Features of blood microcirculation across different age groups in relation to urban ecosystem conditions

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Неблагоприятное воздействие факторов окружающей среды базируется на уровне химического, физического и биологического загрязнения, что определяет приоритеты мер по защите здоровья населения [1]. Кроме экологических проблем, на состояние здоровья человека оказывают влияние факторы проживания в урбанизированной среде с высокой плотностью застройки, заселения, давления временнÓго фактора, повышенной частоты вынужденных социальных контактов (общественный транспорт, метро), нарушение персонального пространства, затруднённая достижимость зон отдыха. Всё перечисленное характерно для мегаполисов и определяет развитие не только стрессов, роста неврозов, но и соматических заболеваний [2, 3]. Исследование показателей гомеостаза организма населения различных по состоянию урбоэкосистем позволяет провести сравнительный анализ адаптационных приспособительных реакций в зависимости от экологических аспектов. В качестве прогностических и диагностических критериев в оценке общего функционального состояния организма целесообразно использовать параметры микроциркуляции, поскольку изменения в системе микроциркуляции крови коррелируют со сдвигами в центральной гемодинамике [4]. Кроме того, кровоток в микроциркуляторном русле подвержен колебаниям, которые отражают текущее функциональное состояние систем его регуляции [5]. В свою очередь, гемодинамика микроциркуляторного русла играет значительную роль в поддержании тканевого гомеостаза, а её изменения сопровождают различные патологические процессы [6]. Показано, что большое число заболеваний связано с теми или иными нарушениями отдельных звеньев микроциркуляции [7]. Микроциркуляторное русло состоит из артериол, венул и капилляров, которые регулируют микрососудистый кровоток эритроцитов для оптимального обеспечения тканей кислородом [8]. Для оценки микроциркуляторной перфузии в последние два десятилетия всё чаще используют лазерные методы [9]. Анализ амплитудно-частотного спектра позволяет изолированно оценивать вклад каждого звена микроциркуляции, принимающего участие в модуляции кровотока на уровне микрососудов [7]. При этом к активным факторам контроля микроциркуляции относят эндотелиальный, миогенный и нейрогенный механизмы регуляции просвета сосудов, определяющие поток крови со стороны сосудистой стенки, к пассивным осцилляциям относят дыхательные и сердечные механизмы, формирующиеся вне микроциркуляторного русла [10]. В результате взаимодействия активных и пассивных механизмов вырабатываются оптимальные гемодинамические параметры для транскапиллярного обмена [5]. Однако на сегодняшний день нет исследований того, как происходит изменение микроцикуляции в зависимости от проживания человека в экологически загрязнённом мегаполисе и в малом городе с малым количеством промышленных предприятий. Представляет интерес анализ развивающихся процессов приспособления организма на уровне микроциркуляции в зависимости от состояния урбоэкосистем. Данное направление исследований целесообразно с точки зрения раскрытия механизмов адаптации организма к различным условиям существования, кроме того, позволяет выявить возможные точки срыва адаптационных возможностей организма для разработки методов своевременной коррекции здоровья населения.

Цель исследования. Изучение амплитудно-частотных характеристик микроциркуляции разных возрастных групп населения в зависимости от состояния урбоэкосистем, включая мегаполис и малый туристический город без выраженной промышленности.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Дизайн исследования

Аналитическое поперечное исследование случайной выборки.

Критерии соответствия

В исследование включены добровольцы, соответствующие плану исследования (возраст, проживание на территории исследуемого региона не менее пяти лет). У всех испытуемых не было системных или периферических сосудистых заболеваний, заболеваний соединительной ткани и дерматоза.

Из исследования были исключены добровольцы с вредными привычками, ожирением, психическими расстройствами и расстройствами поведения, беременностью.

Условия проведения

Исследование проводили на базе Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Продолжительность исследования

Всем участникам исследования провели однократную регистрацию параметров микроциркуляции крови в коже при помощи лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ), которую осуществляли лазерным анализатором капиллярного кровотока «ЛАЗМА СТ» (ООО НПП «ЛАЗМА», Россия), позволяющим проводить комплексную оценку микроциркуляции.

Описание медицинского вмешательства

ЛДФ-грамму записывали в первой половине дня в помещении с естественным освещением и температурой 21–22 ºС. Обследуемые находились в положении сидя. После их 20-минутной акклиматизации в спокойном состоянии на кожу дистальных фаланг II пальцев кистей обеих рук фиксировали оптический волоконный зонд. Установку зонда осуществляли без сдавления кожи. Запись сигнала выполняли в течение 5 мин.

