《The Journal of Physiology》：Females exhibit greater cardiac volume reductions with expiratory muscle loading during submaximal exercise compared to males
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这项研究探讨了运动中胸腔内压力（ITP）变化对心功能的影响及性别差异。通过设置吸气（增大负压）和呼气（减小负压）负荷，发现运动本身可能掩盖了吸气负荷对心容积的潜在影响；而呼气负荷则造成了前负荷限制，且这种限制在女性中无法被完全代偿，导致其左心室收缩末期容积（LVESV）出现特异性下降，揭示了心肺交互作用的性别二态性。
引言
胸腔内压力（ITP）是胸腔内的压力，作为许多心肺结构（包括右心房、肺血管系统和左心室）的背压。因此，ITP控制着心肺相互作用的关键压力梯度，特别是调节静脉回流和左心室射血的梯度。在呼吸周期中，ITP会发生变化：吸气时ITP变得更负，呼气时ITP负值减小（或变得更正）。运动时，ITP的波动变得更加剧烈，吸气末ITP变得更负，而呼气末ITP更正。
ITP的实验性操纵已被广泛用于分离呼吸力学对心功能的直接影响。已有研究表明，在静息状态下，通过吸气负荷或Mueller动作增加负性ITP的幅度，可增强右心室充盈压和静脉回流。然而，这些右心室充盈的增加并不会转化为更高的左心室每搏输出量（SV），因为升高的左心室跨壁压阻碍了射血，并且与右心室扩张相关的室间隔左移会降低左心室顺应性和充盈。因此，尽管静脉回流增强，左心室舒张末期容积（LVEDV）和SV仍会下降。先前一项在最大强度运动中进行的研究发现，吸气负荷呼吸不会改变SV或心输出量。
在呼气侧操纵ITP则提供了相反的扰动，即ITP升高（相对于吸气）并负值减小或更正。一项在静息和运动中进行的研究表明，呼气负荷会降低SV和心输出量。这些下降主要归因于静脉回流压力梯度的减小，导致LVEDV降低，进而通过系列心室相互作用导致SV和心输出量下降。
尽管对ITP改变的血流动力学后果进行了广泛研究，但人们对其心效应是否存在性别差异知之甚少。从心脏角度来看，即使按体表面积和去脂体重进行标化，女性的心脏尺寸和容积也比男性小。这些解剖学差异导致女性的心输出量更小，射血分数（EF）更大。从肺部角度来看，即使在匹配身高和肺体积的情况下，女性的肺和气道也比男性小。因此，在运动过程中，一旦通气量超过约50 L·min-1，女性会经历更高的气道阻力和更大的呼吸功（Wb）。这些特征可能导致女性ITP波动更大，可能使其更依赖呼吸驱动的压力梯度来辅助静脉回流。如果是这样，气道力学和呼吸肌工作的性别差异可能转化为操纵ITP时不同的心脏反应。
因此，本研究试图确定亚极量运动中，吸气（更负）和呼气（更正）ITP操纵的心反应在男性和女性之间是否存在差异。研究假设：（i）在吸气负荷期间，女性将比男性表现出更大的LVEDV增加；（ii）在呼气负荷期间，女性将表现出比男性更大的LVEDV和SV下降，反映了心脏充盈对呼吸压力变化的高度敏感性。
方法
伦理批准
实验程序获得了滑铁卢大学临床研究伦理委员会和汉诺威莱布尼茨大学中央伦理委员会的批准。研究方法遵守了《赫尔辛基宣言》关于使用人类参与者的建议。所有参与者均提供了书面知情同意书。
参与者
共有30名参与者（n=15名女性）完成了方案1，另外30名参与者（n=15名女性）完成了方案2。参与者均为年轻（<40岁）健康成年人，完成了两个不同的方案。人口统计学和基线心肺数据见表1。参与者被排除在外的条件是患有任何已知会影响其运动反应的呼吸、心血管或其他疾病。所有参与者每周进行>30分钟中等强度体力活动三次以上。女性若怀孕或哺乳则被排除，并且在整个月经周期内随机进行测试。使用口服避孕药不是排除标准。
