Современные методические подходы к оценке устойчивости к гипоксии и прогнозу физической работоспособности человека в условиях горной местности (обзор литературы)
А. И. Ширяева1, И. В. Фатеев2, А. А. Кузьмин3, О. В. Ветряков4, А. В. Шкарупа5
Аннотация
На сегодня остается актуальным вопрос разработки эффективных методик оценки уровня устойчивости человека к выполнению физической нагрузки в условиях горной местности. В этой связи нами рассмотрены существующие в настоящее время методические подходы к оценке устойчивости организма к гипоксии: методы, основанные на регистрации изменений генетических и биохимических маркеров гипоксии; функциональные пробы (проба Штанге, Генча, Серкина, Розенталя и др.), сопровождающиеся кратковременной острой гипоксией с учетом антропометрических данных и без таковых; методы оценки устойчивости к гипоксии, основанные на дыхании воздухом с пониженным содержанием кислорода без выполнения физических нагрузок (наличие гипоксической гипоксии, гипобарической гипоксии) и с выполнением физических нагрузок (наличие гипоксической гипоксии и гипоксии нагрузки). На основании результатов анализа литературных данных отмечены основные положительные и отрицательные стороны данных методик, показана необходимость разработки методики, включающей в себя полноценную оценку реакции кардиореспираторной системы в условиях гипоксии при помощи кардиопульмонального нагрузочного тестирования.
Ключевые слова: острая горная болезнь, гипоксия, устойчивость к гипоксии, HIF1 a, VO2max, физическая работоспособность в условиях гипоксии, кардиопульмональное нагрузочное тестирование, максимальная аэробная производительность
Modern methodological approaches to the assessment of hypoxia tolerance and physical working capacity prediction in the mountains (literature review)
A.I. Shiryaeva1, I.V. Fateev2, A.A. Kuz'min3, O.V. Vetryakov4, A.V. Shkarupa5
Abstract. To this date, the issue of methods development for evaluation of human physical tolerance to exercises in the mountains remains relevant. In this regard, the authors consider the current methodological approaches to the assessment of hypoxia tolerance: methods based on recording of changes in genetic and biochemical hypoxia markers; functional tests (Stange's, Serkin's, Rosenthal's tests, etc.), accompanied by short-term acute hypoxia, with and without respect to anthropometric data; methods for evaluation of hypoxia tolerance based on breathing the oxygen-reduced air without performing physical exercise (anoxic hypoxia, hypobaric hypoxia) and with it (anoxic hypoxia and “load” hypoxia). Based on the results of the analysis of literature data, the main positive and negative aspects of these methods are noted, and the need to develop a methodology that includes a full assessment of the response of the cardiorespiratory system under hypoxic conditions using cardiopulmonary exercise testing is shown. гипоксия горная местность нагрузка
Keywords: acute mountain disease, hypoxia, hypoxia tolerance, HIF1 a, VO2max, physical working capacity under hypoxia, cardiopulmonary exercise testing, aerobic capacity for work
Число профессионалов, выполняющих свою работу в горах: геологов, шахтеров, метеорологов, горных спасателей, альпинистов, спортсменов и пр., - постоянно растет. При этом подавляющее большинство видов деятельности в горах связано с серьезными физическими нагрузками, которые в сочетании с воздействием гипоксии и другими неблагоприятными факторами горной местности зачастую приводят к развитию патологических состояний, наносящих существенный вред здоровью человека. В большинстве случаев данные факторы оказывают комплексное воздействие, взаимно усиливая негативное влияние на функциональное состояние организма лиц, находящихся в горах. Их действие обусловливает декомпенсацию скрытых заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной систем, отягощает течение патологических процессов, травматизм сопровождается более выраженным и продолжительным кровотечением, а на фоне дегидратации организма скоротечнее и тяжелее протекает шок [1].
Основной же вклад в снижение работоспособности человека в условиях горной местности вносит кислородное голодание (экзогенная гипоксия) - патологическое состояние, характеризующееся пониженным содержанием кислорода в крови. У некоторых лиц (особенно среди ослабленных и уставших, травмированных и больных) признаки кислородного голодания отмечаются уже на высоте 2500-3000 м, а у большинства - на высотах более 4500 м [2, 3].
Подъем на высоту 2500 м и выше без курса акклиматизации опасен для жизни ввиду возможности острого развития отека легких и головного мозга. При самостоятельном скоростном подъеме на высоты свыше 3000 м без предварительной акклиматизации первые проявления горной болезни манифестируют в виде появления поведенческих расстройств и нарушений зрения. Для первых особенно характерно появление чувства эйфории и возбуждения, что приводит к опасному снижению самоконтроля в сложных условиях выполнения профессиональных задач. Через 6-12 ч эйфория сменяется депрессией различной степени выраженности, раздражительностью [4, 5].
