abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC São Paulo, SP, Brazil 7THxLV7FzKDBCmbwNzFxgYf 00011 S0066-782X2011000200011 S0066-782X(11)09600211 10.1590/S0066-782X2011005000013 Artigos Originais Efeitos agudos do tabagismo sobre a modulação autonômica: análise por meio do plot de poincaré Manzano Beatriz Martins Vanderlei Luiz Carlos Marques Ramos Ercy Mara Ramos Dionei Presidente Prudente São Paulo Universidade Estadual Paulista Faculdade de Ciências e Tecnologia Brazil 02 2011 96 2 154 160 11 01 2010 23 05 2010 06 08 2010 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

FUNDAMENTO: O tabagismo altera a função autonômica. OBJETIVO: Investigar os efeitos agudos do tabagismo sobre a modulação autonômica e a recuperação dos índices de variabilidade de frequência cardíaca (VFC) pós-fumo, por meio do plot de Poincaré e índices lineares. MÉTODOS: Foram avaliados 25 fumantes jovens, os quais tiveram a frequência cardíaca analisada, batimento a batimento, na posição sentada, após 8 horas de abstinência, por 30 minutos em repouso, 20 minutos durante o fumo e 30 minutos pós-fumo. Análise de variância para medidas repetidas, seguido do teste de Tukey, ou teste de Friedman seguido do teste de Dunn foram aplicados dependendo da normalidade dos dados, com p < 0,05. RESULTADOS: Durante o fumo, houve redução dos índices SD1 (23,4 ± 9,2 vs 13,8 ± 4,8), razão SD1/SD2 (0,31 ± 0,08 vs 0,2 ± 0,04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19,1 ± 6,8), SDNN (47,6 ± 14,8 vs 35,5 ± 8,4), HFnu (32,5 ± 11,6 vs 19 ± 8,1) e do intervalo RR (816,8 ± 89 vs 696,5 ± 76,3) em relação ao repouso, enquanto que aumentos do índice LFnu (67,5 ± 11,6 vs 81 ± 8,1) e da razão LF/HF (2,6 ± 1,7 vs 5,4 ± 3,1) foram observados. A análise visual do plot mostrou menor dispersão dos intervalos RR durante o fumo. Com exceção da razão SD1/SD2, os demais índices apresentaram recuperação dos valores, 30 minutos após o tabagismo. CONCLUSÃO: O tabagismo produziu agudamente modificações no controle autonômico, caracterizadas por ativação simpática e retirada vagal, com recuperação 30 minutos após o fumo.

 Tabagismo sistema nervoso autônomo frequência cardíaca dinâmica não linear 28 01 2011

Efeitos agudos do tabagismo sobre a modulação autonômica: análise por meio do plot de poincaré

Beatriz Martins Manzano; Luiz Carlos Marques Vanderlei; Ercy Mara Ramos; Dionei Ramos

Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT - UNESP - Presidente Prudente, São Paulo, SP - Brasil

Correspondência

RESUMO

FUNDAMENTO: O tabagismo altera a função autonômica.

OBJETIVO: Investigar os efeitos agudos do tabagismo sobre a modulação autonômica e a recuperação dos índices de variabilidade de frequência cardíaca (VFC) pós-fumo, por meio do plot de Poincaré e índices lineares.

MÉTODOS: Foram avaliados 25 fumantes jovens, os quais tiveram a frequência cardíaca analisada, batimento a batimento, na posição sentada, após 8 horas de abstinência, por 30 minutos em repouso, 20 minutos durante o fumo e 30 minutos pós-fumo. Análise de variância para medidas repetidas, seguido do teste de Tukey, ou teste de Friedman seguido do teste de Dunn foram aplicados dependendo da normalidade dos dados, com p < 0,05.

RESULTADOS: Durante o fumo, houve redução dos índices SD1 (23,4 ± 9,2 vs 13,8 ± 4,8), razão SD1/SD2 (0,31 ± 0,08 vs 0,2 ± 0,04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19,1 ± 6,8), SDNN (47,6 ± 14,8 vs 35,5 ± 8,4), HFnu (32,5 ± 11,6 vs 19 ± 8,1) e do intervalo RR (816,8 ± 89 vs 696,5 ± 76,3) em relação ao repouso, enquanto que aumentos do índice LFnu (67,5 ± 11,6 vs 81 ± 8,1) e da razão LF/HF (2,6 ± 1,7 vs 5,4 ± 3,1) foram observados. A análise visual do plot mostrou menor dispersão dos intervalos RR durante o fumo. Com exceção da razão SD1/SD2, os demais índices apresentaram recuperação dos valores, 30 minutos após o tabagismo.

CONCLUSÃO: O tabagismo produziu agudamente modificações no controle autonômico, caracterizadas por ativação simpática e retirada vagal, com recuperação 30 minutos após o fumo.

Palavras-chave: Tabagismo, sistema nervoso autônomo/efeitos de drogas, frequência cardíaca, dinâmica não linear.

Introdução

Os efeitos crônicos do fumo sobre a variabilidade da frequência cardíaca (VFC), uma medida não invasiva dos impulsos autonômicos que indica a habilidade do coração em responder aos múltiplos estímulos fisiológicos e ambientais, bem como compensar desordens induzidas por doenças1-3, estão bem estabelecidos na literatura que aponta para sua redução em fumantes4,5. Tal condição está associada à elevação do risco de mortalidade e susceptibilidade para arritmias com risco de vida6-8 e para, neste sentido, estudar condições que favorecem a redução da VFC é fundamental.

Agudamente, sabe-se que o fumo de cigarro resulta em aumento da pressão arterial, frequência cardíaca (FC), resistência vascular, descarga simpática e diminuição da atividade barorreflexa6,9,10, o que pode alterar os índices de VFC. Entretanto, após busca na literatura técnica pertinente para elaboração desta pesquisa, os efeitos agudos do fumo de cigarro sobre índices de VFC, principalmente o período imediatamente após o ato de fumar, não têm sido exaustivamente estudados e os trabalhos que abordam o tema11,12 fazem-no por meio de índices lineares.

Para avaliação da VFC, métodos lineares, analisados tanto no domínio do tempo (DT) quanto no domínio da frequência (DF), e não lineares podem ser utilizados2,13. A análise linear é amplamente utilizada para estudo do controle autonômico em diversas condições, inclusive o tabagismo, no entanto, recentemente, os métodos não lineares têm despertado grande interesse, uma vez que descrevem as flutuações complexas do ritmo e conseguem separar, nas séries temporais de batimentos cardíacos, estruturas de comportamento não linear mais adequadamente do que os métodos lineares14. Isso tem mostrado uma nova visão sobre as anormalidades do comportamento da FC em várias condições, fornecendo informações prognósticas adicionais quando comparada com os métodos tradicionais15,16.

Um dos métodos considerado por alguns autores como baseado na dinâmica não linear é o plot de Poincaré17,18, uma técnica quantitativa-visual, na qual cada intervalo RR é correlacionado com o intervalo antecedente e define um ponto no plot19, sendo considerada uma das mais importantes técnicas utilizadas para representar visualmente a VFC e de grande importância por sua capacidade de evidenciar aspectos não lineares em uma sequência de dados20.

Assim, com intuito de acrescentar à literatura elementos relacionados ao tema exposto, pretende-se, com este estudo, avaliar os efeitos agudos do tabagismo sobre o controle autonômico cardíaco e a recuperação dos índices de VFC pós-fumo, por meio do plot de Poincaré, juntamente com índices de VFC no DT e DF.

Métodos

Para a realização deste estudo, foram analisados dados de 25 voluntários jovens (16 homens e 9 mulheres), selecionados dentre os participantes do Programa de Cessação do Tabagismo da Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT/UNESP. Os voluntários apresentaram como características idade média de 22,9 ± 3,2 anos, IMC de 23,7 ± 4,1 kg/m2, consumo de 10 cigarros/dia (mediana), tempo de tabagismo médio de 5,7 ± 4 anos, teste de Fargerström predominante (52,0%) de zero a dois pontos, o que corresponde a grau de dependência muito baixo e níveis de monóxido de carbono (CO) expirado de 4,9 ± 2,4 ppm.

Não foram incluídos no estudo indivíduos que apresentaram pelo menos uma das seguintes características: uso de medicamentos que alterassem a atividade autonômica do coração, como por exemplo, propranolol e atropina, etilistas e indivíduos com infecções, doenças metabólicas ou do sistema cardiorrespiratório conhecidas, as quais pudessem interferir no controle autonômico cardíaco.

