Особенности межсезонного и межсуточного воздействия климата на функцию внешнего дыхания при бронхиальной астме

Введение

Влияние климата на здоровье человека известно с древних времён, при этом задача предотвращения или хотя бы снижения негативного действия климатических факторов на организм до сих пор не решена, особенно в контексте стремительного изменения глобального климата [1, 2]. Атмосфера является главной жизнеобеспечивающей средой человека, поэтому организм должен активно приспосабливаться к климатическим изменениям. Одно из общих свойств живых систем – компенсаторно-приспособительные реакции, позволяющие сохранять постоянство внутренней среды посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия [3, 4].

Болезни органов дыхания, связанные с климатическим воздействием, относятся к наиболее распространённым в мире, поскольку дыхательная система является открытой и наиболее уязвимой, особенно к контрастному межсуточному изменению качества воздушной среды. Одна из распространённых климатозависимых патологий дыхательной системы – бронхиальная астма (БА), которой страдают ≈ 5–10% населения Земли.

Отмечено, что межсуточные колебания метеопараметров, а затем и межсезонные изменения погодных условий сказываются на содержании кислорода в воздушной среде. Это приводит к краткосрочным и длительным нарушениям газообмена, повышает физиологическую нагрузку на лёгкие больных БА [5, 6]. Одним из распространённых и доступных диагностических методов, позволяющих установить степень бронхиальной обструкции у больных БА и исследовать нарушения вентиляционной функции лёгких, в том числе в ответ на воздействие факторов среды, является спирометрия [7, 8].

Формирование краткосрочной метеореакции может не совпадать с неблагоприятной погодой. Метеореакция, наступившая раньше видимого изменения погодных условий, называется сигнальной. Сигнальные реакции возникают у метеочувствительных людей чаще всего за сутки до изменения погодных условий. Отмечаются также следовые реакции, фиксирующие остаточную метеореакцию за предыдущий день. Синхронные реакции оцениваются с учётом влияния фактических погодных условий в день обследования пациента [9, 10]. Межсезонные изменения вызывают более длительную патологическую реакцию, которая может проявляться как у здоровых лиц, так и у больных БА с разной интенсивностью метеозависимости [11, 12].

Цель исследования – оценить интенсивность ответной реакции функции внешнего дыхания (ФВД) у больных БА на воздействие межсезонного и межсуточного контраста метеофакторов.

Материалы и методы

Исследование проводилось в два этапа. На первом этапе оценивали уровень интегрального воздействия климатических факторов на ФВД в межсезонном рассмотрении, на втором этапе определяли патогенный и оздоровительный характер компенсаторной ответной реакции показателей спирографии у лиц с БА на воздействие метеофакторов в межсезонном и межсуточном рассмотрении.

Оценку межсезонной, межсуточной краткосрочной лаговой метеореакции проводили на базе ретроспективных исследований за период 2013–2022 гг. Обследованы 272 человека (средний возраст 56,5 ± 4,8 года), проживающие в условиях дальневосточного муссонного климата Владивостока 10 и более лет. В контрольную группу вошли 160 практически здоровых лиц (81 мужчина и 79 женщин), в группу наблюдения – 112 пациентов (60 мужчин и 52 женщины) с БА лёгкой степени тяжести частично контролируемого течения. Представленные группы были сопоставимы по возрастно-половому составу. Всем обследуемым проведена диагностика ФВД по 12 показателям до и после пробы с бронхолитиком: жизненная ёмкость лёгких (VC max), ёмкость вдоха (IC), резервный объём выдоха (РВвыд./ERV), форсированная жизненная ёмкость лёгких (ФЖЕЛ/FVC), объём форсированного выдоха за 1 с (ОФВ₁/FEV₁), процентное соотношение ОФВ₁ к ЖЕЛ (FEV₁/VC max), процентное соотношение ОФВ₁ к ФЖЕЛ (FEV₁/FVC), пиковый объём выдоха (PEF), максимальная объёмная скорость после выдоха 25% ФЖЕЛ, МОС₂₅ (MEF₇₅), максимальная объёмная скорость после выдоха 50% ФЖЕЛ, МОС₅₀ (MEF₅₀), максимальная объёмная скорость после выдоха 75% ФЖЕЛ, МОС₇₅ (MEF₂₅), средняя объёмная скорость в интервале выдоха от 25 до 75% ФЖЕЛ, СОС_25–75 (MMEF_25–75).

