Что такое максимальное потребление кислорода

Потенциальное максимальное потребление кислорода как показатель максимально возможного минутного объема кровообращения

Гаврилов В. Б., Щербаков В. А., Селуянов В. Н.
НИИ проблем спорта РГУФК

Введение

Тест со ступенчато нарастающей мощностью является основным для определения физической подготовленности спортсменов многих видов спорта. По данным изменения ЧСС (HR), легочной вентиляции (Ve), мощности (W), потребления кислорода (VO₂), выделения углекислого газа (V_CO2) и концентрации лактата в крови (La) определяют величины, соответствующие порогам аэробного и анаэробного обмена, а также МПК.

В тесте темп педалирования поддерживается 60 или 75 об/мин. В этом случае при изменении сопротивления спортсмен должен рекрутировать все больше и больше мышечных волокон. Пока он рекрутирует окислительные мышечные волокна ЧСС и ЛВ изменяются по линейной зависимости. С началом рекрутирования гликолитических мышечных волокон, появляется лактат, ионы водорода, а значит избыточный углекислый газ. Эксцесс СО₂ вызывает дополнительную активизацию работы сердца и дыхательных мышц. Изломы на кривой «легочная вентиляция — мощность (потребление кислорода)» позволяют определить показатели мощности, потребления кислорода для вентиляционного аэробного и анаэробного порогов.

Гипотеза

Давно было замечено, что при тестировании с низким темпом быстро начинает наступать локальное мышечное утомление, поэтому велосипедисты тестируются с темпом 90 об/мин. Локальное утомление связано с накоплением молочной кислоты, которая образуется в рекрутированных мышечных волокнах. Гликолитические мышечные волокна рекрутируются только при определенном внешнем сопротивлении (внутренней интенсивности работы), поэтому при меньшем сопротивлении, когда рекрутируются только окислительные мышечные волокна, при увеличении темпа педалирования можно заставить вырабатывать большую механическую и метаболическую мощность окислительные мышечные волокна, поскольку метаболическая мощность митохондрий в них должна соответствовать мощности АнП. Следовательно, при педалировании с высоким темпом аэробный и анаэробный пороги должны приблизиться друг к другу или совпасть, а реальное максимальное потребление кислорода должно существенно увеличиться, поскольку уменьшение закисления крови снизит степень активизации ССС и ДС.

Методика

В эксперименте приняли участие 9 спортсменов (лыжники и легкоатлеты) от второго разряда до мастеров спорта международного класса. У всех спортсменов измерили массу и длину тела. Каждый испытуемый участвовал в трех опытах:

1) Cтупенчатый тест с темпом 75 об/мин, длительность ступени 2 мин., нагрузка изменялась по 5 Н (0,5 Кр).
2) Через мин. выполнялся второй ступенчатый тест с темпом 120 об/мин, длительностью ступеньки 2 мин, нагрузка изменялась по 2,5 Н (0,25 Кр).
3) В третьем опыте измеряли максимальную алактатную мощность, измеряли мощность в спринте на велоэргометре при внешнем сопротивлении (сила = 0,8×масса тела, Н).

В ходе опытов на велоэргометре «Монарк», измеряли ЧСС с помощью пульстестора POLAR-810, легочную вентиляцию с помощью “VOLID-900”.

Результаты

В табл. 1 представлены данные оценки физического развития испытуемых. Видно, что при увеличении темпа до 120 об/мин у данных испытуемых показатели АэП 120 и АнП 120, а также МПКп 75 и МПКр 120 совпадают между собой.

Таблица 1. Показатели физического развития и физической подготовленности испытуемых (объем выборки 9).

Причину такого тесного совпадения можно понять из экспериментальных данных, представленных на рис.1. Видно, что на кривой «ЧСС — внешняя мощность (Wex)» для темпа 75 об/мин имеется перелом, который соответствует аэробному порогу, далее появляется второй перелом и он идентифицируется как анаэробный порог по методике Васермана (Waserman, 1984). Линия «ЧСС — внешняя мощность» для темпа 120 об/мин лежит выше, однако часть энергии тратится на перемещение ног (Win). Вычислить эту мощность можно по данным Селуянова В. Н. и Савельева И. А. (1982), но можно и экспериментально, если сопоставить мощность развиваемую на одном пульсе при темпе 75 и 120 об/мин. В данном случае мощность на перемещение ног составила 120 Ватт. С учетом этой поправки была построена линия “ЧСС − (Wex + Win)”, которая точно легла на продолжение начального участка зависимости «ЧСС — Win» для темпа 75 об/мин. В этом случае мы получили совпадение мощностей на пульсе 190 уд/мин, как для случая теста с 75 об/мин, так и для темпа 120 об/мин. Если эти показатели определить как МПК потенциальное для 75 об/мин и МПК реальное для темпа 120 об/мин, то можно считать, что в тесте с 75 об/мин удается определить реальную возможность доставки кислорода к мышцам сердечно-сосудистой системой по показателю МПК потенциальное. МПК р в среднем составила 79% от МПКп. Можно, также отметить, что на уровне АнП при темпе 120 об/мин была зафиксирована мощность большая чем на уровне АнП при тестировании с темпом 75 об/мин, причем величина легочной вентиляции нами выбиралась равной для обоих случаев. Эта мощность в среднем была выше чем МПК-реальное.

Рис.1. Экспериментальные данные обследования легкоатлета 16 лет в ступенчатых тестах с темпом 75 и 120 об/мин.

Вывод

При сравнении зависимостей между ЧСС и мощностью в ступенчатых тестах с темпом 75 и 120 об/мин было показано, что линии накладываются друг на друга до момента наступления аэробного порога. По графику этой линии можно определять МПК потенциальное, которое должно в относительно чистом виде характеризовать потенциальные возможности сердечно-сосудистой системы по доставке кислорода к мышцам.

