Оценка микроциркуляции крови и окислительного метаболизма биоткани в конечности при изменении ее положения методами лазерной допплеровской флоуметрии и флуоресцентной спектроскопии

Введение. Диагностика кровообращения в микрососудах кожи и окислительного метаболизма биоткани позволяет спрогнозировать наличие в организме микроциркуляторных нарушений, оценить их тяжесть и осуществить мониторинг терапии. Применение функциональной пробы, связанной с изменением положения всего тела человека в пространстве, является известным методом исследования функций вегетативной нервной системы и диагностики сердечно-сосудистых заболеваний.

Цель. Исследование набора параметров, характеризующих окислительный метаболизм и динамику микроциркуляции крови пальца руки при проведении последовательности проб с изменением положения верхней конечности методами флуоресцентной спектроскопии и лазерной допплеровской флоуметрии.

Материалы и методы. Исследование проведено на группе добровольцев из 10 человек в возрасте 21–40 лет. На подушечку среднего пальца руки размещалось устройство «ЛАЗМА ПФ» (Россия), реализующее методы лазерной допплеровской флоуметрии и флуоресцентной спектроскопии. У каждого добровольца измерялись параметры микроциркуляции при двух положениях руки: «на уровне сердца» и при вертикально поднятой конечности – в положении «вверх». Измерения колебаний кровотока проводились непрерывно в течение всех этапов: три раза в двух положениях.

Результаты. Изменение положения конечности из состояния «на уровне сердца» в состояние «вверх» приводит к уменьшению средних значений показателей микроциркуляции на величину 12 перф. ед. и окислительного метаболизма на величину 7 отн. ед. с одновременным увеличением кофермента НАДН на величину 3 отн. ед., т. е. наблюдается однонаправленное изменение показателя микроциркуляции и показателя окислительного метаболизма и противоположно направленное изменение значений кофермента НАДН. По результатам измерений кофермента НАДН на основании проведенного анализа статистических данных, была обнаружена статистически значимая разница между положениями руки «на уровне сердца» и «вверх». Эта разница не была выявлена только в первом цикле исследования, достоверность p была больше 0,05, между положениями руки 1–2, когда рука находилась «на уровне сердца» и затем была поднята «вверх». Также установлено, что с каждым новым циклом измерений вероятностное значение p для показателей НАДН при изменении положения руки стабильно уменьшалось, при уровне значимости p<0,05. Вероятностное значение p стало статистически значимым, начиная со второго цикла исследования. По результатам измерений параметра ПОМ было установлено, что вероятностное значение p имело статистическую значимость p<0,05 при каждой смене положения руки в каждом цикле.

Заключение. Исследования показали, что для получения достоверной информации о результатах пробы с изменением положения конечности недостаточно провести однократные измерения показателя микроциркуляции или окислительного метаболизма биоткани с помощью лазерной допплеровской флоуметрии. Положение конечности и его изменение приводит к значительным изменениям показателей микроциркуляции и окислительного метаболизма, что необходимо учитывать при проведении медицинских и физиологических исследований.

1. Tikhonova IV, Grinevich AA, Guseva IE, Tankanag AV. Effect of orthostasis on the regulation of skin blood flow in upper and lower extremities in human. Microcirculation. 2021; 28(1). Doi: doi.org/10.1111/micc.12655.

2. Вариабельность сердечного ритма при ортоклиностатической нагрузке у пациентов с нейрорефлекторными синкопальными состояниями / Гребенюк О.В., Катаева Н.Г., Новикова Н.С., Светлик М.В. // Бюлл. сибирской мед. – 2010. – Т. 9, № 4. – С.44–48. Doi: 10.20538/1682-0363-2010-4-44-48.

3. Залетов И.С., Сагайдачный А.А., Скрипаль А.В. и др. Взаимосвязь формы пульсовой волны в периферических артериях, регистрируемой методами импедансной реографии и ультразвуковой допплерографии // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. – 2023. – Т. 23, № 1. – С. 24–36. Doi: 10.18500/1817-3020-2023-23-1-24-36.

4. Silva H, Ferreira HA, da Silva HP, Monteiro Rodrigues L. The venoarteriolar reflex significantly reduces contralateral perfusion as part of the lower limb circulatory homeostasis in vivo. Front Physiol. 2018;9:383929. Doi: 10.3389/fphys.2018.01123.

5. Allen J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiol Meas. 2007; 28(3):1–39. Doi: 10.1088/0967-3334/28/3/r01.