实验概述
本手稿结合了两个数据集（方案1和2），以全面描述运动中心肺相互作用的性别差异。两个方案均涉及两次测试，每次在不同日期进行，间隔>48小时。十三名参与者完成了两个方案的所有部分，间隔>5个月；所有其他参与者仅完成其中一个方案（图1）。两个方案的第一天都进行相同的程序，以确定资格、最大摄氧量（V?O2max）并熟悉超声心动图。方案1的第二天包括四次运动试验，分别进行吸气负荷或自主呼吸。方案2的第二天涉及四次运动试验，分别进行呼气负荷或自主呼吸。方案1和2的实验测试是独立的，发生在不同日期。对于两个方案，运动均在绝对强度和相对强度下进行，以便更好地进行性别比较。绝对运动强度允许在相似代谢需求下比较男性和女性，考虑总体型差异。相对运动强度允许在匹配的相对代谢需求下比较男性和女性，从而最小化体型影响。在这两种强度下呈现性别比较为区分性别相关差异与体型相关差异提供了一个框架。
峰值运动（第1天）
参与者被插上食管（方案1和2）和胃（方案2）球囊导管，在半卧位自行车测力计上以左侧卧位完成最大递增运动测试至力竭，以确定最大工作率和食管压力变化。所有参与者在最大运动测试前进行3分钟热身，男性从60 W开始，女性从20 W开始，强度每分钟增加20 W。当参与者尽管得到口头鼓励也无法维持60 rpm的踏频时，终止最大运动测试。收集心脏代谢和呼吸变量。
肺功能
根据美国胸科学会标准，使用校准的全身体积描记仪对所有参与者进行肺功能测量。肺活量测定用于确定用力肺活量（FVC）、第1秒用力呼气量（FEV1）、FEV1/FVC比值以及25-75%用力呼气流量。所有测量值均与参考值进行比较以确定肺功能正常。
方案1：实验性运动试验（第2天）
到达后，参与者被置于半卧位自行车测力计上并取左侧卧位，休息15分钟，在此期间超声检查员进行基线心脏图像采集。成像后，参与者返回椅子上放置食管球囊导管。随后，参与者完成四次独立的运动试验，两次在绝对强度（75 W），两次在相对强度（30%峰值功率输出（Wmax））。运动试验的顺序是随机、平衡的，并按性别分层。每个运动强度有一次试验增加吸气压力，另一次作为对照。所有运动试验都是连续的，持续约10-12分钟。实验性试验按以下顺序进行：首先，3-4分钟自主呼吸，随后3-4分钟吸气负荷（标记为“INS LOAD”），接着另3-4分钟自主呼吸（标记为“SPON”）。每个运动强度的对照试验相同，只是不包括“INS LOAD”条件，而是参与者在整个测试期间持续骑行10-12分钟并保持自主呼吸。运动试验之间休息约15分钟，或直到心率恢复到基线静息值的±10次·min-1以内。所有试验均以60-70 rpm的标准化踏频完成，以最小化运动伪影并确保高质量心脏图像采集。在每次条件（INS LOAD和SPON）下，一旦参与者达到稳态心率和通气量，即采集超声心动图图像。尽管参与者在负荷前处于稳态，但通气和心率通常在INS LOAD条件下上升，并在负荷后稳定在与INS LOAD相似的水平。因此，INS LOAD与负荷后进行比较，因为这些阶段在ITP模式不同的同时表现出相似的心肺稳定性。因此，在负荷后收集SPON数据以匹配不同阶段的生理条件并最小化变异性。为了标准化超声心动图评估采集，超声检查员在每次试验中执行相似的成像序列。
方案2：实验性运动试验（第2天）