Основной исход исследования

Оценивали амплитудно-частотные характеристики отражённого сигнала. Для их расчёта использовали вейвлет-анализ осцилляций кровотока. Амплитуды эндотелиального, нейрогенного, миогенного, венулярного и сердечного ритмов оценивали по максимальным значениям осцилляций кровотока (Amax, пф. ед) в соответствующих частотных диапазонах.

Сумму (ΣА_max) в эндотелиальном, нейрогенном, миогенном и сердечном частотных диапазонах расценивали как мощность механизмов, обеспечивающих приток крови в микроциркуляторное русло по формуле [11]:

$\Sigma {А}_{max}=Аэ+Ан+Ам+Ас$,

где Аэ — амплитуды колебаний перфузии в эндотелиальном диапазоне, Ан — амплитуды колебаний перфузии в нейрогенном диапазоне, Ам — амплитуды колебаний перфузии в миогенном диапазоне, Ас — амплитуды колебаний перфузии в сердечном диапазоне.

Анализ в группах

В исследовании принимали участие 60 добровольцев из Нижнего Новгорода (мегаполиса с развитой промышленностью) и 60 добровольцев из Семёнова (малого туристического города без выраженной промышленности). Все обследуемые были информированы и дали согласие на включение в исследование. Согласно классификации ВОЗ, обе выборки были подразделены на 3 возрастные группы: 1-я — 18–44 года; 2-я — 45–59 лет; 3-я — 60–74 года. Каждая группа включала по 20 человек и была сопоставима по полу и соматометрическим показателям (табл. 1).

 

Таблица 1. Соматометрическая, половая и возрастная характеристика добровольцев исследуемых выборок

Table 1. The somatometric, gender, and age characteristics of the volunteers in the studied samples

Группа Group	Пол (м/ж), % Gender (M/F), %	Возраст, лет Age (years)	ИМТ, кг/м2 BMI (kg/m2)	Рост, см Height (cm)
1-я выборка (добровольцы из Нижнего Новгорода) Sample 1 (volunteers from Nizhny Novgorod)
1	50/50	29,5±2,2	26,1±1,3	173,4±6,7
2	57/43	49,5±2,8	27,5±2,3	169,4±9,3
3	56/44	65,5±2,0	25,8±1,9	163,2±10,5
2-я выборка (добровольцы из Семёнова) Sample 2 (volunteers from Semenov)
1	50/50	31,5±4,5	25,3±1,8	175,4±10,2
2	55/45	48,8±3,6	26,9±2,6	171,8±7,9
3	55/45	64,7±5,1	26,2±1,6	166,4±8,6

 

Методы регистрации исходов

Регистрацию показателей ЛДФ осуществляли с помощью лазерного анализатора капиллярного кровотока «ЛАЗМА СТ» (ООО НПП «ЛАЗМА», Россия), позволяющего проводить комплексную оценку микроциркуляции.

Этическая экспертиза

Протокол исследования не проходил рассмотрение и не был одобрен этическим комитетом. Каждый респондент дал добровольное письменное согласие на обработку персональных данных в ходе исследования.

Статистический анализ

Полученные экспериментальные данные обработаны с помощью пакетов прикладных программ Statistica 6.0 и Microsoft Excel с использованием методов одномерной статистики. Результаты представлены в виде М±SEM, где М — среднее арифметическое, SEM — стандартная ошибка среднего. Для проверки гипотезы о виде распределения применяли метод Шапиро–Уилка. Статистические закономерности изучали с применением параметрического (критерий Стьюдента с поправкой Бонферрони) метода статистики. Различия считали статистически значимыми при уровне значимости р ≤0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Объекты исследования

Группу условно здоровых добровольцев составили мужчины и женщины 18–74 лет из двух населённых пунктов (60 добровольцев из Нижнего Новгорода и 60 добровольцев из Семёнова), которые были разделены в каждой выборке на три возрастные группы по 20 человек: 1-я — 18–44 года; 2-я — 45–59 лет; 3-я — 60–74 года. Соотношение лиц мужского и женского пола было примерно одинаковым. Жители Нижнего Новгорода — 33 (55%) мужчины и 27 (45%) женщин в возрасте от 18 до 72 лет; жители Семёнова — 32 (54%) мужчины и 28 (46%) женщин в возрасте от 18 до 74 лет.

