Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

CARDIOPULMONARY FUNCTIONAL PARAMETERS IN SKIERS AND BIATHLONISTS WITH EXERCISE-INDUCED BRONCHOCONSTRICTION, THE RELATIONSHIP OF THESE DATA WITH FRACTIONAL EXHALED NO IN WINTER SPORTS

Nikitina L.Y. 1 Petrovskiy F.I. 1 Soodaeva S.K. 2
1 Khanty-Mansiysk state medical academy
2 Scientific research institute of pulmonology
The purpose of the study – to investigate cardiorespiratory parameters in skiers and biathlonists with exercise-induced bronchoconstriction (EIB), to search for the relationship between these indicators and the intensity of respiratory NO production in sports. Materials and methods. 52 skiers and biathlonists aged 18,8 ± 0,6 years were examined. Cardiopulmonary exercise testing (CPET) was performed using Oxycon Mobile (Jaeger, Germany) in treadmill-test with the assessment of oxygen uptake (VO2), voluntary ventilation (VE), oxygen pulse (VO2/HR), anaerobic threshold (AT) etc. EIB was screened by baseline and post-exercise forced spirometry at 1st, 5th and 10th minute after the test. Pre- and post-exercise fractional exhaled NO levels (FeNO) were studied. Results. In males athletes significantly greater CPET functional parameters were identified (VE, VO2). The correlation between aerobic capacity parameters and FeNO was noticed (VO2, ml/min/kg & FeNO, rs = 0,4; p < 0,05; VO2/HR, abs & ΔFeNO, rs = –0,5; p < 0,05). EIB-positive athletes demonstrated significantly higher ventilation rate at the anaerobic threshold and oxygen pulse rate. The level of VE at the anaerobic threshold ≥ 110 l/min may be considered as an additional EIB screening tool with negative predictive value of 71,4 %. Conclusion. The level of VE at the anaerobic threshold ≥ 110 l/min is the risk factor of EIB development. A positive correlation between CPET functional parameters and FeNO level was estimated.
athletes
exercise-induced bronchoconstriction
fractional exhaled nitric oxide (FeNO)
cardiopulmonary exercise testing
1. An Official American Thoracic Society clinical practice guideline: exercise-induced bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013; 187(9): 1016–1027.
2. Weiler J.M., Anderson S.D., Randolph C. Pathogenesis, prevalence, diagnosis, and management of exercise-induced bronchoconstriction: a practice parameter. Joint Task Force of the American Academy of Allergy, Asthma and Immunology; the American College of Allergy, Asthma and Immunology and the Joint Council of Allergy, Asthma and Immunology. Ann Allergy Asthma Immunol 2010; 105(6): 1–47.
3. Anderson S.D., Kippelen P. Assessment and prevention of exercise-induced bronchoconstriction. Br J Sports Med 2012; 46(6): 391–396.
4. Riccardolo F.L.M., Sterk P.J., Gaston B., Folkerts G. Nitric Oxide in health and disease of the respiratory system. Physiol Rev. 2004; 84: 731–765.
5. Ricciardolo F.L.M. Multiple roles of nitric oxide in the airways. Thorax 2003; 58: 175–182.
6. ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing. Am J Respir Crit Care Med 2003; 167: 211–277.
7. ATS/ERS Recommendations for Standardized Procedures for the Online and Offline Measurement of Exhaled Lower Respiratory Nitric Oxide and Nasal Nitric Oxide. 2005. Am J Respir Crit Care Med 2005; 171: 912–930.
8. Wasserman K. Hansen J., Sue D., Stringer W., Whipp B. Principles of exercise testing and interpretation including pathophysiology and clinical applications. 4th edn. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia. 2005; 585 p.
9. Verges S. Flore P., Favre-Juvin A., Lévy P., Wuyam B. Exhaled nitric oxide during normoxic and hypoxic exercise in endurance athletes. Acta Physiol Scand 2005; 185(2): 123–131.
10. Anderson S.D. Kippelen P. Exercise-induced bronchoconstriction: Pathogenesis. Curr Allergy Asthma Rep 2005; 5: 116–122.

