Отправить статью по E-mail Оценка параметров внешнего дыхания человека в условиях моделированной лунной гравитации и микрогравитации
- Авторы: Пучкова А.А.1, Катунцев В.П.1, Шпаков А.В.1, Ставровская Д.М.1, Примаченко Г.К.1, Баранов В.М.1
-
Учреждения:
- Институт медико-биологических проблем РАН
- Выпуск: Том 50, № 5 (2024)
- Страницы: 29-40
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0131-1646/article/view/270764
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0131164624050041
- EDN: https://elibrary.ru/AOOONP
- ID: 270764
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В данной статье представлены основные результаты серии экспериментов, посвященных изучению влияния моделированной микрогравитации и лунной гравитации на функцию внешнего дыхания человека. Показано, что пребывание человека в условиях антиортостатической (модель физиологических эффектов микрогравитации) и ортостатической гипокинезии (модель физиологических эффектов лунной гравитации), аналогично горизонтальному положению, приводит к клинически не значимому снижению основных респираторных показателей в первые часы воздействия. В дальнейшем, в ходе гипокинезии эти изменения постепенно нивелируются. После прекращения экспериментального воздействия показатели функции внешнего дыхания восстанавливаются до уровня фоновых значений.
Полный текст
Как известно, за более чем 60-летний период, прошедший со дня первого полета человека в космос, было выполнено большое количество работ, посвященных изучению влияния микрогравитации на различные физиологические системы организма человека [1, 2]. Однако особенностям состояния дыхательной системы в космических и модельных исследованиях уделяется сравнительно небольшое внимание, поскольку критических эффектов воздействия микрогравитации на эту систему до настоящего времени обнаружено не было [3]. Проведенные на данный момент исследования показывают, что, несмотря на изменения в функционировании дыхательной системы в острый период воздействия микрогравитации, легкие продолжают достаточно хорошо выполнять свои основные функции в измененной среде обитания человека [4–6].
Вместе с тем тесная функциональная взаимосвязь дыхания с другими физиологическими системами, прежде всего, с сердечно-сосудистой системой [7], определяет важность контроля и оценки состояния респираторной системы в космическом полете (КП) и при наземном моделировании отдельных его факторов. Особенно актуальным это становится в преддверии реализации космических программ, направленных на подготовку и осуществление пилотируемых полетов на Луну — на данный момент собрано и проанализировано недостаточно информации о влиянии на организм человека факторов, характерных для пребывания космонавтов на лунной поверхности [8].
Цель работы – изучение влияния моделированной микрогравитации и лунной гравитации на функцию внешнего дыхания человека.
МЕТОДИКА
При участии 32 практически здоровых мужчин-добровольцев в возрасте от 18 до 40 лет (средний возраст 26.1 ±5.2 лет, M ± SD) были проведены 4 серии экспериментальных исследований. Все испытуемые прошли медицинский отбор и на момент проведения исследований не имели острых или хронических заболеваний, в том числе заболеваний дыхательной системы.
Моделирование физиологических эффектов лунной гравитации осуществляли путем перевода человека в ортостатическое положение с углом наклона тела +9.6° по отношению к горизонту с опорной нагрузкой, равной 1/6 веса тела [9]. При многосуточном моделировании испытуемые находились в условиях ортостатической гипокинезии (ОГ) в дневное время (с 7.00 до 23.00), а на период ночного сна (с 23.00 до 07.00) переводились в горизонтальное положение.
Моделирование физиологических эффектов микрогравитации осуществляли с использованием модели антиортостатической гипокинезии (АНОГ) с углом наклона тела относительно горизонта —6° [10, 11].
7-суточная ортостатическая гипокинезия. В этом исследовании 6 добровольцев в возрасте 21-27 лет (масса тела 82.5 ±7.4 кг, длина тела 183.7 ±6.2 см) в течение 7 сут находились в условиях ОГ. Исследование функции внешнего дыхания (спирометрию) проводили за сутки перед началом ОГ (фон), в первые сутки ОГ через 7 ч после начала воздействия (7 ч ОГ), на 3-и и 7-е сут ОГ.
7-часовая ортостатическая и горизонтальная гипокинезия. В данном исследовании принимали участие 10 испытуемых-добровольцев в возрасте от 20 до 36 лет (масса тела 79.4 ±6.4 кг, длина тела 179.6 ±6.1 см). С участием каждого обследуемого были проведены 2 эксперимента. В первом испытуемые в течение 7 ч находились в условиях ОГ. Полученные результаты были сопоставлены с результатами второго эксперимента, в котором эти же испытуемые находились в течение 7 ч в горизонтальном положении (горизонтальная гипокинезия, ГГ). Исследование функции внешнего дыхания проводили утром перед началом экспериментального воздействия (фон) и через 7 ч гипокинезии (7 ч ОГ, 7 ч ГГ).
3-суточная антиортостатическая гипокинезия. В данном исследовании 6 испытуемых-добровольцев в возрасте от 18 до 40 лет (масса тела 78.1 ±9.6 кг, длина тела 176.3 ±4.8 см) находились в течение 3 сут в условиях АНОГ. Спирометрическое исследование проводили за 2-е сут перед началом гипокинезии (фон), на 1-е (7 ч АНОГ) и 3-и сут гипокинезии, а также на 2-е сутки после окончания экспериментального воздействия (R+1).
