Characteristics of bone metabolism disorders in military personnel in the Arctic regions: prospective study

Elena B. Kireeva; Киреева Елена Борисовна; Arkadiy V. Yazenok; Язенок Аркадий Витальевич; Pavel V. Agafonov; Агафонов Павел Владимирович; Sergey V. Gaiduk; Гайдук Сергей Валентинович; Aleksey V. Chumakov; Чумаков Алексей Владимирович

doi:10.22328/2413-5747-2023-9-3-40-47

Characteristics of bone metabolism disorders in military personnel in the Arctic regions: prospective study

Authors: Kireeva E.B.¹, Yazenok A.V.¹, Agafonov P.V.¹, Gaiduk S.V.¹, Chumakov A.V.¹
Affiliations:
1. Kirov Military Medical Academy
Issue: Vol 9, No 3 (2023)
Pages: 40-47
Section: ORIGINAL ARTICLE
Submitted: 16.11.2023
Accepted: 16.11.2023
Published: 20.11.2023
URL: https://seamed.bmoc-spb.ru/jour/article/view/680
DOI: https://doi.org/10.22328/2413-5747-2023-9-3-40-47
ID: 680

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

OBJECTIVE. To study characteristics of bone metabolism disorders in military personnel in the Arctic regions.

MATERIALS AND METHODS. The survey was conducted and medical documentation of 189 male soldiers aged 23–42 (average age - 29,6±5,6) was studied. Depending on the duty station all the surveyed were divided into two groups: I – 107 soldiers, performing military service in the Arctic regions with at least 2 years of experience, II – 82 soldiers from the Western Military Region. Complaints, anamnesis data, objective status (including anthropometry) and medical documentation were assessed and studied in the surveyed military personnel. For estimating bone-mineral density, the method of calcaneus ultrasonography, using «GE Healthcare Achilles» densitometer was applied. The content of total calcium, inorganic phosphorus as well as the concentration of bone resorption markers – СТХ and NTX in the blood serum were used as analyzed laboratory rate of bone metabolism.

RESULTS. The study showed that almost half of the military personnel in the Arctic regions (48,6%) had the rate of bone-mineral density below the average value for healthy men of the same age group. It was noted that prevalence of osteopenia in the Arctic is significantly higher compared to military personnel from temperate regions. When studying bone resorption markers, it was noted that the group of Arctic military personnel experienced statistically significant increase in NTX, characterizing the rate of degradation in the newly formed bone as well as the tendency towards increase in CTX, reflecting the rate of degradation relative to the old bone.

DISCUSSION. The main link in the pathogenesis of low bone-mineral density in military personnel in the unfavorable Arctic environment is D₃ vitamin metabolism disorder by lowering its formation in the skin and also it limited intake with food. High prevalence of disorder in bone-mineral density among Arctic military personnel might indicate the need for a more rigorous selection process in the Arctic regions with a mandatory in-depth survey of the bone metabolism system (determination of total calcium content, inorganic phosphorus, D₃ vitamin) as well as performing according to osteodensitometry. It is advisable to conduct an annual survey of the Arctic military personnel at the duty station, involving a visiting military-medical commission with a therapist or rheumatologist as its member.

Keywords

marine medicine, Arctic region, military personnel, bone metabolism, osteopenia

Full Text

Введение. Благодаря значительным природным запасам углеводородов и других полезных ископаемых, близости к Северному морскому пути и важному стратегическому положению Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) часть Арктики, находящаяся под суверенитетом и юрисдикцией Российской Федерации, вызывает повышенный интерес со стороны ведущих мировых держав¹. Около трети территории Арктики законодательно закреплено за Российской Федерацией. Арктическая военная группировка призвана обеспечить безопасность российских границ и предотвращение возможных конфликтов с другими арктическими странами (Дания, Соединенные Штаты Америки, Норвегия, Канада, Исландия), являющимися членами Североатлантического Альянса².

