兒童青少年游泳運動員初入2366米高原肺動脈收縮壓及心臟功能變化的超聲心動圖研究

宋小波 王斌 高揚 房昶 閆會萍 白云飛 陸一帆

1 華中師范大學(xué)(武漢430079)

2 北京體育大學(xué) 3 國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所

高原訓(xùn)練在游泳項目中得到了廣泛應(yīng)用， 越來越多的低年齡段青少年游泳運動員采用高原訓(xùn)練的手段來提高競技能力。 高原低氧引起心血管系統(tǒng)的一系列適應(yīng)性反應(yīng)中， 低氧性肺血管收縮反應(yīng)是最重要的一種類型[1-3]。低氧條件下，心血管系統(tǒng)過度反應(yīng)將會引起一些疾病，高原肺水腫（High-altitude pulmonary edema，HAPE）等嚴重的高原反應(yīng)將會對生命構(gòu)成威脅[4，5]。已有大量證據(jù)表明低氧環(huán)境下肺動脈壓的升高在成年人HAPE發(fā)生過程中起著關(guān)鍵作用[1-3]。 研究表明，采用右心導(dǎo)管的侵入性檢查手段測量成年人肺毛細血管壓（Pulmonary capillary pressure，PCP），PCP＞19mmHg是發(fā)生HAPE的臨界點[4]。 采用多普勒超聲估測成年人肺動脈收縮壓 （Pulmonary artery systolic pressure，PASP），PASP＞55mmHg時將會引起嚴重HAPE[1，3]。 對于兒童青少年人群急性高原暴露心血管系統(tǒng)適應(yīng)性反應(yīng)的研究則相對較少[6]。Kriemler等[7]研究發(fā)現(xiàn)高原低氧引起肺動脈壓力升高在兒童的發(fā)生率高于在其父輩的發(fā)生率，而低氧性肺動脈壓力升高將進一步引起HAPE的發(fā)生并引起右心室壓力負荷異常。 本研究以33名兒童青少年游泳運動員為研究對象， 研究初入2366米高原低氧暴露兒童青少年游泳運動員呼吸和循環(huán)系統(tǒng)的適應(yīng)性變化特點，結(jié)合分析ET-1和NO的變化，研究高原低氧肺動脈壓力變化對兒童青少年運動員心臟功能的影響。 以期為兒童青少年游泳運動員海拔2366米高原訓(xùn)練的醫(yī)務(wù)監(jiān)督工作提供理論支持。

1 對象和方法

1.1 實驗對象

本研究以33名兒童青少年（18男，15女）游泳運動員為實驗對象。受試者均為平原人，其中最低年齡9歲，最高年齡16歲，平均12.25 ± 0.36歲。長期在山西省體育中心訓(xùn)練（位于太原市，海拔800米），實驗之前所有人均未去過高原或接受任何形式的低氧訓(xùn)練。 受試者基本情況見表1。

1.2 測試方案

本研究整體實驗過程包括高原前測試階段、 高原測試階段2個階段。 其中高原前測試在山西省體育中心進行，海拔800米。 高原測試階段在青海多巴基地進行，海拔2366米。 每日晨起安靜狀態(tài)下監(jiān)測運動員心率（Heart rate，HR）、脈搏血氧飽和度（Saturation of pulse oximetry，SpO2）以及血壓。 分別于高原前以及進入高原12小時采用彩色多普勒超聲心動圖估測肺動脈壓并測量心臟功能參數(shù)。 彩超檢查日晨起， 于肘正中靜脈取血，測試血清內(nèi)皮素（Endothelin-1，ET-1）和一氧化氮（Nitrogen oxide，NO）。 測量運動員身高、 體重， 計算BMI。 于進入高原12 小時進行急性高山病（Acute mountain sickness，AMS）評估并進行HAPE早期癥狀問診。

