САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Митрофанова

Алла Владиславовна

РОЛЬ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫХ РЕАКЦИЙ В

КИСЛОРОДОСБЕРЕГАЮЩЕМ ЭФФЕКТЕ ПРИ ИМИТАЦИИ НЫРЯНИЯ У

ЧЕЛОВЕКА

03.03.01 – Физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена на кафедре Общей физиологии Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Татьяна Ивановна Баранова

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Юрий Евгеньевич Москаленко институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН доктор биологических наук Кислякова Лариса Павловна институт аналитического приборостроения РАН Ведущее учреждение: Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН

Защита состоится «_» _ 2011 г. в _ часов на заседании Совета Д212.232.10 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, ауд. 90.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А.М. Горького СанктПетербургского государственного университета

Автореферат разослан «_» 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук, профессор Н.П. Алексеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что нарушение кислородного гомеостаза может вести к патологическим состояниям, к нарушению работы сердечнососудистой, нервной и других систем организма. Изучение природнодетерминированных закрепленных в процессе эволюции механизмов защиты организма от гипоксии и разработка на их основе способов повышения резистентности к ее воздействию является важной проблемой современной адаптационной физиологии и медицины. Как показали исследования [Галанцев, 1988; Ноздрачев и др. 2000; Галанцев, 2001] весьма удобной моделью изучения защитных механизмов от гипоксии являются ныряющие млекопитающие. Универсальным приспособлением к нырянию у этих животных является нырятельный рефлекс, который сопровождается рефлекторным апноэ, развитием брадикардии, констрикцией периферических сосудов и селективным перераспределением кровотока к органам наиболее уязвимым к недостатку кислорода – мозгу и сердцу [Ноздрачев и др. 2000;

Бреслав, Ноздрачев, 2005; Elsner, Gooden, 1983; Ramirez et al., 2007].

Показано, что и человеку присущ комплекс адаптивных сердечно-сосудистых реакций, аналогичных реакциям ныряющих животных [Баранова, 2008;

Баранова и др., 2010; Gooden, 1994; Goksr et al., 2002; Andersson et al., 2004;

Andersson et al., 2008]. Выраженность этих реакций у человека зависит от особенностей центральной и вегетативной регуляции, психофизиологического статуса. В связи с этим сотрудниками лаборатории системных адаптаций кафедры общей физиологии СПбГУ [Баранова и др. 2005] описано четыре типа реализации нырятельной реакции (НР) у человека, обусловленные различной реактивностью парасимпатического звена регуляции хронотропной функции сердца: высокореактивный, реактивный, ареактивный и парадоксальный.

Гипоксия, развивающаяся при нырянии, является результатом полного прекращения поступления в организм кислорода. В этих условиях, согласно гипотезе Л. Ирвинга, выдвинутой им еще в 1934 г [Irving, 1934], продлить апноэ может лишь «консервация кислорода», то есть перевод организма на более экономное его потребление. Однако для человека эта гипотеза до сих пор не подтверждена. Не достаточно изучены у человека и особенности кровообращения при реализации нырятельной реакции, что обуславливает актуальность данного исследования.

В качестве рабочей гипотезы выдвигается предположение, что при нырянии (или его имитации) организм человека переходит на более экономный, кислородосберегающий путь энергообеспечения. Это достигается активацией комплекса защитных реакций сердечно-сосудистой системы. При этом эффект кислородосбережения у людей с различными типами реализации нырятельной реакции будет отличаться.

Цель работы заключается в изучении защитных сердечно-сосудистых реакций, реализующихся в ответ на комплекс факторов, сопровождающих ныряние, и их вклада в кислородосберегающий эффект нырятельной реакции у людей, отличающихся характером вегетативной регуляции хронотропной функции сердца.

Были поставлены следующие задачи:

1. Определить потребление кислорода по данным пульсоксиметрии и газоанализа выдыхаемого воздуха у обследованных с различными типами реализации нырятельной реакции в исходном состоянии и при имитации ныряния.

2. Исследовать скорость кровотока по данным интегральной реографии у представителей различных типов реализации нырятельной реакции в исходном состоянии и при имитации ныряния.