Погодно-климатические условия оценивали по данным Приморского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с позиции краткосрочной (± 1 день) межсуточной контрастности метеокомпонентов (направление и скорость ветра, атмосферные явления, температура, влажность и атмосферное давлением воздуха) относительно дня обследования пациента. День обследования пациента являлся точкой отсчёта для выделения контрастных межсуточных колебаний метеопараметров. Метеореакцию у больных БА и здоровых лиц оценивали лаговым воздействием метеофакторов на ФВД в день обследования в качестве синхронной (0) метеореакции. Метеофакторы за 1 день (–1) до дня обследования оценивали с позиции следовой реакции ФВД. Метеопоказатели, отобранные на следующий день (+ 1) после дня обследования пациента, идентифицированы как сигнальная реакция. Определение ответной реакции ФВД на краткосрочное изменение климато-погодных условий во Владивостоке позволило охарактеризовать оздоровительное и патогенное воздействие климата на население города.

В исследовании рассматриваются две малосопоставимые системы «человек – среда» (ФВД – климат), у которых при их взаимодействии возникает большой информационный шум, указывающий на высокий уровень энтропии [12, 13]. Энтропия является мерой неопределённости и упорядоченности состояния, возрастающей при системном взаимодействия различных процессов. Определение уровня упорядоченности при воздействии климата на ФВД проводили пошагово. Сначала с помощью информационно-энтропийного анализа по формуле (1) К. Шенона определяли величину энтропии (H) [14]:

где ρ_i – вероятностное значение обследуемых параметров.

Затем оценивали относительный показатель энтропии или коэффициент сжатия информации, который характеризовался отношением полученной энтропии к максимальной (в данном случае по общему количеству наблюдений). Этот подход особенно удобен при сравнении систем с различным количеством входных данных. В результате определяли коэффициент избыточности информации I% по формуле (2):

I% = (1 – (Н_факт / Н_макс)) · 100,                    (2)

где Н_факт – энтропия по конкретным наблюдениям; Н_макс – энтропия по максимальному количеству наблюдений.

Относительный показатель избыточности информации (I%) позволил определить уровень упорядоченности хаотичных процессов в системе: чем выше показатель (I%), тем состояние системы более упорядочено и, следовательно, снижает каузальность [14].

Показатель (I%) рассматривали с двух позиций – безусловной и условной энтропии. Безусловная энтропия (I_без%) априори указывает на уровень индивидуальной неопределённости одной из систем, в данном случае системы ФВД. Условная энтропия (I_усл%) определяет вероятность совмещения двух событий (воздействие энтропии климатических факторов на энтропию ФВД у здоровых лиц и больных БА). В результате произведение безусловной вероятности ФВД и условной вероятности от воздействия климата на ФВД представлено формулой (3):

ρ(А/В) = ρ(A)² · ρ(В),                               (3)

где ρ(А) – вероятностный показатель ФВД; ρ(В) – вероятностный показатель климатических факторов.

Рассчитав аналогичным путём энтропию, мы получили относительный показатель избыточности информации и условной энтропии (I_усл%), который наглядно представил снижение неопределённости в системе ФВД под воздействием метеофакторов. По разнице (I_усл% – I_без%) оценивали уровень метеозависимости [14].

Следующим этапом исследования было определение компенсаторной ответной реакции показателей спирографии на краткосрочное межсуточное и межсезонное воздействие триггерных климатических факторов. Для оценки интенсивности ответной реакции ФВД использовали пошаговую парную линейную регрессию. Отбирали показатели (Rрег), которые имели статистическую значимость результата р < 0,05. Анализ уровней интенсивности (Rрег) и активности (сумма отреагировавших факторов) компенсаторных реакций позволил оценить интенсивность процессов саморегуляции оптимального режима функционирования ФВД под воздействием климатических факторов и условий, при которых ответная реакция становится патогенной.