1.3 彩色多普勒超聲測試

采用GE LOGIQ I便攜式多普勒超聲儀， 安靜狀態(tài)下左側(cè)臥位，取胸骨旁左室長軸圖和心尖四腔面，進行M型、二維及多普勒超聲心動圖檢查，測量主肺動脈內(nèi)徑（Pulmonary artery，PA）、每搏輸出量（Stroke volume，SV）、心輸出量（Cardiac output，CO）等心臟結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)，計算左心室Tei指數(shù)和右心室Tei指數(shù)。 選取右心室流入道、胸骨旁短軸和心尖四腔切面，測量右心室形態(tài)指標(biāo)，計算右心室Tei指數(shù)。 彩色多普勒顯示最大三尖瓣返流速度， 調(diào)整探頭角度和連續(xù)多普勒取樣線使之與射流方向保持一致，測量三尖瓣最大返流速度，并根據(jù)簡化伯努利方程計算△p，并進一步估測PASP。

△p=4v2，其中v為三尖瓣最大返流速度；

PASP=RAP+△p，其中RAP為右房壓；

Tei指數(shù)=(ICT+IRT)／ET， 其中ICT為心室等容收縮時間，IRT為等容舒張時間，ET為心室射血時間。

1.4 血清ET-1和NO測試

高原前以及進入高原12小時彩超檢查日， 所有受試者晨起空腹，肘正中靜脈取血5 ml，離心15分鐘提取血清（3000轉(zhuǎn)/分，室溫），分裝并于-80℃冰箱保存待測。血清ET-1和血清NO均采用ELISA法進行測試。 試劑盒由加拿大ELIXIR公司提供。 測試過程嚴格按照說明書進行操作。

1.5 AMS和HAPE評估

AMS評估采用路易斯湖診斷標(biāo)準(zhǔn) （Lake Louise Scoring System），該診斷標(biāo)準(zhǔn)將頭痛、胃腸道癥狀(食欲不振、惡心、嘔吐)、疲勞、頭暈及失眠五種癥狀分為無、輕、中、重，各自對應(yīng)0～3分，進行自我評價并相加得出綜合評分。基于AMS-LLS診斷標(biāo)準(zhǔn)，在近期內(nèi)快速從低海拔地區(qū)進入高原地區(qū)，個體出現(xiàn)頭痛癥狀，伴有至少下列一項癥狀，即胃腸道癥狀（食欲不振、惡心、嘔吐）、疲勞、 頭暈及失眠， 如AMS-LLS 總分≥3 分診斷AMS，≥5 分診斷為重度AMS[5，28]。 HAPE主要通過臨床問診其早期主要癥狀的方法進行評估，HAPE的早期癥狀主要包括：咳嗽、呼吸急促以及活動受限等。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

所有實驗數(shù)據(jù)由SPSS 統(tǒng)計軟件 （SPSS19.0 for Windows）處理，計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（M±SD）表示。 高原同高原前各參數(shù)之間的比較采用配對t檢驗，顯著水平為P＜0.05。 連續(xù)變量的相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)分析。

2 研究結(jié)果

2.1 一般情況

高原低氧暴露12小時后， 所有受試對象均未出現(xiàn)典型的HAPE臨床癥狀。 33名運動員中有2人出現(xiàn)輕度AMS （平均值：3.1 ± 0.4； 范圍：2～5）。 收縮壓（Systolic blood pressure，SBP）和舒張壓（Diastolic blood pressure，DBP）與高原前相比未發(fā)生顯著變化。 SpO2與高原前相比顯著下降（P＜0.05），而安靜心率（Heart rate，HR）顯著升高（P＜0.05）。 見表1。

表1 受試者基本情況

2.2 多普勒心臟超聲檢查結(jié)果

高原低氧暴露12小時后， 運動員SV與高原前相比顯著下降（P＜0.05），CO顯著升高（P＜0.05）。運動員PASP以及PA均顯著高于高原前水平（P＜0.05），PASP與年齡之間存在負相關(guān)關(guān)系（r= -0.26，P=0.008），其最大值達到29 mmHg。 運動員左心室Tei指數(shù)以及右心室Tei指數(shù)均未發(fā)生顯著變化。 見表2、圖1。

表2 高原及高原前多普勒超聲檢查結(jié)果比較

圖1 高原低氧12小時后PASP與年齡之間的相關(guān)