Литература

Селуянов В. Н., Савельев И. А. Внутренняя механическая работа при педалировании на велоэргометре. Физиология человека, 1982, 8, 2. С. 235 240.

Wasserman K. The anaerobic threshold measurement to evaluate exercise performance. //Am. Rev. Respir. Dis. Suppl. — 1984. — 129. — P. 35 — 40.

Источник

Максимальное потребление кислорода (VO2 max)

Содержание

ВОЗ рекомендует использовать в качестве одного из наиболее надежных показателей физической работоспособности человека величину максимального потребления кислорода (МПК или VO₂Max), которое является интегральным показателем аэробной производительности организма.

Потребление кислорода при мышечной работе увеличивается, как известно, пропорционально ее мощности. Однако такая зависимость имеет место лишь до определенного уровня мощности. При некоторых индивидуально предельных ее значениях (так называемой критической мощности) резервные возможности кардиореспираторной системы оказываются исчерпанными и потребление кислорода более уже не увеличивается даже при дальнейшем повышении мощности мышечной работы. Таким образом, максимальное потребление кислорода можно зарегистрировать только при нагрузках критической или надкритической мощности, когда функциональная мобилизация системы транспорта и утилизации кислорода достигает максимума (так называемого кислородного потолка). О максимизации аэробного обмена свидетельствует плато на графике зависимости потребления кислорода от мощности мышечной работы.

Каждое звено кардиореспираторной системы, которая объединяет комплекс систем и органов, может определять достаточность транспорта кислорода при нагрузке и, следовательно, играть лимитирующую роль. Однако в реальных условиях главным лимитирующим звеном в системе транспорта кислорода при интенсивной мышечной работе является система кровообращения.

Максимальное потребление кислорода — это то наибольшее количество кислорода, выраженное в миллилитрах, которое человек способен потреблять в течение 1 мин. Для здорового человека, не занимающегося спортом, МПК составляет 3200 — 3500 мл/мин, у тренированных лиц МПК достигает 6000 мл/мин.

Абсолютным критерием достижения испытуемым уровня максимального потребления кислорода(кислородного «потолка»), как уже было отмечено, является наличие «плато» на графике зависимости величины потребления кислорода от мощности физической нагрузки.

Наряду с абсолютным критерием существуют и косвенные критерии достижения МПК. К их числу относятся:

Максимальное потребление кислорода зависит от массы работающей мускулатуры и состояния системы транспорта кислорода и отражает общую физическую работоспособность (теснейшим образом связано с изменением уровня физической подготовленности человека).

До 20 лет происходит увеличение величины МПК, с 25 до 35 лет — стабилизация и с 35 лет — постепенное снижение МПК. К 65 годам максимальное потребление кислорода уменьшается примерно на треть.

МПК зависит от генетических факторов, возраста и пола. У женщин в зрелом возрасте МПК в среднем ниже, чем у мужчин, на 20—30 %; эта разница несколько сглаживается в юном и пожилом возрасте. Диапазон вариаций величин МПК у женщин значительно меньше, чем у мужчин.

И у мужчин, и у женщин МПК тесно связано с уровнем тренированности, возрастом и массой тела (в еще большей степени с мышечной массой), поэтому его измеряют также и в относительных единицах — мл/кг/мин. Если сравнивать МПК, отнесенное на единицу мышечной массы, у мужчин и женщин одного возраста и уровня тренированности, то различия могут оказаться несущественными.

Определение МПК в настоящее время используется для решения вопросов профессиональной пригодности, оценки тренированности спортсменов, диагностики состояния сердечно-сосудистой системы и органов дыхания. Считается, что в течение рабочего дня энерготраты на физическую активность не должны превышать 25—35 % от уровня максимальной аэробной мощности. Превышение допустимо лишь на некоторый ограниченный период времени, длительность которого обратно пропорциональна интенсивности энергообмена. Например, при нагрузках на уровне около 50 % от МПК в течение полного рабочего дня работа может продолжаться без ущерба для здоровья не более 12 нед, а при нагрузках на уровне 65—70 % от МПК — не более 2—3 дней. Поэтому, если известна индивидуальная величина МПК, можно с достаточной надежностью рассчитать допустимые уровни интенсивности нагрузок (трудовых, тренировочных и т. п.). С этой целью используются таблицы энерготрат при разных видах деятельности и таблицу предельно допустимого времени для нагрузок разной интенсивности.

Предельная длительность физических нагрузок разной интенсивности (Карпман В. Л. и др., 1988)

Интенсивность мышечной работы, % от МПК

Предельное время работы

Результатом тренировки способности максимального потребления кислорода являются физиологические адаптации, такие как увеличение объема плазмы крови, систолического объема сердца и сердечного выброса, капилляризация и, в конечном итоге, максимальное потребление кислорода. Иными словами, данные адаптации вызывают повышение эффективности транспортировки и использования кислорода, что очень важно, поскольку во время тренировок и соревнований оказывается давление как на центральную нервную систему (включая сердце и легкие), так и на периферийную нервную систему (включая мышцы, капилляры и митохондрии). Таким образом, улучшение транспортировки кислорода к мышечным клеткам (и в особенности повышение эффективности использования кислорода) является залогом улучшения результативности при занятиях теми видами спорта, в которых аэробная система является доминирующей или играет очень важную роль.