Последовательное воздействие 3-суточной антиортостатической и 7-суточной ортостатической гипокинезии. В экспериментальном исследовании принимали участие 10 испытуемых в возрасте от 22 до 33 лет (масса тела 76.1 ±7.7 кг, длина тела 178.8 ±6.0 см). Испытуемые были разделены на две равные группы: “Контроль” и “Тренировка”, отличавшиеся друг от друга тем, что во 2-й испытуемые, начиная с 4-х сут гипокинезии, т.е. с момента перехода из АНОГ в ОГ, выполняли ежедневные физические тренировки на специально разработанном стенде в ортостатическом положении с использованием велоэргометра Ergomedic 915E (MONARK, Швеция). За основу тренировочной программы была взята методика тренировок космонавтов на борту Международной космической станции – 4-дневный тренировочный микроцикл [12]. С учетом проведения кардиопульмонального нагрузочного тестирования на 4-е сут гипокинезии, тренировка на 5-е сут имела восстановительную направленность и выполнялась с нагрузкой значительно ниже субмаксимальной. Следовательно, реализацию тренировок испытателей по 4-дневному микроциклу выполняли, начиная с 6-х сут гипокинезии (или 2-х сут пребывания в ортостатическом положении). Исследование функции внешнего дыхания проводили за 2-е сут перед началом экспериментального воздействия (фон), через 1 ч после перевода в АНОГ (1 ч АНОГ), на 4-й день экспериментального воздействия – через 1 ч после перевода в ОГ (1 ч ОГ), на 7-е сут ортостатической гипокинезии (т. е. 10-е сут эксперимента – 7-е сут ОГ), а также на 2-е сутки после окончания экспериментального воздействия (R+1).
Регистрация параметров внешнего дыхания. Исследование функции внешнего дыхания проводили согласно методическому руководству Российского респираторного общества [13] в состоянии покоя в положении сидя в фоновом периоде и периоде восстановления, лежа – в условиях экспериментального воздействия. Для измерения параметров, характеризующих легочные объемы, использовали спироэргометрическую систему MetaLyzer 3B с программным обеспечением MetaSoft 2 (CORTEX Biophysik, Германия).
При спирометрическом исследовании регистрировали следующие базовые показатели: жизненную емкость легких (ЖЕЛ), дыхательный объем (ДО), резервный объем вдоха (РОвд); при проведении форсированных маневров – форсированную жизненную емкость легких (ФЖЕЛ), объем форсированного выдоха за первую секунду маневра ФЖЕЛ (ОФВ1), индекс Генслера (ОФВ1/ФЖЕЛ), пиковую объемную скорость выдоха (ПОС), среднюю объемную скорость при выдохе от 25 до 75% ФЖЕЛ (СОС25—75) и максимальную вентиляцию легких (МВЛ).
Для получения корректных результатов испытуемые воспроизводили не менее 3 (но не более 8) технически приемлемых маневра ЖЕЛ и ФЖЕЛ, соответствующих критериям повторяемости. Для анализа использовали результат лучшей попытки (максимальные значения из всех приемлемых попыток). При измерении МВЛ испытуемые выполняли одну попытку. Динамику показателей ЖЕЛ и ОФВ1 считали клинически значимой при их изменении относительно фоновых значений ˃12%, показателя СОС25—75 – при изменении ˃30%.
Статистическая обработка данных. Статистическую обработку полученных в ходе эксперимента данных проводили с использованием программного пакета Statistica 12 и свободной программной среды вычислений R (v.4.3.2). Выборки оценивали на предмет соответствия нормальному распределению с использованием критерия Шапиро—Уилка. Для проверки различий между двумя сравниваемыми выборками применяли непараметрический T-критерий Уилкоксона для зависимых выборок и для оценки различий между независимыми выборками – U-критерий Манна—Уитни. При сравнении нескольких зависимых выборок использовали критерий Фридмана (Friedman) или при наличии пропуска в ряде данных – критерий Скиллингса—Мака (SM). В случае обнаружения статистически значимых различий между зависимыми выборками проводили апостериорный (post-hoc) анализ с использованием критерия Неменьи. Для сравнения нескольких независимых выборок применяли критерий Краскела—Уоллиса с последующим апостериорным анализом с использованием критерия Данна. Изменения считали достоверными при p ˂0.05. Данные в таблицах представлены медианой (Me), нижним (LQ) и верхним (UQ) квартилями в виде Me (LQ; UQ).
