Функция внешнего дыхания жителей Европейского Севера при остром воздействии гипоксической и гипероксической газовых смесей Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 612.2

Пантелеева Н.И., Фокин А.А., Рощевская И.М.

Отдел сравнительной кардиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, г Сыктывкар Е-mail: bdr13@mail.ru

ФУНКЦИЯ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ЖИТЕЛЕЙ ЕВРОПЕЙСКОГО СЕВЕРА ПРИ ОСТРОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ГИПОКСИЧЕСКОЙ И ГИПЕРОКСИЧЕСКОЙ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Кислородтранспортная функция дыхательной и сердечно-сосудистой систем человека определяет интенсивность окислительно-восстановительных и терморегуляторных реакций организма, поэтому нормальное функционирование респираторной системы особенно значимо для проживания в условиях холодного климата. Геоклиматическая особенность Северных территорий России характеризуется резкими перепадами температур воздуха, высокой изменчивостью метеофакторов и гипоксией. Этот комплекс факторов приводит к значительному напряжению дыхательной системы, способствуя развитию легочных патологий. Изучение внешнего дыхания у жителей Севера при провокации контрастных дыхательных режимов представляется важной задачей экологической физиологии.

Исследована реакция респираторной системы на гипоксическое и гипероксическое воздействие у молодых мужчин, проживающих на территории Европейского Севера. Гипоксическое воздействие проводили при 15-минутном дыхании воздухом c содержанием кислорода 11,0-12,3%, гипероксическое воздействие проводили при 60 минутной экспозиции воздухом с содержанием кислорода 75-85%. Таким образом, особенности функционирования респираторной системы северян, сформированные долговременной адаптацией проживанием в холодном климате, проявились в отличных от нормативных показателях скоростных и объемно-скоростных характеристиках внешнего дыхания, и отразились в незначительной реактивности вентиляционной функции при кратковременном действии контрастных кислородных режимов. Компенсаторные реакции системы внешнего дыхания при воздействии измененной газовой среды происходили не за счет легочных объемов, а были направлены на изменение бронхиального сопротивления.

Ключевые слова: Европейский Север, функция внешнего дыхания, гипоксия, гипероксия.

Северные регионы России характеризуются неблагоприятными для функционирования организма климатогеографическими условиями, дискомфортными для проживания и трудовой деятельности. У жителей Севера происходит структурно-приспособительная перестройка респираторной системы, обеспечивающая гомеостатическое равновесие в условиях долговременного контакта с холодным воздухом - защиту от переохлаждения и теплопо-терь, уменьшение энергозатрат, затраченных на кондиционирование и увлажнение поступающего воздуха [4], [6]. У северян выявлено рефлекторное сужение просвета бронхов, приводящее к более учащенному и углубленному дыханию в покое и при выполнении нагрузки, повышенное сопротивление воздухоносных путей, гипервентиляционный синдром, снижение минутного объема дыхания, коэффициента использования кислорода, вызывающие скрытую гипоксическую нагрузку на организм и увеличивающие потребность в повышенном газообмене [7], [10].

Исследование влияния искусственно созданной гипоксии на организм человека позволило выявить основные закономерности в реагировании респираторной системы на кислородную недостаточность: происходит интенсификация дыхания, усиление газообмена и повышение эффективности использования кислорода [3]. Исследования объемно-скоростных характеристик функции внешнего дыхания при изменении кислородного режима немногочисленны. Повышение концентрации кислорода до 80% при давлении в 1 атмосферу считается безвредным для организма человека, снижает частоту дыхания за счет активации синокаротидного рефлекса, приводящего к торможению дыхательного центра [11]. Исследования по сочетанному гипоксическому и гипероксическому влиянию на человеке немногочисленны и затрагивают, в основном биохимические параметры крови, электрофизиологические характеристики высших нервных центров.

Исследование реакции системы внешнего дыхания на контрастные кислородные режимы у жителей Севера, имеющих повышенную на-

грузку на дыхательную систему со стороны холодного климата, является актуальной задачей эколгической физиологии.

Методы исследования

Исследования выполнены на базе Отдела сравнительной кардиологии Коми НЦ УрО РАН на практически здоровых молодых мужчинах 18-22 лет (n=7). Участники были предварительно ознакомлены с правилами и методами проведения исследования, предупреждены о возможных негативных последствиях, после чего обследуемые дали письменное добровольное информированное согласие участвовать в исследовании.

