Ventricular repolarization in apparently healthy young men under short-term normobaric isocapnic and hypercapnic hypoxic exposure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: The effects of hypoxic exposure on the human cardiorespiratory system have been extensively studied. Combined hypoxic and hypercapnic exposure has been shown to reduce the severity of adverse outcomes associated with oxygen deficiency across all functional systems, while also improving subjective tolerance to acute hypoxia.

AIM: To assess cardiac electrical activity during the ventricular repolarization phase under exogenous normobaric hypoxic exposure with different inspired carbon dioxide levels in apparently healthy, untrained individuals.

METHODS: A prospective, single-center, experimental study was conducted. The study included apparently healthy, untrained young men. Exclusion criteria: chronic pulmonary or cardiovascular diseases and recent acute respiratory viral infections. Participants were randomly assigned to one of two groups based on the type of exposure: exogenous isocapnic hypoxia (Group 1) or exogenous hypercapnic hypoxia (Group 2). Isocapnic and hypercapnic hypoxia were simulated by breathing through a facial mask for 15 minutes. The cardiac electric field was used to assess the amplitude and temporal characteristics of positive and negative extrema during the ventricular repolarization phase based on lead II electrocardiogram findings. The duration of QT, J–Tpeak, and Tpeak–Tend intervals with Bazett's correction was measured.

RESULTS: Isocapnic hypoxia was found to cause more pronounced changes in SpO2 and heart rate compared to hypercapnic hypoxia. At comparable SpO2 levels, analysis of the temporal characteristics of ventricular repolarization demonstrated that the hypercapnic component of the hypoxic gas mixture reduced changes in the duration of nearly all examined electrocardiogram intervals.

CONCLUSION: The study of ventricular repolarization under hypoxic exposure with various CO2 levels found that isocapnic hypoxia had a more pronounced stress effect on cardiac electrical activity than hypercapnic hypoxia in apparently healthy young men.

About the authors

Elena V. Zamenina

Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: e.mateva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3438-6365
SPIN-code: 2894-6435
Russian Federation, Syktyvkar

Natalya I. Ivonina

Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: bdr13@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5802-3753
SPIN-code: 8667-3261

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Syktyvkar

Andrei A. Fokin

Pitirim Sorokin Syktyvkar State University

Email: fokin90@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-2038-2515
SPIN-code: 1060-3535
Russian Federation, Syktyvkar

Irina M. Roshchevskaya

Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: compcard@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6108-1444
SPIN-code: 5424-2991

Dr. Sci. (Biology), Professor, Сorresponding Member of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Syktyvkar

