Влияние физической активности, курения и наследственного фактора на газотранспортную систему крови юношей

E.E. Isaeva1, ,

A.Z. Dautova2, ,

I.Z. Khabibullina1, ,

V.G. Shamratova1, , 1Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

Введение. Отягощающим фактором урбанизации и технизации жизнедеятельности современного общества является снижение двигательной активности [10]. Среди лиц молодого возраста гиподинамия в наибольшей степени присуща студентам. Длительное времяпровождение студентов за компьютером, в статическом положении (сидя) на лекциях и семинарах, снижение двигательной активности приводит к гиподинамии и, как следствие, ослаблению мышечной деятельности [1]. В ряде вузов ситуация усугубилась в связи с переходом на дистанционное обучение, вызванное пандемией COVID-19.

Другой проблемой, определяющей многие болезни современности, является табакокурение [4, 7, 11]. По итогам глобального опроса взрослого населения о потреблении табака (GATS), проведенного в 2016 г.1, Россия занимает пятое место в мире по распространенности курения у мужчин. Для лиц молодого возраста гиподинамия в сочетании с курением рассматривается предпосылкой к возникновению целого ряда болезненных состояний и даже заболеваний, ведущей причиной которых служит развитие у них кислородного голодания – гипоксии [1, 5].

При этом следует отметить, что физические качества каждого индивида детерминируются генетическими факторами, что доказывают многочисленные данные литературы

[2, 3, 8, 9]. Учитывая этот факт, на сегодняшний день представляется актуальным рассматривать полиморфные варианты генов, как один из факторов фенотипического разнообразия признаков. Одним из таких генов является ген АСЕ кодирующий ангиотензин-превращающий фермент (АСЕ), являющийся важным физиологическим регулятором артериального давления и водно-солевого обмена.

Цель исследования – изучить влияние внешних (средовых) факторов, таких как уровень двигательной активности и курение, а также наследственной предрасположенности (на примере полиморфного варианта I/D гена АСЕ ) на показатели ГТС крови юношей.

Материалы и методы исследования. В исследовании приняло участие 95 юношей в возрасте 20,43 ± 1,99 года. Все исследования проводились в осенний период (сентябрь – ноябрь) в течение 2 лет. Обследование проводилось с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации и Директивах Европейского сообщества (8/609 ЕС). Все испытуемые подписали добровольное письменное согласие на участие в эксперименте. Протокол эксперимента одобрен комиссией по биоэтике (заключение от 18.10.2017 г.).

Информацию о физической активности испытуемых получили на основе анкетных данных. При изучении влияния на ГТС уровня ДА весь контингент обследованных (n = 95) мы разбили на две группы в соответствии с рекомендациями ВОЗ2. Студенты, которые, согласно данным анкет, уделяли менее 150 мин в неделю занятиям физической культуры вошли в группу с низкой двигательной активностью (НДА) (n = 57, в возрасте 20,6 ± 1,84 года). Во вторую группу (с высокой ДА) вошли студенты-спортсмены (n = 38 в возрасте 21,3 ± ± 2,18 года), которые на момент обследования имели 1-й взрослый спортивный разряд по легкой атлетике. Их физическая активность складывалась из занятий, предусмотренных учебным планом высшего учебного заведения, а также тренировок, обусловленных профилем спортивной принадлежности студентов.

Для изучения влияния курения на ГТС контингент обследованных был поделен на 2 группы: некурящие (n = 33, возраст 19,6 ± 1,65) – согласно анкетным данным, не употребляющие никотин и курящие (n = 62, возраст 20,8 ± ± 2,05) – с индексом курения 120–240. Индекс курения в соответствии с рекомендациями ВОЗ рассчитывался по формуле: индекс курения = число сигарет в сутки × 12. Средний стаж курения обследованных составлял от 3 до 5 лет. Забор крови проводили в утреннее время натощак. Испытуемым разрешалось выкурить не более одной сигареты и не менее чем за час до сдачи анализа.

Выделение ДНК проводили методом фенольно-хлороформной экстракции из лейкоцитов крови [12]. Метод генотипирования полиморфного варианта rs4646994 гена ACE более подробно описывался в работе опубликованной ранее [3]. Для изучения влияния полиморфного варианта rs4646994 гена АСЕ испытуемые были поделены на три группы в зависимости от носительства аллелей: юноши с генотипом D/D – 30, I/D – 47 и I/I – 18 человек.

