Обоснование
В последние годы проблема воздействия различных неблагоприятных факторов среды на репродуктивную функцию мужчин остается весьма актуальной [1] вследствие снижения за последние 50 лет средней концентрации сперматозоидов на 32,5% [2]. Кроме того, примерно 50% случаев бездетности пар связывают с мужским фактором бесплодия [3]. Гормоны системы гипоталамус-гипофиз-гонады, в частности, гонадотропины и тестостерон принимают непосредственное участие в регуляции сперматогенеза [4, 5]. Особому напряжению подвергается гипофизарно-гонадное звено эндокринной системы человека в Арктике [6—8], где действует целый комплекс экстремальных климато-географических факторов. Известно, что одним из приоритетных факторов, оказывающих влияние на организм человека, является фотопериодизм, а результаты исследований флуктуаций уровней гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады в динамике сезонов года зависят как от географической широты проживания, так и особенностей обследуемых популяций [9].
Продолжительность светового дня считается фактором риска развития дизадаптационных реакций со стороны репродуктивной системы, ключевую роль в которой играют половые гормоны [10]. Большинство работ по сезонной или фотопериодичной динамике уровней половых гормонов у мужчин представляют сведения по флуктуациям уровней тестостерона. Показано, что продолжительность светового дня обратно пропорциональна содержанию общего тестостерона у мужчин Норвегии и Южной Кореи [11, 12], а уровни общего тестостерона, секс-стероидсвязывающего глобулина (СССГ) и индекс тестостерон/эстрадиол (T/E2) были максимальны зимой по сравнению с летним периодом в противоположность содержанию ЛГ [13]. Выявлена связь между уровнем витамина Д (25OHD) и изменениями уровней половых стероидов [13], когда 25OHD имел отрицательную корреляцию с уровнями общего и свободного тестостерона и показателем T/E2 и положительную корреляцию — с эстрадиолом. В других исследованиях показаны более высокие уровни тестостерона летом [14, 15] и их положительная корреляция с продолжительностью светового дня [14], а более низкие уровни эстрадиола и индекса T/E2 наблюдались осенью—зимой [16]. Существуют данные и об отсутствии сезонной динамики уровней тестостерона [16—18]. Кроме того, было показано, что сезонные колебания гормонов не выражены после 57 лет, когда происходит прогрессирующее снижение уровня тестостерона [14].
Разнородность сведений о сезонной динамике уровней половых гормонов определяет актуальность изучения данной проблемы у мужского населения Европейского Севера, относящегося к территориям Арктической зоны Российской Федерации, где наиболее выражена контрастность воздействия фотопериодики по сравнению с температурным фактором [19]. Изучение поставленной задачи в рамках данного исследования поможет в разработке и проведении превентивных мероприятий по сохранению мужского репродуктивного здоровья у населения Европейского Севера с учетом световых периодов года.
Цель исследования — показать изменения сывороточных уровней гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады у группы практически здоровых мужчин 22—45 лет, проживающих на территории европейского севера, в разные фотопериоды года.
Материал и методы
Дизайн исследования. Исследование относится к обсервационному, одноцентровому, проспективному, выборочному, неконтролируемому, проводилось 4 раза за год на одной и той же группе практически здоровых мужчин (20 человек) возраста 22—45 лет (по критериям ВОЗ — молодой возраст) в различные фотопериоды года.
Критерии соответствия. Критериями включения явились практически здоровые мужчины Архангельска в возрасте 22—45 лет, родившиеся и постоянно проживающие на Севере.
Критерии не включения: диспансерный учет у эндокринолога, андролога, заболевания сердечно-сосудистой системы и сахарный диабет в анамнезе, обострения хронических и острых заболеваний, наличие стрессовых ситуаций за 2—3 недели накануне исследования, употребление алкогольных напитков за 2—3 дня до момента проведения исследования.
Критерии исключения из исследования: САД >140 мм рт.ст.; ДАД >90 мм рт.ст.; ЧСС >90 уд/мин.
