В данном материале мы подробно рассмотрим методику интервальной гипоксической тренировки: от эволюционных механизмов адаптации к гипоксии в животном мире до современного положения этого направления. Это долгое, но стоящее чтение, если вы хотите узнать больше об этом методе.
Определение
Интервальная гипоксическая тренировка – это физикальный терапевтический метод, при котором человек кратковременно подвергается воздействию низкого уровня кислорода (гипоксии) в профилактических или лечебных целях. Этот метод широко используется для усиления систем физиологической защиты, акклиматизации к большим высотам, лечения различных клинических состояний и улучшения спортивных результатов.
Рассмотрим его подробнее.
Адаптация к гипоксии – это новое явление?
Адаптация к низкому уровню кислорода (так называемой гипоксии) является широко распространенным явлением, наблюдаемым у различных организмов. Ученые признают ее как одну из самых ранних форм эволюционной адаптации – именно с этого процесса начали свое развитие многие организмы на пути к привычному нам современному облику.
Рыбы. Некоторые рыбы (например, карп, сом и треска) могут выживать в условиях низкого содержания кислорода в воде. У них развиты специальные органы, называемые лабиринтами, которые позволяют им использовать атмосферный кислород. Кроме того, рыбы могут изменять свою дыхательную частоту и переключаться на анаэробный метаболизм, чтобы справиться с недостатком кислорода.
Высокогорные птицы, например, горные попугаи, кондоры и горные колибри, адаптированы к низкому уровню кислорода на больших высотах. У них развиты более эффективные легкие и сердечно-сосудистая система, способствующая усвоению и передаче кислорода по организму.
Растения. Ряд растений, включая некоторые виды орхидей и риса, способны выживать в условиях низкого содержания кислорода в почве. Они обладают адаптационными механизмами, такими как ризосферные ферменты, которые помогают им адаптироваться к низкому содержанию кислорода и усваивать необходимые питательные вещества.
Человек. Люди, живущие в высокогорных районах, таких как Анды или Гималаи, также адаптируются к низкому содержанию кислорода. У них может развиваться более эффективная кровеносная система, увеличиваться уровень гемоглобина или количество капилляров для обеспечения доставки кислорода к тканям.
Гипоксия опасна?
Первоначально гипоксию связывали с патологическими состояниями, вызванными недостаточным поступлением кислорода к тканям и клеткам. Однако исследования показали, что гипоксия также может возникать естественным образом в организме.
Это привело к концептуальному переходу: оказалось, что гипоксия имеет как физиологическое значение для адаптивных изменений в ответ на внешние факторы, так и клиническое значение для различных патофизиологических состояний, в частности сердечно-сосудистых и цереброваскулярных заболеваний. Иными словами, гипоксия иногда возникает при различных заболеваниях, но также она является естественным процессом внутри организма. И, забегая вперед, ее можно использовать в терапевтических целях.
Гипоксия полезна?
Потенциал гипоксии используется в терапевтических стратегиях профилактики, реабилитации и лечения многих заболеваний. Это связано с тем, что процесс адаптации как к физиологической, так и к экзогенной (внешней) гипоксии запускает механизмы, которые начинают активно компенсировать недостаток кислорода:
- изменение вентиляции легких,
- усиленное функционирование сердечно-сосудистой системы для улучшения доставки кислорода,
- изменения на уровне тканей организма для оптимизации использования кислорода в метаболических процессах.
В ответ на гипоксию также происходит повышение уровня глюкокортикоидов в крови, что повышает общую устойчивость к различным факторам внешней среды.
Что происходит на клеточном уровне при воздействии гипоксии на организм?
На клеточном уровне адаптивный гипоксический ответ контролируется через активацию определенных белковых факторов, которые регулируют гены в клетке. Один из таких факторов называется HIF-1, или фактор, индуцируемый гипоксией.
HIF-1 состоит из двух частей: HIF-1α и HIF-1β. Уровень HIF-1α зависит от содержания кислорода: при снижении уровня кислорода концентрация HIF-1α повышается. HIF-1 контролирует более 100 генов в клетке, которые играют важную роль в различных процессах, таких как создание новых эритроцитов (эритропоэз), формирование новых кровеносных сосудов (ангиогенез), транспортировка глюкозы и изменения в клеточном обмене веществ.
