Изменения системной и регионарной гемодинамики при интенсивной мышечной деятельности (экспериментальное исследование)

Поддержание высокой работоспособности при физических нагрузках зависит от функциональных резервов отдельных звеньев газотранспортной системы: внешнее дыхание, сердечно-сосудистая система, кровь, тканевое дыхание [5, 6]. Принято считать, что звеном, лимитирующим доставку О2 в мышцы и физическую работоспособность, является насосная функция сердца [3]. Многочисленные исследования свидетельствуют, что если резерв внешнего дыхания (легочная вентиляция) у нетренированного человека составляет 10–12-, а у спортсменов 15–20-кратное увеличение, то минутный объем кровообращения может повышаться в 3–5 и 5–7 раз у нетренированных лиц и квалифицированных спортсменов соответственно [3, 5]. Такое соотношение сопровождается нарушением вентиляционно-перфузионных отношений, создает предпосылки для возникновения артериальной гипоксемии и тканевой гипоксии [8], ограничивает доставку О2 в ткани и аэробную производительность [5, 6, 8]. Известно, что регуляция системной гемодинамики осуществляется в соответствии с изменениями тканевого метаболизма [3, 5]. При этом чем больше мощность (интенсивность) физической нагрузки, тем выше кислородный запрос, степень удовлетворения которого зависит от производительности сердца. На этом фоне величина кислородного запроса и возможность его удовлетворения зависят от степени участия отдельных мышц и мышечных групп в реализации движений. Повышение двигательной активности сопровождается увеличением кровоснабжения и распределения в локомоторные мышцы значительного объема сердечного выброса [23]. Имеются сведения о конкурентных взаимоотношениях по кровотоку между активными мышечными группами [17, 23], респираторными и локомоторными мышцами [11, 14, 16]. Учитывая связи между метаболизмом и кровообращением, можно полагать, что подобные взаимоотношения могут складываться между активными и вспомогательными мышцами (поддержание позы), функция которых при физической нагрузке повышается.

Многократное увеличение метаболизма и распределение минутного объема кровообращения в скелетные мышцы предполагает ограничение перфузии висцеральных органов. Показано, что при мышечной деятельности изменяется ренальный кровоток [9, 21], кровоснабжение органов спланхнической области [10, 23], печени [22]. Систематизировать эти данные достаточно сложно, поскольку в исследованиях использовались различные методы определения регионарного кровотока, несопоставимые по длительности, мощности и форме двигательные режимы.

В рамках проведенного исследования была поставлена цель: в эксперименте оценить изменения минутного объема кровообращения и особенности регионарного кровотока в соматических и висцеральных органах при предельной физической нагрузке .

Материалы и методы. Исследования проводились на беспородных лабораторных собаках обоего пола, массой 16–18 кг, которые содержались в виварии Института горной физиологии и патологии (НАН Кыргызской Республики, г. Бишкек) и получали стандартное питание. При подготовке к исследованию проводился отбор животных по их способности к бегу в третбане. Отобранные животные приучались к лабораторным условиям, ходьбе и бегу в третбане. Животные (n = 16) были разделены на две группы, которые готовились к эксперименту по единой схеме. Первая группа животных (n = 8) не участвовала в тестировании (бег в третбане) и служила контрольной для оценки системного и регионарного кровообращения в состоянии относительного мышечного покоя. Животные второй группы (n = 8) выполняли тестовую нагрузку, которая включала бег в третбане ступенчато возрастающей интенсивности (5, 10, 15, 20, 25 и т. д. км/ч), до отказа животных от работы. Продолжительность нагрузки на каждой «ступени» составила 5 мин.

Исследование проводилось в лабораторном помещении при температуре комфорта 17–19 °С. В процессе подготовки к эксперименту в полость левого и правого желудочков сердца животных были трансплантированы катетеры. Трансплантацию осуществляли под внутривенным гексеналовым наркозом (30 мг/кг), через левую общую сонную артерию и наружную правую яремную вену, используя тройники, которые обеспечивали нормальный кровоток через эти сосуды [1].

