Факторы риска развития кардиоваскулярной патологии при воздействии низких температур
Факторы риска развития кардиоваскулярной патологии при воздействии низких температур
Аннотация
В данном обзоре рассмотрены известные механизмы развития холод-индуцированных патологий сердечно-сосудистой системы и вклад индивидуальных особенностей организма и условий жизнедеятельности в адаптивные ответы на воздействие экстремальных температур. Понимание особенностей компенсаторно-приспособительных механизмов адаптации сердечно-сосудистой системы в условиях холодового стресса с поправкой на пол, возраст, длительность и качество проживания в абиотических условиях, может послужить важным аспектом разработки персонализированных стратегий защиты организма от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Адресный подход к реализации превентивных мер по укреплению сердечно-сосудистой системы и минимизации дезадаптивных эффектов холодового стресса поспособствует обеспечению безопасности здоровья населения северных регионов.
1. Введение
Температура окружающей среды оказывает всеобъемлющее влияние на физиологию человека, от уровня кратковременных локальных процессов до широкомасштабных структурно-функциональных изменений . Холодовой стресс является причиной развития холодовой крапивницы, феномена Рейно, артериальной гипертонии , , . Холодовая реактивность повышается у людей с острыми нарушениями мозгового кровообращения, холод-индуцированная вазоконстрикция усугубляет напряжение адаптивных систем у данной клинической группы .
Сердечно-сосудистая система, будучи ключевым органом кровообращения, имеет возможность корректировать свою работу и структуру для обеспечения оптимального функционирования при изменениях окружающей среды, в том числе при воздействии низких температур . Сердечно-сосудистая система демонстрируют широкий спектр физиологических реакций на острое и хроническое изменение температуры . С климатическими условиями связывают избыточную заболеваемость и смертность в зимний период, и существенную долю вносят сердечно-сосудистые заболевания . Даже в странах с «мягкими зимами», смертность в зимний период выше, чем летом. К примеру, в Португалии отмечено зимнее нарастание смертности на 28%, в Испании и Ирландии на 21% . Баланова и др., выявили избыточный уровень смертности в Москве в зимний период. Средний индекс избыточной зимней смертности в Москве, согласно анализу авторов, за 8 лет составил 5,1%, что было сопоставимо с данными по Архангельской области (5,3%). Так же, как при анализе индекса избыточной зимней смертности в трех регионах РФ (Саратовской, Ивановской и Архангельской областях), этот показатель был равен 13,9% .
Сегодня имеется несколько теорий механизмов развития холод-индуцированных патологий: теория местного нарушения кровообращения в тканях; нервно-рефлекторная теория; и нейрогуморальная теория. Воздействие низких температур на ранних этапах компенсируется возможностями местной терморегуляции . Истощение местных адаптивных резервов сопровождается замедлением биохимических и биологических процессов в охлажденном участке, с последующим снижением функционирования систем, обеспечивающих тканевое дыхание, обмен веществ, нервную регуляцию. Пусковым моментом в развитии обширных патогенных процессов является спазм сосудов, наступающий в результате активации симпато-адреналовой системы, в направлении от сосудов кожи к магистральным сосудам , . Последующее угнетение противосвертывающей системы крови и нарушение тканевого дыхания за счет обратимого ингибирования окислительно-восстановительных процессов, уменьшение скорости кровотока в тканях приводит к торможению метаболических процессов и гипоксии тканей .
Необходимо отметить, что ткани при гипотермии способны сохранять жизнеспособность в течение длительного времени, и нельзя точно установить температурную границу гибели клеток. Основные патологические изменения в тканях развиваются при их внешнем согревании в раннем реактивном периоде , , . Повышение потребности в кислороде, активация обменных процессов в поверхностных тканях, при отсутствии адекватного кровообращения приводит к тяжелой гипоксии. Кроме того, холодовая вазоконстрикция при согревании сменяется паретическим расширением, стазом и резким ухудшением кровотока как в микроциркуляторном русле, так и в магистральных сосудах, что вызывается агрегацией форменных элементов и тромбозом , .
