Недостаточность витамина D и коморбидные состояния у детей 7-16 лет: интеллектуальный анализ данных

Введение

На способность витамина D снижать общую (в том числе инфекционную) заболеваемость одними из первых обратили внимание врачи-педиатры. Ещё в 1960 годах советскими исследователями было отмечено, что назначение витамина D детям раннего возраста (1 мес — 3 года), страдающим рахитом, снижало риск заболеваемости и смертности от бронхопневмонии [1]. Однако ассоциации между недостаточностью витамина D и заболеваемостью детей более старшего возраста остаются малоизученными.

Между тем, низкая концентрация 25(OH)D в сыворотке крови является универсальным фактором риска различных заболеваний и у детей, и у взрослых. Следует особо отметить влияние недостаточности витамина D на липидный состав крови, артериальное давление, когнитивную функцию [2] и риск развития инфекционных и опухолевых заболеваний [3], ожирения, туберкулёза [4] и ОРЗ [5]. Данные доказательной медицины указывают на важность использования препаратов витамина D для профилактики и лечения туберкулёза, хронического бронхита, профилактики инфекций дыхательных путей, в т. ч. вызванных респираторно-синцитиальным вирусом RSV и вирусом гриппа A [6].

Определение концентрации 25-гидроксивитамина D (25(OH)D) в сыворотке крови — важный биохимический показатель, отражающий обеспеченность пациента витамином D. Основной причиной дефицита витамина D является дефицит витамина в рационе питания и нарушение всасывания (вследствие мальабсорбции, воспалительных заболеваний кишечника, резекции кишечника, дискинезии жел- чевыводящих путей, перегруженности рациона насыщенными жирами и др.).

Недостаточность витамина D (уровни 25(OH)D менее 20—30 нг/мл) широко распространена во всём мире, в т. ч. в странах западной Европы. Например, недавнее исследование когорты из 1 006 подростков 12—17 лет показало низкую обеспеченность витамином в 9 странах ЕС. В этом исследовании статус витамина D оценивался как оптимальный (уровни 25- гидроксивитамина D более 30 нг/мл), недостаточный (20—30 нг/мл), дефицитный (10—20 нг/мл) и как тяжёлый дефицит (менее 10 нг/мл). Среднее значение уровней 25-гидроксивитамина D в когорте соста- вило 22,8 нг/мл, причём 80% обследованных характеризовались субоптимальными уровнями (39% — недостаточный, 27% — дефицит, 15% — тяжёлый дефицит) [7]. Таким образом, исследование показало достаточно удручающее положение с обеспеченностью витамином D у подростков живущих, казалось бы, в таких «хорошо обеспеченных» странах как страны — представители ЕС.

Многоцентровое исследование «Родничок» (n=1230), проведённое в 15 регионах России, указало на крайне низкую обеспеченность витамином D детей 2—3 лет. В то же время, дети до 2 лет, регулярно получавшие витамин D для профилактики рахита, были обеспеченны значительно лучше. В частности, дефицит витамина D (уровни 25(ОН)D<20 нг/мл) встречался у 35,2% детей до 6 мес, у 20,4% детей до 1 года, у 45,1% детей в возрасте 2 года и у 62,1% детей в возрасте 3 года [8].

Представляемые в настоящей работе результаты основаны на анализе ИМБД (База Данных Института Микроэлементов) — базы данных (БД) разносторонней медицинской информации для нескольких тысяч пациентов, обследованных в рамках исследовательских программ Московского сотрудничающего центра международного Института Микроэлементов при ЮНЕСКО в течение последних 10 лет. В частности, в ИМДБ имеется существенное количество информации о пациентах до 16 лет, у которых при обследовании было проведено определение уровней 25(ОН)D в сыворотке крови.

Для анализа комплексных взаимодействий в достаточно сложных данных (тысячи пациентов, тысячи показателей для каждого пациента) были использованы современные методы интеллектуального анализа данных, основанные на теории классификации значений признаков [9—12]. Использование именно этих новейших методов анализа данных связано с тем, что обычные статистические модели, повсеместно используемые для анализа биомедицинских данных, не позволяют проводить исчерпывающего анализа взаимосвязей в больших массивах разнородных признаковых описаний (тысячи биомедицинских показателей для пациентов) и большого числа объектов (описания тысяч пациентов).