Экстремальные природно-климатические условия Арктического региона обуславливают формирование ряда элементозов, характеризующихся дефицитом эссенциальных элементов, что приводит к формированию «полярного» типа обмена. Важной особенностью данного типа обмена является нарушение метаболизма костной ткани, в основе которого лежит гиповитаминоз витамина D₃. Причины развития недостаточности и дефицита витамина D₃ у военнослужащих в условиях Арктического региона связаны с неблагоприятными климатическими и географическими факторами, в том числе низкой среднегодовой температурой и недостаточной инсоляцией. Помимо этого, существенное влияние оказывают военно-профессиональные факторы (гиподинамия, шум, вибрации, электромагнитное излучение), а также значимые санитарные и эпидемиологические факторы, включая недостаточную минерализацию питьевой воды, возможный контакт с химическими и биологическими загрязнениями, длительное нахождение личного состава в помещениях с искусственным микроклиматом, а также питание преимущественно консервированной пищей [1, 2].

Во второй половине XX века началось активное изучение влияния Арктического фактора на состояние здоровья людей. В 1980 году академик В. П. Казначеев впервые описал особенности «полярного» типа обмена, в том числе нарушения метаболизма витамина D₃ [3]. Современные сведения о роли витамина D₃ в метаболизме костной ткани представлены на рис. 1.

Рис. 1. Роль витамина D₃ в метаболизме костной ткани [4]

Витамин D₃ – холекальциферол синтезируется в мальпигиевом слое эпидермиса из 7-дигидрохолестерина под действием ультрафиолетового облучения (УФО) спектром 290–315 нм. Холекальциферол гидроксилируется в печени, образуя 25-гидроксивитамин D₃. Последний не обладает метаболической активностью и после гидроксилирования в почках под влиянием паратиреоидного гормона преобразуется в активную форму 1,25-дигидроксивитамина D₃– кальцитриол, обеспечивающий и поддерживающий гомеостаз кальция через его регуляцию в кишечнике и костях [4]. Не вызывает сомнений, что условия Арктического региона оказывают негативное влияние на оба пути поступления витамина D₃ в организм — как алиментарный, так и в результате УФО кожи. Закономерным итогом нарушений метаболизма витамина D₃ может служить нарушение гомеостаза кальция и фосфора, а также снижение минерализации кости с развитием остеопении или остеопороза.

Данный патологический процесс усугубляется ограниченной физической активностью определенной категории военнослужащих в условиях Арктики (преимущественно военнослужащих операторского профиля деятельности), что многократно ускоряет патогенез нарушений метаболизма костной ткани и может вести к развитию тяжелых осложнений [5].

Таким образом, принимая во внимание удаленность Арктического региона, его неблагоприятные климатогеографические характеристики, сложную санитарно-эпидемиологическую обстановку, а также особенности военного труда, следует ожидать значительный вклад нарушений метаболизма костной ткани в структуру заболеваемости личного состава Вооруженных Сил Российской Федерации в условиях Арктики, а также существенное влияние данного фактора на показатели физической работоспособности и боеспособности. Вместе с тем, в отличие от активных исследований в сфере гражданского здравоохранения, особенности нарушений метаболизма костной ткани у военнослужащих в условиях Арктического региона изучены недостаточно.

Цель исследования заключалась в изучении особенностей нарушений метаболизма костной ткани у военнослужащих в условиях Арктического региона на основе комплекса клинических, инструментальных и лабораторных данных обследования.

Материалы и методы. На базе клиники военно-полевой терапии Военно-медицинской академии им. С. М. Кирова, а также по месту постоянной службы в условиях Арктического региона (арх. Новая земля, пос. Белушья Губа) проведено обследование и изучена медицинская документация 189 военнослужащих мужского пола в возрасте 23–42 лет (средний возраст 26,9 ± 5,6 года). В зависимости от места службы всех обследованных разделили на две группы: I – 107 военнослужащих, проходящих военную службу в условиях Арктики (средний срок службы в данных условиях 3,2 года [1, 7–6, 7]), II – 82 военнослужащих Западного военного округа.