6. Скедина М.А., Ковалева А.А., Дегтеренкова Н.В. Исследование церебральной гемодинамики и периферической микроциркуляции при проведении пассивной постуральной ортостатической пробы // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2018. – Т. 17, № 3. – С. 115–119. Doi: 10.24884/1682-6655-2018-17-3-115-119.

7. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Лазерная допплеровская флоуметрия микроциркуляции крови. – М: Медицина, 2005. – 254 с.

8. Fedorovich AA, Loktionova YI, Zharkikh EV, Mikhailova MA, Popova JA, Suvorov AV, Zherebtsov EA. Body position affects capillary blood flow regulation measured with wearable blood flow sensors. Diagnostics. 2021;11(3):436. Doi: 10.3390/diagnostics11030436.

9. Скрипаль Ан.В., Аль-Бадри Ф., Машков К.В. и др. Лазерная флоуметрия микроциркуляции крови пальца руки в зависимости от внешней температуры и положения конечности // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2023. – Т. 22, № 4. – С. 35–41. Doi: 10.24884/1682-6655-2023-22-4-35-41.

10. Jonasson H, Fredriksson I, Pettersson A, Larsson M, Strömberg T. Oxygen saturation, red blood cell tissue fraction and speed resolved perfusion – a new optical method for microcirculatory assessment. Microvascular research. 2015; 102:70-77. Doi: 10.1016/j.mvr.2015.08.006.

11. Glazkova PA, Kulikov DA, Glazkov AA, Terpigorev SA, Rogatkin DA, Shekhyan GG, Paleev FN. Reactivity of skin microcirculation as a biomarker of cardiovascular events. Pilot study. Clin Hemorheol Microcirc. 2021;78(3):247-257. Doi: 10.3233/ch-201016.

12. Sorelli M, Stoyneva Z, Mizeva I, Bocchi L. Spatial heterogeneity in the time and frequency properties of skin perfusion. Physiol Meas. 2017;38(5):860. Doi: 10.1088/1361-6579/aa5909.

13. Спектрометр для флуоресцентно-отражательных биомедицинских исследований / Папаян Г.В., Березин В.Б., Петрищев Н.Н., Галагудза М.М. // Оптический журн. – 2013. – Т. 80, № 1. – С. 56–67. Doi: 10.1364/JOT.80.000040.

14. Marcinek A, Katarzynska J, Sieron L, Skokowski R, Zielinski J, Gebicki J. Non-invasive assessment of vascular circulation based on Flow Mediated Skin Fluorescence (FMSF). Biology. 2023;12(3):385. Doi: 10.3390/biology12030385.

15. Dremin VV, Sidorov VV, Krupatkin AI, Galstyan GR, Novikova IN, Zherebtsova AI, Rafailov EU. The blood perfusion and NADH/FAD content combined analysis in patients with diabetes foot. In Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic and Surgical Guidance Systems XIV. SPIE. 2016;9698:93-99. Doi: 10.1117/12.2212758.

16. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: Колебания, информация, нелинейность : руководство для врачей. – М.: Либроком, 2013. – 496 с.

17. Mizeva I, Frick P, Podtaev S. Relationship of oscillating and average components of laser Doppler flowmetry signal. J Biomed Opt. 2016;21(8):085002. Doi: 10.1117/1.jbo.21.8.085002.

18. Tankanag AV, Grinevich AA, Kirilina TV, Krasnikov GV, Piskunova GM, Chemeris NK. Wavelet phase coherence analysis of the skin blood flow oscillations in human. Microvasc Res. 2014;95:53-59. Doi: 10.1016/j.mvr.2014.07.003.

19. Метод тепловой и холодовой пробы при диагностике кровотока с помощью лазерного допплеровского флоуметра / Еремеева В.А., Скрипаль А.В., Добдин С.Ю., Клочков В.А. // В сб.: Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине. Сборник статей Всероссийской школы-семинара. – Саратов, 2023. – С. 27–30.

20. Katarzynska J, Lipinski Z, Cholewinski T, Piotrowski L, Dworzynski W, Urbaniak M, Gebicki J. Non-invasive evaluation of microcirculation and metabolic regulation using flow mediated skin fluorescence (FMSF): technical aspects and methodology. Rev Sci Instruments. 2019;90(10):104104. Doi: 10.1063/1.5092218.

21. Zharkikh EV, Dremin VV, Dunaev AV. Fluorescent Technology in the Assessment of Metabolic Disorders in Diabetes. In book: Biomedical Photonics for Diabetes Research. CRC Press, 2022:197-212. Doi: 10.1201/9781003112099-9.