Для достижения указанных эффектов требуется продолжительность периода тренировки от одной до шести минут при максимальном потреблении кислорода на уровне 90-100 процентов (более высокая интенсивность для более коротких повторений и меньшая интенсивность для более длительных повторений). Количество повторений, выполняемых за одну тренировку, зависит от определенной продолжительности соревнования: чем больше продолжительность, тем меньше количество повторений (продолжительных). Таким образом, в течение определенной тренировочной сессии спортсмен может извлечь одинаковую пользу от выполнения, например, шести повторений длительностью по три минуты каждое при 100-процентном максимальном потреблении кислорода или восьми повторений длительностью по пять минут каждое при 95-процентном максимальном потреблении кислорода.

Как уже указывалось, прямое определение максимального потребления кислорода осуществляется в процессе сложного и довольно громоздкого эксперимента. Изматывающий характер процедуры определения МПК делает невозможным частое изучение этого информативного показателя физической работоспособности. Помимо этого, субъективное отношение испытуемого к обследованию и, часто, его нежелание выполнять предельные нагрузки существенно отражаются на возможности точно определить максимум аэробной производительности. В связи со сказанным понятна актуальность использования методик расчета величины МПК непрямыми методами.

Непрямые методы измерения МПК основаны на принятии положения о линейной зависимости между мощностью нагрузки, с одной стороны, и ЧСС или текущим потреблением кислорода — с другой. Во время дозированной нагрузки у испытуемых подсчитывают ЧСС, а МПК получают путем экстраполяции кривой зависимости «нагрузка — ЧСС». Обычно для этой цели используются формулы или номограммы.

К использованию непрямых методов измерения МПК прибегают, если нет соответствующей аппаратуры для прямого измерения МПК, в случаях, когда противопоказаны большие физические нагрузки (например, в пожилом возрасте), а также в повседневной практике.

Результаты многих исследований свидетельствуют о том, что непрямые методы измерения МПК являются достаточно точными. Поэтому к их использованию можно прибегать и при обследовании хорошо тренированных спортсменов, за исключением тех, спортивные результаты которых прямо зависят от состояния системы транспорта кислорода.

В настоящее время наиболее распространенными из существующих непрямых способов определения максимального потребления кислорода являются следующие.

Метод Астранда (1960) основан на использовании номограммы. Испытуемый выполняет однократную нагрузку на велоэргометре или путем подъемов на ступеньку (высота которой составляет 40 см для мужчин и 33 см для женщин) с постоянной частотой, составляющей 22,5 подъема в минуту (90 ударов метронома в минуту). На 5-й минуте нагрузки регистрируется ЧСС. Если это сделать невозможно, ЧСС подсчитывают в течение первых 10 с восстановления после нагрузки. Затем по номограмме находят соответствующее значение МПК.

Определение МПК по результатам теста PWC170. Величина PWC170 и величина МПК каждая в отдельности характеризуют физическую работоспособность человека. Между ними имеется взаимосвязь, близкая к линейной (коэффициент корреляции, по данным разных авторов, равен 0,7—0,9). В. Л. Карпманом предложена формула:

МПК = 1,7PWC170 + 1240.

Для спортсменов высокой квалификации и тренирующихся на выносливость эта формула имеет вид:

МПК = 2,2PWC170 + 1070.

По данным автора, величины МПК, полученные путем этого расчета, дают ошибку, не превышающую ±15 % величины МПК, полученной прямым методом. Расчетные (косвенные) методы менее точны, чем прямые, однако они очень удобны для использования в повседневной практике.

К сожалению, современные ученые пришли к выводу, что во многом этот показатель наследуется. А главная неприятность в том, что вы наследуете также способности улучшать этот показатель. А ведь именно от уровня потребления кислорода мышцами зависит, например, то, как быстро вы умеете бегать и как долго можете держать эту скорость. То есть ваши родители уже определили за вас насколько ваше тело восприимчиво к тренировкам. И поэтому если ваш сосед за год улучшил свой результат в марафоне на 25 минут, а вы все еще «сидите» в группе четырех часовых марафонцев, не стоит думать, что все зависит от уровня нагрузки и количества километров в неделю. Это может значить, что ваш организм менее восприимчив к нагрузкам. Вам надо проанализировать ваши данные и поменять стиль тренировок. Многочисленные исследования доказали, что все реагируют по разному на одни и те же нагрузки. У некоторых после 5 недель беговых тренировок по 50 минут 4 раза в неделю, VO2max увеличивается на 40 %, а у некоторых не увеличивается вообще.

Можем ли мы улучшить VO2max и как это сделать, если природа нас обделила талантом и сильной сердечнососудистой системой? Безусловно, лимит VO2max есть у каждого. Но если вы стремитесь к повышению своих результатов, если хотите быстрее и дольше бегать, вам надо работать над улучшением этого показателя. Может вам понадобиться немного больше времени, чтобы выйти на свой пик VO2max, чем другим более удачливым бегунам, например, родившимся в семье кенийских фермеров. Но ставить на себе крест, если у вас не все получается не стоит. Прогресс возможен и причем даже у людей старше 50 лет.

Улучшить показатель VO2max может каждый. Спортивные физиологи в один голос утверждают, что интервальные тренировки являются сильнейшим фактором в этом процессе. Делайте усилия на пределах ваших возможностей, с перерывами на отдых. Например, 6-8 интервалов быстрого бега на 400-800 метров с перерывами на легкий бег или ходьбу в течение 1-2 минут. Темповый бег на 20-30 минут также является отличной тренировкой.

Но самый быстрый способ улучшить форму – бег по холмам. Усилие при подъеме в гору не только «раскачивает» пульс до предельных размеров, но и дает нагрузку на мышцы ног. Найдите довольно крутой подъем на 60-100 метров. Забегайте на эту горку на полной скорости, а вниз «трусите» в свое удовольствие. Если вам повезло и рядом с домом есть холмистый маршрут для пробежки, можете не только делать на нем длинные медленные тренировки, но и бегать фартлеки. Бегите с разным темпом подъемы и спуски, один раз делая максимальное усилие на подъемах и отдыхая на спусках, в другой раз наоборот. Вы увидите, что «горные» тренировки дадут довольно быстрый эффект и прибавят вам не только мощи, но и выносливости. Знаменитая марафонка Гретте Вайц регулярно бегала горки в пригороде Осло, где она жила. Она бегала по холмам и зимой и летом, не смотря на погоду и обледенение, считая бег по холмам главной тренировкой недели.