Проблема бронхоспазма, вызванного физической нагрузкой, (БФН) является наиболее актуальной у лиц, занимающихся спортом [1]. Распространенность астмы и БФН среди спортсменов значительно выше, чем в популяции в целом (3–5 %) и составляет порядка 25 % [2]. Объективным критерием БФН служит снижение объема форсированного выдоха за секунду (ОФВ1) на 10 % и более во время или после нагрузки [1–3].

Согласно полученным ранее результатам исследования метаболизма NO у лыжников и биатлонистов, установлено достоверное повышение его продукции в респираторном тракте спортсменов в сравнении с индивидами, не занимающимися профессиональным спортом [1]. Вероятной причиной данных изменений служит активизация адаптивных NO-зависимых механизмов защиты от внешних воздействий. Так, NO-опосредованная бронходилатация, активация мукоциллиарного клиренса, бронхопротективные свойства соединения в отношении БГР [4, 5] приобретают решающее значение в условиях повторяющейся гипервентиляции с иссушением и охлаждением поверхности респираторного тракта спортсменов, в особенности представителей аэробных зимних видов спорта. Спортсмены с диагностированным БФН характеризовались достоверно меньшими исходными значениями фракции NO в выдыхаемом воздухе (NOвыд), что, вероятно, является одной из причин развития БФН, вследствие недостаточной реализации вышеописанной NO-зависимой бронхопротекции.

С практической точки зрения важное значение для оптимизации тренировочного процесса в аэробных циклических видах спорта имеет мониторирование кардиореспираторной выносливости с определением ключевых параметров аэробной мощности и емкости. В этой связи интерес представляет исследование особенностей параметров эргоспирометрии у представителей данных видов спорта с бронхоспазмом, вызванным физической нагрузкой, а также поиск взаимосвязи между данными показателями и интенсивностью респираторной продукции NO.

Материалы и методы исследования

Обследование лыжников и биатлонистов, воспитанников детско-юношеских спортивных школ олимпийского резерва со стажем занятий спортом ≥ 3 лет, проводилось в условиях лаборатории при комнатной температуре (n = 52). Средний возраст обследованных спортсменов составил 18,8 ± 0,6 лет, количество юношей и девушек, включенных в исследование, было сопоставимо.

Все спортсмены проходили эргоспирометрическое исследование («Oxycon Mobile», Jaeger, Германия) с оценкой следующих показателей: максимальная минутная вентиляция (VE max), максимальное потребление кислорода (VO2 max), в том числе на уровне анаэробного порога (VO2 (AT)), максимальный кислородный пульс (VO2/HR max). Определение анаэробного порога (АТ) выполняли методом V-slope [6]. Тестирование проводили в соответствии с рекомендациями Американского торакального общества с использованием тредмила [1]. Продолжительность стандартного теста составляла 8 мин, на протяжении 2 минут спортсмен достигал субмаксимальной частоты сердечных сокращений (ЧСС), рассчитанной по формуле: 220 – возраст (лет). Далее в течение 6 мин нагрузку поддерживали на уровне, необходимом для сохранения достигнутого уровня ЧСС [1, 3].

Показатели функции внешнего дыхания (ФВД, MasterScreen Pneumo, Jaeger) оценивались исходно, на 1, 5-й, 10-й минуте после физической нагрузки. БФН регистрировался при снижении показателя ОФВ1 после нагрузки на 10 % и более [1, 2].

Исходно и после теста с нагрузкой определялась фракция оксида азота в выдыхаемом воздухе (NOвыд), ppb (анализатор CLD 88, Еco Мedics совместно с устройством, освобождающим вдыхаемый воздух от оксида азота Denox 88). Процедура проводилась согласно рекомендациям ATS/ERS, 2005 [7].

Статистическую обработку результатов проводили при помощи пакета программ «Statistica for Windows 10,0». Данные представлены в виде средних арифметических значений со стандартной ошибкой среднего и 95 % доверительными интервалами. Для оценки различия средних в попарно несвязанных выборках применяли U-критерий Манна – Уитни, в связанных выборках – критерий Вилкоксона. Степень взаимосвязи между признаками оценивали, вычисляя коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Разницу значений считали значимой при p < 0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Эффективная организация тренировочного процесса в профессиональном спорте невозможна без использования объективных методик тестирования, в частности эргоспирометрии. В настоящем исследовании кардиореспираторное тестирование было применено с целью изучения показателей аэробной емкости, а также поиска взаимосвязей между данными показателями и продукцией NOвыд в дыхательных путях лыжников и биатлонистов.

