The ventricular repolarization of the heart in healthy people in the European North under short-term exposure of the normobaric hypoxic and hypercapnic hypoxia

Full Text

Введение

Воздействие гипоксического фактора на функционирование кардиореспираторной системы человека достаточно хорошо изучено, выделены основные направления развития гипоксической стресс-реакции организма при различных концентрациях экзогенного кислорода, используются профилактические и лечебные свойства прерывистого и пролонгированного действия гипоксических газовых смесей (гипокситерапия), а использование сочетания различных концентраций газов атмосферы подчинено конкретным исследовательским или клиническим задачам [1-4]. Сочетанное воздействие гипоксического и гиперкапнического факторов снижает выраженность неблагоприятного влияния кислородной недостаточности во всех функциональных системах, субъективно улучшает переносимость острой гипоксии [5].

Особый интерес представляет функционирование кислородтранспортной системы в условиях измененной газовой среды у людей, проживающих и осуществляющих трудовую деятельность в условиях холодного климата. Геоклиматическая особенность Северных территорий России характеризуется резкими перепадами температур воздуха, высокой изменчивостью метеофакторов и гипоксемией, в связи с чем у жителей Севера отмечают рефлекторное сужение просвета бронхов, повышенное сопротивление воздухоносных путей, снижение коэффициента использования кислорода, что вкупе вызывает скрытую гипоксическую нагрузку на организм и увеличивает потребность в повышенном газообмене, а в результате поверхностного и учащенного дыхания формируется слабовыраженная гипокапния [6, 7].

Наиболее зависимыми от концентрации эндогенного кислорода являются мозг и сердце, потребляющие больше половины всего кислорода, поступающего в организм [3]. Непрерывная ритмическая активность сердца обуславливает высокую чувствительность миокарда к уменьшению парциального давления кислорода в крови, его снижение подавляет электрогенез в кардиомиоцитах [8]. Гипоксическое состояние миокарда отображается на ЭКГ большей частью изменениями реполяризации желудочков сердца, но они малоспецифичны. Вовлечение дополнительного количества регистрирующих ЭКГ электродов на поверхности торса позволяет получить больше информации об электрической активности сердца в норме и при моделировании различных стресс-воздействий [9-11]. Исследования электрического поля сердца при множественной синхронной регистрации кардиоэлектрических потенциалов на поверхности грудной клетки здорового человека в покое [12-14], у спортсменов разной направленности тренировочного процесса и при воздействии физической нагрузки [15-17] подтвердили высокую информативность подхода для изучения функционального состояния миокарда, показали перспективность кардиоэлектротопографического исследования при воздействии измененного кислородного режима на работу сердца.

Настоящее исследование посвящено изучению электрической активности сердца в период реполяризации желудочков сердца при воздействии экзогенной нормобарической гипоксии с различным содержанием углекислого газа во вдыхаемом воздухе у практически здоровых жителей Европейского Севера.

 

Материалы и методы

Объект исследования

В исследовании приняли добровольное участие 25 практически здоровых мужчин (20,7±0,9 лет, масса тела 76,5±7,8 кг, длина тела 178,4±5,4 см), предварительно ознакомленных с целью исследования, возможными субъективными ощущениями при проведении гипоксического воздействия, от каждого участника получено письменное согласие. Участники исследования были рандомно разделены на две группы: по изучению воздействия экзогенной гипоксической гипоксии (n=15); гиперкапнической гипоксии (n=10). Критериями исключения из исследования являлись хронические бронхолёгочные и сердечно-сосудистые заболевания, недавно перенесенные ОРВИ. Исследование проведено в соответствии с принципами биомедицинской этики и одобрены локальным этическим комитетом Отдела сравнительной кардиологии Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук» г. Сыктывкар (протокол №1 от 06.04.2022).

