CC BY
36
патофизиологические аспекты взаимодействия гипоксии и физической нагрузки (экспериментальное исследование)
резюме
Ким А.Е. 1, Шустов Е.Б. 2, Ганапольский В.П. 1, Зайцева И.П. 3, Лемещенко А.В. 1
1 ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Минобороны России
(194044, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Лебедева, 6, Россия)
2 ФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова» ФМБА России (192019, г. Санкт-Петербург,
ул. Бехтерева, 1, Россия)
3 ФГБОУ ВО «Ярославский государственный университет имени П.Г. Демидова»
(150003, г. Ярославль, ул. Советская, 14, Россия)
Автор, ответственный за переписку: Ким Алексей Евгеньевич,
e-mail: alexpann@mail.ru
Обоснование. Типовым экстремальным фактором является гипоксия, которая существенно влияет на возможность выполнения задач профессиональной деятельности, в частности - физических нагрузок различной интенсивности. Физические и нервно-эмоциональные нагрузки в условиях гипоксии могут приводить к срыву компенсаторно-приспособительных механизмов с развитием экстремальных и критических состояний. Цель исследования. Количественная оценка влияния гипоксии на физическую работоспособность лабораторных животных на разных уровнях их естественной резистентности.
Методы исследования. Моделирование гипоксии осуществлялось методами барокамерного подъёма лабораторных животных и введения метгемо-глобинобразователя. Устойчивость кгипоксической гипоксии оценивалась по критерию высотного порога, кгемической - по времени жизни. Критерием функционального состояния лабораторных животных была их способность к выполнению физических нагрузок, которая создавалась бегом животных на тредбане или предельным плаванием с грузом.
Результаты исследования. Высота 3500м вызывает снижение физической работоспособности крыс-самцов на треть от уровня нормоксии, высота 5000 м - снижение в 2 раза, высота 6500 м - снижение в 4 раза, а на высоте 8000 м выполнение беговых физических нагрузок крысами становится невозможным. Лёгкая степень гемической гипоксии вызывает снижение времени плавания практически в 2 раза, что соответствует влиянию на работоспособность высоты 5000 м, а гемическая гипоксия умеренной степени снижает время плавания более чем в 3 раза, что примерно соответствует влиянию высоты 6000 м.
Уровень устойчивости к гипоксии оказывает умеренное влияние на физическую работоспособность, а фактор низкого уровня физической работоспособности практически не оказывает влияние на устойчивость к гипоксии (28 % и 7 % вариативности признака соответственно). У животных с исходно низким уровнем устойчивости к гипоксии отмечается также снижение работоспособности в среднем на 20 %.
Заключение. Гемическая гипоксия является адекватной моделью в исследованиях с комплексным воздействием различных экстремальных факторов. Оптимальным является моделирование гипоксии лёгкой степени, вызванной введением нитрита натрия в дозе 30 мг/кг.
Ключевые слова: гипоксия, биомоделирование, лабораторные животные, резистентность к гипоксии, физические нагрузки
Статья поступила: 13.04.2022 Статья принята: 13.10.2022 Статья опубликована: 08.12.2022
для цитирования: Ким А.Е., Шустов Е.Б., Ганапольский В.П., Зайцева И.П., Лемещенко А.В. Патофизиологические аспекты взаимодействия гипоксии и физической нагрузки (экспериментальное исследование). Acta biomedica scientifica. 2022; 7(5-2): 259-267. doi: 10.29413/ABS.2022-7.5-2.26
pathophysiological aspects of the interaction of hypoxia
and physical load (experimental study)
ABSTRACT
Kim A.E. 1, Shustov E.B. 2, Ganapolsky V.P. 1, Zaitseva I.P. 3, Lemeshchenko A.V. 1
1 Kirov Military Medical Academy (Akademika Lebedeva str. 6, Saint Petersburg 194044, Russian Federation)
2 Golikov Research Clinical Center of Toxicology (Bekhtereva str. 1, Saint Petersburg 192019, Russian Federation)
3 P.G. Demidov Yaroslavl State University (150003, Yaroslavl, Sovetskaya str. 14, Russian Federation)
Corresponding author: Alexey E. Kim,
e-mail: alexpann@mail.ru
Background. A typical extreme factor is hypoxia, which significantly affects the ability to perform tasks of professional activity, in particular, physical activity of various intensity. Physical and neuro-emotional stress under conditions of hypoxia can cause the breakdown of compensatory and adaptive mechanisms with the development of extreme and critical conditions.
The aim of the study. Quantitative assessment of the effect of hypoxia on the physical performance of laboratory animals at different levels of their natural resistance. Research methods. Modeling of hypoxia was carried out by the methods of pressure chamber rise of laboratory animals and the administration of a methemoglobin former. Resistance to hypoxic hypoxia was assessed by the criterion of the threshold elevation, to hemic hypoxia - by the lifetime. The criterion for the functional state of laboratory animals was their ability to perform physical activity, which was created by treadmill run or swimming with a load.