Все манипуляции с животными осуществлялись в соответствии с приказом МЗ СССР № 755 от 12.08.1977 г. и «Положениями Хельсинской декларации «О гуманном обращении с экспериментальными животными».

Минутный объем (V_Е), частоту дыхания (f) и дыхательный объем (Vt) определяли с помощью волюметра и специальных масок, с клапанами вдоха и выдоха. Газовый состав выдыхаемого воздуха и потребление О 2 (VO 2 ) определяли с помощью газоанализатора «Спиролит» (Германия). Напряжение О 2 (P a O 2 , PvO 2 ) и pH (pHa, pHv) в артериальной и смешанной крови определяли с помощью микрогазоанализатора AME-1 (Дания). Насыщение артериальной (SaO 2 ) и смешанной венозной (SvO 2 ) крови определяли спектрофотометрически. Давление в желудочках сердца регистрировали с использованием тензодатчиков «Элема» (Швеция). Минутный объем кровообращения (Q) оценивали прямым методом Фика [1]. Систолический объем (SV) и частоту сердечных сокращений (HR) определяли по записям внутрижелудочного давления.

Объемную скорость кровотока в органах и тканях определяли методом инъекции в кровеносное русло макроагрегата альбумина, меченного иодом-131, который вводили через катетер в левый желудочек сердца. Введение макроагрегата альбумина осуществляли в состоянии относительного мышечного покоя (группа 1, контроль) и на пике физической нагрузки, при отказе животных от работы (группа 2, экспериментальная группа). Активность микросфер составляла 5–15 мкК при диаметре макрочастиц 15–30 мкм [1, 4]. Активность образцов органов определяли с использованием гамма-счетчика LKB (Швеция). Исходя из величины Q и общей активности микросфер рассчитывали органное распределение и объемную скорость кровотока в органах (qt).

Статистическая обработка материала проводилась с использованием пакета компьютерных программ Statistica 10.0. Достоверность наблюдаемых различий определяли с помощью параметрического t-критерия Стьюдента. Различия считались статистически значимыми при p ≤ 0,05.

Результаты. Для решения поставленной цели в эксперименте использована модель физической нагрузки ступенчато возрастающей интенсивности до отказа от работы, которая используется для определения максимального потребления О2, оценки функционального состояния и резервных возможностей организма [3, 5]. Результаты исследования показали, что отказ от нагрузки происходил в диапазоне скоростей 23–27 км/ч. Установлено, что VO2 в этой зоне повышается в 11,7 раза (р ≤ 0,001) по сравнению с контрольными данными (табл. 1). VСO2 увеличивается в 16,3 раза (р ≤ 0,001), что свидетельствует об интенси- фикации углеводного обмена, образовании метаболической и неметаболической двуокиси углерода. На этом фоне имеет место более чем 16-кратное (р ≤ 0,001) увеличение легочной вентиляции (см. табл. 1). Несмотря на ги-перпноэ, в артериальной крови происходит снижение PaO2 и SaO2, сдвиг рНа в сторону компенсированного метаболического ацидоза. В смешанной венозной крови эти изменения носят выраженный характер: РvО2 снижается на 13,2 мм рт. ст. (р ≤ 0,001), SvO2 – на 17,9 % (р ≤ 0,001), активная реакция крови смещается до уровня субкомпенсированного метаболического ацидоза (см. табл. 1), что свидетельствует о тотальной тканевой гипоксии (гипоксия нагрузки) [2, 8]. В условиях артериальной гипоксемии и высокого метаболизма удовлетворение кислородного запроса организма определяется резервными возможностями сердца [5, 19].