2.3 血液指標(biāo)檢查結(jié)果

高原低氧暴露12小時后， 兒童青少年游泳運動員血清ET-1水平與高原前相比顯著升高（P＜0.05），而血清NO水平顯著下降（P＜0.05）。見表3。Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，初入高原運動員血清ET-1與PASP表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系 （r= 0.3，P=0.035）。 見圖2。 而血清NO與PASP表現(xiàn)出一定的負相關(guān)關(guān)系 （r= -0.306，P=0.042）。見圖3。

表3 高原及高原前血液指標(biāo)測試結(jié)果比較

圖2 高原低氧12小時后PASP與ET-1的相關(guān)

圖3 高原低氧12小時PASP與NO的相關(guān)

3 分析與討論

3.1 低氧暴露對兒童青少年游泳運動員PASP的影響

低海拔時健康個體PASP 的正常范圍在18 ～25 mmHg，安靜狀態(tài)下PASP＞30 mmHg可以診斷為肺動脈高壓。 本研究結(jié)果顯示， 高原前所有運動員PASP均在正常范圍內(nèi)。高原低氧暴露12小時后，運動員肺動脈壓顯著升高， 部分運動員PASP＞25 mmHg， 最高值為29 mmHg。 Mc Quillan等[8]認為，在較低海拔時，健康個體PASP相對較低（右心室和右心房壓力梯度＜24 mmHg），且PASP與年齡呈正相關(guān)。 本研究結(jié)果顯示，在高原低氧暴露12小時后，運動員PASP顯著升高，且PASP與年齡呈負相關(guān)關(guān)系，年齡越低PASP升高越顯著。 可見，隨著年齡的增長低氧性肺血管收縮反應(yīng)的程度逐漸下降。 Frenkel等[9]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長健康個體低氧環(huán)境下系列適應(yīng)性反應(yīng)的程度下降， 其原因在于隨著年齡的增長HIF-1α的DNA結(jié)合活性下降。 成年人或者老年人急性高山病、 高原肺水腫等急性高山反應(yīng)的發(fā)病率低于青少年，Lhuissier等[10]認為其原因可能在于隨著年齡的增長健康個體安靜和運動狀態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的低氧應(yīng)答反應(yīng)程度下降。Scherrer等[11]研究發(fā)現(xiàn)，與青少年相比，兒童肺血管內(nèi)皮一氧化氮（Nitric oxide，NO）合成能力較低。 肺血管內(nèi)皮NO合成釋放能力在一定程度上決定了兒童游泳運動員低氧暴露肺動脈壓力增高的程度。

3.2 ET-1和NO在高原低氧肺動脈收縮壓變化過程中的作用

Scherrer等[3]認為內(nèi)皮素（Endothelin，ET）和肺血管內(nèi)皮NO在肺血管低氧適應(yīng)性反應(yīng)過程中發(fā)揮重要作用。低氧可引起肺循環(huán)血流動力學(xué)改變，管腔剪切力增加而內(nèi)皮受損。 缺氧也可直接損傷血管內(nèi)皮細胞，造成內(nèi)皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變， 繼而功能紊亂而ET-1產(chǎn)生增加[12]。NO作為一種血管舒張因子，可引起內(nèi)皮依賴性血管舒張，具有抑制血管收縮和內(nèi)皮細胞增殖的作用。本研究結(jié)果顯示， 高原低氧暴露12小時后兒童青少年游泳運動員血清ET-1顯著升高而血清NO顯著下降。相關(guān)性分析顯示，高原低氧暴露12小時后運動員血清ET-1與PASP之間存在正相關(guān)關(guān)系，而血清NO與PASP之間存在負相關(guān)關(guān)系。說明高原低氧暴露，兒童青少年游泳運動員PASP的升高與ET-1釋放增加以及NO合成釋放減少有關(guān)。 Zhou等[13]研究同樣證實，海拔3700米高原低氧暴露后，同常氧對照組相比，健康青年男性血清ET-1濃度顯著升高，血清NO濃度顯著下降。 ET-1是已知最有效的縮血管活性因子之一， 肺組織是其發(fā)揮功能和進行代謝的主要場所[14]。 低氧環(huán)境下，肺血管內(nèi)皮受損，ET-1基因表達上調(diào)使血中ET-1濃度增加。 ET-1結(jié)合于肺血管平滑肌內(nèi)皮素受體，促使Ca2+通道開放，細胞內(nèi)Ca2+濃度升高而引起肺血管收縮，肺動脈壓力升高[15]。而給予內(nèi)皮素受體拮抗劑， 能有效降低低氧條件下的肺動脈壓力[16]。