Таким образом, длительные периоды тканевой гипотермии чередуются с периодами кратковременного и неполного отогревания, после которого не происходит восстановления нормального функционирования тканей. Так, последующее охлаждение наслаивается на уже существующие нарушения. Вторичная гипотермия усугубляет уже имеющиеся нарушения кровообращения, путем ухудшения венозного оттока, повышения проницаемости сосудистой стенки и выпотевания жидкой части крови. Повышение проницаемости сосудов обуславливается действием вазоактивных веществ, прежде всего гистамина и серотонина, высвобождающихся при разрушении клеток. Развивается набухание стенок и сужение просвета капилляров, развивается тромбообразование и повреждается эндотелий. Таким образом, воздействие холода сопровождается расстройствами микроциркуляции, изменением реологических свойств крови и нарушением трофики тканей , , .
Согласно ряду работ, компенсаторно-приспособительные ответы системы кровообращения в условиях холодового стресса реализуются в несколько стадий, ограниченных по продолжительности . Для первого года климатической адаптации характерно увеличение функционирования (напряжения) сердечно-сосудистой системы, преимущественно в ночное время суток. Данные приспособительные климатические реакции объединяются в фазу мобилизации или дестабилизации. Далее, на протяжении четырех лет реализуется стадия стабилизации, с установлением хронического напряжения кардиогемодинамических функций. Последующие 5-7 лет, в переходную фазу, наблюдается относительное снижение сердечно-сосудистой функции, с замедлением кровотока, некоторым изменением гемодинамических показателей (снижение минутного и объема кровотока, увеличение периферического сопротивления сосудов и системного артериального давления), урежением частоты сердечных сокращений. Спустя 10 лет и более, в ответ на продолжающие климатические нагрузки развивается устойчивое истощение адаптивных возможностей кардиогемоданимики (фаза истощения), с клинической манифестацией симптоматики холод-индуцированных заболеваний сердечно-сосудистой системы .
Цель данного обзора – рассмотреть известные механизмы развития холод-индуцированных патологий, вклад гендерных, возрастных, генетических особенностей организма в адаптивные ответы на воздействие экстремальных температур, с последующим определением агентов, на которые должны быть нацелены стратегии, направленные на минимизацию риска сердечно-сосудистых заболеваний и побочных эффектов холодового стресса.
2. Основные результаты
2.1. Актуальные механизмы развития холодовой гипертензии
Сдвиги гомеостатических систем органов кровообращения, сопровождающих длительное пребывание в абиотических условиях (более 10 лет) выражаются в развитии гипертензивных и ишемических явлений, структурных изменений сердца и сосудов . Первичной адаптивной реакцией организма на воздействие холода является повышение артериального давления . Значительное увеличение среднего систолического артериального давления/диастолического артериального давления примерно на 10/4 мм рт. ст. наблюдается в зимнее время у популяций, проживающих в более щадящих климатических зонах относительно абиотических условий . Следует отметить, что повышение артериального давления служит важным сердечно-сосудистым ответом на воздействие холода, обеспечивающим усиление функции кровообращения для увеличения несократительного термогенеза и скорости обмена веществ с целью поддержания температуры тела . Воздействие холодового стресса на организм, с последующим снижением средней температуры кожи и внутренней температуры, сопровождается активацией регуляторных механизмов для поддержания необходимого кровотока, в частности, рефлекторным увеличением активности эфферентных симпатических нервов кожи . Следующее за этим адаптивное сужение периферических кровеносных сосудов и снижение кожного кровотока в некоторой степени минимизируют потерю тепла . При этом повышение артериального давления, вызванное более длительным воздействием холода, может быть необратимым после возвращения к термонейтральной температуре . Кроме того, распространенность кардиоваскулярной патологии напрямую коррелирует с продолжительностью пребывания в абиотических условиях , . К примеру, van Bergen и др. установили зависимость между количеством часов периодического воздействия холода в день и уровнем систолическим артериального давления .