3. Изучить периферический кровоток по данным реовазографии и фотоплетизмографии в исходном состоянии и при имитации ныряния.

4. Установить особенности мозгового кровообращения по данным реоэнцефалографии в исходном состоянии и при имитации ныряния.

5. Оценить кровоток в аорте и легочной артерии в исходном состоянии и при имитации ныряния по данным реограммы.

Научная новизна работы. Показано, что реализация НР у человека сопровождается кислородосберегающим эффектом. Впервые дана его количественная оценка. Выявлено, что кислородосберегающий эффект у обследованных с различными типами НР отличается и достигается за счет комплекса сердечно-сосудистых реакций. Впервые показано, что на потребление кислорода у обследованных высокореактивного типа существенное влияние оказывает психоэмоциональное состояние. Отмечено, что представители различных типов НР исходно отличаются напряжением функционирования кардиореспираторной системы, типом гемодинамики и совершенством кислородосберегающих сердечно-сосудистых реакций, сопровождающих ныряние. Показано, что у человека при реализации нырятельной реакции не нарушается согласованность работы большого и малого кругов кровообращения. У человека, независимо от типа реализации НР и адаптированности к нырянию, холодо-гипоксигиперкапническое воздействие (ХГВ) сопровождается улучшением гемодинамики мозга.

Положения, выносимые на защиту:

1. Реализация нырятельной реакции у человека сопровождается кислородосберегающим эффектом.

2. Эффект сбережения кислорода при имитации ныряния обеспечивается комплексом сердечно-сосудистых реакций.

3. Кислородосберегающий эффект у обследованных, отличающихся типом реализации нырятельной реакции, выражен в разной степени. Представители различных типов исходно отличаются напряжением функционирования кардиореспираторной системы, типом гемодинамики и совершенством кислородосберегающих сердечно-сосудистых реакций.

4. У обследованных высокореактивного типа потребление кислорода зависит от психоэмоционального состояния.

5. Имитация ныряния у человека способом холодо-гипоксигиперкапнического воздействия сопровождается улучшением мозгового кровотока.

Теоретическое и практическое значение работы. Проведенное исследование расширяет теоретические знания об адаптационных механизмах на примере адаптации к комплексу факторов, сопровождающих ныряние: холоду, острой гипоксии и гиперкапнии. Показано, что представители, принадлежащие к различным типам реализации НР, исходно отличаются психоэмоциональным состоянием, резистентностью организма к неблагоприятным факторам, уровнем энергетического метаболизма, типами кровообращения, особенностями регионарного кровообращения, что расширяет представления в области адаптационной, экспериментальноклинической и экологической физиологии. Исследование особенностей развития рефлекторной брадикардии во время реализации НР дает возможность использовать ХГВ в качестве пробы на определение реактивности парасимпатического звена регуляции хронотропной функции сердца. Изучение особенностей мозгового кровотока в процессе реализации НР дает возможность использования способа ХГВ в качестве средства улучшения мозгового кровотока. Результаты исследований дают возможность, в том числе, более эффективно использовать технологию ХГВ, разработанную в лаборатории системных адаптаций кафедры общей физиологии СПбГУ, как способ оздоровления организма человека.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Научно-практической конференции «Актуальные вопросы клинической и экспериментальной медицины» (СПб, 2008), VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008), XIII Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (Москва, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации»