3.3 低氧暴露對兒童青少年游泳運動員心臟功能的影響

快速暴露于常壓低氧或者低壓低氧環(huán)境，安靜CO將顯著增加。 Naeije等[17]采用控制吸入氣氧分壓（Fraction of inspiration O2，F(xiàn)iO2） 降低動脈血氧分壓的方式來研究低氧暴露對健康個體心臟功能的影響，發(fā)現(xiàn)FiO2=0.12時， 安靜CO增加22%， 其中安靜心率增加18%而SV未發(fā)生明顯變化。 Boos等[18]研究發(fā)現(xiàn)，雖然高原環(huán)境下中等強度的運動會引起PASP以及運動后高敏感性心肌肌鈣蛋白T （High sensitivity cTnT，HS-cTnT）濃度的升高，但SV、左心室充盈壓、右心室充盈壓維持穩(wěn)定，而CO顯著增加。 Thomson等[19]同樣發(fā)現(xiàn)低氧環(huán)境下，安靜心率、CO升高而循環(huán)外周血管阻力下降。 本研究結(jié)果顯示， 初入高原青少年游泳運動員安靜心率顯著高于高原前水平， 而SV基本維持穩(wěn)定， 兩組運動員CO均顯著高于高原前水平， 組間比較不具有顯著差異。 初入高原，CO增加的原因主要在于安靜心率的增加[20]。 高原低氧暴露，動脈血氧含量下降將刺激外周化學(xué)感受器引起心率加快。 高原低氧適應(yīng)的早期，CO增加在維持組織器官氧供應(yīng)方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用[21]，可以有效降低PaO2下降對運動員生理功能構(gòu)成的不利影響。

Tei指數(shù)是指心室等容收縮期時間（ICT）和等容舒張期時間（IRT）之和與心室射血時間（ET）的比值，可以反映心室的整體收縮和舒張功能。 無論ICT延長、ET縮短，還是IRT延長、ET縮短，均可以引起Tei指數(shù)的升高。Tei指數(shù)可以有效反映左心室的整體收縮和舒張功能，且不受年齡、心率、心室?guī)缀涡螒B(tài)以及心室收縮壓和舒張壓的影響[22]。 常規(guī)心臟功能評估指標(biāo)射血分數(shù)反映心室的收縮功能，射血分數(shù)正常的情況下，有可能存在心室舒張功能異常。 而Tei指數(shù)作為一種能夠有效評估心室舒張功能的指標(biāo)已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。 本研究發(fā)現(xiàn)，高原低氧暴露兒童青少年游泳運動員左心室Tei指數(shù)并沒有發(fā)生顯著性變化。說明2366米高原低氧暴露并不會影響運動員的整體收縮和舒張功能。 Naeije等[23]認為心臟功能的低氧效應(yīng)更多體現(xiàn)在右心室功能的改變，因為低氧引起肺血管收縮，肺動脈高壓而肺循環(huán)阻力增加， 將會加重右心室后負荷而影響右心室功能。Ghofrani等[24]研究發(fā)現(xiàn)，采用西地那非抑制低氧引起的血管收縮反應(yīng)， 能夠有效提高低氧環(huán)境下健康個體的運動能力， 認為西地那非抑制低氧環(huán)境下肺血管的收縮反應(yīng)，降低右心室后負荷進而使心輸出量增加，心血管系統(tǒng)氧轉(zhuǎn)運能力是引起運動能力提高的主要原因。由于右心室解剖結(jié)構(gòu)的特殊性， 采用常規(guī)測試指標(biāo)很難對其功能進行評估。 研究表明，根據(jù)右心室等容舒張時間、 右心室等容收縮時間以及射血時間計算右心室Tei指數(shù)，能夠準(zhǔn)確反映右心室整體收縮和舒張功能[25,26]。本研究采用多普勒超聲評估高原訓(xùn)練運動員右心功能的變化，發(fā)現(xiàn)高原訓(xùn)練過程中兩組運動員的右心室Tei指數(shù)均未發(fā)生顯著性變化。因此認為，2366米高原低氧暴露引起肺動脈壓力的變化， 并未對右心室整體收縮和舒張功能構(gòu)成影響。高原低氧情況下，機體維持右心室功能正常的機制主要包括以下幾個方面：首先，高原低氧引起交感神經(jīng)興奮性增強，其對心肌興奮性傳導(dǎo)、心肌收縮力以及心率的正性調(diào)節(jié)作用使得右心室功能維持穩(wěn)定[27]。 其次，低氧性肺動脈壓力增加右心室后負荷可以通過等長自身調(diào)節(jié)機制增加右心室心肌收縮力而維持功能穩(wěn)定。Allemann等[28]研究海拔3450米高原低氧暴露對兒童青少年右心功能的影響， 發(fā)現(xiàn)收縮期右心室室壁峰值應(yīng)力是其應(yīng)變率變化的獨立預(yù)測因子。最后， 收縮期右心室功能及其應(yīng)變率同樣依賴于右心室前負荷， 右心室前負荷的變化可以通過Frankstarling 機制調(diào)節(jié)右心室收縮力的變化。

