Pulmonary function patterns in young men, long-term residents of different climatic and geographic regions of Russia (European Arctic, Far North, Central Russia)

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Вопросы оптимальной адаптации и поддержания гомеостаза организма человека являются первостепенными применительно к различным по своим характеристикам, но при этом во многом одинаково суровым природно-климатическим условиям Северо-Востока и Европейского Заполярья Северо-Запада России. Жёсткий температурно-ветровой и влажностный режимы, резкая сезонная контрастность температур окружающего воздуха, выраженный фотопериодизм, повышенная радиационная и электромагнитная активность оказывают воздействие как на пришлое, так и на укоренённое население указанных регионов. Зачастую это сочетается с низко развитой социальной инфраструктурой в местах проживания или работы, что лишь усугубляет воздействие абиотических факторов на организм человека, который не может быть полностью защищён или изолирован от влияния данного комплекса условий высоких широт Севера.

Несмотря на то что Северо-Восток и Европейское Заполярье России относятся к одному географическому понятию «Север», они в значительной степени отличаются по климатическим характеристикам, что не всегда можно объяснить различной широтностью данных регионов. Так, Кольское заполярье (Мурманская область) имеет относительно мягкий климат, что обусловлено влиянием тёплых воздушных масс, формирующихся над Северо-Атлантическим морским течением [1]. Отметим, что на Кольском полуострове время напряжённой холодовой терморегуляции составляет в среднем 152 дня, а на арктическом побережье Крайнего Севера – 345 дней [2]. При этом Магаданская область как пример региона, относящегося к Крайнему Северу, испытывает влияние континентальных арктических масс холодного воздуха. Антициклонический тип погоды обусловливает зимой низкие температуры не только на севере, но и на юге Магаданской области, в Магадане [3]. Отметим, что в отношении Северо-Востока России было описано явление циркумполярного гипоксического синдрома (или магаданской пневмопатии), формирующегося при низких температурах и низкой абсолютной влажности воздуха, в условиях которых развивается тканевая гипоксия вследствие нарушения диффузии кислорода через альвеолярно-капиллярную мембрану и формирования каскада свободнорадикальных реакций на фоне увеличения гормонов стресса [4, 5]. Кроме того, негативное влияние абиотических факторов среды ведёт к перестройке эластического аппарата лёгких, повышенным влагопотерям органов дыхания, высокой частоте встречаемости болезней респираторной системы [6, 7]. В целом можно говорить о том, что, несмотря на общее повышение уровня жизни и улучшение медицинского обслуживания, система внешнего дыхания в условиях Севера по-прежнему остаётся весьма уязвимой [8]. При этом необходимо чётко разделять влияние на функционирование внешнего дыхания непосредственно условий Севера и длительного проживания в данных условиях («северного стажа») [9].

Цель исследования. Выявить особенности функцио нирования системы внешнего дыхания у лиц молодого возраста, проживающих в различных эколого-климатических условиях Российской Федерации.

МЕТОДЫ

В ходе комплексных научно-исследовательских работ в октябре–ноябре 2024 г. обследовали 424 практически здоровых юноши 17–21 года — представителей трёх макрорегионов: Арктической зоны Российской Федерации (Мурманск, 68°58ʹ с.ш., 33°05ʹ в.д.), Крайнего Севера (Магадан, 59°34ʹ с.ш., 150°48ʹ в.д.) и средней полосы (Ульяновск, 54°19ʹ с.ш., 48°22ʹ в.д.). Обследование проводили с помощью спирографа КМ-АР 01 «Диамант-C» (Россия), работающего по принципу индексации объёмной спирометрии (тип сенсора — Лилли). Работа выполнялась на базе ФГАОУ ВО «Мурманский арктический университет» (Медицинский институт и Морская Академия), ФГБОУ ВО «Северо-Восточный государственный университет» и ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет» (Институт медицины, экологии и физической культуры). Всего было обследовано 65 юношей в Мурманске, 265 — в Магадане, 94 — в Ульяновске. Все обследованные были европеоидами, учащимися средних специальных и высших учебных заведений, имеющими стандартную физическую нагрузку в рамках учебного процесса. Курящих юношей в среднем по выборке было 33%, средний стаж курения 2,91±0,25 года. В табл. 1 представлены основные соматометрические характеристики обследованных.

