«Разработка методических рекомендаций по использованию
advertisement
«Разработка методических рекомендаций по использованию нетрадиционных неинвазивных методов тестирования (тепловизионная диагностика, генетическое тестирование) для определения индивидуального уровня физической подготовленности московских спортсменов в зимних (биатлон, лыжные гонки) и летних (плавание, легкая атлетика) видах спорта» Оглавление Введение................................................................................................................... 3 1. Молекулярно-генетические маркеры предрасположенности к занятиям спортом..................................................................................................................... 6 1.1. Принципы применения молекулярно-генетической диагностики в спорте .................................................................................................................... 9 1.2. Интерпретация результатов и составление рекомендаций. ................... 21 2. Тепловизионная диагностика в спорте ........................................................... 29 2.1. Теоретические аспекты использования телевизионной диагностики в спорте .................................................................................................................. 29 2.2 Диагностические возможности метода инфракрасной термографии. ... 37 3. Методы генетической и тепловизионной диагностики в практике определения индивидуального уровня физической подготовленности московских спортсменов в зимних и летних видах спорта .............................. 44 3.1. Молекулярно-генетические методы ......................................................... 44 3.2. Прогнозирования параметров аэробной производительности и максимального уровня лактата у спортсменов по температуре кожной поверхности в условиях мышечного покоя .................................................... 49 2 Введение Генетическая детерминированность физических качеств людей, занимающихся спортом, была убедительно доказана в конце прошлого века. Однако огромное значение для развития спорта генетика получила с выходом научных исследований на молекулярный уровень. В последние десятилетия потенциал развития физических качеств человека изучался и оценивался главным образом с позиции фенотипических маркеров, использование большей части которых в системе профессиональной ориентации и отбора ограничено. Современные же методы молекулярной биологии позволяют с большой точностью определять генетический потенциал человека на уровне ДНК (ее «слабые» и «сильные» звенья, повышающие либо ограничивающие способности). В связи с этим исследовательская работа, посвященная разработке генетических методов спортивного отбора и ориентации в системе подготовки спортсменов в зимних (биатлон, лыжные гонки) и летних (плавание, легкая атлетика) видах спорта является актуальной. Помимо генетических исследований в последние годы особы интерес исследователей вызывает характер распределения кожной температуры при различных функциональных состояниях организма. Если в условиях покоя терморегуляторная система обеспечивает поддержание относительно постоянной температуры тела при самых разных внешних условиях, то во время мышечной работы температура ядра тела повышается. Это связано как с работой скелетных мышц, при которой значительная часть высвобождаемой энергии преобразуется в тепло, так и с деятельностью других органов и тканей, участвующих в нормализации гомеостаза в процессе мышечной деятельности. Баланс между теплопродукцией и теплоотдачей формирует специфический паттерн теплового состояния организма спортсмена, который может существенно различаться в зависимости от состава тела и участия различных типов мышечных волокон в сократительной активности, а также от наличия или отсутствия 3 дополнительных механизмов поддержания постоянства внутренней среды. В последние годы стали широко использовать современные системы инфракрасного тепловизионного анализа, отличающиеся высокой точностью, охватом большой поверхности и возможностью автоматического расчета средневзвешенной температуры видимого участка кожи. В результате дистантного, неинвазивного и абсолютно безвредного исследования, не имеющего противопоказаний и пригодного для многократного повторения, получаются так называемые термограммы, то есть инфракрасные «портреты» поверхности всего тела или его отдельных областей, характеристики которых в ряде случаев тесно коррелируют с метаболическими показателями у спортсменов. В связи с этим работа, посвященная исследованию взаимосвязей между характеристиками температурного портрета с уровнем и индивидуальными особенностями работоспособности у спортсменов в зимних (биатлон, лыжные гонки) и летних (плавание, легкая атлетика) видах спорта является актуальной. В данной работе описаны принципы генетической диагностики предрасположенности к занятиям зимними и летними видами спорта, позволяющие повысить эффективность спортивной ориентации и отбора; описаны генетические маркеры (ДНК-полиморфизмы) предрасположенности к видам спорта, направленным на развитие в различном соотношении выносливости, быстроты и силы (циклические виды: короткие, средние и длинные дистанции; ациклические виды: единоборства, игровые виды спорта и др; показана возможность использования комбинационного подхода при анализе генотипических данных у спортсменов различных специализаций и квалификаций (для каждого вида спорта подобраны наиболее оптимальные генетические комбинации; кроме того, определено, что полиморфизмы генов оказывают аддитивное влияние на предрасположенность к занятиям различными видами спорта: чем большим числом аллелей выносливости/быстроты и силы обладает индивид, тем больше вероятность 4 того, что он может стать выдающимся стайером/спринтером, «средневиком», «игровиком», «силовиком» и т.п.); описана методика прогнозирования максимального уровня лактата по температуре кожной поверхности в условиях мышечного покоя; предложена методика оценки параметров аэробной производительности спортсменов по температуре кожной поверхности в условиях мышечного покоя. 5 1. Молекулярно-генетические маркеры предрасположенности к занятиям спортом. При решении проблем спортивного отбора и спортивной ориентации, особенно на этапе начального отбора, несмотря на солидный опыт педагогов и тренеров, очень часто составляются неправильные прогнозы успешности отдельных спортсменов. Современные методы спортивной генетики позволяют избежать многих неуспешных решений в этом плане с помощью так называемых фенотипических и генетических маркеров, в разной степени отражающих наследственные задатки отдельных индивидуумов. Кроме того, на основании изучения этих маркеров появляются предпосылки к индивидуализации и оптимизации тренировочного процесса для достижения максимального эффекта от тренировки. К современным технологиям спортивного отбора следует отнести применение молекулярно-генетического анализа для выявления наследственной предрасположенности к занятиям конкретным видом спорта. Генетические маркеры, ассоциированные с развитием и проявлением физических качеств (быстрота, сила, выносливость, ловкость, гибкость), могут применяться в системе спортивного отбора, для уточнения спортивной специализации (например, подбор наиболее оптимальной специализации: санный спорт, бобслей, скелетон, а также амплуа: пилот, разгоняющий и т.п.), для оптимизации тренировочного процесса (определение возможностей организма выполнять большие объемы нагрузок, акцентирование на развитии сильных сторон организма, выбор соревновательной тактики и т.п.). Маркером называют легко определяемый, более или менее устойчивый признак организма, по которому можно судить о вероятности проявления другой, трудно определяемой характеристики организма. Например, по составу мышечных волокон, который является относительно устойчивым 6 фенотипом (меняется незначительно в результате тренировок), можно прогнозировать пригодность людей к занятиям физическими упражнениями различной мощности и продолжительности (преобладание медленных мышечных волокон – фенотип «стайера», преобладание быстрых мышечных волокон – фенотип «спринтера» или «силача», равное соотношение медленных и быстрых мышечных волокон – фенотип «средневика», «единоборца» или «игровика», преобладание промежуточных мышечных волокон – фенотип «универсала»). Различают фенотипические и генетические маркеры (таблица 1). К фенотипическим маркерам относят все маркеры, располагающиеся по уровню выше, чем вариации ДНК (молекулярно-генетические маркеры) и более крупные цитогенетические маркеры. Как следует из названия, фенотипические маркеры представляют собой фенотипические признаки, в той или иной степени изменяющиеся под проявляющиеся в полной мере в разные воздействием среды и периоды онтогенеза. Фенотипические маркеры могут подразделяться по уровню иерархии (ядерный, клеточный, тканевой, органный, системный; более высоко расположенные фенотипы складываются из нижележащих фенотипов) и степени генетической детерминированности (фенотипы с разной степенью наследуемости). В основе фенотипических маркеров лежат генетические и средовые факторы. Например, степень экспрессии гена (низший уровень фенотипа) зависит от полиморфизма гена, эпигенетических модификаций и средовых воздействий (тренировка, голодание, особенности питания и др.). В догеномный период применение фенотипических маркеров тканевого, органного и системного уровней нашло широкое распространение в практике спорта. В молекулярной генетике спорта под термином «генетический маркер» понимается определенный аллель гена (либо генотип, различные комбинации 7 аллелей и генотипов), ассоциированный с предрасположенностью к занятиям каким-либо видом спорта (или группам видов спорта), развитием и проявлением какого-либо физического качества (двигательной способности), а также с биохимическими, антропометрическими, композиционными, физиологическими, психологическими и другими показателями. Таблица 1. Примеры некоторых фенотипических и генетических маркеров Фенотипические маркеры Генетические маркеры Ядерный уровень: метилированные Молекулярно-генетические маркеры: участки ДНК, уровень экспрессии аллели, генотипы (комбинации гена, и др. гомологичных аллелей), комбинации негомологичных аллелей, гаплотипы Клеточный уровень: концентрация (комбинации аллелей генов на одной белка/фермента в клетке, хромосоме), комбинации генотипов, количество митохондрий и др. гаплогруппы (группы схожих Тканевой уровень: серологические гаплотипов, которые являются рядом (эритроцитарные ABO, MN, Rh и аллелей в определенных локусах Yсывороточные (Hp, Hb, Cc, Ee) хромосомы и митохондриальной системы крови), иммунологические, ДНК). биохимические, гормональные, гистоморфометрические (состав мышечных волокон, степень Цитогенетические маркеры: половой капилляризации мышечного хроматин (инактивированная Xволокна, площадь поперечного хромосома в конденсированной сечения мышечных волокон), форме; служит для опознания дерматоглифические, женского пола), теломеры, ломкая Xиридологические маркеры и др. хромосома, трисомии, моносомии и др. Органный уровень: масса миокарда левого желудочка, ЖЕЛ и др. Системный уровень: тип темперамента, соматотип, функциональные, психологические маркеры и др. 8 Согласно обнаруженным эффектам полиморфизмов генов, выделяют аллели (маркеры), ассоциированные с развитием и проявлением выносливости (кардиореспираторной и/или мышечной), скоростно-силовых качеств (быстроты, взрывной или абсолютной силы), морфологических признаков, а также с деятельностью высшей нервной системы. Существуют также аллели полиморфных участков, ограничивающие двигательную деятельность человека (маркеры адаптации сердечно-сосудистой системы к физическим нагрузкам, маркеры интолерантности к физическим нагрузкам, маркеры повреждения головного мозга и опорно-двигательного аппарата). Следствием такого ограничения двигательной деятельности в лучшем случае является прекращение роста спортивных результатов, в худшем – развитие патологических состояний, таких как, например, выраженная гипертрофия миокарда левого желудочка с исходом в сердечную недостаточность. Генетические маркеры определяются с помощью молекулярногенетического анализа, который становится все более доступным и дешевым. За последние 10 лет генетических маркеров, ассоциированных со спортивной деятельностью, выявлено более 30. 