Бойко Е.Р.

Архангельск, 4 декабря 2012 г.
МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА
НА СЕВЕРЕ
Бойко Евгений Рафаилович
ФГБУН Институт физиологии
Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар
Раздражители, оказывающие влияние
на организм человека на Севере







Контрастная фотопериодика;
Холодовой фактор, усугубляемый ветром
и влажностью;
Гелио- геофизические факторы;
Особенности рациона, микро- и
макроэлементный состав пищи и воды;
Социальный и психологический стресс;
Бедность ландшафта и цветовой гаммы;
Антропогенные факторы;
Систематический
фактор
*
Несистематический
фактор
Несистематический
фактор
Учитывая непрерывный характер воздействия раздражителей на организм человека,
необходимо выделять отдельные группы
населения Севера, различаюшиеся характером адаптивных перестроек в организме.
(Авцын, соавт., 1985; Казначеев, 1980)




Коренное население
1. Аборигены Севера – из числа
т.н. малочисленных народностей,
2.«большие северные народы» коми, якуты.
потомки пеpеселенцев, мигpантов т.е. лица, pодившиеся на Севеpе,
их условно называют «местные
pусские».





Мигранты
В зависимости
от северного
стажа
- 1-3 года;
3-8 (15) лет;
более 15 лет;
Подходы к изучению процессов
жизнедеятельности человека на
Севере
1. добровольцы –практически здоровые
лица подвергаются воздействию факторов например охлаждению в температурных
камерах при разных температурах
2. к однократному (как правило)
воздействию низких температур
присоединяется иное, стандартизованное
воздействие - например, физическая
нагрузка.


3. наблюдение производится в ходе «field
operations», когда группа людей
некоторое время находится в условиях
проживания в природных условиях. В этой
ситуации имеет место комбинированное
воздействие холодового фактора,
физической нагрузки, которые
периодически повторяются, хотя, общая
длительность самого эксперимента, как
правило, не превышает нескольких
недель или месяцев.



4. анализируются данные годичного цикла
наблюдения. Как правило речь идет о
наблюдениях зимовщиков в Антарктиде.
5. Проведение эпидемиологических
одномоментных обследований северян.
6. Мониторирование и наблюдение групп
населения Севера в рамках пилотных
исследований постоянно или достаточно
длительно (несколько лет).
Важные новые данные
При
многомесячном
мониторинге функциональных
показателей участников проекта
«Марс-500» на Севере России с
использованием
аппаратнопрограммного
комплекса
«Экосан-2007» у большинства
практически здоровых лиц в
отдельные
периоды
обследования
выявлены
донозологические
состояния
организма.
14,5
4
14
3,8
Миокард, %
13,5
3,6
ПАРС, баллы
3,4
13
3,2
12,5
3
Апрель
Май
Июнь
Апрель
Июль
Май
Июнь
Июль
140
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
120
100
IC, б/р
80
Аритмия, %
60
SI, усл.ед.
40
20
Апрель
Май
Июнь
Июль
0
Апрель
Май
Июнь
Июль
Для понимания сути происходящего в организме
человека на Севере, при формировании «полярного
метаболического типа», понимания особенностей
функционирования тканевых метаболических путей
в организме северян принципиально важно
определить что является «ключевыми элементами»
- точками отсчета в последующих событиях
разворачивающихся в организме человека. Эта
дискуссия ведется в настоящее время как на
молекулярно-клеточном уровне, так и на клеточнотканевом и организменном уровне.
1.
Ключевой элемент в разворачивающихся физиологических, метаболических и нейроэндокринных
перестройках у человека в условиях Севера это
необходимость обеспечения и поддержания на
организменном уровне эффективных поставок:
- глюкозы;
- свободных жирных кислот;
а также их поставок в периферические ткани
соответственно меняющимся условиях
существования (Север) на надлежащем уровне
2.