В группе спортсменов мужского пола выявлены достоверно большие эргоспирометрические показатели тренированности (табл. 1). Более высокие показатели у мужчин были, безусловно, ожидаемы вследствием половых различий по антропометрическим параметрам.

Определена взаимосвязь некоторых показателей, характеризующих аэробную емкость, с NOвыд у спортсменов (табл. 2).

Также имели место положительные корреляции вышеуказанных эргоспирометрических маркеров аэробной емкости с основными параметрами функции внешнего дыхания (ФЖЕЛ, ОФВ1, ПСВ; rs = 0,6 p < 0,01).

При сравнении эргоспирометрических показателей спортсменов с наличием и отсутствие БФН выявлены значимые отличия по параметрам максимальной вентиляции и кислородного пульса (табл. 3).

Наряду с вышеуказанными различиями важным результатом анализа параметров эргоспирометрии у лыжников и биатлонистов в зависимости от наличия/отсутствия синдрома БФН служит установленное пороговое значение VE (АП) = 110 л/мин, превышение которого может рассматриваться в качестве дополнительного параметра скрининга БФН при прогностической ценности отрицательного результата 71,4 %.

Таблица 1

Сравнительная характеристика эргоспирометрических параметров спортсменов и спортсменок по результатам лабораторного тредмил-тестирования

Показатель

Общее значение

Спортсмены m ± Se

Спортсменки m ± Se

р

VE, л

115,4 ± 4,0

134 ± 4,2

94,0 ± 2,8

p < 0,001

VE (АП), л

103,5 ± 5,1

120,1 ± 4,2

82,7 ± 6,0

p < 0,001

ЧД, в мин

45,7 ± 0,8

46,8 ± 1,3

44,5 ± 0,9

p = 0,064

ЧД, %

110,5 ± 2,0

112,6 ± 3,1

108,0 ± 2,4

p = 0,142

РД, абс

26,6 ± 2,0

24,2 ± 2,4

29,3 ± 3,1

p = 0,151

РД, %

84,9 ± 8,2

76,3 ± 10,4

94,8 ± 12,9

p = 0,142

VO2max, мл/мин

3189,4 ± 112,4

3702,0 ± 131,6

2603,7 ± 67,8

p < 0,001

VO2 (АП), мл/мин

3018,9 ± 157,9

3470,4 ± 192,3

2454,4 ± 146,8

p < 0,001

VO2, мл/мин/кг

49,8 ± 1,4

54,7 ± 1,7

44,2 ± 1,7

p < 0,001

VO2/ЧСС (АП)

25,8 ± 5,9

24,4 ± 3,2

27,9 ± 4,4

p = 0,011

VO2/ЧСС, абс.

20,4 ± 1,3

24,0 ± 1,9

15,7 ± 1,0

p < 0,001

VO2/ЧСС, %

154,6 ± 7,5

155,2 ± 10,5

153,8 ± 10,7

p = 0,988

VСO2max, мл/мин

3141,1 ± 104,3

3660,2 ± 97,8

2547,8 ± 75,7

p = 0,011

VСO2 (АП), мл/мин

2937,3 ± 138,3

3489,8 ± 127,8

2345,3 ± 120,1

p = 0,011

Примечания: m – среднее значение; Se – стандартная ошибка среднего; VE – максимальная минутная вентиляция легких; АП – анаэробный порог; ЧД – частота дыхания; РД – резерв дыхания; VO2max – максимальное потребление кислорода; VO2/ЧСС – кислородный пульс; VСO2max – максимальное содержание CO2 в выдыхаемом воздухе.

Таблица 2

Взаимосвязь показателей эргоспирометрии и фракции NOвыд у спортсменов

Показатели

Коэффициент ранговой корреляции Спирмена (Rs)

р

VO2max, мл/мин & NOвыд 2

0,4

< 0,05

VO2, мл/мин/кг & NOвыд 1

0,3

< 0,05

VO2, мл/мин/кг & NOвыд 2

0,4

< 0,05

VO2/ЧСС, абс & NOвыд 1

0,4

< 0,05

VO2/ЧСС, абс & Δ NOвыд

–0,5

< 0,05

VO2/ЧСС, % & Δ NOвыд

–0,5

< 0,01

Примечания: Rs – коэффициент корреляции Спирмена; 1 – до нагрузки; 2 – после нагрузки.