Уровень HIF-1α может меняться очень быстро, как повышаясь, так и снижаясь, что позволяет клеткам быстро реагировать на кратковременные эпизоды гипоксии. Это особенно важно в случае интервальной гипоксической тренировки: HIF-1 играет решающую роль в активации и регулировании адаптивных реакций на периодическую гипоксию.
Когда стали использовать гипоксию в лечебных целях?
Использование гипоксической терапии в некоторой примитивной форме восходит к древним временам, например, еще Гиппократ и Марко Поло упоминали о преимуществах жизни на больших высотах для здоровья. Эту практику можно считать формой гипоксической тренировки, представляющей собой индивидуальную реакцию организма на длительное воздействие конкретных природно-климатических условий. Кстати, продолжительность акклиматизации зависит от таких факторов, как высота над уровнем моря, температура, индивидуальные особенности организма. Она может составлять от 7 до 25 дней.
С течением времени интервальная гипоксическая тренировка не могла не заинтересовать ученых. Помимо природного любопытства большую роль сыграли промышленные и технологические достижения XIX и XX веков: развитие авиации, освоение космоса и экономическая деятельность в высокогорных регионах, потребовали более глубокого понимания влияния периодической гипоксии на физиологию человека.
П. Бер
Так, в 1870-х годах французский ученый Поль Бер проводил эксперименты по изучению физиологических эффектов измененного атмосферного давления, изучая условия работы воздухоплавателей на разных высотах. Его исследования позволили определить, что изменения высотности влияют на организм человека, вызывая симптомы, связанные с недостатком кислорода, но также показали, что организм может адаптироваться к этим условиям, увеличивая содержание эритроцитов и гемоглобина в крови для повышения кислородоносной способности. Эти открытия имели большое значение для понимания воздействия высоты на человеческий организм и развития аэронавтики.
Д. С. Холдейн
Другой пример – горная экспедиция Джона Скотта Холдейна в 1911 году и последующие исследования, проведенные им в камерах с низким давлением, имели огромное значение для разработки костюмов для пилотов и разработки рекомендаций по адаптации к гипоксии. Эти изыскания помогли установить связь между высотой, атмосферным давлением и симптомами гипоксии, а также предложить практические меры для улучшения безопасности и комфорта людей, работающих больших высотах. Результаты исследований Холдейна и его коллег сыграли ключевую роль в развитии аэронавтики и позволили улучшить условия работы пилотов и альпинистов в экстремальных высотных условиях.
Г. Пирс
В 1919 году Гарольд Пирс совершил значимое открытие, сконструировав барокамеру, оснащенную холодильной установкой. Это позволило провести исследования, направленные на изучение реакции человеческого организма на сочетание холода и низкого атмосферного давления. Используя эту технику, ученые смогли более детально изучить воздействие холода на функции организма в условиях пониженного давления, что имело большое значение для разработки стратегий и технологий адаптации к экстремальным климатическим условиям, таким как на высотах или в холодных регионах.
Русские ученые
Значительный вклад в области гипоксии и антигипоксической резистентности внес известный исследователь Николай Владимирович Сиротинин (1896-1977). Его самые ценные открытия и изобретения были сосредоточены на понимании феномена гипоксии. В 1930-х годах Сиротинин провел обширные исследовательские экспедиции в высокогорных районах, таких как Памир, Алтай и горы Кавказа. Он даже создал постоянную биомедицинскую исследовательскую станцию на вершине Эльбруса, самой высокой горы Европы.
Новаторская работа Сиротинина стала исторической вехой в области развития медицины. Он продемонстрировал, что неполовозрелые животные, например, щенки и личинки, проявляют большую устойчивость к острой гипоксии, чем старшие особи. Это открытие, теперь известное как «правило Сиротинина», оказало значительное влияние и даже привело к изменениям в правилах техники безопасности в авиационной отрасли. Благодаря нему теперь пассажирам напоминают о необходимости запастись кислородными масками сначала для себя, а затем для своих детей в случае чрезвычайной ситуации.
Кроме того, Сиротинин открыл защитную роль гиперкапнии (повышенного уровня углекислого газа) при острой гипоксии. Он также подчеркнул пагубное влияние гипокапнии (снижение уровня углекислого газа) на прогрессирование гипоксии. Сиротинин дополнительно исследовал механизмы гибернации и обнаружил повышенную сопротивляемость организма при воздействии комбинации гиперкапнии, гипоксии и гипотермии.