Results of the study. An altitude of3500 m causes a decrease in the physical performance of male rats by a third of normoxia level; an altitude of5000 m - decrease by two times; an altitude of 6500 m - decrease by four times, and at an altitude of8000 m makes running physical activity by rats impossible. A mild degree of hemic hypoxia causes a decrease in swimming time by almost 2 times, which corresponds to the effect of an altitude of5000 m on the working capacity; and a moderate degree of hemic hypoxia causes a decrease in swimming time by more than 3 times, which approximately corresponds to the effect of an altitude of6000 m. The level of resistance to hypoxia has a moderate effect on physical performance, and the factor of a low level of physical performance has almost no effect on the resistance to hypoxia (28 % and 7 % of the trait variability respectively). In animals with an initially low level of resistance to hypoxia, there is also a decrease in working capacity by an average of 20 %.
Conclusion. Hemic hypoxia is an adequate model in studies with a complex effect of various extreme factors. Simulation of mild hypoxia caused by the administration of 30 mg/kg of sodium nitrite is an optimal method.
Key words: hypoxia, biomodeling, laboratory animals, resistance to hypoxia, physical activity
Received: 13.04.2022 Accepted: 13.10.2022 Published: 08.12.2022
For citation: Kim A.E., Shustov E.B., Ganapolsky V.P., Zaitseva I.P., Lemeshchenko A.V. Pathophysiological aspects of the interaction of hypoxia and physical load (experimental study). Acta biomedica scientifica. 2022; 7(5-2): 259-267. doi: 10.29413/ABS.2022-7.5-2.26
ОБОСНОВАНИЕ
Характерное для XXI века вовлечение в интенсивную промышленную деятельность регионов Крайнего Севера, полярных акваторий и морских глубин, высокогорья, разработка проектов лунных и марсианских баз делают актуальной проблему медицинского сопровождения профессиональной деятельности в экстремальных условиях. Типовым экстремальным фактором является гипоксия, которая существенно влияет на возможность выполнения человеком задач профессиональной деятельности, в частности физических нагрузок различной интенсивности. Выполнение в условиях гипоксии задач, связанных с физическими и нервно-эмоциональными нагрузками, может приводить к предельному напряжению и срыву компенсаторно-приспособительных механизмов с развитием экстремальных и критических состояний. Переносимость подобных нагрузок определяется индивидуальным уровнем врождённой и приобретённой резистентности организма к гипокси-ческому воздействию. Очевидно, что разработка средств повышения физической работоспособности в условиях гипоксического воздействия требует изучения взаимодействия механизмов, определяющих индивидуальную резистентность к гипоксии с механизмами снижения физической работоспособности в условиях утомления, что требует количественной оценки взаимовлияния этих факторов друг на друга, в том числе на разных уровнях резистентности к гипоксии и физической работоспособности [1]. Важным фактором такого взаимодействия является то, что физическая нагрузка сама по себе вызывает в организме комплекс изменений гипоксического характера (формирование кислородного долга, накопление лактата, метаболический ацидоз, истощение запасов гликогена в скелетных мышцах, печени и миокарде, сдвиг кривой диссоциации оксигемо-глобина, изменения проницаемости аэрогематического барьера и газообменной функции лёгких и др.), которые принято называть гипоксией физической нагрузки [2-4].
Всё вышеуказанное подчёркивает необходимость разработки методов оценки комплексного действия гипоксии на организм человека и моделирования такого воздействия на лабораторных животных в ходе доклинической оценки эффективности различных методов и средств коррекции функционального состояния. Однако при этом возникает ряд трудностей методического и технического характера. В исследованиях с добровольцами основной метод создания гипоксии - барокамерный подъём или вдыхание гипоксических газовых смесей, т. е. при этом у человека формируется гипоксическая гипоксия, нор-мобарическая или гипобарическая. Оба этих метода совместимы с наиболее распространёнными методиками оценки работоспособности (велоэргометрия, тестирование на бегущей дорожке, степ-тест и др.). Принципиально иная картина отмечается в исследованиях на животных, изучение работоспособности которых осуществляется в беговых или плавательных нагрузочных тестах. При этом ни лабораторные барокамеры для животных, ни лабораторные гипоксикаторы для животных техниче-
ски не приспособлены для выполнения в них ни беговых, ни плавательных нагрузочных проб. В нашем исследовании была использована барокамера для людей, в которой размещался тредбан для животных, а проводящий тестирование исследователь при этом сам подвергался воздействию гипобарической гипоксии. Поэтому в биомедицинских исследованиях возникает необходимость использовать другие методы формирования у животных ги-поксических состояний, к наиболее простым из которых относится гемическая с введением метгемоглобинобразо-вателей. При этом тестирование работоспособности может осуществляться стандартными плавательными нагрузочными тестами. Необходимо учитывать, что в практике биомедицинских исследований известно сочетанное изучение физической работоспособности и температурного экстремального фактора (гипертермии или гипотермии, задаваемой температурой воды, в которой плавают животные), но нам не удалось найти валидизированную методику изучения сочетанного воздействия гипоксии и физических нагрузок на лабораторных животных.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Количественная оценка влияния гипоксии на физическую работоспособность лабораторных животных на разных уровнях их естественной резистентности к гипоксии.
