СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕЗЕРВОВ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА К ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

Изобретение относится к области медицины, а именно к кардиологии, в частности физической реабилитации для пациентов с сердечно-легочной патологией, а также к спортивной медицине, и может применяться для определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке.

Изучение физиологии мышечной деятельности важно как для здоровых лиц, так и для пациентов с различной патологией, в частности для больных хронической сердечной недостаточностью, поскольку реабилитация этих пациентов должна строиться с учетом научно-доказанных знаний об улучшении компенсаторных возможностей.

Физическая нагрузка (ФН) - идеальный и самый естественный способ, позволяющий оценить компенсаторно-приспособительные механизмы организма и выявить неполноценность сердца или дыхательной системы, а наиболее изученным маркером их состояния является количество потребляемого при нагрузке кислорода. Стандартным методом для определения последнего на протяжении нескольких десятилетий остается эргоспирометрия или кардиореспираторный тест (КРТ).

Разделение физической нагрузки (ФН) на фазы необходимо для своевременного принятия правильных клинических решений в медицине и для оценки уровня профессиональной подготовленности спортсменов в спортивной медицине. Вероятно поэтому Карлман Вассерман и соавторы [Wasserman K., Beaver W.L., Whipp В.J., "A New Method for Detecting Anaerobic Threshold by Gas Exchange," Journal of Applied Physiology, Vol. 60, No.6, June 1986, pp. 2020-2027] впервые ввели термин «анаэробный порог» (АП), определение которого на сегодняшний день является наиболее популярным и широко распространенным способом разделения ФН на этапы.

Тем не менее биохимические процессы, происходящие в организме при наступлении «анаэробного порога», до сих пор полностью не ясны. Также четко не определена терминология - какую фазу физического усилия мы называем АП? Насколько корректен термин - «анаэробный порог»? В доступной литературе существует несколько, иногда противоречащих друг другу, определений АП:

- АП определяется как уровень ФН, выше которого аэробный метаболизм не способен полностью удовлетворить энергетические запросы организма; возникает анаэробный метаболизм [Wasserman К., Beaver W.L., Whipp В.J., "A New Method for Detecting Anaerobic Threshold by Gas Exchange," Journal of Applied Physiology, Vol. 60, No.6, June 1986, pp. 2020-2027].

- АП - точка, в которой содержание лактата в крови начинает резко расти, а содержание бикарбоната - уменьшаться [Майкл. А. Гриппи «Патофизиология легких». Москва, издательство БИНОМ. - 2005 г. - с. 267].

- АП - это такой уровень потребления кислорода, превышение которого приводит к возникновению метаболического ацидоза и сопряженных сдвигов газообмена [Billat V.L., Koralsztein J.P., Morton R.H. Differential modeling of anaerobic and aerobic metabolism in the 800-m and 1,500-m run J Appl Physiol. 107(2): 478-487. 2009].

- на уровне АП аэробные механизмы образования энергии в мышечном волокне становятся недостаточными, вследствие чего к процессу энергообразования подключается анаэробный гликолиз [Brooks G.A. Response to Davis′ manuscript. Med. and Science in Sports and Exercise. 17 (1): 19-21. 1985 4. Brooks G.A., Dubouchaud H., Brown M., Sicurello J.P., Butz C.E. Role of mitochondrial lactate dehydrogenase and lactate oxidation in the intracellular lactate shuttle. Proc natl Acad Sci USA. 96: 1129-1134. 1999].

- АП, известный также как вентиляторный порог, - это наивысший уровень поглощения кислорода (VO2), достигнутый без повышения концентрации молочной кислоты в крови и лактат-пируватного отношения [Davis H.A. and G.C. Gass. The anaerobic threshold as determined before and during lactic acidosis. Eur. J. Appl. Physiol. 47: 141-149, 1981].

- такой момент ФН, когда энергетические потребности начинают превышать возможности доставки и утилизации кислорода, и энергия начинает вырабатываться за счет анаэробных механизмов [Geir S., Robstad В., Skj?nsberg O.H., Borchsenius F. Respiratory gas exchange indices for estimating the threshold. Journal of Sports Science and Medicine. 4: 29-36. 2005].

В документе Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing, изданном Американским торакальным обществом в 2002 году, звучит следующее определение анаэробного порога [Rees В.В., Boily P., Williamson L.A. Exercise- and hypoxia-induced anaerobic metabolism and recovery: a student laboratory exercise using teleost fish. Advan Physiol Educ. 33(1): 72-77. 2009]: «анаэробный порог, также известный лактатный порог, молочнокислый порог, газообменный порог или вентиляторный порог, это такое физиологическое состояние, при котором развивается метаболический ацидоз в результате повышения содержания лактата в крови».

