Введение
В настоящее время изучением вегетативной регуляции кровообращения активно занимаются многие научные коллективы, поскольку стало известно о значительной роли вегетативной дисфункции в патогенезе сердечно-сосудистой патологии [1]. При этом интерес представляет изменение структуры и функции сосудистой стенки как вследствие вегетативных и гемодинамических нарушений в ходе прогрессирования сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) [2], так и в ходе естественного старения сосудов [3] в связи с имеющимися доказательствами того, что высокая жесткость артериальной стенки коррелирует с высоким сердечно-сосудистым риском по Фрамингемской шкале [4].
Ввиду современных тенденций, акцентирующих внимание в области профилактической медицины на снижении смертности от ССЗ [5], изучение факторов, ассоциированных с ССЗ (например, вегетативной дисфункции), особенно актуально.
На сегодняшний день в научных целях для оценки вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы применяют определение спектральных показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) [6], а также вариабельности амплитудных характеристик сигнала пальцевой фотоплетизмограммы (ФПГ), с оценкой низкочастотных колебаний (LF), высокочастотных колебаний (HF), а также вегетативного баланса (LF/HF) [7].
Интерес к этому вопросу подтверждается недавним исследованием американской группы ученых. Среди 8 млн респондентов в возрасте от 20 до 60 лет были оценены показатели ВСР по данным, полученным со смарт-часов (использован ФПГ-сигнал) в течение суток [8]. Было показано, что и у мужчин, и у женщин с возрастом снижается мощность спектральных показателей (и LF-колебаний, и HF-колебаний), причем мощность LF-колебаний у мужчин была значительно выше. Это исследование не отражает особенностей вегетативной регуляции кровообращения у здоровых людей и у пациентов с различными патологиями, однако дает представление об ее общих изменениях с возрастом.
В более раннем исследовании нашей научной группы [9] было продемонстрировано, что у гипертоников и пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС) (мужчины от 45 до 60 лет) имела место вегетативная дисфункция, проявляющаяся в снижении LF% и повышении HF%, причем разница в показателях у пациентов с ИБС относительно здоровых лиц была более выражена, чем у гипертоников.
Цель настоящего исследования — сравнительный анализ нормированных показателей спектра ФПГ-сигнала (LF%, HF%, LF/HF) у здоровых лиц, пациентов с артериальной гипертонией (АГ), ИБС и аортальным стенозом в возрасте от 20 до 60 лет, а также оценка возрастной динамики вклада LF-колебаний в спектр ФПГ в контексте задач скрининга ССЗ.
Материал и методы
В исследование были включены 620 человек, которых разделили на 4 группы: 1-я группа — 53 участника без сердечно-сосудистых патологий (здоровые); 2-я группа — 500 пациентов с АГ без поражений органов-мишеней; 3-я группа — 54 пациента со стабильной формой ИБС; 4-я группа — 13 пациентов с аортальным стенозом, нуждающихся в оперативном лечении. В зависимости от возраста все участники исследования также были разделены на 2 подгруппы: «А» — возраст от 20 до 40 лет; «Б» — возраст от 41 до 60 лет (пациенты с ИБС вошли только в подгруппу «Б»). Общая характеристика групп исследования приведена в табл. 1.
Таблица 1. Клиническая характеристика групп исследования
| Параметр | Здоровые (n=53) | Пациенты с АГ (n=500) | Пациенты с ИБС (n=54) | Пациенты с аортальным стенозом (n=13) | |||
| подгруппа «А» | подгруппа «Б» | подгруппа «А» | подгруппа «Б» | подгруппа «Б» | подгруппа «А» | подгруппа «Б» | |
| Возраст, годы (M±SD) | 29,0±6,0 | 44,0±4,0 | 34,6±4,6 | 50,0±5,6 | 54,5±6,0 | 32,6±3,1 | 52,5±5,8 |
| Мужской пол, абс. (%) | 38 (71,7) | 163 (32,6) | 43 (79,6) | 13 (100) | |||
| ИМТ, кг/м2, Me [Q25; Q75] | 25,2 [21,1; 28,3] | 24,5 [23,1; 25,3] | 24,9 [23,0; 25,4] | 28,0 [25,5; 30,4] | |||
| Курящие, абс. (%) | 0 | 112 (22,4) | 5 (9,3) | 5 (38,5) | |||