参与者被置于自行车测力计上的左侧半卧位，安静休息约15分钟，期间采集基线心脏图像。成像后，放置食管和胃球囊导管。然后参与者完成四次运动：两次在绝对强度（100 W），两次在相对强度（60% Wmax）。试验顺序随机、平衡并按性别分层。在每个强度内，一次进行呼气负荷，另一次作为对照条件。呼气负荷试验包括3-4分钟自主呼吸，3-4分钟呼气压力负荷（标记为“EXP LOAD”）和3-4分钟自主呼吸（标记为“SPON”）。对照试验在整个10-12分钟运动期间均采用自主呼吸。参与者运动之间休息约15分钟，或直到心率恢复到运动前值的±10次·min-1以内。骑行踏频保持在60-70 rpm。在达到稳态心率和通气量后，获取两种条件（EXP LOAD和SPON）的心脏图像。与方案1类似，通气量和心率在负荷期间增加，并在随后的SPON阶段稳定在相似水平；因此，在负荷后收集SPON数据以确保可比生理条件。因此，EXP LOAD与负荷后进行比较，因为这些阶段表现出相似的心肺稳定性但ITP模式不同。超声检查员遵循与方案1相同的标准化成像序列。
呼吸压力操纵
图2显示了在75 W和100 W运动时每个阶段的原始食管压力曲线，来自一名完成了方案1和2的男性参与者和一名女性参与者。为了增加吸气和呼气功，将定制的呼吸阻力器放置在呼吸回路吸气侧（方案1）或呼气侧（方案2）。这些阻力器通过减小孔口半径来增加阻力性呼吸功（Wb）。呼吸阻力器的阻力范围为6至14 cmH2O·L-1·s-1，足以在亚极量流量下将ITP和Wb增加至对照水平的50-65%，这一水平先前已被证明可引起心容积变化。呼吸负荷水平根据运动强度进行缩放：对于绝对强度（75和100 W），在每位参与者测量的食管压力波动基础上额外增加+20 cmH2O（例如，如果在75 W时食管压力波动为20 cmH2O，则额外增加+20 cmH2O，总数为40 cmH2O）。对于相对运动强度（30%和60% Wmax），呼吸负荷水平对应于该工作负荷下每位参与者食管压力波动的+50%（例如，如果参与者的食管压力波动为20 cmH2O，则额外增加+10 cmH2O，总数为30 cmH2O）。食管压力波动在第1天最大运动测试期间确定，这些值用于计算每位参与者在第2天的个体负荷条件。在第2天负荷前SPON期间验证食管压力波动，以确保在负荷条件期间添加了正确的阻力器。
方案1和2运动强度选择
方案1（吸气负荷）和方案2（呼气负荷）在不同的绝对和相对运动强度下进行，以确保所施加的呼吸负荷（在负荷条件下）具有可比性。在较低的工作负荷下，吸气是主动的，而呼气大多是被动的；因此，呼气负荷试验需要更高的运动强度以引发足够的通气量和主动募集呼气肌。在运动试验期间施加了两种不同的负荷条件（绝对：+20 cmH2O；相对：食管压力波动增量的+50%）。为了确保标准化的相对（+50%）呼吸肌挑战，我们将呼气负荷的运动强度提高到60% Wmax和100 W。另一个考虑因素是，吸气和呼气负荷都需要在相关呼吸肌已经活跃的运动强度下施加。这确保了吸气和呼气负荷产生可比的ITP变化，并避免在低工作负荷下人为启动呼气肌募集。因此，由于我们的食管压力波动增量在方案之间相似，这种方法确保了即使运动强度不同，施加的绝对负荷在方案之间也相似。如果两个方案都在相同强度（例如30% Wmax）下进行，吸气负荷试验将反映主动的呼吸肌募集，而呼气负荷试验则不会。因此，将导致食管压力波动不匹配，以及方案之间总体呼吸负荷不相似。通过在较低运动强度下进行吸气负荷和在较高运动强度下进行呼气负荷，我们能够在食管压力波动变化方面获得可比的结果，并确保尽管运动强度存在差异，但施加的呼吸肌负荷（在负荷条件下）在方案之间是等效的。
经胸超声心动图
在静息和运动期间采集超声测量值，并保存用于使用商业软件的离线分析。在呼气期间（根据叠加的呼吸曲线确定）获取五个连续心动周期的超声心动图图像，以减少整个呼吸周期心输出量的生理变异。虽然这种方法最大限度地减少了逐搏变异性并提高了测量的可重复性，但它排除了吸气期间可能发生的潜在差异。因此，可能未捕捉到微妙的吸气相效应；然而，专注于呼气是标准化心脏测量和最小化与呼吸力学相关的混杂变异的成熟方法。心脏图像被视为不可分析的条件是图像质量不允许在整个心动周期可靠地描绘左心室心内膜边界。