Условия проведения. Исследование проводилось среди городских мужчин, относящихся к местному русскому населению, которое проживает в условиях Европейского Севера не менее чем в 3-х поколениях. Поиск участников исследования осуществлялся путем распространения информации об исследовании с подробным описанием цели, критериев соответствия, дизайна, продолжительности, медицинского вмешательства среди личного круга общения и через интернет-ресурсы. Размер выборки обследованных лиц определялся исходя из возможности одновременного проведения лабораторного анализа с использованием 96-луночного планшета ИФА-методом, учитывая калибровочные и стандартные пробы.
Продолжительность исследования. Исследование проводилось в течение года в запланированные четыре фотопериода: период увеличения продолжительности светового дня, его максимальной продолжительности, уменьшения и минимальной продолжительности светового дня. Критериями выбора месяца обследования являлись периоды весеннего (март) и осеннего (сентябрь) равноденствия, а также летнего (июнь) и зимнего (декабрь) солнцестояния.
Описание медицинского вмешательства. Среди участников исследования проводилось анкетирование, на основании которого они соотносились с критериями включения и не включения в группу обследованных, также проводилось измерение антропометрических характеристик, артериального давления и осуществлялся сбор крови с последующим определением уровней гормонов.
Основной исход исследования. Без сбора анкетных данных, взятия крови и определения уровней гормонов в сыворотке крови не может быть достигнута цель исследования.
Анализ в подгруппах. В подгруппы входили одни и те же лица, но обследованные в различные фотопериоды года.
Методы регистрации исходов. Анкеты были разработаны в лаборатории эндокринологии им. проф. А.В. Ткачева и включали вопросы о гендерной принадлежности, возрасте, месте рождения, национальности, сведения о родителях, наличии заболеваний, употреблении лекарственных препаратов и др. Кровь для анализа уровней гормонов забиралась натощак, в утренние часы, из локтевой вены в вакутайнеры «Improvacuter» с активатором свертывания крови квалифицированным медицинским персоналом Центра профессиональной диагностики ООО «Биолам». Сыворотку крови откручивали на мультицентрифуге ELMI СМ 6М (Латвия) в течение 15 мин при 1500 оборотов в минуту и хранили в морозильнике при –20°C до определения в ней гормонов. Уровни гормонов определяли с помощью наборов реактивов для иммуноферментного анализа фирмы ООО «Алкорбио» (Россия): лютеинизирующий гормон (ЛГ, лютропин), фолликулостимулирующий гормон (ФСГ, фоллитропин), пролактин, прогестерон, тестостерон (Т), дегидроэпиандростерон-сульфат (ДГЭА-С), а также фирмы DRG Instruments GmbH (Германия): свободный тестостерон (св.Т), эстрадиол (Е2) на планшетном автоматическом анализаторе ELISYS Uno («Human», Германия).
Этическая экспертиза. На основании протокола заседания Этического комитета ФГБУН ФИЦКИА РАН от 15.03.18 (протокол №1) было постановлено «на основании представленных документов принять положительное этическое заключение и одобрить планируемое научное исследование по теме «Фотопериодическая зависимость физиологических эффектов дофамина на функциональную активность систем гипофиз-щитовидная железа и гипофиз-гонады у мужчин Арктических территорий». Исследовательский проект полностью соответствует этическим нормам в соответствии с Хельсинской декларацией Всемирной медицинской ассоциации и может быть реализован в представленном виде». До начала исследования у всех испытуемых было получено информированное согласие на обследование.
Статистический анализ. Принципы расчета размера выборки: размер выборки предварительно не рассчитывался.
Методы статистического анализа данных: использовали пакет статистических программ Statistica 10.0 (StatSoft, INC. США, обладатель лицензии ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН). Количественные данные представлены в виде медиан (Me), перцентилей — 10 и 90%, процентов отклонений от нормы в меньшую и большую сторону — % < N; % > N. Для проверки гипотезы о нормальном распределении применяли тест Шапиро—Уилка, по результатам которого пришли к выводу о необходимости использования непараметрических методов анализа. Для оценки достоверности различий между двумя связанными выборками использовали ранговый дисперсионный анализ (ANOVA) Фридмана с последующим попарным сравнением с помощью критерия Вилкоксона.