Работая над улучшением VO2 max, не забывайте, что главное – правильно восстановиться после трудной тренировки. Здесь километраж имеет меньшее значение, чем полное восстановление.

Можно ли улучшить скорость и выносливость, если от природы VO2 max у вас низкий и плохо поддается улучшению? Да можно, утверждает физиолог Мэтт Фитцджеральд. В этом случае, вам надо дополнить тренировочные графики силовыми упражнениями на мышцы ног и корпуса, наращивая с помощью этого капиллярную сеть, доставляющую кислород к мышцам. Работайте над экономичностью бега, больше времени уделяя специальным беговым упражнениям на технику бега. Снижайте вес и жировую массу. Здесь логика та же, что и в автомобиле. Не факт, что машина с большим объемом двигателя в литрах будет быстрее, чем ее более маленькая конкурентка. Многое в скорости разгона автомобиля зависит от его веса и его КПД, то есть от того насколько эффективно автомобиль использует литры бензина и свои лошадиные силы. Анализируя свои спортивные и физиологические параметры, несмотря на генетические лимиты, вы сможете достичь своего идеала.

Источник

Влияние генетических особенностей на максимальное потребление кислорода и систолическую функцию левого желудочка в норме и в реабилитационном периоде после острого инфаркта миокарда

О статье

Инфаркт миокарда (ИМ) — наиболее грозное проявление ишемической болезни сердца, нередко приводящее к летальному исходу. Грамотно проводимые реабилитационные мероприятия позволяют на четверть снизить сердечно-сосудистую смертность и в 1,5 раза увеличить восстановление трудоспособности пациентов. Современная система реабилитации пациентов включает соответствующие мероприятия сразу после поступления пациента в реанимационное отделение и их продолжение на амбулаторном этапе в течение года. В то же время при одинаковой тяжести ИМ, одинаковой сопутствующей патологии реабилитационные мероприятия обладают иногда разной эффективностью. Это позволяет предположить влияние генетических особенностей пациентов на эффект реабилитации. Ее эффективность во многом зависит от максимального потребления кислорода и восстановления систолической функции левого желудочка. В статье обсуждаются результаты исследований, посвященных связи генетических особенностей пациентов и увеличения максимального потребления кислорода на фоне физических тренировок, а также связи генетических особенностей больных и систолической функции левого желудочка при сердечно-сосудистой патологии. Выявленные полиморфизмы, ассоциированные с максимальным потреблением кислорода и восстановлением систолической функции, могут стать предметом изучения у пациентов, проходящих реабилитацию после перенесенного ИМ. Результаты этих исследований позволят индивидуализировать процесс реабилитации, что повысит ее эффективность и, безусловно, позитивно скажется на прогнозе заболевания.

Ключевые слова: инфаркт миокарда, генетика, реабилитация, максимальное потребление кислорода, адаптация к физической нагрузке, восстановление систолической функции левого желудочка, однонуклеотидный полиморфизм, аллель.

Для цитирования: Головенкин С.Е., Никулина С.Ю., Максимов В.Н. и др. Влияние генетических особенностей на максимальное потребление кислорода и систолическую функцию левого желудочка в норме и в реабилитационном периоде после острого инфаркта миокарда. РМЖ. 2020;12:9-13.

Genetic characteristics effect on maximum oxygen consumption and left ventricular systolic function in normal condition and rehabilitation period after acute myocardial infarction

1 Krasnoyarsk State Medical University named after Prof. V.F. Voino-Yasenetsky, Krasnoyarsk

2 Institute of Internal and Preventive Medicine, the branch of the Federal Research Center «Institute of Cytology and Genetics of the Siberian Department of the Russian Academy of Sciences», Novosibirsk

Myocardial infarction (MI) is the most dangerous manifestation of coronary heart disease, commonly leading to fatal outcome. Competently conducted rehabilitation measures can reduce cardiovascular mortality by a quarter and increase patient recovery by 1.5 times. The modern patient rehabilitation system includes appropriate measures immediately after the patient is admitted to the intensive care unit and their continuation at the outpatient stage throughout the year. At the same time, rehabilitation measures sometimes give different efficacy with the same severity of MI and concomitant pathology. This suggests the patients’ genetic characteristics influence on rehabilitation measures effect. The efficacy of rehabilitation measures largely depends on the maximum oxygen consumption and restoration of left ventricular systolic function. The article discusses the study results concerning patients’ genetic characteristics and an increase in ma ximum oxygen consumption during physical training, and association between the patients’ genetic characteristics and left ventricle systolic function in cardiovascular disease. The revealed polymorphisms associated with maximum oxygen consumption and systolic function restoration can be the subject of study in patients undergoing rehabilitation after MI. These study results will make it possible to individualize the rehabilitation process, which will increase the effectiveness of the ongoing rehabilitation measures and will have a positive effect on the disease prognosis.

Keywords : myocardial infarction, genetics, rehabilitation, maximum oxygen consumption, adaptation to physical activity, restoration of left ventricular systolic function, single-nucleotide polymorphism, allele.

For citation: Golovenkin S.E., Nikulina S.Yu., Maximov V.N. et al. Genetic characteristics effect on maximum oxygen consumption and left ventricular systolic function in normal condition and rehabilitation period after acute myocardial infarction. RMJ. 2020;12:9–13.