Материалы и методы

База данных. ИМБД — база данных Московского сотрудничающего центра международного Института микроэлементов при ЮНЕСКО. ИМБД содержит медицинскую информацию для нескольких тысяч пациентов, обследованных в рамках исследовательских программ за последние 15 лет. Для каждого пациента в ИМБД вводится такая информация, как демографические параметры, род занятий, антропометрия, состояние сердечно-сосудистой системы, оценка физической активности, употребление алкоголя и курение табака детьми и/или родителями, стандартный и биохимический анализы крови (в том числе глюкоза, инсулин, С-пептид, гликированный гемоглобин, витамины), медицинский анамнез (в том числе эндокринологический, дерматологический, урологический и др.), коморбидные диагнозы, приём фармакологических препаратов, оценки потребления различных витаминов, макро- и микро- элементов по опросникам и по дневникам диеты.

Методика забора крови и определение уровней 25(OH)D3

Кровь бралась натощак в стерильную пробирку Vacuette® с активатором свёртывания и гелем для получения сыворотки. Сразу же после помещения крови в пробирку производилось перемешивание (перевернуть пробирку 5—10 раз) без встряхивания, т.к. резкое смешивание вызывает пенообразование и гемолиз. Не позднее 1 ч с момента взятия крови проводилось центрифугирование при 1800 g, 10 мин при комнатной температуре. Во 2-ю пробирку отбиралось не менее 0,5 мл сыворотки. Для длительного хранения пробы замораживались при -20°С, без повторного замораживания. Уровни 25(OH)D3 определялись методом хемилюминесцентного иммуноанализа (CLIA) на анализаторе Liaison DiaSorin Pleutschland GmbH, Germany с использованием набора реактивов Liaison 25 OH Vitamin D Total Assay (кат. номер 310600). В зависимости от установленного уровня 25(OH)D3 в сыворотке крови выделялись следующие подгруппы детей по уровню обеспеченности: <10 нг/мл — авитаминоз (тяжёлый дефицит), 10—20 нг/мл — дефицит, 20—29 нг/мл — недостаточность.

Методы интеллектуального анализа данных

Для стандартной обработки результатов исследования использовались методы математической статистики, включающие расчёт числовых характеристик случайных величин, проверки статистических гипотез с использованием параметрических и непараметрических критериев, корреляционного и дисперсионного анализа. Сравнение прогнозируемых и наблюдаемых частот встречаемости исследуемых признаков проводилось с помощью критерия Хи-квадрат, T-критерия Вилкоксона—Манна—Уитни и теста Стьюдента. Использовалась прикладная программа STATISTICA 6.0 и электронные таблицы Microsoft Excel.

Помимо стандартных методов статистики, в ходе анализа данных скрининга были использованы новые математические подходы для установления интервалов информативных значений численных показателей, нахождение метрических сгущений в пространстве параметров биомедицинского исследования и построения метрических карт [11, 12].

Установление интервалов информативных значений численных показателей состояний пациентов.Диагностические критерии в медицине формируются как совокупности логических правил «если... то...» и других, т. е. врачи-исследователи, как правило, сводят диагностические критерии к некоторой бинарной форме (например, «температура выше или равна 37о С» — «температура ниже 37о С», «уровни гемоглобина ниже 100 г/л» «гемоглобин более 100 г/л») или комбинациям нескольких бинарных признаков («гемоглобин ниже 130 г/л, у мужчин, возраст более 70 лет»). Поэтому, при анализе данных необходимо проведение некоторой процедуры разбиения значений численных показателей на интервалы информативных значений (т. н. факторизация). Таким образом, после сбора данных исследования каждый пациент характеризуется набором описаний — клиническими симптомами, демографическими, биохимическими и другими параметрами. Пусть Т — исходная таблица данных описаний n пациентов, в которой каждая строка соответствует масcиву данных из m признаков о состоянии конкретного пациента; rλ=(r1,r2, ... rm) -λ-й вектор размерности факторизации, λ=1..Λ и Xλ — λ-ая факторизованная таблица бинарных описаний. Факторизующей функцией φλ назовём отображение φ(rλ): Xλ = φ(rλ,T). Определим операцию конкатенации матриц описаний «X1  X2 » как теоретико-множественное объединение столбцов матриц X1 и X2 . Тогда X=U Xλ ={xij} — таблица элементарных бинарных описаний пациентов над заданным { rλ }, в которой xij — значение i-го элементарного бинарного описания j-го пациента. Очевидно, что бинарные признаки в X соответствуют интервалам информативных значений, а элементы вектора rλ задают число этих интервалов. При факторизации на основе установления интервалов типичных значений, функция φ(rλ) определяется как композиция элементарных факторизующих функций

