全身热水浸泡对脑血流动力学及后续二氧化碳脑血管反应性的影响：一项聚焦颈内动脉血流动力学的对照研究

《EXPERIMENTAL PHYSIOLOGY》：Whole-body hot water immersion effect on cerebral haemodynamics and subsequent cerebrovascular reactivity to carbon dioxide

本文探讨了39°C全身热水浸泡（HWI）对健康年轻成人脑血流动力学及脑血管功能的急性影响。研究发现，与21°C室温对照（CON）相比，HWI虽显著降低平均动脉压（MAP）并增加颈内动脉（ICA）脑血管传导率（ICACVC）以维持脑血流（CBF），但并未显著改变ICA血流量（ICAQ）、ICA剪切率（ICASR）或后续对二氧化碳的脑血管反应性（CVR）。结果表明，单次HWI可通过脑血管自动调节稳定脑灌注，但未能急性改善以容积法评估的脑血管功能。

　　

1 引言

流行病学研究显示，定期热疗与降低心血管和脑血管疾病风险相关。这种风险降低可能是多因素的，部分原因可能在于增强外周血管功能和降低血压。例如，一项假对照研究表明，为期8周的全身被动热水浸泡（HWI）干预改善了肱动脉内皮依赖性功能，并降低了血压和动脉僵硬度。这些长期适应可能通过剪切力介导的一氧化氮（NO）生物利用度增加以及氧化应激、炎症和循环内皮源性微泡减少来解释。然而，由于外周血管和脑血管之间存在生理差异，目前尚不清楚这些机制是否能解释定期HWI观察到的脑血管疾病发病率降低的现象。

脑灌注不足先于脑血管相关病理发生，因此，能够增加脑血流（CBF）、剪切率并逆转低灌注的干预措施可能对脑血管功能和健康有益。血管剪切介导的过程是改善脑血管功能和健康的潜在重要刺激。事实上，已证明增加脑血管剪切率和CBF的干预措施，如在单次运动后和间歇性缺氧后，能短暂提高脑内皮依赖性和非依赖性功能。重复暴露于增加脑剪切和CBF的干预措施可能有助于长期改善脑血管功能。由于HWI已被证明在中等度高热（核心温度升高1°C）期间能增加CBF并提高颈内动脉剪切率（ICASR），因此HWI可能改善后续的脑血管功能。

对二氧化碳的脑血管反应性（CVR），即单位潮气末二氧化碳分压（PetCO2）变化引起的CBF变化，是一种非选择性的内皮非依赖性脑血管反应性评估方法，可作为脑血管功能的指标。CVR降低见于老龄化，并可预测颈动脉疾病患者的脑血管疾病。相反，有氧适能高的老年人CVR高于适能差的老年人，并且定期有氧运动12周后可改善CVR。有两项研究评估了HWI后的CVR，表明HWI不会急性改变CVR。在这些研究中，CVR是通过经颅多普勒超声（TCD）在大脑中动脉（MCA）测量的。这种CVR测量方法未纳入MCA直径。由于即使在轻微的稳态高碳酸血症（PetCO2增加4 mmHg）期间，MCA直径也会增加，因此仅凭MCA血流速度（MCAV）不能准确表征MCA的CBF。这可以通过双功超声实现，它能同时测量血流速度和血管直径，从而计算容积CBF。此外，鉴于Worley等人观察到在其39°C HWI方案期间ICA血流量（ICAQ）增加而非MCAV增加，因此有必要在HWI后评估容积性ICA CVR。

本研究的目的是检验单次HWI对脑血管血流动力学的反应。基于先前研究表明HWI能增加ICAQ和ICASR，并且由于其他增加脑剪切率的干预措施（如运动和有氧运动）后脑血管功能得到改善，我们假设HWI会在HWI期间升高ICAQ和ICASR，并在HWI后改善后续脑血管功能，表现为容积计算的ICA CVR增加。

