Показатели газообмена у больных с сахарным диабетом 2 типа по данным спироэргометрии

Показатели газообмена у больных с сахарным диабетом 2 типа по данным спироэргометрии

И.З. Бондаренко

ФГУ Эндокринологический научный центр Росмедтехнологий, Москва

I

Спироэргометрия является методом исследования показателей внешнего дыхания и газообмена в условиях непрерывной ступенчато возрастающей физической нагрузки. Наиболее часто в кардиологической практике его используют для стандартизации критериев диагностики недостаточности кровообращения [45, 46]. Метод основан на одновременном измерении воздушного потока, парциального напряжения кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе с помощью газоанализатора, а так же определения ЧСС и регистрации ЭКГ в процессе выполнения обследуемым дозированной физической нагрузки на велоэргометре или тредмиле. В условиях непрерывной спирометрии анализируются следующие показатели: скорость потребления кислорода в минуту (Vo2 мл/мин), в том числе уровень его потребления на пике нагрузки (Vo2 max); скорость выведения углекислого газа (Vco2 мл/мин); соотношение этих показателей -«дыхательный коэффициент» (RQ=Vco2/Vo2), определяющий анаэробный порог (АП), при котором прекращается аэробный путь метаболизма протеинов, жиров и углеводов); минутная вентиляция легких (VE л/мин); артерио-венозная разница по кислороду (a-v O2), отражающая способность тканей организма к экстракции кислорода. Используется также интегральный показатель эффективности кислородтран-спортной системы - «метаболический эквивалент» (МЕТ мл/мин/кг), указывающий на кратность увеличения потребности в кислороде при нагрузке по сравнению с уровнем его использования в покое [45, 46].

У здоровых людей по мере увеличения физической нагрузки растут величина сердечного выброса левого желудочка (ЛЖ) и минутный объем крови, обеспечивающие аэробные условия процессов жизнедеятельности [4].

Опубликованы результаты ряда исследований, в которых с помощью данного метода проводились попытки выявить особенности газообмена у пациентов с сахарным диабетом (СД). Так, в исследовании Regensteiner J.G. и соавт. [31] показано, что потребление кислорода у больных сахарным диабетом 2 типа (СД 2) снижено на 20-30% по сравнению с лицами, не страдающими этим заболеванием. Ранее T.M. Roy и соавт. [34] указали на более низкий уровень сердечного выброса в покое и при нагрузке в группе больных диабетом 1 и 2 типа по сравнению с лицами без диабета. Однако в данной работе не было установлено являются ли эти различия следствием наличия у пациентов СД или различий между группами в уровне физической активности.

Схожие результаты получены и в других исследованиях [19, 42], где пациенты контрольных групп без диабета и больные СД 2 были сопоставимы по возрасту, полу, индексу массы тела и уровню физической активности, что исключало влияние этих факторов на уровень потребления кислорода, однако не учитывалось наличие скрытых форм ИБС. В то же время, в исследовании J.C. Baldi и соавт. [3] не выявлено различий между показателями максимального сердечного выброса у диабетиков и лиц без диабета, сопоставимых по уровню физической активности, индексу массы тела и возрасту. В данной работе выявлено снижение максимальной артерио-венозной разницы по содержанию кислорода на 19% в сравнении с группой контроля. Более того, максимальное потребление кислорода коррелировало с a-v O2, но не зависело от максимального сердечного выброса. Снижение a-v O2 у больных СД 2 было установлено и в более ранних исследованиях [34, 35]. На сегодняшний день точный механизм, ответственный за снижение

Vco2max у пациентов с диабетом, по сравнению с аналогичными по физической подготовке здоровыми лицами не ясен.

Возможные причины тканевой гипоксии у больных с СД

Физиологически обоснованный при нагрузке рост сердечного выброса ЛЖ и минутного объема крови у здоровых людей, обеспечивающие аэробные механизмы двигательной активности страдают у пациентов с диабетом. Одной из причин может служить характерное для пациентов с СД нарушение диастолической функции миокарда ЛЖ [28], что ведет к снижению сердечного выброса и, таким образом, к появлению систолической дисфункции ЛЖ. На этом фоне снижается уровень Vco2max. В условиях тканевой гипоксии Vco2 может служить своеобразным респираторным стимулятором, приводя к патологическому увеличению VE и быстрому достижению «анаэробного порога» [2, 4]. Подобные явления характерны для пациентов с ИБС, у которых уровень максимального потребления кислорода является важным маркером стадии недостаточности кровообращения [45, 46].