Результаты исследования показали, что минутный объем кровообращения (табл. 2) в зоне отказа от нагрузки увеличивается в 5,3 раза (р ≤ 0,001), что соответствует дан-

Таблица 1

Table 1

Внешнее дыхание и газовый состав крови в покое и при предельной физической нагрузке External respiration and gas composition of blood at rest and at maximum physical exertion

(M ± m) (n = 16)

Показатели Parameters	Группа 1 (контроль) Group 1 (control) (n = 8)	Группа 2 (экспериментальная) Group 2 (experimental) (n = 8)
VO 2 , мл/мин ⋅ кг / VO 2 , ml / min ⋅ kg	9,0 ± 0,4	105,9 ± 5,8*
V Е , л/мин / VE, l / min	2,1 ± 0,2	34,2 ± 1,8*
VCO2, мл/мин ⋅ кг / VCO2, ml / min ⋅ kg	8,1 ± 0,4	115,6 ± 6*
P a O 2 , мм рт. ст. / P a O 2 , mmHg	95,6 ± 1,9	88,0 ± 2,05*
PvO 2 , мм рт. ст. / PvO 2 , mmHg	42,0 ± 1,2	28,8 ± 1,3*
SaO 2 , %	95,6 ± 0,1	91,6 ± 0,5*
SvO 2 , %	73,0 ± 1,3	55,1 ± 1,1*
pHa	7,40 ± 0,01	7,34 ± 0,02*
pHv	7,36 ± 0,01	7,31 ± 0,01*

Примечание. Здесь и далее: * – различия достоверны по сравнению с группой 1 (р ≤ 0,05).

Note. Hereinafter: * – the differences are significant compared with group 1 (p ≤ 0.05).

Таблица 2

Table 2

Системная гемодинамика в покое и при предельной физической нагрузке

Systemic hemodynamics at rest and under extreme physical exertion

(M ± m) (n = 16)

Показатели Parameters	Группа 1 (контроль) Group 1 (control) (n = 8)	Группа 2 (экспериментальная) Group 2 (experimental) (n = 8)
Q, мл/мин ⋅ кг / Q, ml / min ⋅ kg	167,0 ± 3,0	892,1 ± 49,3*
HR, в мин / HR, bpm	86,6 ± 6,2	220,5 ± 5,3*
SV, мл / SV, ml	33,1 ± 1,8	68,0 ± 3,6*
Ps, мм рт. ст. / Ps, mmHg	125,5 ± 11,1	180,3 ± 18,5*

ным, установленным для нетренированных животных [23]. У тренированных к нагрузкам собак показана возможность 5–7-кратного увеличения Q [25]. Известно, что регуляция Q осуществляется в соответствии с метаболическими потребностями организма, висцеральных и соматических органов [3].

Результаты исследования показали, что в состоянии относительного мышечного покоя (контрольная группа) объемная скорость кровотока в органах и тканях варьируется в широком диапазоне (табл. 3, 4). Сравнительно высокие значения отмечаются в почках, сердце, головном мозге, железах внутренней секреции – органах с повышенным базовым метаболизмом. Низкая скорость объемного кровотока отмечается в скелетной мускулатуре, за исключением функционально активных диафрагмы и основных респираторных мышц (наружные и внутренние межреберные), кровоток в которых в два–три раза превышает уровень в других мышечных группах. Промежуточное положение занимает группа висцеральных органов (печень-артериальная фракция, селезенка и органы желудочнокишечного тракта), функционально активных в состоянии мышечного покоя. Таким образом, в состоянии мышечного покоя объемная скорость кровотока в исследуемых органах и тканях имеет выраженные различия, которые, очевидно, связаны с уровнем их функциональной активности [1, 3]. При предельной физической нагрузке, когда VO2 увеличивается в 11,7 раза, а Q в 5,3 раза, эти соотношения изменяются в пользу скелетной мускулатуры. Степень участия скелетной мускулатуры в локомоции, формы и режимы мышечных сокращений различны, что предполагает неоднородность их метаболизма и регуляции кровоснабжения. Результаты исследования показали (см. табл. 3), что при предельной физической нагрузке кровоток в рассмотренных локомоторных мышцах (четырехглавая мышца бедра и трехглавая мышца плеча) увеличивается в 8,7 (р ≤ 0,001) и 7,3 (р ≤ 0,001) раза.

