Функционирование кислородтранспортной системы в зависимости от полиморфизмов генов у юношей с разным уровнем двигательной активности Даутова Альбина Зуфаровна

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Кислородный гомеостаз является

основополагающим фактором жизнедеятельности организма (Зинчук В.В., 2003; Melnikov V.N., 2017). Обеспечение текущих потребностей организма в кислороде реализуется при участии различных звеньев кислородтранспортной системы (КТС), включающих эритропоэтический, сосудистый и респираторный резервы (Рябов Г. А., 1988; Викулов А. Д., 2001; Зинчук В. В., 2012). Интенсивность потребления и утилизации кислорода в тканях повышается при возрастании двигательной активности организма, что предъявляет особые требования к функционированию всех компонентов КТС (Мельников А.А., 2003; Агаджанян Н. А. с соавт., 2010; Кривощеков С. Г. с соавт., 2013; Лысенко Е. Н., 2013; Волков Н. И., 2014; Диверт В.Э., 2017).

Известно, что спортивные физические нагрузки сопровождаются адаптивными изменениями кислородного обеспечения организма благодаря активизации функциональных резервов красной крови (Викулов А.Д., 2015; Сашенков С.Л., 2017; Tomschi F., 2018) и гемодинамики (Хайруллин Р.Р., 2011; Шаханова А. В., 2016; Ванюшин Ю. С., 2017), возрастанию легочных объемов и повышению диффузионной способности легочной ткани (Фомин Н.А., 2003), а также улучшения оксигенации крови, изменения сродства гемоглобина к кислороду (Рябов Г.А., 1988; Диверт В.Э., 2017). Однако особенности влияния двигательных режимов различной интенсивности на отдельные звенья системы кислородного обеспечения и физиологические механизмы их взаимодействия остаются недостаточно изученными.

В то же время возможность человека переносить спортивные нагрузки в значительной мере зависит от индивидуальных особенностей физиологической реактивности, скорости включения и эффективности деятельности механизмов срочной адаптации. Индивидуальные различия в степени таких адаптационных изменений во многом обусловлены генетическими факторами, определяющими наследственную предрасположенность к мышечной деятельности различной интенсивности и длительности (Montgomery H. E., 1997; Рогозкин В. А., Назаров И. Б., Казаков В.И., 2000; Nazarov I. B., 2001; Williams A. G., 2004; Ахметов И. И., 2006-2016; Papadimitriou L. D et el., 2016). К числу перспективных генетических маркеров, контролирующих формирование и проявление аэробных и анаэробных возможностей человека, относят гены ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой систем (Montgomery H. E, 1998; Bray M.S. 2009; Ahmetov I.I et. el., 2016; Papadimitriou L. D et el., 2016).

В этом плане представляет интерес изучение, наряду с физиологическими
показателями, полиморфизмов генов, ассоциированных с развитием и

формированием возможностей организма к выполнению физических нагрузок, что позволяет выявить особенности функционирования кислородтранспортной системы организма и ее резервы при разном уровне двигательной активности в зависимости от генетического фактора.

Степень научной разработанности темы. За последнее десятилетие установлена связь между полиморфным вариантом I/D гена ангиотензин-превращающего фермента (ACE, ответственен за образование ангиотензина – II и распад брадикинина), рецептора брадикинина 2 типа (BDKRB2; опосредует

сосудорасширяющее действие брадикинина), химазы сердца (CMA1, участвует в образовании ангиотензина II в тканях сердечно-сосудистой системы) со спортивной успешностью (Montgomery H. E, 1998; Муженя Д.В., Тугуз А.Р., 2012; Ahmetov I.I et. el.,2016; Peplonska B., 2017) и физической работоспособностью человека (Gayagay G., 1998; Nazarov I. B., 2001; Jones A., 2002; Williams A. G., 2004; Рогозкин В. А., 2006.; Thompson W. R., 2006; Леконцев Е. В., 2007; Ахметов И. И., 2009; Roth S. M., 2012; Муженя Д. В., Тугуз А.Р., 2015). Была выявлена ассоциация аллеля *I гена ACE с высокими значениями максимального потребления кислорода (Hagberg J. M., 1998; Ворошин И. Н., 2008), аллелей *I (АСЕ) и -*9 (BDKRB2) с объемом вентилируемого воздуха (Ахметов И. И., 2010) и наиболее оптимальным гемодинамическим состоянием при повышении интенсивности физической нагрузки (Ильютик А. В., 2014).

