Кластерный анализ иммунограммы обучающихся с разным уровнем двигательной активности

Полный текст

Введение

Состояние системы иммунитета физкультурников и спортсменов в значительной степени обусловливает уровень адекватности физических нагрузок в зависимости от степени активности защитных механизмов при обеспечении иммунного гомеостаза в ответ на воздействие разнообразных биотических и абиотических факторов внешней среды. Для целого ряда лиц, занимающихся физическими упражнениями, состояние иммунитета достаточно жестко ограничивает возможности организма при адаптации к физическим нагрузкам. Для других занимающихся некоторые отклонения показателей иммунограммы от нормы являются отражением дисбаланса метаболизма в связи с недостаточным уровнем двигательной активности либо могут служить подтверждением преходящего снижения физической работоспособности в связи с текущей реакцией организма на воздействие биотических факторов внешней среды [4]. Помимо того, определенные сочетания показателей иммунограммы, тесно связанные с адаптацией [1], в том числе к физической нагрузке, могут отражать существенное снижение надежности функционирования защитных механизмов. В этом случае систематизация и классификация типов связи показателей иммунограммы у обучающихся с разным уровнем повседневной двигательной активности является актуальным для определения рекомендаций по определению адекватных по уровню физических нагрузок.

Цель исследования состояла в сокращении числа исследуемых переменных с дифференциацией выборки на подгруппы для выявления закономерностей близких по свойствам сгруппированных объектов.

Материалы и методы

У обучающихся медицинского университета в возрасте 18-24 лет (юноши n = 40 и девушки n = 40) различной физической подготовленности и с разным уровнем повседневной двигательной активности, не имеющих противопоказаний для занятий физическими упражнениями, в состоянии покоя выполнен забор крови из локтевой вены с определением показателей лейко- и иммунограммы с последующим определением уровня физической работоспособности в тесте PWC170 по скорости передвижения на беговой дорожке. Обучающиеся с ординарным режимом двигательной активности (2 ч в неделю на занятиях по физической культуре) составили основное отделение (n = 34); обучающиеся, занимающиеся легкой атлетикой 3 раза в неделю по 2 ч, – спортивное отделение (n = 27); обучающиеся с низкой физической подготовленностью, занимающиеся физической культурой 1 раз в неделю в щадящем режиме, – подготовительное отделение (n = 19). Исследования проведены с информированного согласия испытуемых в соответствии с этическими нормами Хельсинкской декларации 2001 г.

Определение показателей лейко- и иммунограммы проводили на базе клинико-диагностической лаборатории «ДокторЛаб» (лицензия № Л041-01024-74/00316445 от 27.09.2017). Оценку фагоцитоза и НСТ-активности нейтрофилов (Нф) и определение содержания CD-лимфоцитов (Лф) в периферической крови методом иммунофенотипирования осуществляли с применением проточной цитометрии [2], а определение содержания антител иммуноглобулинов класса А и М (IgА и IgМ) в сыворотке крови к вирусу SARS-CoV-2 (Covid-19) выполняли методом иммуноферментного анализа на основе тест-систем (АО «Вектор-Бест», Россия) [5].

Статистическую обработку и сравнение результатов осуществляли с применением параметрических и непараметрических методов для несвязанных выборочных (U-критерий Манна–Уитни) с применением пакета прикладных программ Excel и Statistica. Группировку испытуемых на основе состояния показателей иммунограммы осуществляли с помощью дивизивной кластеризации методом k-средних, что позволяет выделить группы с сопоставимыми характеристиками на основании анализа особенностей распределения исследуемых переменных в выборке [3].

Результаты и обсуждение

На начальном этапе исследования после стандартизации исходных значений показателей лейко- и иммунограммы мы провели кластеризацию 65 исследуемых переменных у обучающихся с разным уровнем физической работоспособности и различным уровнем повседневной двигательной активности. В результате 3 итераций выделены 13 кластеров переменных, охвативших всех испытуемых по соотношению внутри- и межгрупповой дисперсий. Центроиды данных кластеров были выбраны в качестве переменных при кластеризации испытуемых на следующем этапе исследования. За счет 4 итераций при кластеризации обследуемых методом k-средних по 13 переменным были выделены 5 кластеров испытуемых, включающие данные всех наблюдений у обучающихся с разным уровнем двигательной активности. Состав кластеров, с дифференциацией включенных в них обследованных юношей и девушек по величине индекса массы тела, представлен в таблице 1.