Эргоспирометрия, или кардиореспираторное нагрузочное тестирование, позволяет одновременно оценивать основную функцию сердечно-сосудистой и дыхательной систем, заключающуюся в газообмене между клетками и окружающей средой (или аэробную работоспособность) [6, 8]. Исследование газообмена – определяющий подход для понимания механизмов, лимитирующих работоспособность, поскольку нагрузка требует совместной реакции сердечной и лёгочной систем для поддержания мышечного дыхания, необходимого для ее выполнения.

Основной функцией сердечно-сосудистой и дыхательной систем является поддержание клеточного дыхания. Слаженность взаимодействия функционирования этих систем отражена в потреблении кислорода (О2) и выделении углекислоты (СО2) в ответ на определенный уровень работы и их отношение к частоте сердечных сокращений, вентиляции и друг к другу (рис. 1).

Таблица 3

Сравнительная характеристика эргоспирометрических параметров спортсменов в зависимости от наличия БФН по результатам лабораторного тредмил-тестирования

Показатель

БФН (+)

m ± Se

БФН (–)

m ± Se

р

VE, л

124,4 ± 8,2

113,1 ± 4,5

p = 0,18

VE (АП), л

104,9 ± 5,8

98,4 ± 5,5

p < 0,05

ЧДmax, в мин

44,4 ± 1,5

46,1 ± 1,0

p = 0,46

ЧДmax, %

109,1 ± 4,3

110,8 ± 2,3

p = 0,75

РД, абс.

33,2 ± 4,9

24,8 ± 2,0

p = 0,09

РД, %

118,4 ± 17,3

76,6 ± 8,9

p = 0,05

VO2max, мл/мин

3493,7 ± 231,3

3113,4 ± 126,3

p = 0,22

VO2 (АП), мл/мин

3421,4 ± 289,2

2878,0 ± 181,0

p = 0,16

VO2/ЧСС, %

129,4 ± 4,2

160,5 ± 8,8

p < 0,05

VO2/ЧСС мл/мин/кг (АП)

22,4 ± 4,0

27,1 ± 8,1

p = 0,57

Примечания: m – среднее значение; Se – стандартная ошибка среднего; VE – максимальная минутная вентиляция легких; АП – анаэробный порог; ЧД – частота дыхания; РД – резерв дыхания; VO2max – максимальное потребление кислорода; VO2/ЧСС – кислородный пульс; VСO2max – максимальное содержание CO2 в выдыхаемом воздухе.

pic_74.tif

Рис. 1. Схема зубчатых колес: взаимосвязь клеточного и внешнего дыхания (K. Wasserman) [8]

Большинство показателей, определяемых методом эргоспирометрии, являются неинвазивными и могут быть проведены в современной функционально-диагностической лаборатории, какой и является лаборатория функциональной диагностики спортсмена. Аэробная работоспособность, определяемая при кардиореспираторном тестировании спортсменов, является не только базисом для демонстрации высоких спортивных достижений, но и средством наилучшего и быстрого восстановления спортсменов после физических нагрузок.

Аэробная работоспособность особенно важна в циклических видах спорта. Высокие аэробные способности спортсмена – ключевой фактор восстановления как после длительной работы небольшой интенсивности, так и после мощных кратковременных нагрузок. В процессе анаэробных (рывковых, силовых кратковременных) нагрузок накапливаются продукты распада, для восстановления которых, а также для процессов суперкомпенсации требуется поступление достаточного количества кислорода. Успешная ликвидация «кислородного долга» – залог процессов восстановления и тренированности спортсмена. Таким образом, дыхательные (аэробные) процессы являются фундаментом для развития анаэробных систем [8].