Vo2max способно снижаться и вследствие перераспределения кровотока в пользу интенсивно работающих мышц [24, 33, 37]. Можно предположить, что снижение V02 max у пациентов с СД 2 вызвано нарушением диффузии кислорода из крови в периферические ткани вследствие снижения синтеза оксида азота и уменьшения периферической вазодилатации [25, 39], что, вероятно, приводит к нарушению кровотока в мышцах во время нагрузки [39]. Более того, у пациентов с СД 2 имеет место снижение активности окислительных ферментов [35], увеличение процентного содержания мышечных волокон с быстрой скоростью сокращения («белые мышцы»), провоцирующих ранний молочнокислый ацидоз и снижение количества мышечных волокон с медленным типом сокращения («красные мышцы»), участвующих в аэробном гликолизе [24, 37]. В то же время, подобные изменения наблюдаются и у лиц без диабета, страдающих ожирением, а так же у пациентов, имеющих ИБС и хроническую сердечную недостаточность (ХСН) [24].

У последних сахарный диабет является независимой причиной тканевой гипоксии. В исследовании Amit S et all. [1] у пациентов с СД, имеющих ХСН уровень потребления кислорода был значительно ниже, чем у лиц без диабета, имеющих ИБС и ХСН. При этом группы не различались по возрасту, полу, индексу массы тела, а также времени достижения «анаэробного порога», величине фракции выброса ЛЖ и уровню BNP (натрийуретического гормона, отражающего степень недостаточности кровообращения).

У большинства пациентов, страдающих сахарным диабетом, имеет место какая-либо степень повреждения автономной иннервации дыхательных путей [5, 8, 9, 11], что также может быть причиной нарушений в кислород-транспортной системе. В исследовании C. Tantucci и соавт. [40] показан неадекватно быстрый по отношению к мощности нагрузки рост минутной вентиляции легких у больных с диабетом с подтвержденной автономной нейропатией в сравнении с пациентами без проявлений автономной нейропатии и контрольной группой здоровых лиц.

У 70% взрослых пациентов с диабетом без клинических проявлений бронхо-пульмонарных заболеваний встречаются морфологические изменения в легких [5, 32, 36]. В исследова-

48

2/2008

Кардиология

Сахарный диабет

ниях на мышах и крысах с диабетом выявлено увеличение толщины альвеолярной стенки (20). Угаеко и соавт. [43] и В. Weynand и соавт. [44] показали, что у больных сахарным диабетом, в отличие от лиц без диабета, эпителиальная и эндотелиальная капиллярные базальные мембраны утолщены и сливаются. В то же время, количество работ по исследованию влияния сахарного диабета на морфологическое состояние легких у человека весьма ограничено, что в первую очередь связано с прижизненной недоступностью данного органа для морфологического исследования, недостаточным качеством материала, получаемого при трансбронхиальной или пункционной толстоигольной биопсии [16].

Факторы, влияющие на показатели газообмена у больных СД

Среди факторов, оказывающих влияние на показатели газообмена у больных СД , несомненную роль играют длительность заболевания и степень компенсации углеводного обмена, уровень физической активности, индекс массы тела, различные виды сахароснижающей терапии [42], а так же наличие у больных микро и макрососудистых осложнений [12, 13].

Снижение максимального уровня потребления кислорода у пациентов с диабетом положительно коррелирует с длительностью течения заболевания [47], декомпенсацией углеводного обмена [12, 13], более высокими значениями индекса массы тела, женским полом, возрастом, повышенными значениями систолического артериального давления в покое, стажем курения и расовой принадлежностью к афро-американцам [13].

Микро и макрососудистые осложнения СД, согласно данным ряда исследований взаимосвязаны со степенью тканевой гипоксии. Так, диабетическая нефропатия на стадии микроальбуминурии [21, 22] является предиктором снижения диффузионной способности легочной ткани.