МЕТОДЫ
Дизайн исследования. В ходе исследования в отдельных сериях последовательно решались следующие задачи (табл. 1):
Условия проведения. Воздействие гипоксии осуществлялось разными способами в зависимости от конкретных задач серии исследования. В серии 1 исследований использовалась модель бега животных на тредбане в условиях барокамерного подъёма белых крыс на хорошо переносимые для этого вида животных высоты (3500, 5000, 6500 и 8000 м). Подъём осуществлялся со скоростью 50 м/с в соответствии с рекомендациями Н.Н. Каркищенко и соавт. [5].
В серии 2 использована гемическая гипоксия. В основе острой гемической гипоксии лежит уменьшение кислородной ёмкости крови (например, при метгемо-глобинемии). Для этого животным вводят внутрибрю-шинно натрия нитрит (200 или 300 мг/кг для мышей или крыс соответственно). При внутрибрюшинном пути введения в этих дозах 100%-я гибель животного наступает через 13-17 мин, при подкожном пути введения - через 27-30 мин. При необходимости моделирования лёгкой степени гемической гипоксии (метгемоглобин крови 18-20 %) животным подкожно вводят нитрит натрия (NaNO2) в дозе 3 мг/100 г массы тела, для моделирования средней степени гипоксии (метгемоглобин крови 35-36 %) используется введение нитрита натрия в дозе 5 мг/100 г массы тела [6].
ТАБЛИЦА 1 TABLE 1
СЕРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕШАЕМЫЕ В НИХ ЗАДАЧИ RESEARCH SERIES AND TASKS SOLVED IN THEM
№ серии Группы животных Используемые методики Кол-во животных
1 Недифференцированные по уровню устойчивости к гипоксии животных Бег животных на тредбане в барокамере 60
2 Вынужденное плавание с грузом 5 % на фоне гемической гипоксии 20
3 Животные с высоким или низким уровнем устойчивости к гипоксии Вынужденное плавание с грузом 10 % от массы тела 60
4 Животные с высоким и низким уровнем физической работоспособности Определение высотного порога 60
Итого животных 200
В серии 3 для разделения животных по уровню устойчивости к гипоксии, а в серии 4 - для оценки уров- > ня устойчивости к гипоксии - использована методика определения высотного порога животных. Для этого лабораторные животные поднимались в барокамере > со скоростью 165 м/с до начальной площадки 9000 м, пребывали на этой высоте в течение 5 мин и вновь поднимались с той же скоростью до следующей площадки > на 1000 м выше. Данный цикл осуществлялся до фик- > сирования у животного агонального дыхания. Высота, на площадке которой было зафиксировано агональное дыхание, и является индивидуальным высотным поро- > гом для данного животного. Для перевода дискретной шкалы в непрерывную использовалась дробная высотная шкала, при которой целая часть равна высоте площадки в километрах, а дробная - отношению длительности жизни на этой высоте в секундах к длительности площадки (300 с). Животные, высотный порог которых менее 12 км, будут относиться к низкоустойчивым к гипоксии, с высотным порогом от 12 до 13,5 км - к сред- > неустойчивым, с высотным порогом более 13,5 км - высокоустойчивым [7].
Оценка физической работоспособности проводит- I ся по времени выполнения животными физической нагрузки до отказа. Нагрузка при этом может создаваться или бегом на тредбане, или плаванием с грузом. Максимальные скорости потребления кислорода у крыс достигаются при скорости бега 43-53 м/мин [5], при этом максимальная длительность бега крыс не превышает 30 ми- I нут. Для оценки физической работоспособности при ги-побарической гипоксии использован тест бега животных на тредбане до отказа со следующими параметрами: угол подъёма ленты дорожки составлял 10°, скорость движения ленты - 40 м/мин. Важным условием стандартизации исследования является предварительный отбор живот- , ных по массе тела с исключением из исследования избы- > точно агрессивных животных, а также предварительная > тренировка животных по 5-10 мин на небольшой скорости на протяжении 2-3 дней.
Для проведения теста предельного плавания лабораторным животным в области крестца к шкуре прикре- I пляется груз, пропорциональный весу животного. В се-
рии 2 с учётом одновременного воздействия гемиче-ской гипоксии и физической нагрузки использовался груз, равный 5 % от массы тела; в серии 3 - груз, равный 10 % от массы тела. Предварительно животные проходят ознакомление с выполнением теста (как минимум трёхкратно, с интервалом в 2-3 дня). Животные, при предварительном тестировании физической работоспособности которых полученные результаты более чем на 35 % отклоняются от средних значений, при рандомизации исключаются из исследования.