Основными показателями аэробной выносливости являются максимальное потребление кислорода (VO2max) и анаэробный порог (AП). VO2max представляет собой самое высокое потребление кислорода, которое может быть достигнуто в процессе динамической нагрузки при задействовании больших групп мышц. Очевидно, что наивысший лимит утилизации О2 является одним из показателей физической формы или тренированности [8]. Он определяется максимальным сердечным выбросом, PО2 крови, фракцией распределения сердечного выброса в работающие мышцы и возможностью экстракции мышцами О2 [8]. У тренированных спортсменов для обеспечения должным количеством кислорода требуется легочная вентиляции, достигающая на пике физической нагрузки до 200 мл/мин и выше. Но тем не менее, фактором, лимитирующим аэробную работоспособность, наиболее часто является сердечно-сосудистая система.

Анаэробный порог – наивысшая интенсивность нагрузки, ЧСС или потребления кислорода при работе большой группы мышц, в течение которой производство лактата равно его утилизации [6, 8]. Он представляет собой уровень потребления кислорода (VO2) во время физической нагрузки, при которой аэробное производство энергии дополняется анаэробным энергопроизводством, что является отражением повышения уровня лактата и соотношения лактат/пируват в мышце и артериальной крови [6, 8]. Для оценки производительности сердечной мышцы применяют такой показатель, как кислородный пульс нагрузки, представляющий собой потребление кислорода на одно сердечное сокращение (VO2/ЧСС), тренд которого в значительной мере отражает ударный объем сердца [8].

В настоящем исследовании кардиореспираторное тестирование было проведено в условиях лаборатории с целью изучения показателей аэробной емкости, а также с целью поиска взаимосвязей между данными показателями и продукцией NO в дыхательных путях лыжников и биатлонистов. В группе спортсменов мужского пола выявлены большие эргоспирометрические показатели тренированности. Полученные достоверные различия связаны с разницей в антропометрических параметрах у спортсменов, представителей различного пола, имеющих определяющее значение для показателей газообмена на фоне нагрузки.

pic_75.tif

Рис. 2. Последовательность событий, приводящих к БФН, и механизмы развития БФН у атлетов (справа). (Anderson S.D., Kippelen P., 2005) [10]: ЖВДП – жидкость, выстилающая дыхательные пути; БГР – бронхиальная гиперреактивность; ПГ – простагландины; ЛТ – лейкотриены

При сопоставлении параметров, характеризующих аэробную работоспособность, с фракцией NOвыд у спортсменов определены положительные корреляции VO2max, мл/мин/кг с исходным и постнагрузочным NOвыд. Следовательно, уровень фракции NOвыд находится в прямой взаимосвязи с основным критерием аэробной работоспособности атлета. Эти результаты являются приоритетными и не представлены в ранее опубликованных работах. В данном контексте следует обратиться к исследованию Verges S. и соавт., свидетельствующему об участии NO в процессе газообмена [9]. Определена отрицательная взаимосвязь между показателем динамики ΔNO % и значениями кислородного пульса спортсменов.

Заключение

Таким образом, лучшие функциональные параметры сердечно-сосудистой системы, отражающие эффективность доставки кислорода в ткани, ассоциированы с более выраженным постнагрузочным снижением фракции NO выдоха. Эти результаты настоящего исследования также получены впервые. При сравнении эргоспирометрических показателей спортсменов с наличием и отсутствием БФН выявлена достоверно большая минутная вентиляция легких VE на уровне анаэробного порога. Это важный и приоритетный результат работы, подтверждающий главенствующую роль механизма повышения осмолярности жидкости, выстилающей дыхательные пути в патогенезе БФН (рис. 2).

В свою очередь, повышение параметра VE определяет выраженность и скорость этих изменений. Выполненный анализ позволил сформулировать пороговое значение VE (АП) = 110 л/мин, превышение которого может рассматриваться в качестве дополнительного параметра скрининга БФН при прогностической ценности отрицательного результата 71,4 %. Значимо меньший уровень кислородного пульса у спортсменов с БФН, вероятно, характеризует менее эффективную доставку кислорода на периферию в условиях повышенной нагрузки на сердечно-сосудистую систему при бронхообструкции.

Рецензенты:

Корчин В.И., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной и патологической физиологии БУ ВО ХМАО-Югры, ХМГМА, г. Ханты-Мансийск;

Коркин А.Л., д.м.н., доцент, заведующий кафедрой госпитальной терапии с курсом скорой и неотложной медицинской помощи БУ ВО ХМАО-Югры, ХМГМА, г. Ханты-Мансийск.

Работа поступила в редакцию 16.12.2014.