Moskva, Moscow, Russian Federation
UDK 61 Медицина. Охрана здоровья
Biologicheskiy vozrast (BV) – kolichestvennaya mera stareniya, otrazhayuschaya snizhenie zhiznesposobnosti organizma s vozrastom. K biomarkeram (BM) stareniya pred'yavlyaetsya ryad trebovaniy: minimal'noe kolichestvo vzaimno ne korrelirovannyh BM, harakterizuyuschih sostoyanie razlichnyh zhiznenno vazhnyh sistem i funkciy organizma, a takzhe: tochnost', informativnost', malaya individual'naya variabel'nost' i ustoychivost' k vneshnim vozdeystviyam, boleznyam i trenirovkam, nevysokie slozhnost' i stoimost', dostupnost' apparatury, uchet konkretnyh zadach i vozmozhnostey issledovatelya. Otobrany BM vybora dlya razlichnyh sistem diagnostiki BV, razrabotany paneli BV dlya raznyh celey i potrebiteley
biomarkery stareniya, sistemnyy analiz, personalizirovannaya medicina
Системный ПОДХОД К ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОМУ ВЫБОРУ биомаркеров биологического возраста[1]
© 2018 В.И. Донцов1, д-р мед. наук; В.Н. Крутько1,2, д-р техн. наук
1ФГБУ Институт системного анализа ФИЦ «Информатика и управление» РАН, Москва;
2ФГБУ Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва, Россия
Биологический возраст (БВ) – количественная мера старения, отражающая снижение жизнеспособности организма с возрастом. К биомаркерам (БМ) старения предъявляется ряд требований: минимальное количество взаимно не коррелированных БМ, характеризующих состояние различных жизненно важных систем и функций организма, а также: точность, информативность, малая индивидуальная вариабельность и устойчивость к внешним воздействиям, болезням и тренировкам, невысокие сложность и стоимость, доступность аппаратуры, учет конкретных задач и возможностей исследователя. Отобраны БМ выбора для различных систем диагностики БВ, разработаны панели БВ для разных целей и потребителей.
Ключевые слова: биомаркеры старения, системный анализ, персонализированная медицина.
SYSTEM APPROACH TO PERSONALIZED CHOICE BIOMARKERS OF BIOLOGICAL AGE
V.I. Dontsov1, D.Sc; V.N. Krut`ko1,2, D.Sc
1Institute for Systems Analysis, FRC “Computer Science and Control” of RAS, Russia, Moscow;
2Sechenov First Moscow State Medical University, Moscow, Russia
Biological age (BA) – a quantitative measure of aging, reflecting the decline in the viability of the organism with age. Biomarkers (BM) of aging are subject to a number of requirements: the minimum number of mutually not correlated, BM characterizing the state of various vital systems and functions of the organism, as well as: accuracy, information value, small individual variability and resistance to external influences, diseases and training, low complexity and cost, availability of equipment, taking into account specific tasks and capabilities of the researcher. BM of choice for various systems of diagnostics of BA are selected, BV panels for different purposes and consumers are developed.
Key words: biomarkers of aging, system analysis, personalized medicine.
Введение
Медико-демографическая ситуация – постарение населения на фоне низкого уровня здоровья, является одним из главных препятствий эффективному социально-экономическому развитию России [1]. Это приводит к увеличению внимания к проблеме старения в целом, причем важнейшим является количественная и качественная характеристика индивидуального старения, для чего обычно используется показатель БВ. Обычно используют стандартный набор БМ для своей школы исследователей, используя метод множественной корреляции, что дает только один показатель – собственно БВ, то есть, тесты являются ригидными и не дружественными к пользователю и исследователю.
Цель работы состоит в системном анализе построения систем определения БВ и разработка метода учета половозрастных различий системных взаимодействий биомаркеров старения в алгоритмах диагностики старения.
Сущностный анализ старения и его количественного исчисления
Использование современного метода анализа – системного подхода, к проблеме старения и его количественного исчисления позволяет выделить сущностные моменты и фундаментальные законы, на которых и должен строиться [2-3] современный научно-практический подход к решению медико-биологическим задач. Снижение с возрастом общей жизнеспособности организма является самой основой и сущностью старения биосистем. Жизнеспособность целостного организма можно рассматривать как сумму жизнеспособностей его частей – органов и систем, что адекватно их функциональному ресурсу. Показатели такого ресурса и представляют собой БМ старения. Такими БМ старения выступают любые морфо-функциональные показатели, значительно снижающиеся с возрастом и имеющие малый индивидуальный разброс и небольшую чувствительность к внешним влияниям и заболеваниям. Средние для популяции показатели темпа старения различных органов и систем – возрастные морфо-функциональные стандарты, и являются основой для вычисления БВ органов и систем организма и БВ в целом. К БМ, которые количественно характеризуют БВ отдельных органов и систем (парциальный БВ – БВп), может быть предъявлен ряд требований, исходя из принципов и методов построения имеющихся систем определения БВ и теоретически важных требований.