22. Аппаратура для комплексной неинвазивной диаг ностики состояний компартментов микроциркуляторно-тканевой системы кожи человека / Сидоров В.В., Рыбаков Ю.Л., Гукасов В.М., Евтушенко Г.С. // Мед. техника. – 2021. – № 4. – С. 4–6.

23. Система локальных анализаторов для неинвазивной диагностики общего состояния компартментов микроциркуляторно-тканевой системы кожи человека / Сидоров В. В., Рыбаков Ю. Л., Гукасов В. М., Евтушенко Г. С. // Мед. техника. – 2022. – Т. 55, № 6. – С. 4–6.

24. Жарких Е.В., Локтионова Ю.И., Козлов И.О. и др. Оценка динамических изменений микроциркуляции крови и окислительного метаболизма у пациентов с сахарным диабетом с использованием температурных проб // 14-я Международная научная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии – ФРЭМЭ’2020», 1-3 июля 2020. – Суздаль-Владимир, 2020. – С. 48-51. Doi: 10.7868/S0131164617060029.

25. Использование лазерной допплеровской флоуметрии и флуоресцентной спектроскопии для оценки состояния микроциркуляторного русла и показателя окислительного метаболизма больных во время травматичных операций / Усанов А.Д., Пригородов, М.В., Капралов, С.В., Скрипаль А.В. // В сб.: Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине. Сборник статей Всероссийской школы-семинара. – Саратов, 2023. – С. 52–54.

26. Мкртумян А.М., Звенигородская Л.А., Шинкин М.В. Исследование микроциркуляции и тканевого метаболизма в качестве ранних диагностических критериев риска развития диабетической стопы // Тер. архив. – 2022. – Т. 94, № 8. – С. 957–962. Doi: 10.26442/00403660.2022.08.201789.

27. Zherebtsov EA, Zharkikh EV, Loktionova YI, Zhereb tsova AI, Sidorov VV, Rafailov EU, Dunaev AV. Wireless dynamic light scattering sensors detect microvascular changes associated with ageing and diabetes. IEEE Trans Biomed Eng. 2023;70(11):3073-3081. Doi: 10.1109/TBME.2023.3275654.

28. Zharkikh EV, Loktionova YI, Fedorovich AA, Gorshkov AY, Dunaev AV. Assessment of blood microcirculation changes after COVID-19 using wearable laser Doppler flowmetry. Diagnostics. 2023;13(5):920. Doi: 10.3390/diagnostics13050920.

29. Фролов А.В., Локтионова Ю.И., Жарких Е.В. и др. Исследование изменений кожной микроциркуляции крови при выполнении дыхательной техники хатха-йоги // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2022. – Т. 20, № 4. – С. 33–44. Doi: 10.24884/1682-6655-2021-20-4-33-44.

30. Zharkikh EV, Loktionova YI, Sidorov VV, Krupatkin AI, Masalygina GI,

31. Dunaev AV. Control of blood microcirculation parameters in therapy with alpha-lipoic acid in patients with diabetes mellitus. Human Physiol. 2022;48(4):456-464. Doi: 10.1134/s0362119722040156.

32. Zherebtsov EA, Zharkikh EV, Kozlov I, Zherebtsova AI, Loktionova YI, Chichkov NB, Rafailov IE, Sidorov VV, Sokolovski SG, Dunaev AV, Rafailov EU. Novel wearable VCSEL based sensors for multipoint measurements of blood perfusion. Dynamics Fluctuations Biomed Photonics XVI. SPIE. 2019;10877:38-41. Doi: 10.1117/12.2509578.

33. Lima NS, Tzen YT, Clifford PS. Spectral changes in skin blood flow during pressure manipulations or sympathetic stimulation. Exp Physiol. 2024;109(6):892-898. Doi: 10.1113/EP091706.

34. Ovadia-Blechman Z, Gritzman A, Shuvi M, Gavish B, Aharonson V, Rabin N. The response of peripheral microcirculation to gravity-induced changes. Clin Biomech. 2018;57:19- 25. Doi: 10.1016/j.clinbiomech.2018.06.005.

35. Сагайдачный А.А. Окклюзионная проба: методы анализа, механизмы реакции, перспективы применения // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2018. – Т. 17, № 3. – С. 5–22. Doi: 10.24884/1682-6655-2018-17-3-5-22.