Новаторские исследования Николая Владимировича Сиротинина значительно расширили наши представления о гипоксии и ее влиянии на живые организмы. Его вклад проложил путь для дальнейших исследований и оказался неоценимым в области биомедицинских наук.
А уже в 1980-х годах другие советские ученые предложили метод имитации гипобарических условий путем вдыхания газовой смеси с пониженным содержанием кислорода при нормальном атмосферном давлении. Эта методика дала мощнейший толчок к развитию интервальной гипокситерапии.
С течением времени значительный объем клинических и экспериментальных исследований подтвердил эффективность гипокситерапии в различных областях медицины: от реабилитации спортсменов до анти-эйдж программ. Были разработаны многочисленные гипоксические протоколы, которые доказали свою эффективность при лечении сердечно-сосудистых, метаболических, неврологических нарушений, аллергии, бронхиальной астмы, сахарного диабета и других распространенных заболеваний.
Как проходит интервальная гипоксическая тренировка?
Интервальная гипоксическая тренировка представляет собой чередование периодов гипоксии (низкого уровня кислорода) с эпизодами нормального уровня кислорода. Хотя есть и другие варианты:
- гиперкапния – периоды повышенного уровня углекислого газа,
- гипероксия – периоды повышенного уровня кислорода.
Конкретные протоколы, используемые в исследованиях с интервальными гипоксическими тренировками, сильно различаются. Например, могут различаться продолжительность цикла гипоксии и других режимов, количество эпизодов гипоксии и продолжительность курса.
Продолжительность гипоксических фаз также может варьироваться от относительно коротких эпизодов (1-10 минут), чередующихся с 1-20 минутами нормоксии в течение одного дня, до более длительных ежедневных тренировок (1-12 часов) с продолжительностью от 2 до 90 дней. Некоторые авторы различают интервальную гипоксию и перемежающуюся гипоксию, исходя из продолжительности гипоксических эпизодов. Интервальная гипоксия предполагает более длительные сеансы продолжительностью от 20-30 минут до нескольких часов ежедневно или через день. В свою очередь, перемежающаяся гипоксия характеризуется меньшей продолжительностью (5-10 минут), но большей частотой сеансов (5-30 циклов).
Например, методы гипоксического пре- и посткондиционирования включают эпизоды гипоксии, повторяющиеся 3-6 раз с 24-часовыми интервалами. В хорошо зарекомендовавшей себя модели этот тип интервальной гипоксии достигается за счет трех испытаний гипобарической гипоксии (эквивалентно высоте в 5 тысяч метров над уровнем моря) продолжительностью 2 часа каждое с интервалом в 24 часа. Этот подход к пре- и посткондиционированию эффективно защищает мозг от постгипоксического или стрессового повреждения, вызывая адаптивные генозависимые реакции.
Как выбрать режим интервальной гипоксической тренировки?
При выборе подходящего режима тренировок необходимо учитывать баланс между эффективностью и безопасностью. Тренировки с умеренной гипоксией (9-16 % кислород) и низкой частотой циклов (3-15 эпизодов в день) часто дают положительные результаты.
Напротив, тяжелая гипоксия (2-8% О2) и более высокая частота эпизодов (48-2400 в сутки) могут приводить к развитию патологических состояний.
Накопленные данные свидетельствуют о том, что «низкая доза» гипоксии может быть простым, безопасным и эффективным методом со значительным терапевтическим потенциалом.
В отличие от длительной гипоксии, интервальная гипоксия не приводит к снижению вентиляции. Это различие можно объяснить специфической способностью интервальной гипоксии модулировать дыхательную активность нейронов через серотонинергически-зависимые механизмы, приводя к длительному купированию дыхательной активности.
Как получить полезную дозу гипоксии?
Такого эффекта можно достичь, если вдыхать газовые гипоксические смеси через специальное оборудование. Примерами таких устройств являются аппараты OXYTERRA, Эльбрус-3, трубка Гендерсона, лицевая маска Эпштейна и гипоксикатор Стрелкова с химическим адсорбером СО2. Кроме того, для тренировок по гипоксии используются гипобарические камеры и нормобарические комнаты с пониженным содержанием кислорода.
Важен ли анамнез человека для гипоксической тренировки?