В клинических рекомендациях по выполнению КРТ у взрослых, изданного кардиологами Американской ассоциации сердца [American Thoracic Society/American College of Chest Physicians ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing // Am J Respir Crit Care Med. - 2003. - Vol 167:211-277], приведено определение вентиляторного порога - «вентиляторный порог обозначает физиологическое состояние, наступление которого оценивается при помощи анализа изменений параметров газообмена и характеризуется уровнем физической нагрузки, когда вентиляция (VE) начинает стремительно увеличиваться относительно повышения объема поглощаемого кислорода (VO2).

При детальном анализе определений АП, приведенных выше, выясняется, что все они описывают разные фазы физической нагрузки. Многие исследователи пытались сравнивать во времени точки наступления АП, определенные с использованием различных неинвазивных методик у одних и тех же индивидуумов [Alessandro Mezzania, Piergiuseppe Agostonib, Alain Cohen-Solald et al. Standards for the use of cardiopulmonary exercise testing for the functional evaluation of cardiac patients: a report from the Exercise Physiology Section of the European Association for Cardiovascular Prevention and Rehabilitation // European Journal of Cardiovascular Prevention and Rehabilitation 2009, 16:249-267.; Perrey S., Burnley M., Millet G.P., Borrani F., Jones A.M., Poole D.C., Copp S.W., Hirai D.M., Gimenez P., Busso T. Comments on point: counterpoint: the kinetics of oxygen uptake during muscular exercise do/do not manifest time-delayed phase. Modeling concerns. J Appl Physiol. 107(5): 1669-1670. 2009]. В большинстве случаев данные моменты времени не совпадали. Такая ситуация привела к появлению споров о том, какой же из методов определения АП точнее?

Дебаты о терминологии «анаэробного порога» продолжаются по сегодняшний день. Таким образом, существует необходимость в четком разграничении фаз физической нагрузки и определении терминов.

Из уровня техники не выявлен прототип данного изобретения.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективности режима физической реабилитации путем повышения точности индивидуализированного определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке, а также в расширении функциональных возможностей способа за счет составления индивидуальных протоколов выполнения нагрузки с постепенно возрастающей мощностью нагрузки не только пациентам с сердечно-сосудистой патологией, но и профессиональным спортсменам и здоровым нетренированным лицам.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке, предусматривающем проведение кардиореспираторного теста с анализом газового состава венозной крови, в процессе которого выявляют индивидуально для каждого исследуемого четыре физиологических этапа в ответ на физическую нагрузку возрастающей мощности: первый этап - лактатный порог, выявляют в момент резкого увеличения уровня содержания лактата крови, второй этап приспособления к физической нагрузке, именуемый рН-порогом, выявляют в момент снижения рН венозной крови, третий этап, определяющий точку респираторной компенсации, определяют в момент усиления вентиляции по отношению к объему выделенной углекислоты, и четвертый этап - аэробный лимит, соответствующий моменту «апогея» аэробного метаболизма, при котором дальнейшее увеличение образования энергии аэробным путем невозможно, далее по выявленным результатам каждого этапа строят диаграммы, отражающие динамику соответствующих им показателей и непрерывно растущей физической нагрузки, и по этим диаграммам составляют индивидуальный для каждого исследуемого протокол выполнения нагрузки с постепенно возрастающей мощностью нагрузки таким образом, чтобы исследуемый достигал максимальной нагрузки не более чем за 15 минут, причем каждый нагрузочный протокол составлен с возможностью его корректирования в процессе всего режима физической реабилитации в зависимости от состояния исследуемого.

Предложенная совокупность признаков способа определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке позволяет, во-первых, повысить точность индивидуализированного определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке путем выявления для каждого исследуемого четырех физиологических этапов в ответ на физическую нагрузку возрастающей мощности; во-вторых, позволяет проводить тщательный анализ поэтапного истощения биологических резервов адаптации и придает предлагаемому способу объективный характер в определении биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке. В-третьих, использование предлагаемого способа позволяет оценивать выживаемость, в сравнении с известными способами определения анаэробного порога, и дает врачу огромные преимущества, так как обуславливает возможность персонифицированного подхода в составлении программ физической реабилитации у любых пациентов с сердечно-сосудистой патологий, а также обеспечивает успех расчета индивидуализированных тренировочных программ профессиональным спортсменам и здоровым нетренированным лицам. Все эти существенные признаки повышают эффективность режима физической реабилитации и расширяют функциональные возможности способа.

