Важная роль микроэлементов заключается в участии во внутриклеточном дыхании, процессе кроветворения, передаче нервного импульса, поддержании осмотического давления и кислотно-щелочного равновесия; кроме того, некоторые микроэлементы входят в состав гормонов.
Тяжелые металлы в организм чаще всего попадают через желудочно-кишечный тракт. При их избыточном поступлении развивается интоксикация с нарушениями всех видов обмена веществ и формированием масштабных повреждений функций дыхательной, сердечно-сосудистой, иммунной, эндокринной и центральной нервной систем [1, 2].
Цинк является незаменимым биологически активным минералом, он входит в состав многих ферментов, участвует в синтезе ДНК, регулирует стадии нейрогенеза: клеточную пролиферацию, выживание стволовых клеток и их дифференцировку, регулирует многие процессы в нейрогенеза мозге [3]. Он также участвует в обмене нуклеиновых кислот, в синтезе нескольких нейротрансмиттеров (дофамин, норэпинефрин и серотонин), усиливает активность гамма-аминомасляной кислоты, в эритроцитах крови присутствует в качестве кофактора фермента карбоангидразы. Ионы цинка тормозят формирование так называемого цитокинового шторма, характерного для COVID-19, способствуют снижению системного хронического воспаления и компенсации коморбидных патологий, в том числе сердечно-сосудистых, у пациентов с COVID-19 [4, 5, 6].
Медь – эссенциальный микроэлемент, является кофактором многих ферментов антиоксидантной защиты и оксиредуктаз, участвует в метаболизме многих металлов, в функционировании дыхательной цепи, в синтезе гемоглобина и созревании эритроцитов. Cu входит в состав цитохромоксидазы, тироназы и других белков [6].
В организме соли тяжелых металлов могут метаболизироваться с образованием труднорастворимых комплексов и выведением через желудочно-кишечный тракт. Свободные ионы, всасываясь в кровь, могут выделяться с мочой или накапливаться в костях, тканях в виде комплексных соединений с белками [1, 7, 8]. Накопление ионов меди и цинка в тканях в большинстве случаев избирательно, и выявление органа-накопителя тяжелых металлов необходимо для установления путей превращения исходных соединений и разработки методов профилактики токсического воздействия [1, 9].
Цель исследования: определить содержание ионов меди и цинка в сыворотке крови, минерализатах мозга, печени и почек крыс при хронической интоксикации медно-цинковой колчеданной рудой и после периода восстановления.
Материал и методы исследования
Экспериментальные исследования проводились на 54 белых беспородных крысах массой 220–310 г в соответствии с этическими нормами, определенными «Европейской конвенцией по защите позвоночных животных…» (18.03.1986) и приказом Минздрава России № 199н от 01.04.2016 г. со свободным доступом к воде и пище на стандартном рационе вивария.
Животные были разделены на 5 групп. Контрольную группу составили интактные крысы (n=10); животным второй группы (n=12) в течение 1 месяца ежедневно внутрижелудочно вводилась взвесь порошка медно-цинковой колчеданной руды в 2%-ном растворе крахмала из расчета 60 мг на 100 г массы животного [1]. Крысам третьей группы (n=11) взвесь порошка руды давали в течение 3 месяцев. Крысы четвертой (n=10) и пятой групп (n=11) аналогичную затравку получали в течение 1 и 3 месяцев соответственно, а по окончании этих сроков животные проходили период восстановления длительностью 1 месяц. Далее их под эфирным наркозом выводили из эксперимента.
Содержание микроэлементов в полученном биоматериале определяли в Уфимском научно-исследовательском институте медицины труда и экологии человека методом атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием водных растворов соединений тяжелых металлов Cu (II) и Zn (II) [10].