Персонализация протоколов гипоксических тренировок имеет решающее значение для эффективности этого метода. Перед началом курса интервальных гипоксических тренировок рекомендуется трехэтапная гипоксическая проба для оценки функционального состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Этот тест включает измерение показателей в покое при вдыхании 21 % кислорода, при вдыхании газовых гипоксических смесей и после гипоксической тренировки. Для оценки индивидуальной переносимости гипоксии можно также использовать различные функциональные пробы, такие как проба Штанге или амплитуда оксигемоглобина.
Дозированная гипоксия, хорошо переносимая людьми, возникает при дыхании гипоксическими газовыми смесями, содержащими не менее 10 % кислорода. Обычно дыхание с гипоксическими газовыми смесями проводится в цикличном режиме: 5 минут дыхания гипоксической смесью с последующим 5-минутным дыханием атмосферным воздухом (один цикл).
Количество циклов во время сеанса может варьироваться. Общее время дыхания гипоксическими газовыми смесями за один сеанс колеблется от 10 до 15 минут, при общей продолжительности сеанса от 15 до 100 минут. Существуют также варианты интервальной гипоксической тренировки с чередованием гипоксических и гипероксических эпизодов (гипоксия-гипероксия) или гипоксических и гиперкапнических эпизодов (гипоксия-гиперкапния).
Горы, гипокситерапия или барокамеры?
Интервальная гипокситерапия имеет преимущества перед высокогорной терапией и барокамерной гипобарической гипоксией: она экономичнее и доступна в клинических условиях, что позволяет избежать негативного воздействия замкнутого пространства и дает возможность напрямую контролировать функциональное состояние пациента. Именно поэтому при обучении пилотов в Центре авиационной медицины Королевских ВВС методы гипоксического дыхания заменили гипобарическую гипоксию в барокамерах в связи с отсутствием таких рисков, как декомпрессионная болезнь и баротравма.
Интервальные гипоксические тренировки оказывает существенное влияние на физиологические реакции организма. Они не только улучшают акклиматизацию к тяжелой гипоксии в экстремальных условиях, но и повышают общую неспецифическую резистентность организма. Эти эффекты объясняются перекрестной адаптацией: когда подготовка к одному стрессору обеспечивает устойчивость к другому. Интервальная гипокситерапия дает изменения в экспрессии белков, их синтезе и функционировании антиоксидантной системы.
Чем полезна гипокситерапия?
Точные механизмы интервальной гипоксической тренировки еще полностью не изучены, но накопленные данные свидетельствуют о нескольких положительных эффектах.
Дыхательная система
Интервальная гипокситерапия может повысить эффективность дыхательной системы и общее функционирование организма.
Сердечно-сосудистая система
Показано, что эта технология увеличивает выработку эритропоэтина (ЭПО), повышает адаптивные возможности дыхательной и сердечно-сосудистой систем в условиях гипоксии и улучшает гипоксическую дыхательную реакцию.
Гипокситерапия также улучшает функционирование вегетативной нервной системы, жесткость артерий, функцию артериального эндотелия и гемореологическую функцию. Этот метод повышает устойчивость сердечной мышцы к гипоксии за счет увеличения активности метаболических ферментов миокарда и процентного содержания тяжелой цепи α-миозина. Активация антиоксидантных ферментов и белков стресса, таких как белки теплового шока, может способствовать кардиопротекторному эффекту перемежающейся гипоксической адаптации. Интервальная гипоксическая тренировка, в том числе гипокси-гипероксическая тренировка, также модулирует иммунную систему, параметры воспаления и параметры окислительного стресса.
Диабет
В отношении метаболизма глюкозы интервальная гипоксическая тренировка также оказывается положительный эффект: она улучшает толерантность к глюкозе и реакцию на инсулин. Этот эффект может быть связан со стимулирующим действием интервальной гипокситерапии на пептидергические нейроны паравентрикулярного ядра гипоталамуса и нейроны дорсального двигательного ядра, которые регулируют δ-клетки поджелудочной железы и вызывают инсулинстимулирующий и инсулинопротекторный эффекты.
Нервная система
Интервальная гипоксическая тренировка также напрямую влияет на функцию мозга, улучшая мозговой кровоток, защищая цереброваскулярную функцию, улучшая связь мозга и повышая толерантность к гипоксии. Эта технология может уменьшить окислительный стресс и подавить цитотоксические сигнальные каскады в головном мозге.