Установленные ассоциации полиморфизмов генов с различными показателями
кардиореспираторной системы организма и спортивной успешностью

свидетельствуют о вовлечении данных генов в регуляцию кислородтранспортной системы организма. При этом проведенные исследования фрагментарны и не обеспечивают целостного представления об особенностях функционирования системы кислородообеспечения и ее адаптивных возможностях в зависимости от полиморфизмов генов. Следует отметить, что роль наследственного фактора изучалась главным образом на примере спортсменов различной специализации и квалификации, что касается особенностей генетической детерминации КТС организма у людей с разным уровнем повседневной двигательной активности, то они практически не изучены.

Цель диссертационного исследования: изучить особенности

функционирования кислородтранспортной системы юношей с разным уровнем двигательной активности в зависимости от полиморфных вариантов генов.

Задачи исследования:

1. Оценить состояние газотранспортной системы (рО2, рСО2, SatO2, р50) и гемоглобинового профиля крови (HbO2, MetHb, COHb) у юношей при разном уровне двигательной активности в зависимости от полиморфных вариантов генов ACE (I/D, rs4646994), CMA1 (-1903A>G, rs1800875) и BDKRB2 (+9/-9, rs5810761).

2. Определить у юношей суммарные и индивидуальные параметры эритроцитов (RBC, Hb, MCV, MCHC, Hct) и установить основные различия базовых показателей красной крови в зависимости от уровня двигательной активности и полиморфных вариантов генов ACE, CMA1 и BDKRB2.

3. Выявить влияние наследственного фактора (ACE, CMA1 и BDKRB2) и двигательной активности на показатели гемодинамики и интегральные показатели резервных возможностей сердечно-сосудистой системы у студентов.

4. Изучить типы кровообращения сердечно-сосудистой системы и их различия у юношей в зависимости от уровня двигательной активности и полиморфных вариантов генов ACE, CMA1 и BDKRB2.

5. Оценить кардиореспираторную выносливость и толерантность к
физическим нагрузкам в пределах каждой исследуемой группы.

6. Изучить в каждой из групп обследованных взаимосвязи показателей всех
звеньев кислородообеспечения методом факторного анализа. Установить степень и

характер корреляционных связей между показателями кислородтранспортной системы и полиморфными вариантами генов АСЕ, СМА1 и BDKRB2.

Научная новизна работы. На основе комплексного подхода к изучению состояния различных звеньев кислородтранспортной системы и использования молекулярно-генетических методов впервые:

-установлено влияние уровня двигательной активности на параметры газотранспортной системы крови и содержание оксигенированного гемоглобина у обладателей разных генотипов полиморфного варианта (I/D, rs4646994) гена ACE: юноши-спортсмены с генотипами D/D и I/D характеризуются более высоким уровнем оксигенации крови; лица, имеющие генотип I/I, – пониженным сродством гемоглобина к кислороду;

-показано, что генетическая детерминация ряда параметров системы кислородообеспечения проявляется в основном при высокой двигательной активности: состояние красной крови контролируется генотипами A/A (CMA1), +9/+9 (BDKRB2) и аллелем *D (АСЕ); гемодинамики и адаптационных возможностей организма - генотипами D/D (АСЕ), G/G (CMA1) и аллелем *-9 (BDKRB2);

-выявлены типологические особенности кровообращения в зависимости от
уровня повседневной двигательной активности при генотипах G/G гена CMA1 и +9/-9
гена BDKRB2; носители генотипа +9/-9 (BDKRB2) характеризуются

гипокинетическим типом кровообращения при гиподинамии, юноши с генотипом G/G (CMA1) – при высокой двигательной активности;

-показано, что уровень двигательной активности влияет на

кардиореспираторную выносливость организма при наличии в генотипе аллелей *G (CMA1) и *-9 (BDKRB2); на толерантность к физическим нагрузкам – I/I (ACE) и +9/-9 (BDKRB2) генотипах;

-на основе анализа факторных структур установлены тесные взаимодействия параметров всех звеньев кислородтранспортной системы организма и их связи с уровнем двигательной активности у юношей с генотипом I/I гена ACE. Показано, что с развитием функциональных возможностей сердечно-сосудистой системы коррелируют *I (ACE), *-9 (BDKRB2) и *G (CMA1) аллели.