36. Hickey M, Phillips JP, Kyriacou PA. The effect of vascular changes on the photoplethysmographic signal at different hand elevations. Physiol Meas. 2015;36(3):425. Doi: 10.1088/0967-3334/36/3/425.

37. Nogami H, Iwasaki W, Abe T, Kimura Y, Onoe A, Higurashi E, Takeuchi S, Kido M, Furue M, Sawada R. Use of a simple arm-raising test with a portable laser Doppler blood flow meter to detect dehydration. J Eng Med. 2011; 225(4):411-419.

38. Левичева Е.Н., Каменская О.В., Логинова И.Ю. и др. Резервные возможности микроциркуляторного кровотока периферических тканей при циркуляторной гипоксии // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2012. – Т. 11, № 3. – С. 34–38. Doi: 10.24884/1682-6655-2012-11-3-34-38.

39. Nizinski J, Filberek P, Sibrecht G, Krauze T, Zielinski J, Piskorski J, Wykretowicz A, Guzik P. Non invasive in vivo human model of post ischaemic skin preconditioning by measurement of flow mediated 460 nm autofluorescence. Brit J Clin Pharmacol. 2021;87(11):4283-4292. Doi: 10.1111/bcp.14845.

40. Balu M, Mazhar A, Hayakawa CK, Mittal R, Krasieva TB, König K, Venugopalan V, Tromberg BJ. In vivo multiphoton NADH fluorescence reveals depth-dependent keratinocyte metabolism in human skin. Biophys J. 2013;104(1):258- 267. Doi: 10.1016/j.bpj.2012.11.3809.

41. Piotrowski L, Urbaniak M, Jedrzejczak B, Marcinek A, Gebicki J. Note: Flow mediated skin fluorescence – A novel technique for evaluation of cutaneous microcirculation. Rev Sci Instruments. 2016;87(3):036111. Doi: 10.1063/1.4945044.

42. Hellmann M, Tarnawska M, Dudziak M, Dorniak K, Roustit M, Cracowski JL. Reproducibility of flow mediated skin fluorescence to assess microvascular function. Microvasc Res. 2017;113:60-64. Doi: 10.1016/j.mvr.2017.05.004.

43. Niziński J, Kamieniarz L, Filberek P, Sibrecht G, Guzik P. Monitoring the skin NADH changes during ischaemia and reperfusion in humans. J Med Sci. 2020;89(1):e405-e405. Doi: 10.20883/medical.405.

44. Rabinowitz JD, Enerbäck S. Lactate: the ugly duckling of energy metabolism. Nat Metab. 2020;2(7):566-571. Doi: 10.1038/s42255-020-0243-4.

45. Adeva-Andany M, López-Ojén M, Funcasta-Calderón R, Ameneiros-Rodríguez E, Donapetry-García C, Vila-Altesor M, Rodríguez-Seijas J. Comprehensive review on lactate metabolism in human health. Mitochondrion. 2014;17:76-100. Doi: 10.1016/j.mito.2014.05.007.

46. Dashty M. A quick look at biochemistry: carbohydrate metabolism. Clin Biochem. 2013;46(15):1339-1352. Doi: 10.1016/j.clinbiochem.2013.04.027.

47. Luengo A, Li Z, Gui DY, Sullivan LB, Zagorulya M, Do BT, Ferreira R, Naamati A, Ali A, Lewis CA, Thomas CJ, Spranger S, Matheson NJ, Vander Heiden MG. Increased demand for NAD+ relative to ATP drives aerobic glycolysis. Mol cell. 2021;81(4):691-707. Doi: 10.1016/j.molcel.2020.12.012.

48. Метаболический имиджинг в исследовании онкологических процессов (обзор) / Лукина М.М., Ширманова М.В., Сергеева Т.Ф., Загайнова Е.В. // Соврем. технол. в мед. – 2016. – Т. 8, № 4. – С. 113–128. Doi: 10.17691/stm2016.8.4.16.

49. Wengrowski AM, Kuzmiak-Glancy S, Jaimes R, Kay MW. NADH changes during hypoxia, ischemia, and increased work differ between isolated heart preparations. Am J Physiol-Heart Circ Physiol. 2014;306(4):H529-H537. Doi: 10.1152/ajpheart.00696.2013.

50. Dunaev A. Wearable devices for multimodal optical diagnostics of microcirculatory-tissue systems: application experience in the clinic and space. J Biomed Photon Eng. 2023;9(2):020201. Doi: 10.18287/JBPE23.09.020201.