Вторым ключевым элементом являются
изолированные эффекты внешних
раздражителей, которые приводят к частным
«возмущениям» в отдельных метаболических
путях, физиологических системах и отдельных
звеньях нейроэндокринной системы, которые в
условиях Севера имеют системный или
несистемный характер, и не влияют напрямую
на механизмы поддержания баланса ГЛЮ/СЖК,
однако опосредованно могут уменьшать лимиты
реагирования поддерживающих систем.
3.
Предметом отдельного обсуждения
является активизация процессов
свободнорадикального окисления у
жителей Севера на которых я позволю
себе только упомянуть и подробно не
останавливаться в данном сообщении
поскольку на конференции был
представлен прекрасный доклад
профессора Архипенко Ю.В.
Активность глутатионпероксидазы эритроцитов у
молодых мужчин-северян и жесткость погоды
ГП
Жесткость
погоды
***
120
1200
1000
100
800
80
600
60
400
***
40
ккал/м2 в час
мкмоль/мин/г гемоглобина
140
200
20
0
0
X-1
XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X-2
Месяцы обследований
***p<0,001- значимость различий по сравнению с предыдущим месяцем
Уровень глюкозы в периферической
крови мужчин-северян в марте
ммоль/л
5,5
5
4,5
4
3,5
3
< 6 мес
7-12 мес 13-18 мес 19-24 мес более 10
лет
Мигранты - северный стаж
ненцы
чукчи
эскимосы
аборигены
Бойко, 2005
Динамика общей заболеваемости ожирением всех
возрастных групп населения, проживающего на
территориях Европейского Крайнего Севера и
приравненных к нему территориях в 1996-2006гг.(‰)
9,0
7,9
7,3
8,0
7,0
4,8
6,0
6,0
5,4
4,6
5,0
4,0
4,1
2,8
2,7
2,4
3,0
2,0
1,1
1,2
1,3
0,8
1,0
1,0
1,4
1996 г.
рн
рн
ск
ий
Ко
рт
ке
ро
с
м
ск
ьЦ
ил
е
Ус
т
И
ж
ем
ск
ий
ий
рн
р
г.
С
ы
кт
ы
вк
а
к
Ус
ин
с
г.
г.
В
ор
к
ут
а
РК
РФ
0,0
2006 г.
Бабенко ЛГ, Бойко ЕР, 2010
Динамика общей заболеваемости сахарного диабета
II типа среди всего населения, проживающего на
территориях европейского Крайнего Севера и
приравненных к ним территориях в Республике Коми
с 1996 г. по 2006 г. (‰ₒ)
18,6
16,8
15,1
14,2
12,7
11,7
8,2
5,6
11,2
10,9
9,0
7,2
1996 г.
2006 г.
н
н
рск
ий
ий
ер
ос
рт
к
Ко
Ус
ть
-Ц
ил
е
И
ж
ем
ск
ий
р-
р-
н
ы
вк
ар
ы
кт
г.
С
Ус
ин
ск
г.
г.
В
ор
к
ут
а
РК
6,0
1,4
4,6
м
ск
8,7
РФ
20,0
18,0
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
1.1.Проблемы инсулярной регуляции
1.1.1. снижение базального синтеза Инсулина
-«диабет напряжения Л.Е.Панина» на фоне
активации синтеза глюкокортикоидов (1.2.) и
катехоламинов (Степанова 1985; Догадин 1993;
Бойко, Ткачев 1994);
1.1.2. снижение чувствительности рецепторов к ИНС
в условиях холода (Vallerand, Jacobs,1984, 1992);
1.1.3. очень «легкое» развитие СД 2 типа у
аборигенов Севера (Young et al, 1994) ;
1.2.
Взаимоотношения в системе
контринсулярных
гормонов мы рассмотрим далее
на примере только системы
гипофиз-щитовидная железа
1.3. Проблемы гормональной рецепции
1.3.1. Проблема фосфолипидного компонента
мембран – дефицит у жителей Севера холинсодержащих фосфолипидов (Бойко, Бичкаева, 2001);
Причины – активация процессов СРО у северян,
дефицит холина –витаминоподобное соединение);
1.3.2. Проблемы реализации эффекта (?)