1.1. Принципы применения молекулярно-генетической диагностики в спорте Для успешного фенотипического развития тренированности спортсменов в плане отбора и прогноза необходимы два фактора (Сологуб и Таймазов, 2000): 1) адекватный генетическим особенностям выбор спортивной специализации и стиля соревновательной деятельности и 2) многоступенчатое прогнозирование с пошаговой коррекцией прогноза успешности и последовательным отбором на каждом этапе многолетней подготовки, с учетом генетически присущей спортсмену скорости адаптации к специализированным физическим и психическим нагрузкам. Лишь сочетание обоих этих факторов в совокупности может обеспечить высокие 9 результаты на уровне спорта высших достижений и сохранения здоровья спортсмена. Практические приложения знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе индивидуальных различий в развитии и проявлении физических и психических качеств, связаны с тремя аспектами: спортивной ориентацией и отбором, оптимизацией и коррекцией тренировочного процесса и профилактикой заболеваний у спортсменов. Как известно, неадекватный выбор вида спортивной деятельности сопровождается формированием нерациональной функциональной системы адаптации с большим нецелесообразных числом лишних, функциональных неэффективных взаимосвязей, и даже напряжением компенсаторных механизмов, затруднением восстановительных процессов, медленным развитием тренированности, менее успешным выступлением в соревнованиях, достижением высокого уровня спортивного мастерства, неутешительным прогнозом перспективности и, наконец, остановкой роста спортивного мастерства в связи с исчерпанием генетического резерва организма. Практика спортивной деятельности также показывает, что очень многие способные атлеты ушли из спорта, не раскрыв своих возможностей, из-за того, что к ним была применена стандартная система подготовки, ориентированная на средние значения показателей и не учитывающая в должной мере их индивидуальные способности, функциональные резервы и адаптационные возможности. В тех случаях, когда специалистам оказывалось под силу реализовать строго индивидуальную программу, спортсмены достигли выдающихся, как правило, стабильных в течение длительного времени, результатов. Трудовая деятельность, сопряженная с повышенными физическими нагрузками (профессиональные занятия спортом, работа шахтером, грузчиком, металлургом и т.д.) нередко приводит к развитию различных 10 патологий. К примеру, чрезмерные пролонгированные физические нагрузки, которым подвергаются спортсмены, могут привести к длительной гиперфункции сердца с дальнейшим развитием выраженной гипертрофии миокарда, которая не только препятствует росту спортивного мастерства, но и становится причиной формирования «бычьего» сердца и возникновения аритмий (Ахметов, 2009). В основе этих и других патологий могут лежать полиморфизмы генов, ассоциированных с деятельностью сердечно- сосудистой системы. В этом плане возможности молекулярной генетики спорта (применение генетических маркеров в сочетании с фенотипической диагностикой) позволяют оказывать помощь спортивным врачам, педагогам и тренерам: а) в определении предрасположенности детей и подростков к определенному виду двигательной деятельности (спортивная ориентация и отбор); б) в повышении роста спортивных показателей за счет оптимизации и коррекции тренировочного процесса; в) в профилактике различных заболеваний, связанных с профессиональной деятельностью спортсменов. Существует предположение, что все индивиды, не имеющие серьезных отклонений в здоровье, генетически предрасположены к занятиям различными видами спорта и способны достичь в них определенных успехов без вреда для здоровья (большинство людей способны дойти до уровня кандидата в мастера спорта в «своем» виде спорта). В данном случае роль специалистов в области спортивной генетики заключается в подборе оптимальной двигательной деятельности для конкретного человека с учетом его генетической конституции. Применение молекулярно-генетического тестирования с высокой прогностической способностью особенно актуально для выявления спортивных талантов (потенциальных чемпионов) и гениев (потенциальных рекордсменов мира), которых, как предположил чешский исследователь Р. Ковар, может быть около 0,13% населения 11 среднестатистической страны (Kovar, 1997). Вместе с тем, отметим, что окончательное спортивного количество мастерства индивидов, все же достигших устанавливается высокого уровня ненаследственными факторами (процент реализации генетического потенциала всегда ниже теоретически ожидаемого), и зависит, в том числе, от запросов общества. В поддержку гипотезы о всеобщей предрасположенности к каким-либо видам спорта можно привести примеры по частоте встречаемости различных аллелей генов, ассоциированных с двигательной деятельностью. Так, на основании анализа G/C полиморфизма 7 интрона гена PPARA (см. разделы 4.2.15 и 4.3.5); можно выделить индивидов с наличием аллелей G (носители генотипов GG и GC) или C (носители генотипов GC и СС). Было обнаружено, что частота встречаемости PPARA G аллеля значимо выше среди стайеров по сравнению с контрольной группой, а частота PPARA C аллеля – среди спринтеров и тяжелоатлетов. Подобный антагонизм аллелей, когда первый аллель гена предрасполагает к видам спорта одной метаболической направленности, а второй аллель – к видам спорта другой метаболической направленности, обнаружен также для ACE I/D, HIF1A Pro582Ser и PPARGC1A Gly482Ser полиморфизмов. На основании этих данных можно предположить, что носительство каких-либо аллелей генов ACE, HIF1A, PPARA и PPARGC1A не ограничивает человека в возможности занятий видами спорта вообще. Здесь важно лишь подобрать ребенку оптимальный вид двигательной деятельности еще в самом начале спортивной карьеры, используя всевозможные методы для оценки двигательной одаренности (Ахметов, 2009). В повседневной жизни можно наблюдать процессы спортивного отбора, протекающие естественным образом. По всей видимости, сразу после начала занятий видами спорта происходит перераспределение юных спортсменов среди всего контингента занимающихся. Одни остаются в тех 12 видах спорта, в которых начали свою спортивную карьеру, поскольку их генетическая конституция предрасполагает к такой двигательной деятельности. Другие же, или вообще уходят из спорта, или находят (либо им подбирают) тот оптимальный вид спорта, в котором они могут добиться наилучших результатов. В исследовании с участием российских лыжников было показано, что частота встречаемости неблагоприятного для проявления выносливости PPARA C аллеля (повышает риск развития гипертрофии миокарда, что ограничивает аэробные возможности) среди юных лыжниковгонщиков, прекративших заниматься данным видом спорта через 7 месяцев после начала занятий, составила 66,7%, в то время как среди оставшейся группы частота PPARA C аллеля составила всего 6,5% (P = 0.0007). Постепенное снижение частоты PPARA C аллеля можно также наблюдать у стайеров более старшей группы. Так, было установлено, что частота PPARA C аллеля у разрядников и кандидатов в мастера спорта близка к среднепопуляционным данным, в то время как у мастеров спорта международного класса и заслуженных мастеров спорта частота этого аллеля достигает минимальных значений (P < 0.0001). Этот феномен, в соответствии с генетической концепцией спортивного отбора, отражает накопление благоприятствующих определенной двигательной деятельности аллелей у спортсменов высокой квалификации и постепенный отсев спортсменов с неблагоприятным сочетанием генотипов (в приведенном примере: накопление PPARA G и снижение PPARA C аллелей у стайеров с ростом спортивной квалификации). В соответствии с типом энергообеспечения тренировочной нагрузки, виды спорта условно можно разделить на несколько групп, в которых физиологические закономерности используемых в тренировочном процессе упражнений одинаковы. Помимо признаков, характеризующих развитие выносливости, быстроты и силы принимаются во внимание мощность 13 выполняемой на тренировках работы с разделением на умеренную, большую, субмаксимальную, максимальную и переменную. Схематически классификацию видов спорта можно представить в виде треугольной фигуры, во главе каждого угла которой отображены группы видов спорта с максимальным проявлением одного из трех основных физических качеств – быстроты, силы и выносливости (см. рис. 1). Каждая ячейка в треугольнике включает в себя определенные группы видов спорта со схожим типом энергетического обеспечения мышечной деятельности и показывает, в какой степени то или иное физическое качество является определяющим для успешной соревновательной деятельности. Недостаток этой схемы заключается в том, что она в полной мере не учитывает другие, важные для спорта физические (гибкость, ловкость) и психические (темперамент, агрессивность и др.) качества. Тем не менее, на примере этой схемы можно видеть, что в зависимости от сочетания генотипов, любому физически здоровому индивиду можно подобрать группу видов спорта, в которых он мог бы добиться высоких результатов без вреда для здоровья (например, для занятий футболом оптимально следующее сочетание генотипов: ACTN3(RR или RX)–PPARA(GC или СС)–PPARGC1A(Gly/Ser или Ser/Ser)–UCP2(Ala/Val или Val/Val)–VEGF(GC или CC) (Ахметов и др., 2007б). Используя литературные данные о встречаемости аллелей различных генов у спортсменов, занимающихся возможность подбора разными оптимальных видами для спорта, конкретной существует двигательной деятельности сочетаний аллелей и генотипов по многим генам-кандидатам. Вместе с тем необходимо признать существование индивидов, на которых стандартные физические нагрузки действуют как минимум нейтрально, не вызывая улучшения таких физических показателей, как, максимальное потребление кислорода в результате длительных тренировок. Данный факт свидетельствует об индивидуальных различиях в ответ на 14 классические физические нагрузки, но еще не доказывает наличие очень