Результаты

При проведении первого этапа исследования использованы расчёты безусловной (I_без%) и условной энтропии (I_усл%), которые позволили определить исходное состояние системы ФВД и её изменение под влиянием климатических факторов. Разница условной и безусловной энтропии (I_усл% – I_без%) показала интегральный уровень воздействия климатических факторов (метеозависимость) на состояние ФВД в межсезонном рассмотрении (табл. 1).

В весенний период года межсезонная безусловная энтропия, характеризующая функциональную согласованность показателей спирографии, соответствовала максимальному показателю I_без% у здоровых лиц (7%) и больных БА (4,3%) (см. табл. 1). Минимальные показатели I_без% зафиксированы зимой у здоровых лиц (3%) и в осенне-зимний период у больных БА (2,6%). Условная энтропия, отражающая воздействие климатических факторов на ФВД, имела максимальные значения в летний период у здоровых лиц (15,9%), в зимний – у больных БА (9,6%). Разница условной энтропии и безусловной (I_усл – I_без%), указывающая на интегральный уровень метеозависимости ФВД по сезонам года, показала довольно сильную связь у здоровых лиц в летний период (I_усл – I_без% = 10,4), а в группе больных БА – в зимний период (I_усл – I_без% = 7). В переходные сезоны года (весна, осень) данный показатель находился в близких пределах как у здоровых (I_усл – I_без% = 3,5–3,6), так и у больных БА (I_усл – I_без% = 4,2) (см. табл. 1).

На втором этапе исследования был проведён расчёт компенсаторной ответной реакции ФВД на климатическое воздействие в межсезонном, межсуточном и краткосрочном режиме (± 1 день), что позволило по величине компенсаторного ответа установить направленность метеореакции (табл. 2).

На основе величины ответной компенсаторной реакции ФВД с помощью регрессионных модельных связей (Rрег) определён уровень ответной реакции, который указывал на потенциал сопротивления негативному внешнему воздействию: чем выше по величине Rрег, тем сильнее компенсаторные возможности ФВД.

В группе здоровых лиц в летний период отмечены наибольшие величины регуляторной компенсаторной реакции ФВД (Rрег = 0,95–0,99), а наименьшие – в зимний (Rрег = 0,75), весной и осенью (Rрег = 0,8–0,91). Для пациентов с БА компенсаторная реакция по всем сезонам года значительно снижена, особенно в зимний (Rрег = 0,51) и летний (Rрег = 0,56–0,57) периоды (см. табл. 2).

По количеству реагировавших показателей спирографии в течение всего года отмечена следующая тенденция: у здоровых лиц ответная компенсаторная реакция зафиксирована по 10 показателям спирографии из 13, а у пациентов с БА – по 7. При этом у больных БА активно реагировал показатель спирографии, характеризующий максимальную объёмную скорость после 25% выдоха ФЖЕЛ (MEF25л/с), на действие межсуточных контрастов (давления воздуха, атмосферных явлений и направления ветра) в разные сезоны года. Здоровые лица реагировали на внешнее воздействие более активно и позитивно по сравнению с больными БА, у которых компенсаторный потенциал ФВД был снижен до двух раз (см. табл. 2).

Характер климатического воздействия оценивается и по межсуточным краткосрочным лаговым характеристикам. Здоровые лица активно реагируют на контрастное межсуточное воздействие метеопараметров: пять реакций в сигнальном и четыре реакции в синхронном аспектах. У больных БА межсуточная активность ответной реакции проявилась пятью реакциями показателей спирографии в следовом и тремя реакциями в синхронном рассмотрении (см. табл. 2).

Обсуждение

Качество воздушной городской среды Владивостока в целом определяется региональными климатическими особенностями [15]. В Дальневосточном регионе преобладает муссонный климат, для которого характерно контрастное межсезонное и межсуточное изменение направления ветра: в зимний период преобладают ветра с континента, а в летний – с океана. В результате зимой устанавливается устойчивая погода с сильными ветрами, низкой влажностью и небольшим количеством осадков, а в летний сезон – очень влажная, дождливая, маловетреная погода. В переходные сезоны (весна, осень) происходит ломка устойчивых воздушных масс с континента (сибирский антициклон – высокое давление) и мощного тихоокеанского влияния влажного воздуха с низким атмосферным давлением, которая вызывает межсуточные контрастные изменения в лаговом аспекте рассмотрения метеореакции. Для этих сезонов характерна изменчивость погодных условий: резкие межсуточные и межсезонные изменения направления и скорости ветра, атмосферного давления, влажности и других метеофакторов [16].