внутриклеточных «вторичных вестников» ;
1.4. Проблемы глюконеогенеза
1.4.1. Показано, что у аборигенного населения
Севера преимущественным субстратом
глюконеогенеза служат аминокислоты;
1.4.2. У разных групп жителей Севера отмечена
отчетливая склонность к развитию
гиперлактатемии даже в покое (в том числе и
сезонной) ;
Особое место в условиях Севера
занимает система гипофиз-щитовидная
железа в связи с тем, что именно с
участием тиреоидных гормонов
продуцируемым щитовидной железой Т3 и Т4 связываются процессы
теплопродукции и потребления
кислорода в покое.
Ткачев
Анатолий
Владимирович
мигрант
абориген
1 - надпочечник
2 - щитовидная железа
3 - эпифиз
4 - ....
3
2
3
2
1
1
Неадаптированный организм
8-15 лет
1. Раннее старение;
2. рост заболеваемости;
3. хронизация болезней;
4. ………
Полярный адаптивный
метаболический тип
1. Раннее истощение репродуктивной функции;
2. ограничение лимитов реагирования на раздражители;
3. ……
Бойко и соавт., 2005 г.
Показано (Leppaluoto, 88) что гипоталамогипофизарная система у взрослого человека
нечувствительна к кратковременным холодовым
воздействиям потому что снижение
температуры ядра тела у взрослых людей может быть
не столь отчетливо. Это касается ситуации, когда
температура ядра тела в экспериментах снижалась на
0,4-0,9t’C. При более сильном кратковременном
охлаждении человека (10 мин в холодной воде +12t’C
– температура барабанной перепонки понижалась на
1t’C) отмечался двухкратный прирост уровня
сывороточного ТТГ.
Анализ литературы свидетельствует, что
роль ТГ при длительных холодовых
воздействиях остается все еще недостаточно
изученной (Silvestri, Laurberg, 2005), а
механизмы стимулирования адаптивного
термогенеза у разных видов животных могут
иметь отчетливые различия, а материалы
полученные на лабораторных животных не
отражают ситуацию у других видов и
особенно у человека (Leppaluoto, 2005).
Так, повышение уровня Т3 и Т4 было установлено у
лиц работающих на открытом воздухе в зимнее
время по сравнению с теплым периодом года
[Nagata, 1976], и сформировалась концепция, что
ось гипофиз-щитовидная железа напрямую
активизируется в холодный период года.
С другой стороны, в целом ряде сообщений было
отмечено, что у здоровых людей сывороточный
уровень Т4 был неизменный во все сезоны года,
тогда как уровень сывороточного ТТГ, выработка
которого регулируется гипоталамическим ТРФ
выше в зимнее время [Harrop, 1985].
Особое место занимает цикл работ L. Reed и
соавт.(1988-2001) изучавших метаболизм ТГ в
условиях антарктической зимовки. Было показано,
что к 44 неделе зимовки содержание свободного Т3 и
Т4 достоверно снижалось на фоне стабильного
содержания ТТГ, общего Т3 и Т4, увеличивалась
продукция Т3 и его выделение, скорость
распределения. Авторы назвали этот феномен как
«полярный Т3 сидром» (1990), и полагают, что
изменения связаны с периферическим метаболизмом,
а не изменениями гипофизарной рецепторной
чувствительности.
В первом своем сообщении (1988) авторы
предполагали, что понижение уровня сывороточных
ТГ происходило вследствие увеличения их
использования вследствие холодового воздействия.
Обобщая в целом полученных в своих исследованиях
материал авторы в итоге заключают, что
выявленные ими перестройки функциональной
активности щитовидной железы обусловлены
биохимическими, физиологическими и
психоэмоциональными изменениями, которые
ассоциированы с «полярным Т3 синдромом»
(Reed at al, 2001).