низких спортивных способностей. По крайней мере, исследования с целью оптимизации тренировочного процесса с учетом индивидуальной генетической предрасположенности показали положительные результаты. При этом необходимо учитывать возможность того, что такие индивиды могут быть интолерантными к физическим нагрузкам ввиду мутаций в ядерных и митохондриальных генах, и, поэтому не могут быть отнесены в полной мере к здоровым лицам. Рис. 1. Распределение основных видов спорта на группы с учетом преимущественного проявления определенных физических качеств (по: Ахметов, 2009). Примечания: 1. Быстрота и сила а) бег: 100, 200, 400 м; 100 с/б, 110 с/б, 400 с/б; б) прыжки: в длину, тройной; в) плавание: 50 и 100 м; г) коньки: скоростной бег 500 м; шорт-трек 500 м; д) велосипед: спринт, гит 500 м; е) гребля: байдарка 200 м; каноэ 200 м 2. Взрывная скорость 15 а) метание: диска, молота и копья; толкание ядра; б) прыжки в высоту, прыжки с шестом 3. Взрывная сила Тяжелая атлетика 4. Абсолютная сила Пауэрлифтинг, бодибилдинг 5. Скоростная выносливость а) бег: 800 м; б) велосипед: гит 1 км; в) гребля: байдарка 500 и 1000 м; каноэ 500 и 1000 м; г) коньки: 1000 м; шорт-трек 1000 м; д) плавание: 200 м 6. Быстрота и ловкость Волейбол, бейсбол, фехтование 7. Быстрота, сила, выносливость, ловкость и гибкость а) баскетбол, водное поло, гандбол, софтбол, футбол, хоккей с шайбой, хоккей на траве, хоккей с мячом, регби; б) современное пятиборье, семиборье, десятиборье; в) бокс, восточные единоборства 8. Cила, ловкость и гибкость а) бобслей, санный спорт, скелетон, горнолыжный спорт; б) акробатика, спортивная гимнастика, художественная гимнастика; в) прыжки в воду, прыжки с трамплина; г) фигурное катание, синхронное плавание 9. Силовая выносливость Гиревой спорт, силовой экстрим 10. Выносливость и быстрота а) бег: 1500 м; б) велосипед: 3 и 4 км, кросс-кантри; в) академическая гребля; г) коньки: 1500 м; д) лыжные гонки: спринт; е) плавание: 400 м 16 11. Выносливость, быстрота, сила и ловкость Большой и настольный теннис, бадминтон 12. Сила, выносливость, быстрота, ловкость и гибкость Борьба: классическая, вольная, самбо, дзюдо 13. Выносливость большой мощности а) бег: 3000 м с препятствиями, 5 и 10 км; б) биатлон: спринт; в) велосипед: велошоссе до 50 км; маунтинбайк; г) коньки 3, 5 и 10 км; лыжные гонки: 5 и 10 км; плавание: 800 и 1500 м 14. Выносливость умеренной мощности (длинные дистанции) а) бег: марафон; б) биатлон: 15 и 20 км; в) велосипед: велошоссе 50-200 км; г) лыжные гонки: 15, 30 и 50 км; дуатлон; лыжное двоеборье; д) плавание: 5, 10 и 25 км; е) триатлон; ж) ходьба: 10 и 20 км 15. Выносливость умеренной мощности (сверхдлинные дистанции) а) ультрамарафон 100 км; б) ходьба: 50 км; в) плавание: 50 км; г) велоспорт: велошоссе 200 км и более, многодневные гонки; д) триатлон «Железный человек» В таблицах 6-7 представлены наиболее значимые генетические маркеры выносливости и быстроты/силы в отдельных видах спорта (более 35). Для этого были использованы данные, свидетельствующие о значимых различиях в частотах встречаемости аллелей (вариантов генов) между 1423 спортсменами и контрольной группой (n = 1132). Маркеры выносливости рассматривались в I-IV группах спортсменов, а маркеры быстроты/силы – в IV и V группах (IV группа включают в себя виды спорта, при занятиях которыми развивается в разном соотношении, как выносливость, так и скоростно-силовые качества). 17 Таблица 6. Значимые генетические маркеры выносливости в отдельных видах спорта Велошоссе Лыжные гонки 15-50 км I + + + + + + + + + Все + + Академическая гребля + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Бег 3-10 км + Коньки 5-10 км + + + + + + VEGFR2 472Gln VEGFA C UCP2 55Val + + + Триатлон TFAM 12Thr + + Плавание 5-25 км Спортивная ходьба PPP3R1 5I + UCP3 T Биатлон PPARGC1B 203Pro PPARGC1A Gly482 PPARD C NFATC4 Gly160 Вид спорта PPARA G Группа Аллели выносливости + + + + + + + + + + + II Лыжные гонки 5-10 км + Плавание 800-1500 м Все + + + + + + + + + + + + + Бег 800-1500 м Гребля на байдарках III Коньки 1,5-3 км + + + Плавание 200-400 м Все + + + + Баскетбол + + + + + + + + IV Бокс + + 18 Борьба Теннис + + + + + + + Футбол + Хоккей с шайбой + Все + + + + + + Таблица 7. Значимые генетические маркеры быстроты/силы Аллели быстроты/силы Вид спорта Академическая гребля ACTN3 R577 HIF1A PPARG 582Ser 12Ala PPARGC1B 203Pro + + + PPARA С + Бег 60-400 м Бодибилдинг + Горнолыжный спорт + Коньки 500-1000 м + + + + + Метания + + Пауэрлифтинг + Плавание 50-100 м + + Прыжки в длину + Прыжки с шестом + Прыжки с трамплина Спортивная гимнастика + Тяжелая атлетика Хоккей с шайбой Все + + + + + + + + + Результаты комплексного анализа с применением вышеуказанных маркеров свидетельствуют об аддитивном влиянии полиморфизмов генов на предрасположенность к занятиям различными видами спорта, а также о том, 19 что вероятность достижения высоких результатов в видах спорта, в различной степени направленных на развитие выносливости либо быстроты/силы, повышается с увеличением носительства числа аллелей, ассоциированных с этими качествами. Индивиды с наличием 9 и более аллелей выносливости (какие-либо из NFATC4 Gly160, PPARA rs4253778 G, PPARD rs2016520 C, PPARGC1A Gly482, PPARGC1B 203Pro, PPP3R1 5I, TFAM 12Thr, UCP2 55Val, UCP3 rs1800849 T и VEGFA rs2010963 C аллелей) имеют шансы стать выдающимися стайерами в 3 раза больше, чем носители меньшего числа аллелей выносливости. Индивиды с наличием 3 и более аллелей быстроты/силы (какие-либо из HIF1A 582Ser, PPARA rs4253778 С, PPARG 12Ala, PPARGC1B 203Pro аллелей) имеют шансы стать выдающимися спортсменами в видах спорта, направленных на развитие быстроты и силы в 2,4 раза больше, чем носители меньшего числа аллелей быстроты/силы Как уже было отмечено выше, отличительной особенностью генетической диагностики от фенотипической является возможность ее применения сразу после рождения ребенка (либо до рождения – в особых случаях), а значит, прогноз развития показателей, значимых в условиях спортивной деятельности, можно составить очень рано. С другой стороны, генетические маркеры, ассоциированные со спортивной деятельностью, нередко являются маркерами предрасположенности к различным распространенным заболеваниям. Таким образом, можно утверждать, что уже сейчас начинают закладываться основы принципиально новой системы медико-генетического обеспечения физической культуры и спорта, которая позволит поднять его на более высокий уровень, внедрить в практику основы профилактической медицины и генетики, активно помогать в планировании и коррекции тренировочного процесса. 20 1.2. Интерпретация результатов и составление рекомендаций. Интерпретация результатов ответственное и генетического трудоемкое дело, тестирования которым в должен спорте – заниматься подготовленный специалист (либо коллектив специалистов), обладающий соответствующими знаниями в области молекулярной генетики человека, физиологии и биохимии мышечной деятельности, спортивной медицины и антропологии, и разбирающийся в различных аспектах спортивной педагогики (вопросы отбора в спорте, спортивной тренировки, многолетней подготовки спортсменов и др.) и питания спортсменов. Здесь важно подчеркнуть, что при решении вопросов спортивной специализации и отбора, оптимизации и коррекции тренировочного процесса, а также профилактики профессиональных заболеваний спортсменов, молекулярногенетическое тестирование не может заменить фенотипическую диагностику (биохимические (pH, лактат крови, гемоглобин, гематокрит, АЛТ, АСТ, КФК, мочевина и др.), гистологические (биопсия мышечной ткани), физиологические (спироэргометрия, тест PWC170, динамометрия, стабилометрия и др.), антропометрические (оценка морфологического состояния, оценка функций и нарушений осанки и стопы, измерение минеральной плотности костной ткани и др.), биомеханические, клинические (пульсометрия, измерение артериального давления, ЭКГ, ЭХО-КГ, суточный мониторинг ЭКГ по Холтеру, проведение ортопробы, расчет вегетативного индекса) методы обследования, а также педагогические и психологические тесты), но лишь дополнить и конкретизировать отдельные ее моменты. Связано это не только с тем, что на данный момент мы не располагаем всей информацией о генетических маркерах, ассоциированных с двигательной и психической деятельностью человека, но и с тем, что генетическая диагностика не распространяется дальше генотипа (она не позволяет установить промежуточный или конечный результат взаимодействия генотипа, эпигенетических модификаций и средовых факторов). В свою 21 очередь эпигенетическая диагностика (например, выявление метилированных участков генов, ассоциированных с изменением генной экспрессии) может в значительной мере дополнить генетическую и фенотипическую диагностику. Таким образом, интерпретации генетического анализа должны предшествовать фенотипическая диагностика и анкетирование со сбором полной информации об испытуемом, и, при необходимости, о его родственниках (наличие спортивного разряда и стажа у его родителей, братьев и сестер, сведения о заболеваниях и т.п.). Интерпретация должна проводиться на основе суммарного вклада генотипов и аллелей предрасположенности к генов в определение двигательной деятельности наследственной и к развитию профессиональных патологий спортсменов. Вклад отдельных генотипов и аллелей генов в развитие физических качеств человека необходимо оценивать как на основе литературных источников, так и собственных данных, полученных на больших выборках российских спортсменов и контрольной группы. Для интерпретатора важно иметь собственную базу данных, в которой имеются сведения об уникальных генотипах элитных спортсменов. Несмотря на определенные успехи в открытии генов, влияющих на физическую активность человека (Ahmetov and Rogozkin, 2009), любые интерпретации в отношении генетических результатов могут вводить в заблуждение, как исследователей, так и испытуемых. Пока еще не настало то время, когда можно давать по результатам генетического тестирования однозначный ответ на вопрос, будет ли данный индивид элитным спортсменом, и в каком виде спорта, поскольку неизученные полиморфизмы генов у конкретного индивида, или существенные мутации его генома могут полностью нивелировать тот генетический потенциал, который был обнаружен на основе определения ограниченного спектра полиморфизмов 22 генов-кандидатов. Так, например, вполне вероятно, что на основании детекции 6 полиморфизмов генов можно заключить, что у человека не выявлена предрасположенность к скоростно-силовым видам спорта, однако врожденная мутация в гене миостатина, приводящая к чрезмерному росту мышечной массы, способна сделать из него штангиста экстра-класса. В соответствии с функциональной значимостью определенных аллелей генов, ассоциированных со спортивной деятельностью, каждому аллелю присваивается условная единица значимости – балл. В зависимости от количества баллов и качественного состава комбинаций генотипов, у испытуемых можно определить 4 типа предрасположенности к развитию и проявлению физических качеств: 1) низкая предрасположенность к развитию и проявлению какоголибо физического качества (определяется на основании того, что среди большой выборки высококвалифицированных спортсменов отсутствуют носители такого минимального числа благоприятствующих конкретной деятельности аллелей, либо если у них отсутствуют найденные у испытуемого негативные мутации, влияющие на спортивный результат); означает, что имеется высокая вероятность того, что индивид не сможет преодолеть уровень мастера спорта в определенной группе видов спорта, требующих преимущественное проявление какого-либо физического качества (выносливости, быстроты, силы, ловкости, гибкости); по всей видимости, к этой категории испытуемых будут относиться индивиды с негативными мутациями, вызывающими интолерантность к физическим нагрузкам. 