| АГ, абс. (%) | 0 | 500 (100) | 21 (38,9) | 16 (47,1) | |||
| ИБС, абс. (%) | 0 | 0 | 54 (100) | 0 | |||
| Инфаркт миокарда, абс. (%) | 0 | 0 | 10 (18,5) | 0 | |||
| Хроническая сердечная недостаточность, абс. (%) | 0 | 0 | 9 (16,7) | 13 (100) | |||
| Заболевание периферических сосудов, абс. (%) | 0 | 0 | 0 | 0 | |||
| Хроническая печеночная недостаточность, абс. (%) | 0 | 0 | 0 | 0 | |||
| Сахарный диабет, абс. (%) | 0 | 0 | 1 (1,9) | 0 | |||
| Фракция выброса ЛЖ, %, Me [Q25; Q75] | 64 [62; 67] | 63 [59; 66] | 60 [53; 63] | 53 [42; 57] | |||
| Общий холестерин, mg/dL, Me [Q25; Q75] | 4,0 [3,5; 4,9] | 4,1 [3,5; 4,9] | 4,5 [3,8; 5,1] | 4,3 [3,7; 5,2] | |||
| Креатинин, mg/dL, Me [Q25; Q75] | 110 [95; 120] | 115 [96; 122] | 116 [98; 124] | 89 [79; 100] | |||
| Глюкоза крови, mmol/L, Me [Q25; Q75] | 3,9 [3,5; 4,3] | 3,8 [3,5; 4,2] | 3,9 [3,7; 4,8] | 5,3 [4,9; 5,7] | |||
| Гемоглобин, g/L, Me [Q25; Q75] | 121 [110; 140] | 123 [115; 139] | 126 [118; 141] | 120 [115; 140] | |||
Примечание. Подгруппа «А» включает возрастную когорту от 20 до 40 лет, подгруппа «Б» — от 40 до 60 лет.
Критериями невключения в исследование являлись: возраст моложе 18 лет, наличие тяжелых сопутствующих патологий (почечная, печеночная недостаточность, бронхиальная астма, эндокринопатия, мозговые инсульты и транзиторные ишемические атаки в анамнезе, поражение периферических сосудов и др.), кардиомиопатии, нарушения ритма и проводимости сердца, препятствующие анализу ВСР, хронические заболевания в стадии обострения.
Для пациентов с АГ дополнительными критериями невключения служили: ИБС, двусторонний стеноз почечных артерий, микроальбуминурия (>150 мг/л), сердечная недостаточность, сахарный диабет. По этим критериям возможно судить о наличии функциональных нарушений вегетативной регуляции кровообращения у гипертоников, не имеющих значимых органических изменений и клинических проявлений (АГ была впервые выявлена в процессе профилактического осмотра).
Все обследуемые перед участием в исследовании подписали формализованное информированное согласие, одобренное этическим комитетом ФГБОУ ВО «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского» Минздрава России (протокол №1 от 05.02.19). Все процедуры с участием людей выполнены в соответствии с этическими стандартами комитета по институциональным исследованиям и с Хельсинкской декларацией и последующими поправками к ней.
Всем обследуемым была проведена регистрация сигналов пальцевой ФПГ фотоплетизмографическим датчиком с дистальной фаланги среднего пальца правой руки (в проходящем свете). Исследование выполняли в стандартных условиях: в темном помещении при спонтанном дыхании (отсутствие форсированных вдохов и задержек дыхания во время регистрации) в горизонтальном положении с закрытыми глазами в течение 10 мин во временном диапазоне между 15:00 и 16:00 с целью минимизации циркадных влияний.
Запись сигналов осуществляли при помощи многоканального электроэнцефалографа-анализатора ЭЭГА-21/26 «Энцефалан-131-03» модификации 10 (НПКФ «Медиком МТД», Россия) с комплектом стандартных датчиков с частотой 250 Гц при 12-разрядном разрешении.
Мощность спектра ФПГ оценивали непосредственно из «нативного» ФПГ-сигнала на основе методики, аналогичной технологии, использованной предыдущей работе (см. раздел Signal processing в [9]). В результате спектрального анализа вычисляли следующие частотные оценки ФПГ-сигнала: LF% — спектральную мощность LF-колебаний в диапазоне 0,04—0,15 Гц, выраженную в процентах от общей мощности спектра в диапазоне 0—0,4 Гц, — характеризует ритм сердца, артериальное давление и периферическое сосудистое сопротивление; HF% — спектральную мощность HF-колебаний в диапазоне 0,15—0,4 Гц, выраженную в процентах от общей мощности спектра в диапазоне 0—0,4 Гц, — связана с механическим воздействием дыхания на периферический кровоток; их отношение — LF/HF, позволяющее оценить вегетативный баланс.