В серии 4 для оценки уровня физической работоспособности животных и их разделения на подгруппы использовалась методика трёхкратного предъявления плавательного теста с грузом 10 % от массы тела с 5-минутным интервалом. При этом параметром разделения является коэффициент утомляемости животных (КУ), отражающий отношение времени плавания в третьей попытке (Т3) ко времени в первом выполнении (Т1) теста (КУ = 1 - Т3/Т1). При КУ < 0,6 животные могут быть отнесены к группе с низкой утомляемостью (высокой работоспособностью), при КУ в диапазоне от 0,61 до 0,8 - к группе со средней утомляемостью, при КУ > 0,8 - к группе с высокой утомляемостью (низкой работоспособностью) [8].
Исходы исследования. Организация исследования позволила всесторонне на уровне конечных точек переносимости экстремальных воздействий (время жизни, летальность, время выполнения физической нагрузки до отказа) оценить комплексное воздействие экстремальных факторов.
Требования к животным, их содержанию, порядку обращения. Исследование проводилось на белых беспородных крысах-самцах массой 180-220 г, полученных из питомника лабораторных животных «Рапполово» (Ленинградская обл.) и прошедших 14-дневный карантин. Содержание и обращение с животными в эксперименте соответствовали требованиям приказа Минздрава России от 01.04.2016 № 199н «Об утверждении правил надлежащей лабораторной практики». Животные содержались в вентилируемых клетках при температуре воздуха 2022 °С, относительной влажности 40-60 %, световом режиме 12:12 с включением света в 8.00. Использовался полнорационный корм ПК-120 (ООО «Лабораторкорм», Москва),
при свободном доступе к водопроводной питьевой воде. После завершения эксперимента животные выводились из исследования в соответствии с утверждённым Протоколом. Биоматериал утилизировался в соответствии с «Ветеринарно-санитарными правилами сбора, утилизации и уничтожения биологических отходов» (в ред. Приказа Минсельхоза РФ от 16.08.2007 № 400). Протокол исследования был разработан в соответствии с требованиями Национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р-53434-2009 «Принципы надлежащей лабораторной практики» и Европейской Конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и иных научных целей» и одобрен биоэтической комиссией ФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова» ФМБА России.
Статистический анализ. Полученные экспериментальные материалы были сведены в аналитическую базу данных в процессоре электронных таблиц Excel (Microsoft Corp., США) и обрабатывались с помощью пакета прикладных программ «Анализ данных». Статистическая значимость различий между группами оценивалась для параметрических показателей методом ANOVA, для непараметрических показателей типа времени жизни - по критерию Вилкоксона - Манна - Уит-ни. Для оценки статистической значимости контролируемых факторов и их взаимодействия использовались
процедуры однофакторного и двухфакторного дисперсионного анализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для оценки влияния контролируемого фактора «уровень гипоксии» был выполнен однофакторный дисперсионный анализ, результаты которого представлены в таблице 2.
Установлено, что 94 % вариации показателя длительности бега при гипоксической гипоксии определяется именно уровнем гипоксии, и только 6 % - другими факторами. Анализ динамики центроидов групп показывает, что 50 %-е снижение уровня физической работоспособности соответствует подъёму лабораторных животных на высоту 5000 м, а на высоте 8000 м выполнение физических нагрузок для лабораторных животных становится невозможным.
В серии 2 с учетом того, что на животных будет оказывать воздействие предельно переносимая физическая нагрузка, гемическая гипоксия моделировалась на двух уровнях метгемоглобинемии - лёгкая (доза нитрита натрия - 30 мг/кг) и умеренная (доза нитрита натрия - 50 мг/кг). Интенсивность нагрузки обеспечивалась фиксацией груза, равного 5 % от массы тела. Ре-
ТАБЛИцА 2
ВЛИЯНИЕ ГИПОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ НА ФИЗИЧЕСКУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЖИВОТНЫХ, ДЛИТЕЛЬНОСТЬ БЕГА НА ТРЕДБАНЕ: РЕЗУЛЬТАТЫ ДИСПЕРСИОННОГО ОДНОФАКТОРНОГО АНАЛИЗА
центроиды групп по высотам, мин 0 м 3500 м 5000 м 6500 м 8000 м
TABLE 2
THE EFFECT OF HYPOBARIC HYPOXIA ON THE PHYSICAL PERFORMANCE OF ANIMALS, THE DURATION OF TREADMILL RUN: THE RESULTS OF ONE-WAY ANOVA ANALYSIS
Коэффициент Статистическая F-критерий _
детерминации D значимость p
23,2 14,8 12 б 0,4 4б3 0,94 б X 10-70
100 % б3,9 % S1,S % 24,7 % 2,0 % - - -
о
о м е а
-J
е р
I—
о
в а
I—
о
I—
о
а
IT
35 30 25 20 15 10 5 0
фон 30 мг/кг •50 мг/кг
5 6 7 8 Время плавания,
РИС. 1.
Частотные кривые встречаемости значений времени предельного плавания животных с грузом 5 % от массы тела в воде термонейтральной температуры
FIG. 1.
Frequency curves of the occurrence of the time values of extreme swimming of animals with a load of 5 % of body weight in thermally neutral water
зультаты данного исследования представлены на рисунке 1 и в таблице 3.