На первом этапе исследования оценивали интегральный уровень межсезонного воздействия климатических факторов на функцию внешнего дыхания, который определяли на основании комплексного изменения показателей спирографии.

Для получения репрезентативных результатов сравнивали две группы обследуемых лиц (здоровые лица и группа больных БА). Анализ величины безусловной энтропии (I_без%) в группах здоровых лиц и больных астмой показал, что во все сезоны года у здоровых людей ФВД находилась в более устойчивом состоянии (I_без% = 3–7%), у больных БА – в менее стабильном (I_без% = 2,6–4,3%), что позволяет судить о различиях в состоянии здоровья лиц обследуемых групп [12, 13].

Условная энтропия характеризовала изменение безусловной энтропии ФВД под воздействием климатических факторов и указывала на некоторое упорядочение процессов как уточняющую информацию, объясняющую причины формирования метеозависимости. В результате во всех межсезонных вариациях условная энтропия (I_усл%) здоровых и больных лиц была выше, чем безусловная (I_без%), что позволяет судить о формировании метеозависимости у обследуемого контингента [14] (см. табл. 1).

Оценка разницы условной и безусловной энтропии (I_усл – I_без%) даёт возможность определить межсезонную разницу уровня метеозависимости органов дыхания исходя из состояния здоровья человека. Установлено, что максимальная метеозависимость у здоровых лиц отмечается в летний период, а у больных БА – в зимний и летний периоды (см. табл. 1) [12–14]. Повышенную межсезонную разницу метеозависимости можно дифференцировать по характеру воздействия. Предположительно, у здоровых лиц летние погодные условия вызывают адекватные процессы саморегуляции, а на больных БА зимние холода и летняя духота (высокая влажность при высоких температурах) влияют негативно, вызывая патогенную реакцию ФВД [5, 17, 18].

В переходные сезоны года (весна и осень) уровень метеозависимости у здоровых и больных БА отличается незначительно. Этот тренд можно связать с тем, что межсезонье в регионе одинаково тяжело для всего населения города [19]. В то же время у больных БА метеореакция за счёт малого компенсаторного резерва ФВД несколько снижена (см. табл. 1).

Целью второго этапа исследования было определение ответной реакции показателей спирографии на воздействие климатических параметров, позволяющей по уровню компенсаторного ответа установить характер (оздоровительный или патогенный) метеореакции в межсезонном и краткосрочном (± 1 день) рассмотрении. Чем выше компенсаторная реакция (R_рег/р) и чем большее количество показателей ФВД ответило на климатическое воздействие, тем активнее и эффективнее происходит процесс восстановления функции внешнего дыхания, создавая адекватный характер метеореакции. Низкие же показатели (Rрег/р) при меньшем количестве отреагировавших показателей ФВД указывают на патогенный компенсаторный ответ на внешнее воздействие.

В результате установлено, что наибольший показатель ответной реакции наблюдается у здоровых лиц в летний и осенний периоды. При этом во все сезоны года у здорового населения отмечен не только высокий компенсаторный ответ, но и наибольшее количество отреагировавших показателей спирографии. Подобное сочетание объясняет популярность оздоровительного отдыха в регионе в эти периоды года [20, 21].

У больных БА отмечена достаточно низкая интенсивность ответной компенсаторной метеореакции в зимний и летний периоды. Это подтверждается участием в ответной реакции показателя спирографии (MEF25), характеризующего скорость воздушного потока на уровне дистальных бронхов и реагирующего на воздействие разных метеопоказателей (давление и атмосферные явления), часто взаимозависимых [22]. Летом интенсивность компенсаторной реакции дыхательной системы несколько увеличивается за счёт изменения показателя ёмкости вдоха (IC), отражающего сопротивление ФВД повышенной летней влажности муссонного климата. В целом у больных БА наибольшая компенсаторная активность ФВД (три показателя спирографии) отмечается в осенний период, однако по интенсивности компенсаторной ответной реакции она остаётся достаточно низкой. Можно предположить, что муссонный климат Дальневосточного региона оказывает неблагоприятное воздействие на больных БА, но в осенний период эти пациенты чувствует себя лучше [19, 20].