Таблица 1. Основные спирометрические показатели испытуемых в эксперименте с 7-суточной ортостатической гипокинезией (ОГ)
Показатель | ОГ | p-уровень (Friedman) | |||
фон | 7 ч ОГ | 3 сут ОГ | 7 сут ОГ | ||
ЖЕЛ, л | 5.48 (5.18; 5.77) | 5.28 (4.84; 5.39) | 5.42 (4.97; 5.58) | 5.24 (4.84; 5.65) | p = 0.4575 |
ДО, л | 0.69 (0.61; 0.86) | 0.57 (0.51; 0.66) | 0.64 (0.62; 0.69) | 0.62 (0.55; 0.69) | p = 0.0858 |
РОвд, л | 2.38 (2.33; 2.51) | 2.92 (2.84; 3.01) | 2.35 (2.07; 2.58) | 2.89 (2.79; 3.30) | p = 0.2035 |
ФЖЕЛ, л | 5.87 (5.73; 6.04) | 5.44 (5.11; 5.67)* | 5.65 (5.28; 5.90) | 5.74 (5.56; 5.85) | p = 0.0098 |
ОФВ1, л | 4.96 (4.71; 5.26) | 4.48 (4.26; 4.75)* | 4.65 (4.33; 5.01) | 4.8 (4.37; 5.06) | p = 0.0081 |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 86 (78.5; 90.5) | 84 (80.75; 88) | 84 (80.5; 87.5) | 87 (85.5; 87) | p = 0.3834 |
ПОС, л/с | 10.78 (10.13; 11.20) | 10.35 (9.69; 10.87) | 10.29 (9.82; 10.64) | 10.68 (10.12; 11.32) | p = 0.8013 |
СОС25-75, л/с | 5.70 (4.23; 6.97) | 4.76 (3.65; 5.81) | 4.95 (3.73; 6.11) | 5.36 (4.50; 6.068) | p = 0.1447 |
МВЛ, л/мин | 213.05 (170.85; 228.55) | 205.95 (190.60; 209.90) | 204.95 (196.35; 221.88) | 203.85 (180.18; 215.98) | p = 0.3916 |
Примечание: * – достоверные изменения по сравнению с фоновыми значениями, p < 0.05. Остальные обозначения см. в разделе Методика.
Таблица 2. Основные спирометрические показатели испытуемых в эксперименте с 7-часовой ортостатической (ОГ) и горизонтальной гипокинезией (ГГ)
Показатель | ОГ | ГГ | ||
фон | 7 ч ОГ | фон | 7 ч ГГ | |
ЖЕЛ, л | 5.86 (5.48; 5.98) | 5.43 (5.05; 5.80)* | 5.94 (5.38; 6.29) | 5.61 (5.13; 5.67)* |
ДО, л | 0.64 (0.60; 0.74) | 0.62 (0.57; 0.70) | 0.63 (0.56; 0.76) | 0.57 (0.54; 0.71) |
РОвд, л | 2.71 (2.54; 2.81) | 2.93 (2.72; 3.18)* | 2.91 (2.74; 3.25) | 3.03 (2.89; 3.31) |
ФЖЕЛ, л | 6.19 (5.62; 6.39) | 5.73 (5.44; 6.02)* | 6.05 (5.43; 6.27) | 5.79 (5.31; 5.89)* |
ОФВ1, л | 5.06 (4.40; 5.37) | 4.64 (4.35; 4.89)* | 4.94 (4.43; 5.24) | 4.54 (4.22; 4.95)* |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 86 (75.5; 88) | 81 (75.25; 87.75) | 83.5 (77.25; 88) | 82.5 (77.25; 85.75) |
ПОС, л/с | 9.73 (9.42; 10.90) | 8.75 (8.02; 9.88) | 10.41 (9.74; 11.12) | 9.78 (8.97; 11.33) |
СОС25-75, л/с | 6.00 (3.83; 6.37) | 4.94 (3.35; 5.75)* | 5.36 (3.94; 6.29) | 4.85 (3.64; 5.54) |
МВЛ, л/мин | 170.00 (156.58; 196.93) | 167.90 (153.58; 196.95) | 197.45 (156.70; 218.40) | 193.35 (157.95; 212.70) |
Примечание: * — см. табл. 1.
Таблица 3. Основные спирометрические показатели испытуемых в эксперименте с 3-суточной антиортостатической гипокинезией (АНОГ)
Показатель | АНОГ | p-уровень (Friedman) | |||
фон | 7 ч АНОГ | 3 сут АНОГ | R + 1 | ||
ЖЕЛ, л | 5.67 (5.09; 5.97) | 5.12 (4.72; 5.74)* | 5.57 (4.89; 5.87) | 5.59 (5.00; 5.79) | p = 0.0244 |
ДО, л | 1.21 (1.03; 1.26) | 0.83 (0.70; 0.99) | 0.78 (0.73; 1.05) | 1.03 (0.85; 1.40) | p = 0.3339 |
РОвд, л | 2.48 (1.59; 2.63) | 2.99 (2.31; 3.38)* | 3.18 (2.85; 3.40)* | 3.04 (2.42; 3.20) | p = 0.0169 |
ФЖЕЛ, л | 5.72 (5.45; 6.12) | 5.30 (4.80; 5.96) | 5.79 (5.22; 6.02) | 5.72 (5.46; 6.17) | p = 0.0724 |
ОФВ1, л | 4.80 (4.32; 5.11) | 4.43 (4.11; 4.68)* | 4.63 (4.21; 4.87) | 5.00 (4.37; 5.12)# | p = 0.0057 |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 85.5(79.75; 87.5) | 81 (74.5; 86.75) | 81.5 (73.25; 84.5) | 84 (78.5; 88.75)× | p = 0.0315 |
ПОС, л/с | 10.28 (9.66; 11.32) | 10.00 (8.82; 10.54) | 10.74 (10.54; 11.07) | 10.83 (10.43; 11.68) | p = 0.0858 |
СОС25-75, л/с | 4.79 (4.13; 5.94) | 4.49 (3.61; 4.81) | 4.43 (3.57; 5.07) | 4.89 (4.64; 5.89)# | p = 0.0089 |
МВЛ, л/мин | 195.90 (175.80; 205.20) | 164.05 (158.65; 191.20) | 185.20 (177.33; 194.13) | 191.80 (169.05; 228.13) | p = 0.0719 |
Примечание: # – обнаружены изменения по сравнению с 7 ч АНОГ, p < 0.05; × – обнаружены изменения по сравнению с 3 сут АНОГ, p <0.05. Остальные обозначения см. табл. 1.