Os voluntários foram devidamente informados sobre os procedimentos e objetivos do estudo, e um termo de consentimento livre e esclarecido foi assinado após a concordância em fazer parte do estudo. Todos os procedimentos utilizados foram aprovados pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT/UNESP (protocolo 258/08) e seguiram a Resolução 196/96 do Conselho Nacional de Saúde.

Procedimentos

O protocolo experimental foi realizado em uma sala com temperatura entre 22º e 24º Celsius, umidade entre 40-60,0%, no mesmo período do dia (entre 8 e 12 h), para amenizar possíveis influências do ciclo circadiano. Previamente, todos os voluntários foram orientados a abster-se de cafeína, atividade física e cigarro, por pelo menos 8 horas antes do estudo. A confirmação do período de abstinência do fumo foi realizada por meio da captação dos níveis de CO utilizando o aparelho monoxímetro Micro CO (Micro Medical Limited, Rochester, Inglaterra). Indivíduos com valores iguais ou menores do que 10 ppm21 foram aceitos como abstinentes.

A coleta dos dados antropométricos (peso e altura), história tabagística, antecedentes de saúde e medicação em uso, além do grau de dependência e consumo tabagístico, através do questionário de Fagerström, também antecedeu o protocolo experimental.

Após tais procedimentos, foi colocada no tórax dos voluntários, no terço distal do esterno, a cinta de captação e, no punho dos mesmos, o receptor de frequência cardíaca Polar S810i (Polar Electro, Finlândia), equipamento previamente validado para captação da FC, batimento a batimento, e utilização dos seus dados para cálculos dos índices de VFC22,23. Os voluntários foram posicionados sentados e orientados a permanecerem em repouso, sem movimentos de grande amplitude e sem conversarem durante a coleta que foi realizada de forma individual.

A coleta teve duração de 80 minutos contínuos e constituiu-se de três momentos: 1) Repouso - os voluntários permaneceram em repouso com respiração espontânea por 30 minutos; 2) Fumo - foi solicitado o fumo de dois cigarros rotineiramente consumidos pelos indivíduos, em um tempo de aproximadamente 20 minutos; e 3) Pós-fumo - ao terminar de fumar, os voluntários permaneceram novamente em repouso, com respiração espontânea por mais 30 minutos.

Para análise da VFC, o padrão de seu comportamento foi registrado batimento a batimento, durante todo o protocolo, com uma taxa de amostragem de 1.000 Hz. A análise dos dados foi realizada utilizando os primeiros 1.000 intervalos RR consecutivos, após a filtragem digital pelo software Polar Precision Performance SW (versão 4.01.029) complementada por manual, para eliminação de batimentos ectópicos prematuros e artefatos, e somente séries com mais de 95,0% de batimentos sinusais foram incluídas no estudo24.

O período de repouso foi avaliado utilizando-se os 10 primeiros minutos para estabilização dos parâmetros hemodinâmicos e a FC registrada neste período foi descartada para análise. O momento pós-fumo foi dividido em dois períodos de 15 minutos cada e denominados Pós 1 e Pós 2.

Análise do plot de Poincaré

Para análise não linear, foi utilizado o plot de Poincaré, gráfico em que cada intervalo RR é registrado em função do intervalo RR prévio, isto é, a duração de um intervalo (RRn) é representada no eixo "x" e a duração do intervalo seguinte (RRn+1) no eixo "y", de forma que cada ponto (RRn, RRn+1) no gráfico corresponde a dois batimentos sucessivos25.

Para análise quantitativa do plot, pelo ajuste da elipse da figura formada pelo atrator, foram calculados os seguintes índices: SD1 (desvio-padrão da variabilidade instantânea batimento a batimento), SD2 (desvio-padrão em longo prazo dos intervalos RR contínuos) e a razão SD1/SD21,15.

A análise qualitativa do plot foi feita por meio da análise das figuras formadas pelo seu atrator, as quais foram descritas por Tulppo e cols.26. Foram considerados os seguintes padrões: figuras com aumento na dispersão dos intervalos RR foram consideradas características de um plot normal, e figuras com pequena dispersão global, batimento a batimento e sem aumento da dispersão dos intervalos RR, a longo prazo.

Análise linear da VFC

A VFC foi também analisada por meio de métodos lineares, no DT e no DF. No DT, foram utilizados os índices RMSSD que correspondem à raiz quadrada da média do quadrado das diferenças entre os intervalos RR normais adjacentes, expresso em milissegundos (ms)27 e o SDNN que representa o desvio-padrão da média de todos os intervalos RR normais, expresso em ms16.

Para análise da VFC no DF, foram utilizados os componentes espectrais de baixa frequência (LF, 0,04-015 Hz) e alta frequência (HF, 0,15-0,40 Hz), em unidades normalizadas e em ms2, e a razão entre estes componentes (LF/HF), que representa o valor relativo de cada componente espectral em relação à potência total, menos os componentes de muito baixa frequência (VLF). A análise espectral foi calculada usando o algoritmo da Transformada Rápida de Fourier 2.

Dados da duração dos intervalos RR foram também analisados e para cálculo dos índices de VFC foi utilizado o software HRV analysis28.

Análise dos dados

Para caracterização do perfil da amostra, foi utilizada estatística descritiva, com os seguintes dados sendo representados: valores de média, desvio-padrão, mediana e intervalos de confiança a 95,0%. A normalidade dos dados foi determinada por meio do teste Shapiro-Wilk.

Para análise dos momentos de repouso, fumo e pós-fumo, quando os dados apresentaram distribuição normal, foi aplicada análise de variância para medidas repetidas, seguido da aplicação do teste de Tukey (variável SDNN). Nos dados que não apresentaram normalidade, foi aplicado o teste de Friedman para medidas repetidas seguido da aplicação do teste de Dunn (variáveis: intervalo RR, RMSSD, LFnu, HFnu, LFms2, HFms2, LF/HF, SD1, SD2, SD1/SD2). As diferenças nesses testes foram consideradas estatisticamente significantes quando o valor de "(p"( foi menor do que 0,05.

O cálculo do poder do estudo (Software GraphPad StatMate version 2.00 for Windows, GraphPad Software, San Diego California USA), com o número de voluntários analisados e nível de significância de 5,0% (teste bi-caudal), garantiu um poder do teste superior a 80,0% para detectar diferenças entre as variáveis.

Resultados

Os valores dos índices obtidos do plot de Poincaré para os voluntários, antes, durante e após o fumo, são apresentados na Tabela 1. Observaram-se valores de SD1 significantemente menores nos momentos Fumo e Pós 1, em relação ao Repouso e Pós 2. O índice SD2 mostrou-se significantemente menor em Fumo e Pós 1 quando comparado a Pós 2. A razão SD1/SD2 apresentou valor significantemente menor em todos os momentos em relação ao Repouso. Além disso, o valor em Fumo foi também significantemente menor do que em Pós 2.

Os valores do intervalo RR e dos índices no DT e DF antes, durante e após o fumo podem ser visibilizados na Tabela 2. Observaram-se valores de intervalo RR, SDNN, RMSSD, LFms2 e HFms2 significantemente menores nos momentos Fumo e Pós 1 em relação ao Repouso e Pós 2. Os valores de LFnu e razão LF/HF apresentaram-se significantemente maiores, enquanto que HFnu mostrou-se significantemente menor no momento Fumo em relação ao Repouso.

A Figura 1 mostra um exemplo da análise qualitativa do plot de Poincaré antes, durante e nos períodos analisados após o fumo.

 

Discussão

Os resultados obtidos por meio dos índices de VFC neste estudo mostraram que o fumo produziu modificações nos índices de VFC de forma aguda, caracterizada por diminuição da atividade parassimpática e aumento da simpática, e recuperação destes índices, 30 minutos após o fumo.

Análises dos índices do plot de Poincaré mostraram que a modulação vagal, representada pelo índice SD129, e a razão SD1/SD2 apresentaram redução significante durante o fumo em comparação com o repouso, indicando redução da VFC nesses indivíduos (Tabela 01). Reduções nos índices lineares RMSSD e HF, em unidades normalizadas e ms2, também ocorreram durante o período de fumo, além do aumento da relação LF/HF, confirmando a redução na atividade parassimpática observada pelos índices extraídos do plot (Tabela 02).