当心脏未完全在成像窗口内、当肺部伪影模糊了左心室游离壁或室间隔、或当图像模糊妨碍清晰识别舒张末期和收缩末期时，图像被排除。纳入心脏图像需要连续可视化整个左心室在舒张末期和收缩末期的情况。在静息心脏扫描期间，训练有素的超声检查员确定图像采集的最佳窗口，并在每位参与者身上用持久性墨水标记每个窗口。在每个运动阶段，对换能器位置进行微调（从先前标记的位置）以确保最佳的换能器角度和图像质量。在胸骨旁长轴切面评估静息时的左心室内径。在心尖四腔切面进行脉冲多普勒记录，采样容积位于二尖瓣瓣尖，并分析左心室流入早期（E）波和心房（A）波。通过测量心尖五腔切面获得的左心室流出道内的多普勒速度和从胸骨旁长轴切面测量的左心室流出道直径，使用速度-时间积分法确定逐搏SV。在静息和运动期间，在二尖瓣和乳头肌水平的心尖二腔切面、四腔切面和短轴切面采集图像。图3展示了一名女性参与者和一名男性参与者在60% Wmax强度运动时的代表性心尖四腔和两腔图像。在所有测量过程中，参与者保持相同的体位，背部平靠在自行车测力计上，取左侧卧位，左臂抬起并置于头顶上方。由于这种体位，运动表现可能减弱；然而，这不是本研究的重点，因为我们在保持参与者舒适的同时优先考虑了图像质量。使用辛普森双平面法在心脏的2D心尖四腔和两腔切面计算左心室容积，包括SV、LVEDV和左心室收缩末期容积（LVESV）。左心室SV和心率（来自超声）相乘以确定心输出量。为了考虑人体测量学和心脏尺寸的性别差异，左心室尺寸和容积分别按体表面积（BSA0.5和BSA1.5）进行异速生长标化。使用Du Bois和Du Bois公式确定体表面积。
呼吸流量、压力和容量
使用定制的代谢推车收集通气变量。参与者通过定制的非重复呼吸阀呼吸。通过位于呼吸回路两端的两个独立校准的呼吸速度描记器连续测量吸气和呼气流量。呼气呼吸速度描记器加热至37°C，吸气呼吸速度描记器保持室温。对吸气呼吸速度描记器测量的流量进行数值积分以确定容积，从而可以确定潮气量和呼吸频率，其乘积为吸气通气量。使用Haldane变换根据吸气通气量计算呼气通气量。通气和潮气量以体温、压力、饱和状态表示。通过连接至校准差压传感器的咬嘴端口测量口压。食管和胃球囊导管远端分别连接至独立的差压传感器。从混合室采样混合呼出氧气和二氧化碳，采样管连接到校准的氧气和二氧化碳分析仪，气体采样流量设置为约175 mL·min-1。通过使用吸气通气量和呼气通气量计算吸入和呼出氧气之差来确定摄氧量（V?O2）。V?O2和二氧化碳排出量（V?CO2）以标准压力、温度、干燥状态表示。在14名参与者中，使用市售代谢推车测量V?O2和V?CO2。
食管和胃压力
在方案1中，参与者被插上食管球囊导管；在方案2中，参与者被插上食管和胃球囊导管。在将球囊导管通过鼻子之前，对参与者的鼻孔和鼻甲应用局部麻醉剂。一个球囊置于食管下三分之一处，另一个球囊置于胃内（胃压）。当导管对大气开放时，要求参与者进行短暂的Valsalva动作以排空球囊，然后使用玻璃注射器将1 mL（食管球囊）或2 mL（胃球囊）空气注入球囊。使用动态阻塞测试评估每个球囊位置的有效性，ΔPeso:ΔPm（食管压力变化与口腔压力变化之比）阈值在0.87至1.13之间以确认有效的球囊放置，然后将其固定到位。
心率和血压
在整个实验期间使用两个独立的三导联心电图测量心率。通过光电体积描记法获取动脉血压。使用放置在参与者右上臂的自动示波血压计获取静息血压测量值。手臂静息时测量的血压用于校准运动期间手指的绝对逐搏血压值。在运动期间，将血压袖带放置在参与者右手中指上，以收集整个运动方案期间（第2天）的逐搏血压。生理校准系统在运动数据收集期间开启。测试前，使用手指袖带指南确定正确的袖带尺寸。使用高度校正单元来补偿手指高度的变化，并在使用前进行校准。
数据收集和分析
