Ulyanovsk Medico-biological Journal

BIOLOGICAL SCIENCES

Download article

УДК 612.062

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-104-113

PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PARAMETERS OF NORMOBARIC HYPOXIA STRESS IN HUMANS

E.A. Burykh1, O.I. Parshukova2

1Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia;

2Institute of Physiology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar, Russia

 

The aim of the study is to examine the dynamics of the sympathoadrenal and adrenocortical components of acute normobaric hypoxia stress and their correlation with some physiological and biochemical parameters characterizing the energy metabolism in humans.

Materials and methods. Fourteen trial subjects were exposed to 40-minute hypoxia while breathing nitrogen-oxygen mixture containing 9 % of oxygen. At 5th, 10th, 20th, and 40th minutes of hypoxia, blood was taken from the cubital vein for further analysis. The authors determined a number of physiological parameters, such as pulse rate; blood pressure; oxygen consumption; rheographic index of cerebral blood flow. We also evaluated epinephrine, norepinephrine, cortisol, lactate and glucose blood levels at the time of sampling. The authors estimated the increase in parameters at control points compared to baseline, as well as the correlation of the increase in various indicators.

Results. A significant increase in blood epinephrine (max. min 20), norepinephrine (max. min 10) and lactate (max. min 40) was found in trial subjects under hypoxia compared to baseline parameters. A significant increase in oxygen consumption and rheographic index of cerebral blood flow was established under hypoxia (max. min 40). The longer the trial subject was exposed to hypoxia, the more the degree of conjugation in the dynamics of sympathoadrenal response, cerebral blood flow, and energy metabolism (lactate, glucose) was.

Conclusion. The obtained facts prove the heterochrony of sympathoadrenal and adrenocortical stress components in the dynamics of the human body response to acute normobaric hypoxia. With hypoxia development, the impact of the adrenergic component on mobilizing the energy of glycolytic processes increases.

Key words: hypoxia, human, stress, sympathoadrenal component, adrenocortical component, epinephrine, norepinephrine, glucose, lactate, cerebral blood flow, oxygen consumption.

 

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Author contributions
Research concept and design: Burykh E.A.
Participation in the study, data processing: Burykh E.A., Parshukova O.I.
Statistical data processing: Burykh E.A., Parshukova O.I.
Data analysis and interpretation: Burykh E.A., Parshukova O.I.
Text writing and editing: Burykh E.A., Parshukova O.I.

 

References

  1. Cannon W.B. Bodily changes in pain, hunger, fear and rage. New York: D. Appleton & Co; 1929. 230.

  2. Gell'gorn E. Regulyatornye funktsii avtonomnoy nervnoy sistemy [Regulatory functions of the autonomic nervous system]. Moscow: Inostrannaya literatura; 1948. 236 (in Russian).

  3. Lopes-Barneo J. Oxygen sensing and stem cell activation in the hypoxic carotid body. Cell Tissue Res. 2018; 372 (2): 417–425.

  4. Nurse C.A., Salman S., Scott A.L. Hypoxia-regulated catecholamine secretion in chromaffin cells. Cell Tissue Res. 2018; 372 (2): 433–441.

  5. Selye H. Stress. Montreal: Acta Inc.; 1950. 578.

  6. Zhukov D.A. Psikhogenetika stressa. Povedencheskie i endokrinnye korrelyaty geneticheskikh determinant stress-reaktivnosti pri nekontroliruemoy situatsii [Stress psychogenetics. Behavioral and endocrine correlates of genetic determinants of stress in unmanageable situations]. St. Petersburg: SPbTsNTI; 1997. 184 (in Russian).

  7. Gunnar M.R., Howland M.A. Calibration and recalibration of stress response systems across development: Implications for mental and physical health. Adv Child Dev Behav. 2022; 63: 35–69.

  8. Van Raaij M.T., Pit D.S., Balm P.H., Steffens A.B., van den Thillart G.E. Behavioral strategy and the physiological stress response in rainbow trout exposed to severe hypoxia. Horm. Behav. 1996; 30 (1): 85–92.

  9. MacKenzie S., Ribas L., Pilarczyk M., Capdevila D.M., Kadri S., Huntingford F.A. Screening for coping style increases the power of gene expression studies. PLoS One. 2009; 4 (4): e5314.

