В рамках концепции сетевой физиологии организм рассматривается как интегрированная сеть органов и систем, связанных в различных пространственно-временных масштабах для координации своих функций. Согласованное взаимодействие регуляторных механизмов обеспечивает нормальное функционирование как отдельных органов и систем, так и всего организма. Анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР) является одним из широко используемых неинвазивных методов оценки вклада симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы в регуляцию сердечной деятельности. Функционирование крупных центральных и мелких периферических сосудов регулируется разными физиологическими факторами, определяющими периферическую гемодинамику. Существуют различные неинвазивные методы мониторинга периферического кровотока, среди которых наиболее доступными и востребованными являются лазерная допплеровская флоуметрия (ЛДФ) и фотоплетизмография (ФПГ). Использование этих методов в сочетании с локальной тепловой пробой является одним из распространенных методов исследования функционального состояния микрососудистого русла и выявления сопутствующих осложнений при различных патологиях, в том числе и при сахарном диабете 2 типа (СД2Т). Известно, что при СД2Т нарушается терморегуляция, что может приводить к снижению вазодилатации в коже конечностей вследствие развития нейрососудистой дисфункции. Анализ изменений в механизмах регуляции ВСР и колебаний кожной гемодинамики в ответ на локальный нагрев у пациентов с СД2Т может служить индикатором ранних микрососудистых нарушений при неинвазивной диагностике. Целью исследования было изучение изменений спектрального состава и фазовых взаимоотношений между ВСР, динамикой кровенаполнения мягких тканей и колебаниями кожной перфузии верхних и нижних конечностей у здоровых добровольцев и больных СД2Т в ответ на локальный нагрев.

В исследовании участвовали 22 пациента с СД2Т (5 мужчин и 17 женщин) и 22 условно здоровых добровольца (8 мужчин и 14 женщин). Измерения проводили в тихом помещении при температуре 23 ± 1°C после 15-минутного периода адаптации, испытуемые находились в положении лежа на спине. Для каждого испытуемого одновременно регистрировали пять 35-минутных записей – электрокардиограмму (ЭКГ), динамику кровенаполнения подушечки указательного пальца правой руки (ФПГрк) и подушечки второго пальца правой ноги (ФПГнг), а также динамику кожной перфузии с наружной поверхности правого предплечья вблизи лучезапястного сустава (ЛДФрк) и наружной поверхности правой стопы между головками 1й и 2й плюсневых костей (ЛДФнг). Тепловую пробу осуществляли путем локального нагрева обоих участков кожи в области расположения ЛДФ зондов от 32 до 38 0С. Для каждого участника анализировали два 15- минутных участка из общей записи: первые 15 минут без нагрева (покой) и последние 15 минут при температуре 38 0С (нагрев). Анализировали амплитудно-частотные спектры с использованием адаптивного вейвлет-преобразования и фазовые взаимоотношения между парами регистрируемых сигналов по величине функции фазовой вейвлет-когерентности (ФВК). Статистическую достоверность полученных значений ФВК оценивали методом суррогатов, количество которых было равным 100. Статистический анализ различий проводили на основе тестов Вилкоксона для независимых выборок, достоверными считали различия при p < 0.05.

Обнаружено, что у больных амплитуды сверхнизко- (< 0.04 Гц) и низкочастотных (0.04 – 0.15 Гц) компонентов ВСР были достоверно ниже как в покое, так и при локальном нагреве по сравнению со здоровыми участниками. Амплитуды респираторных колебаний (~ 0.3 Гц) кровотока предплечья (по данным ЛДФ) были выше в покое и при нагреве у пациентов по сравнению с контрольной группой. В сравнении со здоровыми участниками на стопе у пациентов амплитуды миогенных (~ 0,1 Гц) колебаний кровотока были ниже в покое, а амплитуды колебаний с частотой сердечного ритма (~1 Гц) - при нагреве. Достоверных различий в спектральном составе колебаний кровенаполнения подушечек пальцев (по данным ФПГ) между пациентами и здоровыми участниками ни в покое, ни в ответ на локальный нагрев не обнаружено. У пациентов для пар ЛДФрк – ЛДФст и ФПГрк – ФПГст значения ФВК в покое были ниже для миогенных (~ 0.1 Гц) колебаний по сравнению с контрольной группой, а для нагрева достоверных различий не обнаружено. Кроме того, не выявлено достоверных изменений между значениями ФВК, характеризующими фазовые взаимосвязи между ВСР и динамикой кожной перфузии обоих конечностей. Для фазовых взаимосвязей между ВСР и динамикой кровенаполнения подушечки пальца стопы выявлено достоверное снижение ФВК у больных на частотах ~ 0.1 и ~ 0.3 Гц как в покое, так и при нагреве, в то время как для пальца руки достоверных различий не обнаружено. Полученные результаты могут служить основой для разработки методов ранней неинвазивной диагностики микрососудистых нарушений и способов их терапевтической коррекции при различных социально-значимых заболеваниях, включая СД2Т.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-15-00215).