Анализ рисунка 1 показал, что время плавания животных с грузом 5 % от массы тела (фоновое исследование) не может быть охарактеризовано как близкое к нормальному статистическому распределению, что требует применения непараметрических методов статистического анализа. Влияние гемической гипоксии существенно сказывается на физической работоспособности животных (табл. 3).
Так, в проведённом исследовании 85 % всей вариации показателя времени плавания может быть отнесено к действию гемической гипоксии на организм животных (р = 7 х 10-16), причём даже лёгкая степень гемической гипоксии вызывает снижение времени плавания практически в 2,5 раза, а гемическая гипоксия умеренной степени - более чем в 3 раза.
В серии 3 животные были разделены на три подгруппы по уровню высотного порога с последующим тестированием физической работоспособности животных в тесте предельного плавания с грузом 10 % от массы тела. Проведение факторного дисперсионного анализа показало, что уровень устойчивости животных к гипоксии оказывает существенное и статистически значимое влияние на их физическую работоспособность (табл. 4).
Как показало проведённое исследование, 28 % всей вариации показателя времени предельного плавания может быть отнесено к действию механизмов, определяющих уровень устойчивости животных к гипоксии -
в большей степени это может быть отнесено к низкому уровню устойчивости к гипоксии. Так, по сравнению с животными, устойчивость к гипоксии которых является средней, в группе низкоустойчивых животных время выполнения предельно переносимой смешанной аэробно-анаэробной физической нагрузки было ниже на 22 %, и эти отличия были статистически значимыми (р = 0,03). В то же время группа высокоустойчивых к гипоксии животных практически не отличалась от среднеустойчи-вых (+5 %; р = 0,23).
В серии 4 исследований оценивалось влияние уровня выносливости как показателя физической работоспособности животных на их устойчивость к гипобари-ческой гипоксии. Результаты этой серии исследований представлены в таблице 5.
Проведённое исследование показало, что высотный порог, а следовательно, и уровень устойчивости к гипоксии у животных мало зависят от уровня их физической работоспособности. В целом только 7 % вариативности показателя высотного порога может быть объяснено разным уровнем выносливости животных. Анализ в полярных группах показывает, что животные с высоким уровнем выносливости характеризуются и более высоким уровнем устойчивости к гипоксии, однако это не отражается на группе животных со средним уровнем физической работоспособности. Полученные данные показывают, что механизмы физической работоспособности и устойчивости к гипоксии существенно различаются для основной массы животных.
ТАБЛИЦА 3
РЕЗУЛЬТАТЫ ОДНОФАКТОРНОГО ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ ГЕМИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ ЛЁГКОЙ И УМЕРЕННОЙ СТЕПЕНЕЙ НА ФИЗИЧЕСКУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЖИВОТНЫХ
TABLE 3
THE RESULTS OF A ONE-WAY ANOVA ANALYSIS
OF THE EFFECT OF MILD AND MODERATE HEMIC HYPOXIA
ON THE PHYSICAL PERFORMANCE OF ANIMALS
центроиды групп (время плавания, мин) Коэффициент Статистическая
F-критерии „
фон 30 мг/кг 50 мг/кг детеРминации D значим°сгь p
11,2 6,5 3,2 104,1 0,85 7 X 10-16
100 % 58 % 29 % - - -
ТАБЛИЦА 4
РЕЗУЛЬТАТЫ ОДНОФАКТОРНОГО ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ УРОВНЯ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ К ГИПОКСИИ НА ФИЗИЧЕСКУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЖИВОТНЫХ В УСЛОВИЯХ НОРМОКСИИ (ТЕСТ ПРЕДЕЛЬНОГО ПЛАВАНИЯ С ГРУЗОМ 10 % ОТ МАССЫ ТЕЛА)
TABLE 4
THE RESULTS OF A ONE-WAY ANOVA ANALYSIS OF THE EFFECT OF THE LEVEL OF INDIVIDUAL RESISTANCE TO HYPOXIA ON THE PHYSICAL PERFORMANCE OF ANIMALS IN NORMOXIA CONDITIONS (EXTREME SWIMMING TEST WITH A LOAD OF 10 % OF BODY WEIGHT)
Центроиды групп по устойчивости к гипоксии (время плавания, с) КоЭффИЦИеНТ Статисти4еская
низкая (п = 18) средняя (п = 26) высокая (п = 16) детерминации О значим°сгь р
92 118 124 0,28 6 х 10-5
78 % (р = 0,03*) 100 % 105 % (р = 0,23*) - -
Примечание. * - статистическая значимость различий с группой среднеустойчивых к гипоксии животных.
ТАБЛИцА 5 TABLE 5
РЕЗУЛЬТАТЫ оДНоФАктоРНого дисперсионного THE RESULTS OF ONE-WAY ANOVA ANALYSIS
АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ УРоВНЯ ФИЗИЧЕСкоЙ OF THE EFFECT OF THE LEVEL OF PHYSICAL
работоспособности животных PERFORMANCE OF ANIMALS ON THEIR INDIVIDUAL
НА ИХ индивидуальную устойчивости RESISTANCE TO HYPOXIA (METHOD FOR DETERMINING
к гипоксии (метод определения высотного THE THRESHOLD ELEVATION) порога)
центроиды групп по уровню физической работоспособности (высотный порог, км) Коэффициент Статистическая детерминации D значимость p
низкая (n = 14) средняя (n = 31) высокая (n = 15)
11,S 12,4 13,S 0,07 0,04
93 % (р = 0,3б*) 100 % 111 % (р = 0,17*) - -
Примечание. * - статистическая значимость различий с группой животных со средним уровнем физической работоспособности.