Теоретическая значимость работы. Полученные результаты исследования имеют важную теоретическую значимость для спортивной физиологии, т.к. расширяют представления о компенсаторных механизмах кислородтранспортной системы организма при действии физических нагрузок различной интенсивности и роли наследственных факторов в проявлении адаптивных реакций; использование генетических подходов для анализа функций организма позволит углубить представление о роли полиморфизмов генов в развитии функциональных возможностей кислородтранспортной системы организма при разном уровне двигательной активности; раскрыть механизмы обеспечения кислородного гомеостаза у юношей с разным уровнем двигательной активности в зависимости от наследственного фактора.

Практическая значимость работы определяется тем, что результаты исследования могут быть использованы в спортивной медицине для диагностики состояния кислородтранспортной системы спортсменов. Обнаруженное влияние полиморфных вариантов генов ACE, BDKRB2 и CMA1 на фенотипическое проявление

признака позволит использовать полученные данные при отборе детей в спортивные
школы, а также для индивидуализации тренировочного процесса. Используемый в
работе метод комплексной оценки совокупности определяющих признаков КТС
можно рекомендовать тренерам и спортивным врачам для прогнозирования
физических возможностей начинающих спортсменов и определения

предрасположенности детей и подростков к конкретному виду мышечной деятельности, а также функциональных возможностей кислородтранспортной системы спортсменов в условиях повышающихся нагрузок.

Результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры физиологии и общей биологии (курс лекций «Физиология и биохимия крови», в спецкурс «Физиология спорта», а также в спецкурс для магистров «Медицинская биохимия») Башкирского государственного университета. Результаты научного исследования внедрены в практику бойцовского клуба «Ягуар» г. Уфа.

Теоретико-методологическая основа исследования. Теоретическую основу
исследования составляют: научные идеи о теории функциональных систем П.К.
Анохина (1973); концепции регуляции дыхания И.С. Бреслава (1983): теоретические и
практические разработки медико-биологической оценки функциональных

возможностей спортсменов В.Л. Карпмана (1982), Р.М. Баевского (2003); фундаментальные исследования генетических процессов, определяющих динамику и закономерности функционирования организма и отдельных функциональных систем в различных условиях жизнедеятельности (Bouchard С. et al., 1997; Rankinen Т. et al., 2006).

Основой методологии изучения особенностей функционирования

кислородтранспортной системы организма при разном уровне двигательной активности в зависимости от наследственного фактора послужил системный подход (Анохин П.К., 1974), который использовался для представления КТС организма как целостной системы, состоящей из внешнего дыхания, центрального и органного кровообращения, а также резерва системы крови, взаимосвязанных между собой и оказывающих влияние на состоятельность всей кислородтранспортной системы; генетический подход для анализа физиологических функций организма (Рогозкин В. А., 2000; Ахметов И.И., 2006).

Организация и методы исследования. В работе приняло участие 245
юношей 20 – 22 летнего возраста, клинически здоровых по результатам ежегодного
диспансерного осмотра. Все участники исследования были проинформированы о
задачах и используемых методиках и дали добровольное письменное согласие на
участие в эксперименте. Протокол эксперимента одобрен Локальным Этическим
Комитетом Института биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН
(заключение от 25.04.2016 г.). На основе анкетирования мы получили данные о
физической активности студентов (характере, объеме, интенсивности и

периодичности физических нагрузок как при организованных занятиях спортом, так и в повседневной жизни). Для изучения влияния ДА на показатели КТС организма в зависимости от полиморфных вариантов генов ACE, BDKRB2 и CMA1 мы разбили контингент обследованных на три группы в соответствии с рекомендациями ВОЗ (Рекомендации ВОЗ, 2010). Первая группа с низкой ДА (НДА) представлена студентами очной формы обучения (n=151), у которых физические нагрузки, согласно

данным анкет, составляли менее 150 минут в неделю. Во вторую группу (n=44) вошли юноши, занимающиеся плаваньем, гимнастикой, танцами, бегом и другой деятельностью, требующей физических усилий, 150 – 300 минут в неделю. Уровень их ДА охарактеризован как умеренный (УДА). Третья группа (n=50) составлена из студентов факультета физической культуры «спортсмены», имеющие на момент обследования первый взрослый спортивный разряд по легкой атлетике, в данной группе тренировки проходили 4 раза в неделю по 2 часа (480 минут и более). Соответственно, их ДА можно оценить, как высокую (ВДА).

