Тепловой стресс Содержание

 [убрать] 

• 1 Тепловой стресс у человека в условиях двигательной активности

• 2 Перспективы дальнейших исследований

• 3 Читайте также

• 4 Литература

Тепловой стресс у человека в условиях двигательной активности

Реакция нейроэндокринной системы при выполнении физических упражнений в условиях повышенных температур (здесь свыше 35 °С) существенно отличается от таковой при термическом воздействии в состоянии покоя в сауне. И это справедливо, поскольку выделение нейротрансмиттеров и гормонов может происходить под влиянием разнообразных стимулов, а двигательная активность влияет на характер функционирования нескольких сигнальных путей, изменяя их одновременно или последовательно (Giustina; Veldhuis et al., 1998). Несмотря на то что основная масса этих изменений может быть отнесена на счет повышения тонуса симпатической нервной системы (увеличения вентиляции легких, потребления кислорода, ЧСС) или возрастания активности гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой и/или симпатоадреномедуллярной систем, гормональный ответ на тепловой стресс и физическую нагрузку не всегда легко интерпретировать. Например: а) двигательная активность и термические стрессоры оказывают синергический эффект на концентрацию одних гормонов в плазме (норадреналина,адреналина, кортизола), в то время как в отношении других (дофамина, соматотропного гормона) такого синергизма не наблюдается (Brenner et al., 1997); б) концентрация пролактина в плазме под влиянием теплового воздействия возрастает в состоянии покоя сильнее, чем во время двигательной активности (Kukkoncn-Harju 1 а, 1989);в) концентрация кортизола в плазме может как возрастать, так и снижаться, в зависимости от циркадного ритма (Thuma et al., 1995).

В условиях одновременного воздействия физической нагрузки и теплового стресса взаимодействие нейротрансмиттеров и нейропептидов затрудняет детальное описание процессов терморегуляции организма. Одним из показательных примеров такого поведения является соматотропный гормон. Например, секреция соматотропина регулируется под влиянием нейропептидов (галанина, тиреолиберина, нейропептида Y, кальцитов и βэндорфина), нейротрансмиттеров (ацетилхолина, норадреналина, дофамина, 5-НТ и ГАМК), метаболических субстратов (глюкозы крови, L-аргинина) и гормонов (гонадального тестостерона,эстрогенов, соматостатина и тиреоидного гормона) (Giustina; Veldhuis et al., 1998). Идентифицированы несколько изоформ соматотропного гормона, однако различия в их физиологической функции пока не установлены (Baumann, 1999). И температура, и двигательная активность (интенсивность упражнений, чередование уровня нагрузки, продолжительность периодов отдыха) могут влиять на уровень секреции СТГ. Таким образом, его секреция, вероятно, регулируется с участием нескольких путей передачи сигнала, включая разнообразные цепи обратной регуляции, непосредственно на уровне аденогипофиза и/или за счет модуляции гипоталамической секреции соматолиберина или соматостатина. Секреция СТГ имеет отношение к регуляции температуры тела, поскольку дефицит соматотропина снижает потоотделение потовыми железами кожи (Lobie et al., 1990; Borer, 2003), уменьшает теплоотдачу за счет испарения жидкости и повышает риск серьезной гипертермии во время интенсивной двигательной активностью (Hjortskov et al., 1995).

На рис. показана комплексность взаимодействия дополнительных факторов, которые могут влиять на нейроэндокринную регуляцию температуры тела человека во время воздействия теплового стресса и физической нагрузки. Центральная часть этой схемы включает секрецию и клиренс гормонов, их связывание с мембранными рецепторами и связывающими белками и диссоциацию, а также реакцию симпатических эффекторов, которые способствуют рассеянию тепла за счет потоотделения и расширения поверхностных кровеносных сосудов. Эти компоненты нейроэндокринной функции подвергаются воздействию других стимулов, в число которых входят особенности протокола занятий физическими упражнениями, сбалансированность питания, обмена веществ и жидкости, наследственные и приобретенные признаки, а также факторы окружающей среды. Несмотря на то что сегодня практически невозможно дать простого объяснения такой многофакторной проблемы, в следующем подразделе мы рассмотрим наши текущие представления о том, каким образом эти факторы влияют на гормональный ответ на тепловой стресс в сочетании с физической нагрузкой.