 

Многоканальное ЭКГ-картирование

Электрическую активность сердца у обследуемых лиц изучали при помощи многоканального ЭКГ-картирования на поверхности тела с использованием автоматизированной системы для синхронной регистрации кардиоэлектрических потенциалов в период реполяризации желудочков сердца. Кардиоэлектрические потенциалы регистрировали на поверхности тела людей в исходном состоянии, при воздействии обеих типов гипоксий, в период восстановления (дыхание атмосферным воздухом). Униполярные ЭКГ регистрировали в положении сидя от 64 электродов, равномерно расположенных на вентральной и дорсальной сторонах торса от уровня ключиц до нижнего края грудной клетки. Электроды были расположены в 8 рядов по 8 электродов в каждом (рис. 1 А). Синхронно с туловищными записывали ЭКГ в стандартных биполярных отведениях от конечностей (I, II, III), в качестве референсного электрода для униполярных отведений с поверхности торса использовали центральную терминаль Вильсона. После регистрации кардиоэлектрических потенциалов строили эквипотенциальные моментные карты, отражающие распределение потенциалов электрического поля сердца (ЭПС) в соответствующий момент конечной желудочковой активности на изображении поверхности торса в виде прямоугольника, левая сторона которого соответствует вентральной, а правая – дорсальной стороне тела (Рис. 1 В).

 

Рисунок 1

 

На эквипотенциальных моментных картах анализировали амплитудные характеристики положительных и отрицательных экстремумов ЭПС (Amax и Amin, соответственно) и время достижения ими максимальных амплитуд в период реполяризации желудочков (Tmax и Tmin, соответственно) относительно пика R_II. На ЭКГ во втором отведении от конечностей (ЭКГ_II) определяли длительности интервалов QT, J-Tpeak, Tpeak-Tend, J-Tend.

 

Воздействие экзогенной нормобарической гипоксической и гиперкапнической гипоксии

В исходном состоянии у участников в положении сидя в кресле регистрировали ЧСС и сатурацию гемоглобина крови (SpO₂) (пульсокисметр EnviteC, Germany), ЭКГ в стандартных отведениях от конечностей и кардиоэлектрические потенциалы на поверхности грудной клетки. Затем исследуемого переводили на дыхание гипоксической смесью через лицевую маску.

Воздействие гипоксической гипоксии (ГГ) (n=15) осуществляли в течение 15 минут в условиях нормального атмосферного давления при помощи изокапнической гипоксической газовой смеси (содержание кислорода - 12-13%, углекислого газа - 0,4%). Использовали гипоксикатор OXYTERRA (ООО OXYTERRA, Россия) и модифицированный гипоксикатор Kröber O₂ (Germany) (свидетельство на полезную модель № 24098 от 27 июля 2002 г.). Содержание кислорода в газовой смеси контролировали при помощи кислородного датчика (EnviteC, Germany). Обследуемый дышал газовой смесью 15 мин, затем маску снимали и переходили на дыхание атмосферным воздухом в течение 5 минут.

Воздействие гиперкапнической гипоксии (ГПК) (n=10) осуществляли в течение 15 минут и осуществляли методом возвратного дыхания через лечебно-диагностический тренажер Карбоник («Карбоник», Россия). Данный прибор создает гиперкапническую гипоксию (содержание кислорода - 13-15%, углекислого газа - 4-5%) в альвеолярном воздухе путем автоматического регулирования объема мертвого пространства. При помощи программного обеспечения «Carbonic Software, v. 2.00» и кислородного датчика осуществляли мониторинг концентрации О₂ и СО₂ в выдыхаемом воздухе. После воздействия восстановительный период дыханием атмосферным воздухом длился 5 минут.

Регистрацию ЧСС, SpO₂, ЭКГ_II и кардиоэлектрических потенциалов проводили на каждой минуте исследования.

Статистический анализ

Статистический анализ проводили с использованием программного пакета Statistica (версия 10.0, StatSoft Inc., США). Нормальность данных была подтверждена тестом Шапиро–Уилка, рассчитывали среднюю арифметическую величину (М), стандартное отклонение (SD), дисперсию (S₂), разность отклонений (d). Результаты представлены в виде средней арифметической ± стандартное отклонение (M±SD). Статистическую значимость различий независимых переменных определяли методом сравнения средних, а зависимых — методом разности отклонений по критерию Стьюдента; различия дисперсий оценивали по F-критерию Фишера. Различия между выборками считали статистически значимыми при p < 0.05.