Получение образцов ДНК и генотипирование по полиморфным ДНК-локусам гена ACE (I/D, rs4646994), BDKRB2 (9 bp -9/+9 bp exon 1, rs5810761) и CMA1 (-1903A>G, rs1800875) проводилось на базе кафедры генетики БГПУ им. Акмуллы под руководством д.б.н., проф. Горбуновой В.Ю., которой выражаем искреннюю признательность.

В капиллярной крови на аппарате «RAPIDlab 865» фирмы «BAYER» (Германия) анализировали показатели кислородного режима крови (рО2, рСО2, SatO2, р50) и гемоглобинового профиля крови (оксигенированнного Hb – HbO2, карбоксигемоглобина – COHb и метгемоглобина - MetHb). Суммарные и индивидуальные характеристики эритроцитов (количество – RBC, Hb, средний объем – MCV, среднее содержание гемоглобина в отдельном эритроците – MCH, среднюю концентрацию гемоглобина в клетке – MCHC, гематокрит – Ht) определяли с помощью гематологического анализатора «ADVIA 60» производства «BAYER» (Германия).

У всех испытуемых измеряли систолическое и диастолическое артериальное
давление (САД, мм.рт.ст., ДАД, мм.рт.ст.), частоту сердечных сокращений (ЧСС,
уд/мин.) электронным портативным тонометром модели S1 Omron (Япония) с
цифровой регистрацией показателей. На основе этих данных проводили расчет
вегетативного индекса Кердо (ВИК, %), общего периферического сопротивления
сосудов (ОПСС, динс/см³). Рассчитывали показатели, характеризующие

адаптационные возможности ССС: адаптационный потенциал (АП, баллы),
коэффициент выносливости (КВ, усл.ед.) коэффициент экономизации

кровообращения (КЭК, мл.) и индекс напряжения миокарда (ИНМ, усл.ед.). Уровень физического состояния (УФС, баллы) определяли по Е. А. Пироговой. Для определения типа кровообращения использовали показатель удельный минутный объема кровообращения (УМОК, %), вычисленный по формуле: УМОК = (МОКфакт/ДМОК)*100%, где ДМОК – должный минутный объем (мл/мин), МОКфакт.-фактический минутный объем крови (мл/мин).

Определение физической выносливости осуществляли путем расчета кардиореспираторного индекса в модификации Н. Н. Самко (КРИС). КРИС определялся в адинамической (КРИС ад., усл.ед.) и в динамической фазах (КРИС дин., усл.ед.) – после выполнения 5-ти минутной дозированной нагрузки, выполняемой на велотренажере, нагрузка составляла 20 н/м, скорость педалирования – 40 об/мин, число оборотов – 100. Толерантность к физическим нагрузкам оценивали по снижению величины кардиореспираторного индекса после выполнения дозированной физической нагрузки (КРИС тол, %).

Статистическая обработка полученных данных произведена с помощью профессионального пакета программ «Statistics Version 10.0» с использованием сравнительного анализа по t-Стьюденту, двухфакторного дисперсионного (ANOVA) и факторного анализов, корреляционного анализа по критерию Пирсона. Для сопоставления двух выборок по частоте встречаемости исследуемого признака использовался многомерный критерий углового преобразования Фишера (). При сравнении частот аллелей и генотипов в исследуемых группах применялся критерий 2 (с поправкой Йетса на непрерывность). В случае статистически значимых различий силу ассоциаций оценивали в значениях показателя соотношения шансов (Odds Ratio, OR).

Положения, выносимые на защиту.

5. Полиморфный вариант I/D гена АСЕ ассоциируется с уровнем парциального давления кислорода, степенью оксигенации гемоглобина и кислородной сатурацией: при высокой двигательной активности показатели кислородного режима выше у лиц, имеющих в генотипе аллель *D (ACE).

6. Систематические занятия спортом влияют на состояние красной крови при генотипах +9/+9 гена BDKRB2, D/D гена ACE и A/A гена CMA1: у лиц с высокой двигательной активностью отличаются от уровня у физически малоактивных юношей общее количество эритроцитов, гематокрит и размеры эритроцитов.