2) умеренная предрасположенность к развитию и проявлению какого-либо физического качества; означает, что имеется относительная вероятность того, что индивид сможет достичь выдающихся результатов в 23 той группе видов спорта, где требуется проявление определенного физического качества; 3) выраженная предрасположенность к развитию и проявлению какого-либо физического качества; означает, что имеется большая вероятность того, что индивид сможет достичь выдающихся результатов в той группе видов спорта, где требуется проявление определенного физического качества; 4) ярко выраженная предрасположенность к развитию и проявлению какого-либо физического качества; означает, что имеется очень большая вероятность того, что индивид сможет достичь выдающихся результатов в той группе видов спорта, где требуется проявление определенного физического качества. На основании проявлению выявления отдельных предрасположенности физических качеств к (например, развитию и выраженная предрасположенность к развитию и проявлению выносливости + низкая предрасположенность к развитию и проявлению быстроты и силы), для испытуемого подбирается набор групп видов спорта (рис.1), к которым он предрасположен (с учетом фенотипических данных). В зависимости от приоритета и генетического потенциала индивида, этот набор должен включать в себя группы видов спорта 1-го и 2-го выбора. Индивидуальные заключения. В текст индивидуального заключения должно входить: 1) перечисление всех выявленных генотипов по изучаемым локусам ДНК; эта информация носит конфиденциальный характер, поскольку содержит в себе генетические данные индивида о его предрасположенности к спорту и о риске развития мультифакториальных и других патологий; с этой информацией могут быть ознакомлены исключительно испытуемый и родители испытуемого, и, при наличии их разрешения – личный (спортивный или семейный) врач и тренер; 24 2) интерпретационная генетическими данными, часть: в соответствии предоставляется с полученными информация о предрасположенности индивида к развитию и проявлению физических качеств (можно также дать информацию по развитию промежуточных фенотипов, например, оценить состав мышечных волокон, определить, до каких пределов может осуществляться прирост МПК и т.п.), а также о риске развития различных патологических состояний и заболеваний (но только при запросе этих данных), таких как гипертрофия миокарда левого желудочка (актуально для стайеров), внезапная сердечная смерть (футбол, хоккей), атеросклероз, посттравматические поражения нервной системы (бокс, борьба, восточные единоборства), заболевания опорно-двигательного аппарата (травмоопасные спортивные специализации), сахарный диабет 2-го типа, ожирение, артериальная гипертензия, нарушения свертываемости крови, и др.; 3) рекомендательная часть: а) для испытуемого подбираются группы видов спорта, в которых он может достичь выдающихся результатов, а также описание сильных и слабых сторон систем организма с точки зрения потенциала развития физических качеств; б) диетические рекомендации (составляются на основе определенной индивидуальной чувствительности испытуемых к пищевым веществам); в) профилактический раздел: определяются меры по профилактике мультифакториальных заболеваний и патологических состояний, связанных как со спортивной деятельностью, так и образом жизни. Этические аспекты применения генетического анализа в спорте. Серьезное обсуждение этических и юридических вопросов, связанных с проведением исследований с применением ДНК-технологий вызвано расширением масштабов и увеличением эффективности генетического тестирования. Ученые и общественные организации ряда стран проявляют огромный интерес к этой проблеме и ежегодно организуют международные и 25 национальные конференции, на которых проводится широкое обсуждение вопросов использования генетической информации. Основное внимание на таких научных форумах сосредоточено на обсуждении трех ключевых вопросов: 1) Кто и с какой целью имеет право проводить генетические тестирования? 2) Кому принадлежит право собственности на генетическую информацию и как она должна использоваться и храниться? 3) Нужно ли учитывать данные генетического тестирования при профессиональном отборе и страховании жизни? Специалисты сходятся во мнении, что генетическое тестирование и получаемая в результате информация должна носить сугубо личный характер. Совершенно очевидно, что большая часть генетической информации представляет собой только прогностический, вероятностный, характер. Определенный ген лишь с той или иной степенью вероятности может способствовать развитию какого-либо физического качества или нарушению функции организма. Именно этим вероятностным характером генетической информации объясняется необходимость защитить человека от возможного социального давления, дискриминации со стороны тренеров, руководства сборных команд, спортивных федераций, и строго соблюдать процедуры получения его согласия (Williams et al., 2007). К сожалению, случай дискриминации спортсмена на почве генетического тестирования уже имеет место. В марте 2005 г. профессиональному баскетболисту НБА из «Чикаго Булз», центровому Эдди Карри (Eddy Curry; дата рождения: 05.12.1982) пришлось пропустить несколько игр в связи нарушением сердечного ритма. «Чикаго Булз» по совету кардиолога потребовали от баскетболиста прохождения генетического анализа для исключения мутаций, 26 вызывающих гипертрофическую кардиомиопатию (сопровождается аритмией и нередко приводит к внезапной сердечной смерти). Спортсмен от такого анализа отказался и был продан в «Нью-Йорк Никс», которые не запросили прохождения генетического тестирования. В будущем не исключены и случаи дородовой генетической селекции с целью рождения детей с наиболее благоприятными для занятий спортом вариантами генов (например, с целью исключения рождения детей с генотипами ACTN3 XX и AMPD1 XX). В медицинской практике дородовая селекция уже проводится: для этого перед имплантацией в организм матери зародыша, полученного в результате искусственного оплодотворения, изымается одна из восьми клеток эмбриона (на третьем дне развития) и проверяется на наличие негативных мутаций. В основе выработанного научным сообществом консенсуса лежат пять основных принципов: автономии, неприкосновенности частной жизни, справедливости, равной доступности и качества, исходящих из принципов уважения достоинства человека. В этом отношении показательно, что Британская ассоциация спортивной науки (British Association of Sport and Exercise Sciences; BASES) в 2007 году издала Положение о «Генетических исследованиях и тестировании в спортивной науке», рекомендующее BASES обратить внимание на возникающие в спортивной науке этические вопросы, связанные с проведением генетического тестирования. Некоторые аспекты генетического тестирования в исследовательских целях уже в определенной степени регламентированы. Например, для организации генетического анализа и формирования коллекции ДНК необходимо с одной стороны – проинформировать потенциального донора ДНК о проводимом исследовании и получить согласие на участие в нем, а с другой – формирование этического комитета в учреждении занимающегося генетическими исследованиями. Цель работы этического комитета – строго и 27 четко регламентировать все исследования, связанные с ДНК (забор биоматериала, выделение ДНК, формирование банка ДНК, генотипирование, публикация данных генотипирования и др.). Так, забор крови для выделения ДНК должно проводиться специализированным медицинским персоналом только после подписания донором и исследователями перечня необходимых документов – информированного согласия (в этом документе, подписываемым донором ДНК, оговорены основные аспекты юридических и этических взаимоотношений донора, с одной стороны, и банка ДНК с другой), анкеты донора ДНК (документ, заполняемый со слов испытуемого сотрудником банка ДНК и содержащий основные данные о доноре) и информационного листка (документ, информирующий донора о том, в каком проекте он участвует, а также сообщаются имена и телефоны контактных лиц, к которым донор может обратиться по любым вопросам, связанным с проводимым исследованием). Информированное согласие выдается каждому испытуемому в 2-х экземплярах, каждый из которых подписан представителем исследовательской группы (с расшифровкой подписи). После подписания донором информированного согласия один экземпляр отдается донору ДНК, второй – хранится в учреждении, в архиве банка ДНК. Информационный листок выдается испытуемому под расписку. Для этой цели имеется рабочий журнал, где на первой странице размещен текст информационного листка, а на последующих – подписи доноров ДНК в том, что они его получили. В архиве банка ДНК хранится также анкеты доноров ДНК. Доступ ко всей документации должен быть ограничен. 28 2. Тепловизионная диагностика в спорте 2.1. Теоретические аспекты использования телевизионной диагностики в спорте Живой организм непрерывно расходует на жизненно важные функции энергию, которая появляется в результате окислительных процессов, происходящих в организме. Организм способен поддерживать температуру на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Температура внутренних органов у таких организмов находится в пределах от 37 до 38 °С. Данная температура способствует метаболическим процессам, поддерживает физикохимические функционирование процессы. Температура ферментов, определяет тела генетически детерминирована и способна изменяться в известных пределах. В различных частях тела температура неодинакова и определяется расположением органа, степенью кровоснабжения, функциональной активностью, температурой внешней среды. Основное количество тепла вырабатывается во внутренних органах, но при физической работе положение изменяется. В связи с усилением метаболических процессов в мышцах температура сокращающихся мышц повышается на 7 °С. Кожа человека по своей пропускной способности похожа на тепловой волновод, у которого по разным направлениям теплопроводность отличается. Однако этот волновод управляемый, который в зависимости от условий внешней среды может менять свои характеристики (например, открытием потовых пор или изменением интенсивности дыхательных процессов), предохраняя организм, как от перегрева, так и от переохлаждения. Информационная ценность для медицины любого физиологического параметра определяется жизнедеятельностью пониманием различных систем того, как организма он связан человека, с с их 29 нормальным функционированием и патологиями. Теплопродукция