У обследованных военнослужащих оценивали жалобы, данные анамнеза, объективный статус (включая антропометрию), изучали медицинскую документацию. Критериями включения являлось отсутствие заболеваний опорно-двигательной системы, отсутствие в анамнезе переломов, хронических соматических и инфекционных заболеваний, онкологической патологии, нормальные показатели общего и биохимического анализа крови. Критериями невключения было наличие перечисленных заболеваний или состояний, а также отказ от участия в исследовании. Для оценки минеральной плотности костной ткани (МПК) применяли метод ультрасонографии пяточной кости с использованием денситометра GE Healthcare Achilles. Результат выражали в виде Z-критерия, представляющего собой стандартное отклонение выше или ниже среднего показателя МПК у здоровых мужчин и женщин аналогичного возраста. В качестве анализируемых лабораторных показателей метаболизма костной ткани использовали содержание общего кальция, неорганического фосфора, а также концентрацию маркеров костной резорбции – С-концевого телопептида коллагена 1-го типа (β-crosslaps, СТХ) и N-концевого телопептида (α-crosslaps, NTX) в сыворотке крови. Результаты были представлены в виде среднего значения признака (М) и его 95 % доверительного интервала (ДИ), а для сравнения количественных показателей в группах использовали метод параметрического анализа – t-критерий Стьюдента [6].

Результаты. Исследуемые группы военнослужащих не отличались по возрасту (p = 0,073). Подавляющее большинство (80 %) обследованных военнослужащих относились к возрастной группе до 40 лет. На первом этапе работы проведено сравнение показателей метаболизма костной ткани по данным инструментального и лабораторного обследования в группах I и II. Результаты определения минеральной плотности костной ткани, по данным ультрасонографии пяточной кости, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Показатели минеральной плотности костной ткани у обследуемых военнослужащих в зависимости от региона прохождения службы

Table 1. Indicators of bone mineral density in the examined military personnel depending on the region of service

Показатель

I группа (Арктика)

n = 107

II группа (умеренный климат)

n = 82

Значение р

Z-критерий, SD*

–0,9 ± 0,7

1,1 ± 1,0

0,121

Доля военнослужащих с Z-критерием ≤ 2,0 SD, % (N)**

48,6 (52)^#

17,1 (14)

0,032

Примечание: *SD – стандартное отклонение выше или ниже среднего показателя МПК у здоровых мужчин аналогичного возраста

** Z-критерий ≤ -2,0 SD свидетельствует о «низкой МПК для хронологического возраста» или «ниже ожидаемых по возрасту значений»

# ‒ Наличие статистически значимого различия (p < 0,05)

Note: *SD is the standard deviation above or below the mean MPC in healthy men of the same age

Результаты лабораторного исследования маркеров метаболизма костной ткани в изученных группах представлены в табл. 2.

Таблица 2. Лабораторные маркеры метаболизма костной ткани у обследуемых военнослужащих в зависимости от региона прохождения службы

Table 2. Laboratory markers of bone tissue metabolism in examined military personnel depending on the region of service

Показатель	Нормативные значения	I группа (Арктика) n = 107	II группа (умеренный климат) n = 82	Значение р
Кальций общий, ммоль/л	2,10–2,55	2,17 ± 0,18	2,37 ± 0,52	0,121
Фосфор неорганический, ммоль/л	0,74–1,52	0,57 ± 0,09*	1,23 ± 0,77	0,032
Витамин D_3,нг/мл	30–100	21,1±2,8*	33,3 ± 4,1	0,004
СТX (бета-crosslaps), нг/мл	0,087–1,200	0,89±0,33	0,55 ± 0,23	0,071
NTX (альфа-crosslaps), мкг/ммоль	0,38–1,13	1,49 ± 0,37*	0,69 ± 0,33	0,047

Примечание: * — p < 0,05.

