Anthropometrische Einflussfaktoren auf die vaskuläre und kardiale Anpassung des Menschen an Hypergravitation in der Kurzarmzentrifuge

Abstract

Introduction Manned exploration of space leads to encounters with alterations in gravitational conditions, which triggers a cascade of cardiovascular adaptations. The sum of these adaptations is known as “cardiovascular deconditioning” (CD), which can lead to orthostatic intolerance (OI) upon return to planetary gravitational environments and entails an overall reduction in cardiac contractility force, and downregulation of systemic vascular resistance. The development of a counter-measure system (CMS), via the use of artifical gravity (AG) is essential in order to counter CD. This project thus investigated anthropometric factors, microvascular activity, and gender specific cardiovascular reactions during an AG-CMS protocol using a short arm human centrifuge (SAHC). Methods 28 women and men were recruited for this study. Prior to AG exposure, an anthropometric analysis was undertaken using air displacement plethysmography (ADP), which measured body mass (BM), volume (BV), surface area (BSA), fat free mass (FFM) and fat mass (FM). During AG exposure, non-invasive cardiovascular parameters such as heart rate (HR), diastolic blood pressure (DBP) and systemic vascular resistance (SVR) were recorded. Additionally, micro-vascular activity was observed using laser doppler and near-infrared spectroscopy (NIRS). The AG protocol consisted of a G-force interval training (GIT) protocol. Anthropometric analysis between finisher/non-finisher subjects was undertaken, as well as microvascular activity for all finisher subjects, and a comparison between female and male hemodynamic patters during AG exposition were performed. Results Upon completion of the study, anthropometric factors such as BM, BV, and BSA were correlated with a higher tolerance to increased gravitational vectors. Concerning microvascular activity, it could be shown that microvascular resistance can withstand a +2 G gravitational vector, and that there exist a biphasic “fast” and “slow” microvascular filling compartments during AG. Lastly, gender specific cardiovascular response patterns were observed, in which cardiovascular factors in women (HR, DBP, and SVR) increased in a uniform fashion during AG, whereas men showed higher variations in these factors. Discussion In conclusion, greater body dimensions (BM, BV, and BSA), contribute to OI resiliency during AG. Also, the data indicates that lower body resistance vessels withstand the unphysiologically high transmural pressure induced by AG. The fast component of reflects microvascular blood pooling while the slow component may be due to hemoconcentration or capillary recruitment. Lastly, this GIT protocol stimulated the cardiovascular systems involved in orthostatic integrity amongst women, whereas in men, these findings were not replicated. This GIT protocol may be more useful in women as an OI CMS, whereas men may require higher +Gz gradients.

Einführung Die bemannte Erkundung des Weltraums führt auf Grund veränderter Gravitationsbedingungen zu adaptiven Veränderungen im Herz-Kreislauf-System. Die Summe dieser Anpassungen wird als "kardiovaskuläre Dekonditionierung" (CD) bezeichnet, die bei Rückkehr in die planetarische Gravitation zu orthostatischer Intoleranz (OI) führen kann. Diese geht mit einer Verringerung der kardialen Kontraktionskraft sowie einer Herunterregulierung des systemischen Gefäßwiderstandes einher. Die Entwicklung eines wirksamen Gegenmaßnahmensystems (CMS) unter Einsatz der künstlichen Schwerkraft (AG) ist unerlässlich, um der CD entgegenzuwirken. Daher wurden in diesem Projekt im Rahmen eines AG-CMS-Protokolls anthropometrische Faktoren, Veränderungen der mikrovaskulären Aktivität und geschlechtsspezifische kardiovaskuläre Reaktionen unter Verwendung einer Kurzarm-Humanzentrifuge (SAHC) untersucht. Methodik Für diese Studie wurden 28 Frauen und Männer (16F/12M) rekrutiert. Vor der AG-Exposition wurde eine anthropometrische Analyse mittels Luftverdrängungsplethysmographie (ADP) durchgeführt und die Körpermasse (BM), Volumen (BV), Oberfläche (BSA), fettfreie Masse (FFM) und Fettmasse (FM) gemessen. Während der AG-Exposition wurden nicht-invasive kardiovaskuläre Parameter wie Herzfrequenz (HR), diastolischer Blutdruck (DBP) und systemischer Gefäßwiderstand (SVR) erfasst. Zusätzlich wurde die mikrovaskuläre Aktivität mit Hilfe von Laserdoppler und Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ermittelt. Das AG-Protokoll bestand aus einem G-force Intervalltraining (GIT). Anthropometrische Analysen zwischen Probanden, die das Training absolvieren konnten (Finisher) und Nicht-Finisher wurden durchgeführt, ebenso wie die Bestimmung der mikrovaskulären Aktivität für alle Finisher sowie ein Vergleich zwischen weiblichen und männlichen hämodynamischen Mustern während der AG-Exposition wurde durchgeführt. Ergebnisse Nach Abschluss der Studie korrelierten die anthropometrischen Faktoren wie BM, BV und BSA mit einer höheren Gravitationstoleranz. Hinsichtlich der mikrovaskulären Aktivität konnte gezeigt werden, dass der mikrovaskuläre Widerstand einem Gravitationsvektor von +2 G standhalten kann. Während der AG zeigte sich eine zweiphasige "schnelle" und "langsame" mikrovaskuläre Füllkammer. Zusätzlich unterschieden sich die kardiovaskulären Reaktionsmuster in Bezug auf das Geschlecht. Die kardiovaskulären Faktoren bei Frauen (HR, DBP und SVR) nahmen während der AG einheitlich zu, während Männer höhere Variationen dieser Faktoren aufwiesen. Diskussion Zusammenfassend, eine insgesamt größere Körpermaße (BM, BV und BSA) und nicht Körperabteilungen (FFM und FM) zur OI-Resilienz während der AG beitragen. Außerdem deuten die Daten darauf hin, dass Gefäße mit niedrigem Körperwiderstand dem AG-induzierten unphysiologisch hohen transmuralen Druck standhalten. Die schnelle Füllkomponente reflektiert die mikrovaskuläre Blutansammlung, wohingegen die langsame Füllung auf eine Hämokonzentration oder Kapillarrekrutierung zurückzuführen sein könnte. Durch dieses GIT-Protokoll konnte gezeigt werden, dass des Kardiovaskuläresystems bei Frauen stimuliert wurden. Bei Männern konnten diese Ergebnisse hingegen nicht reproduziert werden. Daher könnte dieses GIT-Protokoll bei Frauen als Gegenmaßnahme bei OI nützlich sein, während Männer möglicherweise höhere +Gz-Gradienten benötigen.