Системный анализ принципов и методов выбора БМ для БВ человека
Используемое количество БМ и их сочетания, необходимые и достаточные для точной и всесторонней количественной характеристики старения методом БВ, являются основной задачей. С использованием системного анализа можно оптимизировать количество БМ для теста БВ и оценить принципы их подбора. С точки зрения системного анализа организм является единой сложной системой со взаимосвязанными параметрами, поэтому информативность теста, отражающего общее состояние системы, при увеличении числа тестов, вначале растет, но начиная с 10-12, не только не сопровождается значимым увеличением важной информации о системе, но даже увеличивает дисперсию, так как падает отношение полезного сигнала к шуму. С другой стороны, небольшое количество БМ (2÷5) ведет к возможности большой ошибки вследствие индивидуальных «выбросов» отдельных показателей БМ, а также не позволяет решать задачу оценки типа и профиля индивидуального старения, что является основой индивидуальной профилактики старения. Таким образом, достаточны 8-10 БМ.
Анализ качественных критериев БМ показывает, что оптимальным является набор из «ортогональных», минимально коррелированных БМ, характеризующих состояние жизненно важных систем организма. БМ старения также должны отражать: физиологию, физическую и умственную работоспособность, пределы адаптации и функциональные резервы, особенности постарения органов и систем, возрастную хроническую патологию, самооценку общего состояния и здоровья.
Следует учитывать, что БВ используют различные потребители и исследователи: неподготовленные, «бытовые» пользователи, проводящие диагностику собственного БВ в домашних условиях без каких-либо аппаратов или с домашними приборами – тонометр, глюкометр и пр.; клинические врачи, использующие возможности клинической лаборатории; биологи-исследователи, обладающие специальной аппаратурой и пр.). Исходя из этого, важно использовать принципиально различные наборы БМ.
Важнейшим является сам метод обработки выбранных БМ и представление показателя БВ. Обычно используют только один выбранный стандартный набор БМ с обработкой по методу множественной линейной корреляции, при этом возможно получить только один показатель – БВ целостного организма. Такой подход делает невозможным изменение набора используемых БМ и индивидуальный учет отдельного БМ, то есть, такой тест является ригидным и не дружественным к пользователю. Для более свободного обращения с различными тестами на БВ мы предлагаем рассчитывать показатели парциальных БВ (БВп) для каждого БМ с вычислением по ним показателя среднего БВ (БВср). Такой подход, делает возможным практически любые манипуляции с БМ и дает возможности оценки старения отдельных органов и систем, что является важнейшим в подходах к профилактике старения. Возможно также присвоение коэффициента для отдельных маркеров, отражающего больший или меньший вклад каждого в интегральный показатель – БВср. Отдельные БМ могут использовать не только линейную корреляцию с возрастом. Для многих БМ удобно использовать полином 3-4-го порядка. Такое использование БМ делает необходимым применение для вычислений компьютерных средств [4-5] .
Точность определения БВ является важнейшей и нерешенной задачей. Так, например, показатель диастолического артериального давления крови изменяется в норме в среднем с 20 до 70 лет от 80 до 90 мм рт ст, что, при реальной точности определения в 5 мм рт ст, дает погрешность при вычислении БВп для этого теста в 25-30 лет(!), что явно не приемлемо и бессмысленно. Недостаточно точными являются показатели: мышечная сила и скорость пульсовой волны по артериям мышечного типа. Отличную точность – менее 1 года, дают показатели: аккомодация, слуховой порог слышимой частоты звука, тесты нейро-мышечный постукивания и баланса, эргометрия, напряжение кислорода артериальной крови, уровень фибриногена крови и альбумин-глобулиновый коэффициент. Хорошие результаты (точность определения 1-2 года) дают показатели: ЖЕЛ, скорость пульсовой волны по артериям эластического типа, уровень фосфолипидов крови, тест Шульте на психическую работоспособность и сахарная нагрузка.