 

Результаты

 

Практически у всех исследованных лиц изменения ЧСС и сатурации гемоглобина крови при ГГ были более существенными, чем при ГПК. У лиц, получавших воздействие ГГ максимальный прирост ЧСС отмечен на 7 минуте гипоксии и составил 29,2%, а наибольшее падение SpO₂  на 12 минуте составило 22,4% , у лиц группы ГПК выявлен максимальный прирост ЧСС на 10 минуте - 8,7%, а снижение SpO₂  на 15 минуте -7,7%. Увеличение ЧСС и снижение SpO₂ на каждой минуте воздействия гипоксии обеих видов было статистически значимо (Рис. 2).

Рисунок 2

 

 

 

Изменения ЧСС и SpO₂ у исследуемых лиц при ГПК были более однородны, чем при воздействии ГГ.

Временные параметры электрической активности сердца при воздействии ГГ и ГПК

При воздействии обеих видов гипоксии у всех участников исследования отметили уменьшение длительности QT интервала: статистически значимое с 1 по 15 минуту воздействия ГГ; при ГПК интервал QT укорачивался постепенно и достиг значимого уменьшения к 15 минуте гипокси-гиперкапнической экспозиции (рис. 3).

 

Рисунок 3

 

Воздействие ГГ привело к значимым уменьшениям длительности интервала J-Tpeak и Tpeak-Tend на каждой минуте воздействия. При ГПК существенное уменьшение продолжительности J-Tpeak выявили на 7 и 10 минутах гипоксии, длительность Tpeak-Tend существенно не изменилась.

При переходе на дыхание атмосферным воздухом длительности интервалов QT, J-Tpeak и Tpeak-Tend  восстанавливались к исходным значениям к 3 минуте у лиц группы ГГ и с 1 минуты периода восстановления у лиц группы ГПК.

Межгрупповое сравнение показало, что статистически значимо большее укорочение интервалов QT и J-Tpeak было у людей при воздействии ГГ, чем ГПК.

 

Анализ ЭПС на поверхности торса показал значимо более раннее достижение максимальными положительным и отрицательным экстремумами своих наибольших значений в период реполяризации миокарда на оба гипоксических воздействия.

Tmax стал значимо меньше на каждой минуте дыхательной экспозиции при ГГ, при ГПК - статистически значимо более раннее достижение положительного экстремума своего максимума относительно исходного состояния отметили на 7, 10 и 12 минутах воздействия. Положительный экстремум стал раньше достигать своего максимального значения при ГГ на 10,5%, при ГПК на 8,4 % по сравнению с исходным состоянием (Δ Tmax). Различия между группами были статистически незначимы (Рис. 4).

Рисунок 4

 

Отрицательный экстремум ЭПС достигал своего максимального значения (Tmin) при ГГ значимо раньше на каждой минуте дыхательной экспозиции, при этом уменьшение времени достижения своего наибольшего значения экстремумом достигало 19,1%(Δ Tmin), при ГПК уменьшение временного параметра было максимальным на 7 минуте – до 6,7%, различия между группами статистически значимы на каждой минуте воздействия обеих видов гипоксии (p<0.01) (Рис. 5).

Рисунок 5

 

Амплитудные параметры электрической активности сердца в период реполяризации желудочков при воздействии ГГ и ГПК

Амплитуда T_II волны в исходном состоянии у всех обследованных лиц практически не отличалась (у лиц из группы ГГ 0,48±0,28 мВ, из группы ГПК – 0,47±0,25 мВ). При воздействии ГГ и ГПК существенных изменений амплитуды T_II волны у всех исследуемых не происходило.

На ЭПС на поверхности тела Amax в исходном состоянии у всех обследованных лиц практически не отличалась и составила 0,90±0,10 мВ и 0,91±0,09 мВ в группе ГПК и ГГ, соответственно. Статистически значимого изменения Amax при ГГ и ГПК не происходит, отмечена тенденция к снижению при воздействии ГГ на 7 (р=0,061), 10 (р=0,073) и 12 (р=0,061) минутах дыхательной экспозиции.