Изучено влияние острой нормобарической гипоксии (ОГ) и острой гипероксии (ОГР) на функцию внешнего дыхания (ФВД) у практически здоровых юношей (20±1 лет (здесь и далее M±SD), масса тела 75±8 кг, длина тела 178±4 см) в зимнее время года (февраль). Ги-поксическое воздействие проводили через лицевую маску при 15-минутном дыхании воздухом, обедненным кислородом (содержание кислорода 11,0-12,3%, кислородный медицинский концентратор фирмы Kröber, Германия, переоборудованный в гипоксикатор, согласно свидетельству на полезную модель №24098 от 27 июля 2002 г.). Гипероксическое воздействие проводили через лицевую маску при 60-минутной экспозиции воздухом, обогащенным кислородом (содержание кислорода 75-85%, кислородный гипероксикатор, «Армед», Россия). Регистрацию параметров ФВД проводили сразу после снятия лицевой маски. Воздействия гипоксическими и гипероксическими газовыми смесями проводили в специально оборудованном кабинете с комфортной температурой в положении испытуемых сидя.

Параметры ФВД измеряли портативным спирометром (Spirobank G, MIR, Италия). Оценивали объемные показатели ФВД - жизненную емкость легких (ЖЕЛ, л), форсированную жизненную емкость легких на вдохе и выдохе (ФЖЕЛвд и ФЖЕЛвыд, л), скоростные показатели - объемную форсированную скорость вдоха и выдоха за первую секунду экспирации (ОФВ1вд и ОФВ1выд, л), пиковую объемную скорость (ПОС, л/с), мгновенную объемную скорость (МОС25-75, л/с), максимальную венти-

ляцию легких (МВЛ, л/мин), индекс Тиффно (ОФВ1выд/ФЖЕЛ). Относительно должных величин (условно принятых за 100%, разработаны эмпирическим путем для жителей средней полосы России) [5] оценивали показатели ФВД исследуемых при помощи программного обеспечения портативного спирометра.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы STATISTIKA 10.0 (StatSoft, США) Нормальность распределения значений определяли по критерию Шапиро-Уилка. Полученные результаты подчинялись закону нормального распределения, поэтому анализ проводили при помощи параметрического парного теста для различий «до-после», результаты представлены в виде средней арифметической ± стандартное отклонение (M±SD). Статистически значимыми различия считали при уровне p<0,05.

Результаты исследования

В результате проведенного исследования выявлено, что объемные показатели респираторной системы в условиях измененных кислородных режимов у обследованных лиц существенно не изменялись по сравнению с исходными и составили: ЖЕЛ 5,76±0,82 л, 5,53±0,78 л, 5,39±0,55 л в исходном состоянии, после ОГ и ОГР, соответственно; ФЖЕЛвыд и ФЖЕЛвд - 5,26±0,59 л и 5,12±0,9 л в исходном состоянии, 5,26±0,81 л и 5,32±1,02 л после ОГ, 5,02±0,86 л и 4,96±1,11 л после ОГР.

Индекс Тиффно (ОФВ1выд/ФЖЕЛ), позволяющий исключить обструктивные изменения в бронхиальном древе, у всех обследованных был выше 75% (что является показателем нормы [5] и существенно не изменился при смене кислородного режима: 87,27±4,72 в исходном состоянии, 87,64±5,21 после ОГ, 85,88±5,21 после ОГР.

Пиковая объемная скорость и объем форсированного выдоха обследованных людей за первую секунду в исходном состоянии значимо различались от должных значений для соответствующей возрастной группы (рис. 1).

После воздействия ОГ и ОГР существенных различий ПОС и ОФВ1выд с исходными и должными значениями у обследованных людей нет.

В исходном состоянии и сразу после воздействии гипоксии и гипероксии значения

МОС25, МОС75 и МОС2575 у участников исследования значимо различались от должных показателей (рис. 2).

Значения МОС50 у обследованных практически не различались от должных и составили: в исходном состоянии 5,85±0,36 л, после ОГ -5,75±0,93 л, после ОГР - 5,83±0,61 л.

Максимальная вентиляция легких у обследованных лиц в исходном состоянии (182,77±39,17 л/мин), после ОГ (188,97±34,87 л/

мин) и ОГР (170,60±22,65 л/мин) была достоверно выше должных величин (154,43±4,71 л/ мин), после ОГ р<0.05. По сравнению с исходными показателями на воздействие ОГ МВЛ обследованных лиц незначительно увеличилось, на ОГР - уменьшилось.