Таблица 1. Соматометрические характеристики юношей из различных климатогеографических зон проживания (M+m)

Table 1. Somatometric characteristics of young men from different climatic and geographic regions of residence (M ± m)

Критерии включения в исследование: мужской пол, юношеский период онтогенеза, отсутствие острых и хронических заболеваний, жалоб на состояние здоровья, наличие информированного согласия. Все лица, вошедшие в выборку, являлись постоянными жителями исследуемого региона.

Северо-Запад Российской Федерации (Мурманская область) характеризуется относительно мягким климатом, сформированным под влиянием тёплых воздушных масс, с положительной среднегодовой температурой в Мурманске — 2,1 °С. Северо-Восток Российской Федерации (Магаданская область) подвержен постоянному влиянию арктических воздушных масс, когда температура окружающего воздуха опускается до −55 °С (центральные районы области), среднегодовая температура составляет −2,7 °С (Магадан) [1, 3]. В качестве контрольной группы рассмотрена популяция юношей — уроженцев средней полосы России (Ульяновская область), так как данный регион характеризуется умеренно-континентальным климатом [10] и его можно рассматривать как регион, комфортный для проживания (среднегодовая температура — 5,2 °С).

Полученные показатели функции внешнего дыхания сравнивали с должными значениями, рассчитанными для популяции жителей центральной части [11, 12]. Анализи ровали следующие показатели: время выполнения манёвров (Тжел, с; Тфжел, с), жизненная и форсированная ёмкость лёгких (ЖЕЛ, л; ФЖЕЛ, л), объём форсированного выдо ха за первую секунду (ОФВ₁, л), пиковая объёмная скорость (ПОС, л/с), мгновенные объёмные скорости на участках 25%, 50%, 75% от ФЖЕЛ (МОС_25%; МОС_50%; МОС_75%, л/с), средняя объёмная скорость (СОС_25-75%, л/с), а также индексы Генслера и Тиффно (усл. ед.). В прибор заранее вводили показатели температуры воздуха в помещении и атмосферного давления. Перед каждым испытуемым прибор подвергался объёмной калибровке.

Исследовательские работы проводили в соответствии с принципами Хельсинкской декларации при одобрении локального этического комитета НИЦ «Арктика» ДВО РАН (заключение № 002/021 от 26.11.2021). До включения в исследование у всех обследуемых было получено добровольное письменное информированное согласие.

Статистическую обработку данных производили с помощью пакета Microsoft Excel 2013. Проверку на нормальность распределения осуществляли с помощью теста Шапиро и Уилка. Рассчитывали средние величины показателей (M) с ошибкой средней (±m). Значимость различий оценивали с помощью с помощью t-критерия Стьюдента для независимых выборок. При р < 0,05 принималась гипотеза о наличии различий между представленными выборками.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При рассмотрении функции внешнего дыхания (табл. 2) юношей Магадана и Мурманска можно констатировать, что, несмотря на отсутствие межгрупповых изменений ЖЕЛ (в относительных величинах), наблюдались различия в отношении ФЖЕЛ, а также времени выполнения данного дыхательного манёвра. Оба показателя были значимо выше в группе мурманчан, причем ФЖЕЛ выше как в абсолютном (л), так и относительном (%, долж.) значениях. Кроме того, схожая картина наблюдалась применительно к ПОС, которая также была выше в группе юношей Мурманска. Тем не менее большинство обнаруженных различий имели противоположную направленность, причём все они относились либо к индексам Генслера и Тиффно, либо к группе значений, характеризующих бронхиальную проходимость всех без исключения участков бронхиального дерева. Так, показатель проходимости крупных бронхов (МОС_25%) был значимо выше у юношей из Магадана, при этом в обеих группах значения несколько выходили за границы нормативов, общепринятых в качестве среднероссийских должных уровней.