ОБСУЖДЕНИЕ
Причиной остановки выполнения физической нагрузки максимальной и субмаксимальной мощностью может быть возникающее по ГАМК-ергическому механизму ограничение интенсивности потока импульсов, следовой деполяризации электровозбудимых нейро-нальных мембран, а также формирование специфического состояния парабиоза при сверхэкстремальной работе нейронов [9]. Физические нагрузки субмаксимальной мощности вызывают некомпенсируемое изменение гомеостаза, вызванного лактацидозом, накоплением в крови аммиака, снижением уровня глюкозы в крови и запасов гликогена в мышцах и печени, метаболическим ограничением сократительной функции миокарда. Аналогичные по своим метаболическим последствиям и снижению нервно-мышечной регуляции изменения могут формироваться в скелетных мышцах. В совокупности при работе максимальной и субмаксимальной мощности можно констатировать, что ограничения в возможности выполнения физической нагрузки будут характеризовать нарушения центральных механизмов системы организации и координации движений заданного темпа и интенсивности.
Возможность выполнения физических нагрузок большой мощности в условиях развития утомления определяется резервными возможностями системы обеспечения дыхания и кровообращения по компенсации нарастающих сдвигов кислотно-основного баланса, снижению уровня глюкозы в крови, повышению температуры ядра тела.
Развитие утомления при длительных физических нагрузках умеренной мощности сопряжено с истощением углеводного резерва в скелетных мышцах, миокарде и печени, нарушением питания нейронов, накоплением недоокисленных метаболитов и снижением энергогене-рирующих возможностей митохондрий. С истощением резервов терморегуляции и гомеостатического регулирования, замыкающихся на циркуляцию крови и функцию внешнего дыхания, во многом связана невозможность продолжения выполнения физических нагрузок [10-13]. Снижение энергетических возможностей мито-
хондрий по генерации аденозинтрифосфата (АТФ) является ключевым моментом для гипоксии любого генеза. При этом в организме отмечается снижение концентрации креатинфосфата и АТФ в головном мозге при увеличении содержания продуктов его деградации (адено-зиндифосфата, аденозинмонофосфата, неорганического фосфата). Это приводит к нарушениям мембранного транспорта, процессов биосинтеза и других функций клетки [14], а также к внутриклеточному лактацидозу, увеличению внутриклеточной концентрации свободного кальция и активации перекисного окисления липидов.
При формировании гипоксии физической нагрузки центральным звеном снижения работоспособности становится дефицит макроэргов в клетках. Основным источником энергии на короткое время становится анаэробный гликолиз. Необходимо учитывать, что и в условиях гипоксии, и в условиях интенсивных физических нагрузок доставка кислорода в организм зависит от разнообразных условий [15, 16]. Отклонения от оптимального уровня работы кислородтранспортных механизмов организма, ведущих к дефициту кислорода в тканях, могут стать причиной тканевого энергодефицита и основой негативного взаимодействия при одновременном воздействии гипоксии и физических нагрузок.
Несмотря на разные молекулярные механизмы формирования гипоксической и гемической гипоксии, взаимодействие гипоксического фактора и предельно переносимой физической нагрузки, вероятнее всего, осуществляется на более глубоком, с точки зрения внутриклеточных процессов, уровне - митохондриальных процессов генерации АТФ и его повышенного расходования на физическую работу [1, 17, 18]. Это позволяет считать предлагаемую экспериментальную модель изучения совместного воздействия гипоксии и физических нагрузок корректной с точки зрения единого механизма обеспечения энергопродукции клеток.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее вероятным механизмом развития синдрома взаимного отягощения при воздействии гипоксии
и физической нагрузки является нарушение генерации АТФ в процессе фосфорилирующего митохондриально-го окисления, который является общим звеном патогенеза различных экстремальных состояний.
В условиях нормобарической гипоксии высота 3500 м вызывает снижение физической работоспособности лабораторных животных на треть от уровня нор-моксии, высота 5000 м - в 2 раза, высота 6500 м - в 4 раза, а на высоте 8000 м выполнение беговых физических нагрузок крысами становится невозможным.
Гемическая гипоксия является адекватной моделью для использования в исследованиях с комплексным воздействием различных экстремальных факторов. Оптимальным может быть моделирование гипоксии лёгкой степени, вызванной введением нитрита натрия в дозе 30 мг/кг, или умеренной гипоксии (доза нитрита натрия -50 мг/кг), если анализируемые экстремальные факторы характеризуются низким уровнем взаимодействия.