 

Таблица 1. Cостав кластеров в связи с уровнем индекса массы тела обследованных юношей и девушек

Table 1. The composition of clusters in relation to the body mass index level of the surveyed boys and girls

Пол / Gender	Индекс массы тела Body mass index	№ кластера / Cluster number					В ряду Row
		1	2	3	4	5
Юноши Young men	Дефицит / Deficit	0	0	0	0	1	1
	Нормальный / Normal	0	7	6	3	5	21
	Избыток / Excess	4	3	2	2	3	14
	Ожирение 1-й степени Grade 1 obesity	0	0	1	2	0	3
	Ожирение 3-й степени Grade 3 obesity	0	0	0	1	0	1
	Всего / Total	4	10	9	8	9	40
	%	5,00	12,50	11,25	10,00	11,25	50,00
Девушки Girls	Дефицит / Deficit	0	2	2	1	1	6
	Нормальный / Normal	1	9	5	8	6	29
	Избыток / Excess	1	0	1	0	3	5
	Всего / Total	2	11	8	9	10	40
	%	2,50	13,75	10,00	11,25	12,50	50,00
Общий процент / Total percent		7,50	26,25	21,25	21,25	23,75	100

 

Как видно из представленных данных, в состав каждого со второго по пятый кластер входило от 21% до 26% обследованных в соотношении юношей и девушек 1:1. При этом к первому кластеру были отнесены лишь 7,5% испытуемых, 2/3 из которых представлены юношами основной группы с ординарным уровнем двигательной активности, а 1/3 – девушками с низким уровнем физической подготовки и щадящим режимом двигательной деятельности. Индекс массы тела у одной из девушек из первого кластера соответствовал нормальным значениям, а у другой – характеризовался избыточной величиной. У всех юношей, вошедших в состав первого кластера, отмечался избыточный уровень индекса массы тела. Ввиду небольшого числа включенных в исследование наблюдаемых, иных выраженных тенденций распределения обследованных по кластерам в зависимости от величины индекса массы тела мы не отмечали, за исключением уменьшения в составе четвертого кластера доли юношей с нормальной величиной индекса массы тела за счет присутствия лиц с избыточной величиной индекса массы тела и лиц с признаками ожирения.

Результаты сравнения показателей иммунограммы испытуемых из разных кластеров представлены в таблице 2. Как видно из этих данных, показатели испытуемых первого кластера характеризовались высокими значениями относительного и абсолютного содержания CD3⁺CD16⁺CD56⁺ и CD3⁺CD4^-CD8^-CD45⁺ лимфоцитов, а также содержания НСТ-негативных Нф в индуцированном тесте на фоне сниженных до уровня нижней границы нормы фагоцитарного числа Нф. Во второй кластер с высоким уровнем процентного содержания CD3⁺CD4^-CD8⁺CD45⁺ клеток и низким уровнем количества фагоцитов, сниженным количеством CD3⁺CD4^-CD8^-CD45⁺ и CD3⁺CD16⁺CD56⁺ лимфоцитов, а также NK-клеток включен 21 испытуемый. 42,86% из их числа представляли спортивное и основное отделения и характеризовались высокими показателями физической работоспособности в тесте PWC170. 28,57% наблюдаемых второго кластера характеризовались средним уровнем физической работоспособности и столько же – низкой аэробной производительностью. Третий кластер составили данные 17 испытуемых с высокими значениями индекса активности и резервных возможностей в индуцированном НСТ-тесте Нф на фоне низкого уровня содержания CD3⁺CD4^-CD8⁺CD45⁺ лимфоцитов и спонтанного НСТ-теста Нф. 58,82% испытуемых из этого кластера были представителями спортивного отделения с высоким и средним уровнем физической работоспособности.