References

  1. Hitrov NK, Paukov VS. Adaptation of the heart to hypoxia. Мoscow: Medicina; 1991. (In Russ.) ISBN: 5-225-00653-1 Available from: https://search.rsl.ru/ru/record/01001616365?ysclid=mbndc51z3x816503700
  2. Sapova NI, Ivanova AO. Gipoksiterapnya. Saint Petersburg: LLC “Medkniga"ELBI”; 2003. ISBN: 5-93979-074-7 EDN: XSXSZH
  3. Lukjanova LD, Ushakov IB. Problems of hypoxia: molecular, physiological and medical aspects. Мoscow: Istoki; 2004. (In Russ.) ISBN: 5-88242-282-5 EDN: QLGART
  4. Tessema B, Sack U, König B, et al. Effects of intermittent hypoxia in training regimes and in obstructive sleep apnea on aging biomarkers and age-related diseases: a systematic review. Frontiers in Aging Neuroscience. 2022;14: 878278. doi: 10.3389/fnagi.2022.878278 EDN: BYSJPV
  5. Kulikov VP, Tregub PP, Bespalov AG, Vvedenskiy AJ. Comparative efficacy of hypoxia, hypercapnia and hypercapnic hypoxia increases body resistance to acute hypoxia in rats. Patologičeskaâ fiziologiâ i èksperimentalʹnaâ terapiâ. 2013;57(3):59–61. EDN: QCTYTS
  6. Shimoda LA, Polak J. Hypoxia. 4. Hypoxia and ion channel function. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 2011;300(5):C951–C967. doi: 10.1152/ajpcell.00512.2010 EDN: OMQTQH
  7. Taccardi B, Punske B, Lux R, et al. Useful Lessons from Body Surface Mapping. Journal of Cardiovascular Electrophysiology. 1998;9(7):773–786. doi: 10.1111/j.1540-8167.1998.tb00965.x
  8. Kania M, Maniewski R, Zaczek R, et al. Optimal ECG lead system for exercise assessment of ischemic heart disease. Journal of Cardiovascular Translational Research. 2019;13(5):758–768. doi: 10.1007/s12265-019-09949-3 EDN: PSVYYA
  9. Bergquist J, Rupp L, Zenger B, et al. Body surface potential mapping: contemporary applications and future perspectives. Hearts. 2021;2(4):514–542. doi: 10.3390/hearts2040040 EDN: UDSUWR
  10. Medvegy M, Duray G, Pintér A, Préda I. body surface potential mapping: historical background, present possibilities, diagnostic challenges. Annals of Noninvasive Electrocardiology. 2002;7(2):139–151. doi: 10.1111/j.1542-474X.2002.tb00155.x EDN: YJIIEA
  11. Roshchevskaya IM. Cardioelectric field of warm blooded animals and humans. Saint Petersburg: Nauka; 2008. ISBN: 978-5-02-026284-3 EDN: RLSJCR
  12. de Ambroggi L, Corlan AD. Body surface potential mapping. In: Macfarlane PW, van Oosterom A, Pahlm O, et al., editors. Comprehensive Electrocardiology. London: Springer; 2010. P. 1375–1413. doi: 10.1007/978-1-84882-046-3_32
  13. Strelnikova SV, Panteleeva NI, Roshchevskaya IM. Spatiotemporal characteristics of the heart electrical field in the period of ventricular depolarization in athletes training endurance and strength. Human Physiology. 2014;40(5): 548–553. doi: 10.1134/S0362119714040148 EDN: UFVJBX
  14. Panteleeva NI, Roshchevskaya IM. Ventricular repolarization of the heart of cross-country skiers at different stages of the annual training cycle. Human Physiology. 2018;44(5):549–555. doi: 10.1134/S0362119718050134 EDN: OMKSHO
  15. Ivonina NI, Roshchevskaya IM. Electric field of the heart on the thorax surface in highly trained athletes during initial ventricular activity. Russian Journal of Physiology. 2023;109(9):1233–1246. doi: 10.31857/S0869813923090054 EDN: ORUDUO
  16. Hainsworth R, Drinkhill MJ, Rivera-Chira M. The autonomic nervous system at high altitude. Clinical Autonomic Research. 2007;17(1):13–19. doi: 10.1007/s10286-006-0395-7 EDN: XZWHVB
  17. Honda Y. Respiratory and circulatory activities in carotid body-resected humans. Journal of Applied Physiology. 1992;73(1):1–8. doi: 10.1152/jappl.1992.73.1.1
  18. Brown S, Barnes MJ, Mündel T. Effects of hypoxia and hypercapnia on human HRV and respiratory sinus arrhythmia. Acta Physiologica Hungarica. 2014;101(3):263–272. doi: 10.1556/APhysiol.101.2014.3.1
  19. Kovalchuk SI, Kovganko AA, Dudchenko LS, et al. Influence hypoxic-hypercapnic training. Medicina Kyrgyzstana. 2015;(5):40–45. EDN: XIFBQB
  20. Hool LC. Differential regulation of the slow and rapid components of guinea-pig cardiac delayed rectifier K+ channels by hypoxia. The Journal of Physiology. 2004;554(3):743–754. doi: 10.1113/jphysiol.2003.055442
  21. Coustet B, Lhuissier FJ, Vincent R, Richalet JP. Electrocardiographic Changes During Exercise in Acute Hypoxia and Susceptibility to Severe High-Altitude Illnesses. Circulation. 2015;131(9):786–794. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.114.013144
  22. Zamenina EV, Panteleeva NI, Roshchevskaya IM. The heart electric field of man during ventricular repolarization under hypoxic influence. Russian Journal of Physiology. 2017;103(11):1330–1338. EDN: ZRRRDZ
  23. Zamenina EV, Panteleeva NI, Roshchevskaya IM. Heart electrical activity during ventricular repolarization in subjects with different resistances to hypoxia. Human Physiology. 2019;45(6):634–641. doi: 10.1134/S0362119719050207 EDN: MMPZWP
  24. Castro-Torres Y. Tp-e interval and Tp-e/QTc ratio: new choices for risk stratification of arrhythmic events in patients with hypertrophic cardiomyopathy. The Anatolian Journal of Cardiology. 2017;17(6):493–493. doi: 10.14744/AnatolJCardiol.2017.7865
  25. Tse G, Yan BP. Traditional and novel electrocardiographic conduction and repolarization markers of sudden cardiac death. EP Europace. 2016;19(5):712–721. doi: 10.1093/europace/euw280
  26. Clemente D, Pereira T, Ribeiro S. Repolarização ventricular em pacientes diabéticos: caracterização e implicações clínicas. Arquivos Brasileiros de Cardiologia. 2012;99(5):1015–1022. doi: 10.1590/S0066-782X2012005000095
  27. Akhundov R, Akhundova Kh. Energetical mechanisms of oxidative stress, endogenic and exogenic hypoxia. Biomedicine. 2009;(3):3–9.
  28. Ivonina NI, Fokin AA, Roshchevskaya IM. Body surface potential mapping during heart ventricular repolarization in male swimmers and untrained persons under hypoxic and hypercapnic hypoxia. High Altitude Medicine & Biology. 2021;22(3):308–316. doi: 10.1089/ham.2020.0103 EDN: LICCWR
  29. Panteleeva NI, Roshchevskaya IM. The heart electric field on the thorax surface of sportsmen-swimmers during ventricular repolarization under acute normobaric hypoxia. Russian Journal of Physiology. 2016;102(11):1383–1393. EDN: XYGYMZ