Контролируемый фактор устойчивости к гипоксии оказывает умеренное влияние на уровень физической работоспособности (28 % вариативности показателя), в то время как фактор низкого уровня физической работоспособности практически не оказывает влияние на устойчивость к гипоксии (7 % вариативности признака). У животных с исходно низким уровнем устойчивости к гипоксии отмечается также снижение работоспособности в среднем на 20 %.
Финансирование
Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов
Авторы данной статьи сообщают об отсутствии конфликта интересов.
ЛИТЕРАТУРА
1. PrikhodkoVA,Selizarova NO, Okovityi SV. Molecular mechanisms for hypoxia development and adaptation to it. Part I. Arkh Patol. 2021; 83(2): 52-61. doi: 10.17116/patol20218302152
2. Меерсон Ф.З. Основные закономерности индивидуальной адаптации. В: Физиология адаптационных процессов. М.: Наука; 1986: 10-76.
3. Лукьянова Л.Д. Сигнальные механизмы гипоксии. М.: РАН; 2019.
4. Новиков В.С., Сороко С.И., Шустов Е.Б. Дезадаптаци-онные состояния человека при экстремальных воздействиях и их коррекция. 2018.
5. Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Шустов Е.Б., Бер-зин И.А., Капанадзе Г.Д., Фокин Ю.В., и др. Биомедицинское (доклиническое) изучение лекарственных средств, влияющих на физическую работоспособность: методические рекомендации МР21.43. М.: ФМБА России; 2017.
6. Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Шустов Е.Б., Капанадзе Г.Д., Ревякин А.О., Семенов Х.Х., и др. Биомедицинское (доклиническое) изучение антигипоксической активности лекарственных средств: методические рекомендации МР21-44-2017. М.: ФМБА России; 2017.
7. Шустов Е.Б., Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Семенов Х.Х. Анализ параметров индивидуальной устойчивости лабораторных животных к гипоксии в интересах биологического моделирования нейропротекторного и антигипоксического действия лекарственных средств. Биомедицина. 2013; 1(4): 149-157.
8. Каркищенко В.Н., Каркищенко Н.Н., Шустов Е.Б., Бер-зин И.А., Фокин Ю.В., Алимкина О.В. Особенности интерпретации показателей работоспособности лабораторных животных по плавательным тестам с нагрузкой. Биомедицина. 2016; (4): 34-36.
9. Semyanov AV. GABA-ergic inhibition in the CNS: Types of GABA receptors and mechanisms of tonic GABA-medi-ated inhibitory action. Neurophysiology. 2002; 34(1): 71-80. doi: 10.1023/A:1020274226515
10. Бобков Ю.Г., Виноградов В.М. Фармакологическая коррекция умственной и физической работоспособности. В: Фармакологическая регуляция процессов утомления. М.; 1982: 7-33.
11. Вайнштейн Х.И. Утомление. М.: Физкультура и спорт; 1967.
12. Оковитый С.В., Шустов Е.Б., Болотова В.Ц. Работоспособность. Утомление. Коррекция. М.: КНОРУС; 2019.
13. Grandjean E. Fatigue: Its physiological and psychological significance. Ergonomics. 1968; 11(5): 427-436. doi: 10.1080/ 00140136808930992
14. Виноградов В.М. Поддержание жизни в экстремальных условиях. В: Повышение резистентности организма к экстремальным воздействиям. Кишинев: Штиинца; 1973: 105-127.
15. Рожков В.П., Трифонов М.И., Бурых Э.А., Сороко С.И. Оценка индивидуальной устойчивости человека к острой гипоксии по интегральным характеристикам структурной функции многоканальной ЭЭГ. Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2019; 105(7): 832-852. doi: 10.1134/ S0869813919070082
16. Van Liere EJ, Stickney JC. Hypoxia. Chicago: Academic Medicine; 1964.
17. Зарубина И.В. Современные представления о патогенезе гипоксии и ее фармакологической коррекции. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2011; 9(3): 31-48.
18. Thomas LW, Ashcroft M. Exploring the molecular interface between hypoxia-inducible factor signalling and mitochondria. CellMolLife Sci. 2019; 76(9): 1759-1777. doi: 10.1007/s00018-019-03039-y
REFERENCES
1. Prikhodko VA, Selizarova NO, Okovityi SV. Molecular mechanisms for hypoxia development and adaptation to it. Part I. Arkh Patol. 2021; 83(2): 52-61. doi: 10.17116/patol20218302152
2. Meerson FZ. Basic patterns of individual adaptation. In: Physiology of adaptation processes. Moscow: Nauka; 1986: 1076. (In Russ.).
3. Lukyanova L.D. Signaling mechanisms of hypoxia. Moscow: RAS; 2019. (In Russ.).
4. Novikov VS, Soroko SI, Shustov EB. Disadaptive states of a person under extreme influences and their correction. 2018. (In Russ.).
5. Karkishchenko NN, Karkishchenko VN, Shustov EB, Ber-zin IA, Kapanadze GD, Fokin YuV, et al. Biomedical (preclinical) study of drugs affecting physical performance: Guidelines MR21.43. Moscow: FMBA of Russia; 2017. (In Russ.).