человека - это нелинейный процесс в открытой для обмена с внешней средой системе. Для описания таких систем в синергетике разработан методологический и математический аппарат. Способ управления в такой системе, охваченной многочисленными обратными связями, направлен на то, чтобы, несмотря на множество разнообразных воздействий, обеспечить устойчивость работы всего организма. В нашем организме есть как системы нагрева, так и системы охлаждения. Процессором их регулировки, прежде всего, является гипоталамус. Он расположен рядом с гипофизом и местом разветвления главной артерии, несущей кровь от сердца к мозгу. Гипоталамус играет роль опорного термостата, который реагирует на малейшие изменения температуры внутри организма, даже на выпитую чашку горячей или холодной воды. На поддержание постоянной температуры нашего тела расходуется значительная часть энергии окислительных процессов всего организма — до 83-84%. Понимание механизмов регуляции теплопродукции открывает путь к быстрому обнаружению с помощью тепловидения отклонений организма от нормы. Средняя температура кожи раздетого человека при температуре воздуха в помещении 24 °С близка к 30 °С. Обычно мы одеваемся так, чтобы при более низких температурах внешней среды сохранить среднюю температуру на этом уровне. Тем не менее, среднее значение температуры кожи имеет незначительную практическую ценность для медицины. На участках открытой поверхности тела человека разница температур может достигать 7 °С. Наименьшая температура, регистрируется в ногах - в районе стопы (27 °С), а сравнительно высокая на шее - в районе сонной артерии (34-35 °С). Изменение температуры человека является показателем патологических процессов. Ее повышение даже на градус - это уже явный показатель патологии, хотя заболевание может сопровождаться и меньшим 30 подъемом температуры. В норме колебания внутренней средней температуры тела не превышают десятых долей градуса. Наружная температура человека связана с внутренней, но одновременно зависит от температуры и влажности внешней среды и от индивидуальных физиологических параметров кожи человека, в том числе и от жировой подкожной прослойки. До появления тепловидения в медицинской практике использовались в основном четыре способа измерения температуры в тех местах тела, которые сравнительно защищены от воздействия внешней среды. Измерения производились, как правило, контактными термометрами либо в подмышечной впадине, либо под языком, либо в наружном слуховом проходе, либо в прямой кишке. Температура под языком в норме равна 36,7 - 36,8 °С, при измерении подмышкой - в норме 36,6-36,8 °С. Наибольшая температура - в прямой кишке и в слуховом проходе (в норме 37 °С). Сейчас появились бесконтактные дистанционные термометры. Однако топография температур по различным участкам тела несет гораздо больше полезной информации о состоянии организма, чем измерение температуры в любой одной точке. Основным регулирующим рабочим элементом, осуществляющим внутренний температурный баланс организма, является кровь. Известно, что температура артериальной крови человека в сравнительно широком диапазоне температур внешней среды (в воздухе от -6,7 до +32 °С, а в воде от +26 до +32°С) остается практически постоянной (37°С). Нагрев крови обеспечивается теплопродукцией клеток органов, потребляющих наибольшее количество кислорода и соответственно выделяющих за счет окислительных процессов большое количество тепла. Потребление кислорода клетками разных тканей различается, например: клетки скелетных мышц в покое потребляют 1,6-2,4 мкл Odv веса ткани в мин; печени - 19-33; головного мозга - 35; почек - 50-60; сердца -70-100 (в покое). Таким образом, 31 в одних органах происходит интенсивное выделение тепла и нагрев крови, в других ее относительное остывание. Основной вклад в увеличение температуры вносит насыщение крови в легких кислородом. Известно, что для синтеза 38 грамм-моль АТФ «сжигается» не только 1 грамм-моль глюкозы, но и восстанавливается до воды 6 грамм-моль кислорода, т.е. для полного синтеза АТФ скорость поступления в каждую клетку молекул кислорода должна быть в 6 раз выше, чем скорость поступления молекул глюкозы. 45% энергии сжигаемой глюкозы переходят в тепло, что составляет 310 ккал на грамм-моль глюкозы. Остальные 55% энергии запасаются клеткой впрок в виде макроэргических связей АТФ, а затем используются ею для биосинтеза, активного транспорта и актов подвижности. Коэффициент полезного действия мышечной клетки порядка 30%. Из 380 ккал, аккумулированных АТФ, 266 ккал переходит в тепло. Вся энергия, которая переходит в тепло, в сумме и составляет величину порядка 83-84%. Если нет дефицита по глюкозе, то на 6 грамм-моль О2 будет преобразовываться в тепло 570-580 ккал. В покое потребляется не более 1015% кислорода, содержащегося в крови, а остальная его часть циркулирует в атериально-венозном кровотоке. По этому показателю интенсификация дыхания должна приводить к нагреву всего организма. Суточные и сезонные колебания внутренней температуры человека составляют не более 0,1- 0,6 °С (наименьшая - ночью летом, наибольшая - во второй половине дня зимой). У женщин в период овуляции температура часто повышается на 0,6-0,8 °С. Кроме того известно, что интегральная температура левой половины тела у людей в 54% случаев выше, чем правой. Однако наряду с нагревом есть системы и охлаждения, например, системы регуляции окислительных процессов, потовыделения и интенсификации дыхания. Они имеют генетическую основу и расовые особенности. Например, у эскимосов по сравнению с жителями юга при 32 внешней температуре 17°С интенсивность теплопродукции может повышаться весьма существенно - от основного уровня 55 кал/м час на 22 кал/м час. У африканцев наоборот, минимизирована теплопродукция и сильно варьирует интенсивность функционирования системы охлаждения за счет раскрытия потовых отверстий, и температура кожи имеет более выраженные суточные и сезонные колебания. Охлаждение организма может происходить не только за счет потовыделения, но и изменения ритма дыхания. Интенсификация дыхания наряду с нагревом блокирует повышение температуры за счет охлаждения легких. Изменение температуры воздуха на выдохе, т.е. воздуха выходящего через ноздри (изменение температуры под носом) свидетельствует об охлаждении легких. Выдыхаемый воздух нагревается в легких и увлажняется, забирая часть тепла из легких. Поверхность легких покрыта влагой, но одновременно защищена от высыхания. По мере выдоха горячего и влажного воздуха в трахею он начинает охлаждаться, и часть воды, содержащейся в нем, конденсируется в дыхательных путях. В целом этот процесс происходит с затратой тепла. Таким образом, процесс, происходящий в самих легких, играет существенную роль, как в процессах метаболизма, так и терморегуляции. Вентиляция легких происходит обычно при нормальном дыхании за счет активного вдоха и пассивного выдоха. При этом на вдохе создается отрицательное давление в результате расширения около легочного пространства. Особая физиологическая роль принадлежит изменению ритма дыхания, например, его задержке. В обычных условиях человек использует всего 20% объема своих легких. Кроме того, существенную роль играет депонирование кислорода гемоглобином. Кислородная емкость гемоглобина человека равна 1,78 мл на 1 г гемоглобина. При глубоком вдохе человек может задержать дыхание на выдохе до 2,5 минут (известно, что это время тренированные 33 ныряльщики могут находиться под водой). Помимо этой регуляции существует еще регуляция ритма сердца. При задержке дыхания у многих людей возникает брадикардия (замедление сердечного ритма). Процессы «нагрева - охлаждения» при управлении дыханием не являются аддитивными и не поддаются простому суммированию. Они осуществляются под контролем и при участии центральной нервной системы - гипоталамуса и дыхательного центра. Дыхательный центр млекопитающих состоит самовозбуждающихся нейронов, активность которых изменяется под влиянием сенсорных сигналов, лигандами для которых являются концентрация СО2 и О2, поэтому они и реагируют на гипоксию. Нейроны также чувствительны к цианиду, к ацетилхолину, к атропину, тубокурарину и т.п. Существенную особенности роль людей и в их теплопродукции тренированность. играют Например, генетические аборигены высокогорья имеют большую емкость легких, значительный объем выдыхаемого воздуха, а также некоторую гипертрофию правого желудочка сердца. Такие же анатомо-физиологические параметры наблюдаются и у спортсменов с развитой системой дыхания. Однако, как показали наши исследования, в норме это влияние на теплопродукцию не столь существенное. Диапазон регистрируемых изменений температуры при дыхательном управлении (учащенное дыхание или его задержка) лежит в пределах 0,2 °С ± 0,1 °С. Таким образом, накопленный в физиологии опыт позволяет утверждать, что термопродукция человека, его тепловой портрет может квалифицированному специалисту дать много ценной информации о функционировании различных систем организма. Термогенез Термогенез, то есть образование и выделение тепла, происходит в организме главным образом в процессе трех циклов биохимических реакций: 34 - ресинтеза макроэргических связей АТФ и других макроэргических соединений - гидролиза АТФ и других макроэргических соединений - митохондриального транспорта электронов без образования макроэргических соединений В двух первых случаях высвобождающееся тепло является побочным продуктом химических реакций, тогда как в третьем случае тепло является единственным термодинамическим результатом. Между скоростью образования АТФ и его распада в функционирующей клетке устанавливается жесткое согласование, которое контролируется через уровень энергетического потенциала, тогда как скорость протекания реакций по третьему пути лимитирована только мощностью окислительной системы митохондрий и доступностью субстратов. Процессы, осуществляемые в двух первых случаях, являются сопряженными, и в ходе их осуществления органы и ткани организма выполняют какую-то функцию, то есть производят внутреннюю или внешнюю работу. В третьем случае разобщение окисления и фосфорилирования приводит к тому, что видимая работа не производится, если не считать изменений теплового состояния организма. Биологический смысл термогенеза 1 и 2 рода – это «плата» за возможность осуществлять любую функцию, издержки, неизбежные при осуществлении любого термодинамически значимого процесса, приводящие к некоторому снижению термодинамической эффективности системы и соответствующие закону нарастания энтропии. Биологический смысл термогенеза 3 рода состоит, прежде всего, в возможности добавочной (факультативной) генерации тепла в целях поддержания температурного гомеостаза гомойотермного организма. Известно, что эта функция присуща, в первую очередь, специализированной бурой жировой ткани (БЖТ). Наряду с этим было показано, что термогенез 3 рода в БЖТ активируется при избытке калорий в пище и служит для 35 нормализации уровня нутриентов в крови после приема пищи, участвуя в контроле массы и состава тела. Таким образом, стало ясно, что термогенез 3 рода играет немаловажную роль в поддержании температурного и субстратного