Таблица 4. Основные спирометрические показатели испытуемых в эксперименте с последовательным воздействием 3-суточной антиортостатической (АНОГ) и 7-суточной ортостатической гипокинезией (ОГ)
АНОГ + ОГ «Контроль» | ||||||
Показатель | фон | 1 ч АНОГ | 1 ч ОГ | 7 сут ОГ | R + 1 | p-уровень (Friedman/SM) |
ЖЕЛ, л | 5.76 (4.84; 7.03) | 5.71 (4.08; 5.83) | 5.83 (4.46; 6.44)# | 5.96 (5.34; 6.50) | 6.13 (5.02; 6.17)# | p = 0.0269 |
ДО, л | 0.76 (0.73; 1.01) | 0.77 (0.65; 1.02) | 0.78 (0.58; 0.88) | 1.09 (0.85; 1.31) | 0.86 (0.76; 0.94) | p = 0.5148 |
РOвд, л | 2.43 (1.63; 2.58) | 2.43 (2.36; 3.53) | 3.02 (2.32; 3.33) | 3.14 (2.51; 3.54) | 2.35 (2.00; 2.52) | p = 0.1069 |
ФЖЕЛ, л | 5.94 (5.05; 6.62) | 5.88 (4.27; 5.92) | 6.28 (5.63; 6.82)# | 5.93 (4.75; 6.56) | 6.19 (5.13; 6.89)# | p = 0.0135 |
ОФВ1, л | 5.05 (4.07; 5.24) | 4.7 (3.5; 4.78)* | 5.02 (4.70; 5.12) | 4.99 (3.80; 5.07) | 4.66 (4.13; 5.35)# | p = 0.0239 |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 82 (80; 85) | 81 (78; 82) | 82 (77.5; 83.25) | 80 (79; 85) | 80 (80; 88) | p = 0.3399 |
ПОС, л/с | 9.78 (9.13; 12.25) | 9.25 (7.78; 11.82) | 11.09 (9.40; 12.18) | 10.44 (8.97; 12.26) | 10.43 (9.47; 12.52)# | p = 0.0263 |
СОС25-75, л/с | 3.95 (3.82; 4.99) | 3.2 (2.97; 4.66) | 4.39 (3.58; 5.295) | 3.78 (3.39; 4.78) | 4.56 (3.71; 4.82) | p = 0.0543 |
МВЛ, л/мин | 196.5 (189.9; 197.8) | 167.5 (167.1; 176.4) | 178.6 (163.4; 182.8) | 175.3 (160.6; 185.8) | 183.7 (180.9; 192.5) | p = 0.1116 |
АНОГ + ОГ «Тренировка» | ||||||
Показатель | фон | 1 ч АНОГ | 1 ч ОГ | 7 сут ОГ | R + 1 | p-уровень (Friedman/SM) |
ЖЕЛ, л | 5.07 (4.98; 5.87) | 4.92 (4.48; 5.54) | 5.37 (4.91; 5.58) | 5.10 (4.68; 5.53) | 5.32 (5.25; 5.79) | p = 0.0529 |
ДО, л | 0.81 (0.76; 0.83) | 0.84 (0.74; 0.99) | 0.69 (0.61; 0.74) | 0.74 (0.70; 0.76) | 0.80 (0.77; 0.84) | p = 0.3786 |
РOвд, л | 2.61 (2.34; 2.73) | 2.96 (2.51; 3.13) | 3.00 (2.93; 3.18) | 3.18 (3.03; 3.26)* | 2.62 (2.50; 2.77) | p = 0.0272 |
ФЖЕЛ, л | 5.96 (5.53; 6.02) | 5.37 (4.85; 5.65)* | 5.77 (5.24; 5.92) | 5.75 (5.75; 5.85) | 5.94 (5.80; 5.97)# | p = 0.0099 |
ОФВ1, л | 4.81 (4.66; 5.27) | 4.55 (3.96; 4.81)* | 4.93 (4.16; 5.06) | 4.94 (4.38; 5.02) | 5.08 (4.49; 5.31)# | p = 0.0024 |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 87 (85; 88) | 84 (84; 85) | 85 (83; 85) | 85 (84; 85) | 88 (85; 89)# | p = 0.0094 |
ПОС, л/с | 10.8 (10.33; 12.95) | 10.51 (7.80; 12.42)* | 10.56 (10.31; 12.90) | 10.89 (10.44; 12.88)# | 10.7 (10.45; 12.65)# | p = 0.0151 |
СОС25-75, л/с | 5.71 (5.18; 5.87) | 5.03 (4.02; 5.25)* | 5.13 (4.24; 5.31) | 5.12 (4.6; 5.81)# | 6.27 (4.58; 6.3)# | p = 0.0087 |
МВЛ, л/мин | 234.6 (195.4; 243.3) | 222.8 (170.8; 232.8)* | 227.6 (182.8; 245.8) | 227.5 (197; 240.4) | 234.6 (196.2; 258)# | p = 0.0042 |
Примечание: # - обнаружены изменения по сравнению с 1 ч АНОГ, p < 0.05. Остальные обозначения см. табл. 1.