6. Karkishchenko NN, Karkishchenko VN, Shustov EB, Kapanadze GD, Revyakin AO, Semenov KhKh, et al. Biomedical (preclinical) study of the antihypoxic activity of drugs: Guidelines MR21-44-2017. Moscow: FMBA of Russia; 2017. (In Russ.).
7. Shustov EB, Karkischenko NN, Karkischenko VN, Semenov KK. Analysis of individual tolerance parameters of laboratory animals to hypoxia in biological modeling neuroprotective and antihypoxant action of medicines. JournalBiomed. 2013; 1(4): 149-157. (In Russ.).
8. Karkischenko VN, Karkischenko NN, Shustov EB, Berzin IA, Fokin YuV, Alimkina OV. Features of interpretation of laboratory animal health indicators in swimming tests with load. Journal Biomed. 2016; (4): 34-6. (In Russ.).
9. Semyanov AV. GABA-ergic inhibition in the CNS: Types of GABA receptors and mechanisms of tonic GABA-medi-ated inhibitory action. Neurophysiology. 2002; 34(1): 71-80. doi: 10.1023/A:1020274226515
10. Bobkov YuG, Vinogradov VM. Pharmacological correction of mental and physical performance. In: Pharmacological regulation of fatigue processes. Moscow; 1982: 7-33. (In Russ.).
11. Weinstein Kh.I. Fatigue. Moscow: Fizkultura i sport; 1967. (In Russ.).
12. Okovityi SV, Shustov EB, Bolotova VTs. Working capacity. Fatigue. Correction. Moscow: KNORUS; 2019. (In Russ.).
13. Grandjean E. Fatigue: Its physiological and psychological significance. Ergonomics. 1968; 1 1(5): 427-436. doi: 10.1080/00140136808930992
14. Vinogradov VM. Maintaining life in extreme conditions. In: Increasing the body resistance to extreme influences. Kishinev: Shtiintsa; 1973: 105-127.
15. RozhkovVP, Trifonov MI, Burykh EA, Soroko SI. Estimation of individual human tolerance to acute hypoxia on the integral characteristics of the structure function of the multichannel EEG. Russian Journal of Physiology. 2019; 105(7): 832-852. (In Russ.). doi: 10.1134/S0869813919070082
16. Van Liere EJ, Stickney JC. Hypoxia. Chicago: Academic Medicine; 1964.
17. Zarubina IV. Modern view on pathogenesis of hypoxia and its pharmacological correction. Reviews on Clinical Pharmacology and Drug Therapy. 2011; 9(3): 31-48. (In Russ.).
18. Thomas LW, Ashcroft M. Exploring the molecular interface between hypoxia-inducible factor signalling and mitochondria. CellMolLife Sci. 2019; 76(9): 1759-1777. doi: 10.1007/s00018-019-03039-y
Сведения об авторах
Ким Алексей Евгеньевич - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела (обитаемости) Научно-исследовательского центра, ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Минобороны России, e-mail: alexpann@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-4591-2997 Шустов Евгений Борисович - доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы в запасе, главный научный сотрудник, ФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова» ФМБА России, https://orcid.org/0000-0001-5895-688X
Ганапольский Вячеслав Павлович - доктор медицинских наук, полковник медицинской службы, научно-исследовательского отдела (обитаемости) Научно-исследовательского центра, ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Минобороны России, https://orcid.org/0000-0001-7685-5126
Зайцева Ирина Петровна - доктор биологических наук, профессор кафедры физического воспитания, ФГБОУ ВО «Ярославский государственный университет имени П.Г. Демидова», https://orcid.org/0000-0001-8361-7409
Лемещенко Алексей Викторович - кандидат медицинских наук, подполковник медицинской службы, докторант кафедры патологической физиологии, ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Минобороны России, https://orcid.org/0000-0001-6786-2332
Information about the authors
Alexey E. Kim - Cand. Sc. (Med.), Senior Research Officer at the Research Department (Habitability), Research Center, Kirov Military Medical Academy, e-mail: alexpann@mail.ru, https://orcid.org/0000-0003-4591-2997
Evgeny B. Shustov - Dr. Sc. (Med.), Professor, Retired Colonel of the Medical Service, Chief Research Officer, Golikov Research Clinical Center of Toxicology, https://orcid.org/0000-0001-5895-688X VyacheslavP. Ganapolsky - Dr. Sc. (Med.), Colonel of the Medical Service, Head of the Research Department (Habitability), Research Center, Kirov Military Medical Academy, https://orcid.org/0000-0001-7685-5126
Irina P. Zaitseva - Dr. Sc. (Biol.), Professor at the Department of Physical Education, P.G. Demidov Yaroslavl State University, https://orcid.org/0000-0001-8361-7409
Alexey V. Lemeshchenko - Cand. Sc. (Med.), Lieutenant Colonel of the Medical Service, Doctoral Student at the Department of Pathological Physiology, Kirov Military Medical Academy,
https://orcid.org/0000-0001-6786-2332