  10. Höglund E., Moltesen M., Castanheira M.F., Thörnqvist P., Silva P., Øverli Ø., Maltins C., Winberg S. Contrasting neurochemical and behavioral profiles reflects stress coping styles but not stress responsiveness in farmed head-gilted seabrem (Sparus aurata). Physiol Behav. 2020; 214: 112759.

  11. Wong R.Y., French J., Russ J.B. Differences in stress reactivity between zebrafish with alternative stress coping styles. R Soc Open Sci. 2019; 6 (5): 181797.

  12. Dienel G., Rothman D. Glycogenolysis in cerebral cortex during sensory stimulation, acute hypoglycemia and exercise: impact on astrocyte energetics, aerobic glycolysis and astrocyte-neuron interactions. Adv Neurobiol. 2019; 23: 209–267.

  13. Williams T.B., Corbett J., McMorris T., Young J.S., Dicks M., Ando S., Thelwell R.C., Tipton M.J., Costello J.T. Cognitive performance is associated with cerebral oxygenation and peripheral oxygen saturation, but not plasma catecholamines, during graded normobaric hypoxia. Exp Physiol. 2019; 104 (9): 1384–1397.

  14. Lantto J., Erkinaro T., Haapsamo M., Huhta H., Alanne L., Kokki M., Ohtonen P., Bhide A., Acharya G., Räsänen J. Peripheral chemoreflex activation and cardiac function during hypoxemia in near-term fetal sheep without placental compromise. J Appl Physiol (1985). 2021; 131 (5): 1486–1495.

  15. Berntman L., Dahlgren N., Siesjö B.K. Influence of intravenously administered catecholamines on cerebral oxygen consumption and blood flow in the rat. Acta Physiol. Scand. 1978; 104 (1): 101–108.

  16. Fernandes G., Frias A., Spiacci Jr.A., Pinheiro L., Tanus-Santos J.-E., Zangrossi H. Nitric oxide in the dorsal periaqueductal gray mediates the panic-like escape evoked by exposure to hypoxia. Prog Neuropsychopharm Biol Psychiatry. 2019; 92: 321–327.

  17. Hochachka P.W. Defense strategies against hypoxia and hypothermia. Science. 1986; 17 (231 (4735)): 23–41.

  18. Cohen P.J., Alexander P.G., Smith T.C. Effects of hypoxia and normocarbia on cerebral blood flow and metabolism in conscious man. J. Appl. Physiol. 1967; 23 (2): 184–195.

  19. Vestergaard M.B., Ghanizada H., Lindberg U., Arngrim N., Paulson O.B., Gjedde A., Ashina M., Larsson H.B. Human cerebral perfusion, oxygen consumption and lactate production in response to hypoxic exposure. Cerebral Cortex. 2022; 32 (6): 1295–1306.

  20. Bonvento G., Bolaños J.P. Astrocyte-neuron metabolic activity cooperation shapes brain activity. Cell Metab. 2021; 33 (8): 1546–1564.

  21. Schurr A., Passarella S. Aerobic glycolisis: a deOxymoron of (neuro) biology. Metabolites. 2022; 12 (1): 72–83.

 Received November 25, 2022; accepted February 01, 2023.

 

Information about the authors

Burykh Eduard Anatol'evich, Candidate of Sciences (Medicine), Senior Researcher, Laboratory for Comparative Ecological and Physiological Research, Sechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Russian Academy of Sciences. 194223, Russia, St. Petersburg, Torez Ave., 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-0407-8000

Parshukova Olga Ivanovna, Candidate of Sciences (Biology), Researcher, Department of Ecological and Medical Physiology, Institute of Physiology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 167982, Russia, Syktyvkar, Pervomayskaya St., 50; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-1862-6936

 

For citation

Burykh E.A., Parshukova O.I. Fiziologicheskie i biokhimicheskie indikatory stress-reaktsii organizma cheloveka v dinamike normobaricheskoy gipoksii [Physiological and biochemical parameters of normobaric hypoxia stress in humans]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2023; 1: 104–113. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-104-113 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 612.062

DOI 10.34014/2227-1848-2023-1-104-113

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ СТРЕСС-РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА В ДИНАМИКЕ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ

Э.А. Бурых1, О.И. Паршукова2

1ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук, г. Санкт-Петербург, Россия;

2ФГБУН ФИЦ «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук», г. Сыктывкар, Россия

 

Цель. Исследовать динамику симпатоадреналового и адренокортикального компонентов стресс-реакции и их взаимосвязей с некоторыми физиологическими и биохимическими параметрами, характеризующими энергетический обмен организма человека при острой нормобарической гипоксии.