Статистическую обработку полученных данных выполняли при помощи программы Statistica 12.0 (StatSoft Inc., США). Количественные данные представляли в виде медианы и интерквартильного диапазона (Ме [Q25; Q75]) при распределении, отличном от нормального, и в виде среднего со стандартным отклонением (М±SD) для нормально распределенных данных. Достоверность различий групп по количественным переменным оценивали на основе критерия Краскела—Уоллиса. Статистическую значимость отличий принимали при уровне p<0,05. Для определения чувствительности и специфичности метода был проведен ROC-анализ.
Результаты
В ходе исследования были получены статистически значимые различия по всем показателям среди здоровых людей и пациентов с патологией сердечно-сосудистой системы (табл. 2). Были выявлены общие тенденции как для пациентов с АГ, так и для пациентов, страдающих стабильной формой ИБС, и пациентов с аортальным стенозом: увеличение HF% в 4,5 раза, в 9 раз и более чем 5 раз соответственно; снижение LF% в 5,5 раза, в 17,0 раза и в 1,1 раза соответственно. В соответствии с этим изменялся индекс LF/HF (табл. 2).
Таблица 2. Характеристика распределения спектральных показателей ФПГ в группах исследования (Me [Q25; Q75])
| Показатель | Здоровые | Пациенты с АГ | Пациенты с ИБС | Пациенты с аортальным стенозом | p |
| HF% | 8,86 [4,86; 19,00] | 40,42 [12,35; 81,82] | 81,26 [38,95; 91,79] | 46,25 [30,57; 66,5] | <0,001 |
| LF% | 44,96 [14,44; 58,36] | 8,19 [2,29; 22,3] | 2,59 [1,66; 6,46] | 39,81 [19,32; 48,04] | <0,001 |
| LF/HF | 4,94 [1,06; 8,5] | 0,25 [0,05; 1,03] | 0,03 [0,02; 0,11] | 0,89 [0,28; 1,33] | <0,001 |
На рис. 1 на цв. вклейке представлены результаты ROC-анализа спектральных показателей ФПГ-сигнала. Среди пациентов с АГ (рис. 1а на цв. вклейке) для LF% характерны чувствительность 64%, специфичность 74% (AUC=0,76); для HF% — чувствительность 66%, специфичность 68% (AUC=0,68); для LF/HF — чувствительность 87%, специфичность 58% (AUC=0,77). Результаты ROC-анализа у пациентов с ИБС (рис. 1б на цв. вклейке): для LF% — чувствительность 87%, специфичность 80% (AUC=0,88); для HF% — чувствительность 82%, специфичность 68% (AUC=0,76); для LF/HF — чувствительность 71%, специфичность 74% (AUC=0,80). При ROC-анализе у пациентов с аортальным стенозом (рис. 1в на цв. вклейке) получены следующие данные: для LF% — чувствительность 69%, специфичность 48% (AUC=0,56); для HF% — чувствительность 92%, специфичность 68% (AUC=0,78); для LF/HF — чувствительность 92%, специфичность 55% (AUC=0,65).
Рис. 1. ROC-анализ спектральных показателей сигнала ФПГ.
а — ROC-анализ для пациентов с АГ; б — ROC-анализ для пациентов с ИБС; в — ROC-анализ для пациентов с аортальным стенозом. Зеленым цветом отмечена ROC-кривая показателя LF%, синим цветом — показателя HF%, красным цветом — показателя LF/HF.
На рис. 2 представлена динамика LF% во всех группах исследования. При сопоставлении подгрупп «А» и «Б» внутри групп здоровых и пациентов с сердечно-сосудистой патологией статистически значимых различий выявлено не было, т.е. возраст не оказывал значимого влияния на спектральные показатели ФПГ-сигнала.
Рис. 2. Возрастная динамика показателя LF% в группах исследования.
«А» — возрастная подгруппа от 20 до 40 лет, «Б» — возрастная подгруппа от 40 до 60 лет. Данные представлены в виде Me [Q25; Q75].
Обсуждение
Результаты настоящего исследования отражают специфический физиологический и биофизический феномен, характеризующий сложность и многокомпонентность вегетативной регуляции кровообращения как у здоровых лиц, так и у пациентов с патологией системы кровообращения.
Как уже было отмечено ранее, вклад LF-диапазона в общий спектр ФПГ-сигнала характеризует воздействие большого количества механизмов регуляции периферического сосудистого русла. В рамках настоящей работы в большей степени обсуждению подлежит именно этот показатель. В ходе анализа индекса LF% у здоровых и пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями снижение показателя происходило в следующей последовательности: здоровые → пациенты с аортальным стенозом → пациенты с АГ → пациенты с ИБС.