причём каждая из элементарных функций φλ (ri ) построена так, что строит интервалы значений на основе выделения максимумов частоты распределения значений k-го признака таблицы Т при заданном числе информативных интервалов (т. е. rk ). В настоящей работе rk вычислялось автоматически как плато максимальной длины на графике распределения числа получаемых интервалов в зависимости от шага разбиения.

Нахождение метрических сгущений в пространстве параметров биомедицинского исследования. Одной из основных проблем анализа биомедицинских данных является адекватное проведение мультипараметрического анализа, что связано с эффектами т. н. «множественного тестирования» (термин математической статистики) или «смешивания эффектов различных факторов» (биостатистика). В настоящей работе использован подход, основанный на фундаментальной концепции метрики (в математике, метрика — функция измерения расстояния между точками, которая удовлетворяет аксиоме треугольника). «Точками» в данном случае являются изученные параметры пациентов. Набор точек с заданной метрикой называется метрической конфигурацией. Измеряя попарные расстояния между этими точками, становится возможным установление метрических сгущений (кластеров близко лежащих точек) и, затем, потроение метрических карт (проекций метрических конфигураций на плоскость), которые являются наглядными диаграммами, отражающими весь массив исследованных корреляций биомедицинских параметров. Ниже приведены краткое описание алгоритма поиска метрических сгущений на основе p сетей, выбор вершин p сети, построение метрической конфигурации как матрицы попарных расстояний и процедур поиска собственно метрических сгущений.

Пусть X — таблица элементарных бинарных описаний пациентов, в которой каждый из пациентов описывается набором из N признаков. Будем считать каждый из признаков точкой в пространстве соответствующей размерности, тогда X = { x1...xn } — множество, состоящее из N точек. Задана метрика Pij = p{xi;xj) , определённая на всех парах точек из X.

Метрическим сгущением называется множество близких, в смысле заданной метрики, точек, образующих компактные области. Полученные в работах [9, 10] результаты позволили разработать семейство новейших алгоритмов поиска сгущений (или т. н. «алгоритмов кластеризации»), которые основаны на «восстановлении» множества по компонентам его проекции на оси метрической конфигурации. Параметрами произвольного алгоритма из этой группы являются способ вычисления значений метрики ρij и распределение σ. Алгоритмы могут отличаться друг от друга используемым определением обобщённой плотности η, способом построения непрерывных представлений i-спектров {yiσ(r)} (осуществляемым, причём, с точностью до σ), способом выбора окрестности точки при анализе сгущений, способом выбора границ «сгущений» (или, наоборот, «разрежений»), критериями оценки качества набора сгущений и др.

Результаты и обсуждение

Из массива данных, имеющихся в ИМБД, была выделена когорта из 250 детей и подростков в возрасте от 7 до 16 лет, которые стоят на диспансерном учёте в связи с различными хроническими заболеваниями и у которых были измерены уровни 25-гидроксивитамина в сыворотке крови. Большинство обследованных (71%) проживали в городах центрального и северо-западного регионов России (Москва, Санкт-Петербург, Архангельск, Иваново, Владимир, Кострома).

Установлено, что средние уровни 25-гидроксивитамина D в группе обследованных детей 7—16 лет (n=250) составили 17,2±8,9 нг/мл. При этом не было обнаружено достоверных различий между различными возрастными группами детей. В соответствии с используемыми международными нормами диапазон нормы уровней 25-гидроксивитамина D составляет 30— 80 нг/мл, уровни 20—30 нг/мл соответствуют умеренному дефициту, 10—20 нг/мл — выраженному дефициту, а уровни менее 10 нг/мл — тяжёлому дефициту. Таким образом, средние уровни гидроксивитамина D 17,2±8,9 нг/мл уже указывают на существенное преобладание дефицита витамина D среди детей 7—16 лет.

