Impact of parenthood on cardiac autonomic activity : assessment and sex differences of heart rate and QT variability

The existence of physiological differences between men and women is now a wellestablished fact, resulting in the birth of gender-specific medicine, which is the study of how sex and gender impact normal human physiology and pathophysiology. Sex specific mechanisms are especially evident in cardiovascular physiology, as well as in the autonomic regulation of cardiac activity. Explanations to this fact include hormonal regulation, which effect could impact in sex specific ways on the Autonomic Nervous System (ANS). Although parenthood is known to significantly influence hormonal balance in both men and women, its repercussion on autonomic cardiac activity has never been studied in literature. The main novelty introduced by the present work of Thesis is the proposal of a first assessment of the changes underwent by the cardiac autonomic activity of both men and women when facing parenthood. To this purpose 100 healthy subject working as healthcare professionals at IRCCS ICS Maugeri were enrolled as experimental population and underwent a three phases protocol. Firstly, they were subjected to a medical examination to verify their suitability to take part in the present study. In this context, their demographic and personal data were collected, including information regarding their parental status. Subjects were considered parents if having offspring younger than six years old, and were divided into subgroups based on this information and on their gender, resulting in four experimental subpopulations (females with and without offspring, males with and without offspring). Secondly, their psychological status was assessed by means of clinical validated questionnaires. This step was necessary since stress and burnout, to which healthcare professionals are especially prone, are known to substantially affect ANS activities. Finally, their Holter ECG recordings were collected during working and sleeping hours, to assess ANS activity both during the day and the night. Their cardiac autonomic activity was investigated by means of the Heart Rate Variability (HRV) analysis conducted through the traditional time and spectral domain indexes extraction, traditionally employed to non-invasively assess the level of activation of the parasympathetic and sympathetic branches of the ANS. Since previous literature has highlight that HRV manages to only partially assess the sympathetic tone, additional analyses have been conducted by means of the QT Variability (QTV) assessment, which has been recognized to better reflect alterations of the sympathetic nervous system activity. The analyses described lead to three main findings: 1. Sex-based differences are evident in QTV but not in HRV; 2. Parenthood affects women’s night vagal tone but not QTV; 3. Parenthood does not affect men’s HRV nor QTV. From these results is possible to conclude that the sex-based differences in HRV and QTV known in the State of the Art are exacerbated by parenthood. The presence of offspring was in fact observed to especially affect women in terms of a nocturnal vagal hypotonia and in a loss of circadian rhythm in the vagal activity as well, while their sympathetic activity did not undergo changes, as emerged by the QTV analysis. Future works could employ non-linear indicators (e.g. entropy) to assess both sex-based differences in QTV and parenthood impact on cardiac variability. Moreover, an assessment of the relationship between heart rate and QT interval could clarify sex differences characterizing the QTV.

La sussistenza di differenze fisiologiche tra uomini e donne è un fatto ad oggi noto, in risposta al quale si è sviluppato il campo scientifico della medicina di genere, allo scopo di indagare come sesso e genere possano influenzare la fisiologia e la patofisiologia umana. L’esistenza di meccanismi specifici per ciascun sesso è particolarmente evidente nella fisiologia cardiovascolare, così come nel controllo dell’attività cardiaca da parte del Sistema Nervoso Autonomo (SNA). Tra le spiegazioni a questo fenomeno vi è il fatto che la regolazione ormonale potrebbe influenzare l’attività del SNA in modo diverso nei due sessi. Nonostante sia noto che la genitorialità influenzi fortemente l’equilibrio ormonale non solo nelle donne, ma anche negli uomini, il suo impatto sull’attività autonomica diretta al cuore non è mai stato valutato. Il contributo principale proposto da questa Tesi consiste quindi nel proporre una prima valutazione dei cambiamenti cui è soggetto il controllo autonomico dell’attività cardiaca di madri e padri di prole in età prescolare. A questo scopo, 100 soggetti sani, operatori sanitari presso IRCCS ICS Maugeri, sono stati arruolati e sottoposti a un protocollo sperimentale in tre fasi. Inizialmente, la popolazione sperimentale è stata sottoposta a una visita medica atta a verificare l’idoneità alla partecipazione al presente studio. In questo contesto, sono stati raccolti anche i loro dati demografici e informazioni personali, tra cui quelle relative alla condizione genitoriale. I soggetti sono stati considerati come genitori se aventi prole minore dei 6 anni di età, e sono stati divisi in sottogruppi in base a quest’informazione e al genere di appartenenza, risultando quindi in quattro sottopopolazioni sperimentali (donne con e senza figli, uomini con e senza figli). In una seconda fase il loro stato psicologico è stato valutato tramite questionari clinici. Questo passaggio si rende necessario in quanto stress e burnout, a cui i professionisti nell’ambito sanitario sono particolarmente esposti, influenzano significativamente l’attività del Sistema Nervoso Autonomo. Infine, è stato acquisito l’Holter ECG dei soggetti, allo scopo di valutarne l’attività autonomica diurna e notturna. La regolazione cardiaca da parte del sistema nervoso autonomo è stata stimata attraverso l’analisi dell’Heart Rate Variability (HRV), condotta tramite i tradizionali indicatori nei domini del tempo e delle frequenze, utilizzati nella routine clinica e di ricerca per valutare il tono delle branche parasimpatica e simpatica del SNA. Studi precedenti hanno mostrato come, tuttavia, l’analisi dell’HRV riesca a stimare solo parzialmente il livello di attivazione della branca simpatica, per questo motivo sono state condotte analisi supplementari per valutare la variabilità dell’intervallo QT (QTV), che è stato riconosciuto riflettere più efficacemente oscillazioni nel livello di attivazione del Sistema Nervoso Simpatico. Le analisi condotte hanno portato a tre risultati principali: 1. Le differenze di genere sono evidenti nella QTV ma non nell’HRV; 2. La maternità influenza il tono vagale notturno ma non la QTV; 3. La paternità non altera né l’HRV né la QTV. Da questi risultati è possibile concludere che le differenze di genere nelle variabilità di HR e QT note nello Stato dell’Arte siano esacerbate dall’esperienza della genitorialità. La presenza di prole infatti risulta influenzare soprattutto le donne nei termini di un ipotono vagale notturno e in una perdita della circadianità dell’attività parasimpatica. Al contrario, il tono simpatico non risulta subirevariazioni, come emerso dall’analisi della variabilità dell’intervallo QT. Lavori futuri potrebbero includere l’utilizzo di indicatori non lineari (e.g. l’entropia) per valutare più approfonditamente le differenze di genere emerse nell’analisi della QTV e l’impatto della genitorialità sulla variabilità cardiaca. Inoltre, una valutazione della relazione tra frequenza cardiaca e intervallo QT potrebbe contribuire a chiarire le cause delle ampie differenze di genere caratterizzanti la QTV.