The concept of network physiology considers the body as an integrated network of organs and systems connected at different spatial and temporal scales to coordinate their functionality. The harmonious interaction of regulatory mechanisms ensures the normal activities of individual organs and systems, as well as the whole organism. Heart rate variability (HRV) analysis is one of the widely used non-invasive methods to assess contribution of sympathetic and parasympathetic components of autonomic nervous system in regulation of cardiac function. The functioning of large central and small peripheral vessels is regulated by different physiological factors that determine peripheral hemodynamics. There are various non-invasive methods for monitoring peripheral microvasculature, among which laser Doppler flowmetry (LDF) and photoplethysmography (PPG) are the most accessible and popular. The use of these methods in combination with local heating is one of the common methods to study microvascular functional state and detection of associated complications in various pathologies, including type 2 diabetes mellitus (T2DM). It is known that in T2DM thermoregulation is impaired, which may lead to decreased skin vasodilation of extremities due to the development of neurovascular dysfunction. Analysis of changes in mechanisms of HRV and skin hemodynamic regulation in response to local heating in T2DM patients may be an indicator of early microvascular dysfunction in noninvasive diagnosis. The aim of the study was to assess changes in spectral components and phase relationships between HRV, tissue blood volume dynamics and skin blood flow oscillations in upper and lower extremities of healthy volunteers and T2DM patients in response to local heating.

Twenty-two T2DM patients (5 males and 17 females) and twenty-two healthy volunteers (8 males and 14 females) participated in the study. Measurement procedures were conducted in a quiet room at 23 ± 1°C after a 15-minute adaptation period. All subjects were in supine position during registration. Five 35-minute signals were recorded simultaneously for each subject - electrocardiogram (ECG), tissue blood volume dynamics of the right index finger pad (PPGfg) and the right second toe pad (PPGtoe), as well as skin blood flow dynamics from the outer surface of the right forearm near the wrist joint (LDFfm) and of the right foot between the heads of the 1st and 2nd metatarsal bones (LDFft). The local heating test was performed by heating both skin sites from 32 to 38 0С in the area where LDF probes were placed. For each participant, two 15-minute fragments of the entire 35 min signals analyzed: the initial 15 minutes without heating (rest) and the last 15 minutes of probe (heating). Amplitude-frequency spectra were analyzed using adaptive wavelet transform, as well as phase interactions between pairs of analyzed signals were assessed by the value of wavelet phase coherence (WPC) function. Statistical significance of obtained WPC values was estimated by surrogate method, the number of which was equal to 100. Statistical analysis was performed using Wilcoxon tests for independent samples, significance differences were considered reliable at p < 0.05.

The amplitudes of HRV ultra-low (< 0.04 Hz) and low (0.04 - 0.15 Hz) frequency components were significantly lower in patients both at rest and during local heating compared to controls. Amplitudes of respiratory oscillations (~ 0.3 Hz) of forearm blood flow (as measured by LDF) were higher at rest and during heating in patients versus healthy subjects. In comparison with controls the amplitudes of myogenic (~0.1 Hz) oscillations of foot blood flow were lower at rest and the amplitudes of cardiac (~1 Hz) oscillations - under local heating. No significant differences in spectral components of finger and toe tissue blood volume oscillations (as measured by PPG) were found between patients and healthy participants neither at rest nor under local heating. In patients WPC values for myogenic (~0.1 Hz) oscillations of LDFfm - LDFft and PPGfg - PPGtoe pairs were lower as compared to controls. There were no significant differences between patients and controls for these signal pairs under local heating. In addition, no significant changes were found between WPC values characterizing the phase relationship between HRV and skin blood flow oscillations of both extremities neither at rest nor under local heating. For phase interactions between HRV and toe tissue blood volume dynamics a significant decrease of patient WPC values at ~ 0.1 and ~ 0.3 Hz both at rest and during local heating was revealed, while for finger tissue volume no differences were detected. The results obtained can provide the basis for development of methods for early noninvasive diagnosis of microvascular disorders and ways of their therapeutic correction in various socially significant diseases, including T2DM.

This study was supported by the Russian Science Foundation [grant number # 22-15-00215].