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Electrodes' positions diagram on the surface of the human chest (a) and equipotential map of cardioelectric potential distribution on the chest surface during the ventricular repolarization phase (b): areas of positive potentials are shaded; the “+” and “−” symbols indicate the locations of the positive and negative extrema, respectively; the time (ms) relative to the peak of the R wave in standard lead II is indicated below the map; the maximum amplitude of the positive (max) and negative (min) cardiopotentials is shown in millivolts (mV). The left side of the map corresponds to the anterior (ventral), and the right side to the posterior (dorsal) chest surface. c, standard lead II electrocardiogram with time marker (vertical line).

Download (62KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Blood oxygen saturation (a) and heart rate (b) during different types of hypoxic exposure relative to baseline in study participants: *, significant difference compared to baseline (p < 0.05); #, significant difference between groups (p < 0.05); ICH, isocapnic hypoxia; HCH, hypercapnic hypoxia.

Download (210KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temporal characteristics during different types of hypoxic exposure in study participants: *, significant difference compared to baseline under isocapnic hypoxic exposure (p < 0.05); #, significant difference compared to baseline under hypercapnic hypoxic exposure (p < 0.05); ICH, isocapnic hypoxia; HCH, hypercapnic hypoxia; J–Tpeak, interval from the J point to the peak of the T wave; Tpeak–Tend, interval from the peak to the end of the T wave.

Download (243KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Corrected time to maximum amplitude extrema of electric potential during the ventricular repolarization phase under different forms of hypoxic exposure: *, significant change compared to baseline (p < 0.05); ICH, isocapnic hypoxia; HCH, hypercapnic hypoxia; Tmax, time to the positive extremum; Tmin, time to the negative extremum.

Download (211KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».