Тяжёлый дефицит витамина D (<10 нг/мл) был установлен у 5% обследованных детей, выраженный дефицит — у 59% обследованных, умеренный дефицит (20—30 нг/мл) — у 30% обследованных. Таким образом, в когорте обследованных нами детей и подростков от 7 до 16 лет адекватно обеспечены витамином D не более 6% обследованных.

Далее представлены результаты анализа взаимодействий между уровнями витамина D в сыворотке крови и показателями состояния здоровья детей. Сложный характер взаимодействий между обеспеченностью витамином D, метаболизмом тканей и связанными с нарушениями метаболизма различными патологиями обусловил применение в настоящей работе современного метода интеллектуального анализа данных — метода метрических сгущений и метрических карт.

Анализ результатов исследования методом метрических сгущений показал, что у детей 7—16 лет дефицит витамина D достоверно ассоциирован с бронхиальной астмой и с коморбидными ей патологическими состояниями (заложенность носа, свистящее дыхание, другие сезонные аллергические риниты), а также с нарушениями метаболизма (инсулиннезависимый сахарный диабет, ожирение), с повышенным риском травм голеностопного сустава и остеохондропатиями.

Метрическая карта исследования представляет каждый из исследованных параметров точкой на плоскости. Расстояние между каждой парой точек пропорционально статистической значимости взаимодействия между соответствующими показателями. Соответственно, кластеры (сгущения) на метрической карте исследования отражают степень корреляции между группами параметров. Анализ метрической карты настоящего исследования позволил установить наличие двух сгущений (кластеров) взаимодействий между исследованными показателями (рис. 1).

Анализ метрической карты исследования (см. рис. 1) показал, что в обследованной группе детей 7—16 лет с недостаточностью витамина D (25(OH) D<20 нг/мл) были достоверно ассоциированы 11 диагнозов (табл. 1). Недостаточность витамина D достоверно ассоциирована с бронхиальной астмой и с коморбидными ей патологическими состояниями (длительно и часто болеющие, свистящее дыхание, другие сезонные аллергические риниты, табл. 2), с нарушениями метаболизма (инсулиннезависимый сахарный диабет, ожирение), с повышенным риском травматизации (табл. 3).

Проведённый анализ позволил выявить кластер взаимодействий между недостаточностью витамина D и J45 бронхиальной астмой (ОР 10,33, 95% ДИ — 1,45—73,52, р=0,003856) и тяжестью протекания астмы по 4-балльной шкале (недостаточность витамина — 1,8±1,7 балла, контроль — 0,7±0,6 балла, р=0,00014). Также недостаточность витамина D была достоверно ассоциирована с более высоким риском состояний R09.81 Заложенность носа (ОР 10,77, 95% ДИ — 1,51—76,70, р=0,003016), R06.2 свистящее дыхание (ОР 21,43, 95% ДИ — 2,20—208,83, р=0,000133), J30.2 Другие сезонные аллергические риниты (ОР 30,42, 95% — ДИ 4,25—217,62, р=6,3•10-8), длительно и часто болеющий ОРЗ (р=5,5•10-10, рис. 2).

Очевидно, что весьма выраженная ассоциация недостаточности витамина D и бронхиальной астмы у детей связана также с ассоциациями между недостаточностью витамина D и приёмом фармакологических средств (β-адренергические бронходилататоры, р=0,0099, кортикостероидные спреи, р=4,15•10-10, интраназальные стероиды, р=0,000152). Также были установлены статистические ассоциации недостаточности витамина D с приёмом сальбутамола (р=0,000078), будесонида (р=7,32•10-19), монтелукаста (р=3,91•10-15) перорально; флутиказона (р=0,000319) и беклометазона (р=9,52•10-12) — интраназально.