Результаты
Объекты (участники) исследования. Обследовано 20 практически здоровых местных европеоидных мужчин, проживающих на территории Арктической зоны Российской Федерации, к которой относится Архангельск, в возрасте 22—45 лет (по классификации ВОЗ — молодой возраст), родившихся и проживающих на Севере.
Основные результаты исследования. Значительные изменения уровней гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады у мужского населения Европейского Севера зарегистрированы в декабре с выявлением минимальных значений свободного тестостерона, по сравнению с мартом (см. таблицу, рис. 1). Концентрации общих фракций тестостерона при этом не изменялись. Содержание эстрадиола было также минимально в декабре, однако максимальные его значения регистрировались в сентябре. Соответственно динамике эстрадиола изменялся и индекс T/E2 с максимумом в декабре и минимумом — в сентябре. Отклонения уровней эстрадиола от нормативных значений регистрировались, в основном, в сторону больших величин. Максимальная частота отклонений за верхние границы нормы была зарегистрирована в июне и сентябре, а отклонения за пределы нижних границ нормы — в декабре (рис. 2).
Содержание гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады у мужчин г.Архангельска в различные фотопериоды года
| Показатель, единицы измерения | Март 1 | Июнь 2 | Сентябрь 3 | Декабрь 4 | Статистическая значимость различий, p-уровень |
| Me (10%; 90%) % | Me (10%; 90%) % | Me (10%; 90%) % | Me (10%; 90%) % | ||
| ФСГ 1,0—11,8 МЕ/л | 4,25 (3,08; 6,95) | 3,98 (2,67; 5,46) | 3,96 (2,59; 5,28) | 3,92 (2,86; 5,78) | p1—2=0,04 p1—3=0,017 p1—4=0,011 |
| ЛГ 0,8—8,4 МЕ/л | 4,26 (2,44; 6,57) | 3,9 (2,11; 5,88) | 3,29 (1,71; 6,01) 0%; 5% | 3,27 (1,81; 4,56) | p1—3=0,021 p1—4=0,002 p2—4=0,007 |
| Прогестерон 0,5—5,2 нмоль/л | 7,1 (5,31; 9,13) 0%; 90% | 6,44 (5,82; 9,81) 0%; 95% | 6,73 (5,11; 10,61) 0%; 85% | 6,99 (4,79; 9,58) 0%; 85% | p1—2<0,001 |
| ДГЭА-С 2,7—11,34 мкмоль/л | 10,51 (6,22; 12,95) 0%; 45% | 10,46 (5,68; 14,02) 0%; 25% | 11,87 (6,36; 15,09) 0%; 55% | 11,49 (6,39; 16,07) 0%; 50% | p1—3=0,049 p2—3=0,044 p2—4=0,031 |
| Тестостерон 12,1—38,3 нмоль/л | 19,24 (12,3; 31,09) 10%; 5% | 18,09 (13,39; 32,31) 10%; 5% | 15,25 (12,09; 36,89) 10%; 5% | 18,16 (12,51; 29,24) | p>0,05 |
| Свободный тестостерон 1,00—28,28 пг/мл | 5,06 (3,59; 23,83) | 5,92 (3,68; 13,96) | 3,91 (3,49; 17,94) 0%; 5% | 3,81 (3,47; 15,26) | p1—4=0,033 |
| Эстрадиол 0,11—0,25 нмоль/л | 0,223 (0,127; 0,370) 5%; 40% | 0,298 (0,183; 0,402) 0%; 70% | 0,313 (0,245; 0,397) 0%; 85% | 0,199 (0,085; 0,309) 20%; 25% | p1—3=0,004 p2—4=0,003 p3—4=0,001 |
| Пролактин 5,0—23,6 нг/мл | 17,88 (8,51; 22,40) 0%; 10% | 13,55 (7,88; 20,78) | 16,37 (6,91; 21,43) 0%; 5% | 14,58 (7,57; 23,31) 0%; 10% | p1—2=0,001 p1—3=0,011 |
| Тест./Эстр. | 83,86 (35,99; 262,50) | 74,15 (29,83; 225,34) | 59,15 (14,77; 133,22) | 103,07 (44,28; 434,25) | p1—3=0,001 p2—3=0,048 p2—4=0,025 p3—4=0,005 |
| Тест./ЛГ | 5,68 (1,82; 15,85) | 6,09 (2,40; 14,16) | 6,05 (2,06; 21,46) | 5,94 (3,10; 15,36) | p1—4=0,037 |
Примечание. Me — медиана, (10%; 90%) — перцентили 10 и 90 соответственно, %
Рис. 1. Динамика уровней гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады в различные фотопериоды года у мужского населения Архангельска.