Основные результаты исследования

Анализ амплитудно-частотных показателей микроциркуляции населения мегаполиса показал, что во 2-й возрастной группе значения амплитуды эндотелиального ритма увеличились на 52%, тогда как в 3-й группе данный показатель уменьшился на 28% относительно значений 2-й группы. Амплитуда нейрогенных колебаний значимо уменьшилась как во 2-й, так и в 3-й группе на 16% и 39% относительно значений 1-й группы соответственно. Амплитуда миогенных колебаний во 2-й группе снизилась на 28% и в 3-й группе — на 42% относительно значений 1-й группы. Значения показателя венулярного ритма были сопоставимы во всех группах. Значения амплитуды кардиоритма уменьшились на 38% во 2-й группе и на 27% — в 3-й группе относительно значений 1-й группы (табл. 2).

 

Таблица 2. Амплитудно-частотные характеристики микроциркуляции в разных возрастных группах населения мегаполиса

Table 2. Amplitude-frequency characteristics of microcirculation in different age groups in the megalopolis

Показатель Indicator	Исследуемая группа Study group
	1	2	3
Аэ, пф. ед Ae, perfusion units	0,88±0,19	1,34±0,22*	1,24±0,17*
Ан, пф. ед An, perfusion units	0,93±0,10	0,78±0,11*	0,57±0,10*,**
Ам, пф. ед Am, perfusion units	0,78±0,11	0,56±0,10*	0,46±0,06*
Ав, пф. ед Av, perfusion units	0,34±0,03	0,35±0,06	0,38±0,10
Ас, пф. ед Ас, perfusion units	1,54±0,06	1,06±0,08*	1,13±0,07*

Примечание: Аэ — амплитуда эндотелиального ритма; Ан — амплитуда нейрогенного ритма; Ам — амплитуда миогенного ритма; Ав — амплитуда венулярного ритма; Ас — амплитуда сердечного ритма. * p <0,05 — статистическая значимость по отношению к 1-й группе; ** p <0,05 — статистическая значимость показателей 3-й группы ко 2-й группе.

Note: Ae is the amplitude of the endothelial rhythm; An is the amplitude of the neurogenic rhythm; Am is the amplitude of the myogenic rhythm; Av is the amplitude of the venular rhythm; Ac is the amplitude of the cardiac rhythm. * p <0.05, statistically significant difference compared to group 1; ** p <0.05, statistically significant difference between indicators of group 3 and group 2.

 

Результаты спектрального анализа колебаний микрокровотока у добровольцев малого туристического города показали снижение амплитуд эндотелиального, нейрогенного и сердечного компонентов во 2-й группе на 36%, 37% и 33% соответственно относительно показателей 1-й группы (табл. 3). В 3-й группе регистрировался рост амплитуд колебаний кровотока в эндотелиальном, нейрогенном и миогенном спектрах флаксмоций относительно 1-й и 2-й групп с дальнейшим снижением кардиального ритма.

 

Таблица 3. Амплитудно-частотные характеристики микроциркуляции в разных возрастных группах населения малого туристического города

Table 3. Amplitude-frequency characteristics of microcirculation in different age groups in the small tourist town

Показатель Indicator	Исследуемая группа Study group
	1	2	3
Аэ, пф. ед Ae, perfusion units	1,01±0,46	0,65±0,08*	1,46±0,09*,**
Ан, пф. ед An, perfusion units	1,14±0,27	0,72±0,14*	1,38±0,12**
Ам, пф. ед Am, perfusion units	0,81±0,07	1,03±0,28	1,14±0,14*
Ав, пф. ед Av, perfusion units	0,39±0,08	0,42±0,11	0,47±0,14
Ас, пф. ед Ас, perfusion units	1,46±0,17	0,96±0,11*	0,89±0,09*

Примечание: Аэ — амплитуда эндотелиального ритма; Ан — амплитуда нейрогенного ритма; Ам — амплитуда миогенного ритма; Ав — амплитуда венулярного ритма; Ас — амплитуда сердечного ритма. * p <0,05 — статистическая значимость по отношению к 1-й группе; ** p <0,05 — статистическая значимость показателей 3-й группы ко 2-й группе.

Note: Ae is the amplitude of the endothelial rhythm; An is the amplitude of the neurogenic rhythm; Am is the amplitude of the myogenic rhythm; Av is the amplitude of the venular rhythm; Ac is the amplitude of the cardiac rhythm. * p <0.05, statistically significant difference compared to group 1; ** p <0.05, significant difference between indicators of group 3 and group 2.