Витамин D — важный фактор антибактериальной и противовирусной защиты. В литературе наиболее хорошо изучена роль витамина D в противотуберкулёзном иммунитете [4]. В нашем исследовании пациентов с туберкулёзом не наблюдалось. Однако были установлены ассоциации между сниженными уровнями 25(ОН)D в сыворотке крови и повышенной восприимчивостью у детей и подростков к стафилококкам. Сниженные уровни 25(ОН)D были ассоциированы с резистентностью стафилококков к антибиотикам (пациенты с резистентностью — 16,1±9,02 нг/мл, контроль — 23,11±10,48 нг/мл, р=0,059) и с наличием энтеротоксинов стафилококков в крови пациентов (пациенты с энтеротоксинами — 12,33±8,72 нг/мл, контроль — 24,85±9,74 нг/мл, р=0,008).

Установлены достоверные ассоциации между недостаточностью витамина D и метаболическими нарушениями у детей (табл. 3). Недостаточность витамина D соответствовала существенному повышению риска следующих диагнозов: E66.3 Ожирение (р<10—10, ОР — 92,53, 95% ДИ — 9,10—940), E88.9 Нарушение обмена веществ неуточнённое (р<10—10, ОР — 138,97, 95% ДИ — 13,30—1452). Существование выраженной ассоциации между недостаточностью витамина D и диагнозом E11 Инсулиннезависимый диабет (р<10—10 ОР — 47,70, 95% ДИ — 4,82—47,22) делает вполне очевидными ассоциации с приёмом метформина и других бигуанидов (р<10—10).

Количественный анализ уровней 25(ОН)D в сыворотке крови подтвердил описанные выше ассоциации между недостаточностью витамина D и ожирением и также указал на дозозависимый характер корреляций между уровнями 25(ОН)D и соответствующими антропометрическими показателями. Дозозависимый характер был особенно выражен в корреляции между уровнями 25(ОН)D и массой тела (p=0,05).

Данные литературы подтверждают, что недостаточная обеспеченность детей витамином D действительно ассоциирована с ожирением, высоким ИМТ, инсулинорезистентностью и толерантностью к глюкозе. Адекватная обеспеченность витамином D улучшает метаболический контроль и соответствует снижению заболеваемости сахарным диабетом [2]. Заметим, что в кластер метаболических нарушений, ассоциированных с недостаточностью витамина D, также попали состояния, связанные с нарушениями метаболизма соединительной ткани. Витамин D является одним из важнейших нутрициальных и гормональных факторов, поддерживающих метаболизм соединительной ткани [2].

В настоящем исследовании недостаточность витамина D была достоверно ассоциирована с диагнозом S99.9 Травма голеностопного сустава и стопы неуточнённая (р<10—10, ОР — 154,44, 95% ДИ — 14,64—1628,89) и с диагнозом М41 Сколиоз (р<10—10, ОР — 173,79, 95% ДИ — 16,29—1853). Важно подчеркнуть, что ассоциация недостаточности витамина D с травматизацией голеностопного сустава включала и ассоциацию с показателем X50.0 Перенапряжение и резкие или повторяющиеся движения из раздела «Внешние причины заболеваемости» классификации МКБ-10 (Р<10—10, ОР — 51,26, 95% ДИ — 5,17— 508.53). Данное сочетание диагнозов показывает, что на фоне хронической недостаточности витамина D резко возрастает риск травматизации голеностопного сустава ребёнка при условии резких внешних нагрузок (например, занятий физической культурой).

Патологии соединительной ткани, которая является структурной основой всех систем организма, имеют непосредственное отношение к нагрузке детей различными сочетаниями коморбидных патологий. Очевидно, что нарушение метаболизма соединительной ткани, происходящее в результате недостаточности витамина D, имеет системный характер и одновременно затрагивает несколько систем органов. В настоящей работе были установлены статистически достоверные ассоциации между недостаточностью витамина D и показателями коморбидности состояний (табл. 4).

Так, недостаточность витамина D достоверно ассоциирована с повышением числа визитов к врачу (недостаточность витамина D — 10,4±4,3 визитов/год (как правило, по причине ОРЗ), контроль — 2,1±2,0 визитов/год, р<10—10, рис. 3) и с более высоким числом коморбидных состояний, выявленных у одного и того же пациента (недостаточность витамина D — 4,0±3,0 состояний, контроль — 1,2±1,0 состояний, р=0,008). С увеличением числа визитов к врачу и с более высокой «болезненностью» детей 7—16 лет были также ассоциированы более частое назначение ВМК (недостаточность витамина D — 75%, контроль — 1,4%, р<10—10), в т. ч. на основе холекальциферола (недостаточность витамина D — 25,0%, контроль — 0,3%, р=7,3•10—19).