На воздействие ОГ и ОГР не выявлено существенного изменения параметров ФВД у обследованных относительно исходных величин, но по сравнению с должными значениями

Рисунок 1 - Пиковая объемная скорость (ПОС, л) и объем форсированного выдоха за 1 секунду экспирации (ОФВД1выд, л/с) у обследованных лиц - должная (долж), в исходном состоянии (ИСХ), при острой гипоксии (ОГ) и гипероксии (ОГР), результаты представлены в виде средней арифметической ± стандартное отклонение (M±SD) Примечание: * - статистически значимо по сравнению с должными показателями

Рисунок 2 - Мгновенная объемная скорость выдоха на уровне крупных (МОС25) и мелких бронхов (МОС.г), общая проходимость бронхов (МОС2575) у обследованных лиц: должные (долж), в исходном состоянии (ИСХ), после действия! острой гипоксии (ОГ) и острой гипероксии (ОГР). Примечание: * - статистически значимо по сравнению с должными показателями

показаны статистически значимые различия скоростных и объемно-скоростных характеристик в исходном состоянии и после влияния гипоксической и гипероксической дыхательной смесью.

Обсуждение результатов

У обследованных нами людей величины ФЖЕЛ и ЖЕЛ в исходном состоянии не различались значимо с должными величинами. Нет единого мнения о величине ЖЕЛ, характерной для уроженцев Севера: одни авторы считают, что она превышает показатели жителей центральной России, что связывают с потенциальной способностью северян увеличивать легочную вентиляцию [1], [9], другие указывают, что она практически сходна с показателями уроженцев средней полосы [7], [8]. Кратковременное гипоксическое воздействие приводит к несущественному изменению ЖЕЛ [3]. Длительное гипероксическое воздействие (более 10 часов) приводит к уменьшению ЖЕЛ, вызванной, по мнению авторов, снижением растяжимости легких из-за уменьшения пластичности альвеолярной пленки, тогда как менее продолжительное влияние высокой концентрации кислорода не приводило к значительным изменениям дыхательных объемов [2]. В нашем исследовании после ОГ и ОГР у обследованных лиц ФЖЕЛ и ЖЕЛ остались практически на исходном уровне.

Скоростные показатели ФВД - ПОСвыд и ОФВ1 позволяют оценить общую проходимость бронхиального древа, судить о максимальной скорости выдоха и, таким образом, выявлять возможные обструктивные изменения: снижение показателей ПОСвыд и ОФВ1 свидетельствует о рестриктивных изменениях, снижении эластичности дыхательной системы [5], а также возможно и от состояния основных и вспомогательных респираторных мышц. В исходном состоянии у обследованных лиц ПО-Свыд была значимо меньше, а ОФВ1 значимо больше должных величин. Воздействие ОГ и ОГР вызвало дополнительное незначительное снижение ПОСвыд. Снижение ОФВ при смене кислородных режимов привело к достижению этого показателя уровня должных величин. Изменился и другой скоростной показатель ФВД -проходимость дыхательных путей на уровне

крупных бронхов (МОС25) - его значение у обследованных лиц было значимо меньше, чем должные величины в исходном состоянии и снизилось при действии ОГ и ОГР. Повышенное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе изменяет свободно-радикальное окисление посредством смещения баланса окисленной-восстановленной формы О2 в тканях, вследствие чего повреждаются слизистые оболочки, изменяется паттерн дыхательных движений и т. д. [11], что может лежать в основе изменения ПОСвыд, ОФВ1 и МОС25 при гипероксии у обследованных нами лиц. Изменение механизма дыхания при кислородной недостаточности (гипервентиляция) вероятно, привело к изменению основных общих скоростных характеристик ФВД у обследуемых. Проходимость на уровне мелких бронхов - показатель МОС75 - у обследованных нами лиц были значимо больше должных величин в исходном состоянии, и при влиянии ОГ и ОГР существенно не изменились. У жителей Европейского Севера значения мгновенной объемной скорости больше таковых у жителей средней полосы России [6], [9].