2 方法

本研究获得了班戈大学心理学与运动科学学院学术研究伦理委员会的伦理批准，研究遵循《赫尔辛基宣言》的标准进行，所有研究志愿者均提供了书面知情同意书。

15名参与者被招募入研究（6名女性，9名男性；年龄28±4岁，身高174±8 cm，体重74±14 kg，体脂17±8%，体力活动4474±2542 MET min week^-1）。事先使用G*Power软件进行了样本量估算，基于α（0.05）、效能（0.80）和效应量?=0.33，估计15名参与者足以检测HWI和对照试验之间脑血管功能的显著差异。所有参与者均为健康非吸烟者，无已知的心血管、神经、呼吸或代谢疾病史，也无热病史，且每周进行全身热暴露（如HWI或桑拿）不超过一次。为考虑体温和血管功能的波动，女性参与者在其月经周期的相同阶段（4名卵泡早期，1名黄体期，1名避孕植入）接受研究。

参与者访问实验室三次，进行熟悉化和两次后续的实验试验。采用随机、交叉设计，每位参与者完成两次实验试验，间隔至少48小时。实验试验包括60分钟的39°C HWI或在环境室温（21°C）下进行时间与姿势匹配的对照（CON）。参与者在一天中的同一时间（约09:00）完成两次实验试验，并遵循相同的实验程序。

在两次实验访问之前，进行一次熟悉化会议，使参与者熟悉实验室环境和实验流程，并对参与者的ICA和椎动脉（VA）进行筛查。在此次访问中，通过壁挂式卷尺测量身高，通过专用生物电阻抗分析体重秤测量体重和身体成分（去脂体重、脂肪质量）。使用自我报告的活动表评估体力活动。

在HWI试验中，穿着泳衣的参与者进入一个预先注满、设定并维持在39.0±0.2°C的热水浴缸。参与者采取半卧位，确保水位达到颈部，手臂置于水下。仅在测量血压时（第5、20、40和60分钟），参与者将肩膀和手臂露出水面重新定位。参与者在热水中停留60分钟。在CON试验中，参与者穿着短裤和T恤，在温带实验室（温度21.1±1.4°C，相对湿度55±7%，气压759±6 mmHg）中以半卧位休息。允许参与者随意饮水，并在HWI后提供水以补充液体流失。在两种干预期间，在第5分钟以及每20分钟间隔（时间点：5、20、40和60分钟）测量心率、血压、ICA血流动力学和感知热感觉指标。

参与者到达时已禁热暴露≥36小时，禁剧烈运动≥24小时，禁酒精和咖啡因≥12小时，禁食≥6小时。在实验开始前，参与者提供少量尿液样本（<25 mL），通过尿液渗透压计确认水合状态。

开始时，参与者仰卧在空调实验室中，并连接设备进行连续生理监测。使用II导联心电图记录心率，使用手指光电体积描记法记录血压。从Finometer输出计算收缩压（SBP）、舒张压（DBP）和平均动脉压（MAP），并校准到三次自动肱动脉血压测量的中位数。通过连接到呼吸气体分析仪的面罩记录潮气末氧分压（PetO2）和二氧化碳分压（PetCO2）。使用自行插入肛门括约肌15 cm以上的直肠热敏电阻测量核心温度（Tc），使用放置在四个皮肤部位（大腿、小腿、胸部、上臂）的皮肤热敏电阻测量皮肤温度（Tsk）。使用四点方程计算平均Tsk和平均体温（MBT）。最后，将2 MHz TCD探头置于经颞窗上，通过可调节头架固定，用于评估MCAV。

仪器连接完毕并仰卧休息约15分钟后，记录肱动脉血压测量值。获取VA直径和血流速度测量值，然后是ICA直径和速度以及CVR测量值。使用TCD连续记录MCAV。在实验干预（HWI或CON）前和干预后45分钟进行CVR评估。使用固定浓度的6%吸入CO2、21% O2和平衡氮气诱导高碳酸血症4分钟，以测量ICA和MCA的血流动力学反应。