Протокол физических упражнений. Исследования Хоффмана указывают на возможность использования норадреналина в качестве предпочтительного гормонального показателя нагрузки на организм человека при одновременном воздействии высоких температур и физической нагрузки (Hoffman et al., 1994). Основой для такого вывода стало отсутствие изменений адреналина, тестостерона и кортизола под влиянием низкоинтенсивной двигательной активности на тредмиле при температуре 33 "С, независимо от исходного состояния гидратации организма или потребления жидкости во время физической нагрузки. Две другие группы исследователей (Mora-Rodriguez et al., 1996; Castellani et al., 1997) также пришли к выводу, что норадреналин является более чувствительным нейроэндокринным маркером, по сравнению с адреналином в условиях низкоинтенсивной двигательной активности при повышенной температуре (33 "С в обоих исследованиях; занятия на велоэргометре 150 и 90 мин с интенсивностью 65 и 50 % V02max соответственно). Выраженные изменения уровня норадреналина при отсутствии колебаний адреналина были показаны для молодых мужчин, занимавшихся в теплоизолирующей одежде (формирование некомпенсируемого теплового стресса) в течение 60 мин на велоэргометре с интенсивностью 50 % V02max при 20 "С (Nybo et al., 2002). Вместе с тем при беге на дистанцию 16,1 км с высокой интенсивностью нагрузки (80 % V02max) на открытом воздухе при температуре 30 *С были обнаружены изменения и норадреналина, и адреналина (Hartung et al., 1987), что свидетельствует о возможности влияния на характер колебаний уровня катехоламинов интенсивности нагрузки или положения тела (вертикальное по сравнению с сидячим), и за счет этого изменения терморегуляции и аккумуляции тепла в организме. В связи с этим возникает вопрос; “Как компоненты протокола занятий физическими упражнениями влияют на нейроэндокринную и терморегуляторную реакцию организма?”

Борер (Borer, 2003) и другие специалисты считают, что гипофизарная секреция АКТГ и β-эндорфина, а также выделение кортизола корой надпочечников и гормонов стресса адреналина и норадреналина мозговым слоем надпочечников возрастает при интенсивности физических нагрузок выше 80 — 90% V02max в умеренных условиях. Вместе с тем в реальности ситуация может оказаться намного сложнее. Концепция Борера явно не учитывает результатов исследований, в которых было установлено: а) отсутствие изменений АКТГ, β-эндорфина и кортизола при трех сверх-максимальиых интенсивностях нагрузки (175, 230 и 318 % V02max; продолжительность 6—46 с; двигательная активность на велоэргометре в положении сидя; 23 'С) и повышение уровня этих гормонов при нагрузке 115% V02max (Кгаешег WJ. et al., 1989); б) стабильный уровень β-эндорфина в течение первого часа занятий на велоэргометре (50 % V02max; 35 'С) и его увеличение в промежутке между 75 и 120 минутами занятия (Kelso et al., 1984); в) снижение уровня кортизола при выполнении 5 тестов максимальной анаэробной мощности, разделенных на 30 с активного восстановления (при 22 ‘С и 35 ”С) (Hoffman et al., 1997); г) увеличение уровня адреналина, норадреналина и кортизола, сопровождавшее занятие на велоэргометре продолжительностью 120 мин с интенсивностью нагрузки 40 % VO.max (22 °С), с выходом уровня норадреналина на плато в промежутке 60—120 мин (Horton T.J. et al., 1998). Две группы исследователей, проводивших эти эксперименты, пришли к выводу о том, что гормональный ответ не зависит от продолжительности и интенсивности занятий (Kraemer W.J. et al., 1989), а если и зависит, то в большей степени от продолжительности, чем от интенсивности (Hoffman et al., 1997).