Для удобства восприятия данных, значения Е2 для рисунка были умножены на 10, а значения индекса Т/Е2 — разделены на 10.
Рис. 2. Частота регистрации повышенных уровней гормонов в различные фотопериоды года у мужчин Архангельска.
Анализируя изменения уровней гонадотропных гормонов гипофиза, выявили максимальные уровни ФСГ в марте, по сравнению с остальными периодами года. Максимальные значения ЛГ также регистрировали в марте и июне относительно его снижения в сентябре и декабре. Соответственно индекс T/ЛГ нарастал в декабре. Другой гипофизарный гормон, регулирующий функцию половых желез — пролактин также имел максимальные концентрации в марте, по сравнению с двумя последующими периодами.
Интерес представляло изучение фотопериодической динамики уровней предшественников стероидных гормонов, таких как прогестерон и дегидроэпиандростерон-сульфат. Содержание прогестерона также было максимальным в марте, по сравнению с июнем. Напротив, уровни ДГЭА-С были максимальны в осенне-зимний период по сравнению с весенне-летним периодом. Необходимо отметить, что концентрации прогестерона у 85—95% (17—19 человек) обследованных мужчин были выше верхней границы нормативов, указанных для соответствующих тест-систем. Относительно ДГЭА-С также было показано наличие сверхнормативных значений, частота регистрации которых была выше в сентябре, по сравнению с июнем (p=0,05).
Обсуждение
Резюме основного результата исследования. Основными контрастными периодами с изменениями уровней гормонов системы гипоталамус-гипофиз-гонады у мужского населения Европейского Севера являются периоды увеличения продолжительности светового дня и его минимальной продолжительности. Различия заключаются в том, что в период увеличения продолжительности светового дня регистрируются более высокие концентрации свободного тестостерона, прогестерона, гонадотропных гормонов, пролактина при более низких значениях ДГЭА-С. В период минимальной продолжительности светового дня, напротив, показаны минимальные значения свободного тестостерона, ЛГ, ФСГ, эстрадиола при нарастании индекса тестостерон/эстрадиол, тестостерон/ЛГ в крови обследованных лиц.
Обсуждение основного результата исследования. Ранние исследования гормонального профиля системы гипоталамус-гипофиз-гонады у практически здорового мужского населения, родившегося и постоянно проживающего на Севере, показали максимальный уровень общего тестостерона на фоне минимальных значений кортизола в период увеличения продолжительности светового дня [20, 21], что могло быть связано с активизацией анаболических процессов в организме.
В рамках настоящего исследования на одной и той же группе практически здоровых мужчин в течение 4-х периодов года достоверных изменений уровней общего тестостерона не обнаружено. Однако нами обнаружены фотопериодические флуктуации свободных фракций тестостерона с его максимумами в период увеличения и максимальной продолжительности светового дня и снижением в период его уменьшения и минимальной продолжительности. Полученные результаты согласуются с данными об увеличении активности системы гипоталамус-гипофиз-гонады и полового поведения у некоторых видов животных [22], а также ранними нашими работами, где было показано нарастание уровней общего тестостерона в период увеличения продолжительности светового дня [20].
Отсутствие фотопериодических колебаний уровней общего тестостерона в данной работе сочетается с нарастанием индекса T/E2и T/ЛГ в период минимального светового дня и позволяет предположить возможную роль связанных с белком фракций тестостерона в адаптационных механизмах, направленных на сохранение его свободных форм, обеспечивающих основные метаболические процессы в организме. Т.И. Кочан также было продемонстрировано экономное расходование энергии нутриентов в период снижения долготы дня и температуры окружающей среды с целью резервирования ее в виде триглицеридов, а в период увеличения инсоляции активизировалось аэробное окисление резервных жиров при усилении глюконеогенеза [23].