在HWI和CON前后获取静脉血样，用于测定血细胞比容（Hct）和血红蛋白（Hb）。在两次干预前后测量裸体体重，以量化经液体摄入校正后的汗液流失。使用公式计算血浆体积的相对变化（%?PV）。

使用15 MHz线性换能器进行双功超声，以量化颅外脑动脉（ICAQ和VAQ）的容积血流量。使用B型成像获取血管直径的高分辨率图像，同时使用脉冲波模式测量多普勒速度谱。选择血管中的测量位置以确保在受试者内部和访视之间可获得最可重复的扫描。遵循技术指南，将多普勒门置于动脉中心，入射角为60°，并调整以填充动脉管腔，确保最强的多普勒速度谱信号。ICA在颈动脉分叉处至少1.0-1.5 cm远端测量，VA在C3和锁骨下动脉之间测量。在颈部左侧或右侧扫描颅外动脉（在熟悉化期间根据最清晰的图像质量确定），并在后续试验中保持恒定。CBF测量的扫描顺序在所有情况下均为先VA后ICA。通过记录探头位置、信号深度和增益设置来实现每条动脉的入射，以便在访视内部和之间复制放置。以1 kHz连续获取MCAV的连续逐搏测量值。

使用自定义软件连续捕获平均血管直径和多普勒频谱的时间平均平均血流速度（TAMV），并发送到模数转换器，与LabChart接口。从至少10个心动周期中取值，以尽量减少呼吸的影响。

使用公式计算血流量（Q）。使用公式计算ICA和MCA的脑血管传导率（CVC）。应用泊肃叶定律确定剪切率。计算全局脑血流量（gCBF）为两倍ICAQ和VAQ之和。计算CVR为ICAQ每单位PetCO2变化（mmHg）的绝对变化。计算ICA和MCA的绝对CVR反应。为了考虑CVR期间血压的任何影响，还使用公式计算了ICA和MCA的脑血管传导率反应性。CVR基线值在高碳酸血症前立即的30秒仰卧休息期间计算，而最大值取自高碳酸血症4分钟期间ICAQ和MCAV出现的最高30秒平均值。

使用GraphPad Prism进行统计分析，数值以平均值±标准差表示，统计学显著性设定为P < 0.05。使用线性混合效应模型（LMM）和Greenhouse-Geisser校正以及Tukey校正的多重比较来确定HWI和CON干预期间脑血管、心肺、感知和体温调节数据的任何差异。感兴趣的固定效应是时间（5、20、40、60分钟）、试验（CON和HWI）和交互作用（时间×试验），并将受试者添加为随机效应。使用学生配对样本t检验比较CON和HWI试验在干预前基线心血管、血液学和尿液值，以及CON和HWI干预后的汗液流失、裸体体重变化、血浆体积变化、以及Hb和Hct变化。通过LMM和Greenhouse-Geisser校正分析脑血管反应性评估期间的心肺和脑血管变量。感兴趣的固定效应是试验（CON×HWI）、时间（前×后）、高碳酸血症（基线×CO2）和交互作用（试验×时间×高碳酸血症）。通过LMM和Greenhouse-Geisser校正以及Tukey校正的多重比较分析CVR值。感兴趣的固定效应是时间（前和后）、试验（CON和HWI）和交互作用（时间×试验）。

3 结果

两次试验的基线心血管、血液学和尿液反应具有可比性，因此合并为基线参与者特征的一部分。一名男性参与者因信号质量差被排除在所有MCAV数据分析之外。一名女性参与者因ICA信号质量差被排除在干预前CVR分析之外，但其剩余三次CVR评估保留在最终数据集中。一名男性参与者的CON试验干预前CVR评估的血压值因手指光电体积描记仪设备故障而被移除。一名男性参与者在HWI期间20分钟时间点的ICAQ数据因信号质量差被排除。