 

Таблица 2. Значения показателей иммунограммы в составе кластеров, Me (Q_0,25-Q_0,75)

Table 2. Values of immunogram parameters in clusters, Me (Q_0.25-Q_0.75)

Показатели Indicators	Номер кластера / Cluster number
	1 (n = 6)	2 (n = 21)	3 (n = 17)	4 (n = 17)	5 (n = 19)
Фагоцитарное число, усл. ед. Phagocytic number, c. e.	3,5 (2,3-3,7)	3,4 (2,8-4,9)	3,7 (2,9-4,2)	4,6 (3,4-5,2)1	8,3 (6,8-9,1)1, 2, 3, 4
Спонтанный НСТ-тест, % Spontaneous NBT-test, %	22 (17-24)	22 (14-29)	11 (7-15)1, 2	36 (29-44)1, 2, 3	29 (23-36)2, 3, 4
Индуцированный НСТ-тест, % Induced NBT-test, %	51 (42-64)	69 (57-79)	70 (67-79)1	68 (59-76)1	54 (41-63)2, 3, 4
CD3+CD19-CD45+, % × 106/L	80,1 (77,8-82,5) 1621 (1491-1905)	80,3 (77,5-82,6) 1514 (1222-1685)	73,9 (69,6-79,5)1, 2 1335 (1151-1765)	75,5 (69,4-79,4) 1819 (1598-1928)2, 3	75,6 (72,4-79,4)1, 2 1274 (1018-1565)1, 4
CD3+CD4+CD8-CD45+, % × 106/L	38,0 (36,3-42,4) 839 (673-844)	46,1 (41,6-52,6)1 841 (704-1043)	41,4 (38,8-45,8) 786 (616-991)	43,2 (38,6-46,5) 1028 (841-1144)2, 3	45,0 (39,4-50,2)1 702 (619-912)4
CD3+CD4-CD8+CD45+, % × 106/L	27,9 (25,9-29,5) 625 (502-654)	29,6 (26,4-31,2) 537 (462-636)	23,2 (21,3-24,7)1, 2 380 (308-582)1	24,0 (22,3-27,6)2 560 (477-644)3	26,0 (24,3-29,2)2, 3 466 (338-548)1, 4
CD3+CD4-CD8-CD45+, % × 106/L	11,6 (8,6-19,2) 282 (183-379)	3,6 (2,3-5,2)1 63 (46-80)1	7,8 (6,3-10,9)2 157 (104-221)2	6,6 (4,4-7,8)1, 2 141 (119-210)2	4,5 (1,2-6,4)1, 3, 4 75 (26-118)1, 3, 4
CD3+CD4+CD8+CD45+, % × 106/L	0,2 (0,1-0,3) 3,0 (2,1-6,0)	0,3 (0,3-0,5) 5,9 (4,2-10,9)	0,5 (0,3-0,8) 10,4 (5,6-17,2)	0,4 (0,2-1,3) 10,6 (5,4-29,2)1	0,4 (0,2-0,8) 6,6 (4,1-12,5)
CD3- CD19+CD45+, % × 106/L	11,5 (10,5-12,2) 224 (209-249)	10,0 (8,0-12,1) 174 (153-204)1	10,8 (7,7-13,1) 203 (170-273)	9,8 (6,9-12,2) 240 (172-274)	8,3 (6,3-12,2) 150 (131-183)1, 3, 4
CD3- CD16+CD56+, % × 106/L	7,0 (6,3-7,6) 129 (117-168)	8,7 (6,4-10,5) 134 (102-202)	11,7 (6,7-17,6)2 195 (124-279)	10,3 (6,2-15,0) 238 (142-405)1, 2	13,7 (10,3-16,4)1, 2 265 (165-308)1, 2
CD3+CD16+CD56+, % × 106/L	10,4 (9,5-10,7) 235,0 (188,7-278,5)	1,2 (0,5-2,2)1 22,7 (10,2-41,5)1	2,7 (0,9-3,1)1 47,6 (24,1-74,9)1	3,3 (1,7-3,6)1, 2 73,5 (40,3-87,4)1, 2	1,5 (0,9-2,6)1 27,7 (15,6-61,8)1, 4

Примечание. Условные обозначения: ^{1, 2…} – по критерию Манна–Уитни значимые различия с показателями соответствующего кластера.

Note. Symbols: ^{1, 2…}, according to Mann–Whitney test there are significant differences with the indicators of the corresponding cluster.