Подобное увеличение объемной скорости кровотока происходит в респираторных мышцах: диафрагма – 6,5 раза (р ≤ 0,001); наружные и внутренние межреберные мышцы – 6,5 (р ≤ 0,001) и 7,8 раза (р ≤ 0,001), лестничная мышца (вспомогательная респираторная) – 2,2 раза (Р ≤ 0,05) Механизмы функциональной гиперемии широко обсуждаются в литературе [17, 20, 26]. Важная роль в ее возникновении отводится метаболическим факторам: гипоксия, возникающая при несоответствии кислородного запроса его доставке (гипоксия нагрузки), гиперкапния и ацидоз, активация связанных с ними NO-зависимых эндотелиальных факторов, увеличение аденозина и

Таблица 3

Table 3

Объемная скорость кровотока (мл/мин·100г) в мышцах в покое и при предельной физической нагрузке The volumetric blood flow velocity (ml / min • 100g) in muscles at rest and at maximum physical exertion

(M ± m) (n = 16)

Показатели Parameters	Группа 1 (контроль) Group 1 (control) (n = 8)	Группа 2 (экспериментальная) Group 2 (experimental) (n = 8)
Четырехглавая мышца бедра Quadriceps femoris	87,1 ± 11,4	661,2 ± 32,3*
Трехглавая мышца плеча Triceps	82,0 ± 12,3	516,6 ± 37,8*
Диафрагма Diaphragm	23,5 ± 1,8	154,8 ± 25,7*
Наружная межреберная мышца External intercostal muscle	18,5 ± 2,1	144,5 ± 17,1*
Внутренняя межреберная мышца Internal intercostal muscle	15,1 ± 1,3	125,2 ± 20,3*
Лестничная мышца Scalene muscle	6,3 ± 1,8	14,2 ± 3,2*
Прямая мышца живота Rectus abdominis muscle	9,8 ± 1,9	11,39 ± 1,5
Плечеголовная мышца Brachiocephalic muscle	7,9 ± 0,6	11,0 ± 1,3
Длиннейшая мышца спины Erector spinae	6,2 ± 0,9	7,0 ± 1,8

Таблица 4

Table 4

Объемная скорость кровотока (мл/мин·100 г) в соматических и висцеральных органах в покое и при предельной физической нагрузке

The volumetric blood flow velocity (ml / min • 100 g) in somatic and visceral organs at rest and at maximum physical exertion

(M ± m) (n = 16)

Показатели Parameters	Группа 1 (контроль) Group 1 (control) (n = 8)	Группа 2 (экспериментальная) Group 2 (experimental) (n = 8)
Сердце / Heart	70,3 ± 2,8	320,5 ± 24,5*
Головной мозг / Brain	61,2 ± 6,9	62,1 ± 3,7
Почки / Kidney	254,3 ± 11,2	202,1 ± 15*
Печень (артериальная фракция) Liver (arterial fraction)	11,5 ± 1,8	17,2 ± 2,4*
Селезенка / Spleen	44,5 ± 6,3	25,6 ± 1,9*
Желудок / Stomach	30,2 ± 3,1	14,4 ± 2,4*
Кишечник тонкий / Small intestine	26,0 ± 3,7	21,0 ± 2,0
Кишечник толстый / Colon	43,9 ± 4,3	27,2 ± 2,9*
Поджелудочная железа / Pancreas	70,3 ± 11,3	32,6 ± 3,0*
Органы спланхнической области Splanchnic organs	42,9 ± 4,7	24,1 ± 5,2*
Органы гепатоспланхнической области Hepatoplastic organs	53,6 ± 5,1	41,3 ± 4,8*
Надпочечник / Adrenal	33,5 ± 4,6	53,2 ± 6,5*
Щитовидная железа / Thyroid	59,6 ± 3,5	55,2 ± 9,5

АТФ, нарушение функций К-каналов гладкомышечных клеток микрососудов [17]. Результаты исследования показали, что в мышцах, участвующих в поддержании позы (длиннейшая мышца спины, плечеголовная), кровоток при нагрузке практически не изменяется. Очевидно, различия кровотока в рассмотренных группах мышц сопряжены с характером мышечных сокращений: во время динамической нагрузки мышцы выполняют роль насоса, обеспечивая адекватное кровенаполнение сосудистого русла; при изометрическом напряжении механическое повышение сосудистого сопротивления сопровождается ограничением кровотока и перераспределением доли сердечного выброса в динамически активные мышечные группы [12]. В литературе достаточно широко обсуждается роль метаболической, нервной, нейрогуморальной регуляции в механизмах перераспределения кровотока между мышцами и мышечными группами при физических нагрузках, однако единого мнения по этому вопросу нет [9, 16, 18].