Несмотря на сложность интерпретации данных приведенных исследований, их неоднозначность, вероятнее всего, обусловлена различиями в условиях проведения эксперимента. Эту точку зрения подтверждают результаты исследований Кремера (Kraemer W.J. et al., 1995), показавших, что: а) различные протоколы интенсивной силовой тренировки вызывают изменения уровня β-эндорфина и кортизола, которые отличаются по кинетике; б) критическими параметрами протокола занятий оказались длительность интервала приложения силы и продолжительность отдыха между подходами. Исследования, в которых бы предпринималась попытка разделить независимые эффекты вида упражнений (езда на велосипеде, бег, силовые упражнения), типа (непрерывная илиинтервальная тренировка), интенсивности и продолжительности на гормональную реакцию, практически отсутствуют. Заслуживает внимания одно исследование, в котором была предпринята попытка разделить физиологический ответ на пребывание в условиях с температурой воздуха 23 и 40 ’С от реакции на физическую нагрузку (Brenner et al., 1997). Для полного понимания механизмов нейроэндокринной регуляции температуры тела, а также влияния различных протоколов занятий двигательной активностью требуется проведение значительного количества дополнительных исследований, особенно при температурах внешней среды выше 35 *С.

Диета и гидратация организма. Поскольку изменения уровня гормонов и нейротрансмиттеров могут повлиять па процессы мобилизации или запасания биохимических субстратов, адекватность или недостаточность диеты способна повлиять на нейроэндокринную функцию. Исследования данного вопроса были направлены на анализ значения двух независимых переменных: доступности энергии и состояния гидратации организма.

Во-первых, снижение концентрации глюкозы в крови (< 3,3 мМ) во время продолжительных упражнений сопровождается усилением активации гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, о чем свидетельствует повышение уровня АКТГ и кортизола в крови. Такой реакции, отражающей повышение физической нагрузки, можно избежать, если не допустить снижения уровня глюкозы (Tabata et al., 1991).

Во-вторых, потеря воды организмом также способна повлиять на терморегуляторную реакцию организма человека. Например, при ходьбе с низкой интенсивностью нагрузки (общей продолжительностью 140 мин, 4 интервала нагрузки по 25 мин, 28—30 % V02max) при 49 *С и 20 % относительной влажности воздуха у испытуемых при потере воды до -5 % исходной массы тела наблюдалось повышение концентрации кортизола и СТГ по сравнению с нормальной гидратацией организма (Francesconi et al., 1984). Снижение объема плазмы крови само по себе (-14,6 % по сравнению с 0 % в контрольной эксперименте) влияло на теплоотдачу во время продолжительной двигательной активности на велоэргометре и приводило к повышению ректальной температуры, сопровождавшему процесс обезвоживания (Roy et al., 2000) и усилению общей стимуляции симпатической нервной системы (т. е. увеличению уровня норадреналина в плазме при постоянной концентрации адреналина). Дегидратация, по-видимому, влияет на потоотделение через симпатическую холинергическую иннервацию и нейротрансмиттеры — ацетилхолин и норадреналин; она снижает чувствительность потовых желез к гипертермии и повышает температуру, при которой начинается потоотделение (Armstrong, Maresh, 1998). Таким образом, в условиях обезвоживания организма потоотделение в ответ на физическую нагрузку начинается гораздо позднее.

