Фило- и онтогенетические физиологические процессы в сердечно-сосудистой системе (ССС) в условиях земной гравитации обусловливают не только поддержание системного гомеостаза, но и адаптационные реакции на уровне организма как единой биологической системы. Однако существуют условия, в которых сложившиеся при действии гравитации паттерны, обуславливающие протекание процессов в границах физиологической нормы, вынужденно модифицируются [1]. Наиболее экстремальным из них является невесомость [2].
Отсутствие или уменьшение гравитационных стимулов вызывает смещение жидкостей вверх, потерю вертикального веса тела, отсутствие работы против силы тяжести, снижение потребности в энергии, отсутствие линейного ускорения, снижение проприоцептивной стимуляции, а также снижение общей сенсорной стимуляции. Все это инициирует соответствующие компенсаторно-приспособительные реакции, направленные на сохранение устойчивого функционирования в нетипичных условиях [3].
Для понимания физиологических механизмов функционирования гравичувствительных систем необходимо исключить гравитацию как основной системообразующий компонент. И это имеет значение не только для специфических разделов физиологии, например космической, но и для общей физиологии, поскольку это помогает раскрытию механизмов, лежащих в основе нормальных физиологических процессов. Все это возможно сделать в земных условиях с использованием специально разработанных моделей, значительно снижающих гравитационную нагрузку. В качестве такой модели в представленном исследовании была выбрана антиортостатическая гипокинезия (АНОГ).
Как известно, АНОГ моделирует, в первую очередь, транслокацию жидких сред, в значительной степени совпадающую с той, что наблюдается в невесомости [4]. Кроме того, АНОГ воспроизводит модель гиподинамии, являющейся триггером патологических процессов в организме [5].
ССС является абсолютно специфической и отличной от других гравичувствительных систем в плане реакций на гравитационные условия. И это во многом объясняет происходящие в ней изменения в условиях их отсутствия. В первую очередь они затрагивают процессы регуляции внутри этой физиологической системы и структурно-функциональные изменения в сердце [2, 6].
Известно, что уменьшение объема циркулирующей плазмы, перемещение внеклеточной жидкости и объема крови в краниальном направлении происходят в острый период АНОГ. При этом отмечены уменьшение диастолического объема и снижение массы левого желудочка в 21-дневном АНОГ, а также изменение гемодинамики и увеличение жесткости аорты. Причем последняя полностью не восстанавливается даже через месяц после окончания эксперимента [7].
В связи с этим целью исследования являлся анализ изменений механизмов регуляции системы кровообращения и биоэлектрических процессов в сердечной мышце в условиях 21-суточной АНОГ. Такая длительность эксперимента была выбрана потому, что имеются данные о том, что уже через 2 недели воздействия гипокинезии происходит хроническая адаптация к условиям АНОГ [8].
Материалы и методы исследования
Экспериментальные исследования были проведены на стендовой базе «Гипогравитация» ГНЦ РФ – ИМБП РАН, входящей в состав уникальной научной установки «Медико-технический комплекс для отработки инновационных технологий космической биомедицины в интересах обеспечения орбитальных и межпланетных полетов, а также развития практического здравоохранения». Программа исследования была одобрена Комиссией по биоэтике ГНЦ РФ – ИМБП РАН (Протокол № 621 от 08.08.2022 г.).
В исследованиях приняли участие 6 практически здоровых мужчин-добровольцев в возрасте от 24 до 40 лет, массой тела 75,2±8,8 кг, длиной тела 177,8±5,3 см, ИМТ 23,8±2,7 кг/м2.
Испытуемые в течение 21 суток находились в условиях АНОГ с углом наклона кровати в краниальном направлении относительно горизонта –6° [9].
Материалом для анализа явились 24-часовые записи электрокардиограммы (ЭКГ), зарегистрированные во II стандартном отведении с размещением четырех электродов на груди. Использовали кардиорегистратор с частотой дискретизации 1000 Гц. Регистрация ЭКГ была выполнена до экспериментального воздействия (–5-е сутки), на 1-е, 10-е и 20-е сутки АНОГ и после окончания эксперимента (+5 сутки) (рис. 1).
Риc. 1. Циклограмма исследования
Полученный ЭКГ-сигнал редактировался с использованием визуальных проверок и ручной коррекции отдельных интервалов RR.
Для анализа регуляторных процессов в ССС определялись и рассчитывались показатели вариабельности сердечного ритма (ВСР), связанные с парасимпатическими или симпатическими модулирующими влияниями вегетативной нервной системы (ВНС) на синоатриальный (СА) узел.