Исходя из выше сказанного нами оценена адекватность использования выбранных БМ для известной еще со времен СССР формулы БВ, разработанного в Институте Геронтологии. Анализ показывает, что: Масса тела – не связана с возрастом (по формуле Кетле связана только с ростом); АДд – не пригодна по точности (+25-30 лет); АДс – малая точность и подверженность внешним влияниям и заболеваниям; АДпульсовое – избыточна, т.к. включает уже известные АДс и АДд; СПВм – недостаточно точна и повторяет показатель СПВэ; Аккомодация в D сложнее и менее точна чем РБТЗ в мм; Тест Векслера гормоздок и менее точен, чем Тест Шульте; Острота слуха в Дб громоздка, затратна и менее точна, чем оценка в Гц; Анкета Самооценки – субъективна, зависит от места и времени и мало точна; Тест баланса – чувствителен к внешним влияниям. Таким образом, из 13 БМ остаются 3: СПВэ, ЖЕЛ и Задержка дыхания.
С учетом вышесказанного нами отобраны конкретные БМ старения, составляющие палитры с возможностями выбора для различных методов и систем диагностики БВ, с учетом интересов и возможностей потребителя, ценовой политики, точности и информативности, на основании чего разрабатываются Панели БМ для разных целей. Для удобства вычислений была разработана компьютерная программа, позволяющая свободно составляет различные панели и базы данных, изменять наборы БВ и формулы их вычисления, учитывать эффективность отдельных БВ и пр. (рис. 1).
Рис. 1. Окно выбора панелей биомаркеров и ввода данных компьютерной системы
персонализированного выбора биомаркеров старения для биовозраста.
Заключение. Системный подход к анализу БМ старения для определения БВ человека позволяет объективно подойти к выбору числа и содержания БМ, учитывать их точность, информативность, стоимость, доступность определения и задач исследователя. Использование парциальных БВ позволяет индивидуально подойти к выбору БМ и созданию индивидуальных панелей определения БВ, для чего создана компьютерная программа создания панелей БМ и определения БВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крутько В.Н., Смирнова Т.М. Медико-демографические проблемы России: системный анализ путей решения // Проблемы теории и практики управления. 2016. №7. С. 60-71.
2. Донцов В.И., Крутько В.Н. Старение: системный подход// Труды ИСА РАН. 2017. Т.67, №1. С.104-112.
3. Донцов В.И., Крутько В.Н. Биологический возраст как метод системной оценки возрастных изменений состояния организма // Тр. ХI Междунар. конф. «Системный анализ в медицине» / Благовещенск, 2017. С. 23-27.
4. Донцов В.И., Крутько В.Н., Потемкина Н.С. и др. Компьютерные системы в диагностике старения: оценка биологического возраста, рациона питания, физического здоровья и психических резервов // Труды ИСА РАН. 2016. Т. 67, № 2. С. 44-53.
5. А. с. о регистрации комп. прогр. №2016663535 РФ. Биовозраст: количественная диагностика старения и рисков смертности / В.И. Донцов, В.Н. Крутько. 2016.
[1] Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ: грант № 17-07-00528 «Методология и информационные технологии диагностики старения человека».
1. Krut'ko V.N., Smirnova T.M. Mediko-demograficheskie problemy Rossii: sistemnyy analiz putey resheniya // Problemy teorii i praktiki upravleniya. 2016. №7. S. 60-71.
2. Doncov V.I., Krut'ko V.N. Starenie: sistemnyy podhod // Trudy ISA RAN. 2017. T.67, №1. S.104-112.
3. Doncov V.I., Krut'ko V.N. Biologicheskiy vozrast kak metod sistemnoy ocenki vozrastnyh izmeneniy sostoyaniya organizma // Tr. HI Mezhdunar. konf. «Sistemnyy analiz v medicine» / Blagoveschensk, 2017. S. 23-27.
4. Doncov V.I., Krut'ko V.N., Potemkina N.S. i dr. Komp'yuternye sistemy v diagnostike stareniya: ocenka biologicheskogo vozrasta, raciona pitaniya, fizicheskogo zdorov'ya i psihicheskih rezervov // Trudy ISA RAN. 2016. T. 67, № 2. S. 44-53.
5. A. s. o registracii komp. progr. №2016663535 RF. Biovozrast: kolichestvennaya diagnostika stareniya i riskov smertnosti / V.I. Doncov, V.N. Krut'ko. 2016.