Redução na modulação vagal durante o tabagismo foi também observada por Karakaya e cols.11, os quais avaliaram os efeitos agudos do fumo em 15 voluntários não fumantes sobre índices de VFC e observaram mudanças dos índices no DT e DF, particularmente nos 5-10 minutos imediatamente após o ato de fumar, caracterizadas por redução dos índices SDNN, RMSSD e HF e aumento do índice LF. Nabors-Oberg e cols.30 igualmente verificaram redução de HF durante o tabagismo. Essas alterações parassimpáticas parecem estar relacionadas aos efeitos do fumo sobre a automaticidade do nó sinusal31.

Os intervalos RR apresentaram-se reduzidos durante o fumo em comparação ao período de repouso, além disso, houve aumento dos índices LFnu e da razão LF/HF (Tabela 02), sugerindo que durante o fumo, associado à redução da atividade parassimpática, ocorreu aumento da atividade simpática. Kobayashi e cols.32 observaram aumento da razão LF/HF dentro de 5 minutos após fumar. Esses achados também estão em concordância com os estudos de Narkiewikz e cols.9 e Gerhardt e cols.10, que observaram aumento da modulação simpática durante o fumo.

O índice SD2, característico de modulação autonômica global, apresentou, durante o fumo, valores inferiores aos encontrados em repouso (Tabela 01), o mesmo ocorreu com o índice SDNN e LF em ms2 (Tabela 02).

A análise qualitativa (visual) do plot também evidenciou o efeito agudo do fumo e aponta redução da VFC nos fumantes. O gráfico do plot de Poincaré mostra uma diminuição na dispersão dos pontos nos momentos Fumo e Pós 1 (Figuras 1B e 1C) em relação aos momentos Repouso e Pós 2 (Figuras 1A e 1D). Esse padrão gráfico, segundo a literatura, demonstra um aumento da atividade simpática e, consequente, redução de VFC5,33.

Os efeitos agudos do tabagismo são atribuídos principalmente à ação da nicotina que se liga a receptores colinérgicos nicotínicos presentes nos gânglios autonômicos, junções neuromusculares e sistema nervoso central, os quais, quando estimulados, aumentam a liberação de vários neurotransmissores34,35. A nicotina e outras substâncias do cigarro estimulam também a liberação de adrenalina e noradrenalina no sistema nervoso simpático (SNS). Adicionalmente, a estimulação de receptores nicotínicos no SNA foi relacionada aos efeitos excitatórios simpáticos do tabagismo36.

Existem três possíveis mecanismos que explicam essa ativação simpática. A primeira seria um efeito direto no sistema nervoso central; a segunda, um efeito estimulatório na transmissão simpática ganglionar que leva a um subsequente aumento na atividade simpática eferente pós-ganglionar; e a terceira, um efeito sobre as terminações nervosas simpáticas periféricas34,37. Para Grassi e cols.38, além da estimulação adrenérgica periférica, há uma perda parcial da habilidade barorreflexa em contê-la.

No período de recuperação, a análise dos índices obtidos pelo plot de Poincaré evidenciou aumento da modulação vagal avaliada pelo índice SD1, atingindo, no período Pós 2, valores próximos aos de repouso. O índice SD2 retornou aos valores basais ao final do período estudado, enquanto que a razão SD1/SD2 permaneceu reduzida no decorrer dos 30 minutos pós-fumo (Tabela 01). A redução da razão SD1/SD2 deve-se ao aumento pronunciado do índice SD2.

Quanto à análise qualitativa do plot, as alterações observadas durante o fumo persistiram durante o período imediatamente após (Pós 1), com recuperação e padrão bastante semelhante ao repouso no período Pós 2 (Figura 1 D).

Essa recuperação também foi observada em todos os índices lineares de VFC no decorrer dos 30 minutos que sucederam o fumo (Tabelas 02), o que vem corroborar com os achados de Hayano e cols.12, que estudaram fumantes jovens e observaram um aumento na FC, um decréscimo no índice HF, três minutos após o fumo, e um aumento no índice LF, 10 a 17 minutos após o fumo, com retorno aos valores iniciais ao fim de 24 minutos.

A recuperação dos índices de VFC pode estar relacionada ao fato de que, após fumar, ocorre um pico de concentração de nicotina circulante, que declina rapidamente nos 20 minutos subsequentes, devido à distribuição tecidual39, o que indica que as alterações induzidas pela nicotina no SNA podem ser amenizadas no decorrer desse tempo.

Outros fatores podem também ser citados para explicar a rápida recuperação pós-fumo e, neste sentido, a idade e as características tabagísticas dos indivíduos estudados devem ser consideradas. Por se tratarem de jovens saudáveis, supomos que o SNA está íntegro, o que garante o balanço simpato-vagal necessário para manter a normalidade do controle autonômico cardíaco. Em relação às características tabagísticas, o baixo consumo de cigarros e tempo de tabagismo podem também ter influenciado nestes resultados.

O plot de Poincaré é uma técnica que permite a visualização de todos os pontos descritos em uma série de intervalo RR consecutivos, bem como facilita a identificação dos pontos anormais correspondentes a batimentos prematuros, pausas compensatórias ou artefatos técnicos, o que permite fácil correção da série RR para análise da VFC. Essa visualização não é possível pela análise espectral ou por métodos no DT, o que representa uma boa vantagem do plot de Poincaré em relação a estes métodos. O plot de Poincaré permite a análise de séries de intervalos RR não estacionárias25 e fornece tanto informações resumidas quanto detalhadas, batimento a batimento, do comportamento cardíaco40. Tais aspectos representam vantagens importantes da sua utilização em relação aos métodos lineares de análise, contudo, é importante salientar que a medida direta da atividade autonômica poderia determinar se o plot de Poincaré pode ser considerado um método mais sensível para detectar alterações autonômicas em comparação a tais métodos.

Em resumo, os resultados deste trabalho mostraram que o tabagismo agudamente produziu modificações nos índices de VFC, caracterizadas por diminuição da atividade parassimpática e aumento da simpática, e recuperação destes índices, 30 minutos após o fumo, as quais puderam ser avaliadas quantitativamente e qualitativamente pelo plot de Poincaré.

Conclusão

As análises dos índices extraídos do plot de Poincaré e dos índices lineares nos DT e DF mostraram que o tabagismo produziu agudamente modificações no controle autonômico cardíaco, caracterizadas pela diminuição da atividade parassimpática e aumento da atividade simpática, e recuperação destes índices, 30 minutos após o fumo. Adicionalmente, o plot de Poincaré mostrou-se um método sensível e simples para detectar alterações agudas da VFC provocadas pelo tabagismo.

Potencial Conflito de Interesses

Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.

Fontes de Financiamento

O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

Vinculação Acadêmica

Este artigo é parte de dissertação de Mestrado de Beatriz Martins Manzano pela Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT - UNESP.

Beatriz Martins Manzano

Rua José Bonifácio Mori, 239 - Centro

19200-000 - Pirapozinho, SP - Brasil

E-mail:

biamanzano@hotmail.com,

bia_mmanzano@yahoo.com.br

Artigo recebido em 11/01/10;revisado recebido em 23/05/10; aceito em 06/08/10.

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Efectos agudos del tabaquismo sobre la modulación autonómica: análisis por medio del plot de Poincaré

FUNDAMENTO: El tabaquismo altera la función autonómica. OBJETIVO: Investigar los efectos agudos del tabaquismo sobre la modulación autonómica y la recuperación de los índices de variabilidad de frecuencia cardíaca (VFC) post tabaco, por medio del plot de Poincaré e índices lineales. MÉTODOS: Fueron evaluados 25 fumantes jóvenes, los cuales tuvieron la frecuencia cardíaca analizada, latido a latido, en la posición sentada, después de 8 horas de abstinencia, por 30 minutos en reposo, 20 minutos durante el tabaco y 30 minutos post tabaco. Análisis de varianza para medidas repetidas, seguido del test de Tukey, o test de Friedman seguido del test de Dunn fueron aplicados dependiendo de la normalidad de los datos, con p < 0,05. RESULTADOS:: Durante el tabaco, hubo reducción de los índices SD1 (23,4 ± 9,2 vs 13,8 ± 4,8), razón SD1/SD2 (0,31 ± 0,08 vs 0,2 ± 0,04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19,1 ± 6,8), SDNN (47,6 ± 14,8 vs 35,5 ± 8,4), HFnu (32,5 ± 11,6 vs 19 ± 8,1) y del intervalo RR (816,8 ± 89 vs 696,5 ± 76,3) en relación al reposo, mientras que aumentos del índice LFnu (67,5 ± 11,6 vs 81 ± 8,1) y de la razón LF/HF (2,6 ± 1,7 vs 5,4 ± 3,1) fueron observados. El análisis visual del plot mostró menor dispersión de los intervalos RR durante el tabaco. Con excepción de la razón SD1/SD2, los demás índices presentaron recuperación de los valores, 30 minutos después del tabaquismo. CONCLUSIÓN: El tabaquismo produjo agudamente modificaciones en el control autonómico, caracterizadas por activación simpática y retirada vagal, con recuperación 30 minutos después del tabaco.