Величина МВЛ характеризует вентиляционную функцию и функциональные резервы респираторной системы, делает возможным оценить механические свойства системы внешнего дыхания. У обследованных нами лиц в исходном состоянии значения МВЛ при ОГ и ОГР достоверно не различались от должных и исходных показателей. По одним данным у уроженцев Европейского Севера МВЛ превышает должные величины [9], по другим - меньше должных [7], [8].

Таким образом, исследована реакция респираторной системы на гипоксическое и гипе-роксическое воздействие у лиц, проживающих на территории Европейского Севера. Особенности функционирования системы внешнего дыхания, сформированные у жителей Севера долговременной адаптацией к условиям нахождения в холодном воздухе, привели к тому, что вентиляционная функция у северян не изменяется при кратковременном действии разных кислородных режимов. У обследованных нами жителей Севера в исходном состоянии фактические величины статических легочных объемов и емкостей не имели существенных отклонений от должных значений, тогда как скоростные и

объемно-скоростные характеристики функции внешнего дыхания статистически значимо отличались от должных значений, однако не изменялись при смене кислородного режима. При воздействии газовой смеси с измененной концентрацией кислорода у обследованных лиц происходило снижение проходимости на уровне

крупных бронхов, пиковой объемной скорости и объема форсированного выдоха, компенсаторные реакции системы внешнего дыхания при воздействии измененной газовой среды происходили не за счет легочных объемов, а были направлены на изменение бронхиального сопротивления.

05.09.2016

Работа выполнена при поддержке Комплексной программы Уральского отделения РАН №0412-2015-0006

Список литературы:

1. Бартош, О.П. Региональные особенности внешнего дыхания в экологических условиях северо-востока России / О.П. Бартош, А.Я. Соколов // Физиология человека. - 2006. - Т. 32. - №3. - С. 70-78.

2. Генин, А.М. Физиологические критерии ранних токсических проявлений нормобарической гипероксии / А.М. Генин, М.А. Тихонов, В. Малкин. - М.: Изв.АН СССР, 1973. - №3. - С. 378-390.

3. Горанчук, В.В. Гипокситерапия / В.В. Горанчук, Н.И. Сапова, А.О. Иванов. - СПб., 2003. - 536 с.

4. Гришин, О.В. Дыхание на Севере. Функция. Структура. Резервы. Патология / О.В. Гришин, Н.В. Устюжанинова. - Новосибирск, 2006. - С. 45-50.

5. Клемент, Р.Ф. Функционально-диагностические исследования в пульмонологии / Р.Ф. Клемент, Н.А. Зильбер. - СПб. - 1993. -47 с.

6. Копытова, Н.С. Сезонные изменения функционального состояния системы внешнего дыхания у жителей Европейского Севера России / Н.С. Копытова, А.Б. Гудков // Экология человека. - №10. - 2007. - С. 41-43.

7. Куликов, В.Ю. Кислородный режим при адаптации человека на Крайнем Севере / В.Ю. Куликов, Л.Б. Ким. - Новосибирск: Наука, 1987. - 159 с.

8. Марачев, А.Г. Циркумполярный гипоксический синдром и его диагностические критерии / А.Г. Марачев // Региональные особенности здоровья жителей Заполярья. - Новосибирск, 1983. - С. 98-102.

9. Гудков, А.Б. Внешнее дыхание человека на Европейском Севере / А.Б. Гудков, О.Н. Попова. - Архангельск, изд-во Северного гос. мед. университета. - 2012. - 251 с.

10. Чеснокова, В.Н. Сезонная динамика параметров кардиореспираторной системы у юношей, проживающих на Европейском Севере России / В.Н. Чеснокова, И.Г. Мосягин // Экология человека. - 2009. - 08. - С. 7-11.

11. Oriani, G. Handbook of hyperbaric medicine / G. Oriani, A. Marroni, F. Wattel. - B.: Springer. - 1996. - 902 p.

Сведения об авторах:

Пантелеева Наталья Ивановна, научный сотрудник Отдела сравнительной кардиологии

Коми научного центра УрО РАН 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 24, e-mail: bdr13@mail.ru

Фокин Андрей Александрович, младший научный сотрудник Отдела сравнительной кардиологии

Коми научного центра УрО РАН 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 24, e-mail: fokin.90@inbox.ru

Рощевская Ирина Михайловна, заведующая Отделом сравнительной кардиологии Коми научного центра УрО РАН 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 24, тел. (88212) 39 14 51, e-mail: compcard@mail.ru