(Волгоград, 2008), Международной конференции «Физиология и патология иммунной системы» (Москва, 2008), II Съезде физиологов СНГ (Кишинев, 2008), VII Съезде аллергологов и иммунологов СНГ (СПб, 2009; Italy, Medimond, 2009), IV Всероссийском симпозиуме «Проблемы адаптации человека к экологическим и социальным условиям Севера» (Сыктывкар, 2009), XV Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (Дубай, ОАЭ, 2010), Международной научнопрактической конференции студентов и молодых ученых (Гродно, Беларусь, 2010), XXI Съезде физиологического общества им И.П. Павлова (Калуга, 2010), Всероссийской конференции «Физиологические механизмы адаптации человека» (Тюмень, 2010), Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы регуляции физиологических систем организма в процессе адаптации к условиям среды» (СПб, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы: статей, 3 из которых в журналах, рекомендованных ВАК; 14 тезисов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, главы описания методических приемов, 2-х глав экспериментальной работы, в каждой из которых дается литературная справка, результаты исследования и их обсуждение, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, иллюстрирована 14 рисунками и содержит 18 таблиц. Библиографический указатель включает наименований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено на практически здоровых людях обоего пола в возрасте 20-25 лет (всего 74 человека), у которых не было выявлено никаких соматических заболеваний. Все обследованные были проинформированы о цели и методах проведения исследования и дали свое добровольное согласие на участие. Активация НР осуществлялась посредством имитации ныряния способом ХГВ, разработанного в лаборатории системных адаптаций кафедры общей физиологии. Суть ХГВ заключалась в погружении на свободном выдохе лица в воду определенной температуры (температура воздуха составила 23,5±2,7оС, температура воды – 12,8±2,6оС).

Осуществлялось 3 погружения с интервалом в 2-3 мин. Имитация ныряния проводилась в положении «сидя» или в положении «лёжа лицом вниз».

Достижение поставленной цели предполагало изучение системнодинамических перестроек сердечно-сосудистой системы (ЧСС, АД, общего, периферического и мозгового кровотока, кровотока в аорте и легочной артерии) и дыхательной системы, энергетического метаболизма методом газового анализа, особенностей вегетативной регуляции хронотропной функции сердца, психоэмоционального состояния обследованных.

Для оценки состояния сердечно-сосудистой системы использовались такие методы, как: электрокардиография (регистрировалась во II стандартном отведении с использованием комплекса «Cardio 99», СПб), измерение артериального давления (регистрировали с помощью автоматического измерителя UA-767, AND, Япония), реография (запись и анализ реограмм проводились с использованием реографа-полианализатора РГПА-6/ «РЕАН-ПОЛИ», Таганрог). Потребление кислорода определялось методами пульсоксиметрии (WinOxy,ООО «Мицар», СПб) и газоанализа выдыхаемого воздуха (процентное содержание кислорода измеряли кислородным датчиком КЕ-25 «Figaro», Япония; парциальное давление кислорода – с помощью микропроцессорного анализатора pO2-MF01 ООО «ЦЭЗ», СПб; для определения парциального давления углекислого газа в выдыхаемом воздухе использовался прибор «ЭргоВЕНТ», ООО «ЦЭЗ»,СПб).

Определение типа нырятельной реакции обследованных, которая имитировалась способом ХГВ, осуществлялось по таким критериям, как время апноэ (Т, с), латентное время развития брадикардии (с), скорость нарастания брадикардии (у.е.), выраженность брадикардии (у.е.), время восстановления (с) [Баранова и др., 2005]. На основании показателя устойчивости к ХГВ (баллы) определяли индивидуальный уровень толерантности обследованного к комплексу факторов, сопровождающих ХГВ.

Психоэмоциональное состояние обследованных определялось по тесту Люшера и опроснику Русалова.

В качестве контрольной пробы относительно ХГВ, имитирующего ныряние, использовалась проба Генче («сухая» задержка дыхания на выдохе).

Для реализации поставленных задач было проведено четыре серии исследований.

В первой серии изучалась центральная (n=64) и периферическая (n=26) гемодинамика в исходном состоянии, при пробе Генче и при ХГВ.

Центральная гемодинамика изучалась методом интегральной реографии по М.И. Тищенко (1973) по показателям ударного объема крови (УОК, мл), минутного объема кровообращения (МОК, л/мин), общего периферического сопротивления сосудов (ОПСС, дин·см·с-5). Периферический кровоток в конечностях (плече) определялся по показателям реовазограммы (РВГ) – реографическому индексу (РИ, Ом), показателю периферического сопротивления сосудов (ППСС,%), максимальной скорости быстрого кровенаполнения (МСБКН, Ом/с), диастолическому индексу (ДСИ, Ом).