Таблица 5. Основные спирометрические показатели испытуемых в эксперименте с последовательным воздействием 3-суточной антиортостатической (АНОГ) и 7-суточной ортостатической (ОГ) гипокинезией (объединение данных исследуемых групп)
Показатель | Фон | 1 ч АНОГ | 1 ч ОГ | p-уровень (Friedman) |
ЖЕЛ, л | 5.42 (4.97; 6.44) | 5.23 (4.18; 5.80)* | 5.48 (4.57; 6.22)# | p = 0.0005 |
ДО, л | 0.79 (0.74; 0.84) | 0.81 (0.67; 1.01) | 0.72 (0.59; 0.78) | p = 0.1224 |
РOвд, л | 2.51 (1.80; 2.70) | 2.74 (2.38; 3.28) | 3.01 (2.53; 3.24)* | p = 0.0074 |
ФЖЕЛ, л | 5.95 (5.17; 6.47) | 5.51 (4.71; 5.91)* | 5.92 (5.24; 6.37)# | p = 0.0006 |
ОФВ1, л | 4.93 (4.52; 5.26) | 4.63 (3.62; 4.80)* | 5.00 (4.16; 5.06)# | p = 0.0004 |
ОФВ1/ФЖЕЛ, % | 85 (80.5; 87.75) | 83 (78.75; 84.75)* | 83 (81; 85) | p = 0.0315 |
ПОС, л/с | 10.57 (9.87; 12.30) | 9.88 (7.79; 12.07)* | 10.56 (10.03; 12.28)# | p = 0.0019 |
СОС25—75, л/с | 5.09 (4.07; 5.83) | 4.34 (3.03; 5.20)* | 5.13 (3.60; 5.31)* | p = 0.0019 |
МВЛ, л/мин | 197.15 (191.28; 228.50) | 173.60 (167.20; 217.38)* | 182.80 (173.35; 223.90) | p = 0.0033 |
Примечание: см. табл. 4.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
7-суточная ортостатическая гипокинезия. Воздействие условий ОГ приводило к изменению легочных объемов (табл. 1). На первые сутки ОГ (7 ч ОГ) по сравнению с фоновыми значениями в положении сидя отмечено снижение (не выходящее за пределы нормальных физиологических значений) величины ФЖЕЛ и ОФВ1. В дальнейшем, после 1-х сут воздействия ОГ, отмечали нивелирование полученных изменений – увеличение (восстановление) показателей к 7-м сут экспериментального воздействия.
Таким образом, в условиях моделирования физиологических эффектов лунной гравитации наибольшие изменения функции внешнего дыхания были отмечены через 7 ч после начала экспериментального воздействия. Однако найденные изменения не выходили за пределы нормальных значений и были клинически не значимы.
7-часовая ортостатическая и горизонтальная гипокинезия. Динамика легочных объемов после 7 ч воздействия условий ОГ имела схожий с ГГ характер изменений (табл. 2). Так, через 7 ч воздействия ОГ и ГГ выявлено достоверное снижение ЖЕЛ, ФЖЕЛ и ОФВ1. В динамике РОвд в серии с ОГ отмечали обратные изменения – увеличение значений показателя через 7 ч ОГ. Достоверных различий в динамике изменения всех параметров между двумя группами обнаружено не было.
Все вышеперечисленные изменения изучаемых показателей, полученные в данном исследовании, не выходили за пределы нормальных физиологических значений для группы участвовавших в эксперименте обследуемых лиц.
3-суточная антиортостатическая гипокинезия. В условиях АНОГ, как и в исследованиях с использованием ОГ и ГГ, отмечали снижение ЖЕЛ и ОФВ1 и увеличение РОвд через 7 ч от начала гипокинезии с последующим постепенным восстановлением значений показателей (табл. 3). В периоде последействия значения показателей были на уровне фоновых.
Последовательное воздействие 3-суточной антиортостатической и 7-суточной ортостатической гипокинезии. Как видно из табл. 4, изменения спирометрических показателей наблюдались уже в первые часы АНОГ как в группе “Контроль”, так и группе “Тренировка”. Далее, к 1-му часу моделирования лунной гравитации (1 ч ОГ), по сравнению с данными за 1-е сут АНОГ, наблюдали постепенное восстановление большинства показателей. Межгрупповых различий в изменениях спирометрических показателей между группами “Контроль” и “Тренировка” выявлено не было.