与CON相比，HWI期间核心温度（Tc）、心率和热感觉更高，热舒适度和耐受性更低。HWI期间的血压（SBP、DBP和MAP）低于CON，其中DBP在HWI开始后40和60分钟的影响更为明显。在HWI期间，40和60分钟时的PetCO2低于CON。未观察到ICAQ、ICA血流速度、ICASR或ICA直径在HWI和CON之间存在差异。与CON相比，HWI期间ICACVC更高。

60分钟干预期间的汗液流失在HWI中高于CON。然而，由于HWI中的水摄入量高于CON，裸体体重的变化在试验之间没有差异。CON中Hb的变化大于HWI；然而，Hct的变化和血浆体积的变化在CON和HWI干预之间没有差异。

HWI后Tc、Tsk和MBT高于CON后。除心率和VA直径外，未观察到其他脑和心肺反应的交互作用。具体而言，gCBF、ICAQ和VAQ在CON和HWI干预后具有可比性。

吸入高碳酸气体使PetCO2从~40 mmHg增加到~52 mmHg，CON和HWI中PetCO2的变化没有差异。除PetO2外，高碳酸血症对PetO2、心率、MAP和脑血管反应的影响在CON和HWI之间没有差异。

CVR在HWI和CON之间没有差异。ICA CVR在CON（前：13.9±9.2至后：11.3±6.1 mL min^-1 mmHg^-1）或HWI（前：14.6±7.9至后：10.9±5.4 mL min^-1 mmHg^-1）后均未发生变化。此外，未观察到MCA CVR、ICACVC CVR或MCACVC CVR的交互作用或试验主效应。与试验无关，干预后的MCA CVR低于干预前。干预前后ICA CVR的变化在先完成CON试验和后完成HWI试验的参与者之间相似。

4 讨论

本研究确定了HWI对脑血流动力学和后续CVR（脑血管功能指标）的影响。据我们所知，这是首次使用双功超声在单次全身被动HWI后容积评估CVR的研究。主要发现是，与时间匹配的对照相比，HWI并未在HWI期间增加ICAQ或ICASR，60分钟的HWI也未影响后续的CBF或CVR。与CON相比，HWI降低了动脉血压，因此ICACVC增加以维持脑血流。

与假设相反，与CON相比，HWI并未增加ICAQ或剪切率；然而，尽管MAP大幅降低，全身HWI期间CBF得以维持。这些发现与先前在HWI期间观察到的ICAQ升高相反，但支持在热应激期间CBF可以维持的数据。鉴于脑血管对动脉二氧化碳变化的敏感性，本研究中HWI在40和60分钟时间点PetCO2低于CON可能减弱了CBF对HWI的反应。CBF对动脉二氧化碳敏感，因此在热应激期间避免低碳酸血症对于防止CBF降低非常重要。高热诱导的低碳酸血症通常发生在Tc从热中性基线升高超过1°C时，此时髓质和颈动脉体内的温度敏感神经元激活，引发过度换气，增加肺泡气体交换。通过设计，我们的39°C水浸方案旨在避免Tc过度升高，以使高热诱导的低碳酸血症最小化。然而，在Tc从热中性基线升高超过1°C之前，HWI的PetCO2在40和60分钟时已低于CON。在运动期间阻碍蒸发散热似乎会增加对二氧化碳的通气敏感性，因此，在浸水至颈部（几乎完全阻碍蒸发散热）时，高热诱导的低碳酸血症可能比浸水至胸骨切迹更早被激活。这一理论可能有助于解释本研究中PetCO2的降低，而Gibbons等人使用浸水至胸骨切迹的方法在Tc升高1°C时未观察到PetCO2降低。未来研究纳入等碳酸条件将有助于阐明PetCO2对HWI的CBF反应的贡献。