Введение

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются ведущей причиной смерти в большинстве экономически развитых стран мира. Примерно половина из них обусловлена ишемической болезнью сердца (ИБС). Инфаркт миокарда (ИМ) — наиболее грозное проявление ИБС, нередко приводящее к летальному исходу. Во всем мире постоянно работают над методами оказания помощи таким больным. Важнейшими направлениями в этой работе являются совершенствование первичной профилактики, улучшение медикаментозного лечения, внедрение в работу высокотехнологичных методов оказания помощи. Особое место в этомпроцессе занимает кардиореабилитация. Добавление реабилитационных мероприятий к другим методам оказания помощи больным острым ИМ позволило в течение года снизить сердечно-сосудистую смертность на 26%, общую смертность — на 20%, увеличить полное или частичное восстановление работоспособности с 49% до 79%. В настоящее время в большинстве государств кардиореабилитации пациентов, перенесших ИМ, уделяется большое внимание. Современная система реабилитации пациентов включает соответствующие мероприятия сразу после поступления пациента в реанимационное отделение и их продолжение на амбулаторном этапе в течение года.

Выделяют три этапа реабилитации: ранний стационарный, стационарный реабилитационный и поликлинический реабилитационный. На каждом этапе обязательными компонентами являются медикаментозное и инструментальное воздействие, психологическая помощь и физические методы реабилитации. Под последними понимают постепенное расширение физической активности пациента после ИМ и поддержание ее на адекватном уровне в дальнейшем. Особенно важным является физический компонент реабилитации на амбулаторно-поликлиническом этапе. Именно на этом этапе важно к адекватной медикаментозной и психологической помощи добавить дозированную ходьбу, лечебную физкультуру, тренировки на велоэргометре или тредмиле. В настоящее время разработаны схемы увеличения физических нагрузок для каждого пациента в зависимости от его возраста, сопутствующей патологии, тяжести перенесенного ИМ. Это позволяет учесть особенности каждого пациента и подобрать ему адекватный уровень физической нагрузки. В то же время было замечено, что при одинаковой тяжести ИМ, одинаковой сопутствующей патологии реабилитационные мероприятия обладают иногда разной эффективностью. Это позволило предположить влияние генетических особенностей пациентов на эффект реабилитационных мероприятий. В последние 20–30 лет идет активное изучение влияния генетических особенностей пациентов на максимальное потребление кислорода, а также на систолическую функцию левого желудочка (ЛЖ) в норме и при различных ССЗ. Поскольку максимальное потребление кислорода и восстановление систолической функции ЛЖ являются важнейшими компонентами оценки эффективности реабилитационных мероприятий, мы проанализировали исследования, посвященные связи этих процессов с генетическими особенностями пациентов.

Усвоение кислорода на фоне физических нагрузок

Кардиореспираторная выносливость считается показателем риска заболеваемости и смертности от хронических заболеваний. Низкие значения максимального потребления кислорода (VO₂max) являются сильным фактором риска преждевременной смерти. Поэтому рекомендуется поддерживать определенный уровень физической активности для повышения VO₂max с целью снижения риска развития хронических заболеваний. Однако существуют большие различия между людьми, получающими тренировочные нагрузки. Поиск зависимости усвоения кислорода на фоне физических нагрузок от изменений последовательности ДНК начали еще в 1990-е гг. К началу 2000-х гг. появились первые обзоры результатов таких исследований. Большое внимание уделялось исследованиям митохондриальной ДНК (мтДНК), которая содержит гены 13 белков, участвующих в потреблении кислорода. Вариации в последовательности мтДНК этих генов могут частично объяснить различия в выносливости между людьми [1]. В Южной Корее показали значительную отрицательную связь между гаплогруппой B мтДНК и статусом элитного спортсмена (n=378, отношение шансов 0,37 (95% доверительный интервал (ДИ) 0,14–0,97, p=0,016)) [2]. В 2000 г. было опубликовано большое для того времени исследование ассоциации VO₂max с 289 полиморфными маркерами, которое показало связь с целым перечнем хромосомных локусов: 1p, 2p, 4q, 6p 8q, 11p и 14q [3]. В 2003 г. выполнено исследование 509 полиморфных маркеров для установления связи с VO₂max у негроидов (102 пары братьев и сестер) и европеоидов (351 пара братьев и сестер), ведущих малоподвижный образ жизни, и их реакции на стандартную 20-недельную программу тренировок на выносливость. При анализе результатов проводилась коррекция на возраст, пол, массу тела. Исходное значение VO₂max сцеплено с хромосомными локусами 11p15.1, 1p31, 7q32 и 7q36. Тренировочный ответ VO₂max показал связи с маркерами в хромосомных локусах 1p31, 16q22, 20q13.1 (негроиды) и с 4q27, 7q34 и 13q12 (европеоиды) [4].