Степень компенсации углеводного обмена и характер сахароснижающей терапии также влияют на показатели кис-лород-транспортной системы. Чем лучше компенсирован углеводный обмен, тем менее выражены проявления тканевой гипоксии по уровню Уо2 [27]. В то же время в работе N. Оиуепег и соавт. [16] корреляции между уровнем НЬА1е и степенью диффузии окиси углерода через альвеолярнокапиллярные мембраны не выявлены. Длительное поддерживание НЬА1е на уровне нормальных или близких к нормальным значениям с помощью инсулиновых помп уменьшает

диффузионные нарушения в легких в сравнении с традиционной сахароснижающей терапией и повышенном уровне НЬА1е [26, 30]. М. Guazzi и соавт. [14] выявили, что эффективность диффузии оксиси углерода значительно увеличивается непосредственно после введения инсулина. Авторы утверждают, что данный эффект не связан с изменениями уровня гликемии и заключается в прямом увеличении диффузионной способности альвеолярно-капиллярной мембраны легких под действием введенного инсулина.

Guazzi и соавт. [15] провели сравнение трех групп пациентов, имеющих ИБС, СД 2 и сочетание СД 2 и ИБС. При анализе полученных данных было установлено, что инсулин улучшает диффузионную способность альвеолярно-капиллярной мембраны, причем его эффективность выше при сочетании СД и ИБС в сравнении с пациентами без ИБС. М. Вои1Ьои и соавт. [6] полагают, что следствием такого влияния инсулина на альвеолярно-капиллярную мембрану является активация системы оксида азота. Гипергликемия приводит к снижению продукции оксида азота, а инсулин, напротив, способствует повышенной выработке оксида азота в культуре коронарных эндотелиальных клеток человека [10].

В ряде исследований обсуждается вклад коронарного атеросклероза в степень тканевой гипоксии у лиц с СД 2. Чем выше индекс коронарного кальция, измеренный с помощью мультиспиральной компъютерной томографии, тем ниже пиковое потребление кислорода [48]. Бетта-блокаторы, наиболее часто применяемые в кардиологической практике для коррекции ИБС уменьшают проявления индуцированной нагрузкой гипервентиляции, сопровождающейся усилением выделения углекислого газа. (7).

Обращает на себя внимание тот факт, что в приведенных исследованиях чаще всего включались физически активные пациенты с диабетом без клинических проявлений ИБС и бронхолегочной патологии. При этом они демонстрировали показатели газообмена, характерные для различных стадий недостаточности кровообращения. Вероятно, что при СД выраженные микроциркуляторные нарушения, изменения в системе внутриклеточных метаболических процессов, протекающих в миокардиоцитах, приводят к росту кислородной задолженности тканям [9]. Диабетическое сердце «привыкает жить» в условиях устойчивой гипоксии еще до формирования коронарного атеросклероза, что, предположительно, позволяет пациентам с СД без ИБС довольно долго сохранять высокую толерантность к физической нагрузке.

Литература

Foss M. C. Cholinergic bronchomotor tone and airway caliber in insulin-

1. Amit S. Tibb, Pierre V., Ehnera T, Jennifer A. Chen et all. Diabetes lowers aerobic capacity in heart failure. J.Am. Coll. Cardiol, Vol 46, N 5, 2005

2. Astrand PO, Cuddy TE, Saltin B, Stenberg J. Cardiac output during sub- 9.

maximal and maximal work. J Appl Physiol 1964;19: 268-274.

3. Baldi JC, Aoina JL, Oxenham HC, Bagg W, Doughty RN. Reduced exer- 10.

cise arteriovenous O2 difference in Type 2 diabetes. J Appl Physiol 2003;94:1033-1038.

4. Barstow TJ, Mole" PA. Linear and nonlinear characteristics of oxygen 11.

uptake kinetics during heavy exercise. J. Appl. Physiol. 1991;71:

2099-2106.

5. Bell D, Collier A, Mathews DM, Cooksey EJ, Mettardy GJR, Clarke BF: 12.

Are reduced lung volumes in IDDM due to defect in connective tissue?

Diabetes 1988;37:829-831

6. Boulbou M, Gourgoulianis K, Molyvdas PA. To the Editor: Insulin Effect 13.

on Lung Diffusion. Correspondence. Am J Respir Crit Care Med 2003;168:398-399 14.

7. Brasard Patrice, Ferland Annie, Gaudre Valerie et all. Elevated peak

exercise systolic blood pressure is not associated with reduced exercise capacity in subjects with type 2 diabetes. Articles in press. J. Appl. 15.

Physiol. May 25, 2006, 1-27

8. Conceicao M. C., Fonseca S. E., Manc 5 o J. C., Gallo L. Jr., Barreira A.A.,

dependent diabetes mellitus. Chest 1992;101: 1038-1043.