动脉血压通过脑灌注压是CBF的主要调节器，因此，与先前研究相比，本研究中未出现ICAQ增加的另一个可能解释是，我们研究中浸水期间MAP的降低程度更大，相比Gibbons等人和Worley等人。此外，HWI随时间的降压效应是由DBP的降低驱动的，而不是SBP，随着Tc的升高。我们研究中更大的降压效应可能是由于与先前Gibbons等人和Worley等人的研究相比，水浸深度的实验差异。两项先前研究都使用浸水至胸骨切迹；在本研究中，参与者浸水至颈部。更深的水浸将最大化与热水接触的皮肤表面积，从而增加热交换速率。这可能导致全身血管阻力更严重的降低，促进皮肤血流并降低高温下的动脉血压。与这一前提一致的是，HWI期间全身血管阻力的降低比桑拿期间更大，并且更大的水浸深度导致DBP的更大降低。

与假设相反，数据显示HWI对后续脑血管功能没有影响，通过CVR评估。这支持了先前的研究，表明当使用TCD测量MCA评估时，HWI不会急性影响HWI后的脑血管反应性，并提供了使用基于容积的颅外ICA血流测量方法观察到的额外数据。类似地，与CON干预相比，HWI后gCBF、ICAQ和VAQ未发生变化。

对这些结果的一个合理解释是HWI未能在HWI干预期间显著增加ICAQ和ICASR。急性增加层流血流和剪切率的干预措施促进内皮细胞排列，抑制内皮细胞增殖，并改善内皮一氧化氮合酶磷酸化，增加血管活性分子并随后增强血管功能。例如，已证明增加脑剪切率的运动和间歇性缺氧方案以剪切依赖的方式随后增强脑血管功能。此外，外周血管的证据表明，热诱导的血流和剪切率增加是热疗后短期和长期外周血管功能改善的主要刺激因素。

HWI后脑血管功能缺乏变化的另一个促成因素可能与本研究采用的特定脑血管反应性评估方法有关。CVR在机制上不同于其他脑血管评估，即脑剪切介导的扩张（cSMD）。与外周动脉的流量介导的扩张（FMD）类似，cSMD与内皮依赖性扩张途径和剪切介导的NO产生有关；然而，稳态CVR并非内皮依赖性。相反，CVR是脑血管反应性的非选择性评估，因此可能对HWI后NO依赖性的脑血管功能变化不敏感。由于即使在热疗期间剪切率没有升高的情况下，外周内皮依赖性功能（FMD）也可以在HWI后增强，因此即使在HWI期间脑剪切率没有升高，脑内皮依赖性功能（即cSMD）也可能在热疗后得到改善。

观察到MCA CVR的时间主效应，与试验无关，干预后的MCA CVR低于干预前。相反，在ICA中未观察到这种效应。这些差异可能由血管解剖和生理学差异以及在这些血管CVR测量期间用于测量血流速度和血流量的方法不同所解释。实际上，MCA CVR的观察结果可能是由于MAP对CVR反应的相互作用，因为当用MCACVC CVR计算考虑MAP的变化时，MCA CVR的时间效应不明显。整个试验过程中可能发生了血管张力降低，导致高碳酸血症期间MCA直径反应不同，但这些变化无法使用TCD方法检测到。

4.3 应用意义与展望

在HWI期间，SBP、DBP和MAP显著降低，这种降低在浸水时就很明显，并在HWI干预期间变得更加明显。为补偿MAP的大幅降低并在HWI期间维持脑血流，与CON相比，脑自动调节通过补偿性升高ICACVC来减轻动脉低血压的程度。浸水期间血压的大幅降低（17 mmHg）超过了被认为具有临床意义的值（>5 mmHg），并表明HWI可能具有一定的治疗价值，因为高血压是中风的最大风险因素，也是认知障碍和痴呆风险的主要风险因素。此外，我们的研究证据表明，使用比先前研究中通常使用的温度（40–40.5°C）更低、更可耐受的水温（39°C）也可以实现大幅降压。我们的热感觉、舒适度和耐受性发现有助于强调HWI可以很好地被耐受，如果人们要定期进行HWI，并且HWI要成为帮助促进心血管健康益处的有效方法，这一点很重要。仔细比较当前研究和先前研究的方法和结果