Содержание общего Т3 у полярников в высоких
широтах с разной длительностью северного стажа
1-6 мес
19-24 мес
7-12 мес
более 24 мес
13-18 мес
1,74
1,64
1,54
1,44
1,34
1,24
Январь
Март
Июнь
Октябрь
Т3
Уровень ТТГ при нагрузке тиролиберином у
мужчин-северян в зимнее время года
(Ненецкий АО, март)
мкЕд/л
7
5
3
1
30 мин
0
60 мин
время нагрузки
коми
ненцы
Содержание Т3 и Т4 в плазме крови у
северян в течение года
4
гипоталамус
гипофиз
О
б
р
а
т
н
а
я
с
в
я
з
ь
общий
Т3
3,5
120
Т4
100
3
80
2,5
2
60
1,5
40
1
20
0,5
0
0
XI
XII
I
II
III
V
VI
VII
VIII
свободный
Т3
8,00
IV
IX
X
Т4
35
7,00
30
6,00
25
5,00
20
4,00
щитовидная
железа
15
3,00
кровеносное
русло
10
2,00
1,00
5
0,00
0
XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
февраль
Концентрация ТТГ в плазме у северян
мкМЕ/мл
норма ТТГ - 0,23-3,4 мкМЕ/мл
1,9
гипоталамус
гипофиз
О
1,7
б
1,5
р
а 1,3
т 1,1
н 0,9
а 0,7
я 0,5 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X
с
Коэффициент жесткости погоды и
в
температуры наружного воздуха в 6 ч утра
я
з
Жесткость погоды
Температура, toC
1200
15
ь
10
1000
5
800
0
щитовидная
железа
600
-5
кровеносное
русло
400
-10
200
-15
0
-20
XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Нами показано, что у северян
потребление кислорода напрямую не
связано с температурой окружающей
среды (В.Г.Евдокимов, 2005);
У человека адаптивный ответ системы
гипофиз – ЩЖ реализуется в две
фазы/этапа (а если воздействие
запредельное – может быть и одна
фаза).
Это проявляется в том, что длительное
нахождение на открытом воздухе
приводит к активации конверсии
связанных форм ТГ в свободные
(особенно Т4), и не затрагивает
центральное звено системы. Для
открытия этого эффекта должны быть
созданы соответствующие условия
эксперимента. Центральное звено
системы включается при достижении
определенной дозы действия внешнего
фактора.
Содержание апоЕ у жителей
европейского Севера при нормо- и
гипертриглицеридемии
апоЕ, мг/дл
Среднее
25%-75% процентили
Min-Max
6
5
4
*
3
2
1
0
норм
олипидем
ия
нормолипидемия
г иперт риг лицеридем
ия
гипертриглицеридемия
Примечание: *- различия по сравнению с нормолипидемией значимы при p<0,05.
(Физиология человека, 2010. Т. 36, № 2. С. 138-144.)
Процентное соотношение лиц с
показателями апоЕ ниже, выше и в
пределах норматива у жителей
европейского Севера
6%
9%
47%
44%
мужчины
апоЕ ниже
норматива
50%
44%
женщины
апоЕ в пределах
норматива
* Физиология человека, 2010, Т 36, № 2. С. 138-144.
апоЕ выше
норматива
Содержание триглицеридов у жителей
европейского Севера в зависимости от различного
относительно норматива содержания апоЕ при
нормальных и высоких значениях активности ГГТ.