 Tabaquismo sistema nervioso autónomo frecuencia cardíaca dinámica no lineal

ARTÍCULO ORIGINAL

Beatriz Martins Manzano; Luiz Carlos Marques Vanderlei; Ercy Mara Ramos; Dionei Ramos

Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT- UNESP - Presidente Prudente, São Paulo, SP - Brasil

Correspondencia

RESUMEN

FUNDAMENTO: El tabaquismo altera la función autonómica.

OBJETIVO: Investigar los efectos agudos del tabaquismo sobre la modulación autonómica y la recuperación de los índices de variabilidad de frecuencia cardíaca (VFC) post tabaco, por medio del plot de Poincaré e índices lineales.

MÉTODOS: Fueron evaluados 25 fumantes jóvenes, los cuales tuvieron la frecuencia cardíaca analizada, latido a latido, en la posición sentada, después de 8 horas de abstinencia, por 30 minutos en reposo, 20 minutos durante el tabaco y 30 minutos post tabaco. Análisis de varianza para medidas repetidas, seguido del test de Tukey, o test de Friedman seguido del test de Dunn fueron aplicados dependiendo de la normalidad de los datos, con p < 0,05.

RESULTADOS:: Durante el tabaco, hubo reducción de los índices SD1 (23,4 ± 9,2 vs 13,8 ± 4,8), razón SD1/SD2 (0,31 ± 0,08 vs 0,2 ± 0,04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19,1 ± 6,8), SDNN (47,6 ± 14,8 vs 35,5 ± 8,4), HFnu (32,5 ± 11,6 vs 19 ± 8,1) y del intervalo RR (816,8 ± 89 vs 696,5 ± 76,3) en relación al reposo, mientras que aumentos del índice LFnu (67,5 ± 11,6 vs 81 ± 8,1) y de la razón LF/HF (2,6 ± 1,7 vs 5,4 ± 3,1) fueron observados. El análisis visual del plot mostró menor dispersión de los intervalos RR durante el tabaco. Con excepción de la razón SD1/SD2, los demás índices presentaron recuperación de los valores, 30 minutos después del tabaquismo.

CONCLUSIÓN: El tabaquismo produjo agudamente modificaciones en el control autonómico, caracterizadas por activación simpática y retirada vagal, con recuperación 30 minutos después del tabaco. (Arq Bras Cardiol 2010;96(2):154-160)

Palabras-clave: Tabaquismo, sistema nervioso autónomo/efectos de drogas, frecuencia cardíaca, dinámica no lineal.

Introducción

Los efectos crónicos del tabaco sobre la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC), una medida no invasiva de los impulsos autonómicos que indica la habilidad del corazón para responder a los múltiples estímulos fisiológicos y ambientales, así como compensar desórdenes inducidos por enfermedades1-3, están bien establecidos en la literatura que señala hacia su reducción en fumantes4,5. Tal condición está asociada a la elevación del riesgo de mortalidad y susceptibilidad para arritmias con riesgo de vida6-8 y para, en este sentido, estudiar condiciones que favorecen la reducción de la VFC, es fundamental.

Agudamente, se sabe que el humo de cigarrillo resulta en aumento de la presión arterial, frecuencia cardíaca (FC), resistencia vascular, descarga simpática y disminución de la actividad barorreflexa6,9,10, lo que puede alterar los índices de VFC. Entre tanto, después de búsqueda en la literatura técnica pertinente para elaboración de esta investigación, los efectos agudos del tabaco de cigarrillo sobre índices de VFC, principalmente el período inmediatamente posterior al acto de fumar, no han sido exhaustivamente estudiados y los trabajos que abordan el tema11,12 lo hacen por medio de índices lineales.

Para evaluación de la VFC, métodos lineales, analizados tanto en el dominio del tiempo (DT) como en el dominio de la frecuencia (DF), y no lineales pueden ser utilizados2,13. El análisis lineal es ampliamente utilizado para estudio del control autonómico en diversas condiciones, inclusive el tabaquismo, mientras tanto, recientemente, los métodos no lineales han despertado gran interés, ya que describen las fluctuaciones complexas del ritmo y consiguen separar, en las series temporales de latidos cardíacos, estructuras de comportamiento no lineal más adecuadamente que los métodos lineales14. Eso ha mostrado una nueva visión sobre las anormalidades del comportamiento de la FC en varias condiciones, proveyendo informaciones pronósticas adicionales cuando fue comparada con los métodos tradicionales15,16.

Uno de los métodos considerado por algunos autores como basado en la dinámica no lineal es el plot de Poincaré17,18, una técnica cuantitativa visual, en la cual cada intervalo RR es correlacionado con el intervalo antecedente y define un punto en el plot19, siendo considerada una de las más importantes técnicas utilizadas para representar visualmente la VFC y de gran importancia por su capacidad de evidenciar aspectos no lineales en una secuencia de datos20.

Así, con el propósito de acrecentar a la literatura elementos relacionados al tema expuesto, se pretende, con este estudio, evaluar los efectos agudos del tabaquismo sobre el control autonómico cardíaco y la recuperación de los índices de VFC post tabaco, por medio del plot de Poincaré, juntamente con índices de VFC en el DT y DF.

Métodos

Para la realización de este estudio, fueron analizados datos de 25 voluntarios jóvenes (16 hombres y 9 mujeres), seleccionados entre los participantes del Programa de Cesación del Tabaquismo de la Facultad de Ciencias y Tecnología - FCT/UNESP. Los voluntarios presentaron como características edad media de 22,9 ± 3,2 años, IMC de 23,7 ± 4,1 kg/m2, consumo de 10 cigarrillos/día (mediana), tiempo de tabaquismo medio de 5,7 ± 4 años, test de Fargerström predominante (52,0%) de cero a dos puntos, lo que corresponde a grado de dependencia muy bajo y niveles de monóxido de carbono (CO) expirado de 4,9 ± 2,4 ppm.

No fueron incluidos en el estudio individuos que presentaron por lo menos una de las siguientes características: uso de medicamentos que alterasen la actividad autonómica del corazón, como por ejemplo, propranolol y atropina, etilistas e individuos con infecciones, enfermedades metabólicas o del sistema cardiorrespiratorio conocidas, las cuales pudiesen interferir en el control autonómico cardíaco.

Los voluntarios fueron debidamente informados sobre los procedimientos y objetivos del estudio, y un término de consentimiento libre y aclarado fue firmado después de la concordancia en hacer parte del estudio. Todos los procedimientos utilizados fueron aprobados por el Comité de Ética en Investigación de la Facultad de Ciencias y Tecnología - FCT/UNESP (protocolo 258/08) y siguieron la Resolución 196/96 del Consejo Nacional de Salud.

Procedimientos

El protocolo experimental fue realizado en una sala con temperatura entre 22º y 24º Celsius, humedad entre 40-60,0%, en el mismo período del día (entre 8 y 12 h), para amenizar posibles influencias del ciclo circadiano. Previamente, todos los voluntarios fueron orientados a abstenerse de cafeína, actividad física y cigarrillo, por al menos 8 horas antes del estudio. La confirmación del período de abstinencia del tabaco fue realizada por medio de la captación de los niveles de CO utilizando el aparato monoxímetro Micro CO (Micro Medical Limited, Rochester, Inglaterra). Individuos con valores iguales o menores a 10 ppm21 fueron aceptados como abstinentes.

La colecta de los datos antropométricos (peso y altura), historia tabáquica, antecedentes de salud y medicación en uso, además del grado de dependencia y consumo tabáquico, a través del cuestionario de Fagerström, también antecedió el protocolo experimental.