Степень выраженности, тяжесть и характер проявления изменений в организме человека при горной болезни зависят от ряда внешних факторов (уровень парциального давления кислорода и углекислого газа в окружающей среде, величина солнечной радиации, ионизация воздуха, резкие колебания температуры и влажности воздуха) и внутренних факторов (уровень насыщения крови и тканей кислородом, скорость изменения сатурации, базовое состояние здоровья, особенно сердечно-сосудистой, дыхательной и мочевыделительной систем, возраст, степень физического и психического напряжения, тренированность организма и его способность к адаптации, характер питания) факторов [6, 7].
В качестве одного из наиболее важных из них рассматривается фактор устойчивости человека к гипоксии. Известно несколько способов определения такой устойчивости, и практически все они основаны на высокой степени корреляции толерантности организма человека к физической нагрузке с устойчивостью к гипоксии. В настоящее время продолжают изучаться биохимические и генетические механизмы формирования, а также поиск методов прогнозирования устойчивости человека к гипоксии. В исследовании, выполненном М. В. Васиным и соавторами (2018), было показано, что активация комплекса II дыхательной цепи во время острой гипоксии является компенсаторной реакцией, позволяющей перенос электронов в дыхательной цепи при блокаде комплекса I [8]. Некоторые авторы предлагают в качестве предикторов устойчивости к гипоксии использовать связь между физической работоспособностью, устойчивостью к гипоксии нагрузки и генами: фактор I, индуцируемый гипоксией (HIF1 а) [9, 10]; ген ангиотензин-конвертирующего фермента (АСЕ), ген эндотелиальной синтазы окиси азота (eNOS), ген рецептора брадикинина (BDKRB2), ген эндотелина (ENDT1)) [11, 12]; ген ингибитора активатора плазминогена I (PAI-1), ген сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) [11]; гены, детерминирующие факторы адаптации системы транспорта кислорода (ген эритропоэтина (EPO), ген миоглобина (MB)) [11, 13, 14].
К другим способам оценки устойчивости к гипоксии следует отнести методы, в основе которых лежит проведение функциональных проб. В частности, сотрудником Военно-медицинской академии А. В. Дергуновым был предложен способ оценки устойчивости функциональных систем организма к гипобарической гипоксии, основанный на исследовании антропометрических и физиологических данных [15]. Рассчитывают показатель устойчивости систем по формуле
УГ = ЗДН / (Р + Н),
где УГ - показатель устойчивости функциональных систем организма к гипоксии, усл.ед.; Р - масса тела, кг; Н - рост, см; ЗДН - задержка дыхания через одну минуту после 15-кратных отжиманий от пола с прямым корпусом [15].
Оценку устойчивости авторы предлагают проводить по следующим критериям: УГ менее 0,10 - слабая; УГ от 0,10 до 0,15 - средняя; УГ более 0,15 - хорошая устойчивость. Определение устойчивости функциональных систем организма человека к гипобарической гипоксии позволяет не только провести отбор лиц перед перемещением в горную местность, но и спрогнозировать развитие стабильной фазы адаптации у них в период пребывания в горах [15].
Подобный подход к решению данного вопроса предлагает и О. Г. Пастухов с соавторами (1997) [16]. Суть их изобретения заключается в сравнении длительности пробы Штанге и изменения частоты сердечных сокращений во время нее. По мнению авторов, это позволяет повысить точность определения устойчивости к гипоксии у лиц, занимающихся горным туризмом, для отбора участников высокогорных походов и прогнозировать адаптацию человека к условиям горной местности [16]. Положительной стороной применения данных методов оценки является простота выполнения и отсутствие необходимости использования специфического оборудования при минимальных трудозатратах. Однако информативность регистрируемых параметров применительно к оценке устойчивости к гипоксии не высока, а полученные результаты отражают генотипически и фенотипически обусловленную интегральную физиологическую реакцию организма на острую гипоксию, которая не позволяет адекватно судить о механизмах адаптации организма при длительном пребывании человека в условиях недостатка кислорода.
В то же время современное представление о направлениях адаптационных изменений в организме под воздействием гипобарической гипоксии основывается на понимании того, что при воздействии гипоксического фактора на организм человека в первую очередь ожидается реакция со стороны органов дыхания и кровообращения, а выраженность гипоксического воздействия определяется показателем сатурации крови кислородом [5, 17, 18]. На диагностике степени выраженности данных физиологических изменений, происходящих в условиях гипобарической гипоксии, моделируемой в барокамере, основывается большинство используемых во всем мире методик определения устойчивости к гипоксии и построения прогноза развития симптомов острой горной болезни [6, 19-21]. Данный подход реализован при оценке переносимости к гипоксии у летчиков и водолазов. Оценка переносимости умеренной степени гипоксии у летного состава, выявление скрытых форм заболеваний и отклонения в состоянии здоровья, которые могут стать причиной снижения устойчивости к недостатку кислорода, осуществляется при проведении барокамерных подъемов на высоты 5000-6000 м [22]. У водолазов также для определения устойчивости и физиологических резервов организма при гипоксии проводится гипоксическая проба (дыхание 10 % кислородно-азотной смеси в течение 5 мин при нормальном атмосферном давлении) [23]. Оценка переносимости гипоксии с применением данных методик проводится в условиях относительного покоя человека (в положении сидя или лежа) [19-23].