Недавние исследования демонстрируют, что в механизме холод-индуцированной гипертонии преимущественно участвуют симпатическая нервная система, ренин-ангиотензин-альдостероновая система, оксид азота и эндотелин-1 . При этом превалирующая роль той или иной системы в реализации холод-индуцированной артериальной гипертензии еще устанавливается . Активация симпато-адреналовой системы при воздействии холода играет ключевую роль в акклимации организма . Реакция симпато-адреналовой системы в некоторой степени зависит от длительности акклиматизации к низким температурам, однако первичной является повышенная экскреция катехоламинов, индуцирующая кратковременные явления кожной вазоконстрикции, с последующим повышением уровня базального потребления кислорода , . Установлено, что данные сосудистые сократительные реакции реализуются за счет α2 рецепторов , . Помимо этого, вазоконострикция опосредуется неадренергическими симпатическими паттернами, к примеру, при холодовой гипертонии наблюдается усиленная рефлекторная кожная вазоконстрикция, вызванная адренергической чувствительностью сосудов, так и большим вкладом таких неадренергических симпатических котрансмиттеров, как нейропептид Y и АТФ . Следующие за этим явления артериальной гипертензии, как правило, носят транзиторный характер . Изменения нейрососудистой функции при холодовом стрессе в первую очередь выражаются суррогатными показателями симпатической активности – колебаниями частоты сердечных сокращений, вариабельностью показателей артериального давления .
В патогенез холод-индуцированной гипертонии активно вовлекаются ренин-ангиотензин-альдостероновая система и эндотелиальный оксид азота . Экспериментальное снижение ренина, блокада рецепторов антигиотензина I, ангиотензин I-превращающего фермента устраняют вызванное холодом повышение артериального давления, что свидетельствует о решающей роли ренина в патогенезе холод-индуцированной гипертонии . Кроме того, ключевым патогенным фактором служит повышение уровня эндотелина-1 в мелких сосудах, сердце и почках , . Эндотелин-1 является наиболее мощным сосудосуживающим средством за счет связывания с рецепторами, расположенными на гладкомышечных клетках . Эндотелиальная дисфункция индуцирует снижение продукции вазодилататора – оксида азота (NО), что дополнительно стимулирует вазоконстрикцию . Самостоятельное снижение продукции оксида азота при холодовом стрессе, при нормальном уровне основных вазоконстрикторов – ангиотензина II и эндотелина-1, в некоторой степени также провоцирует развитие эндотелиальной дисфункции и способствует стойкому повышению артериального давления .
Таким образом, в контексте терморегуляции и поддержания внутренней температуры выражен симпатически-опосредованный контроль сосудистой сети кожи, который не только сохраняется, но и усиливается при гипертензии . Кроме того, индуцируемая холодом дисфункция эндотелия с активацией сосудистых вазоконстрикторов и снижением продукции вазодилататора оксида азота вызывает стойкое повышение артериального давления и служит предиктором последующих неблагоприятных кардиоваскулярных событий .
Помимо влияния эндотелиальных факторов и роли адренергических и неадренергических симпатических комедиаторов в опосредовании вазоконстрикторного ответа на холодовой стресс при гипертонии, в патогенезе холодовой гипертензии рассматривается дисфункция кишечного барьера . Согласно экспериментальным данным Zhang и др., воздействие холода вызывает сосудистую дисфункцию из-за снижения экспрессии белка фосфорилированной эндотелиальной синтазы оксида азота в аорте, повышает уровень кишечных воспалительных цитокинов, фактора некроза опухоли-α и выработку интерлейкина-6 в аорте, что приводит к воспалению сосудов. Кроме того, воздействие холода также увеличивает проницаемость кишечника, ингибируют экспрессию белков плотных соединений в проксимальном отделе толстой кишки и приводит к дисфункции кишечного барьера. Исследователями продемонстрировано успешное обращение вспять вызванного холодом воспаления сосудов, путем фармакологического ингибирования воспалительных цитокинов кишечника . Кроме того, воздействие холода уменьшает разнообразие микробиоты кишечника, увеличивает численность потенциально – и условно-патогенных бактерий (например, родов Quinella, Rothia и Senegalimassilia), снижает содержание масляной кислоты, что может быть связано с повышением артериального давления. Причем, перекрестная трансплантация фекальных бактерий меняла состав микробиоты кишечника и отрегулировала уровень артериального давления .
