленность в сторону меньшего снижения SpO2 и меньшего нарастания ЧСС при достоверном снижении АДд. Согласно имеющимся в литературе данным, полученные результаты могут быть обусловлены относительным повышением активности парасимпатического отдела вегетативной нервной системы при адаптации к интервальной гипоксии [7, 8, 35] и повышением общей толерантности организма к гипоксии [36].
Результаты проведенных исследований свидетельствуют также о том, что первоначальные, статистически значимые сдвиги со стороны показателей красного ростка крови становятся заметными спустя 1,5 недели после начала проведения ИГТ. Они проявляются в увеличении продукции в костном мозге ретикулоцитов и поступления их в системный кровоток. Согласно современным представлениям, появление повышенного числа ретикулоцитов в крови следует рассматривать как отражение повышенной продукции Эпо — основного регулятора эритропоэза в организме [37]. В условиях пониженного РIO2 уровень Эпо в сыворотке крови, по некоторым данным, достигает пиковых значений через 24– 48 ч и затем, примерно через неделю, может снижаться до значений, близких к исходным [38]. Эритропоэз — медленно активируемый процесс. Появление ретикулоцитоза становится заметным только спустя 3–4 дня после подъема уровня Эпо в крови [37]. Полученные в нашем исследовании данные находятся в соответствии с приведенными выше данными других авторов по динамике Эпо, а обнаруженный нами пониженный уровень Эпо после завершения 11-суточного курса ежедневных ИГТ при увеличенном количестве ретикулоцитов хорошо согласуется с отсутствием после 14 суток гипоксических тренировок ретикулоцитоза при достоверном повышении у обследуемых лиц числа эритроцитов и содержания гемоглобина.

Помимо выполнения функции основного физиологического фактора, регулирующего эритропоэз, Эпо принимает участие в функционировании структур ствола мозга, которые осуществляют контроль активности дыхательной системы, в частности, играет определенную роль в механизме изменения вентиляторной реакции на гипоксию [39, 40]. Было проведено исследование содержания мРНК Эпо в структурах ствола мозга крыс в ответ на двухнедельное интервальное гипоксическое воздействие при значениях FIO2, равных 12 и 7% [41]: содержание мРНК Эпо имело явную тенденцию к уменьшению после курса умеренных гипоксических воздействий (12% О2) и падало более чем вдвое после более «жесткого» курса (7% О2). Уменьшение синтеза Эпо авторы описанной работы предположительно связывают с завершением некоего этапа адаптационного процесса после курса ИГТ. При интерпретации этих данных следует, однако, учитывать, что экспрессия Эпо и интенсивность эритропоэза взаимосвязаны О2-зависимыми процессами. Имеются основания полагать, что начальное повышение уровня Эпо в крови должно соответствовать периоду, когда продукция Эпо превышает его утилизацию в костном мозге, и начинает снижаться, когда усиленный эритропоэз приводит к увеличению утилизации Эпо в костном мозге [42]. Таким образом, на каждом этапе адаптации к интервальной гипоксии в организме должно возникать и поддерживаться динамическое равновесие между требуемой продукцией Эпо в почках и его утилизацией в костном мозге.

При обсуждении вопроса о гематологических эффектах гипо- и нормобарических ИГТ в научных публикациях часто используют выражение «гипоксическая доза» («hypoxic dose») как показатель используемого протокола интервальной гипоксии, отражающего его возможность и достаточность оказать стимулирующее влияние на эритропоэз путем активации синтеза Эпо [26, 43]. Эта характеристика конкретного протокола ИГТ зависит от величины используемого для дыхания пониженного РО2, длительности дыхания воздухом с пониженным РО2 в каждом цикле, периодичности чередования дыхания воздухом с нормальным и пониженным РО2, частотой гипоксических тренировок в неделю, общей продолжительностью курса ИГТ. Как показали наши исследования, примененный протокол двухнедельного курса ежедневных одночасовых ИГТ с основным рабочим уровнем РО2 ~ 68,5 мм рт. ст. оказался достаточным для активизации процессов эритропоэза, увеличения числа эритроцитов, содержания гемоглобина и, следовательно, кислородной емкости крови. При использовании относительно короткого по общей продолжительности гипоксического воздействия величина «гипоксической дозы» может оказываться недостаточной для увеличения общей массы гемоглобина [32, 44].

В спортивной медицине ИГТ издавна используют при подготовке спортсменов к соревнованиям с целью повышения максимального потребления кислорода и физической работоспособности [45]. Однако, используя ИГТ, можно повысить физическую работоспособность не только за счет увеличения кислородной емкости крови [46]. Фактор HIF-1, активируемый при пониженном РО2, первоначально был идентифицирован как фактор, регулирующий транскрипцию гена Эпо [47]. Несколько позже, правда, было установлено, что HIF-1 активирует огромное число генов, запускающих не только адаптивные гематологические реакции [40]. Этот фактор выполняет наиглавнейшую роль в ответных реакциях сердечно- сосудистой и дыхательной систем на гипоксию [48]. HIF-1 инициирует сложные ответные реакции, направленные на увеличение легочной вентиляции, ангиогенез, поддержание pH и кислотно-основного равновесия в мышечной ткани [46], более эффективную утилизацию кислорода в клетках [28]. Вне зависимости от повышения кислородной емкости крови каждый из перечисленных выше негематологических эффектов ИГТ способен внести свой частичный вклад в повышение физической работоспособности организма.

ВЫВОДЫ

Как показали проведенные исследования, апробированный с участием практически здоровых мужчин-добровольцев протокол ежедневных одночасовых нормобарических ИГТ с основным рабочим уровнем РО2 ~ 68,5 мм. рт. ст. методически легко выполним, субъективно хорошо переносится обследуемыми и сопровождается умеренными, транзиторными сдвигами со стороны параметров кардиореспираторной системы. Проведение двухнедельного курса ИГТ согласно данному протоколу приводит к повышению в крови обследуемых лиц числа эритроцитов и содержания гемоглобина, что указывает на повышение кислородной емкости крови. Разработанный протокол ИГТ может быть использован в процессе подготовки специального контингента лиц к работам с повышенной физической нагрузкой в экстремальных условиях окружающей среды.

КОММЕНТАРИИ (0)