Ряд специалистов проводит оценку устойчивости организма к гипоксии в условиях нормобарической гипоксии (дыхание гипоксической смесью). Один из вариантов такого способа оценки - дыхание гипоксической газовой смесью с 10 % содержанием кислорода до снижения сатурации гемоглобина крови кислородом до 80 % в покое [24-26]. Оценку устойчивости проводят по времени гипоксического воздействия, времени восстановления сатурации гемоглобина крови кислородом до исходных значений после прекращения гипоксического воздействия и индекса гипоксии. Однако для лиц, чья деятельность в горной местности сопряжена с интенсивными физическими нагрузками, не менее актуальна оценка устойчивости к гипоксии при выполнении физических упражнений.
Поиску оптимального способа определения устойчивости к гипоксии при выполнении физической нагрузки посвящено большое количество работ. [27-32]. Однако развивающаяся при мышечной деятельности гипоксия нагрузки имеет свои характерные особенности и отличается от горной гипоксии, поэтому большинство таких методик не нашло широкого применения.
В работе М. М. Филиппова и соавторов описаны отличительные особенности развивающихся в здоровом организме двух типов гипоксических состояний: гипоксии нагрузки при мышечной деятельности и гипоксической гипоксии в горах [33]. Отмечено, что причиной возникновения гипоксии нагрузки является не артериальная гипоксемия, являющаяся обязательным условием для развития горной гипоксии, а несоответствие между возможностями систем и органов доставлять кислород клеткам с увеличенным кислородным запросом [33]. Это сопровождается повышением скорости продукции и выделения углекислого газа. В случае неудовлетворения кислородного запроса, возникающего при нагрузке, формируется кислородный долг и продуцируется избыток выделяемого углекислого газа. Гипоксия, развивающаяся в горной местности, на последних стадиях как правило сопряжена со сдвигом кислотно-основного состояния, а характерным отличием гипоксии нагрузки является развитие декомпенсированного метаболического ацидоза вследствие повышения в крови недоокисленных продуктов и резкого падение рН на фоне снижения количества бикарбонатов и роста дефицита буферных оснований [33].
В этой связи, учитывая особенности двух типов гипоксии, для адекватного прогноза устойчивости человека к ним необходимо разработать методику, включающую в себя оба фактора: физическую нагрузку и гипоксическую гипоксию.
Наиболее близкая среди таких методик оценки устойчивости к гипоксии - это проведение барокамерного подъема с приседаниями [34], в которой авторы предлагают новый вариант прогнозирования устойчивости к гипоксии. Ключевым показателем при прогнозировании устойчивости авторы выделяют сатурацию гемоглобина крови кислородом. Изменение данного параметра под воздействием гипоксического фактора рассматривают в качестве одного из основных критериев устойчивости к гипоксии [31, 35, 36]. Однако проведение оценки устойчивости в гипобарической камере требует дорогостоящего оборудования (барокамера), обученного персонала для проведения барокамерных подъемов, а ограниченный внутренний объем барокамеры не позволяет адекватно смоделировать высокий уровень физической нагрузки.
Коллективом авторов была разработана программа, определяющая порядок и методику поэтапного проведения обследования высококвалифицированных спортсменов зимних видов спорта по определению физической работоспособности и оценке индивидуальной устойчивости в измененных климатических (гипоксических и гипотермических) условиях [37]. Исследование проводилось в климатической комнате в условиях умеренной степени нормобарической гипоксии с содержанием кислорода на уровне 17,0 ± 0,2 %, эквивалентной высотам 1600 ± 100 м, при этом проводили разностороннюю оценку реакции кардиореспираторной системы в модельных условиях. Однако авторы не предоставляют результаты полученных данных по этим параметрам и не дают никаких рекомендаций по поводу прогнозирования устойчивости к выполнению физической нагрузки в условиях гипоксии. Также предпринималась попытка прогнозирования устойчивости к гипоксии при выполнении физической нагрузки в условиях нормобарической гипоксии [38]. Однако в этом случае авторы ограничились оценкой данных пробы PWC170, частоты сердечных сокращений, артериального давления и сатурации гемоглобина крови кислородом, при этом не были разработаны критерии прогнозирования устойчивости к гипоксии, а лишь выдвинуто предложение по использованию данной методики для оценки влияния различных степеней гипоксии на переносимость физической нагрузки человеком.