К 2020 г. опубликовано несколько десятков статей, в которых представлены результаты изучения генетических вариантов на группах, выполнявших контролируемые аэробные упражнения с измерением VO₂max до и после упражнений. Большинство исследований выполнены в рамках генно-кандидатного подхода (гены электролитного баланса, липидного метаболизма, окислительного фосфорилирования и производства энергии, доставки кислорода и др.), некоторые — с использованием чипов для полногеномного анализа ассоциаций или с оценкой экспрессии отдельных генов [5]. Изучено около 100 генов на предмет ассоциации с VO₂max, но только 13 реплицированы более чем в 2 исследованиях: AMPD1 (rs17602729), CAMTA1 (rs884736), RGS18 (rs10921078), RyR2 (rs7531957), ZIC4 (rs11715829), ACSL1 (rs6552828), CD44 (rs353625), DAAM1 (rs1956197), NDN (rs824205), ACE (I/D), APOE (e2/e3/e4), CKM Ncol, rs6090314 [6]. Эти исследования имели целый ряд ограничений и различий: небольшие размеры выборок, разные критерии включения, в основном выполнены на европеоидах, минимальное количество исходных данных (программа тренировок, описание диеты и др.). Поэтому необходимы дальнейшие рандомизированные контролируемые исследования с более крупными и разнообразными когортами, в частности для определения генетических вариантов и факторов среды (интенсивность и объем тренировок, диета, лекарства, другие факторы образа жизни), которые могут потенциально влиять на экспрессию генов и результат тренировки. Например, согласно результатам исследования, опубликованным в 2020 г., при секвенировании полного митохондриального генома не удалось найти однонуклеотидные полиморфизмы (ОНП), ассоциированные с VO₂max, но они были найдены в ядерной ДНК в генах, кодирующих белки для митохондрий: DIABLO (rs11061368), FAM185A (rs113400963), MTG2 (rs6062129 и rs6121949), AFG3L2 (rs7231304), TIMM23 (rs7085433), SPTLC2 (rs1063271) [7].

Неоднозначность получаемых результатов подталкивает исследователей к поиску новых подходов к решению проблемы. Разобраться в значительном разбросе показателей эффективности влияния тренировок на увеличение VO₂max пытаются в том числе с помощью профилирования РНК. При построении регрессионной модели в нее вошли 11 ОНП. Такой сравнительно высокий результат удалось получить благодаря объединению профилирования РНК с анализом ассоциации ДНК-маркеров. У значительной части испытуемых получены хорошие результаты независимо от типа тренировок (кратковременные или долгосрочные аэробные тренировки средней интенсивности или максимальные режимы интервальных тренировок). Однако авторы отмечают, что около 20% исследуемых продемонстрировали улучшение максимальной аэробной способности менее чем на 5%. У 30% испытуемых не повышается чувствительность к инсулину на фоне тренировок. Эти факты говорят о необходимости индивидуальных тренировок с учетом генетических особенностей. Для этих людей требуются альтернативные подходы (подбор упражнений, лекарств, диеты и др.) для компенсации их генетических особенностей [8].

На базе семейного исследования HERITAGE оценили наследуемость прироста VO₂max после стандартной 20-недельной программы упражнений у 473 взрослых европеоидов (99 семей), ведущих малоподвижный образ жизни. Она составила 47%. Далее авторы выполнили полногеномное ассоциативное исследование, основанное на 324 611 ОНП. При унивариантном анализе достоверную ассоциацию показали 39 ОНП. При пошаговом множественном регрессионном анализе из 39 ОНП остался 21, объясняющий 49% дисперсии VO₂max. Субъекты, несущие ≤9 благоприятных аллелей из этих 21 ОНП, улучшили свой VO₂max на 221 мл/мин, тогда как те, у кого было ≥19 из этих аллелей, улучшили свой VO₂max в среднем на 604 мл/мин, т. е. в 2,7 раза больше. Самая сильная ассоциация оказалась с rs6552828 в гене ACSL1 (6% дисперсии VO₂max). Связь с ближайшим к гену ZIC4 полиморфизмом была подтверждена у 40–65-летних лиц с избыточным весом, дислипидемией, ведущих малоподвижный образ жизни. Ассоциация двух других ОНП (rs1956197, DAAM1 и rs17117533, NDN) была подтверждена у европеоидных женщин с ожирением и гиподинамией. Ассоциации с приростом VO₂max rs884736 и rs17581162 у европеоидов были обнаружены и у нег­роидов. По мнению авторов, эти генетические предикторы реакции VO₂max на регулярные упражнения представляют собой новые цели для изучения биологии адаптации организма к регулярным физическим нагрузкам. Требуются крупномасштабные исследования для подтверждения полученных результатов [9].

Прогнозирование реакции на регулярные упражнения — это очень актуальная тема из-за ее потенциальной роли в разработке программ персонализированной лечебной физкультуры. Прирост VO₂max демонстрирует большие индивидуальные вариации даже в ответ на стандартные программы тренировок. Наследуемость прироста VO₂max в 47% случаев предполагает, что одних только геномных предикторов недостаточно для учета общей вариативности прироста VO₂max. Полногеномные ассоциативные исследования показали, что прирост VO₂max зависит от множества генов с небольшим эффектом, но эти результаты все еще нуждаются в подтверждении. Особенно интересные данные были получены путем комбинирования профилей транскриптов скелетных мышц с молекулярно-генетическими маркерами для прогнозирования ответа VO₂max на тренировку с физической нагрузкой. Физиологические детерминанты VO₂max в значительной степени изучены, но при этом мало известно о деталях тканеспецифических молекулярных механизмов, которые ограничивают прирост VO₂max в ответ на тренировку с физической нагрузкой, и связанных с ними сигнальных путях. Исследования в области биоинформатики, основанные на тысячах ОНП, используются для изучения путей и систем, а не отдельных полиморфизмов и генов, и наряду с результатами экспериментальных исследований помогут со временем создать рабочую модель прогнозирования прироста VO₂max [10].