Материалы и методы. Гипоксическое воздействие у испытуемых-добровольцев (n=14) моделировалось путем подачи кислородно-азотной смеси с 9 % содержанием кислорода для дыхания через маску в течение 40 мин. В фоне, на 5, 10, 20 и 40-й мин гипоксии производился забор крови из локтевой вены для последующего анализа. Определялся ряд физиологических показателей: частота пульса, артериальное давление, потребление кислорода, реографический индекс мозгового кровотока, а также содержание в крови на момент забора адреналина, норадреналина, кортизола, лактата и глюкозы. Оценивался прирост показателей в контрольных точках по отношению к фону, а также корреляция прироста различных показателей между собой.

Результаты. При гипоксии в сравнении с фоном обнаружен достоверный прирост содержания в крови адреналина с максимумом на 20-й мин, норадреналина с максимумом на 10-й мин и лактата с максимумом на 40-й мин. Установлен достоверный прирост потребления кислорода и реографического индекса мозгового кровотока с максимумом на 40-й мин гипоксии. По мере увеличения длительности гипоксии увеличивалась степень сопряженности в динамике показателей симпатоадреналового ответа, мозгового кровотока и энергетического обмена (лактат, глюкоза).

Выводы. Полученные факты свидетельствуют о гетерохронности включения симпатоадреналового и адренокортикального компонентов стресс-реакции в динамике ответа организма человека на воздействие острой нормобарической гипоксии. По мере развития гипоксии усиливается роль адренергической составляющей симпатоадреналового компонента стресс-реакции в мобилизации энергии гликолитических процессов.

Ключевые слова: гипоксия, человек, стресс, симпатоадреналовый компонент, адренокортикальный компонент, адреналин, норадреналин, глюкоза, лактат, мозговой кровоток, потребление кислорода.

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов
Концепция и дизайн исследования: Бурых Э.А.
Участие в исследовании, обработка материала: Бурых Э.А., Паршукова О.И.
Статистическая обработка данных: Бурых Э.А., Паршукова О.И.
Анализ и интерпретация данных: Бурых Э.А., Паршукова О.И.
Написание и редактирование текста: Бурых Э.А., Паршукова О.И.

 

Литература

  1. Cannon W.B. Bodily changes in pain, hunger, fear and rage. New York: D. Appleton & Co; 1929. 230.

  2. Гелльгорн Э. Регуляторные функции автономной нервной системы. Москва: Иностранная литература; 1948. 236.

  3. Lopes-Barneo J. Oxygen sensing and stem cell activation in the hypoxic carotid body. Cell Tissue Res. 2018; 372 (2): 417–425.

  4. Nurse C.A., Salman S., Scott A.L. Hypoxia-regulated catecholamine secretion in chromaffin cells. Cell Tissue Res. 2018; 372 (2): 433–441.

  5. Selye H. Stress. Montreal: Acta Inc.; 1950. 578.

  6. Жуков Д.А. Психогенетика стресса. Поведенческие и эндокринные корреляты генетических детерминант стресс-реактивности при неконтролируемой ситуации. Санкт-Петербург: СПбЦНТИ; 1997. 184.

  7. Gunnar M.R., Howland M.A. Calibration and recalibration of stress response systems across development: Implications for mental and physical health. Adv Child Dev Behav. 2022; 63: 35–69.

  8. Van Raaij M.T., Pit D.S., Balm P.H., Steffens A.B., van den Thillart G.E. Behavioral strategy and the physiological stress response in rainbow trout exposed to severe hypoxia. Horm. Behav. 1996; 30 (1): 85–92.