Учитывая то, что наиболее выраженные изменения показателей функции внешнего дыхания наблюдались на первых этапах экспериментального воздействия, а условия пребывания в АНОГ до этапа ОГ (1 ч ОГ) были одинаковыми в обеих группах, для увеличения объема выборки были объединены данные, полученные в фоновом периоде, а также на 1-е (1 ч АНОГ) и 4-е сут (1 ч ОГ) гипокинезии для повторного статистического анализа (табл. 5).
Полученные результаты показывают, что уже после часа пребывания в условиях АНОГ у испытуемых наблюдалось небольшое, но достоверное снижение большинства основных спирометрических параметров: ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1, ОФВ1/ФЖЕЛ, ПОС, СОС25—75 и МВЛ. Через 3 сут АНОГ после перевода испытуемых в ОГ наблюдали восстановление значений большинства показателей. Однако в динамике РОвд отмечали увеличение значений показателя к 1 ч ОГ относительно фоновых значений.
Таким образом, в острый период воздействия различных экспериментальных моделей (ОГ, АНОГ и ГГ) наблюдаются однонаправленные изменения параметров внешнего дыхания испытуемых (рис. 1). Несмотря на то, что в условиях АНОГ динамика некоторых показателей (ЖЕЛ, ОФВ1) имела тенденцию (p ≤ 0.1) к более выраженным изменениям относительно фоновых значений, значимой разницы между тремя условиями экспериментального воздействия не было обнаружено (p ˃ 0.05).
Рис. 1. Относительные изменения основных спирометрических параметров, полученные через 7 ч воздействия ортостатической (ОГ), антиортостатической (АНОГ) и горизонтальной гипокинезии (ГГ). Жирным шрифтом выделены параметры ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1, изменение которых через 7 ч экспериментального воздействия достигло уровня достоверности (p <0.05) по сравнению с фоновыми значениями во всех трех экспериментальных моделях
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты проведенных исследований дают основание полагать, что в условиях горизонтальной, ортостатической (модель физиологических эффектов лунной гравитации) и антиортостатической (модель физиологических эффектов микрогравитации) гипокинезии отмечается снижение основных спирометрических параметров (легочных объемов и скоростных показателей воздушного потока) уже в первые часы воздействия с тенденцией к их дальнейшему восстановлению.
Полученные в настоящей работе данные согласуются с данными других модельных экспериментов, в ходе которых также наблюдалось снижение спирометрических показателей в острый период экспериментального воздействия, не выходящее за пределы нормальных значений [14—16].
Как известно, в случае кратковременных постуральных изменений (пробах “сидя-лежа”) наблюдается снижение ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1 [17]. Найденные нами сдвиги в значениях спирометрических показателей в начальном периоде гипокинезии имеют схожий генез. Вследствие изменения действия вектора силы тяжести происходит перераспределение жидких сред организма в краниальном направлении, увеличивается внутриторакальный объем крови [18]. Увеличение кровенаполнения легких приводит к снижению их эластических свойств и сужению просвета дыхательных путей, что подтверждается методами визуальной диагностики – при выполнении компьютерной томографии (КТ) в горизонтальном положении объем легких и площадь просвета дыхательных путей (от трахеи до сегментарных бронхов) достоверно ниже, чем в положении “сидя” или “стоя” [19, 20]. Указанные выше изменения наряду со смещением диафрагмы и органов брюшной полости в проксимальном направлении и координированной перестройкой в работе дыхательной мускулатуры [21] могут приводить к снижению легочных объемов, скорости респираторных потоков, изменению биомеханики дыхания [16].
В ходе дальнейшей гипокинезии, в связи с активацией адаптационных механизмов, в частности, компенсаторного выведения из организма жидкости и развития гипогидратации [22, 23], выявленные в начальный период воздействия изменения функции внешнего дыхания постепенно нивелируются и по завершении моделирования возвращаются к уровню фоновых значений.
Учитывая разный уровень изменения вектора силы тяжести (в зависимости от угла наклона тела человека по отношению к горизонту), теоретически, все вышеописанные сдвиги должны проявляться в разной степени выраженности (по сравнению с вертикальным положением): наибольшие изменения должны наблюдаться в АНОГ, далее ГГ и меньше – в ОГ [24, 25]. В нашем исследовании наблюдалась тенденция к более выраженным изменениям функции внешнего дыхания в условиях АНОГ (рис. 1), однако различия в уровне воздействия исследуемых нами моделей (АНОГ, ГГ, ОГ) не достигли уровня достоверности. Возможно, с увеличением количества обследуемых лиц могут быть получены значимые различия.
В эксперименте с последовательным воздействием 3-суточной АНОГ и 7-суточной ОГ также действуют вышеописанные механизмы. После небольшого, но клинически не значимого снижения спирометрических параметров в 1-й час АНОГ к 4-м сут экспериментального воздействия (после перехода испытуемых из АНОГ в ОГ) наблюдалось постепенное увеличение (до уровня фоновых значений) большинства показателей (табл. 5). В восстановлении, вероятно, также сыграло роль (помимо выведения жидкости вследствие адаптации к АНОГ) изменение вектора силы тяжести и уменьшение смещения диафрагмы и органов брюшной полости в краниальном направлении после изменения угла наклона тела испытуемых с —6° до +9.6° относительно горизонта.