Повышение активности системы гипоталамус-гипофиз-гонады в период увеличения светового дня, скорее всего, связано с угнетением выработки мелатонина, который ингибирует секрецию гонадотропинов и половых гормонов, что, по мнению исследователей, приводит к активации репродуктивной функции и увеличению частоты зачатий в летнее время [24].
Мы полагаем также, что подобные изменения могут быть связаны с изменением активности щитовидной железы в различные фотопериоды года [25], так как гормоны щитовидной железы стимулируют стероидогенез половых гормонов [26, 27]. Кроме того, о взаимосвязи с активностью щитовидной железы стоит упомянуть и в контексте фотопериодического изменения уровня эстрадиола в крови. Так, его снижение в период минимального светового дня, выявленное в данной работе, сочетается с минимальными значениями Т3 и Т4 в крови у данной группы обследованных в этот же период года [25]. Известно, что тиреоциты могут содержать рецепторы к эстрадиолу [28], соответственно, эстрадиол может участвовать в регуляции активности щитовидной железы. В связи с этим, параллельное снижение уровней половых гормонов и гормонов щитовидной железы в период минимальной световой активности вполне объяснимо.
В ранних исследованиях максимальные уровни ФСГ и ЛГ были показаны в период минимального светового дня [20], как следствие механизмов «обратной связи» в системе гипофиз—гонады. В настоящем исследовании в разные фотопериоды года показаны синхронные изменения уровней гонадотропинов и свободного тестостерона в крови — их снижение в период минимального светового дня и повышение — в период увеличения продолжительности светового дня, что свидетельствует об активизации или угнетении гипофизарного звена системы гипофиз—гонады в разные фотопериоды года. Уровни пролактина, как и большинство показателей гипофизарно-гонадной системы, повышались в период увеличения продолжительности светового дня в отличие от предыдущих исследований [20], что согласуется с данными некоторых исследователей о параллельном нарастании уровней пролактина и тестостерона [9] и может указывать на стимулирующие эффекты пролактина в андрогенезе [29]. Значения прогестерона как основного предшественника стероидных гормонов также были максимальными в период увеличения продолжительности светового дня в противоположность надпочечниковому предшественнику половых стероидов — ДГЭА-С, значения которого повышались в осенне-зимний период и снижались в весенне-летний период. Вероятно, в период увеличения продолжительности светового дня и его максимальной длительности синтез половых гормонов происходит, преимущественно, в семенниках, а в период уменьшения продолжительности светового дня и его минимальной длительности — за счет их образования в надпочечниках.
В то же время следует отметить, что резервы синтеза половых стероидных гормонов и семенниками, и корой надпочечников довольно высоки ввиду наличия большого процента лиц с их высокими концентрациями. Наличие достаточного резерва для синтеза половых гормонов, возможно, и обеспечивает стабильный уровень общего тестостерона на протяжении всех фотопериодов года с флуктуациями его свободных фракций, значимость которых возрастает в период увеличения продолжительности светового дня, влияя тем самым на ускорение анаболических процессов в организме.
Полученные нами данные согласуются с результатами некоторых исследований, когда была показана положительная корреляция тестостерона с продолжительностью светового дня [14] или данными об отсутствии сезонной динамики уровней тестостерона [16—18]. Однако нами получены новые сведения, касающиеся отличительных признаков в активности системы гипоталамус-гипофиз-гонады в период минимальной и увеличивающейся продолжительности светового дня у мужчин Европейского Севера, что позволит разработать превентивные мероприятия, направленные на предотвращение риска развития дизадаптационных реакций у мужчин с целью сохранения их репродуктивного здоровья.
