Abstract

The benefits of regular exercise for wellbeing and health during all stages of life are unambiguous. Physical exercise is therefore crucial for the prevention, treatment, and rehabilitation of coronary artery disease (CAD). A cold environment can induce cardiac symptoms or increase the risk of adverse health events. However, the combined effects of cold and moderate sustained exercise, both known to increase cardiac workload, on cardiovascular responses are not well known.

We conducted two four-period cross-over trials. In the first protocol, we selected 20 CAD patients, who performed moderate-intensity lower-body exercise (walking at 65‐70% of HR max) and rested in neutral (+22 °C) and cold (-15 °C) conditions. In the second protocol, CAD patients (n=20) performed static (five 1.5-min work cycles, 10‐30% of maximal voluntary contraction) and dynamic (three 5-min workloads, 56‐80% of HR max) upper-body exercise at the same temperatures. Both trials consisted of four 30-min exposure periods administered in randomized order. Brachial, central aortic, and continuous blood pressure (BP), as well as electrocardiography (ECG) and skin temperature, were measured.

The combined effects of cold and lower-body dynamic exercise increased rate pressure product (RPP) by 17% compared with neutral conditions (p=0.001). This was primarily due to sustained higher systolic BP, but also a slightly increased heart rate (HR). Dynamic graded upper-body exercise in the cold increased RPP by 18.1‐24.4% (p=0.002–0.020), whereas RPP during static exercise remained unaltered due to decreased HR (4.1‐7.2%; p=0.009‐0.033). Post-exercise central systolic BP decreased by 2‐10 mmHg (p<0.001) both after lower- and upper-body dynamic exercise, regardless of temperature. Central systolic BP remained elevated after static upper-body exercise in the cold by 7±6 mmHg (p<0.001). ECG was largely unaltered, regardless of the type of exercise or temperature.

Whole-body exposure to cold during dynamic and static exercise involves higher cardiovascular strain than with a neutral environment among patients with stable CAD. However, no marked changes in ECG indicating myocardial ischemia or other changes were observed. The results support that stable CAD patients probably benefit from year-round regular dynamic exercise, but responses to the following static exercise should be examined further.

Tiivistelmä

Säännöllisen liikunnan hyödyt hyvinvointiin ja terveyteen ovat selkeitä kaikissa elämän vaiheissa. Näin ollen, fyysinen liikunta on tärkeää sepelvaltimotaudin ennaltaehkäisyssä, hoidossa ja kuntoutuksessa. Kylmä ympäristö voi aiheuttaa sydänoireita tai lisätä haitallisia sydäntapahtumia. Kylmän ympäristön ja kohtuukuormitteisen liikunnan tiedetään molempien kohottavan sydämen työmäärää, mutta niiden yhteisvaikutuksia ei tunneta hyvin.

Suoritimme kaksi erillistä neljän jakson vaihtovuoroista kokeellista tutkimusta. Ensimmäiseen tutkimukseen valitsimme 20 sepelvaltimotautipotilasta, jotka suorittivat kohtuukuormitteisen alavartaloliikunnan (kävely 65‐70 % maksimi sykkeestä) ja lepäsivät sekä lämpimässä (+22 °C) että kylmässä (-15 °C) ympäristössä. Toisessa tutkimuksessa, sepelvaltimotautipotilaat (n=20) suorittivat staattisen (1,5 min työsyklit, 10‐30 % maksimisuorituksesta) ja dynaamisen (kolme 5 min työsykliä, 56‐80 % maksimi sykkeestä) ylävartaloliikunnan lämpimässä ja kylmässä. Molemmat tutkimukset sisälsivät neljä 30 min altistusjaksoa satunnaistetussa järjestyksessä. Olkavarsi, aortan tason ja jatkuva verenpaine sekä sydänsähkökäyrä (EKG) ja iholämpötilat mitattiin.

Kylmän ja alavartaloliikunnan yhteisvaikutukset kohottivat sydämen työmäärää 17 % verrattuna lämpimään ympäristöön (p=0,001). Tämä johtui pääosin korkeammasta systolisesta verenpaineesta, mutta myös osittain kohonneesta sykkeestä. Dynaaminen ylävartalotyö kylmässä kohotti sydämen työmäärää 18,1‐24,4 % (p=0,0020‐0,020), kun taas sydämen työmäärä ei muuttunut staattisen työn aikana madaltuneen sykkeen vuoksi (4,1‐7,2 %; p=0,009‐0,033). Liikunnan jälkeinen aortan tason verenpaine laski 2‐10 mmHg sekä dynaamisen ala- ja ylävartaloliikunnan jälkeen riippumatta lämpötilasta. Aortan tason verenpaine pysyi koholla staattisen ylävartalotyön jälkeen 7±6 mmHg (p<0,001). EKG muutoksia ei juurikaan havaittu tutkimuksen kahden lämpötilan ja kahden liikuntatavan määrittämien altistusjaksojen aikana.

Sepelvaltimotautipotilaan koko kehon kylmäaltistus yhdessä dynaamisen ja staattisen liikunnan kanssa lisää sydämen kuormitusta verrattuna lepoon lämpimässä. Tästä huolimatta merkittäviä EKG muutoksia ei havaittu. Tulokset viittaavat siihen, että sepelvaltimotautipotilaat todennäköisesti hyötyvät ympärivuotisesta dynaamisesta liikunnasta, mutta staattista liikuntaa on syytä tutkia tarkemmin.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Valtonen, R. I. P., Kiviniemi, A., Hintsala, H. E., Ryti, N. R. I., Kenttä, T., Huikuri, H. V., Perkiömäki, J., Crandall, C., van Marken Lichtenbelt, W., Alén, M., Rintamäki, H., Mäntysaari, M., Hautala, A., Jaakkola, J. J. K., & Ikäheimo, T. M. (2018). Cardiovascular responses to cold and submaximal exercise in patients with coronary artery disease. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 315(4), R768–R776. https://doi.org/10.1152/ajpregu.00069.2018

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Valtonen, R. I. P., Hintsala, H. H. E., Kiviniemi, A., Kenttä, T., Crandall, C., van Marken Lichtenbelt, W., Perkiömäki, J., Hautala, A., Jaakkola, J. J. K., & Ikäheimo, T. M. (2022). Cardiovascular responses to dynamic and static upper-body exercise in a cold environment in coronary artery disease patients. European Journal of Applied Physiology, 122(1), 223–232. https://doi.org/10.1007/s00421-021-04826-x

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Hintsala, H. E., Valtonen, R. I. P., Kiviniemi, A., Crandall, C., Perkiömäki, J., Hautala, A., Mäntysaari, M., Alén, M., Ryti, N., Jaakkola, J. J. K., & Ikäheimo, T. M. (2021). Central aortic hemodynamics following acute lower and upper-body exercise in a cold environment among patients with coronary artery disease. Scientific Reports, 11(1), 2550. https://doi.org/10.1038/s41598-021-82155-x

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version