Результаты генетических эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что различия в последовательностях ДНК способствуют изменению уровня физической активности у людей, определяют кардиореспираторные возможности у нетренированных лиц, сердечно-сосудистую и метаболическую реакции на интенсивные упражнения и реакцию на регулярные упражнения. Благодаря научным достижениям стало возможным проведение молекулярного анализа генетических аспектов сложных многофакторных признаков. Сочетание транскриптомных и геномных технологий является более эффективным, о чем свидетельствует появление работ по созданию модели прогноза способности увеличивать VO₂max с помощью тренировок [9, 10]. Однако отдельные авторы настроены довольно скептически. Например, H. Hoppeler (2018) считает, что такой «мультигенетический» показатель, как VO₂max, слишком сложен для изучения (транскриптомные сети, модифицированные эпистазом, эпигеномом и эпитранскриптомом). По его мнению, несмотря на то, что генетический подход считается необходимым, его недостаточно для дальнейшего развития методических подходов к тренировкам по увеличению VO₂max [11]. Но это скорее исключение, многие ученые возлагают большие надежды на комплексное использование омиксных технологий в ходе крупных исследований с хорошо продуманным дизайном.

В 2020 г. опубликовано первое небольшое исследование, выполненное с участием не здоровых людей или спортсменов, а пациентов, в котором изучались эффективность, пригодность и безопасность смешанной программы аэробных и силовых тренировок интервального типа для улучшения физической формы у больных ИБС (n=23). Показатели VO₂max значительно улучшились после 12 нед. тренировок по сравнению с таковыми в контрольной группе. Мышечная сила увеличилась, а уровень липидов в сыворотке и уровень глюкозы в крови имели тенденцию к снижению после тренировок. Кроме того, авторы показали увеличение экспрессии генов кислородного обмена и снижение экспрессии генов воспаления в лимфоцитах и моноцитах [12].

Несмотря на ясное понимание того, что риск преждевременной смерти повышен при низких значениях VO₂max и, соответственно, поддержание определенного уровня физической активности для повышения VO₂max в ходе реализации программы реабилитации является необходимым и целесообразным, исследования по прогнозированию реакции VO₂max на регулярные упражнения у больных только начинаются. Вышеописанные успехи исследований с участием условно здоровых лиц и спорт­сменов заложили для этого хорошую основу. А первое исследование, выполненное на пациентах с ИБС, позволило подтвердить перспективность изучения потребления кислорода при проведении реабилитации больных ИМ. Результаты данного исследования могут позволить перейти к персонализированному подходу к реабилитации этой категории больных.

Генетические маркеры систолической функции ЛЖ после ИМ

Первые исследования ассоциаций систолической функции ЛЖ с генотипами генов-кандидатов ожидаемо были проведены на генах ренин-ангиотензиновой системы. При нормальных коронарных артериях лица, гомозиготные по аллелю С полиморфизма A1166C rs5186 гена AGTR1, имели значительно более низкую фракцию выброса (ФВ), чем лица с аллелем A (AC + AA). Ассоциация с I/D полиморфизмом гена АСЕ не обнаружена [13]. Тогда как в другом исследовании была показана ассоциация I/D полиморфизма гена ACE с ФВ ЛЖ у пациентов и с ИМ, и без ИМ [14]. В более позднем исследовании, выполненном в Греции на группе больных ИМ, ассоциации полиморфизмов A1166C гена AGTR1 и I/D гена АСЕ с ФВ не найдено [15]. В исследованиях, выполненных в последнее десятилетие в Индии, ассоциация подтверждена [16, 17]. Разная этническая принадлежность и, главное, разные подходы к формированию групп дают разноречивые результаты, что требует проведения дополнительных исследований. В Италии обнаружили ассоциацию полиморфизма Gln27Glu (rs1042714) гена ADRB2 не только с ФВ, но и с ответом на бета-блокатор карведилол [18]. В США наблюдали 122 пациентов после первого ИМ с подъемом сегмента ST в течение 6 мес. и показали, что пациенты, гомозиготные по варианту β2-Glu27, в 5,2 раза чаще попадали в группу с наибольшим прогрессированием конечного систолического объема (КСО). У них также было больше шансов иметь наибольшее увеличение конечного диастолического объема (КДО) и снижение ФВ. Гомозиготы по аллелю Arg в позиции аминокислоты 389 гена β1-AR с исходной дисфункцией ЛЖ имели снижение КСО и КДО и увеличение ФВ [19].

Матриксная металлопротеиназа 3 (matrix metallo-proteinase 3, ММР-3) отвечает за ремоделирование желудочков после ИМ. Обследовано 112 пациентов с ИМ с осложнениями и 140 пациентов с ИМ без осложнений. Все пациенты наблюдались на предмет осложнений ИМ во время госпитализации и через 6 мес. после нее. Уровни ММР-3 в сыворотке крови были значительно выше у пациентов с ИМ с осложнениями по сравнению с пациентами без осложнений. Кроме того, уровни MMP-3 у пациентов с ИМ — носителей генотипа 5A/5A были выше, чем у пациентов с генотипом 6A/6A. Нарушение функции ЛЖ чаще наблюдалось у носителей генотипа 5A/5A, чем у носителей генотипа 6A/6A [22]. Известно, что тканевые ингибиторы металлопротеиназ связываются с MMP активного матрикса и тем самым ингибируют их протеолитическую активность. Была исследована роль полиморфизмов в гене TIMP-1 и сывороточных уровней белка TIMP-1 с дисфункцией ЛЖ и симптомами острой СН после ИМ у пациентов, которым было проведено чрескожное коронарное вмешательство. Всего обследовали 556 пациентов с ИМ с подъемом сегмента ST. Уровни TIMP-1 измеряли при поступлении и через 24 ч после начала ИМ. Анализировали rs4898 гена TIMP-1. Уровни TIMP-1 были выше у мужчин с острой СН, а также у мужчин с дисфункцией ЛЖ (ФВ + канал NaV1.5, который отвечает за деполяризацию сердечного потенциала действия и межклеточную проводимость. Мутации, нарушающие кодирующую последовательность SCN5A, вызывают наследственные аритмии и кардиомиопатии, а ОНП ассоциированы с внезапной сердечной смертью и СН. Однако клиническое значение этих полиморфизмов остается недостаточно изученным. В недавнем исследовании был идентифицирован ОНП, влияющий на экспрессию гена SCN5A в сердце человека — rs1805126. Ранее было показано, что этот ОНП ассоциируется с электрофизиологическими параметрами сердца, но он не рассматривался как причинный. Авторам удалось показать, что miR-24 сильно подавляет экспрессию SCN5A и что rs1805126 модулирует эту регуляцию. Минорный аллель rs1805126 ассоциирован со сниженной экспрессией сердечного SCN5A, а у субъектов с СН, гомозиготных по минорному аллелю, снижена ФВ и повышена смертность, хотя не увеличена частота встречаемости желудочковых тахиаритмий [24].