гомеостаза. Потенциальная возможность существования разобщенного состояния митохондрий млекопитающих была известна еще 40 лет назад, причем почти с самого начала температурного это связывалось гомеостаза без с участия возможностями сократительной поддержания активности скелетных мышц. Было высказано предположение, что такое разобщение может быть следствием активного окисления свободных жирных кислот. В конце концов, из ткани бурого жира и печени были выделены особые митохондрии (так называемые «термосомы»), у которых на внутренней мембране имеется белок «термогенин», который нарушает целостность этой мембраны и препятствует ресинтезу АТФ. В дальнейшем оказалось, что в ряде тканей, и в первую очередь в буром жире, синтезируется особый белок «uncoupling protein» (UCP1), который, встраиваясь в мембрану митохондрий, приводит к разобщению окисления и фосфорилирования, и тогда вся функциональная активность ткани становится направленной на производство тепла. Вскоре обнаружилось, что аналогичные, хотя и не идентичные, разобщающие белки (UCP2, UCP3 и др.) синтезируются и в клетках других тканей – в печени, мышцах и пр.. Тем временем, физиологические исследования области приложения разобщенного митохондриального дыхания привели к представлениям о том, что наряду с химической терморегуляцией, эта функция участвует также в формировании специфически-динамического (калоригенного, термогенного) действия пищи, причем в обоих случаях роль генератора ГНСТ выполняет БЖТ. Между тем, считалось, что у взрослых крупных незимоспящих млекопитающих, включая человека, БЖТ отсутствует или встречается крайне редко. Однако в последние годы, с появлением техники позитронно36 эмиссионной томографии (ПЭТ), применяемой в сочетании с компьютерной томографией (КТ), стало появляться много сообщений о выявлении БЖТ у взрослых здоровых людей. Это стимулировало расширение исследований в области выявления механизмов гомеостатического несократительного термогенеза (ГНСТ) и их возможной роли в нормализации массы тела на фоне развивающейся во всем цивилизованном мире пандемии избыточного веса и ожирения. Большая часть этих исследований ориентирована на поиск способов «снижения термодинамической эффективности пищи» [30,31,32], что могло бы позволить, по мнению их авторов, решить проблему ожирения, например, за счет превращения части клеток белого жира в бурые адипоциты. Эта концепция имеет немало сторонников, но имеет и противников. В центре дискуссий остается вопрос о локализации ГНСТ – по мнению одних авторов, эта функция является прерогативой БЖТ, тогда как другие считают возможным отнести эту функцию и в другие ткани, где имеются разобщающие белки семейства UCP – мышцы, печень и т.п.. На сегодняшний день нет также ясности в том спектре функциональных состояний, при которых может активироваться ГНСТ. 2.2 Диагностические возможности метода инфракрасной термографии. Методы ИК-термографии начали применяться в биофизических исследованиях и медицинской практике более 40 лет назад с появлением первых ИК камер на основе одноэлементных ИК фотоприемников. В тепловизорах первого поколения использовалась механо-оптическая система формирования ИК изображения. Исследовательские и диагностические возможности тепловизоров первого поколения были существенно ограничены из-за недостаточной чувствительности и пространственного разрешения ИК камер. Важно отметить, что одноэлементные тепловизоры с механо-оптической системой развертки применялись в медицинской 37 практике до сравнительно недавнего времени, и основные методические указания по диагностическому применению термографии разработаны с использованием таких ИК камер. Доверие к диагностическим методам обследования пациентов с использованием тепловизоров первого поколения в значительной степени было утрачено пространственного из за недостаточной разрешения чувствительности одноэлементных и низкого механо-оптических термовизионных систем. Современные матричные ИК системы имеют значительно лучшую чувствительность и большее пространственное разрешение. Количественная ИК термография, обеспечивающая возможность одновременного измерения абсолютных значений температур на различных участках тела человека, открывает принципиально новые возможности диагностики различных заболеваний. Вместе с тем, существенно большая чувствительность делает температурный портрет человека чрезвычайно неоднородным по сравнению с термограммами, которые были типичны для медицинских тепловизоров старого поколения. Существуют два типа матричных ИК систем: охлаждаемые и неохлаждаемые. Современные охлаждаемые ИК камеры, фотоприемники которых работают при температуре жидкого азота (-196°С), могут работать в диапазонах 3-5 и 8-12 мкм и обеспечивают'чувствительность (ограниченную температурным эквивалентом шума) 0,015-0,02°С при скорости регистрации до 400 кадров в секунду. При компьютерной обработке ИК изображений чувствительность таких ИК систем может быть повышена до тысячных долей градуса при скорости 25-50 кадров в секунду. Неохлаждаемые микроболометрические ИК камеры имеют чувствительность 0,04-0,08 °С при скорости 50 кадров в секунду и работают в диапазонах 7-14 и 8-12 мкм. Лучшая чувствительность и большая скорость регистрации матричных ИК камер по сравнению с камерами с одноэлементными ИК 38 фотоприемниками обусловлена одновременной регистрацией ИК изображения в пределах одного кадра всеми элементами матрицы ИК фотоприемников. Это позволяет существенно увеличить время интегрирования ИК излучения в пределах одного кадра. Однако при этом возникает проблема калибровки матричных ИК систем. Учитывая, что матрицы ИК камер состоят из десятков-сотен тысяч фотоприемников, имеющих индивидуальную чувствительность, начальное смещение и нелинейность, калибровка камер приобретает принципиальное значение для их использования в измерительных целях. Аппаратная фаза калибровки осуществляется с использованием образцов типа «Черное тело». В результате такой калибровки компенсируется неравномерность параметров фотоприемников и выравнивается пространственная чувствительность. Однако для количественных температурных измерений необходим учет излучательной способности объектов и температуры окружения объектов. Оптико-механические системы тепловидения появились еще в период 2-ой мировой войны (1939-1945). Тогда в основном применялись болометры, преобразующие ИК излучение в электрический сигнал. С помощью оптикомеханической системы происходило сканирование объектов, а само его изображение проецировалось на ИК точечный приемник-преобразователь. Полученные от него электрические сигналы усиливались и подавались на электроннолучевую трубку. Там формировалось тепловое изображение объекта. Спустя 30 лет в тепловидении произошел качественный скачок, были открыты новые химические структуры, которые существенно меняли в зависимости от температуры свою проводимость или требовали для вторичной эмиссии электронов невысокие энергии световых квантов, т.е. могли работать с ИК излучениями (например, соединение HgCdTe2). С их помощью можно было воспринимать сравнительно длинноволновую область ИК спектра (до-12 мкм и выше). Максимум теплового излучения тел при 39 комнатной температуре приходится на длины волн около 10 мкм. Тепловизоры 70-х годов обладали чувствительностью до десятых долей. Такая чувствительность соизмерима с флюктуациями теплового излучения человека. Однако ее, тем не менее, было недостаточно для задач биомедицинской диагностики. Кроме того, тепловизоры тех лет обладали низким пространственным разрешением. Поэтому все попытки эффективно использовать тепловидение в медицине заканчивались неудачей. Параллельно начали развиваться ИК системы без электрического преобразования. Это (жидкокристаллические, были термочувствительные пленки. люминофорные, полупроводниковые, магнитные или на основе термочувствительных красок). Механизм работы таких термопреобразователей основан на зависимости какого-либо из их оптических параметров от теплового воздействия. Такими параметрами могли быть изменение коэффициентов отражения и пропускания света или интенсивности собственного свечения. Например, некоторые типы жидких кристаллов по мере нагревания изменяют свой цвет. Это их свойство позволяло осуществлять индикацию температуры с точностью до 0,1°С. Любопытно отметить (если это не легенда), что первые «тепловизионные» методы были известны и применялись еще в Древнем Египте. Лекари того времени обмазывали тела пациентов тонким слоем нильской глины, которая по мере высыхания меняла свой оттенок, что выявляло на теле человека зоны с отличающейся температурой. Тепловизионная техника 20-30 лет назад использовалась главным образом для военных целей. Сегодня она стала информационной технологией с обширной областью применения. В третьем поколении тепловизоров отсутствуют оптико-механические развертки изображения, поэтому они имеют большое быстродействие, сравнительно малую массу, габариты и энергопотребление, кроме того, отличаются бесшумной работой при высоком отношении сигнал/помеха. Им свойственны хорошее качество 40 изображения и возможность связи с современными компьютерами, что позволяет производить цифровую обработку изображения в реальном масштабе времени. Наиболее распространенные матричные инфракрасные камеры третьего поколения обладают температурной чувствительностью 0,0150,02°С с временным разрешением 100-200 кадров в секунду. В мире порядка 20 фирм в США, Франции, Швеции, Японии, Китае и России выпускают тепловизоры третьего поколения. Лучшие образцы уже достигли температурного разрешения 0,01 °С с пространственным разрешения 640x512 пикселей и с временным разрешением до 400 кадров в секунду. Тепловидение — это не только измерение температурного рельефа поверхности объекта. Ключевая часть термина «тепловидение» есть «видение». Видение - это информационный процесс, позволяющий обозреть объект целиком, выделить на нем и внутри него источники тепла, их существенные признаки, распознать и классифицировать их. Иногда высказывалось мнение, что тепловидение - малоэффективная диагностическая технология. Указывалось на три причины. Во-первых, на низкую чувствительность и разрешающую способность тепловизионного метода. Многие врачи пока не знают реальных диагностических возможностей современных матричных инфракрасных камер, поэтому им трудно отказаться от убеждений 90-х годов прошлого века, когда тепловидение тех лет было скомпрометировано в связи с его низкой чувствительностью и разрешающей способностью. Во-вторых, указывалось на то, что тепловизор измеряет температуру поверхности кожи человека, а она в силу сильной зависимости от параметров внешней среды является мало информативным показателем физиологического состояния организма. 41 Действительно тепловизор регистрирует распределение температуры на поверхности кожи. Тепловой портрет тела демонстрирует некоторое усредненное распределение температуры. Однако при патологии места и причины нагрева легко локализуются. К таким случаям относятся различные поверхностные и неглубоко расположенные очаги воспаления, ожоги, новообразования, флебиты или глубинные, но весьма интенсивные по тепловыделению процессы, например, воспалительные процессы. Такое явление как теплопередача между внутренними органами человека и выход тепла на поверхность тела можно описать аналитически, расчленив его на сравнительно простые виды переноса тепла. Можно выделить три элементарных способа переноса тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводностью называют перенос теплоты (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении кожи тела с внешней средой с отличающейся температурой. Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит просто за счет переноса массы веществ, испаряющихся с поверхности тела. Наконец, тепловым излучением или радиацией называют явление переноса тепла в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением - тепловой энергии в лучистую и обратно. В действительности в организме эти три вида обмена не обособлены и происходят параллельно. Из указанных выше трех способов переноса тепла тепловизор может напрямую регистрировать только радиационную часть. Остальные могут оцениваться расчетным способом на основе знаний о механизмах теплопродукции в организме человека. Внешние условия также влияют на температуру кожи нашего организма. Когда человек входит с мороза в теплое помещение, то температура кожи открытых областей его тела ниже, чем температура кожи людей, находящихся в теплом помещении. В жаркий солнечный день мы 42 потеем. Испарение пота спасает нас от перегрева. В холодный день температура кожи понижается. Если нам холодно, то мы дрожим, и тем самым тело нагревается. При повышении температуры в комнате никогда невозможно достичь ситуации, при которой температура человека станет равной температуре воздуха. Человек - это неравновесная саморегулируемая система. Он меняет температуру поверхности своего тела в зависимости от температуры окружающей среды и представляет собою «физиологический термостат», работа которого направлена на поддержание постоянной температуры внутри организма порядка 37°С. Таким образом, несмотря на неоднозначность понятия норма, топография температурной поверхности тела человека, которую измеряет тепловизор, позволяет получить много важной дополнительной информации о физиологических параметрах индивидуального организма. Эта информация важна для диагностики его состояния. В-третьих, неинвазивный характер тепловизионных методов диагностики провоцировал вопрос, можно ли по изменению теплового поля на поверхности тела человека судить о механизмах изменения его физиологического состояния? Все существующие в медицине диагностические методы можно разделить на инвазивные и неинвазивные. Основным достоинством тепловидения является то, что неинвазивные методы диагностики абсолютно безболезненны и безвредны для пациентов. Более того, пациент может даже не заметить сам процесс исследования, что в ряде случаев весьма важно, например, при дистанционном распознавании больных в условиях больших скоплений людей. 43 3. Методы генетической и тепловизионной диагностики в практике определения индивидуального уровня физической подготовленности московских спортсменов в зимних и летних видах спорта 3.1. Молекулярно-генетические методы С появлением молекулярной генетики методы генетических исследований принципиально обогатились. От привычных по учебным пособиям морфологических (цвет глаз, пальцевые узоры, конституция тела) и биохимических (группа крови) признаков перешли к непосредственному изучению собственно молекулы ДНК. Молекулярно-генетические методы – большая и разнообразная группа методов, предназначенная для выявления вариаций (повреждений) в структуре участка ДНК (аллеля, гена, региона хромосомы), изучения степени экспрессии генов, а также для расшифровки первичной последовательности оснований. В основе этих методов лежат генно-инженерные манипуляции с ДНК и РНК. Работа с биологическим материалом Исходным этапом всех молекулярно-генетических методов является получение образцов ДНК. Источником геномной ДНК могут быть любые ядросодержащие клетки. В спортивной практике чаще используют лейкоциты, буккальные клетки (клетки эпителия щеки) и эпителиальные клетки волосяной луковицы (при необходимости длительной транспортировки биоматериала). Возможность проведения молекулярногенетического анализа с небольшим количеством легкодоступного биологического материала является методическим преимуществом методов данной группы. Выделенная ДНК одинаково пригодна для проведения различных исследований и может долго сохраняться в замороженном виде. В зависимости от того, какие клетки исследователь собирается получить, выделяют следующие способы забора биологического материала: 44 Смыв эпителиальных клеток ротовой полости. После гигиены полости рта испытуемому предлагается в течение минуты интенсивно, с использованием языка, полоскание рта 10 мл физиологического раствора с добавлением 2 мМ ЭДТА. После полоскания рта раствор сливается обратно в пронумерованную пробирку с крышкой. Пробы с биологическим материалом хранят при –20 ºС до выделения ДНК. Следует отметить, что ДНК из такого биоматериала необходимо выделять как можно быстрее в связи с наличием в нем богатой микрофлоры (приводит к деградации ДНК). Существенными недостатками данного способа забора клеток являются высокая вероятность контаминации (смешения) биопроб, а также неудобства, возникающие при сливании испытуемым смеси физиологического раствора и слюнной жидкости обратно в пробирку. Соскоб эпителиальных клеток ротовой полости. После гигиены полости рта испытуемому предлагается протирание зондом (щеточкой) внутренних щечных поверхностей в течение 2-3 минут (избегать контакта зонда с зубами), после чего зонд опускают в микропробирку со специфической транспортной средой (содержит компоненты, подавляющие рост микроорганизмов) объемом 300 мкл и активным взбалтыванием переводят клетки с поверхности зонда в жидкость. Пробы до выделения ДНК хранят при –20 ºС. Это более гигиеничный способ забора буккальных клеток, однако их получается значительно меньше, чем при смыве с помощью физиологического раствора. Забор венозной крови. Венозная кровь, из которой получают лейкоциты (в зрелых эритроцитах ядра не содержатся), является приоритетным биоматериалом для дальнейшего проведения генетического анализа. В норме она не содержит микрофлоры и из нее получают достаточное количество лейкоцитов. Однако не всегда спортсмены или их тренеры соглашаются на сдачу венозной крови (капиллярная кровь хоть и 45 содержит небольшое количество лейкоцитов, ее забор все же не является эффективным способом получения достаточного количества клеток, содержащих ядра). Забор крови производится натощак из локтевой вены одноразовой иглой (диаметр 0,8-1,1 мм) в одноразовый шприц объемом 5 мл или специальную вакуумную систему типа «Venoject» (с ЭДТА). При заборе в шприц кровь из него аккуратно (без образования пены) переносится в одноразовую пробирку с антикоагулянтом (6% раствор ЭДТА в соотношении 1:19 или 3,8% раствор цитрата Na в соотношении 1:9; гепарин в качестве антикоагулянта использовать нельзя), пробирка закрывается пробкой и переворачивается несколько раз (для перемешивания с антикоагулянтом). Пробирку с кровью до исследования хранят в холодильнике при +4 °С – +8 °С (желательно не больше двух суток). Можно также в первую очередь выделить из крови лейкоциты, заморозить их, и периодически использовать порции лейкоцитов для выделения из них ДНК. Выделение ДНК из биологического материала Существует множество методов выделения ДНК из доступного биоматериала (фенольная экстракция, щелочная экстракция, сорбентный способ, экспресс-методы соответствующих и др.). руководствах, Все в они подробно прилагаемых описаны инструкциях в к коммерческим наборам (китам), а также частично на сайте www.molbiol.ru. Выделение ДНК из эпителиальных клеток ротовой полости сорбентным способом. Сорбентный метод применяется для выделения ДНК из эпителиальных клеток, полученных с помощью соскоба одноразовыми стерильными зондами. ДНК выделяют сорбентным способом в соответствии с прилагаемой инструкцией по применению к комплекту «ДНК-сорб-А» (Центральный НИИ Эпидемиологии МЗ РФ). Микропробирки с пробами (содержат соскобленные клетки и транспортную среду) центрифугируют в течение 10 мин при 12000 об/мин. Супернатант удаляют вакуумным 46 отсасывателем с использованием отдельного наконечника, а к осадку добавляют 300 мкл лизирующего раствора. Далее пробы тщательно перемешивают на вортексе и устанавливают в твердотельный термостат на 5 мин при 65 ºС. Лизат центрифугируют в течение 5 мин при 12000 об/мин. Супернатант забирают отдельным наконечником и переливают в новые маркированные пробирки, содержащие 20 мкл ресуспендированного сорбента. Пробы с сорбентом перемешивают на вортексе, оставляют на 2 мин на штативе, затем вновь перемешивают и оставляют на 5 мин. Далее пробы центрифугируют в течение 30 сек при 5000 об/мин, супернатант удаляют вакуумным отсасывателем с использованием отдельного наконечника, а к осадку добавляют 500 мкл отмывочного раствора и перемешивают на вортексе. После этого пробы центрифугируют в течение 30 сек при 10000 об/мин, супернатант удаляют вакуумным отсасывателем с использованием отдельного наконечника, и отмывку повторяют. Супернатант после отмывки удаляют полностью, а микропробирки с открытыми крышками устанавливают в твердотельный термостат на 10 мин при 65 ºС до полной просушки сорбента, содержащего очищенную ДНК. Затем в пробирки добавляют 50-100 мкл ТЕ-буфера для элюции ДНК, перемешивают на вортексе и помещают в термостат при 65 С на 5 мин, периодически встряхивая на вортексе. Микропробирки центрифугируют при 12000 об/мин в течение 1 мин, после чего супернатант содержит ДНК, готовую к постановке ПЦР. Общий раствор необходимо разделить на аликвоты, и для работы с ДНК размораживать только отдельные аликвоты. Срок годности проб ДНК, выделенных сорбентным способом, при соблюдении условий хранения, по заявлению производителя, составляет не менее 1 года. Выделение ДНК из лейкоцитов крови сорбентным способом. Сорбентный метод также может применяться для выделения ДНК из лейкоцитов после взятия венозной крови. В этом случае ДНК выделяют 47 сорбентным способом в соответствии с прилагаемой инструкцией по применению к комплекту «ДНК-сорб-Б» (Центральный НИИ Эпидемиологии МЗ РФ). Комплект «ДНК-сорб-Б» отличается от «ДНК-сорб-А» наличием добавочного отмывочного раствора (Отмывочный раствор II). В этой связи выделение ДНК из лейкоцитов крови аналогично процедуре, описанной выше (с применением комплекта «ДНК-сорб-А»), но дополняется промыванием с помощью отмывочного раствора II. Общий раствор необходимо разделить на аликвоты, и для работы с ДНК размораживать только отдельные аликвоты. Срок годности проб ДНК, выделенных сорбентным способом, при соблюдении условий хранения, по заявлению производителя, составляет не менее 1 года. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) и рестрикционный анализ Амплифицировать (размножить) определенный небольшой участок (100–500 п.н.) генома (так называемое молекулярное клонирование) можно с помощью метода полимеразной цепной реакции (ПЦР), который был изобретен в 1983-1985 гг. К. Мюллисом (в 1993 г. за разработку метода ПЦР К. Мюллис получил Нобелевскую премию). Исходную молекулу ДНК прогревают, чтобы разрушить водородные связи, соединяющие комплементарные цепи. Затем реакционную смесь охлаждают в присутствии двух коротких (12–45 п.