Сократительная способность сердца, его функциональный резерв являются определяющими в увеличении объемного кровотока при физической нагрузке. Установлено, что при предельной нагрузке систолическое давление в левом желудочке (см. табл. 2) увеличивается на 54,8 мм рт. ст. (р ≤ 0,001) при двукратном повышении частоты и систолического объема сердца, обеспечивающих соответствующее повышение Q. Увеличение объемной скорости кровотока в миокарде (см. табл. 4) в 4,5 раза (р ≤ 0,001) подтверждает наличие связи между производительностью сердечной мышцы и ее кровоснабжением [13]. Увеличение кровотока в сердце и скелетной мускулатуре предполагает распределение в них большей доли Q, ограничивая кровоток в органах не принимающих непосредственного участия в локомоциях («синдром обкрадывания»). Между тем оказалось, что при предельной физической нагрузке кровоток в головном мозге не изменяется (см. табл. 4). Известно, что регуляция церебрального кровообращения направлена на поддержание циркуляторнометаболического гомеостаза и обеспечение относительной независимости кровотока от изменений системного артериального давления и избыточного объемного кровотока [18]. При физической нагрузке реализация этих задач осуществляется с участием механизмов ауторегуляции на уровне экстра- и интракраниальных сосудов [18]. Незначительные вариации церебрального кровотока при физической нагрузке на фоне артериальной гипоксемии создают предпосылки для дефицита О2 в структурах мозга, однако проведенные нами ранее исследования показали, что при уме- ренной гипоксии кислородное обеспечение органа может осуществляться за счет повышения экстракции О2 из крови, обеспечивая оптимальное потребление кислорода [1].

При оценке объемного кровотока в висцеральных органах установлена неоднородность реакций на физическую нагрузку (см. табл. 4).

Почка является органом с высоким уровнем кровоснабжения, сопряженного с реализацией энергозависимых специфических функций (фильтрация, реабсорбция), определяющих высокий уровень метаболизма [21]. При предельной физической нагрузке объемная скорость кровотока в почке снижается на 20,5 % (р ≤ 0,05), что ограничивает не только процессы фильтрации и реабсорбции, но и на фоне артериальной гипоксемии может привести к нарушению других энергозависимых процессов в органе [21].

Железы внутренней секреции принимают активное участие в регуляции метаболических процессов и реализации гуморальных связей при физических нагрузках. Активация гипо-таламо-гипофизарной системы сопровождается мобилизацией функций надпочечников и щитовидной железы [7, 24]. Нагрузочный стресс сопровождается повышенным выбросом стероидов и катехоламинов, принимающих активное участие в мобилизации функций при мышечной деятельности, а увеличение объемной скорости кровотока в надпочечнике на 58,8 % (р ≤ 0,001) является результатом повышенного метаболизма и реактивной гиперемии.

В органах спланхнической области изменения скорости объемного кровотока при предельной физической нагрузке носят однонаправленный характер (см. табл. 4). Роль селезенки при мышечной деятельности достаточно широко обсуждается в литературе [22]. Результаты исследования показали, что при предельной нагрузке кровоток в органе снижается на 42,5 % (р ≤ 0,001). При этом установлено значительное (на 49 %) снижение его размеров [10] за счет сокращения гладкомышечных волокон капсулы и выброса депонированной крови в кровеносное русло. Важная роль в этих реакциях отводится повышению симпатических влияний [10]. При этом ограничение перфузии и артериальная гипоксемия снижают доставку кислорода, что может отразиться на лимфоидных функциях органа.