Note. * — p < 0,05.

На следующем этапе исследования принято решение об изучении лабораторных показателей метаболизма костной ткани в подгруппах военнослужащих Арктического региона с наличием (группа Ia) или отсутствием (группа Ib) низкой МПК (на основании Z-критерия ≤ -2,0 SD). Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3. Лабораторные маркеры метаболизма костной ткани у военнослужащих Арктического региона в зависимости от минеральной плотности кости

Table 3. Laboratory markers of bone tissue metabolism in military personnel of the Arctic region according to bone mineral density

Показатель	Нормативные значения	Группа Ia (низкая МПК)n = 52	Группа Ib (нормальная МПК) n = 55	Значение р
Кальций общий, ммоль/л	2,10–2,55	1,78 ± 0,27*	2,21 ± 0,37	0,032
Фосфор неорганический, ммоль/л	0,74–1,52	0,46 ± 0,07*	1,06 ± 0,53	0,023
Витамин D_3,нг/мл	30–100	18,2 ± 3,7*	31,1 ± 5,3	0,003
СТX (бета-crosslaps), нг/мл	0,087–1,200	1,33 ± 0,24*	0,74 ± 0,21	0,025
NTX (альфа-crosslaps), мкг/ммоль	0,38–1,13	3,77 ± 0,81*	0,79 ± 0,51	0,036

Примечание: * — p < 0,05.

Note: * — p < 0,05.

Обсуждение. В результате анализа минеральной плотности костной ткани в зависимости от региона прохождения службы было установлено, что в Арктическом регионе отмечалась тенденция к снижению данного показателя по сравнению с регионом умеренного климата, однако статистически значимых различий не выявлено. Вместе с тем после выделения отдельной доли военнослужащих с Z-критерием ≤ 2,0 SD, что свидетельствует о низкой МПК для хронологического возраста или соответствует значениям ниже ожидаемых по возрасту, в анализируемых группах были выявлены значимые различия. Так, доля военнослужащих с Z-критерием ≤ 2,0 SD в группе Арктического региона оказалась значимо выше (48,6 %) по сравнению с группой умеренного климата (17,1 %).

При анализе лабораторных маркеров метаболизма костной ткани в зависимости от региона прохождения службы отмечено, что в группе военнослужащих Арктического региона отмечалась тенденция к снижению содержания общего кальция, а также статистически значимое уменьшение содержания неорганического фосфора и витамина D₃(до степени недостатка витамина D₃). При изучении маркеров резорбции костной ткани отмечено, что в группе военнослужащих Арктического региона наблюдалось статистически значимое повышение уровня NTX, характеризующего темпы деградации недавно сформированной кости, а также тенденция к повышению уровня CTX, отражающего темпы деградации относительно старой кости. Таким образом, у военнослужащих Арктического региона наблюдались признаки нарушения метаболизма костной ткани в виде снижения содержания неорганического фосфора, витамина D₃ и маркера деградации недавно сформированной кости – СТX (бета-crosslaps).

В результате проведенного лабораторного исследования по подгруппам было отмечено, что среди военнослужащих Арктического региона с низкой МПК отмечалось статистически значимое различие всех исследованных маркеров метаболизма костной ткани (кальций общий, фосфор неорганический, витамин D3, CTX и NTX) по сравнению с подгруппой военнослужащих с нормальной МПК. Полученные результаты можно интерпретировать таким образом, что в основе низкой МПК в условиях Арктического региона лежит нарушение всех звеньев метаболизма костной ткани (обмена микроэлементов и дефицита витамина D₃), что сопровождается повышением содержания всех маркеров резорбции костной ткани, отвечающих как за деградацию недавно сформированной кости (NTX), так и относительно старой кости (CTX).