Ограничения исследования. Следует отметить, что помимо контрастной фотопериодики, влияние которой на Европейском Севере считается определяющим, на гормональный профиль обследуемых лиц могли повлиять и другие климато-географические факторы, такие как температура и относительная влажность воздуха, межсуточные колебания температуры и атмосферного давления, напряженность магнитного поля Земли. Вследствие этого, в дальнейшей работе мы планируем рассмотреть влияние отдельных климато-географических факторов на выявленные изменения уровней гормонов системы гипоталамус—гипофиз—гонады.
Выводы
Исследования по влиянию продолжительности светового дня на уровни гормонов системы гипоталамус—гипофиз—гонады представлены противоречивыми сведениями, которые сообщают либо о прямой, либо об обратной ее корреляции с уровнем тестостерона. Вероятно, на влияние продолжительности светового дня накладывается воздействие других климатических факторов, основное значение из которых придается изменению температуры, а также возрасту обследованных. На территории Европейского Севера, где преобладающим ведущим средовым фактором является контрастная фотопериодика, ранее было показано нарастание уровня тестостерона у мужского населения в период увеличения продолжительности светового дня. В последние десятилетия заметно меняется климат, а также приоритеты воздействия на человека климатических и социальных факторов. Кроме того, ввиду ограничения спектра изучаемых показателей в предыдущих работах, а также целесообразности проведения исследований на одной и той же группе мужчин, относящихся к молодому возрасту (22—45 лет), была поставлена проблема изучения фотопериодической зависимости изменения уровней гормонов системы гипоталамус—гипофиз—гонады у практически здоровых мужчин, проживающих в условиях Европейского Севера.
Нами показано, что основными периодами, когда происходит перестройка функциональной активности системы гипоталамус—гипофиз—гонады у мужчин Европейского Севера являются периоды увеличения и минимальной продолжительности светового дня. В период увеличения светового дня регистрируется активизация гипофизарно-гонадной системы с нарастанием резервов синтеза половых стероидных гормонов (прогестерон), синтезирующихся в основном в гонадах, увеличением активности как гипофизарного (ЛГ, ФСГ, пролактин), так и периферического (свободный тестостерон) звеньев. В период минимальной продолжительности светового дня, напротив, показаны минимальные значения свободного тестостерона, ЛГ, ФСГ и эстрадиола в крови. Нарастание индекса T/E2 и T/ЛГ в период минимального светового дня позволяет предположить возможную роль связанных фракций тестостерона в адаптационных механизмах, направленных на сохранение его свободных форм, обеспечивающих основные метаболические процессы в организме. На основании изучения динамики предшественников половых стероидов можно предположить, что в марте и июне синтез половых гормонов происходит, преимущественно, в семенниках, а в сентябре и декабре — за счет образования ДГЭА-С в надпочечниках. Наличие достаточного резерва для синтеза половых гормонов, возможно, обеспечивает стабильный уровень общего тестостерона на протяжении всех фотопериодов года с флуктуациями его свободных фракций, значимость которых возрастает в период увеличения продолжительности светового дня, обеспечивая увеличение скорости анаболических реакций в организме. Полученные новые сведения, касающиеся отличительных признаков в активности системы гипоталамус—гипофиз—гонады в период минимального светового дня и его увеличения у мужчин Европейского Севера, могут являться основой для разработки превентивных мероприятий, направленных на сохранение мужского репродуктивного здоровья с учетом фотопериодов года.
Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в соответствии с планом ФНИР ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН по теме «Фотопериодическая зависимость физиологических эффектов дофамина на функциональную активность систем гипофиз-щитовидная железа и гипофиз-гонады у жителей Арктических территорий» (номер гос. регистрации122011800392-3).
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Е.В. Типисова, В.А. Аликина, А.Э. Елфимова, И.Н. Молодовская
Сбор и обработка материала — В.А. Аликина, Е.В. Типисова, И.Н. Молодовская, А.Э. Елфимова
Статистическая обработка материала — В.Н. Зябишева
Написание текста — Е.В. Типисова
Редактирование — А.Э. Елфимова, В.А. Аликина
Благодарности.
Авторы выражают благодарность сотрудникам Центра профессиональной диагностики ООО «Биолам» за оказанную помощь во взятии крови у обследованных лиц.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.