Важно отметить, что в данном эксперименте включение в программу на этапе действия моделированной лунной гравитации физических тренировок на велоэргометре не приводило к значимым изменениям показателей функции внешнего дыхания. Несмотря на то, что регулярные физические тренировки способны несколько улучшать (увеличивать) респираторные показатели [26], в экспериментальных условиях недельный тренировочный курс не привел к статистически значимым изменениям вследствие малой продолжительности, что подтвердилось отсутствием различий между группами “Контроль” и “Тренировка” (табл. 4).
Поскольку в условиях КП при действии микрогравитации так же, как и при смене положения тела, происходит перераспределение жидкостей [27, 28], смещение диафрагмы и органов брюшной полости в краниальном направлении, то изменение параметров функции внешнего дыхания имеет схожие тенденции [3, 5, 6]. Так, найденные нами изменения в острый период (сутки) воздействия моделированной микрогравитации соотносятся с ранее полученными A.R. Elliott et al. результатами: во время миссии Spacelab Life Sciences-1 (SLS-1) у астронавтов через ~24 ч воздействия микрогравитации наблюдалось статистически значимое снижение ЖЕЛ на ~5% (230 мл) [29], ФЖЕЛ на 2.6% и ОФВ1 на 2.3% [30] по сравнению с вертикальным положением на Земле с последующим увеличением к 4-м сут и полным восстановлением (относительно фоновых значений) к 9-м сут полета.
Более значимые изменения, полученные нами по сравнению с данными влияния микрогравитации во время КП, вероятно, связаны с тем, что в нашем исследовании измерение параметров внешнего дыхания проводили в первые часы экспериментального воздействия, а не через 24 ч. Также причиной могло являться то, что, во-первых, в условиях наземного моделирования на тело человека все же действует вектор силы тяжести в направлении грудь-спина, и добиться перераспределения жидких сред, идентичных условиям микрогравитации невозможно, и, во-вторых, движения грудной клетки ограничены плоскостью кровати/ложемента, на котором располагается испытуемый, в отличие от условий КП, где тело человека «взвешенно» в пространстве.
ВЫВОДЫ
- Пребывание человека в условиях моделируемой микрогравитации и лунной гравитации не приводит к существенным нарушениям вентиляционной функции легких.
- В условиях антиортостатической (модель физиологических эффектов микрогравитации), ортостатической (модель физиологических эффектов лунной гравитации), а также горизонтальной гипокинезии наблюдаются однонаправленные изменения показателей функции внешнего дыхания.
- Наиболее заметные изменения регистрируются в первые сутки воздействия в виде снижения основных спирометрических параметров (ЖЕЛ, ФЖЕЛ, ОФВ1) с тенденцией к их дальнейшему восстановлению в ходе гипокинезии. После прекращения экспериментального воздействия (АНОГ, ОГ, ГГ) показатели внешнего дыхания находятся на уровне фоновых значений.
Финансирование работы. Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований РАН (FMFR-2024-0038).
Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены Комиссией по биомедицинской этике НИИ космической медицины ФНКЦ ФМБА России (Москва), протоколы № 1 от 07.02.2019 г., № 2 от 16.04.2019 г.
Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.
Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Вклад авторов в публикацию. А.А. Пучкова, В.П. Катунцев, А.В. Шпаков, В.М. Баранов — идея работы, планирование и организация эксперимента, написание и редактирование статьи. А.А. Пучкова, Д.М. Ставровская — сбор данных. А.А. Пучкова, Д.М. Ставровская, Г.К. Примаченко — обработка данных.
Об авторах
А. А. Пучкова
Институт медико-биологических проблем РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
В. П. Катунцев
Институт медико-биологических проблем РАН
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
А. В. Шпаков
Институт медико-биологических проблем РАН
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
Д. М. Ставровская
Институт медико-биологических проблем РАН
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
Г. К. Примаченко
Институт медико-биологических проблем РАН
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
В. М. Баранов
Институт медико-биологических проблем РАН
Email: alina.a.puchkova@gmail.com
Россия, Москва
Список литературы
- Krittanawong C., Singh N.K., Scheuring R.A. et al. Human health during space travel: state-of-the-art review // Cells. 2023. V. 12. № 1. P. 40.
- Tomsia M., Cieśla J., Śmieszek J. et al. Long-term space missions’ effects on the human organism: what we do know and what requires further research // Front. Physiol. 2024. V. 15. P. 1284644.
- Ghani F., Cheung I., Phillips A. et al. Lung volume, capacity and shape in microgravity: A systematic review and meta-analysis // Acta Astronautica. 2023. V. 212. P. 424.
- Prisk G.K. Microgravity and the respiratory system // Eur. Respire. J. 2014. V. 43. № 5. P. 1459.
- Prisk G.K. Pulmonary challenges of prolonged journeys to space: taking your lungs to the moon // Med. J. Aust. 2019. V. 211. № 6. P. 271.
- Баранов В.М. Эволюция взглядов на физиологию дыхания в невесомости // Авиакосм. и эколог. мед. 2023. Т. 57. № 5. С. 20.
- Донина Ж.А. Межсистемные взаимоотношения дыхания и кровообращения // Физиология человека. 2011. Т. 37. № 2. С. 117.