2.2. Структурные и функциональные изменения сердца в ответ на непрерывное и периодическое охлаждение
Несмотря на способность миокарда к гибернации (очаговая обратимая дисфункция миокарда, путем снижения внутриклеточного энергетического метаболизма, и угнетения сократительного состояния кардиомиоцита, повышающая устойчивость миокарда к ишемии при воздействии холода) , холодовой стресс вызывает патологическое ремоделирование сердца, характеризующееся изменением структурных и функциональных параметров , . В экспериментальных условиях, выявлено, что левый желудочек подвергается перегрузке давлением в ответ на воздействие холода , а острое воздействие холода (20 минут при температуре 15°C) повышало системное артериальное давление, одновременно увеличивая нагрузку на стенку левого желудочка . Кроме того, другие исследования, проведенные в тех же условиях (20 минут при 15°C), показали увеличение сердечной преднагрузки у пожилых людей . При кратковременном воздействии холода (~7 °C в течение 2 часов) у здоровых людей регистрируются нарушения проводимой способности сердца, что может повысить предрасположенность к аритмиям и фибрилляции .
Экстремальный температурный режим внешней среды способствует развитию неблагоприятного ремоделирования сердца, с последующим изменением функциональных свойств сердца (сердечного выброса, ударного объема и фракции выброса) , . Кроме того, у пациентов с установленной ишемической болезнью сердца воздействие холода ухудшает работоспособность миокарда, что характеризуется задержкой расслабления и снижением сократимости. В основе сердечных изменений на воздействие холодового стресса, лежит симпатическая гиперактивность с последующим высоким и устойчивым уровнем артериального давления, изменениями в метаболизме и процессах аутофагии, усилением окислительного стресса и апоптоза . Хроническая перегрузка давлением, дополняется пагубным воздействием активированных свободных радиков и активацией сенсорных ионных каналов . Локализованный в левом желудочке неселективный катионный белковый канал TRPV1, активируется под влиянием эндогенных и экзогенных стимулов, физического и химического характера, в том числе при воздействии высоких и низких температур . Повышенная экспрессия канала, характерная для гипертрофированного сердца, дополнительно способствует увеличению сердечных аутофагосом (двухмембранные системы внутриклеточной деградации цитоплазматического содержимого) . Открытие ионного канала TRPV1 также запускает процесс биогенеза митохондрий с целью их восстановления. Поврежденные митохондрии, являются основным местом производства свободных радикалов в условиях окислительного фосфорилирования, а также основной мишенью окислительного повреждения при стрессе вызванной перегрузкой давлением . Выработка активных форм кислорода, с последующим развитием окислительного стресса, повреждением митохондрий, активацией сенсорного белка температуры TRPV1, запуском процесса аутофагии в сердечной мышце, в комплексе с хронической перегрузкой давлением, провоцируют гипертрофию сердца, повышают риск развития инфаркта миокарда, приводят к обострению сердечной недостаточности и увеличивают тяжесть холодовой гипертонии .
2.3. Особенности адаптивных реакций системы кровообращения на воздействие низких температур у различных групп населения
Степень преобладания тех или иных компенсаторно-регуляторных реакций организма в ответ на воздействие низких температур отличается в зависимости от возраста, гендерной принадлежности, генетических особенностей и других факторов. К примеру, холодовое воздействие усугубляет ранее существовавшие сердечно-сосудистые заболевания, значительно нарушает функцию и перфузию миокарда в более короткие сроки у людей с хроническими заболеваниями других органов и систем, чем у здоровых людей . Кроме того, диапазон чувствительности симпатического рефлекторного контроля кожной вазоконстрикции опосредованный адренергическими, так и неадренергическими нейромедиаторами имеет значительные возрастные градации . Рефлекторная вазоконстрикция кожных кровеносных сосудов в ответ на охлаждение, призванная эффективно минимизировать конвективные потери тепла в окружающую среду достаточно хорошо выражена у молодых людей; однако способность снижать кожный кровоток в ответ на охлаждение с возрастом снижается . Помимо этого, с возрастом ухудшаются адаптивные функции, опосредованные нейропептидом Y. По сравнению людьми молодого возраста, пептидергическая иннервация в сосудистом русле стремительно снижается после 60 лет . Предполагается, что старение может поставить под угрозу выработку и/или активность котрансмиттеров, по причине возрастного снижения скорости синтеза котрансмиттеров внутри нейрона, тем самым ухудшая пептидергическую иннервацию сосудистой стенки. Дополнительно, снижается количество рецепторов котрансмиттера и нижестоящих внутриклеточных регуляторов . Таким образом, снижение качества периферической вазоконстрикции в ответ на охлаждение, представляет риск для здоровья пожилых людей, делая их более восприимчивыми к быстрому истощению адаптивных резервов , что подтверждается высокой смертностью людей старше 65 лет с гипертонической болезнью именно в зимний период .