 

Таким образом, при сравнении осцилляций кровотока у добровольцев малого туристического города с невыраженной промышленностью и мегаполиса не выявлено значимых различий показателей в 1-й возрастной группе, тогда как динамика изменений амплитудно-частотных характеристик микроциркуляции от 1-й к 3-й возрастной группе между данными выборками населения носила различный характер. Межгрупповые различия в аналогичных возрастных когортах мегаполиса и малого города показали, что между группами с возрастом 45–59 лет (2-я группа) регистрировались выраженные различия по значениям амплитуд эндотелиального ритма и миогенным колебаниям при однонаправленном снижении амплитуд нейрогенного и сердечного компонентов. В группе 60–74 года (3-я группа) между двумя исследуемыми выборками сохранялось однонаправленное изменение амплитуды сердечного компонента, которая характеризовалась снижением показателя, что сопровождалось ростом эндотелиального компонента в обеих выборках и разнонаправленным изменением амплитуд нейрогенного и миогенного ритмов.

Показатель, характеризующий мощность притока крови в микроциркуляторное русло, уменьшался в 3-й возрастной группе мегаполиса. У когорты населения малого города наблюдалась тенденция к снижению показателя во 2-й возрастной группе с последующим восстановлением в 3-й группе до уровня 1-й возрастной группы (табл. 4).

 

Таблица 4. Показатель мощности притока крови в разных возрастных группах населения мегаполиса и малого туристического города

Table 4. An indicator of the blood flow rate in different age groups of the population in the megalopolis and the small tourist town

Показатель Indicator		Исследуемая группа Study group
		1	2	3
ΣАmax пф.ед	Мегаполис Megalopolis	4,14± 0,31	3,74± 0,51	3,40± 0,42*
	Малый город Small tourist town	4,41± 0,48	3,36± 0,59	4,87± 0,38**

* p <0,05 — статистическая значимость по отношению к 1-й группе; ** p <0,0 — статистическая значимость показателей 3-й группы ко 2-й группе.

* p <0.05, statistically significant difference compared to group 1; ** p <0.05, significant difference between indicators of group 3 and group 2.

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты спектрального анализа свидетельствуют о разных механизмах регуляции кровотока на уровне микроциркуляции в различных урбанизированных экосистемах. При этом с возрастом, как в мегаполисе, так и в малом туристическом городе, повышается выраженность активных механизмов регуляции, таких факторов контроля, как эндотелиальный, нейрогенный и миогенный. Природа нейрогенного тонуса связана с активностью адренорецепторов и отчасти гладкомышечными клетками.

Понижение амплитуды нейрогенных колебаний означает повышение нейрогенного тонуса, и наоборот. Понижение амплитуды миогенных колебаний означает повышение миогенного тонуса, и наоборот [12]. Следовательно, снижение данных компонентов у обследуемых 2-й и 3-й групп мегаполиса определяется повышением миогенного и нейрогенного тонуса и свидетельствует о вазоконстрикции сосудов, которая усиливается к 3-й группе, то есть с увеличением возраста обследуемых. Уменьшение вазомоторных амплитуд вызвано повышением мышечного сопротивления и, как следствие, определяет снижение нутритивного кровотока [13]. Следует отметить, что на этом фоне у жителей мегаполиса во 2-й и 3-й группах зарегистрировано увеличение амплитуды эндотелиального ритма, что сочеталось с противоположной амплитудой сердечного ритма, которая уменьшалась во 2-й и 3-й возрастных группах по отношению к 1-й группе. Полученные данные свидетельствуют о повышении функциональной активности эндотелия, что связано с релаксирующим фактором оксида азота [14], тогда как величина сердечного ритма позволяет косвенно судить о величине просвета и, соответственно, тонусе крупных артериол [4]. Поскольку диагностическое значение эндотелиальных колебаний заключается в оценке эндотелиальной дисфункции [15] и считается, что дисфункцию эндотелия можно рассматривать как одно из основных клеточных событий, ответственных за гемодинамический коллапс, наблюдаемый при состояниях шока [16], и именно она связана с нарушением барьерной функции сосудов [17], вероятно, выявленный рост амплитуды эндотелиального ритма является компенсаторным механизмом, направленным на повышение перфузии на фоне повышения тонуса сосудов и уменьшения вследствие этого притока крови в микрососудистое русло, в противном случае увеличение тонуса резистивных сосудов и выраженная активация симпатических вазомоторных волокон могли бы уменьшить эффективность микрогемоциркуляции [18]. Этот факт подтверждает выявленное снижение показателя мощности притока крови в микрососуды с возрастом в выборке обследуемых мегаполиса.