Заявленное изобретение является новым, так как идентичной совокупности признаков в проанализированной литературе не обнаружено. Все признаки заявленного способа проявили в заявляемой совокупности новые свойства, явным образом не вытекающие из уровня техники в данной области и не очевидные для специалиста.

Предлагаемое техническое решение может быть применимым в кардиологии и спортивной медицине.

Исходя из вышеизложенного следует считать данное техническое решение соответствующим условиям патентоспособности: "новизна", "изобретательский уровень", "промышленная применимость".

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена диаграмма динамики содержания лактата в венозной крови при физической нагрузке. Ось x - интенсивность физической нагрузки, выраженная в процентном отношении VO2 к его максимальным значениям. Ось y - содержание лактата в венозной крови в моль/л.

На фиг. 2 - диаграмма динамики содержания лактата, гидрокарбоната и рН венозной крови на фоне непрерывно возрастающей ФН. Ось x - интенсивность физической нагрузки, выраженная в процентном отношении VO2 к его максимальным значениям.

На фиг. 3:

а) диаграмма динамики показателей количества выделенной углекислоты (VCO2), минутной вентиляции (VE), вентиляторного эквивалента по CO2 (VE/VCO2), точки вентиляторной компенсации (RCP);

б) диаграмма динамики показателей объема поглощаемого кислорода (VO2), количества выделенной углекислоты (VCO2), вентиляторного эквивалента по CO2 (VE/VCO2), дыхательного обменного отношения (RER), точки вентиляторной компенсации (RCP).

На фиг. 4 - диаграмма изменений показателей газообмена при метаболическом ацидозе. Ось x - интенсивность физической нагрузки, выраженная в процентном отношении VO2 к его максимальным значениям. Точка 1 - переломы кривых RER, VCO2, VE, что соответствует включению анаэробного метаболизма - это ЛАКТАТНЫЙ порог. Точка 2 - переломы кривых VCO2 и VE, что соответствует началу развития метаболического ацидоза - рН-порог.

На фиг. 5 - диаграмма типичной динамики содержания лактата и рН венозной крови, объема поглощаемого кислорода (VO2), количества выделенной углекислоты (VCO2), вентиляторного эквивалента по CO2 (VE/VCO2), точки вентиляторной компенсации (RCP) у спортсменов и здоровых нетренированных лиц при непрерывно возрастающей ФН. Ось x - интенсивность физической нагрузки, выраженная в процентном отношении VO2 к его максимальным значениям.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед проведением кардиореспираторного теста с анализом газового состава венозной крови исследуемому устанавливают катетер в локтевую вену.

Заборы крови осуществляют 1 раз в покое и каждую минуту во время выполнения КРТ. КРТ проводят, например, на трэдмиле с использованием аппаратуры для эргоспирометрических исследований «Oxycon Pro», Jaeger, Germany. В процессе КРТ по результатам анализов выявляют четыре физиологических этапа в ответ на физическую нагрузку возрастающей мощности: лактатный порог, рН-порог, точка респираторной компенсации и аэробный лимит. Степень повышения физической нагрузки зависит от массы тела и достигается на трэдмиле путем увеличения скорости или угла наклона его поверхности.

Поэтапное истощение биологических резервов адаптации организма к ФН определяют по изменению уровня лактата, рН и НСО3 в венозной крови и изменению газообмена. На каждом этапе строят диаграммы, отражающие динамику соответствующих им показателей и непрерывно растущей физической нагрузки.

Уровень лактата, рН и НСО3 венозной крови определяют на портативном газоанализаторе i-STAT (Abbott, USA) с помощью наборов картриджей CGA.

Динамика содержания лактата в крови обследуемых на фоне ФН представлена на фиг. 1. На протяжении первых 3-5 минут нагрузки содержание лактата в венозной крови составляло, в среднем, 2,1+/-0,2 (1,9-2,5) ммоль/л. При интенсивности ФН, соответствующей 23+/-7%VO2max, уровень лактата начинает возрастать и на пике ФН его значение в среднем составило 12+/-3,2 ммоль/л (8-19 ммоль/л). Таким образом, при интенсивности ФН, соответствующей 23+/-7% VO2max, выявляют резкое увеличение содержания лактата в венозной крови, что свидетельствует об исчерпывании резервов по поглощению образующейся молочной кислоты мышечными волокнами, печенью, миокардом. При этом формируется значимый изгиб (пороговый перелом) кривой, отражающей содержание лактата в крови. Далее содержание лактата в венозной крови увеличивается постепенно.