Жизнедеятельность детей и подростков в суровых климатических условиях Крайнего Севера, также имеет отпечатки непрерывного воздействия низких температур, в виде отличительного конституционального типа , . У детей северных регионов наблюдается усиление мезоморфных черт в телосложении, преобладает мышечный тип, отсутствуют крайние формы изменчивости, повышен весоростовой индекс . Сердечно-сосудистая система данной возрастной группы реагирует на экстремальные условия внешней среды напряженным характером адаптационного ответа, с ранних лет демонстрируя перестройку функциональной деятельности сердца, посредством увеличения сердечного выброса. Кроме того, приблизительно с семилетнего возраста, значительно возрастает интенсивность периферического кровотока, которое влечет за собой расширение просвета капилляров . К 14–16 годам, при хроническом воздействии низких температур регистрируются высокие показатели диастолического давления, на фоне повышенного тонуса прекапилляров и периферических сосудов, формируется гиперкинетический тип кровообращения, повышение активности симпатической и парасимпатической вегетативной регуляции сердца .
Несмотря, на полученные ранее данные об отсутствии половых различий в рефлекторных сосудистых реакциях между мужчинами и женщинами молодого возраста, согласно скрининговым исследованиям, мужчины уступают женщинам в функциональных резервах, а значит подвержены более высокому уровню напряжения адаптивных систем в неблагоприятных климатогеографических условиях , . Профессиональная деятельность мужчин в северных регионах, сопряженная с высокими физическими нагрузками, нарастание социально-бытовых проблем при смене привычного образа жизни, также обеспечивает срыв адаптивных механизмов у мужского населения в более короткие сроки .
Кроме того, установлен различный стереотип адаптации к условиям Крайнего Севера пришлого населения и коренных жителей. Психоэмоциональные дезадаптивные процессы более активно протекают среди северных аборигенов, тогда как пришлое население менее чувствительны к прогрессирующим изменениям природно-климатических условий . Несмотря на более выраженную психоэмоциональную уязвимость коренного населения, адаптационное напряжение физиологических систем, в том числе, сердца и сосудов, в большей степени выражено у пришлого населения, что объясняется большей устойчивостью функциональных механизмов организма коренных жителей к изменчивым условиям окружающей среды , .
Таким образом, низкая температура является независимым фактором риска, способствующим высокой заболеваемости сердечно-сосудистыми заболеваниями в холодных регионах или зимой, с дополнительной поправкой на возраст, пол, и другие факторы .
3. Заключение
Несмотря на профилактические меры, направленные на устранение традиционных факторов риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, данная группа патологий, по-прежнему занимает лидирующие позиции в списке причин смертности во всем мире. Внимание мирового сообщества переключается на нетрадиционные факторы риска в природной и социальной среде, которые в совокупности вносят существенный вклад в бремя болезней. Эти сложные факторы взаимодействуют между собой непредсказуемым образом, часто усиливая пагубные последствия, связанные с одним или совокупностью этих факторов, следствием чего является срыв адаптивных механизмов с развитием сердечно-сосудистых патологий. В новой парадигме, учитывающей всю совокупность пагубных влияний на сердечно-сосудистую функцию, уделяется особое внимание неблагоприятному влиянию длительного воздействия низких температур. Понимание роли индивидуальных особенностей организма, наследственной составляющей, позволит разработать потенциальные персонализированные стратегии защиты сердечно-сосудистой системы при долговременной адаптации к воздействию низких температур. Персонализированный подход к профилактике холод-индуцированных патологий, с учетом гендерных, возрастных особенностей, а также в зависимости от предполагаемой длительности пребывания в новых климатических условиях пришлого населения, является неотъемлемой частью борьбы со снижением смертности по причине гемодинамических нарушений в абиотических климатогеографических условиях. Расширение превентивных мер в отношении сердечно-сосудистой патологии в экстремально низких условиях, посредством дополнительных лабораторных и инструментальных исследований, разработка новых подходов, стимулирующих плавную акклиматизацию сердечной функции в условиях изменения температуры, позволит в значительной мере снизить смертность среди жителей и трудовых мигрантов северных регионов.