Después de tales procedimientos, fue colocada en el tórax de los voluntarios, en el tercio distal del esternón, la cinta de captación y, en la muñeca de los mismos, el receptor de frecuencia cardíaca Polar S810i (Polar Electro, Finlandia), equipamiento previamente validado para captación de la FC, latido a latido, y utilización de sus datos para cálculos de los índices de VFC22,23. Los voluntarios fueron posicionados sentados y orientados a permanecer en reposo, sin movimientos de gran amplitud y sin conversar durante la colecta que fue realizada de forma individual.

La colecta tuvo una duración de 80 minutos continuos y estuvo constituida por tres momentos: 1) Reposo - los voluntarios permanecieron en reposo con respiración espontánea por 30 minutos; 2) Tabaco - fue solicitado que fumaran dos cigarrillos rutinariamente consumidos por los individuos, en un tiempo de aproximadamente 20 minutos; y 3) Post tabaco - al terminar de fumar, los voluntarios permanecieron nuevamente en reposo, con respiración espontánea 30 minutos más.

Para análisis de la VFC, el estándar de su comportamiento fue registrado latido a latido, durante todo el protocolo, con una tasa de muestreo de 1.000 Hz. El análisis de los datos fue realizado utilizando los primeros 1.000 intervalos RR consecutivos, después del filtrado digital por el software Polar Precision Performance SW (versión 4.01.029) complementada por manual, para eliminación de latidos ectópicos prematuros y artefactos, y solamente las series con más de 95,0% de latidos sinusales fueron incluidas en el estudio24.

El período de reposo fue evaluado utilizando los 10 primeros minutos para estabilización de los parámetros hemodinámicos y la FC registrada en este período fue descartada para análisis. El momento post tabaco fue dividido en dos períodos de 15 minutos denominados Post 1 y Post 2.

Análisis del plot de Poincaré

Para análisis no lineal, fue utilizado el plot de Poincaré, gráfico en que cada intervalo RR es registrado en función del intervalo RR previo, o sea, la duración de un intervalo (RRn) es representada en el eje "x" y la duración del intervalo siguiente (RRn+1) en el eje "y", de forma de que cada punto (RRn, RRn+1) en el gráfico corresponde a dos latidos sucesivos25.

Para análisis cuantitativo del plot, por el ajuste de la elipse de la figura formada por el atractor, fueron calculados los siguientes índices: SD1 (desviación estándar de la variabilidad instantánea latido a latido), SD2 (desviación estándar a largo plazo de los intervalos RR continuos) y la razón SD1/SD21,15.

El análisis cualitativo del plot fue hecho por medio del análisis de las figuras formadas por su atractor, las cuales fueron descriptas por Tulppo et al26. Fueron considerados los siguientes estándares: figuras con aumento en la dispersión de los intervalos RR fueron consideradas características de un plot normal, y figuras con pequeña dispersión global, latido a latido y sin aumento de la dispersión de los intervalos RR, a largo plazo.

Análisis lineal de la VFC

La VFC fue también analizada por medio de métodos lineales, en el DT y en el DF. En el DT, fueron utilizados los índices RMSSD que corresponden a la raíz cuadrada de la media del cuadrado de las diferencias entre los intervalos RR normales adyacentes, expresado en milisegundos (ms)27 y el SDNN que representa la desviación estándar de la media de todos los intervalos RR normales, expresado en ms16.

Para análisis de la VFC en el DF, fueron utilizados los componentes espectrales de baja frecuencia (LF, 0,04-015 Hz) y alta frecuencia (HF, 0,15-0,40 Hz), en unidades normalizadas y en ms2, y la razón entre estos componentes (LF/HF), que representa el valor relativo de cada componente espectral en relación a la potencia total, menos los componentes de muy baja frecuencia (VLF). El análisis espectral fue calculado usando el algoritmo de la Transformada Rápida de Fourier 2.

Datos de la duración de los intervalos RR fueron también analizados y para cálculo de los índices de VFC fue utilizado el software HRV analysis 28.

Análisis de los datos

Para caracterización del perfil de la muestra, fue utilizada estadística descriptiva, siendo representados los siguientes datos: valores de media, desviación estándar, mediana e intervalos de confianza a 95,0%. La normalidad de los datos fue determinada por medio del test Shapiro-Wilk.

Para análisis de los momentos de reposo, tabaco y post tabaco, cuando los datos presentaron distribución normal, fue aplicado análisis de varianza para medidas repetidas, seguido de la aplicación del test de Tukey (variable SDNN). En los datos que no presentaron normalidad, fue aplicado el test de Friedman para medidas repetidas seguido de la aplicación del test de Dunn (variables: intervalo RR, RMSSD, LFnu, HFnu, LFms2, HFms2, LF/HF, SD1, SD2, SD1/SD2). Las diferencias en esos tests fueron consideradas estadísticamente significativas cuando el valor de "(p"( fue menor que 0,05.

El cálculo del poder del estudio (Software GraphPad StatMate version 2.00 for Windows, GraphPad Software, San Diego California USA), con el número de voluntarios analizados y nivel de significación de 5,0% (test bicaudal), garantizó un poder del test superior a 80,0% para detectar diferencias entre las variables.

Resultados

Los valores de los índices obtenidos del plot de Poincaré para los voluntarios, antes, durante y después del tabaco, son presentados en la Tabla 1. Se observaron valores de SD1 significativamente menores en los momentos Tabaco y Post 1, en relación al Reposo y Post 2. El índice SD2 se mostró significativamente menor en Tabaco y Post 1 cuando fue comparado a Post 2. La razón SD1/SD2 presentó valor significativamente menor en todos los momentos en relación al Reposo. Además de eso, el valor en Tabaco fue también significativamente menor que en Post 2.

Los valores del intervalo RR y de los índices en el DT y DF antes, durante y después del tabaco pueden ser visibilizados en la Tabla 2. Se observaron valores de intervalo RR, SDNN, RMSSD, LFms2 y HFms2 significativamente menores en los momentos Tabaco y Post 1 en relación al Reposo y Post 2. Los valores de LFnu y razón LF/HF se presentaron significativamente mayores, mientras que HFnu se mostró significativamente menor en el momento Tabaco en relación al Reposo.

La Figura 1 muestra un ejemplo del análisis cualitativo del Plot de Poincaré antes, durante y en los períodos analizados después del tabaco.

 

Discusión

Los resultados obtenidos por medio de los índices de VFC en este estudio mostraron que el tabaco produjo modificaciones en los índices de VFC de forma aguda, caracterizada por disminución de la actividad parasimpática y aumento de la simpática, y recuperación de estos índices, 30 minutos después del tabaco.

Análisis de los índices del plot de Poincaré mostraron que la modulación vagal, representada por el índice SD129, y la razón SD1/SD2 presentaron reducción significativa durante el tabaco en comparación con el reposo, indicando reducción de la VFC en esos individuos (Tabla 1). Reducciones en los índices lineales RMSSD y HF, en unidades normalizadas y ms2, también ocurrieron durante el período de tabaco, además de aumento de la relación LF/HF, confirmando la reducción en la actividad parasimpática observada por los índices extraídos del plot (Tabla 2).

Reducción en la modulación vagal durante el tabaquismo fue también observada por Karakaya et al. 11, los cuales evaluaron los efectos agudos del tabaco en 15 voluntarios no fumantes sobre índices de VFC y observaron cambios de los índices en el DT y DF, particularmente en los 5-10 minutos inmediatamente después del acto de fumar, caracterizados por reducción de los índices SDNN, RMSSD y HF y aumento del índice LF. Nabors-Oberg et al. 30 igualmente verificaron reducción de HF durante el tabaquismo. Esas alteraciones parasimpáticas parecen estar relacionadas a los efectos del tabaco sobre la automaticidad del nudo sinusal31.

Los intervalos RR se presentaron reducidos durante el tabaco en comparación al período de reposo, además de eso, hubo aumento de los índices LFnu y de la razón LF/HF (Tabla 02), sugiriendo que durante el tabaco, asociado a la reducción de la actividad parasimpática, ocurrió aumento de la actividad simpática. Kobayashi et al. 32 observaron aumento de la razón LF/HF dentro de 5 minutos después de fumar. Esos hallazgos también están en concordancia con los estudios de Narkiewikz et al. 9 y Gerhardt et al. 10, que observaron aumento de la modulación simpática durante el tabaco.

El índice SD2, característico de modulación autonómica global, presentó, durante el tabaco, valores inferiores a los encontrados en reposo (Tabla 01), lo mismo ocurrió con el índice SDNN y LF en ms2 (Tabla 2).