Было высказано предположение, что такие гипоталамические реакции обусловлены главным образом изменениями осмотического давления в тканях мозга или внеклеточной жидкости (Senay, 1979). Три работы, опубликованные по результатам исследований нашей лаборатории, подтверждают эту концепцию. В случае, когда здоровые мужчины занимались непрерывно на тренажере в течение 90 мин (наклон 5 %, интенсивность 36 % V02max) в камере с прогретым воздухом (33 ‘С, 56 % относительной влажности воздуха), измерения с помощью датчика точки росы показали, что локальная интенсивность выделения пота снижается параллельно с увеличением осмотического давления плазмы (от 281 до 324 мОсм-кг'1 и потерей влаги организмом (от -0,2 до -6,7 % массы тела) (Armstrong et al., 1997). В ходе этих экспериментов было обнаружено, что регидратация или восполнение запасов жидкости в организме существенно снижает уровень изменений норадреналина в плазме крови (Hoffman et al., 1994). Такая закономерность наблюдалась независимо от того, начинали участники занятие с нормальным уровнем гидратации или со сниженным. Отдельное исследование, проведенное в нашей лаборатории, установило, что восполнение запасов жидкости в организме оральным путем или с помощью внутривенного вливания 0,45 %-го раствора NaCl ослабляет изменения уровня норадреналина (т. е. активность симпатической нервной системы), АКТГ и кортизола (активность гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы) в плазме крови по сравнению с результатами независимого эксперимента, в котором при аналогичной физической нагрузке в сочетании с тепловым стрессом восполнение запасов жидкости в организме не производилось (Castellani et al., 1997). Эти результаты подтверждают концепцию, в соответствии с которой восполнение запасов жидкости в организме снижает осмотическое давление (307 мОсм-кг-1 без воды по сравнению с 293 мОсм-кг'1 с водой), это воспринимают гипоталамические нейроны, которые в свою очередь снижают стимуляцию потоотделения через симпатическую нервную систему и уровень секреции АКТГ в аденогипофизе. Эти умозаключения позволяют связать состояние гидратации организма и осмотическое давление с нейроэндокринным контролем температуры тела.

Содержание отдельных ионов также может влиять на терморегуляцию. В детальном обзоре, посвященном вопросу гипоталамической регуляции температуры тела, Майерс (Myers, 1980) сделал заключение, что гипертермии всего тела во время физической нагрузки экспериментальных животных можно избежать введением ионов кальция в гипоталамус. Это говорит о том, что отдельные ионы (кальций, натрий, калий и магний) играют роль в терморегуляторном ответе и теплоотдаче организма.

Пол и репродуктивные гормоны. После анализа многочисленных публикаций мы пришли к выводу, что о влиянии пола на нейроэндокринную регуляцию температуры тела у человека практически ничего не известно, поскольку исследований в этом направлении с анализом регулярной двигательной активности при повышенных температурах не проводилось. Было проведено всего несколько сравнительных исследований с участием лиц обоих полов, включавших занятия физическими упражнениями при умеренных температурах (22 °С) (Horton T.J. et al., 1998; Kraemer R.R. et al., 1989; Davis et al., 2000) или пребывание при высокой температуре (90 "С) в состоянии покоя (Jezova et al., 1994), результаты которых не позволяют сделать определенных выводов. Колебания уровня репродуктивных гормонов также могут создавать основу для половых различий. Например, изменение уровня соматотропного гормона в ответ на физическую нагрузку варьирует в зависимости от стадии менструального цикла (Hansen, Weeke, 1974), а оральные контрацептивы усиливают индуцированную двигательной активностью секрецию СТГ (Bernardes, Radomski, 1998). Эти эффекты могут быть обусловлены взаимодействием эстрогена на гипоталамическую регуляцию секреции СТГ. Эстроген может также влиять на радиационную и конвекционную теплоотдачу за счет увеличения биодоступности оксида азота, который является мощным вазодилятором (Chen Z. et al., 1999). Эстрадиол и прогестерон также известные модуляторы интенсивности потоотделения, подкожного кровообращения и метаболическоготермогенеза; изменяют внутреннюю температуру тела на протяжении менструального цикла (Kolka, 1999). И хотя рассмотренные данные не позволяют ответить однозначно на вопрос о влиянии половых отличий на терморегуляцию организма у человека, они предоставляют возможность определить направление работ и сформулировать гипотезы для подтверждения в дальнейших исследованиях.