В свою очередь, у жителей малого города при старении отмечено увеличение амплитуд эндотелиального ритма, миогенных и нейрогенных колебаний в 3-й возрастной группе, что свидетельствует не только об увеличении эндотелий-зависимой вазодилатации, выявленной у жителей мегаполиса, но и об уменьшении активности адренорецепторов, снижении тонуса гладкомышечных клеток и отсутствии признаков спазмирования артериол. Данная направленность механизмов регуляции кровотока сопровождается увеличением мощности притока крови в микроциркуляцию.

Ограничения исследования

Ограничения исследования связаны с анализом механизмов регуляции только микрогемодинамики функционирования сердечно-сосудистой системы в зависимости от влияния условий урбанизированной среды и экологических факторов. В этой связи планируется дальнейшее исследование прогностических и диагностических критериев центральной гемодинамики и выявление её корреляционной зависимости от изменения параметров микроциркуляции в различных возрастных группах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Характер изменений микроциркуляторного русла разных возрастных групп населения в зависимости от состояния урбоэкосистем, включая мегаполис и малый туристический город без выраженной промышленности, свидетельствует о снижении амплитуды пассивных колебаний сердечного генеза с увеличением возраста обследуемых, указывая на снижение вклада внешних факторов управления флаксмоциями кровотока. При этом происходит повышение нагрузки на активные звенья регуляции микрокровотока, связанные с обеспечением и поддержанием микроперфузии тканей. Вазоконстрикция, вызванная повышением активности симпатического звена вегетативной нервной системы, регистрируется в обеих выборках во 2-й группе (45–59 лет) и усиливается при старении у жителей мегаполиса. В выборке добровольцев мегаполиса наблюдается увеличение амплитуды эндотелий-зависимых колебаний, что может указывать на повышение продукции основного вазодилататора — оксида азота. Однако данных механизмов регуляции, по всей видимости, оказывается недостаточно для обеспечения нормализации микроциркуляции при старении, о чём свидетельствует постепенное снижение мощности притока крови в микроциркуляторное русло от 1-й к 3-й группе у жителей мегаполиса. В популяции добровольцев малого туристического города в 3-й возрастной группе происходит дополнительное увеличение нейрогенных колебаний, что обеспечивает приток дополнительного объёма крови в систему микроциркуляции. Амплитуда миогенных колебаний, по величине которой оценивается работа прекапиллярных сфинктеров, и, косвенно, количество функционирующих капилляров, также увеличивается с возрастом в популяции добровольцев малого туристического города. На этом фоне повышается приток крови в микроциркуляцию, что, по всей видимости, показывает эффективность адаптационных процессов организма, которые, вероятно, обусловлены работой активных механизмов регуляции, определяемых локальными физиологическими потребностями тканей организма.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.В. Дерюгина — разработка концепции и плана исследования, анализ данных и выводы; Д. А. Данилова — сбор и анализ данных; Ю.А. Старателева, М.Н. Таламанова — подготовка рукописи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Научное исследование проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание FSWR-2023-0032, 2023-2025).

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

Информированное согласие на участие в исследовании. Все участники до включения в исследование добровольно подписали форму информированного согласия, утверждённую в составе протокола исследования этическим комитетом.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.V. Deryugina — development of the concept and research plan, data analysis and conclusions; D.A. Danilova — data collection and analysis; Yu.A. Starateleva, M.N. Talamanova — preparation of the manuscript. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Funding source. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (state assignment FSWR-2023-0032, 2023-2025).

Competing interests. The authors declare no obvious or potential conflicts of interest associated with the publication of this article.

Patients’ consent. Written consent was obtained from all the study participants before the study initiation according to the study protocol approved by the local ethics committee.

About the authors

Darya A. Danilova

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Author for correspondence.
Email: danilovad.a@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7511-5123
SPIN-code: 2939-0350
Russian Federation, Nizhny Novgorod

Anna V. Deryugina

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: derugina69@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8812-8559
SPIN-code: 7974-4600
Russian Federation, Nizhny Novgorod

Yulia A. Starateleva

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: sua13@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-5234-5985
SPIN-code: 9728-1346
Russian Federation, Nizhny Novgorod

Maria N. Talamanova

National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Email: manjatal@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0512-6940
SPIN-code: 6829-3131
Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files