F(2.19)=14.74; p=0.00000
3.6
ТГ, ммоль/л
3.0
**
2.4
1.8
1.2
0.6
норма
высокая
активность ГГТ, нмоль/(с*л)
Клиническая лабораторная диагностика, 2010
Примечание: **- различия
по сравнению с другими
группами значимы при
p<0,05. Вертикальные
линии показывают
доверительный интервал
среднего
апоЕ ниже
норматива
апоЕ в
пределах норматива
апоЕ выше
норматива
Проблемы рациона северян:
• Дефицит микронутриентов;
• Дисбалансы рациона;
Дисбалансы рациона;
- нарушение соотношения макронутриентов
в рационе;
- повышение доли потребляемых жиров
(более1г/кг) при невысокой физактивности;
- повышенное употребление
высококалорийных неполноценных
«растительных жиров»;
- снижение доли потребляемых углеводов;
Доля лиц в популяции жителей европейского
Севера, имеющих дефицит тиамина (В1) по
показателям ТДФ-эффекта (Бойко и соавт, 2004)
Январь
80
Декабрь
Февраль
женщины
60
Ноябрь
Март
40
20
Октябрь
Апрель
0
Сентябрь
Май
Август
Июнь
Июль
мужчины
Доля лиц в популяции жителей европейского
Севера, имеющих дефицит рибофлавина по
показателям ФАД-эффекта
Декабрь
Январь
40
Февраль
женщины
30
Ноябрь
Март
20
10
Октябрь
Апрель
0
Сентябрь
Май
Август
Июнь
Июль
мужчины
Дефицит жирорастворимых
витаминов у северян



Нарастает, особенно последние 6-8 лет.
Доля лиц с с дефицитом витаминов А и
Е достигает 40-55% (хотя этот дефицит
очень часто умеренный).
Ситуация с содержание витамина Е
более неблагоприятная.
Доля участия в общей
энергетической ценности рациона
питания
Дисбаланс потребления жителями Республики Коми
основных пищевых веществ
100%
80%
55,0
51,9
47,1
55,1
46,9
71,2
60%
40%
33,0
36,0
33,8
32,7
39,1
19,7
20%
12,0
12,0
12,3
11,2
12,4
11,1
0%
Норма
- белки
лпк
- жиры
газовики
студенты буровики
- углеводы
солдаты
Предпочтения старшеклассников Республики Коми в
выборе жиров/масел («Чем вы обычно заправляете
салат?»)
Зеленец
Сосногорск
15
10
15
19
- растительным
маслом
75
Корткерос
-- сметаной
66
Сыктывкар
19
-- майонезом
25
15
66
57
18
Уровень общих жирных кислот плазмы крови
у жителей европейского Севера
18
*
16
ммоль/л
12
***
10
Норма
14
8
6
4
2
0
мужчины г.Сыктывкара
Оленеводы Инты
Оленеводы Ижмы
Среднее
±SD
Min-Max
* p<0,05; *** p<0,001 – значимость различий по сравнению с группой сравнения –
мужчинами г.Сыктывкара
Профиль классов жирных кислот плазменных липидов
крови мужчин г.Сыктывкара
относительно среднеширотного норматива
26%
34%
40%
50%
28%
22%
Сыктывкар
Среднеширотный
норматив
Сумма насыщенных ЖК
Сумма полиненасыщенных ЖК
Сумма мононенасыщенных ЖК
Содержание мононенасыщенных жирных кислот плазменных
липидов крови у различных групп жителей европейского Севера
3.5
3
***
***
оленеводы
Ижмы
оленеводы
Инты
50
%
Пальмитоолеиновая кислота
2.5
2
1.5
1
0.5
0
мужчины
г.Сыктывкара
норматив
Олеиновая кислота
%
40
**
***
значимость различий
в группе оленеводов,
по сравнению с
мужчинами
г.Сыктывкара **p<0,01; ***p<0,001
30
20
10
0
оленеводы
Ижмы
оленеводы
Инты
мужчины
г.Сыктывкара
норматив
Специфика действия МНЖК в общих липидах плазмы
крови у жителей европейского Севера относительно
среднеширотного норматива
С18:1
%
С16:1
300
260
220
180
140
100
норма
мужчины
г.Сыктывкара
оленеводы
острый
панкреатит
Содержание ненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) в
сливочных маслах различных производителей на
рынке г.Сыктывкара
3,5
%
Линолевая
2,5
1,5
0,5
Усть-Цильма
0,08
Москва
Удмуртия
Финляндия
%
0,06
Эйкозапентановая
0,04
0,02
0
Усть-Цильма
Москва
Удмуртия
Финляндия
Благодарю за внимание