На животных моделях болезни Альцгеймера интервальная гипоксическая тренировка продемонстрировала нейропротекторный эффект за счет улучшения обучения и дефицита памяти, снижения накопления Aβ и повышения уровня нейропротекторных факторов, таких как эритропоэтин и нейротрофический фактор головного мозга (BDNF). Как полагают исследователи, нейропротекторное действие интервальной гипокситерапии может быть связано с образованием активных форм кислорода, которые активируют защитные механизмы, в том числе ядерный фактор-2, родственный эритроидному 2 (Nrf2), известному своим антиоксидантным и противовоспалительным цитопротекторным действием.
Беременность
Применение интервальной гипокситерапии может оказать существенное влияние на профилактику и лечение заболеваний, связанных с осложнениями беременности. Поскольку многие болезни взрослых возникают во внутриутробном развитии, использование ИГТ во время беременности или у младенцев может помочь предотвратить развитие различных заболеваний в более позднем возрасте.
Для здоровых людей
Метод интервальной гипоксической тренировки имеет широкий спектр применения для лечения различных заболеваний. Кроме того, здоровые люди могут использовать его для повышения физической работоспособности, повышения устойчивости к стрессу, повышения устойчивости к вредным воздействиям, продления физической и интеллектуальной жизни, а также предотвращения деменции и нейродегенерации. Было также показано, что этот метод эффективен в клиническом омоложении человека.
Что такое гипокси-гипероксическая тренировка?
Интервальная гипокси-гипероксическая тренировка — это специфическая форма интервальной гипоксической тренировки, при которой пациенты вдыхают гипоксические газовые смеси с пониженным уровнем кислорода (10 – 14 %) в течение нескольких минут (от 3 до 7), после чего следует кратковременное воздействие гипероксической газовой смеси (30 – 40%). . Этот подход хорошо переносится гериатрическими пациентами (даже в возрасте до 92 лет). Более того, было показано, что он значительно улучшает когнитивные функции.
Помимо клинического применения, гипокси-гипероксическая тренировка получила признание в области военной и спортивной медицины. Этот метод широко используется для тренировок спортсменов, так как дает преимущества для повышения производительности и улучшения общей физической формы.
Выводы
Таким образом, интервальная гипоксическая тренировка является универсальным методом с широким терапевтическим потенциалом. Его можно использовать для лечения различных заболеваний, содействия активному долголетию, повышению спортивных результатов и улучшению когнитивных функций. Его области применения охватывают медицинскую, анти-эйдж, спортивную и военную сферы.
Интервальная гипоксическая тренировка успешно применяется при лечении различных заболеваний. Помимо состояний, непосредственно связанных с гипоксией, таких как легочные и сердечно-сосудистые заболевания, технология эффективна при лечении бронхиальной астмы, ревматоидного артрита, анемии, нейроциркуляторной дистонии, а также для профилактики послеоперационных осложнений. Этот метод также продемонстрировал положительный эффект при желудочно-кишечных заболеваниях, дерматологии, гематологии и в качестве противодиабетической терапии. Было показано, что интервальная гипоксические тренировки улучшает вес, индекс массы тела, а также систолическое артериальное давление у взрослых людей с ожирением.
Накопленные данные доклинических исследований подчеркивают мощное церебро- и нейропротекторный эффекты от гипоксических тренировок. Данный метод регулярно оказывал нейропротекторный эффект, обеспечивая устойчивую защиту во время отмены этанола и защищая мозг от эксайтотоксичности глутамата, повреждения митохондрий, окислительного стресса и накопления бета-амилоида. Умеренная интервальная гипоксическая тренировка продемонстрировала способность улучшать кратковременную память и внимание у пожилых пациентов с амнестически умеренным снижением когнитивных функций. Также, согласно исследованиям, гипокситерапия способна замедлять развитие болезни Альцгеймера. Предполагается, что интервальная гипоксическая тренировка полезна при лечении болезни Паркинсона и депрессии.
Тем не менее, исследования эффективности гипокситерапии продолжаются. Дальнейшее изучение молекулярных механизмов, лежащих в основе интервальных гипоксических тренировок, расширит не только наши знания об этом методе, но и его использование в программах реабилитации и оздоровления различных групп пациентов.
Основано на материале: Rybnikova E. A., Nalivaeva N. N., Zenko M. Y., Baranova K.A. Intermittent Hypoxic Training as an Effective Tool for Increasing the Adaptive Potential, Endurance and Working Capacity of the Brain // Frontiers in Neuroscience, Vol. 16., 21.07.2022.