原始数据以200 Hz的频率记录在16通道模数数据采集系统中。所有呼吸变量均使用开放回路肺活量测定法连续测量。使用食管压力通过压力-容积环积分确定机械呼吸功（Wb）。使用食管压力-时间乘积计算吸气功，使用胃压力-时间乘积计算呼气功。通过计算每次呼吸期间食管压力峰值与最低值之间的差值来确定食管压力波动。在超声心动图测量心输出量的同时，对呼吸功、呼吸、心率和血压进行30-45秒时段的分析。
统计分析
所有统计分析均在RStudio中进行。使用双因素混合因子方差分析对心血管、通气、代谢、呼吸压力、标化至BSA的左心室容积以及对照试验数据进行分析，其中性别（男性、女性；组间因素）和条件（负荷与对照/SPON呼吸；组内因素）在每个运动强度下进行。使用Shapiro-Wilk检验评估残差的正态性，使用Levene检验评估方差齐性。当检测到显著的性别×条件交互作用时，使用估计边际均值进行事后成对比较。这些包括：（i）各性别内的条件比较（男性与女性分别比较SPON与LOAD）；（ii）各条件内的性别比较（男性与女性在自主呼吸和负荷呼吸期间）。所有事后检验均使用Holm-Bonferroni校正进行多重比较。使用重复测量单因素方差分析（使用Greenhouse Geisser校正）分析SV的逐搏变化，然后进行Bonferroni校正的多重比较。
生成了图8和图9以评估平均食管压力与心脏变量之间的关系。这些图表是通过合并方案1和2的绝对运动强度数据以及方案1和2的相对运动强度数据制成的。使用线性混合效应模型进行分析。在这些模型中，平均食管压力被视为连续预测变量，心脏变量作为因变量，性别作为固定因子以评估压力-心脏关系的斜率是否在性别间存在差异。参与者作为随机因子纳入，具有随机截距，以解释个体内的重复测量。从这些模型中，估计了每个性别的简单斜率，以确定平均食管压力与每个心脏变量之间的关系是否显著不同于零。交互项用于检验斜率在男性和女性之间是否存在显著差异。
图10是通过将完成两个方案的参与者的绝对和相对运动强度数据合并到一个图表中生成的，以主观检查在13名完成两个方案的参与者中，心容积随平均食管压力连续体变化的情况。因此，每个图表包含每位参与者的六个数据点，两个用于方案1，两个用于方案2，两个用于SPON。未对此数据集进行统计分析。
使用线性混合效应模型分析表1和表2（人口统计学和峰值运动值），以解释完成两个方案的参与者的重复测量。性别和方案被视为固定因子，参与者作为随机因子纳入。使用Satterthwaite近似法的III型方差分析用于检验主效应和交互效应。对于所有统计检验，先验I类错误率设为α=0.05。数据报告为平均值±标准差。
结果
参与者
人口统计学和基线数据见表1，峰值运动反应见表2。相对于参考值，所有参与者均具有正常的心血管和肺功能。正如预期，在几个人体测量学、心脏和肺结局上存在性别主效应，男性通常体型更大，心容积和通气能力高于女性。当左心室容积按BSA1.5标化后，性别主效应不再存在。未观察到方案主效应或方案×性别交互作用，表明参与者的人口统计学特征在方案之间没有差异。类似地，在峰值运动期间，男性的V?O2、V?CO2、通气量、潮气量和工作率均高于女性。与人口统计学数据相似，未观察到方案主效应或方案×性别交互作用。左侧卧位半卧位骑行可能引起低于直立骑行的最大V?O2，因此报告的值呈现为V?O2峰值。尽管如此，所有参与者在第1天测试期间均达到最大努力，表现为呼吸交换率（RER）高于1.10。表3显示了方案1和2每次负荷运动试验的所有呼吸、心血管和代谢数据。
吸气负荷与自主呼吸期间的食管压力、呼吸功和通气
在75 W和30% Wmax两种强度下，吸气负荷均显著增加了食管压力波动幅度，相对于自主呼吸（75 W：+24.2 ± 10.2 cmH2O；30% Wmax：+14.3 ± 8.6 cmH2O）。这导致两种强度下的平均食管压力显著降低（更负）。总呼吸功在两种强度下均显著增加。自