Таблица 2. Характеристики функции внешнего дыхания обследованных юношей из трёх макрорегионов, M±m (σ)

Table 2. Pulmonary function characteristics of young men from three macroregions (M ± m, σ)

Примечание. Тжел, Тфжел — время выполнения манёвров; ЖЕЛ — жизненная ёмкость легких; ФЖЕЛ — форсированная ёмкость лёгких, ОФВ₁ — объём форсированного выдоха за первую секунду; ПОС — пиковая объёмная скорость; МОС_25% — скоростные характеристики крупных бронхов, МОС_50% — средних бронхов, МОС_75% — мелких бронхов; СОС — средняя объёмная скорость; ИТ — индекс Тиффно; ИГ — индекс Генслера.

Проходимость средних бронхиол (МОС_50%) демонстрировала ещё больший разрыв у жителей разных регионов, при этом у магаданцев она была выше должного уровня, а у мурманчан опускалась до 95%. Наибольшие отличия были зафиксированы в отношении проходимости дистальных бронхиол (МОС_75%), показатель которых увеличивался более чем на треть от нормативных значений у юношей Магадана и лишь незначительно был повышен у юношей Мурманска. Данная картина позволила установить, что СОС бронхопроходимости лёгочного дерева в Мурманске всё же соответствовала должным величинам, в то время как для Магадана она была на 15% выше и значимо отличалась от юношей-мурманчан. Оба индекса (Тиффно и Генслера) в целом не выходили за границы должных значений, характерных для нормальных здоровых лиц, но у магаданцев они были выше, что в большей степени было характерно для индекса Генслера.

При сравнении лиц, проживающих в различных климатических регионах — Крайний Север (Магадан) и условно-комфортная климатическая часть России (средняя полоса, Ульяновск), были обнаружены достаточно интересные тенденции. Если говорить об объёмных величинах лёгких (ЖЕЛ и ФЖЕЛ), то можно отметить их значимое повышение у юношей средней полосы России. По мере перехода от объёмных к объёмно-скоростным показателям при рассмотрении межгрупповых изменений можно наблюдать практически полное отсутствие значимых различий у юношей из вышеуказанных регионов. При этом максимальные полученные значения фиксировали исключительно у магаданцев — до 109% относительно должных величин (крупные бронхи), хотя и без значимых различий. С уменьшением структурных единиц лёгких наблюдали заметно бÓльшие отклонения от должных величин и, как следствие, выраженные межгрупповые различия. Показатели проходимости средних бронхов, оставаясь у жителей комфортной зоны проживания на должном уровне, значимо повышались у магаданцев — до 113%. Мелкие (дистальные) бронхиолы демонстрировали самый значительный рост у лиц обеих групп, при этом межгрупповой разрыв также был самый большой для данного показателя состояния лёгочной системы (разница в 27%). СОС была выше у представителей Магадана, хотя в относительных (%) величинах значимо не различалась. Разница между лицами из средней полосы и Магадана достигала 14%. Индексы Генслера и Тиффно были выше у юношей Магадана, отличаясь в бÓльшую сторону относительно лиц из средней полосы Российской Федерации.

Следует отметить практически полное отсутствие различий между группами юношей Мурманска и Ульяновска. Лишь ЖЕЛ — единственный показатель из всех проанализированных характеристик у юношей из средней полосы России был значимо выше, чем у мурманчан, и к тому же являлся наивысшем среди юношей всех обследованных групп.

ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее проведённые исследования показали, что у жителей северных регионов наблюдается стойкий бронхоконстрикторный эффект в результате воздействия на лёгочные структуры низких температур, который рассматривается как вариант холодовой травмы [13]. Выполненные нами сравнительные исследования среди жителей Сыктывкара и Магадана выявили функциональные перестройки в организме в ответ на изменения факторов внешней среды [14]. Текущее исследование, затрагивающее непосредственно Арктическую зону Российской Федерации в сравнении с регионом Крайнего Севера и средней полосы, позволяет констатировать, что максимальное количество изменений в работе функции внешнего дыхания в пределах должных величин было зафиксировано для жителей Магадана. При этом у юношей из указанного региона не только не было обнаружено признаков бронхообструкции, но наблюдалась противоположная тенденция. Первый маркёр нарушения проходимости бронхов (ОФВ₁) [15] у магаданских юношей был максимальным среди всех обследованных групп (хотя и не имел значимых различий), индексы Тиффно и Генслера также значимо отличались в бÓльшую сторону на фоне юношей из Мурманска и Ульяновска. Но самые высокие различия были установлены в отношении проходимости нижних участков трахеобронхиального дерева, где увеличение диаметра дистальных бронхиол более чем на треть превышало должную величину. Следует предположить, что значительное повышение показателей, характеризующих проходимость бронхиол, направлено на защиту лёгких от развития функциональных нарушений в результате пневмосклероза, обусловленного увеличением секреции слизи вследствие увеличения числа бокаловидных клеток как адаптивного ответа организма на повышенное кондиционирование холодным и сухим атмосферным воздухом северных территорий [13, 16, 17]. Отсутствие подобных проявлений у юношей Мурманска, возможно, связано с тем, что в Арктической зоне на первое место по воздействию абиотических факторов на организм выходит изменённый фотопериодизм высоких широт: короткий световой день зимой и длинный летом и, как следствие, нарушение циркадных ритмов, потенциальный дефицит витамина D, напряжение в работе гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси. В то же время в условиях Крайнего Севера (применительно к Магаданской области) это прежде всего длительные стойкие отрицательные температуры окружающего воздуха на фоне его низкой относительной влажности [18]. На рис. 1 графически отмечено, с какого момента на функционально-организационном уровне начинается значительное расхождение показателей функции внешнего дыхания у лиц, проживающих в обследованных регионах. При этом объёмные величины лёгких, характеризующие общую воздухоносность респираторной системы (на примере ФЖЕЛ), у юношей Магадана были значимо ниже, что особенно хорошо видно при сравнении их с юношами Ульяновска и представляется вполне обоснованной компенсаторно-приспособительной реакцией в ответ на жёсткий температурно-влажностный режим Магадана, так как охлаждение дыхательных путей может способствовать чрезмерному охлаждению лёгочной ткани из-за дисбаланса между поступающим в дыхательные пути воздухом и пристеночной температурой [19]. В этой связи увеличение калибра средних и особенно мелких бронхиол у магаданцев позволяет, с одной стороны, усилить лёгочный газообмен, необходимый для обеспечения повышенных северных энергозатрат, а с другой — защитить чувствительные мелкие структуры ацинусов лёгких от действия низких температур, так как на уровне терминальных бронхиол конвективный внутрилёгочный воздушный поток уступает место диффузии как основному механизму доставки воздуха в респираторную зону лёгких [20].

Рис. 1. Показатели функции внешнего дыхания юношей Магадана, Мурманска, Ульяновска. За 100% приняты должные величины по Р.Ф. Клементу (1986). ФЖЕЛ — форсированная ёмкость лёгких, МОС_25% — скоростные характеристики крупных бронхов, МОС_50% — средних бронхов, МОС_75% — мелких бронхов.

Fig. 1. Pulmonary function parameters in young men from Magadan, Murmansk, and Ulyanovsk. Predicted reference values according to Klement (1986) were taken as 100%. FVC, forced vital capacity; MEF₂₅%, maximal expiratory flow at 25% (large bronchi); MEF₅₀%, maximal expiratory flow at 50% (medium bronchi); MEF₇₅%, maximal expiratory flow at 75% (small bronchi).