Cooper BG, Taylor R, Alberti KGMM, Gibson GJ: Lung function in patients with diabetes mellitus. Respir Med 1990;84:235-239 Ding Y, Vaziri ND, Coulson R, Kamanaa VS, Roh DD. Effects of simulated hyperglycemia, insulin, and glucagon on endothelial nitric oxide synthase expression. Am J Physiol Endocrinol Metab 2000;279:E11-E17. Douglas N. J., Campbell I. W., Ewing D. J., Clarke B. F., Flenley D. C. Reduced airway vagal tone in diabetic patients with autonomic neuropathy. Clin. Sci. Lond. 1981;61: 581-584.

Estacio RO, Regensteiner JG, Wolfel EE, Jeffers B, Dickenson M, Schrier RW. The association between diabetic complications and exercise capacity in NIDDM patients. Diabetes Care 1998;21: 291-295.

Estacio RO, Wolfel EE, Regensteiner JG, et al. Effect of risk factors on

exercise capacity in NIDDM. Diabetes 1996; 45:79-85

Guazzi M, Oreglia I, Guazzi MD. Insulin Improves Alveolar-Capillary

Membrane Gas Conductance in Type 2 Diabetes. Diabetes Care

20026;25:1802-1806

Guazzi M, Brambilla R, De Vita S, Guazzi MD. Diabetes worsens pulmonary diffusion in heart failure, and insulin counteracts this effect. Am J Respir Crit Care Med. 2002 Oct 1;166(7):978-82.

2/2008

49

Сахарный диабет I

Кардиология

16. Guvener N, Tutuncu NB, Akcay S, Eyuboglu F, Gokcel A. Alveolar gas exchange in patients with type 2 diabetes mellitus. Endocr J. 2003 Dec;50(6):663-.

17. Heaton R. W., Guy R. J. C., Gray B. J., Watkins P. J., Costello J. F. Diminished bronchial reactivity to cold air in diabetic patients with autonomic neuropathy. Br. Med. J. 1984;289: 149-151.

18. Holloszy JO, Schultz J, Kusnierkiewicz J, Hagberg JM, Ehsani AA.

Effects of exercise on glucose tolerance and insulin resistance. Acta Med Scand Suppl 1986;71 1: 55-65.

19. Kjaer M, Hollenbeck CB, Frey-Hewitt B, Galbo H, Haskell W, Reaven GM. Glucoregulation and hormonal responses to maximal exercise in non-insulin-dependent diabetes. J Appl Physiol 1990;68: 2067-2074.

20. Kodolova IM, Lysenko LV, Saltykov BB. Changes in the lungs in diabetes mellitus. Arkh Patol. 1982;44(7):35-40.

21. Lau AC, Lo MK, Leung GT, Choi FP, Yam LY, Wasserman K. Altered exercise gas exchange as related to microalbuminuria in type 2 diabetic patients. Chest. 2004 Apr;125(4):1292-8.

22. Ljubic S, Metelko Z, Car N, Roglic G, Drazic Z. Reduction of diffusion capacity for carbon monoxide in diabetic patients. Chest. 1998 Oct;1 14(4):1033-5.

23. Marco Guazzi, MD, PhD, Gabriele Tumminello, MD, Marco Matturri, MD et all. Insulin ameliorates exercise ventilatory efficiency and oxygen uptake in patients with heart failure-type 2 diabetes comorbidity. J. Am. Coll. Cardiol 2003; 42: 1044-1050

24. Massie B., Conway M., Yonge R. et all. Skeletal muscle metabolism in patients with congestive heart failure: relation to clinical severity and blood floow. Circulation 1987, 76: 1009-19

25. Maxwell AJ, Schauble E, Bernstein D, and Cooke JP. Limb blood flow during exercise is dependent on nitric oxide. Circulation 1998;98: 369-374.

26. Niranjan V, Mc Brayer DG, Ramirez LC, Raskin P, Hsia CCW: Glycemic control and cardiopulmonary function in patients with insulin-dependent diabetes mellitus. Am J Med 1997;103:504-513

27. Paredi P, Biernacki W, Invernizzi G, Kharitonov SA, Barnes PJ. Exhaled carbon monoxide levels elevated in diabetes and correlated with glucose concentration in blood: a new test for monitoring the disease? Chest. 1999 Oct;116(4):1007-11

28. Poirier P, Bogaty P, Garneau C, Marois L, and Dumesnil JG. Diastolic dysfunction in normotensive men with well-controlled type 2 diabetes. Diabetes Care 2001;24: 5-10.