Адаптационные изменения, связанные с акклиматизацией организма к условиям повышенных температур. В течение 5—14 дней влияния на организм разнообразных стрессовых воздействий внешней среды (жары, холода, пониженного атмосферного давления) в организме человека происходит комплекс системных, ультраструктурных и биохимических адаптационных процессов, которые в целом носят название акклиматизация (Armstrong, Maresh, 1991). Очевидно, что акклиматизация включает адаптационные изменения, затрагивающие ЦНС и нейроэндокринную систему, которые проявляются в виде снижения ректальной температуры (усиления ответных реакций периферических эффекторюв, повышающих теплоотдачу), ЧСС, концентрации натрия в поте и моче (т. е. секреция альдостерона в коре надпочечников), а также температурного порога стимуляции потоотделения (Armstrong et al., 1987; Armstrong, Maresh, 1991). Это происходит одновременно с увеличением общей интенсивности потоотделения (возбуждения симпатической холинергической иннервации) и объема плазмы (стимуляции симпатического контроля расширения сосудов через а- и бета2-адренергические рецепторы, расположенные в предкапиллярных кровеносных сосудах) (см. Horowitz, Gival, 1989).

На животной модели акклиматизации к повышенным температурам продемонстрированы модификации центральной функции нейроэндокринной системы в виде повышении уровня норадреналина и дофамина в переднем гипоталамусе (Christman, Gisolfi, 1985) в сочетании с повышением теплоотдачи на периферии. Согласно этим данным, у акклиматизированных к повышенной температуре крыс стабильно наблюдается повышенная терморегуляторная чувствительность к инъекциям в передний гипоталамус различных нейромодулирующих агентов, включая норадреналин и 5-НТ (Gordon, 1993).

Исследования ультраструктурных и метаболических адаптаций, связанных с акклиматизацией к повышенным температурам, были проведены Хоровицем (Horowitz, 1998). Во-первых, были обнаружены адаптационные изменения на уровне ЦНС в переднем гипоталамусе, включая изменение состава мембранных компонентов, которое сопровождалось периферическими изменениями плотности рецепторов, аффинности рецепторов к определенным видам молекул и концентрации Са2+ в цитозоле. Во-вторых, у лиц, участвовавших в программе акклиматизации к физической нагрузке в условиях повышенных температур, наблюдалось снижение уровня потребления кислорода (более низкое V02 при одной и той же абсолютной нагрузке) (Sawka et al., 1983). Об этом явлении до последнего времени было известно мало. Эксперименты на животных обнаружили повышение эффективности биохимических процессов (т. е. снижение уровня метаболизма) в сердечной мышце, происходящее в том же временном диапазоне, в котором наблюдалось увеличение запасов гликогена, а также повышение уровня утилизации глюкозы и гликолитического потенциала (Horowitz, 2003). Такие биохимические изменения способствуют росту энергетического потенциала сердечной мышцы, что позволяет сердцу справляться с нагрузкой, возросшей в результате совместного действия физических упражнений и повышенной температуры.

В одном из опубликованных недавно обзоров (Armstrong, Stoppani, 2002) описана развивающаяся концепция контроля со стороны ЦНС адаптаций к повторяющемуся тепловому стрессу и подчеркивается значение пластичности нервной системы, которая позволяет ей синхронизировать свои воздействия с измененными биохимическими путями. Авторы предлагают несколько возможных механизмов физиологической адаптации организма человека, в числе которых: а) контроль со стороны ЦНС за привыканием (ослабленная синаптическая передача), пороговой температурой ядра тела или схемой нервного взаимодействия; б) биохимические и ультраструктурные адаптации (изменение характеристик клеточной мембраны; изменения внутриклеточной концентрации органелл и ферментов, ограничивающих скорость процессов энергетического метаболизма); в) ответ эффекторных органов (изменение пороговой температуры стимуляции поверхностного кровообращения или потоотделения, а также размеров нервно-мышечного контакта). Поскольку многие нейробиологи считают, что хранение информации ассоциировано с определенными областями обработки информации, принимающими участие в контроле гомеостаза, можно теоретически предположить, что передний гипоталамус (интеграция терморегуляторных сигналов), мозжечок или мост (контроль ЧСС, артериальное давление, вентиляция) и ретикулярная формация (интеграция входящей нервной информации) вовлечены в процесс акклиматизации к повышенным температурам (Armstrong, Stoppani, 2002).