При рассмотрении количества лиц, обследованных в каждой выборке, где имело место отклонение основных показателей функции внешнего дыхания от должных (100%) величин в большую или меньшую сторону, можно констатировать примерно одинаковое распределение для мурманчан, ульяновцев и магаданцев по ЖЕЛ с некоторым преобладанием превышения нормативов (у 58%, 52% и 57% юношей соответственно). Значительно чаще в популяции обследованных встречались отклонения по интегральному показателю СОС, характеризующему бронхопроходимость большей части лёгочного дерева. В Ульяновске 59% юношей имели превышение нормативного показателя по СОС_25–75%, в Мурманске — 42%, в Магадане — 77%. Данное обстоятельство ещё раз косвенно указывает на то, что критическими структурами лёгких с точки зрения формирования напряжения в результате долгосрочного адаптивного ответа представляются средние и мелкие бронхиальные структуры, отражением состояния которых является показатель СОС_25–75%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволили установить региональные особенности функционирования системы внешнего дыхания у лиц молодого возраста, проживаю щих в экстремальных природно-климатических условиях Арктической зоны и Крайнего Севера Российской Федерации. В целом проведённое исследование указывает на сформировавшуюся картину повышенного напряжения в работе функции внешнего дыхания в первую очередь у юношей, длительно проживающих в условиях Крайнего Севера (Магадан), даже в сравнении с лицами из Арктической зоны (Мурманск). При этом оптимальные характеристики функции внешнего дыхания отмечались у обследованных юношей из средней полосы России (Ульяновск), для которых по ряду характеристик бронхолёгочной системы отклонения от должных величин были минимальны.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. С.И. Вдовенко — определение концепции, сбор и работа с данными, визуализация, написание и редактирование рукописи. Автор одобрил рукопись (версию для публикации), а также согласился нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом НИЦ «Арктика» ДВО РАН (заключение № 002/021 от 26.11.2021).

Согласие на публикацию. Все участники исследования добровольно подписали форму информированного согласия до включения в исследование.

Источники финансирования. Работа выполнена за счёт бюджетного финансирования НИЦ «Арктика» ДВО РАН в рамках темы «Комплексные молекулярно-генетические и морфофункциональные детерминанты адаптационных перестроек в условиях Севера» (рег. номер 1025031800012-3-3.1.8).

Раскрытие интересов. Автор заявляет об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы автор не использовал ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Благодарность. Автор рукописи выражает благодарность Людмиле Александровне Мишаниной и Михаилу Васильевичу Балыкину за помощь в организации обследуемых контингентов.

ADDITIONAL INFORMATION

Author сontributions: S.I. Vdovenko: conceptualization, data curation, visualization, writing—original draft, writing—review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: The study was approved by the Local Ethics Committee of the Scientific Research Center Arktika, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences (Conclusion No. 002/021 dated November 26, 2021)

Consent for publication: All participants provided written informed consent to participate in the study.

Funding sources: The study was supported by budgetary funding from the Scientific Research Center Arktika, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, as part of the research project Comprehensive Molecular-Genetic and Morphofunctional Determinants of Adaptive Remodeling under Northern Conditions (Registration No. 1025031800012-3-3.1.8).

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously published material (text, images, or data) was used in this work.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work, as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer-review process involved two external reviewers, a member of the Editorial Board, and the in-house science editor.

Acknowledgments: The author expresses sincere gratitude to Lyudmila A. Mishanina and Mikhail V. Balykin for their assistance in organizing the study cohorts.

About the authors

Sergei I. Vdovenko

Author for correspondence.
Email: vdovenko.sergei@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4761-5144
SPIN-code: 5475-4644

Cand. Sci. (Biology)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Pulmonary function parameters in young men from Magadan, Murmansk, and Ulyanovsk. Predicted reference values according to Klement (1986) were taken as 100%. FVC, forced vital capacity; MEF25%, maximal expiratory flow at 25% (large bronchi); MEF50%, maximal expiratory flow at 50% (medium bronchi); MEF75%, maximal expiratory flow at 75% (small bronchi).

Download (23KB)

Indexing metadata