В состоянии покоя значения рН и НСО3 у обследуемых в среднем составили 7,32+/-0,05 и 27,3+/-2,1 ммоль/л, соответственно, что соответствует норме. В начале ФН рН крови значимо не изменяется. Однако при ФН≥45% от VO2peak выявляют начало снижения рН, причем этот феномен возникает значительно позже относительно начала увеличения содержания лактата в крови, а также позже начала снижения уровня НСО3 венозной крови (фиг. 2). Снижение рН свидетельствует о развитии метаболического ацидоза и соответствует рН-порогу.

Третий этап, определяющий точку респираторной компенсации, определяют по динамике вентиляторного эквивалента по углекислоте в момент его резкого увеличения. На фиг. 3 представлены диаграммы показателей, измеряемых неинвазивно в процессе обследования: объема поглощаемого кислорода (VO2), количества выделенной углекислоты (VCO2), минутной вентиляции (VE), вентиляторного эквивалента по CO2 (VE/VCO2), точки вентиляторной компенсации (RCP), дыхательного обменного отношения (RER), в результате изменений содержания лактата, рН и бикарбоната в крови. Точкой 1 (фиг. 2-5) отмечены переломы кривых RER, VCO2, VE, что соответствует включению анаэробного метаболизма - это ЛАКТАТНЫЙ порог. Точкой 2 отмечены переломы кривых VCO2 и VE, что соответствует началу развития метаболического ацидоза - pH-порог. Точка 3 - точка респираторной компенсации. Точка 4 соответствует моменту ФН, когда аэробный метаболизм достиг «апогея» и увеличение образования энергии аэробным путем далее невозможно.

Исследования проведены в Федеральном медицинском исследовательском центре имени В.А. Алмазова.

Способ иллюстрируется следующими клиническими примерами.

Пример 1. Пациент М., 55 лет, рост 167 см, вес 89 кг. Диагноз ИБС. Постинфарктный кардиосклероз (ИМ 2010 г) с исходом в дилатацию левого желудочка. Гипертоническая болезнь 3, риск 4. Осложнение: ХСН III ФК. В ходе обследования пациент выполнил кардиореспираторный тест с последовательным определением уровней биологических резервов адаптации организма к физическим нагрузкам, пиковая мощность нагрузки 100 ватт, объем кислорода (VO2), поглощенного на пике нагрузки, составил 15,1 мл/мин/кг, тест с ФН прекратился в связи с развитием у больного одышки и усталости в ногах 8/10 по шкале Борга, мощность нагрузки на уровне лактатного порога - 50 ватт. В соответствие с полученными данными пациенту М. была назначена рассчитанная на первый месяц индивидуализированная программа физической реабилитации с физической нагрузкой мощности, соответствующей уровню лактатного порога: ходьба по 30-40 минут ежедневно со скоростью 5,5 км/ч.

Пример 2. Пациент Б., 58 лет, рост 172 см, вес 86 кг. Диагноз ИБС. Постинфарктный кардиосклероз (ИМ 2012 г) с исходом в дилатацию левого желудочка. Гипертоническая болезнь 3, риск 4. Осложнение: ХСН III ФК. В ходе обследования пациент выполнил кардиореспираторный тест с последовательным определением уровней биологических резервов адаптации организма к физическим нагрузкам, пиковая мощность нагрузки 100 ватт, объем кислорода (VO2), поглощенного на пике нагрузки, составил 13,5 мл/мин/кг, тест с ФН прекратился в связи с развитием у больного выраженной одышки 9/10 по шкале Борга, мощность нагрузки на уровне лактатного порога - 30 ватт.

В соответствие с полученными данными пациенту Б. была назначена рассчитанная на первый месяц индивидуализированная программа физической реабилитации с физической нагрузкой мощности, соответствующей уровню лактатного порога: ходьба по 40 минут ежедневно со скоростью 3,5 км/ч.

Предлагаемый способ определения биологических резервов адаптации организма к физической нагрузке составляет важную часть активного наблюдения и лечения пациентов с ХСН и он успешно реализован на практике. Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение поставленной цели, а именно повышает эффективность режима физической реабилитации, а также расширяет функциональные возможности способа за счет составления индивидуальных протоколов выполнения нагрузки с постепенно возрастающей мощностью нагрузки не только пациентам с сердечно-сосудистой патологией, но и профессиональным спортсменам и здоровым нетренированным лицам.