Как известно, длина теломер является биологическим маркером старения, которое, в свою очередь, служит фактором риска проявления ССЗ. Была проанализирована когорта из 1106 пациентов с артериальной гипертонией с ФВ >40% и документально подтвержденными ССЗ или поражениями органов-мишеней. В многофакторном анализе длина теломер лейкоцитов (ДТЛ) была положительно связана с увеличением индекса массы миокарда левого желудочка (ИММЛЖ) и ФВ. Один полиморфизм rs16847897 рядом с геном TERC (telomerase RNA component) показал значительную ассоциацию с ФВ. Кроме того, были найдены еще 2 ОНП в гене BICD1 rs2630578 и rs1151026, ассоциированные с ФВ. Таким образом, генетические маркеры, ассоциированные с ДТЛ, имеют также ассоциацию с ИММЛЖ и ФВ у пациентов с гипертонией [25].

В конце 2019 г. опубликована статья, авторы которой на базе Фрамингемского исследования выполнили комплексный анализ, названный ими мультиомным подходом: чтобы выяснить потенциальные генетические факторы ремоделирования сердца и СН, они интегрировали ОНП всего генома, экспрессию генов и метилирование ДНК, используя аналитический подход трансомики. В анализ было включено 8372 участника. В течение среднего периода наблюдения 8,5 года у 223 (2,7%) и 234 (2,8%) человек развились эпизоды СН с уменьшенной ФВ и СН с сохранной ФВ соответственно. Гены, показавшие наиболее сильную ассоциацию: с систолической функцией ЛЖ — MMP20 и MTSS1 (способствуют сборке актина в межклеточных соединениях); с ремоделированием ЛЖ — ITGA9 (рецептор для VCAM1) и C5; с диастолической функцией — NUP210 (экспрессируется во время миогенной дифференцировки) и ANK1 (цитоскелетный белок); с СН с разными вариантами изменения ФВ — TSPAN16 и RAB11FIP3 (участвуют в регуляции актинового цитоскелета); ANKRD13D и TRIM69; HPCAL1 и PTTG1IP; ZNF146 и ZFP3. Кроме того, была реплицирована ассоциация с ФВ ОНП ранее идентифицированного в Биобанке Великобритании rs77059055 в гене TPM1. Интегративный подход к трансомике позволяет найти потенциальные молекулярные и генетические факторы, влияющие на СН, тем не менее необходима независимая проверка этих результатов [26].

Знание белков плазмы, уровни которых существенно изменяются при дисфункции ЛЖ после ИМ, поможет выявить новых кандидатов в биомаркеры и мишени для лекарств. Авторы измерили уровни 1305 белков плазмы через 1 мес. после ИМ в новозеландской (1-й) когорте, включая 181 пациента после ИМ, которые впоследствии были госпитализированы по поводу СН, по сравнению с 250 пациентами после ИМ, у которых СН не зафиксирована в течение среднего периода наблюдения 4,9 года. Потом была выполнена корреляция белков плазмы с ФВ, измеренной через 4 мес. после ИМ. Дополнительно были использованы данные сингапурской (2-й) когорты из 223 пациентов, перенесших ИМ. В 1-й когорте 212 дифференциально экспрессируемых белков плазмы были значительно связаны с последующей СН. 96 из них коррелировали с ФВ ЛЖ, измеренной через 4 мес. после ИМ. Анализ сети взвешенной коэкспрессии генов выделил 63 белка (набор данных 1). Кросс-когортный метаанализ 2-й когорты выявил 36 белков плазмы, связанных с пост-ИМ СН (набор данных 2). Анализ одноклеточных транскриптомов идентифицировал 15 генов-кандидатов (набор данных 3). Во всех трех наборах данных 6 белков оказались общими, включали хорошо известные биомаркеры пост-ИМ СН: N-концевой натрийуретический пептид B-типа и тропонин T, а также недавно появившиеся биомаркеры — ангиопоэтин-2, тромбоспондин-2, латентный трансформирующий фактор роста β-связывающий белок-4 и фоллистатин-связанный белок-3 [27].

Заключение

Таким образом, в настоящее время является общепризнанным, что низкие значения VO₂max увеличивают риск внезапной смерти, а регулярные физические тренировки повышают уровень этого показателя. В то же время исследования по изучению влияния генетических особенностей на повышение VO₂max на фоне регулярных физических нагрузок только начинаются. Важным этапом этого направления стали успешные научные работы, выполненные с участием спортсменов и лиц без патологии сердца. Первое исследование, проведенное на пациентах с ИБС, позволило подтвердить перспективность изучения потребления кислорода при проведении реабилитации больных ИМ. Выявленные полиморфизмы, ассоциированные с VO₂max и восстановлением систолической функции, могут и должны стать предметом изучения у пациентов, проходящих реабилитацию после перенесенного ИМ. Результаты этих исследований позволят осуществлять индивидуальный подход к процессу реабилитации у этой категории больных, что повысит эффективность реабилитационных мероприятий и, безусловно, позитивно скажется на прогнозе заболевания.

Источник