El análisis cualitativo (visual) del plot también evidenció el efecto agudo del tabaco y señala reducción de la VFC en los fumantes. El gráfico del plot de Poincaré muestra una disminución en la dispersión de los puntos en los momentos Tabaco y Post 1 (Figuras 1B y 1C) en relación a los momentos Reposo y Post 2 (Figuras 1A y 1D). Ese estándar gráfico, según la literatura, demuestra un aumento de la actividad simpática y, consecuente, reducción de VFC5,33.

Los efectos agudos del tabaquismo son atribuidos principalmente a la acción de la nicotina que se liga a receptores colinérgicos nicotínicos presentes en los ganglios autonómicos, junciones neuromusculares y sistema nervioso central, los cuales, cuando son estimulados, aumentan la liberación de varios neurotransmisores34,35. La nicotina y otras substancias del cigarrillo estimulan también la liberación de adrenalina y noradrenalina en el sistema nervioso simpático (SNS). Adicionalmente, la estimulación de receptores nicotínicos en el SNA fue relacionada a los efectos excitatorios simpáticos del tabaquismo36.

Existen tres posibles mecanismos que explican esa activación simpática. La primera sería un efecto directo en el sistema nervioso central; la segunda, un efecto estimulatorio en la transmisión simpática ganglionar que lleva a un subsecuente aumento en la actividad simpática eferente post ganglionar; y la tercera, un efecto sobre las terminaciones nerviosas simpáticas periféricas34,37. Para Grassi et al. 38, además de la estimulación adrenérgica periférica, hay una pérdida parcial de la habilidad barorrefleja para contenerla.

En el período de recuperación, el análisis de los índices obtenidos por el plot de Poincaré evidenció aumento de la modulación vagal evaluada por el índice SD1, alcanzando, en el período Post 2, valores próximos a los de reposo. El índice SD2 retornó a los valores basales al final del período estudiado, mientras que la razón SD1/SD2 permaneció reducida en el transcurso de los 30 minutos post tabaco (Tabla 01). La reducción de la razón SD1/SD2 se debe al aumento pronunciado del índice SD2.

En cuanto al análisis cualitativo del plot, las alteraciones observadas durante el tabaco persistieron durante el período inmediatamente posterior (Post 1), con recuperación y estándar bastante semejante al reposo en el período Post 2 (Figura 1 D).

Esa recuperación también fue observada en todos los índices lineales de VFC en el transcurso de los 30 minutos que sucedieron al tabaco (Tablas 2), lo que viene a corroborar los hallazgos de Hayano et al. 12, que estudiaron fumantes jóvenes y observaron un aumento en la FC, una disminución en el índice HF, tres minutos después del tabaco, y un aumento en el índice LF, 10 a 17 minutos después del tabaco, con retorno a los valores iniciales a los de 24 minutos.

La recuperación de los índices de VFC puede estar relacionada al hecho de que, después de fumar, ocurre un pico de concentración de nicotina circulante, que declina rápidamente en los 20 minutos subsecuentes, debido a la distribución tisular39, lo que indica que las alteraciones inducidas por la nicotina en el SNA pueden ser amenizadas en el transcurso de ese tiempo.

Otros factores pueden también ser citados para explicar la rápida recuperación post tabaco y, en este sentido, la edad y las características tabáquicas de los individuos estudiados deben ser consideradas. Por tratarse de jóvenes sanos, suponemos que el SNA está íntegro, lo que garantiza el balance simpático vagal necesario para mantener la normalidad del control autonómico cardíaco. En relación a las características tabáquicas, el bajo consumo de cigarrillos y tiempo de tabaquismo pueden también haber influenciado en estos resultados.

El plot de Poincaré es una técnica que permite la visualización de todos los puntos descriptos en una serie de intervalo RR consecutivos, así como facilita la identificación de los puntos anormales correspondientes a latidos prematuros, pausas compensatorias o artefactos técnicos, lo que permite fácil corrección de la serie RR para análisis de la VFC. Esa visualización no es posible por el análisis espectral o por métodos en el DT, lo que representa una buena ventaja del plot de Poincaré en relación a estos métodos. El plot de Poincaré permite el análisis de series de intervalos RR no estacionarios25 y provee tanto informaciones resumidas como detalladas, latido a latido, del comportamiento cardíaco40. Tales aspectos representan ventajas importantes de su utilización en relación a los métodos lineales de análisis, con todo, es importante destacar que la medida directa de la actividad autonómica podría determinar si el plot de Poincaré puede ser considerado un método más sensible para detectar alteraciones autonómicas en comparación a tales métodos.

En resumen, los resultados de este trabajo mostraron que el tabaquismo agudamente produjo modificaciones en los índices de VFC, caracterizadas por disminución de la actividad parasimpática y aumento de la simpática, y recuperación de estos índices, 30 minutos después del tabaco, las cuales pudieron ser evaluadas cuantitativamente y cualitativamente por el plot de Poincaré.

Conclusión

Los análisis de los índices extraídos del plot de Poincaré y de los índices lineales en los DT y DF mostraron que el tabaquismo produjo agudamente modificaciones en el control autonómico cardíaco, caracterizadas por la disminución de la actividad parasimpática y aumento de la actividad simpática, y recuperación de estos índices, 30 minutos después del tabaco. Adicionalmente, el plot de Poincaré se mostró como un método sensible y simple para detectar alteraciones agudas de la VFC provocadas por el tabaquismo.

Potencial Conflicto de Intereses

Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.

Fuentes de Financiamiento

El presente estudio no tuvo fuentes de financiamiento externas.

Vinculación Académica

Este artículo es parte de disertación de Maestría de Beatriz Martins Manzano por la Facultad de Ciencias y Tecnología - FCT - UNESP.

Referencias

Original Articles Acute effects of smoking on autonomic modulation: analysis by poincare plot

BACKGROUND: Smoking affects the autonomic function. OBJECTIVE:To investigate the acute effects of smoking on the autonomic modulation and the post-smoking recovery of the heart rate variability (HRV) index through Poincare plot and linear indices. METHODS: A total of 25 young smokers underwent beat-to-beat analysis of heart rate in the sitting position after 8 hours of tobacco abstinence, for 30 minutes at rest, 20 minutes while smoking and 30 minutes after smoking. The analysis of variance for repeated measures, followed by Tukey's test or Friedman's test followed by Dunn's test, were applied depending on the normality of data, with p < 0.05. RESULTS: While smoking, there was a decrease in the indices: SD1 (23.4 ± 9.2 vs 13.8 ± 4.8), SD1/SD2 ratio (0.31 ± 0.08 vs 0.2 ± 0.04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19.1 ± 6.8), SDNN (47.6 ± 14.8 vs 35.5 ± 8.4), HFnu (32,5 ± 11.6 vs 19 ± 8.1) and the RR interval (816.8 ± 89 vs 696.5 ± 76.3) in relation to the rest period, whereas increases in the LFnu index (67.5 ± 11.6 vs 81 ± 8.1) and the LF/HF ratio (2.6 ± 1.7 vs 5.4 ± 3.1) were observed. The visual analysis of the plot showed a lower dispersion of RR intervals while smoking. Except for the SD1/SD2 ratio, the other indices presented recovery of values 30 minutes after smoking. CONCLUSION: Smoking resulted in acute modifications of the autonomic control, characterized by sympathetic activation and vagal withdrawal, presenting recovery 30 minutes after smoking.

 Smoking autonomic nervous system heart failure nonlinear dynamics

Beatriz Martins Manzano; Luiz Carlos Marques Vanderlei; Ercy Mara Ramos; Dionei Ramos

Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT - UNESP - Presidente Prudente, São Paulo, SP - Brasil

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ABSTRACT

BACKGROUND: Smoking affects the autonomic function.

OBJECTIVE: To investigate the acute effects of smoking on the autonomic modulation and the post-smoking recovery of the heart rate variability (HRV) index through Poincare plot and linear indices.

METHODS: A total of 25 young smokers underwent beat-to-beat analysis of heart rate in the sitting position after 8 hours of tobacco abstinence, for 30 minutes at rest, 20 minutes while smoking and 30 minutes after smoking. The analysis of variance for repeated measures, followed by Tukey's test or Friedman's test followed by Dunn's test, were applied depending on the normality of data, with p < 0.05.