  9. MacKenzie S., Ribas L., Pilarczyk M., Capdevila D.M., Kadri S., Huntingford F.A. Screening for coping style increases the power of gene expression studies. PLoS One. 2009; 4 (4): e5314.

  10. Höglund E., Moltesen M., Castanheira M.F., Thörnqvist P., Silva P., Øverli Ø., Maltins C., Winberg S. Contrasting neurochemical and behavioral profiles reflects stress coping styles but not stress responsiveness in farmed head-gilted seabrem (Sparus aurata). Physiol Behav. 2020; 214: 112759.

  11. Wong R.Y., French J., Russ J.B. Differences in stress reactivity between zebrafish with alternative stress coping styles. R Soc Open Sci. 2019; 6 (5): 181797.

  12. Dienel G., Rothman D. Glycogenolysis in cerebral cortex during sensory stimulation, acute hypoglycemia and exercise: impact on astrocyte energetics, aerobic glycolysis and astrocyte-neuron interactions. Adv Neurobiol. 2019; 23: 209–267.

  13. Williams T.B., Corbett J., McMorris T., Young J.S., Dicks M., Ando S., Thelwell R.C., Tipton M.J., Costello J.T. Cognitive performance is associated with cerebral oxygenation and peripheral oxygen saturation, but not plasma catecholamines, during graded normobaric hypoxia. Exp Physiol. 2019; 104 (9): 1384–1397.

  14. Lantto J., Erkinaro T., Haapsamo M., Huhta H., Alanne L., Kokki M., Ohtonen P., Bhide A., Acharya G., Räsänen J. Peripheral chemoreflex activation and cardiac function during hypoxemia in near-term fetal sheep without placental compromise. J Appl Physiol (1985). 2021; 131 (5): 1486–1495.

  15. Berntman L., Dahlgren N., Siesjö B.K. Influence of intravenously administered catecholamines on cerebral oxygen consumption and blood flow in the rat. Acta Physiol. Scand. 1978; 104 (1): 101–108.

  16. Fernandes G., Frias A., Spiacci Jr.A., Pinheiro L., Tanus-Santos J.-E., Zangrossi H. Nitric oxide in the dorsal periaqueductal gray mediates the panic-like escape evoked by exposure to hypoxia. Prog Neuropsychopharm Biol Psychiatry. 2019; 92: 321–327.

  17. Hochachka P.W. Defense strategies against hypoxia and hypothermia. Science. 1986; 17 (231 (4735)): 23–41.

  18. Cohen P.J., Alexander P.G., Smith T.C. Effects of hypoxia and normocarbia on cerebral blood flow and metabolism in conscious man. J. Appl. Physiol. 1967; 23 (2): 184–195.

  19. Vestergaard M.B., Ghanizada H., Lindberg U., Arngrim N., Paulson O.B., Gjedde A., Ashina M., Larsson H.B. Human cerebral perfusion, oxygen consumption and lactate production in response to hypoxic exposure. Cerebral Cortex. 2022; 32 (6): 1295–1306.

  20. Bonvento G., Bolaños J.P. Astrocyte-neuron metabolic activity cooperation shapes brain activity. Cell Metab. 2021; 33 (8): 1546–1564.

  21. Schurr A., Passarella S. Aerobic glycolisis: a deOxymoron of (neuro) biology. Metabolites. 2022; 12 (1): 72–83.

 Поступила в редакцию 25.11.2022; принята 01.02.2023.

 

Авторский коллектив

Бурых Эдуард Анатольевич – кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории сравнительных эколого-физиологических исследований, ФГБУН Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук. 194223, Россия, г. Санкт-Петербург, пр. Тореза, 44; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-0407-8000

Паршукова Ольга Ивановна – кандидат биологических наук, научный сотрудник отдела экологической и медицинской физиологии Института физиологии, ФГБУН ФИЦ «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук». 167982, Россия, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, 50; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0003-1862-6936 

 

Образец цитирования

Бурых Э.А., Паршукова О.И. Физиологические и биохимические индикаторы стресс-реакции организма человека в динамике нормобарической гипоксии. Ульяновский медико-биологический журнал. 2023; 1: 104–113. DOI: 10.34014/2227-1848-2023-1-104-113