7. Двигательная активность вносит существенный вклад в фенотипическое проявление генов ACE, BDKRB2 и CMA1 на состояние сердечно-сосудистой системы; у обладателей генотипов D/D (ACE), +9/-9 (BDKRB2) и G/G (CMА1) рост повседневной двигательной активности ведет к экономизации функции сердечнососудистой системы.

8. Интенсивность повседневных физических нагрузок сказывается на соотношении типов кровообращения у обладателей G/G варианта гена CMA1, +9/-9 гена BDKRB2 и I/I гена ACE. У тренированных юношей преобладает гипокинетический тип кровообращения при G/G (CMA1) и I/I (ACE) генотипах; у лиц с ограниченной мышечной активностью генотип G/G (CMA1) ассоциируется с эукинетическим, генотипы +9/+9 (BDKRB2) и D/D (АСЕ) – с гиперкинетическим типом кровообращения.

9. Физическая выносливость и толерантность организма к физическим нагрузкам контролируется генотипами I/I гена АСЕ, +9/-9 гена BDKRB2, аллелем *G гена CMA1: при высокой двигательной активности низкой толерантностью к физическим нагрузкам отличаются носители генотипа D/D гена ACE, наибольшей – обладатели генотипа I/I; при малоподвижном образе жизни низкие значения кардиореспираторной выносливости отмечаются при генотипах A/A гена CMA1 и +9/+9 гена BDKRB2.

10. Установлены корреляции между аллелем *+9 гена BDKRB2 и *G аллелем гена СМА1 с рядом показателей деятельности сердечно-сосудистой системы у лиц, систематически занимающихся спортом, и *I аллелем гена АСЕ при ограниченной двигательной активности.

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов определяется большим объемом выполненных исследований, на достаточном объеме экспериментального материала (n=245), часть из которых осуществлялась с

применением автоматических медицинских анализаторов, позволяющих получить максимум информации. Применение информативных методов статистической обработки результатов позволили обнаружить особенности компенсаторных реакций КТС организма при действии физических нагрузок и их генетическую детерминированность.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены и обсуждены на третьей международной научно-практической конференции «Высокие технологии, исследования, образование в физиологии, медицине и фармакологии» (Санкт-Петербург, 2012); второй международной молодежной научной конференции (форума) молодых ученых России и Германии «Научные исследования в современном мире: проблемы, перспективы, вызовы» (Уфа, 2012); XXII Съезд физиологического общества имени И. П. Павлова (Волгоград, 2013); Материалы VIII Всероссийской научно – практической конференции с международным участием, посвященной памяти В. С. Пирусского (Томск, 2014); II Всероссийской научно – практической конференции «Актуальные проблемы физической культуры, спорта, туризма и рекреации» (Томск, 2014); XIII Всероссийской молодежной научной конференции Института физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (Сыктывкар, 2014); Труды II Международной школы – конференции молодых ученых посвященной 15 – летию кафедры генетики БГПУ им. М. Акмуллы «Спорт: медицина, генетика, физиология, педагогика, психология и социология » (Уфа, 2014); 4th International interdisciplinary conference on “Modern problems in systemic regulation of physiological functions” (Moscow, Russia, 2015).

По материалам диссертации опубликована 22 работа, из них – 5 публикаций из перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных в ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад соискателя. Результаты исследований, представленные в
диссертации, получены при непосредственном личном участии автора на этапах
анализа всех показателей газового состава крови, гемоглобинового профиля,
определения гемодинамических параметров и физической выносливости,

генотипирование проводилось на базе кафедры генетики БГПУ им. Акмуллы. Автором лично проводился анализ и обработка полученных данных с интерпретацией результатов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 03.03.01 -физиология по нескольким областям исследований: п. 2 - Анализ механизмов нервной и гуморальной регуляции, генетических, молекулярных, биохимических процессов, определяющих динамику и взаимодействие физиологических функций; п. 3 – исследование закономерностей функционирования основных систем организма (крови, кровообращения, дыхания); п. 8 - Изучение физиологических механизмов адаптации человека к различным географическим, экологическим, трудовыми социальным условиям; п. 11 - изучение молекулярной и интегративной организации физиологических функций.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста. Состоит из введения, обзора литературы, описания

материалов и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, выводов и списка цитированной литературы. Текст диссертации содержит 34 рисунка и 23 таблицы. Список литературы включает 286 источника отечественных и иностранных авторов.