С помощью анализатора «RAPIDLAB865» (BAYER, Германия) определяли следующие показатели ГТС: парциальное давление кислорода (рО 2 ), парциальное давление углекислого газа (рСО 2 ), кислородную сатурацию (satО 2 ), содержание окси- (O 2 Hb), карбокси-(COHb) и метгемоглобина (MetHb), рН, р50 – напряжение О 2 при 50 % десатурации крови. Показатели крови, такие как общее число эритроцитов (RBC), содержание гемоглобина (Нb), средний объем отдельного эритроцита (MCV), гематокрит (Ht), средняя концентрация гемоглобина в эритроците (МСНС) определялись с помощью гематологического анализатора «ADVIA 60» (BAYER, Германия).

Математическая обработка результатов проведена при помощи программы Statistica версия 10. Исследуемые выборки были проверены на нормальность распределения количественных показателей с помощью критерия Шапиро – Уилка, а также на равенство дисперсий изучаемого признака с помощью критерия Levene. Для выявления отдельного, а также сочетанного влияния факторов был проведен многофакторный дисперсионный анализ Factorial ANOVA. Изучаемые факторы были представлены градациями: полиморфный вариант гена ACE тремя градациями – D/D, I/D и I/I; фактор ДА – двумя градациями, отражающими уровень ДА мужчин (высо-кая/низкая); третий фактор (курение) – двумя градациями (некурящие/курящие). Для выявления статистических различий между груп- пами проводили апостериорные сравнения с помощью t-Стьюдента с расчетом нового уровня критической значимости с целью контроля ошибки 1-го типа. Цифровые значения в тексте представлены в виде среднего (m) и стандартного отклонения (SD).

Результаты исследования. С помощью многофакторного дисперсионного анализа, установлен вклад средовых (курение и уровень ДА) и наследственного факторов (аллельные варианты полиморфного локуса I/D гена АСЕ ) на ряд показателей ГТС организма. Обнаружено статистически значимое влияние полиморфного варианта rs4646994 гена АСЕ на значение р50, которому соответствует на кривой диссоциации оксигемоглобина 50%-ное насыщение кислородом (F 2,59 = 5,98, р = 0,004). Установить значимость различий между группами с разной наследственной предрасположенностью позволил сравнительный анализ: величина р50 была ниже у юношей с генотипом D/D по сравнению с лицами, имеющими генотип I/I (D/D: 25,4 (2,11) мм рт. ст., I/I: 27,6 (2,67) мм рт. ст., р = 0,0107).

Фактор ДА по результатам дисперсионного анализа оказывал влияние на число эритроцитов (F1,84 = 5,4, p = 0,022) и pO2 (F1,84 = 7,604, p = 0,007). У юношей в группе ВДА количество циркулирующих эритроцитов статистиче- ски значимо превышало уровень у лиц с ограниченной ДА (4,97 (0,40) 1012/л и 4,71 (0,58) 1012/л, соответственно, р = 0,017). Сравнение средних значений pO2 в группе юношей НДА и ВДА показало при возрастании интенсивности физических нагрузок статистически значимое повышение напряжения кислорода в крови – 83,2 (10,7) мм рт. ст. при ВДА, против 76,6 (8,5) мм рт. ст. – с низкой ДА (р = 0,001).

Наибольшее влияние на показатели ГТС оказывал фактор курения. Так, было продемонстрировано отдельное влияние фактора на MCHC, на соотношение фракций гемоглобина: O 2 Hb и COHB, а также на показатель р50, характеризующий сродство гемоглобина с кислородом (см. таблицу). Установлено, что у курящих юношей статистически значимо превышали уровень у некурящих величины МСНС (соответственно, 33,9 (0,64) пг и 33,4 (0,60) пг, р = 0,0006) и доля COHB (3,4 (1,8) % и 1,15 (0,64) %, р = 0,000000). При этом у студентов с вредной привычкой оказалась ниже, чем у некурящих, концентрация O 2 Hb (92,8 (2,2) %; 94,6 (2,1) %, р = 0,0002) и сродство гемоглобина к кислороду (27,08 (2,37) мм рт. ст. и 25,39 (1,60) мм рт. ст., p = 0,0011).

Сочетанное влияние на изучаемые показатели двух факторов представлено в таблице.

Сочетанное влияние двух факторов на показатели газотранспортной системы юношей The combined effect of two factors on blood gas transport characteristics in young males