3.4 低氧暴露兒童青少年游泳運動員HAPE的發(fā)生情況

雖然低氧暴露可以引起兒童青少年游泳運動員PASP的升高，且其升高程度類似于成年運動員[1,3,4]，但是所有受試者均未出現(xiàn)顯著的HAPE以及急性右心衰竭臨床表現(xiàn)，說明初入海拔2366米高原，低氧暴露并不會對健康兒童青少年運動員的身體機能構(gòu)成嚴重影響。 本研究兒童青少年游泳運動員高原低氧暴露12小時后，肺動脈壓顯著升高而未出現(xiàn)顯著的HAPE相關(guān)癥狀， 除與2366米的海拔高度低氧暴露12小時后引起的肺動脈壓升高幅度相對較低有關(guān)外， 兒童青少年游泳運動員肺泡以及肺間質(zhì)滲出液的清除能力同樣發(fā)揮重要作用。 已有研究表明，低氧暴露引起肺動脈壓力的顯著升高主要發(fā)生在急進高原數(shù)小時之后[7]，而本研究發(fā)現(xiàn)進入高原， 低氧暴露2～4小時、12～16小時、24小時兒童青少年游泳運動員肺動脈壓力變化并不顯著。Sartori等[29]研究發(fā)現(xiàn)海拔4556米高原低氧暴露可引起青少年肺動脈壓顯著升高，但并未引起嚴重的HAPE，本研究結(jié)果與其一致。對于成年人，嚴重的肺動脈高壓并非引起HAPE的充分條件，肺泡以及肺間質(zhì)滲出液的清除能力同樣在HAPE的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[30]，而高原低氧環(huán)境下青少年運動員呼吸道經(jīng)上皮的水鹽轉(zhuǎn)運機制并未受到破壞[30]，因此高原低氧暴露引起其肺動脈壓的顯著升高并不會引起肺泡及肺間質(zhì)液體滲出而形成HAPE。

4 總結(jié)

本研究對年齡在9～16歲的兒童青少年游泳運動員初入高原低氧暴露肺動脈壓力以及心臟功能的適應(yīng)性變化進行研究。結(jié)果顯示，健康的兒童青少年游泳運動員進入海拔2366米高原12小時后，PASP顯著升高且與運動員年齡呈負相關(guān)關(guān)系。 升高的PASP并未對運動員心臟功能尤其是右心室整體收縮和舒張功能構(gòu)成影響。 運動員SV下降，但心率升高，引起CO升高來維持高原環(huán)境下機體組織器官的氧供應(yīng)。 除部分運動員出現(xiàn)輕度AMS表現(xiàn)外，所有運動員均未出現(xiàn)HAPE的相關(guān)臨床癥狀。以上結(jié)果表明，對于這一年齡段的兒童青少年游泳運動員，首次進入海拔2366米高原，雖然會出現(xiàn)一定程度的急性高原反應(yīng)， 并不會對心肺系統(tǒng)以及機體健康構(gòu)成嚴重影響。

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