RESULTS: While smoking, there was a decrease in the indices: SD1 (23.4 ± 9.2 vs 13.8 ± 4.8), SD1/SD2 ratio (0.31 ± 0.08 vs 0.2 ± 0.04), RMSSD (32,7 ± 13 vs 19.1 ± 6.8), SDNN (47.6 ± 14.8 vs 35.5 ± 8.4), HFnu (32,5 ± 11.6 vs 19 ± 8.1) and the RR interval (816.8 ± 89 vs 696.5 ± 76.3) in relation to the rest period, whereas increases in the LFnu index (67.5 ± 11.6 vs 81 ± 8.1) and the LF/HF ratio (2.6 ± 1.7 vs 5.4 ± 3.1) were observed. The visual analysis of the plot showed a lower dispersion of RR intervals while smoking. Except for the SD1/SD2 ratio, the other indices presented recovery of values 30 minutes after smoking.

CONCLUSION: Smoking resulted in acute modifications of the autonomic control, characterized by sympathetic activation and vagal withdrawal, presenting recovery 30 minutes after smoking. (Arq Bras Cardiol. 2011; [online].ahead print, PP.0-0)

Keywords: Smoking; autonomic nervous system/drug effects; heart failure; nonlinear dynamics.

Introduction

The chronic effects of smoking on the heart rate variability (HRV), a noninvasive measurement of the autonomic impulses that indicate the capacity of the heart to respond to multiple physiological and environmental stimuli, as well as compensate disorders induced by diseases1-3, are well-established in the literature, which indicates its decrease in smokers4,5. Such condition is associated with the increase in the risk of mortality and potentially fatal arrhythmia susceptibility6-8 and, therefore, studying the conditions that favor the decrease in HRV is of utmost importance.

Acutely, it is known that cigarette smoking results in the increase in blood pressure (BP), heart rate (HR), vascular resistance, sympathetic discharge and in the decrease in baroreflex activity6,9,10, which can alter the HRV index. However, after a review of the technical literature pertinent to this research, studies on the acute effects of cigarette smoking on the HVR index, mainly during the period immediately after the act of smoking, are scarce and the studies that do analyze the issue11,12, do so through the use of linear indices.

To evaluate the HRV, linear methods, analyzed in both the time domain (TD) and the frequency domain (FD), as well as non-linear ones, can be used2,13. The linear analysis is broadly used to study the autonomic control in several conditions, including smoking; however, recently the non-linear methods have been considered with great interest, as they describe the complex fluctuations of rhythm and can better discriminate, in the temporal series of heartbeats, non-linear behavior structures, when compared to the linear methods14. That has provided a new insight on the abnormalities of HR behavior in several conditions, supplying additional prognostic information when compared with the traditional methods15,16.

One of the methods considered by some authors as based on non-linear dynamics is the Poincare plot17,18, a quantitative-visual technique, in which each RR interval is correlated with the preceding interval and defines a point in the plot19, being considered one of the most important techniques used to visually represent HRV and one of great importance for its capacity to disclose non-linear aspects in a sequence of data20.

Thus, with the objective of adding more information on the aforementioned subject to the literature, the present study aimed at evaluating the acute effects of smoking on the cardiac autonomic control and the recovery of HRV indices after smoking, using a Poincare plot, together with the HRV indices at the TD and FD.

Methods

The present study analyzed the data of 25 young volunteers (16 men and 9 women), selected among the participants of the Smoking Cessation Program of Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT/UNESP. The volunteers' mean age was 22.9 ± 3.2 years, with a mean BMI of 23.7 ± 4.1 kg/m2; they smoked 10 cigarettes/day (median) and had been smoking for 5.7 ± 4 years. Fargerström's test score showed a predominance (52.0%) of zero to two points, which corresponds to a very low degree of dependence and expired carbon monoxide (CO) levels of 4.9 ± 2.4 ppm. Individuals that presented at least one of the following characteristics were excluded from the study: use of medications that could alter the cardiac autonomic activity, such as propranolol and atropine, alcohol consumers and individuals that presented known infections, metabolic or cardiorespiratory system diseases, which could interfere with the cardiac autonomic control.

The volunteers were adequately informed on the procedures and objectives of the study and signed the Free and Informed Consent Form after agreeing to participate in the study. All procedures used in the study were approved by the Ethics Committee in Research of Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT/UNESP (protocol #258/08) and followed the norms established by Resolution 196/96 of the National Council of Health.

Procedures

The experimental protocol was carried out in a room of which temperature varied from 22º and 24º Celsius, with humidity levels between 40-60.0%, at the same period of the day (between 8AM and 12PM), to attenuate possible influences on the circadian rhythm. Previously, all participants had been advised to abstain from caffeine, physical activity and cigarette smoking for at least 8 hours before the study. Smoking abstinence was confirmed through the measurement of CO concentrations using a Micro CO monoximeter device (Micro Medical Limited, Rochester, England). Individuals presenting values < 10 ppm21 were accepted as being abstinent.

The collection of anthropometric data (weight and height), history of smoking, health history and medication use, in addition to the degree of dependence and cigarette consumption, through Fagerström questionnaire, also preceded the experimental protocol.

After such procedure, the chest strap with heartbeat sensor was placed on the volunteers' thorax, on the distal third of the sternum and a Polar S810i (Polar Electro, Finland), heart rate receptor device was placed around the wrist. The equipment had been previously validated for beat-to-beat HR monitoring and the resulting data were used to calculate the HRV indices22,23. The volunteers remained in the sitting position and were advised to rest, without high range-of-motion movements and without talking during the collection of data, which was carried out individually.

The collection of data lasted 80 minutes, continuously and consisted of three moments: 1) Rest - the volunteers remained at rest with spontaneous breathing for 30 minutes; 2) Smoking period - the volunteers were asked to smoke two cigarettes of the brand routinely smoked by them, in approximately 20 minutes; and 3) Post-smoking period - after they had finished smoking, the volunteers once again remained at rest, with spontaneous breathing, for 30 minutes.

For the analysis of the HRV, the pattern of its behavior was recorded beat-to-beat, throughout the protocol, with a sampling rate of 1,000 Hz. The analysis of the data was carried out using the first 1,000 consecutive RR intervals, after digital filtration using the Polar Precision Performance SW software (release 4.01.029) complemented by manual filtration, to eliminate premature ectopic beats and artifacts and only series with more than 95% of sinus beats were included in the study24.

The rest period was evaluated using the first 10 minutes to stabilize the hemodynamic parameters and the HR recorded during this period was disregarded for the analysis. The post-smoking period was divided in two periods of 15 minutes each and called Post 1 and Post 2.

Analysis of Poincare plot

The Poincare plot, used for the non-linear analysis, is a chart in which each RR interval is recorded as a function of the previous RR interval, that is, the duration of one RR interval (RRn) is represented in the "x" axis and the duration of the following interval (RRn+1) in the "y" axis, so that each point (RRn, RRn+1) in the chart corresponds to two successive beats25.

The following indices were calculated for the quantitative analysis of the plot, through the adjustment of the ellipse of the figure formed by the attractor: SD1 (standard deviation of the instantaneous variability of the beat-to-beat heart rate), SD2 (standard deviation of long-term continuous RR interval variability) and the SD1/SD2 ratio1,15.

The qualitative analysis of the plotwas carried out through the analysis of the figures formed by its attractor, which were described by Tulppo et al26. The following patterns were considered: figures with increased dispersion of RR intervals were considered characteristic of a normal plot and figures with little global dispersion, beat-to-beat and without increased dispersion of RR intervals in the long term.

Linear analysis of HRV

The HRV was also analyzed through linear methods, in the TD and FD. In the TD, the RMSSD index, which corresponds to the root mean square of the difference between successive normal adjacent R-R intervals, expressed in milliseconds (ms)27 and the SDNN index, which corresponds to the standard deviation of all normal sinus R-R intervals, expressed in ms16, were used.

For the analysis of the HRV in the FD, the spectral components of low frequency (LF, 0.04-0.15 Hz) and high frequency (HF, 0.15-0.40 Hz) were used in normalized units and in ms2, as well as the ratio between these components (LF/HF), which represents the relative value of each spectral component in relation to the total potency, minus the components of very-low frequency (VLF). The spectral analysis was calculated using the fast Fourier transform (FFT) algorithm2.

Data on the duration of the RR intervals were also analyzed and the HRV indices were calculated using the HRV analysis software28.