Лаговое рассмотрение воздействия на ФВД межсуточных изменений (± 1 день) метеофакторов позволило выявить преобладание у здорового населения сигнальных и синхронных реакций, а у больных БА – следовых реакций. Следовательно, здоровые лица более чувствительны к предстоящему изменению погодных условий и к фактическим (синхронным) метеоусловиям и демонстрируют быстрое включение компенсаторного механизма ответной реакции. У больных БА преобладают следовые реакции, что указывает на затяжное течение негативного процесса, связанного с произошедшим накануне изменением погодных условий. Такая тенденция более всего выражена в переходные сезоны года (весна и осень), когда в регионе стоит неустойчивая погода, связанная с ломкой континентальных и тихоокеанских воздушных масс [5]. Поэтому у больных БА в осенний период органы дыхания активно реагируют на изменение скорости ветра и температуры воздуха. Эти факторы являются основными триггерами, формирующими циркуляционный режим атмосферы региона [10, 11].

Заключение

Дальневосточный муссонный климат имеет характерные региональные особенности, которые в межсезонном и межсуточном лаговом рассмотрении формируют различный по интенсивности и характеру профиль метеореакций у здоровых лиц и больных БА.

У больных бронхиальной астмой уровень неопределённости процессов функционирования ФВД на 20% превышал показатели энтропии в группе здоровых лиц. Самый высокий уровень метеозависимости у больных БА отмечен в зимний и летний периоды, у здоровых лиц – летом и осенью, что указывает на разный характер метеореакции.

Ответная компенсаторная реакция ФВД у здоровых лиц имеет благоприятный закаливающий характер в летне-осенний периоды, а у больных БА резкое снижение компенсаторной реакции отмечается в зимний и летний период, что говорит об увеличении патогенности воздействия на дыхательную систему зимних холодных погодных условий и летней духоты.

Показатель спирографии MEF₂₅, характеризующий скорость воздушного потока, максимально и негативно (низкий компенсаторный ответ) отреагировал в зимний период, летом же к компенсаторной реакции подключился показатель ёмкости вдоха (IC), отражающий сопротивление ФВД повышенной летней влажности воздуха.

Осенью, в наиболее благоприятный для Дальневосточного региона сезон года, у здоровых и больных лиц усиливался адаптационно-компенсаторный ответ ФВД. У здорового населения региона наблюдается активная компенсаторная реакция на синхронное воздействие состояния воздушной среды и сигнальные импульсы изменения погодных условий. У пациентов с БА преобладали следовые и синхронные реакции, однако в осенний период повышение компенсаторной активности позволило больным БА реагировать даже на сигнальные импульсы межсуточных контрастов метеофакторов, связанных с изменением направления ветра.

Таким образом, климатические условия юга Дальнего Востока весьма благоприятны для здоровья населения, имеют высокий оздоровительный потенциал для бронхолёгочной системы в летне-осенний период. У здоровых лиц сезонная перестройка компенсируется адекватными защитно-приспособительными механизмами в летне-осенний период. У больных БА защитные реакции нарушены, что вызывает перенапряжение ФВД и может привести к утяжелению течения болезни. Зимой и летом создаются условия, неблагоприятные для функции внешнего дыхания больных БА.

Прогнозирование неблагоприятных погодных ситуаций, вызывающих снижение резервных возможностей внешнего дыхания, необходимо для проведения профилактических мероприятий. Знание триггеров и уменьшение воздействия этих факторов позволит улучшить контроль симптомов бронхиальной астмы. Перед неблагоприятными сезонами больные БА должны находиться под наблюдением врача-пульмонолога, проводить оценку функции внешнего дыхания для современной коррекции лечения. Летом пациенты с БА должны больше времени проводить на морском побережье. В зимнее время года, особенно при холодной ветреной погоде, пациентам с БА рекомендуется больше времени проводить в закрытых тёплых помещениях и без необходимости не выходить на открытый воздух.