н.) фрагментов ДНК, один из которых комплементарен участку ДНК слева от изучаемого локуса, а второй – участку другой нити справа от изучаемого локуса (Жимулёв, 2006). Эти фрагменты, называемые праймерами, связываются с соответствующими участками ДНК и задают точку начала синтеза новой комплементарной нити на матрице ДНК. Осуществляет этот синтез термостабильный фермент Taq-ДНКполимераза. В следующем цикле реакционную смесь с полученными нитями ДНК снова прогревают и вновь синтезированные нити ДНК используют в качестве матрицы. Новая порция праймеров связывается с 48 соответствующими участками, и происходит новый цикл синтеза. В живой клетке ДНК-полимераза осуществляет редупликацию ДНК при делении клетки, т.е. полностью воспроизводит геномную ДНК. При проведении ПЦР синтезируется только небольшой фрагмент, расположенный между двумя праймерами. За 30 циклов число синтезированных фрагментов составит около 1 млрд. Смесь прогревают при 94–95 ºС, а охлаждают при 60 ºС (делается это автоматически с помощью амплификаторов). Для определения размера полученных ПЦР-фрагменов (ампликонов) их разделяют с помощью электрофореза в агарозном или полиакриламидном (ПААГ) гелях. Через гель с образцами ДНК пропускают постоянный электрический ток. При этом, поскольку молекулы ДНК несут отрицательный заряд, фрагменты ДНК движутся к аноду. Чем меньше фрагмент, тем быстрее он преодолевает поры в геле и движется в нем и, соответственно, тем дальше уходит от линии старта. Такой процесс разделения фрагментов ДНК в геле называется электрофорезом. При этом все фрагменты ДНК из одной пробы движутся по одной и той же «дорожке» на геле, а фрагменты одного размера движутся с одинаковой скоростью и после окрашивания специальным красителем выглядят как тонкая полоска (бэнд) в геле. Для установления длины ПЦРфрагментов проводят калибровку с помощью ДНК с известными молекулярными массами (ДНК-маркерами). 3.2. Прогнозирования параметров аэробной производительности и максимального уровня лактата у спортсменов по температуре кожной поверхности в условиях мышечного покоя Согласно современным данным между температурой кожи на спине, оцененной в состоянии покоя и максимальным потреблением кислорода (МПК) а также с потреблением кислорода на уровне анаэробного порога (АнП) существует тесная связь: чем выше температура, тем выше МПК и 49 потребление кислорода на АнП. Однако для получения корректных данных необходимо строго придерживаться методики измерения температуры. С этой целью нам представляется наиболее точное и правильное описание данной процедуры, описанной в 2010 году сотрудниками ФГУ ВНИИФК. Перед термографированием испытуемые должны пройти температурную адаптацию в течение 15 минут в изолированном помещении с температурой 21 - 22˚С и влажностью 45% -50% в состоянии мышечного покоя, раздетые по пояс, в положении стоя или сидя. Эта схема проведения исследования призвана обеспечить умеренную активацию механизмов терморегуляции. После 15-минутной экспозиции с помощью бесконтактного тепловизора необходимо провести термографию спины. Тепловизор расположить на расстоянии 3 м от испытуемого и на высоте 140 см от пола. Полученные термограммы обрабатывать с помощью специализированной программы Image Processor® или аналога. Калибровка тепловизора осуществлять в соответствии с Правилами эксплуатации. Для количественного анализа на каждой термограмме необходимо вручную выделить зону поверхности спины (рис. 3), в пределах которой с помощью программных средств автоматически определить максимальную, минимальную и средне-взвешенную температуру (желательная точность до 0,1˚С ). При выделении оцениваемой зоны необходимо обеспечить максимальный охват площади спины от шейного до поясничного отдела. 50 Рис.3. Пример термограммы спины с выделенной для автоматического анализа зоной и температурной шкалой В проведенном во ВНИИФК исследовании для определения максимального потребления кислорода (МПК) и анаэробного порога использовали тест непрерывно повышающейся мощности (рамптест) на беговом тредбане (HP Cosmos), а также тест со ступенчато повышающейся мощностью на велоэргометре. Рамптест тест проводился непосредственно после термографирования. Начальная скорость беговой дорожки составляла 7км/ч, затем каждые 10 с происходило ее увеличение на 0,1км/ч вплоть до отказа от продолжения работы. При работе на велоэргометре начальная мощность составляла 60 Вт и увеличивалась каждые 2 минуты на 30 Вт при постоянной частоте педалирования 60 об/мин. Критерием достижения МПК была величина дыхательного коэффициента выше 1,0, а также уровень лактата в периферической крови свыше 4 мМ/л. Величину анаэробного порога (АнП) определяли индивидуально по динамике легочной вентиляции и выделения СО2 под контролем содержания лактата в периферической крови, которую забирали у испытуемых каждые 2 минуты на протяжении работы. В восстановительном периоде у части испытуемых определяли содержание лактата в крови в момент отказа (L0), на 3, 5, 7 и 10 минутах отдыха (соответственно L3, L5, L7 и L10), а также фиксировали максимальный зарегистрированный уровень (Lmax). В результате проведенных исследований оказалось, что корреляционный анализ выявил наличие положительных корреляционных связей между показателями аэробной производительности и показателями термопортрета, зарегистрированными в условиях мышечного покоя. За исключением связи между МПК и максимальной температурой (МКТ), все остальные коэффициенты корреляции достоверны (p<0.05). Обращает на себя внимание более высокая связь АнП с средневзвешанной температурой (СВТ), чем МПК с СВТ. Это может свидетельствовать о каком51 то влиянии функций, определяющих кожную температуру в условиях мышечного покоя, на сопряжение аэробного и анаэробного метаболизма при мышечной работе. Таблица. 8 Величины коэффициентов корреляции Пирсона между показателями аэробной производительности и показателями термопортрета показатели МНТ МКТ СВТ МПК 0,683427 АнП 0,689912 0,533256 ТГ 0,38879 0,608357 -0,61443 0,72459 -0,54847 МНТ – минимальная температура МКТ – максимальная температура СВТ – средневзвешанная температура спины ТГ – температурный градиент VO2/kg от МКТ 90,000 90,000 80,000 80,000 70,000 70,000 VO2/kg VO2/kg VO2/kg от МНТ 60,000 50,000 y = 4,9184x - 78,064 R2 = 0,4671 40,000 60,000 50,000 y = 6,4199x - 152,22 40,000 R2 = 0,1512 30,000 30,000 25,000 26,000 27,000 28,000 29,000 30,000 31,000 32,000 31,000 32,000 33,000 34,000 35,000 36,000 МНТ МКТ VO2/kg от градиента температуры 90,000 90,000 80,000 80,000 70,000 70,000 VO2/kg VO2/kg VO2/kg от СВТ 60,000 50,000 60,000 50,000 y = 9,151x - 225,62 40,000 R2 = 0,3701 30,000 29,000 30,000 31,000 32,000 33,000 34,000 СВТ Рис. 4. y = -5,2861x + 89,482 40,000 R2 = 0,3775 30,000 0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 Градиент температуры Регрессионные зависимости МПК от показателей термопортрета. Обозначения – в тексте. 52 Наличие высокой корреляционной связи между СВТ и АнП побудило ученых провести исследование взаимосвязей показателей температурного портрета с данными о содержании молочной кислоты в периферической крови при выполнении предельной мышечной циклической работы. Для этого были использованы данные 20 испытуемых, у которых на протяжении максимального аэробного теста и в восстановительном периоде забирали периферическую кровь для определения уровня лактата. Результаты корреляционного анализа показали, что в большинстве случаев СВТ имеет более высокие коэффициенты корреляции с содержанием лактата в крови, чем остальные показатели термопортрета. При этом температурный градиент коррелирует с уровнем лактата реципрокно по отношению к СВТ. На графике (рис. 5) приведена динамика изменений коэффициента корреляции СВТ и температурного градиента с содержанием лактата в периферической крови в покое, при нарастающей мощности нагрузки, а также в восстановительном периоде после достижения МПК. 0,4 0,2 L10 L7 L5 L3 L0 L(9) L(8) L(7) L(6) L(5) L(4) L(3) L(2) -0,2 L(1) 0 L (init) коэффицент корреляции 0,6 -0,4 -0,6 -0,8 последовательные моменты измерения лактата СВТ Градиент Рис. 5 Динамика корреляционных взаимосвязей средне-взвешенной температуры спины и градиента температуры с уровнем лактата в 53 периферической крови в покое (L(init)), в процессе выполнения теста ступенчато нарастающей мощности (L(1)..(L(9)) и в восстановительном периоде (L0…L10) Как видно из графика, градиент температуры демонстрирует практически на протяжении всего периода измерения положительные взаимосвязи с уровнем лактата, тогда как СВТ – отрицательные. Уровень корреляций градиента существенно ниже, чем СВТ. В покое и в процессе нарастающей по мощности мышечной работы корреляции обоих характеристик термопортрета невелики и не достоверны, тогда как в момент отказа они резко вырастают по величине и удерживаются на высоком уровне до окончания периода наблюдения (10 минут релаксации). На 5 и 10 минуте восстановления коэффициент корреляции между СВТ и La превышает -0,71. Наивысшее значение коэффициента корреляции ТГ с уровнем La зарегистрировано на 7 минуте восстановления (r=+0.489). Данные о динамике содержания лактата в крови в восстановительном периоде позволяют выявить максимальный уровень этого показателя, который обычно регистрируется на 3-5 минуте восстановления. Важно, что эта величина продемонстрировала (рис.6) достаточно высокую коррелятивную связь с показателем СВТ (r=-0.688), что позволяет прогнозировать максимальный уровень лактата по температуре спины в условиях мышечного покоя. 54 максимальный уровень лактата в крови, мМ/л 25,000 y = -4,6571x + 158,63 R2 = 0,4731 20,000 15,000 10,000 5,000 0,000 30,000 31,000 32,000 33,000 34,000 СВТ спины, градусы С Рис. 6 Регрессионная связь между максимальным уровнем лактата после предельной работы и средневзвешенной температурой спины в условиях мышечного покоя Поскольку данная научная группа уже ранее высказывала гипотезу об участии БЖТ в обеспечении аэробной производительности, было совершенно естественным, что и в данном случае они применили эту логику. В то же время, данные литературы говорят о том, что инфракрасная термография не позволяет обнаруживать подкожные скопления БЖТ. Таким образом, полученные ученными из ВНИИФК данные, свидетельствуют о возможности прогнозировать потребление кислорода на уровне АнП и МПК по средневзвешенной температуре спины, полученной в условиях покоя в температурных условиях около 20-21 градуса по Цельсию. Помимо этого имеется тесная корреляционная связь между концентрацией лактата в крови и средневзвешенной температурой спины. Подставляя значения температуры в формулу, изображенную на рисунках 4 и 6 можно прогнозировать индивидуальные значения МПК, потребления кислорода на АнП и максимальную концентрацию лактата в крови после рамп теста. 55 Следует отметить, что эти данный подход однозначно не может заменить полноценного тестирования и надежность данного методического подхода необходимо проверять в дальнейшем на большем количестве испытуемых из различных видов спорта. 56