Показатель Parameter	ACE *ДА ACE *MA		ACE *Курение ACE *Smoking		ДА*Курение MA*Smoking
	F	P	F	P	F	P
Эритроциты, 1012/л / RBC,1012/l	0,21	0,809	1,10	0,337	0,82	0,368
Гемоглобин, г/л / Hgb, g/l	0,48	0,618	0,34	0,708	0,97	0,327
Гематокрит, % / Hct, %	0,36	0,698	0,36	0,698	1,43	0,235
Средний объем эритроцита, фл / MCV, fl	3,64	0,05	1,31	0,275	0,01	0,938
Средняя концентрация гемоглобина в эритроците, г/л / MCHC, g/l	0,43	0,651	1,41	0,251	1,17	0,284
рН	2	0,155	1	0,334	7	0,012*
pCO 2 , мм рт. ст. / pCO 2 , mmHg	2,84	0,066	2,25	0,113	0,95	0,332
pO 2 , мм рт. ст. / pO 2 ,mmHg	7,10	0,001*	1,00	0,372	9,14	0,003*
satO2, %	1,3	0,278	0,3	0,768	11,2	0,001*
O 2 Hb, %	2,2	0,113	0,59	0,555	9,8	0,002*
COHb, %	1,51	0,227	1,24	0,294	0,002	0,963
MetHb, %	0,32	0,725	5,38	0,006*	1,69	0,198
р50, мм рт. ст. / р50, mmHg	2,05	0,137	4,52	0,014*	0,26	0,607

Примечание: * – статистически значимое различие.

Note: * – statistically significant difference.

Сочетанное влияние ДА, курения и полиморфизма гена АСЕ на р50 (р = 0,011) The combined effect of MA, smoking and ACE I/D polymorphism on p50 (p = 0.011)

Сочетанное влияние полиморфизма гена АСЕ и уровня ДА было выявлено на величину pO 2 . Так, в группе НДА у носителей I/D генотипа среднее значение напряжения кислорода в крови составило 73,9 мм рт. ст. (SD = 7,8), у обладателей I/I генотипа в соответствующей группе – 81,7 мм рт. ст. (SD = 10,7, р = 0,012), а также ниже, чем у лиц с одноименным генотипом и высоким уровнем ДА (I/D ВДА: 86,3 (10,4), р = 0,000028).

Совместный вклад полиморфного варианта гена ACE и курения продемонстрирован для концентрации MetHb. Сравнительный анализ позволил установить генотипическое различие концентрации MetHb в группе некурящих: носители D/D (0,438 (0,19), %) и I/D (0,437 (0,13), %) генотипов характеризовались более высокими значениями показателя по сравнению с лицами с I/I вариантом гена (0,16 (0,15), %, p = 0,012; p = 0,0007 соответственно).

Сочетанное влияние таких факторов, как курение и ДА сказалось на показателях ГТС в наибольшей степени. При сравнении показателя в группах НДА и ВДА в зависимости от наличия вредной привычки у некурящих выявлено статистически значимое повышение среднегрупповых значений pO2 при возрастании физической активности (НДА: 75,8 (8,1), мм рт. ст.; ВДА: 88,5 (10,1) мм рт. ст., p = 0,00031), тогда как у курящих различия в значениях pO2 оказались недостоверными. Таким образом, благоприятное влияние физической нагрузки нивелируется отрицательным влиянием курения.

У некурящих спортсменов статистически значимо выше насыщение гемоглобина кислородом, чем у юношей некурящих, но и ведущих малоподвижный образ жизни (96,6 (1,04), % против 94,8 (1,7), %, p = 0,0019), а также выше, чем у спортсменов с вредной привычкой (94,7 (2,3), %, p = 0,0084).

Одним из показателей, на которое было выявлено сочетанное влияние курения и ДА – содержание оксигемоглобина в крови. Так, если в группе юношей с низким уровнем ДА статистически значимых различий O 2 Hb в зависимости от курения выявлено не было, то в группе спортсменов у некурящих юношей содержание O 2 Hb было достоверно выше (95,6 (1,56), %), чем у курящих спортсменов (92,2 (2,6), %, p = 0,00011).

Совместное влияние трех учтенных факторов было выявлено только на показатель р50 (см. рисунок).

Графики, описывающие результаты дисперсионного анализа, продемонстрировали незначительное варьирование р50 у некурящих юношей как в зависимости от генотипов, так и уровня физической активности. В то же время у юношей с вредной привычкой, занимающихся спортом, отчетливо проявилось влияние полиморфизма гена. При этом носители аллеля *I (I/I и I/D генотипы) характеризовались более высокими значениями р50 (см. рисунок).

Обсуждение результатов. Трехфакторный дисперсионный анализ позволил установить, что изученные параметры ГТС в наибольшей степени подвержены влиянию табакокурения. Это выявилось при анализе как раздельного, так и сочетанного влияния изучаемых факторов.

Как и следовало ожидать, курение сопровождается повышением уровня в крови кар- боксигемоглобина и, соответственно, снижением концентрации оксигемоглобина. Главной причиной выявленных нарушений является угарный газ, который, попадая в легкие, а затем в кровь, как продукт неполного сгорания табака, связывается с гемоглобином. Сродство СО к Hb в 250–300 раз больше, чем у О2, поэтому даже незначительная концентрация СО в легких способствует образованию кар-бокисгемоглобина, который не способен присоединять и транспортировать кислород [4].