(р ≤ 0,001), на 19,3 % (р ≤ 0,05) и 38 % (р ≤ 0,001) соответственно. Ведущая роль в ограничении кровотока в органах отводится симпатической и симпатоадреналовой системам, активация которых при физических нагрузках приводит к снижению метаболизма в органах желудочно-кишечного тракта и ограничению кровотока в них [10]. Выраженные изменения кровообращения при предельной физической нагрузке отмечаются в поджелудочной железе, кровоток в которой снижается в 2,1 раза (р ≤ 0,001). Являясь смешанной, поджелудочная железа богато иннервирована симпатическими и парасимпатическими нервными волокнами, которые участвуют в реализации эндо- и экзокринных функций и регуляции сосудистого тонуса. Повышение углеводного обмена при физических нагрузках сопровождается активацией энергозависимых эндокринных функций островкового аппарата, что при снижении объемной скорости кровотока и артериальной гипоксемии снижает доставку О 2 , может ограничить специфические функции органа при физической нагрузке.

Структуры печени, имеющей двойную систему кровоснабжения (печеночная артерия и воротная вена), снабжаются кислородом смешанной артериальной и венозной крови. Результаты исследования показали увеличение объемной скорости артериального кровотока при предельной физической нагрузке на 56,3 % (р ≤ 0,05), что, очевидно, является реакцией, направленной на увеличение доставки О 2 в орган. Поскольку венозная фракция печеночного кровотока формируется из органов спланхнической области, то можно полагать ее снижение на 44,9 % (р ≤ 0,001). Таким образом, несмотря на увеличение артериальной фракции, общий кровоток в печени снижается в среднем на 23 %. Можно полагать, что при повышении метаболизма и снижении суммарного кровотока в печени во время предельной физической нагрузки возникает тканевой дефицит О 2 , что может приводить к развитию окислительного стресса и морфофункциональным изменениям в органе [15, 17, 22]. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о многообразии реакций и количественных изменений кровотока в органах и тканях при предельной физической нагрузке

Заключение. При предельной физической нагрузке резервное увеличение сердечного выброса распределяется в скелетные мышцы, объемная скорость кровотока в которых зависит от их функциональной активно- сти (респираторные мышцы) и участия в организации движений (локомоторные мышцы). В зависимости от функциональной активности и степени участия скелетных мышц в локомоции (мышцы поддержания позы) вариации кровотока в них могут быть незначительными. Изменения объемного кровотока в висцеральных органах определяются степенью их участия в реализации локомоций, регуляции функций и поддержании гомеостаза. Группу органов с высоким уровнем кровотока составили сердце, резерв кровоснабжения которого определяет функциональный резерв сократительной способности миокарда, и надпочечники, источник «гормонов стресса». Третью группу составили органы, в которых объемная скорость кровотока снижается (почки, печень, органы спланхнической области). Стабильный уровень кровотока отмечается в головном мозге, органе с относительно надежной системой ауторегуляции церебральной гемодинамики. Отмеченная градация органов по уровню объемного кровотока при предельной физической нагрузке достаточно условна, поскольку конечным итогом кровоснабжения является удовлетворение кислородного запроса и энергозависимых процессов, уровень которых определяется функциональной активностью и может зависеть от интенсивности (мощности) физической нагрузки. Увеличение выделяемого из организма СО2, выраженная гипоксемия и метаболический ацидоз в смешанной венозной крови свидетельствуют о тотальной тканевой гипоксии, возникающей в организме при предельной физической нагрузке. При этом можно полагать, что гипоксия в разной степени выражена в исследуемых органах: в локомоторных, респираторных мышцах и в миокарде как результат несоответствия многократно возрастающего кислородного запроса возможностям его доставки; в висцеральных органах в связи с ограничением кровотока и артериальной гипоксемией. Таким образом, уровень тканевой гипоксии (гипоксия нагрузки) при предельной мышечной деятельности имеет свои органные особенности, которые могут служить причиной ограничения их собственных функций и снижения общей физической работоспособности.