Следует отметить, что в комплексе ассоциаций между недостаточностью витамина D и показателями коморбидности состояний пациента имело значение именно число коморбидных состояний, а не какие-то конкретные сочетания диагнозов. Частота встречаемости пациентов с конкретными сочетаниями диагнозов (парных, тройных и др.) были крайне низки в исследованной выборке (не более 1% от всех обследованных детей). Иначе говоря, недостаточность витамина D у детей и подростков была ассоциирована с более высокой суммарной нагрузкой коморбидными состояниями.

О компенсации дефицита витамина D у детей

Результаты настоящего исследования показывают, что среди детей 7—16 лет не более чем 6% обеспечены витамином D (т. е. уровень 25(ОН)D в сыворотке крови составляет 30 нг/мл или выше). При этом сниженная обеспеченность витамином D ассоциирована с обширным комплексом патологий, включая бронхиальную астму, аллергические риниты, сахарный диабет и др. Эти результаты указывают на насущную необходимость регулярного использования дотаций витамина D для детей 7—16 лет.

Имеющаяся доказательная база указывает на эффективность более высоких доз витамина D длительными курсами (для детей старше 1 года — не менее 800 МЕ/сут постоянно в течение года, без перерыва на летний период). Например, анализ результативных исследований по применению витамина D в терапии бронхиальной астмы, бронхообструкции, ОРВИ, отита, туберкулёза, атопического дерматита показал, что эффективной дозой витамина D для детей в возрасте 0—1 мес является 740 МЕ/сут, а с каждым годом жизни результативная дозировка повышается, в среднем, на +93 МЕ/сут [13]. При использовании таких дозировок витамина D не будет наблюдаться побочных эффектов, а заболеваемость детей будет снижаться [14].

Заключение и выводы

Адекватная обеспеченность витамином D принципиально важна для поддержания здоровья детей и подростков. В оценке ролей витамина D у детей школьного возраста на первый план выходит не терапия рахита, а поддержание антиинфекционного иммунитета, липидного обмена, профилактика бронхиальной астмы, ожирения, ранней гипертонии, опухолевых заболеваний, сколиоза и др. В настоящей работе представлены результаты анализа базы данных ИМБД на предмет обеспеченности витамином D когорты детей и подростков от 7 до 16 лет из центрального и северо-западного регионов России (n=250). Результаты проведённого исследования позволили установить, что обеспечены витамином D (25(ОН)D<30 нг/мл) не более 6% детей 7—16 лет. Анализ результатов исследования методами теории классификации значений признаков показал, что у детей 7—16 лет недостаточность витамина D достоверно ассоциирована, с одной стороны, с бронхиальной астмой (J45 по МКБ—10, р=0,003856, ОР — 10,33, 95% ДИ — 1,45—73,52) и коморбидными ей патологическими состояниями: R09.81 Заложенность носа (р=0,003016), R06.2 Свистящее дыхание (р=0,000133), J30.2 Другие сезонные аллергические риниты (p<0,00001). С другой стороны, были установлены статистически достоверные ассоциации между недостаточностью витамина D и патологическими состояниями, связанными с такими нарушениями метаболизма как E11 Инсулиннезависимый сахарный диабет (р<10—10, ОР — 47,70, 95% ДИ — 4,82— 472,22), E66.3 Ожирение (р<10—10), E88.9 Нарушение обмена веществ неуточненное (р<10—10), а также с повышенным риском S99.9 Травмы голеностопного сустава и стопы (р<10—10, ОР — 154,44, 95% ДИ — 14,64—1628,89) и М41 Сколиоз (р<10—10). У детей школьного возраста недостаточность витамина D ассоциирована с 3-кратным возрастанием числа коморбидных состояний, выявленных у одного и того же пациента (р=0,008), т. е. с существенным возрастанием коморбидной нагрузки на организм ребёнка. Таким образом, для детей школьного возраста показан регулярный приём препаратов витамина D, что, во-первых, позволяет компенсировать повсеместно распространённый дефицит, а, во-вторых, снизить общую заболеваемость детей.