Адаптационные изменения механизмов гормонов терморегуляции и стресса, обнаруживаемые у животных и человека через 7 — 10 дней акклиматизации к физическим нагрузкам при температурах 35 — 49 °С. Принимая во внимание многочисленность факторов, оказывающих влияние на долговременные нейроэндокринные адаптации во время акклиматизации к повышенным температурам, основной целью табл. является уточнение направлений предстоящих исследований.

Адаптации к физическим тренировкам. Поскольку акклиматизация к физическим нагрузкам в условиях повышенных температур включает воздействие на организм регулярных физических нагрузок, логично предположить, что реакции приспособления к повышенным температурам будут в определенной степени совпадать с адаптационными изменениями, обусловленными физической тренировкой (Armstrong, Pandolf, 1988). Действительно, выполнение программы тренировки на выносливость сопровождается снижением пороговой температуры начала потоотделения, увеличением объема плазмы, увеличением объема сердечного выброса, понижением ЧСС, снижением температуры кожи ректальной температуры, а также увеличением VOmax. Такое сходство подтверждается и многочисленными сообщениями о том, что организм хорошо подготовленных спортсменов, которые занимались аэробной тренировкой исключительно при нормальных и пониженных температурах, реагирует на физическую нагрузку в условиях повышенных температур так, как если бы он был уже акклиматизирован (Armstrong, Maresh, 1991). В нескольких исследованиях была проведена оценка гормонального ответа на многонедельную программу физической тренировки в условиях нормальной и пониженной температур. В целом все эти исследования демонстрируют увеличение функциональных возможностей, которое проявляется в виде повышения уровня АКТГ, адреналина, норадреналина и эндорфина в крови (Viru, 1992). К сожалению, исследования, посвященные изучению влияния физических тренировок на нейроэндокринную регуляцию температуры тела человека в различных условиях, крайне ограничены и в настоящий момент не позволяют сделать каких-либо обобщений.

Тепловой удар и тепловое истощение, обусловленные физиологическим напряжением. Тепловое истощение, обусловленное физиологическим напряжением, выражается в неспособности продолжать занятие двигательной активностью из-за сердечно-сосудистой недостаточности. Это нарушение, имеющее отношение к гипертермии, достаточно часто встречается у военнослужащих, спортсменов и лиц гражданских специальностей и требует для полного восстановления организма от 24 до 48 ч. Оно является результатом истощения запасов жидкости и/или солей в организме (Armstrong, Anderson, 2003). Тепловой удар, медицинское состояние, требующее неотложного вмешательства врачей, может произойти в случае, когда тепловой стресс, связанный с воздействием внешней среды и интенсивным мышечным метаболизмом, превосходит возможности теплообмена организма. Сильная гипертермия может привести к значительным нарушениям функции ЦНС, а также других систем организма и даже смерти в случае, если тело пострадавшего не охладить как можно быстрее (Casa, Armstrong, 2003). По этическим соображениям, исследователь не может вызвать состояние теплового истощения, обусловленного физиологическим напряжением, у участников экспериментов, поэтому практически во всех исследованиях нейроэндокринного ответа на тепловое истощение, обусловленное физиологическим напряжением, используются данные ретроспективного анализа. Помимо стрессовой реакции симпатоадреномедуллярной и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой систем на гипертермию или занятия физическими упражнениями до утомления, в патофизиологию теплового истощения вовлечены также β-эндорфин, дофамин и 5-НТ.