29. Poortmans JR, Saerens P, Edelman R, et al. Influence of the degree of metabolic control on physical fitness in type I diabetic adolescents. Int J Sports Med 1986; 7:232-235

30. Ramirez LC, Dal Nogare A, Hsia C, Arauz C, Butt I, Strowig SM, Schnurr-Breen L, Raskin P: Relationship between diabetes control and pulmonary function in insulin-dependent diabetes mellitus. Am J Med 1991;91:371-376

31. Regensteiner JG, Sippel J, McFarling ET, Wolfel EE, Hiatt WR. Effects of non-insulin-dependent diabetes on oxygen consumption during treadmill exercise. Med Sci Sports Exerc 1995;27: 661-667.

32. Rhind G. B., Gould G. A., Ewing D. J., Clarke B. F., Douglas N. J. Increased bronchial reactivity to histamine in diabetic autonomic neuropathy. Clin. Sci. Lond. 1987;73: 401-405,.

33. Rowell LE. Human Circulation Regulation During Physical Stress. New York: Oxford Univ. Press, 1986.

34. Roy TM, Peterson HR, Snider HL, Cyrus J, Broadstone VL, Fell RD, Rothchild AH, Samols E, Pfeifer MA. Autonomic influence on cardiovascular performance in diabetic subjects. Am J Med 1989;87: 382-388.

35. Saltin B, Lindgarde F, Houston M, Horlin R, Nygaard E, Gad P. Physical training and glucose tolerance in middle-aged men with chemical diabetes. Diabetes 28 Suppl 1979;1: 30-32.

36. Sandler M, Bunn AE, Stewart RI. Cross-section study of pulmonary function in patients with insulin-dependent diabetes mellitus. Am Rev Respir Dis. 1987 Jan;135(1):223-9.

37. Scheuermann-Freestone M, Madsen PL, Manners D et all. Abnormal cardiac and skeletal muscle energy metabolism in patients with type 2 diabetes. Circulation 2003; 107: 3040-6

38. Seals DR, Hagberg JM, Hurley BF, Ehsani AA, Holloszy JO. Endurance training in older men and women. I. Cardiovascular responses to exercise. J Appl Physiol 1984;57: 1024-1029.

39. Simoneau JA, Kelley DE. Altered glycolytic and oxidative capacities of skeletal muscle contribute to insulin resistance in NIDDM. J Appl Physiol 1997;83: 166-171.

40. Tantucci C., Bottini P., Dottorini M. L., Puxeddu E., Casucci G., Scionti L., Sorbini C. A. Ventilatory response to exercise in diabetic subjects with autonomic neuropathy. J Appl Physiol 1996;81:1978-1986.

41. Tantucci C., Scionti L., Bruni B., Dottorini M. L., Peccini F., Batta M. Bronchial reactivity and control of breathing in diabetic autonomic neuropathy. Diabetes Nutr. Metab. 1988;1: 315-322

42. Vanninen E, Uusitupa M, Siitonen O, Laitinen J, La nsimies E, PyO ra la K. Effect of diet therapy on maximum aerobic power in obese, hypergly-caemic men with recently diagnosed type 2 diabetes. Scand J Clin Lab Invest. 1991 May;51(3):289-97.

43. Vracko R, Thorning D, Huang TW. Basal lamina of alveolar epithelium and capillaries: quantitative changes with aging and in diabetes mellitus. Am Rev Respir Dis. 1979 Nov;120(5):973-83.

44. Weynand B, Jonckheere A, Frans A, Rahier J. Diabetes mellitus induces a thickening of the pulmonary basal lamina. Respiration. 1999;66(1):14-9

45. Weber K.T. Concept and applications of cardiopulmonary exercise testing // Chest 1988.- Vol.93.-N4.- P.843-847

46. Weber K.T. What can we learn from exercise testing beyond the detection of myocardial ischemia ? // Clin. Cardiol.-1997.-Vol. 20. - P.684-696.

47. Xie GY, Berk MR, Smith MD, et al. Prognostic value of Doppler transmi-tral flow patterns in patients with congestive heart failure. J Am Coll Cardiol 1994; 24:132-139

48. Zaqrodska H, Szmit S, Jaron V. et al. Calcium score, heart rate, gas exchange response to exercise as predictors of CAD in patients with type 2 diabetes mellitus. 76th EAS Congress, June 2007, Abstracts, p. 140

50

2/2