Результаты исследования показали, что еще более пагубное воздействие табакокурение оказывает на организм юношей, систематически испытывающих интенсивные физические нагрузки. У лиц, регулярно занимающихся спортом, наблюдается повышенный кислородный запрос, который достигается различными механизмами: выраженной мобилизацией эритропоэтической функции, высоким напряжением кислорода в крови и т. д. [14]. Исследования доказывают, что под влиянием физической активности происходит улучшение оксигенации крови [6]. Действительно, нами установлено, что у студентов-спортсменов, не употребляющих табак, оказались достоверно более высокими, чем у физически малоактивных юношей, такие показатели кислородообеспечения, как pO 2 , satO 2 и O 2 Hb. Вместе с тем у курящих спортсменов уровень оксигемоглобина и напряжение кислорода в крови было ниже по сравнению со спортсменами без вредной привычки. Кроме того, воздействие табака на организм юношей, занимающихся спортом, ослабляет степень насыщения гемоглобина кислородом. Данная картина свидетельствует о развитии гипоксического состояния у курящих спортсменов, поскольку первым его признаком является снижение степени насыщения оксигемоглобина кислородом. Данные литературы говорят также о развитии легочных осложнений у заядлых курильщиков, что приводит к хроническому снижению степени насыщения кислородом крови [4]. Если занятия спортом способствуют улучшению диффузионной функции легких, что ведет к высокой способности легких к обогащению крови кислородом, то курение приводит к значительному снижению газообмена в легких.

Таким образом, можно заключить, что решающий вклад во взаимодействие двух средовых факторов вносит курение. Курение не только нивелирует положительное влияние физических нагрузок на систему кислородо-обеспечения, но и влечет за собой существенное ослабление дыхательной функции крови. Причем его негативное влияние затрагивает главным образом параметры кислородного режима и гемоглобиновый профиль крови.

Взаимодействие генетического фактора и уровня физической активности установлено также по отношению к pO 2 . Учитывая, что рО 2 -параметр оценки адекватности газообмена кислорода на уровне легких, можно предположить, что у юношей, не занимающихся спортом и имеющих в своем генотипе аллель *D, снижена вентиляция легких по сравнению с юношами-носителями генотипа I/I, а также в отличие от спортсменов, обладателей I/D генотипа.

Обнаружено, что у некурящих лиц с генотипом I/I ниже содержание метгемоглобина, чем у носителей генотипов I/D и D/D. Возможно, аэробные возможности генотипа I/I и восстановительные системы эритроцитов противодействуют окислению Fe2 в Fe3 и образованию метгемоглобина.

Полиморфизм гена АСЕ в сочетании с курением оказывает влияние на значения р50: курящие юноши, имеющие генотип I/I, отличаются повышенными значениями р50 по сравнению с некурящими с одноименным вариантом гена, а также курящими, но с генотипом D/D. Показатель р50, характеризует систему доставки кислорода кровью, на кривой диссоциации оксигемоглобина соответствует 50%-ному насыщению кислородом. При возрастании показателя р50 точка 50%-ного насыщения смещается вправо, что говорит об ослаблении аффинитета (сродства) между гемоглобином и кислородом. Учитывая, что генотип I/I гена АСЕ ассоциирован с высокими аэробными возможностями организма [8, 13], можно предположить, что выявленные различия значений р50 у курящих лиц с генотипом I/I, вызваны адаптационными сдвигами у их носителей и призваны обеспечить более эффективную экстракцию кислорода к тканям, в условиях его недостатка по сравнению с лицами, имеющими генотип D/D гена АСЕ.

Заключение. Результаты настоящего исследования показали, что на различные звенья газотранспортной системы в наибольшей степени непосредственно и совместно с физической активностью влияет курение. Эти факторы определяют степень поглощения кислорода в легких и гемоглобиновый профиль красной крови, при этом курение нивелирует благоприятное действие физических нагрузок на ряд параметров ГТС. В то же время генетический фактор как раздельно, так и в сочетании со средовыми влияет на показатели, ответственные за реализацию адаптационных процессов на молекулярном уровне. Так, величина интегрального показателя кислородо-обеспечения тканей – р50 определяется кооперативным взаимодействием молекулы ге- моглобина и О2, а содержание MetHb – активностью восстановительных систем эритроцитов. Доступность кислорода для тканей и способность тканей утилизировать кислород модифицируется в зависимости от действия изученных средовых факторов прежде всего у носителей генотипа I/I гена АСЕ, что, возможно, наряду с другими причинами обусловливает более высокие аэробные возможности организма.