В настоящее время на кафедре военно-полевой терапии ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С. М. Кирова» в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 13.05.2021 г. № 729 «О мерах по реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», проводится разработка метода экспресс-диагностики нарушений метаболизма костной ткани на основе тест-полосок для мочи, позволяющих проводить качественное пороговое определение содержания маркеров костной резорбции С-концевого телопептида коллагена 1-го типа (β-crosslaps, СТХ) и N-концевого телопептида (α-crosslaps, NTX) в моче. Создание инновационных методов экспресс-диагностики нарушений метаболизма костной ткани на основе тест-полосок для мочи позволят диагностировать данные патологических состояний на ранних этапах оказания медицинской помощи без использования дорогостоящих инструментальных методов (таких как остеоденситометрия).

Заключение. Установлено, что почти у половины (48,6 %) военнослужащих Арктического региона показатель МПК был ниже среднего значения для здоровых мужчин аналогичного возраста, что значимо выше по сравнению с военнослужащими из регионов умеренного климата. Основным звеном патогенеза снижения минеральной плотности кости у военнослужащих в суровых условиях Арктики является нарушение метаболизма витамина D₃ за счет снижения его образования в коже, а также недостаточное поступление его с пищей. Это приводит к усилению костной резорбции, характеризующейся повышением содержания маркеров деградации недавно сформированной и относительно старой кости. Высокая распространенность нарушений МПК среди военнослужащих Арктической группировки может свидетельствовать о необходимости более тщательного отбора к службе в Арктическом регионе с обязательным углубленным обследованием системы метаболизма костной ткани (определение содержания общего кальция, неорганического фосфора, витамина D₃), а также выполнением по показаниям остеоденситометрии. Целесообразно ежегодное обследование военнослужащих Арктической группировки по месту службы с привлечением выездных военно-врачебных комиссий, в состав которых должен входить терапевт или ревматолог. Кроме того, с учетом полученных данных требуется дальнейшее изучение звеньев патогенеза нарушений метаболизма костной ткани в Арктическом регионе, в том числе в зависимости от срока службы в данных условиях, а также наличия сопутствующей соматической патологии. Это позволит разработать научно обоснованные подходы к профилактике выявленных нарушений у военнослужащих, а также принципы отбора кандидатов для службы в условиях Арктики, исключая лиц с высоким риском развития переломов.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства, согласно международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Наибольший вклад распределен следующим образом: концепция и план исследования - Е. Б. Киреева, П. В. Агафонов, С. В. Гайдук; сбор данных – Е. Б. Киреева, П.В. Агафонов, статистическая обработка полученного материала – Е.Б. Киреева, П.В. Агафонов; подготовка рукописи – Е. Б. Киреева, П. В. Агафонов, С. В. Гайдук, Чумаков А. В.

Author contribution. All authors according to the ICMJE criteria participated in the development of the concept of the article, obtaining and analyzing factual data, writing and editing the text of the article, checking and approving the text of the article.

Special contribution: EBK, AVYa, PVA, SVG contribution to the concept and plan of the study. EBK, PVA contribution to data collection. EBK, PVA contribution to data analysis and conclusions. EBK, AVYa, PVA, SVG, AVCh contribution to the preparation of the manuscript.

Потенциальный конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Disclosure. The authors declare that they have no competing interests.

Соответствие принципам этики. Информированное согласие получено от каждого пациента.

Adherence to ethical standards. Informed consent was obtained from each patient.

Финансирование. Исследование проведено без дополнительного финансирования.

Funding. The study was carried out without additional funding.

¹Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу [Электронный ресурс] // Российская газета. http://www.rg.ru/2009/03/30/arktika-osnovy-dok.html (Дата обращения: 15.09.2020).

² Указ Президента Российской Федерации от 20.07.2017 г. № 327 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности до 2030 года» [Электронный ресурс] // Президент России, офиц. сайт. http://kremlin.ru/acts/bank/42117 (Дата обращения: 15.09.2020).

About the authors

Elena B. Kireeva

Kirov Military Medical Academy

Email: vmeda-nio@mil.ru
SPIN-code: 8954-1927

Cand. of Sci. (Med.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Military Field Therapy