- Баранов В.М., Катунцев В.П., Баранов М.В. и др. Вызовы космической медицине при освоении человеком Луны: риски, адаптация, здоровье, работоспособность // Ульяновский медико-биологический журнал. 2018. № 3. С. 109.
- Баранов М.В., Катунцев В.П., Шпаков А.В., Баранов В.М. Метод наземного моделирования физиологических эффектов пребывания человека в условиях гипогравитации // Бюл. эксп. биол. и мед. 2015. Т. 160. № 9. С. 392.
- Григорьев А.И., Козловская И.Б. Годичная антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) – физиологическая модель межпланетного космического полета. М.: РАН, 2018. 288 с.
- Hargens A.R., Vico L. Long-duration bed rest as an analog to microgravity // J. Appl. Physiol. 2016. V. 120. № 8. P. 891.
- Козловская И.Б., Ярманова Е.Н., Егоров А.Д. и др. Развитие российской системы профилактики неблагоприятных влияний невесомости в длительных полетах на МКС // Международная космическая станция. Российский сегмент. М.: РАН, 2011. Т. 1. С. 63.
- Каменева М.Ю., Черняк А.В., Айсанов З.Р. и др. Спирометрия: методическое руководство по проведению исследования и интерпретации результатов // Пульмонология. 2023. Т. 33. № 3. С. 307.
- Малаева В.В., Коренбаум В.И., Почекутова И.А. и др. Акустическая оценка вентиляционной функции легких у человека при моделировании физиологических эффектов невесомости и лунной гравитации // Медицина экстремальных ситуаций. 2016. Т. 55. № 1. С. 40.
- Segizbaeva M.O., Donina Zh.A., Aleksandrov V.G., Aleksandrova N.P. The mechanisms of compensatory responses of the respiratory system to simulated central hypervolemia in normal subjects // Adv. Exp. Med. Biol. 2015. V. 858. P. 9.
- Донина Ж.А., Баранов В.М., Александрова Н.П., Ноздрачев А.Д. Дыхание и гемодинамика при моделировании физиологических эффектов невесомости. СПб.: Наука, 2013. 182 с.
- Katz S., Arish N., Rokach A. et al. The effect of body position on pulmonary function: a systematic review // BMC Pulm. Med. 2018. V. 18. P. 159.
- Yadollahi A., Singh B., Bradley T.D. investigating the dynamics of supine fluid redistribution within multiple body segments between men and women // Ann. Biomed. Eng. 2015. V. 43. № 9. P. 2131.
- Yamada Y., Yamada M., Yokoyama Y. et al. Differences in lung and lobe volumes between supine and standing positions scanned with conventional and newly developed 320-detector-row upright CT: intra-individual comparison // Respiration. 2020. V. 99. № 7. P. 598.
- Yamada Y., Yamada M., Chubachi S. et al. Comparison of inspiratory and expiratory airway volumes and luminal areas among standing, sitting, and supine positions using upright and conventional CT // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 21315.
- Сегизбаева М.О., Погодин М.А., Лаврова И.Н. и др. Влияние антиортостатического воздействия на респираторные параметры и функциональную активность инспираторных мышц человека // Физиология человека. 2011. Т. 37. № 2. С. 52.
- Григорьев А.И., Ларина И.М. Водно-солевой обмен и функции почек у человека при длительной гипокинезии // Нефрология. 2001. Т. 5. № 3. С. 7.
- Носков В.Б. Адаптация водно-солевого метаболизма к космическому полету и его имитации // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 5. С. 119.
- Montgomery L.D. Body volume changes during simulated microgravity. II: Comparison of horizontal and head-down bed rest // Aviat. Space Environ. Med. 1993. V. 64. № 10. P. 899.
- Whittle R.S., Keller N., Hall E.A. et al. Gravitational dose-response curves for acute cardiovascular hemodynamics and autonomic responses in a tilt paradigm // J. Am. Heart Assoc. 2022. V. 11. № 14. P. e024175.
- Pablo A.S., Jacob B.L., Jacquelyn C.K. et al. Effects of exercise training on pulmonary function in adults with chronic lung disease: a meta-analysis of randomized controlled trials // Arch. Phys. Med. Rehabil. 2018. V. 99. № 12. P. 2561.
- Arbeille P., Provost R., Zuj K., Vincent N. Measurements of jugular, portal, femoral, and calf vein cross-sectional area for the assessment of venous blood redistribution with long duration spaceflight (Vessel Imaging Experiment) // Eur. J. Appl. Physiol. 2015. V. 115. № 10. P. 2099.
- Norsk P. Adaptation of the cardiovascular system to weightlessness: Surprises, paradoxes and implications for deep space missions // Acta Physiol. 2020. V. 228. № 3. P. e13434.
- Elliott A.R., Prisk G.K., Guy H.J., West J.B. Lung volumes during sustained microgravity on Spacelab SLS-1 // J. Appl. Physiol. 1994. V. 77. № 4. P. 2005.
- Elliott A.R., Prisk G.K., Guy H.J. et al. Forced expirations and maximum expiratory flow-volume curves during sustained microgravity on SLS-1 // J. Appl. Physiol. 1996. V. 81. № 1. P. 33.
Дополнительные файлы