Расчет показателей осуществляли с использованием программного обеспечения «Иским-6» ООО «Институт Внедрения Новых Медицинских Технологий “Рамена”» (Россия, г. Рязань). Программа автоматически рассчитывает 41 показатель ВСР. Для предварительного анализа использовали весь набор показателей. В дальнейшем для отбора наиболее значимых показателей применяли дискриминантный анализ.
Оценку состояния механизмов регуляции кровообращения осуществляли на основе рекомендаций, разработанных Европейским кардиологическим и Северо-Американским электрофизиологическим обществами [10].
Для оценки биоэлектрических процессов в миокарде использовали дисперсионное картирование ЭКГ (ДК ЭКГ), основанное на анализе микроколебаний, характеризующих электрофизиологические процессы в миокарде [11, с. 31–40].
Дисперсионные характеристики рассчитывали с использованием программного обеспечения ООО «МКС» (Россия, г. Зеленоград) по 9 группам (G1-G9), отражающим степень выраженности и локализацию электрофизиологических нарушений в миокарде предсердий и желудочков в фазы де- и реполяризации (G1 – деполяризация правого предсердия, G2 – деполяризация левого предсердия, G3 –деполяризации правого желудочка, G4 –деполяризации левого желудочка, G5 – реполяризация правого желудочка, G6 – реполяризация левого желудочка, G7 – симметрия деполяризации желудочков, G8 – внутрижелудочковые блокады, G9 – электрическая симметрия отведений).
Особенностью исследования являлось то, что при достаточном числе показателей количество испытателей было ограничено особенностями его организации (n=6). Применение традиционных методов статистики с учетом принципа Бонферрони могло привести к ненадежным выводам. Поэтому были использованы статистические методы, наиболее приемлемые для малых выборок.
Для оценки однородности выборки был применен метода Варда. В качестве меры близости было выбрано евклидово расстояние с построением дерева слияния. Отбор наиболее информативных показателей был проведен с помощью дискриминантного анализа.
В соответствии с принципом Бонферрони и рекомендациями Т. Ланга, в качестве порогового значения значимости в одномерных критериях выбрано значение 0,01, при многомерном анализе использовалось стандартное значение 0,05 [12].
Статистическую обработку массива полученных данных проводили пакетом программ STATISTICA 13.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Для классификации в соответствии с преобладающими модулирующими вегетативными влияниями на СА узел методом Варда был проведен интегральный анализ всех зарегистрированных в эксперименте параметров ВСР. В результате были выделены две группы (рис. 2):
– добровольцы, принимавшие участие в эксперименте, с преобладанием парасимпатических модулирующих влияний (n=2);
– добровольцы, принимавшие участие в эксперименте, с преобладанием симпатических модулирующих влияний (n=4).
Рис. 2. Деление добровольцев – участников исследования на группы:
1, 2 – добровольцы с преобладанием парасимпатических модулирующих влияний
3, 4, 5, 6 – добровольцы с преобладанием симпатических модулирующих влияний
С помощью дискриминантного анализа были определены классификационные функции, в которые вошли наиболее информативные в условиях эксперимента показатели, отражающие баланс вегетативных влияний, в первую очередь, парасимпатическую активность и степень ее преобладания над симпатическими модулирующими влияниями:
ЧСС – частота сердечных сокращений, физиологически отражает системную стабильность кровообращения;
RMSSD, мс – квадратный корень из суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов, показатель парасимпатических влияний на ритм сердца;
pNN50, % – число пар кардиоинтервалов с разницей более 50 мс. в % к общему числу кардиоинтервалов, отражает относительную степень преобладания парасимпатических модулирующих вегетативных влияний в ССС над симпатическими;
SDNN, мс – стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов, показатель суммарного эффекта вегетативной регуляции кровообращения;
HF (мс2) – мощность спектра высокочастотного компонента ВСР от суммарной мощности колебаний, так же, как RMSSD и pNN50, характеризует парасимпатическую активность и степень ее преобладания над симпатической.
Динамика изменения этих показателей на разных этапах эксперимента представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Наиболее информативные показатели, характеризующие преобладающий тип вегетативной регуляции, и их динамика в ходе эксперимента
Как видно из рисунка 3, у добровольцев с преобладанием как парасимпатических, так и симпатических модулирующих влияний показатель ЧСС снизился с 1-го дня эксперимента по сравнению с фоновыми значениями. Показатели SDNN, RMSSD, pNN50 и HF увеличивались по сравнению с фоном на 1-е сутки и снижались на 10-е и 20-е сутки эксперимента у представителей обеих групп.