 

В состав четвертого кластера вошли 17 наблюдаемых с высоким уровнем количества Нф, активности фагоцитоза и спонтанного НСТ-теста, а также абсолютного содержания CD3⁺CD19^- и CD3⁺CD4⁺CD8^-CD45⁺ лимфоцитов, а также CD3^-CD16⁺CD56⁺ клеток на фоне низких значений индекса активности НСТ-теста Нф. Испытуемые четвертого кластера в 47,06% случаев являлись представителями подготовительного отделения со щадящим режимом двигательной активности, а в целом 70,59% состава данного кластера из числа основного и подготовительного отделений характеризовались низким уровнем физической работоспособности в тесте PWC170. В пятый кластер вошли 19 наблюдений с высоким уровнем фагоцитарного числа Нф, количества и содержания CD3^-CD16⁺CD56⁺ клеток на фоне низких значений индекса активности НСТ-теста Нф и сниженного содержания CD3⁺CD4^-CD8^-CD45⁺ и CD3⁺CD16⁺CD56⁺ лимфоцитов. 47,37% испытуемых пятого кластера представляли лиц с ординарным уровнем двигательной активности, 36,84% – спортсмены с высокой двигательной активностью и 15,79% – лица со щадящим режимом двигательной деятельности. При этом все спортсмены данного кластера проявляли высокий уровень физической работоспособности, тогда как лишь 1/3 часть испытуемых основного и подготовительного отделения из состава этого кластера демонстрировали средний уровень физической выносливости, а 2/3 из этого числа – низкий уровень аэробной производительности.

Таким образом, результаты кластеризации обучающихся различной физической подготовленности с разным уровнем ежедневной двигательной активности на основе состояния показателей иммунограммы позволили выделить 5 типов состояния иммунной системы у студентов, не имеющих противопоказаний для занятий физическими упражнениями. Первый кластер, включающий лиц с избыточной величиной индекса массы тела, характеризовался низкой способностью к стимуляции кислородзависимого метаболизма Нф на фоне повышения содержания TNK и дубль-негативных лимфоцитов. Второй кластер, включающий в сопоставимых пропорциях представителей всех исследуемых групп с преимущественно средним и низким уровнем физической работоспособности, характеризовался низкой активностью фагоцитоза, количества NK, TNK и дубль-негативных клеток в сочетании с высоким процентным содержанием Т-цитотоксических Лф. Третий кластер, включающий преимущественно спортсменов с высоким и средним уровнем двигательной выносливости, отражал высокий потенциал резервных возможностей кислородзависимого метаболизма Нф при низком содержании цитотоксических Т-клеток. Четвертый кластер, охватывающий преимущественно испытуемых с низким и средним уровнем физической работоспособности, отличался высокой активностью механизмов врожденного иммунитета (фагоцитоз, спонтанный НСТ-тест и содержание NK-клеток), а также регуляторного Т-клеточного звена адаптивного иммунитета. Пятый кластер, включающий спортсменов с высоким уровнем физической работоспособности и лиц с ординарным и щадящим режимом двигательной активности с низким уровнем аэробной производительности, характеризовался высоким потенциалом механизмов врожденного иммунитета на фоне низкого базального уровня кислородзависимого метаболизма фагоцитов и содержания TNK и дубль-негативных Лф.

Выводы

1. Соотношение юношей и девушек в составе выявленных кластеров не имело значимых различий.
2. В составе первого и четвертого кластеров отмечалась более высокая доля юношей с повышенным индексом массы тела и признаками ожирения по сравнению с таковой в других кластерах.
3. В состав каждого со второго по пятый кластеров входили испытуемые всех обследованных групп с разным соотношением среди них лиц с высоким, средним и низким уровнем физической работоспособности в тесте PWC170.

Об авторах

В. А. Колупаев

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Автор, ответственный за переписку.
Email: chel.med.fizkult@mail.ru

д.б.н., доцент, заведующий кафедрой физической культуры

Россия, Челябинск

С. Л. Сашенков

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Email: chel.med.fizkult@mail.ru

д.м.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии

Россия, Челябинск

Н. В. Котова

ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ

Email: chel.med.fizkult@mail.ru

старший преподаватель кафедры физической культуры

Россия, Челябинск

Список литературы

Дополнительные файлы