Amin в исходном состоянии у обследованных лиц из группы ГГ составила 0,50±0,06 мВ значимо не различаясь с показателями у лиц из группы ГПК -0,44±0,05 мВ. При воздействии ГГ происходило постепенное снижение Amin, достигая значимо меньших значений в -0,40±0,13 мВ (p=0.047) на 5 минуте, -0,37±0,11 мВ (p=0.043) на 7 минуте, -0,38±0,08 мВ (p=0,01) на 10 минутах гипоксической экспозиции. При ГПК изменений Amin не происходит.

 

Обсуждение

Сравнительный анализ показал, что на воздействие гиперкапнической гипоксической гипоксии у людей, проживающих в условиях Европейского Севера, происходят менее выраженные изменения электрической активности сердца в период реполяризации миокарда, чем при воздействии изокапнической гипоксической гипоксии.

Срочный ответ на гипоксию со стороны кардиореспираторной системы направлен на сохранение гомеостаза, обеспечение кровоснабжением наиболее энергозатратных органов и заключается в увеличении ЧСС, системного артериального давления, учащении дыхания [2, 18]. Сравнительные исследования продемонстрировали различие в срочной реакции на разные виды гипоксии: при воздействии изокапнической гипоксической гипоксии происходит преимущественное усиление сердечной деятельности, тогда как при увеличении доли углекислого газа во вдыхаемой гипоксической смеси активируются каротидные тельца, стимулирующие дыхание, усиливая вентиляцию за счет более глубокого вдоха [19-21]. В нашем исследовании оба вида гипоксии (ГГ и ГПК) вызвали схожую реакцию – на всем протяжении гипоксии увеличивалась ЧСС, уменьшалась SpO₂, но при ГПК это снижение было значимо меньшим на каждой минуте воздействия и в абсолютных показателях, и по приросту относительно исходного состояния.

Реполяризация желудочков сердца привлекает больше внимания со стороны исследователей ввиду большой чувствительности к действию самых различных факторов, в случае воздействия гипоксического стимула таким фактором является изменения парциальных газов крови и ее электролитного состава [8, 22]. Воздействие гипоксии в нашем исследовании было кратковременным, что, по мнению авторов [2, 3] не является достаточным для существенных изменений электролитного состава крови, могущее непосредственно повлиять на ЭКГ, но вызывает снижение активности энергозависимых насосов клеток сердца, меняя функциональное состояние кардиомиоцитов. Воздействие ГГ на миокард отражается на реполяризации желудочков изменением формы и амплитуды Т-волны, длительности QT интервала, смещением ST-сегмента относительно изолинии на ЭКГ [23-25]. Детализацию изменений восстановления возбудимости сердца проводят с помощью оценки длительности интервалов J-Tpeak, Tpeak-Tend, клинически подтвердивших свою информативность в качестве маркеров аритмогенности [26, 27]. Модельные исследования показали, что реполяризация кардиомиоцитов субэпикарда тесно коррелирует с интервалом J-Tpeak на ЭКГ, а период Tpeak-Tend взаимосвязан с трансмуральной дисперсиией реполяризации желудочков сердца). Уменьшение длительности интервала J-Tpeak в сочетании с укорочением QT интервала является типичной реакцией на кислородную недостаточность [27, 28]. Ранее мы показали, что у практически здорового человека на начальных стадиях развития гипоксического состояния общая длительность реполяризации желудочков тесно коррелирует с продолжительностью ранней реполяризации, а при более значительном падении SpO₂ в крови растет взаимосвязь с длительностью поздней реполяризации [24]. Полученные нами результаты позволяют заключить, что ГГ влияет на реполяризацию миокарда более существенно, чем ГПК, уменьшая длительность не только ранней (интервал J-Tpeak), но и поздней (интервал Tpeak-Tend) реполяризации, что приводит к более существенному укорочению фазы поздней реполяризации.