Известно, что состояние симпатоадреналовой системы оказывает влияние на изменение жесткости сосудистой стенки: увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС) снижает время диастолического наполнения левого желудочка [10], что способствует гипертрофии и ишемии миокарда левого желудочка, нарушению адекватной гемодинамики, повреждению эндотелия сосудов [11] с последующим увеличением жесткости и повышением базального тонуса сосудистой стенки [2]. При этом у пациентов с ИБС эти явления усугубляются наличием атеросклеротического повреждения сосудистой стенки, что, в свою очередь, ускоряет описанные выше процессы [12].
Свои особенности имеют и пациенты с декомпенсированным аортальным стенозом: при этой патологии выраженная гипертрофия миокарда левого желудочка не способна обеспечивать адекватный сердечный выброс [13], что также сопровождается компенсаторным увеличением ЧСС и снижением времени диастолического наполнения левого желудочка, что обусловливает еще более низкую фракцию выброса [14]. Ввиду этого в дистальном сосудистом русле нарастает сосудистое сопротивление, приводящее к вазоконстрикции и снижению перфузии тканей [15].
Таким образом, снижение показателя LF% может быть обусловлено повышенным сосудистым тонусом и сниженной эластичностью сосудистой стенки, которая, несмотря на выраженное симпатическое влияние, все же не способна реагировать на эфферентные влияния. При этом увеличение показателя HF%, скорее всего, имеет реципрокный характер.
По данным ROC-анализа (см. рис. 1), оценка спектральных показателей ФПГ-сигнала демонстрирует достаточную чувствительность и специфичность, что делает возможным прикладное применение этого метода. Наименьшая чувствительность и специфичность отмечена у пациентов с аортальным стенозом, что, вероятно, обусловлено малой численностью группы.
Вторая часть настоящей работы затрагивает важный вопрос о возможностях ранней диагностики сосудистого старения, поскольку современные исследователи относят данный феномен к предикторам кардиоваскулярной патологии [16, 17]. В основе патогенеза сосудистого старения лежат несколько основных звеньев: повреждение эндотелия вследствие окислительного стресса (с накоплением анион-радикалов и синтезом провоспалительных цитокинов) [18]; репликативное старение эндотелиоцитов при достижении лимита Хейфлика [19] и, как следствие, апоптоз эндотелиоцитов. Поскольку эндотелий сосудов обладает мощным рецепторным аппаратом, нарушение его структуры и функции приводит к угнетению способности отвечать на физиологические стимулы [20].
При анализе возрастной динамики LF% (рис. 2) не было выявлено достоверного снижения значений показателя с возрастом. Таким образом, согласно результатам настоящего исследования, возрастные особенности не оказывают существенного влияния на потенциальную применимость спектральных показателей ФПГ-сигнала для задачи скрининга сердечно-сосудистой патологии.
Ограничением исследования является малая численность группы пациентов с аортальным стенозом.
Заключение
По данным спектрального анализа ФПГ-сигнала у пациентов с АГ, ИБС и аортальным стенозом была выявлена вегетативная дисфункция в виде снижения вклада LF%-колебаний, увеличения влияния HF%-колебаний и снижения LF/HF даже до клинической манифестации ССЗ, что повышает перспективность методики для задач профилактической медицины. По результатам исследования, возраст не оказывает значимого влияния на изменение распределения LF%-колебаний как у здоровых, так и у пациентов с кардиоваскулярной патологией, что не было описано ранее в доступной литературе. Добавление в анализ данных обследования пациентов с аортальным стенозом продемонстрировало возможности включения в общий сердечно-сосудистый скрининг на основе экспресс-анализа ФПГ и этой патологии.
Работа выполнена в рамках государственного задания Минздрава России №056-00030-21-01 по теме «Разработка технологии скрининга статуса здоровья на основе оценки нелинейных биофизических свойств процессов регуляции кровообращения для мероприятий первичной профилактики хронических сердечно-сосудистых заболеваний» (2019—2021 гг.), номер государственного учета НИОКТР: АААА-А19-119020790053-7.
Участие авторов: концепция и дизайн исследования — М.А. Симонян, В.А. Шварц, В.И. Гриднев, О.М. Драпкина, А.Р. Киселев; сбор и обработка материала — М.А. Симонян, В.В. Сказкина, О.М. Посненкова, А.Ю. Горшков, А.А. Федорович; статистическая обработка данных — М.А. Симонян, В.В. Сказкина, Ю.М. Ишбулатов, Е.И. Боровкова, А.С. Караваев; написание текста — М.А. Симонян, В.В. Сказкина, О.М. Посненкова, О.Н. Джиоева, А.Р. Киселев; редактирование — В.А. Шварц, О.Н. Джиоева, А.С. Караваев, А.Р. Киселев.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interest.