Data analysis

Descriptive statistics was used to characterize the sample profile, with the following data being represented: mean values, standard deviations, medians and 95% confidence intervals. The normality of data was determined using the Shapiro-Wilks test.

The analysis of the rest, smoking and post-smoking periods, when the data presented normal distribution, was carried out through analysis of variance (ANOVA) for repeated measures, followed by Tukey's test (SDNN variable). For data that did not present a normal distribution, Friedman's test for repeated measures was used, followed by Dunn's test (variables: RR interval, RMSSD, LFnu, HFnu, LFms2, HFms2, LF/HF, SD1, SD2, SD1/SD2). The differences in these tests were considered statistically significant when p value was < 0.05.

The calculation of the study power (GraphPad StatMate Software, release 2.00 for Windows, GraphPad Software, San Diego, California, USA), with the number of volunteers analyzed and a level of significance of 5% (two-tailed test) guaranteed a test power > 80% to detect differences between the variables.

Results

The values of the indices obtained through Poincare plot for the volunteers before, during and after smoking are shown in Table 1. Significantly lower SD1 values were observed at the Smoking and Post 1 moments, when compared to the Rest and Post 2 moments. The SD2 index showed to be significantly lower at the Smoking and Post 1 moments when compared with the Post 2 moment. The SD1/SD2 ratio showed a significantly lower value in all moments when compared to the Rest moment. Additionally, the value in the Smoking moment was also significantly lower than in the Post 2 moment.

The RR interval values and the indices in the TD and FD before, during and after smoking are shown in Table 2. Significantly lower RR interval, RR, SDNN, RMSSD, LFms2 and HFms2 values are observed in the Smoking and Post 1 moments, when compared to the Rest and Post 2 moments. The LFnu and LF/HF ratio values were significantly higher, whereas the HFnu was significantly lower in the Smoking moment, when compared to the Rest moment. Figure 1 shows an example of qualitative analysis of the Poincare plot before, during and in the periods analyzed after smoking.

 

Discussion

The results obtained through the HRV indices in the present study showed that smoking resulted in acute modifications in the HRV indices, characterized by a decrease in the parasympathetic activity and increase in the sympathetic activity, as well as the recovery of these indices 30 minutes after smoking cessation.

The analyses of the Poincare plot indices showed that the vagal modulation, represented by the index SD129 and the SD1/SD2 ratio presented a significant decrease during smoking, indicating a decrease in the HRV in these individuals (Table 01). Decreases in the linear indices RMSSD and HF, in normalized units and ms2, also occurred during the smoking period, in addition to the increase in the LF/HF ratio, confirming the decrease in the parasympathetic activity demonstrated by the indices extracted from the plot (Table 02).

Decrease in the vagal modulation during smoking was also observed by Karakaya et al11, who evaluated the acute effects of smoking in 15 nonsmoker volunteers on HRV indices and observed changes in the TD and FD, particularly in the 5-10 minutes immediately after the act of smoking, characterized by a decrease in the SDNN, RMSSD and HF indices, as well as an increase in the LF index. Nabors-Oberg et al30 equally verified a decrease in the HF index during smoking. These parasympathetic alterations seem to be related to the effects of smoking on the automaticity of the sinus node31.

The RR intervals showed to be decreased during smoking in comparison with the rest period; moreover, there was an increase in the LFnu index and the LF/HF ratio (Table 02), suggesting that during smoking, associated with the decrease in the parasympathetic activity, there was an increase in the sympathetic activity. Kobayashi et al32 observed an increase in the LF/HF ratio within 5 minutes after smoking. These findings are also in agreement with the studies by Narkiewikz et al9 and Gerhardt et al10, who observed an increase in the sympathetic modulation during smoking.

The SD2 index, characteristic of global autonomic modulation, presented lower values during smoking when compared to those observed in the rest period (Table 01) and the same occurred with the SDNN and LF indices in ms2 (Table 02).

The qualitative analysis (visual) of the plot also demonstrated the acute effect of smoking and showed the decrease in the HRV in smokers. The Poincare plot chart shows a decrease in the dispersion of points at the Smoking and Post1 moments (Figures 1B and 1C) when compared with the Rest and Post 2 moments (Figures 1A and 1D). This chart pattern, according to the literature, demonstrates an increase in the sympathetic activity and, consequently, a decrease in the HRV5,33.

The acute effects of smoking are attributed mainly to the action of nicotine that binds to nicotinic cholinergic receptors present in the autonomic ganglia, neuromuscular junctions and central nervous system, which, when stimulated, increase the release of several neurotransmitters34,35. The nicotine and others substances found in cigarettes also stimulate the release of adrenalin into the sympathetic nervous system (SNS). Additionally, the stimulation of the nicotinic receptors in the autonomic nervous system (ANS) has been associated with the sympathetic excitatory effects of smoking36.

There are three possible mechanisms to explain this sympathetic activation. The first is a direct effect on the central nervous system; and the second is a stimulatory effect on the ganglionic sympathetic transmission that leads to a subsequent increase in the postganglionic efferent sympathetic activity; and the third, is an effect on the sympathetic peripheral nervous terminations34,37. For Grassi et al38, in addition to the peripheral adrenergic stimulation, there is a partial loss by baroreflex capacity to contain it.

During the recovery period, the analysis of the indices obtained through the Poincare plot showed an increase in the vagal modulation evaluated through the SD1 index, reaching levels close to those observed in the Rest period at the Post 2 period. The SD2 index returned to basal levels at the end of the studied period, whereas the SD1/SD2 ratio remained decreased throughout the 30-minute period post-smoking (Table 01). The decrease in the SD1/SD2 ratio is due to the marked increase in the SD2 index.

As for the qualitative analysis of the plot, the alterations observed during smoking persisted throughout the period immediately after smoking (Post 1), with recovery and a pattern very similar to that observed in the Rest period in the Post 2 moment (Figure 1D).

This recovery was also observed in all linear indices of HRV throughout the 30-minute period that followed the act of smoking (Table 02), which corroborates the findings by Hayano et al12, who studied young smokers and observed an increase in HR, a decrease in the HF index three minutes after smoking and an increase in the LF index 10 to 17 minutes after smoking, with values retuning to initial levels after 24 minutes.

The recovery of the HRV indices might be related to the fact that, after smoking, there is a peak of circulating nicotine concentration, which rapidly declines during the subsequent 20 minutes due to tissue distribution39, indicating that the nicotine-induced effects on the ANS might be attenuated throughout time.

Other factors can also be mentioned to explain the rapid post-smoking recovery and, in this sense, age and the smoking characteristics of the studied individuals must be taken into account. As the individuals are young and healthy, we suppose that the ANS is intact, which guarantees the sympathetic-vagal balance necessary to maintain the normality of the autonomic cardiac control. Regarding the smoking characteristics, the low consumption of cigarettes and time of smoking might also have influenced these results.

The Poincare plot is a technique that allows the visualization of all points described in a series of consecutive RR intervals and also facilitates the identification of the abnormal points corresponding to premature beats, compensatory pauses or technical artifacts, which allows the easy correction of the RR series for the analysis of the HRV. This visualization is not possible through the spectral analysis or by the TD, which represents a good advantage of the Poincare plot in relation to these methods.

The Poincare plot allows the analysis of series of non-stationary RR intervals25 and provides both summarized and detailed information, beat-to-beat, of the cardiac behavior40.

Such aspects represent important advantages of its use in relation to linear analysis methods; however, it is worth mentioning that the direct measurement of the autonomic activity can determine whether the Poincare plot can be considered a more sensitive method to detect autonomic alterations in comparison to such methods.

In brief, the results of the present study show that smoking resulted in acute modifications in HRV indices, characterized by the decrease in the parasympathetic activity and increase in the sympathetic activity, as well as the recovery of these indices 30 minutes after smoking, which were evaluated quantitatively and qualitatively by Poincare plot.

Conclusion

The analyses of the indices extracted from the Poincare plot and the linear indices in the TD and FD showed that smoking resulted in acute modifications in the autonomic cardiac control, characterized by the decrease in the parasympathetic activity and increase in the sympathetic activity, as well as in the recovery of these indices 30 minutes after smoking. Additionally, the Poincare plot showed to be a sensitive and simple method to detect acute alterations in HRV caused by smoking.

Potential Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Sources of Funding

There were no external funding sources for this study.

Study Association

This article is part of the thesis of master submitted by Beatriz Martins Manzano, from Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT - UNESP.

References