Кровоток в дистальной фаланге пальца определялся методом фотоплетизмографии (ФПГ) и косвенно оценивался по показателю амплитуды систолической волны (АСВ, pm). По показателю сердечного индекса (СИ, л/мин/м2) определялся тип гемодинамики (ГД) обследованных (методика Н.И.

Аринчина,1978). Вычислялась частота встречаемости (р, отн.ед.) того или иного типа ГД среди обследованных.

Во второй серии исследований по данным реографии оценивался кровоток в аорте и легочной артерии (n=27). Использовались показатели РИ, ППСС, МСБКН, ДСИ, индекс венозного оттока (ИВО, %).

В третьей серии исследований по данным реоэнцефалографии (методика РЭГ-4-FM,OM) изучался кровоток в головном мозге (n=26). Использовались показатели РИ, ППСС, ДСИ, модуль упругости (МУ,%), показатель эластичности сосудов (ПЭС, %), дикротический индекс (ДКИ, %), коэффициент асимметрии (КА, %) вычислялся по всем показателям РЭГ.

В четвертой серии оценивался уровень потребления кислорода в исходном состоянии, при пробе Генче и при ХГВ. Определялось парциальное давление кислорода (рО2, n=28) и углекислого газа (рСО2, n=12) в порции выдыхаемого воздуха, рассчитывалась скорость падения рО2 (VрO2, мм рт.

ст./мин) и скорость прироста рСО2 в легких (VpCO2, мм рт. ст./мин) во время пробы Генче и ХГВ [Баранова и др., 2010]. В исходном состоянии, после пробы Генче, после ХГВ и в процессе восстановления определялось потребление кислорода (ПК, мл), кислородный запрос (КЗ, мл), кислородный долг (КД, мл). По этим показателям определялась величина экономии потребления кислорода (ЭПК, мл) при пробе Генче и при ХГВ. Для оценки индивидуальных особенностей системы дыхания и исходного энергетического метаболизма определялись показатели внешнего дыхания: частоту дыхания (вдох/мин), дыхательный объем (мл), жизненную емкость легких (мл), резервный объем выдоха (мл), минутный объем дыхания (МОД, мл/мин), рассчитывали коэффициент использования кислорода (мл/л) и индекс Скибинского (у.е.). На протяжении всего исследования, регистрировалась сатурация крови (SаO2, %).

Экспериментальные данные обрабатывались с использованием пакетов программ MS Excel 2003, Statistica 6.0, KyPlot v2.0 beta13. Значимость различий для несвязанных переменных и связанных между собой парных рядов оценивалась по непараметрическим критериям Манна-Уитни и Вилкоксона, соответственно. Статистическая значимость встречаемости определенного типа ГД определялась с использованием других критериев значимости. Для выявления зависимости между исследуемыми параметрами использовали корреляционный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В нашем исследовании защитные сердечно-сосудистые реакции активировались способом ХГВ, который представляет собой комплекс одномоментно, синергически действующих раздражителей на организм при нырянии. Величина гипоксического фактора в среднем по группе (при апноэ длительностью 42,0±12,8 с) по данным пульсоксиметрии составляла 91,4±3,6%, по данным газоанализа выдыхаемого воздуха содержание кислорода составляло 94,3±9,1 мм рт.ст., углекислого газа – 48,2±1,4 мм рт.ст.

Урежение сердечного ритма в ответ на ХГВ развивалась у 81,1% обследованных. Из них 39,2% обследованных принадлежало к реактивному типу (n=29) с постепенно развивающейся брадикардией, а 41,9% – к высокореактивному (n=31) с быстро развивающейся, ярко выраженной брадикардией. У 16,2% (n=12) обследованных ареактивного типа брадикардия в ответ на ХГВ не развивалась. У 2,7% (n=2) обследованных парадоксального типа в ответ на ХГВ развивалась тахикардия.

Оценка потребления кислорода методом газоанализа у обследованных с различными типами реализации нырятельной реакции. Анализ параметров внешнего дыхания выявил, что у высокореактивных обследованных объем резервного выдоха (2330±150мл) и МОД (9,2±0,6л/мин) статистически значимо