Более жесткое влияние гипоксической гипоксии на организм обусловлено прежде всего начинающимся метаболическим ацидозом, который на ранних стадиях развития гипоксического состояния активирует системный ответ организма (усиление дыхания и сердечно-сосудистые изменения), при продолжающемся - формирует перестройку дыхательной цепи в митохондриях [3]. Но накопление кислых продуктов реакции смещает кислотно-основные свойства крови, которые на фоне вымывании CO₂ (из-за гипервентиляции) прогрессивно нарастают и уже не активируют, а подавляют действие ферментов кислородтранспортной цепи. Поэтому увеличение доли углекислоты во вдыхаемом воздухе снижает выраженность гипоксических реакций, увеличивая буферную емкость крови [29]. Таким образом, гиперкапническая гипоксия за счет введения СО₂ обеспечивает менее выраженный системный ответ.

При многоканальном ЭКГ-картировании особое внимание уделяют исследованию амплитудно-временных характеристик экстремумов ЭПС, что дает представление о процессе восстановления возбудимости миокарда при различных физиологических состояниях или внешних воздействиях [11, 13, 14]. Ранее нами было проведено исследование ЭПС у пловцов, тренировочный процесс которых проходит в условиях задержки дыхания и повышенном pCO₂ в крови, и выявлено, что адаптация к воздействию гипоксического и гиперкапнического факторов у пловцов приводит к менее значимым изменениям реполяризации желудочков сердца в ответ на острую гипоксию, чем у нетренированных людей - изменяются преимущественно временные, а не амплитудные параметры [30]. Настоящее исследование показало, что у нетренированного человека при воздействии ГГ меняются амплитудно-временные характеристики экстремумов ЭПС, а при ГПК – только временные, что указывает на более выраженное стресс-воздействие на миокард изокапнической гипоксической гипоксии.

Ранее было выявлено, что разнонаправленные изменения амплитудно-временных характеристик экстремумов ЭПС у спортсменов-пловцов при нормобарической гипоксии [31, 32] свидетельствуют об изменении продолжительности и внутренней структуры реполяризации желудочков сердца. Амплитуда Т-волны на ЭКГ в стандартных отведениях характеризует суммарную ЭДС кардиомиоцитов в фазу восстановления возбудимости миокарда, тогда как при многоканальном ЭКГ-картировании локализация и амплитуда экстремумов показывает максимальный потенциал реполяризованной области в конкретный момент времени, и его изменения при воздействиях является более чувствительным показателем электрической активности серда [12]. У исследуемых лиц не выявлено изменения амплитуды T_II-волны ни при ГГ, ни при ГПК, тогда как амплитуды экстремумов ЭПС при воздействии ГГ уменьшились существенно.

Проведенное исследование процесса реполяризации желудочков сердца при воздействии гипоксии с различным содержанием углекислого газа в крови показало более выраженное стресс-воздействие гипокапнической гипоксии по сравнению с гиперкапнической гипоксией на электрическую активность сердца практически здорового человека, проживающего в условиях Европейского Севера. Воздействие ГГ привело к статистически значимо большим изменениям амплитудно-временных параметров экстремумов ЭПС и длительностей интервалов J-Tpeak, Tpeak-Tend на ЭКГ во втором отведении от конечностей по сравнению с людьми, испытывавшими влияние ГПК.

 

About the authors

ELENA ZAMENINA

“Komi Science Centre”, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: e.mateva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3438-6365

junior researcher department of comparative cardiology 

Russian Federation

Natalya Ivanovna Ivonina

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук»

Email: bdr13@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5802-3753
SPIN-code: 8667-3261
Scopus Author ID: 56467874100
ResearcherId: J-5096-2018

кандидат биологических наук

научный сотрудник

отдел сравнительной кардиологии

Russian Federation, Россия, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая д.24

Andrey Alexandrovich Fokin

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина»

Email: fokin90@inbox.ru
SPIN-code: 1060-3535

старший преподаватель

Russian Federation, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, д.55

Irina Mikhailovna Roshchevskaya

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук»

Email: compcard@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6108-1444
SPIN-code: 5424-2991
Scopus Author ID: 10540866800

член-корреспондент РАН

главный научный сотрудник

отдел сравнительной кардиологии

Russian Federation, Сыктывкар, ул. Коммунистическая д. 24

References

Supplementary files