Рис. 4. Динамика показателей ДК ЭКГ
При анализе показателей ДК ЭКГ (рис. 4) было обнаружено, что в группе с преобладанием парасимпатических модулирующих влияний показатели G1, G3, G4 достоверно увеличивались по сравнению с фоновыми значениями на 1-е сутки эксперимента, на 10-е сутки АНОГ оставался повышен только показатель G4. В группе с преобладанием симпатических модулирующих влияний показатели G1 и G4 были выше относительно фона на 10-е и 20-е сутки эксперимента. Параметр «индекс Т-альтернаций» увеличивался у представителей обеих групп в ходе эксперимента.
Для понимания возможности возникновения сердечно-сосудистых событий был проведен анализ наличия или отсутствия экстрасистол предсердного и желудочкового происхождения. У участников группы с преобладанием парасимпатических модулирующих влияний обнаружены групповые желудочковые аритмии на 1-е сутки, причем бигенемии были обнаружены на 1-й и 2-й час после начала экспериментального воздействия. На всем протяжении АНОГ у всех добровольцев наблюдались одиночные экстрасистолы предсердного и желудочкового происхождения. Предсердные экстрасистолы были зарегистрированы уже в фоновом периоде и после окончания эксперимента.
В процессе непрерывного изменения функциональной активности в различных экзогенных условиях и при действии непрерывно изменяющейся внешней среды изменения механизмов регуляции ССС и энергометаболические процессы в миокарде обеспечивают функционирование не только анатомически структурированных физиологических систем, но и динамически формирующихся функциональных систем.
Основным ответом на гипокинезию является ослабление парасимпатических влияний на ССС. Снижение общей ВСР и мощности высоких частот (HF) было отмечено во многих исследованиях АНОГ. Некоторые авторы уже сообщали об этих изменениях через 20 часов и 4 дня экспериментального воздействия. Снижение ВСР и парасимпатических индексов было обнаружено при хронической адаптации к условиям АНОГ через 2 недели. Предполагается также, что снижение ЧСС является механизмом адаптации к АНОГ [8, 9].
Уменьшение вагусного контроля сердца, способствующее большему симпатико-парасимпатическому балансу, возможно, указывает на снижение чувствительности к барорефлексу. Уже в 1990-е годы в исследованиях АНОГ и КП сообщалось об ухудшении барорефлекторных реакций сонной артерии и сердца при использовании шейной камеры, предназначенной для изменения путем всасывания и сжатия артериального давления в сонной артерии и стимуляции барорецепторов каротидного синуса [13].
Достоверно изменяющиеся параметры ДК ЭКГ G3 и G4 входят в суммарный показатель G3+G4+G7, что может отражать наличие ишемических нарушений: вероятность нарушения кровотока и перфузии миокарда [11, с. 31–40].
В 2005 году Grenon и соавт. рассмотрели микровольтное чередование зубцов Т, рассматриваемое у пациентов как предиктор внезапной сердечной смерти, желудочковой тахикардии и фибрилляции желудочков. Они обнаружили увеличение данного показателя при АНОГ, представив первое доказательство того, что имитация микрогравитации оказывает измеримое влияние на процессы электрической реполяризации. Кроме того, они также определили потерю калия и изменения в симпатической функции в качестве возможных способствующих факторов [14].
Появление экстрасистол предсердного и желудочкового происхождения было обнаружено и ранее, в ходе 370-суточного АНОГ. Было показано, что у 1 из 9 испытателей появились отчетливые признаки экстрасистолической аритмии на 2-м месяце эксперимента, у 4 других появились признаки изменения биоэлектрической активности сердца: увеличение биопотенциалов, снижение и уплощение Т-зубцов, причем уменьшение T-зубца прогрессировало в течение первых трех месяцев. Также было отмечено, что при регистрации 24-часового ЭКГ на различных этапах гипокинезии имели место одиночные, редкие экстрасистолы предсердно- и/или желудочкового происхождения. Однако закономерностей не было выявлено [15, с. 106–108].
Некоторые изменения ЭКГ при АНОГ могут быть вызваны изменениями сердечного объема и положения сердца. Увеличенная адренергическая стимуляция также может способствовать нарушениям ритма. Однако по сей день клинически значимых изменений на ЭКГ выявлено не было [8].
Заключение
Таким образом, полученные результаты позволяют представить следующую картину изменений регуляторных механизмов и биоэлектрических процессов в сердце после уменьшения гравитационной нагрузки: во-первых, общее и достаточно выраженное снижение парасимпатических модулирующих влияний на ритм сердца; во-вторых, появление сердечно-сосудистых событий в виде изменения биоэлектрической активности, проявляющихся предсердными и желудочковыми экстрасистолами. Тем не менее, несмотря на выявленные процессы, клинически значимых изменений обнаружено не было.