Для статистического анализа использовали стандартный пакет программ Statiatica 8.0. После установления асимметричности распределения количественных данных согласно тестам Колмогорова–Смиронова и Шапиро–Уилка расчет достоверности различий производили с использованием непараметрического критерия Крускала–Уоллиса и множественного сравнения средних рангов для всех групп. Данные представляли в виде медианы и межквартильного интервала Me (25%;75%). Различия считали статистически значимыми при p<0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Соли металлов, введенные в пищеварительный тракт, легко соединяются с белками, образуя альбуминаты, из которых всасываются только металлы, растворимые в воде. Транспорт тяжелых металлов происходит частично в виде ионов или комплексов с аминокислотами, жирными кислотами и в большей степени с белками, образующими с ними прочную связь. Из крови металлы быстро исчезают, адсорбируясь в печени, почках и других органах. Проникая в клетки тканей, соли тяжелых металлов блокируют тиоловые группы мембранных протеинов, из которых около 50% являются ферментами. Все эти процессы приводят к нарушению стабильности белково-липидных комплексов клеточной мембраны и ее проницаемости [1, 10, 11].
При длительном пероральном введении животным взвеси медно-цинкового порошка уже через 1 месяц затравки в крови уровень ионов меди повышался почти в 3 раза (р<0,0001). Через 3 месяца интоксикации содержание микроэлемента несколько снижалось (до 220%), но оставалось значительно выше показателей контрольных животных (р=0,0002). За период реабилитации длительностью 1 месяц (после 1-месячной интоксикации), в течение которого животные находились на обычном виварном рационе, содержание ионов меди в крови снизилось более чем в 2 раза (р=0,0003) и приблизилось к контрольным показателям. За такой же период реабилитации после 3-месячной интоксикации концентрация ионов меди снизилась на 38%, но это снижение не было статистически значимым (р=0,0729). Таким образом, к окончанию периода реабилитации в группах животных как после 1-месячной, так и 3-месячной затравки содержание ионов меди стало сопоставимым с контрольными показателями и не имело достоверных различий между собой (табл. 1).
Таблица 1
Содержание ионов меди и цинка в периферической крови и минерализатах печени при длительной интоксикации медно-цинковой колчеданной рудой, Me (25%;75%)
|
Группа животных |
Содержание ионов Cu и Zn в крови |
Содержание ионов Cu и Zn в минерализатах печени |
||
|
Cu, мг/л |
Zn, мг/л |
Cu, мг/л |
Zn, мг/л |
|
|
1. Контрольная |
0,45 (0,33; 0,49) |
6,36 (5,12; 7,72) |
1,12 (0,94; 1,41) |
19,08 (17,22; 20,21) |
|
2. Интоксикация 1 месяц |
1,26 (1,05; 1,63) р1<0,0001 |
5,29 (4,14; 7,61) р1=1,0 |
3,41 (2,69; 3,96) р1<0,0001 |
29,38 (23,88; 43,79) р1=0,0085 |
|
3. Интоксикация 3 месяца |
0,99 (0,77; 1,25) р1=0,0002 р2=1,0 |
4,22 (3,15; 5,36) р1=0,0428 р2=0,3596 |
3,64 (3,28; 4,51) р1<0,0001 р2=1,0 |
33,10 (23,13; 34,07) р1=0,0102 р2=1,0 |
|
4. Интоксикация 1 месяц + 1 месяц реабилитации |
0,58 (0,39; 0,64) р1=1,0 р2=0,0003 |
6,04 (5,11; 7,74) р1=1,0 р2=1,0 |
2,25 (2,13; 2,57) р1=0,4068 р2=0,0448 |
20,29 (17,55; 22,23) р1=1,0 р2=0,0368 |
|
5. Интоксикация 3 месяца + 1 месяц реабилитации |
0,61 (0,42; 0,73) р1=0,9722 р3=0,0729 р4=1,0 |
4,94 (3,79; 6,42) р1=0,0475 р3=1,0 р4=1,0 |
2,66 (1,89; 3,08) р1=0,0465 р3=0,0402 р4=1,0 |
18,72 (15,21; 20,87) р1=1,0 р3=0,0031 р4=1,0 |
|
Примечание: р1 – статистическая значимость различий с контрольной группой, р2 – со второй группой, р3 – с третьей группой, р4 – с четвертой группой |
||||
Содержание ионов цинка в крови в течение 3 месяцев затравки имело тенденцию к постепенному снижению и к концу 1-го месяца составило 80% от показателей контрольных животных. Через 3 месяца снижение стало статистически значимым (р=0,0428), а уровень ионов цинка в крови составил 50%.
Содержание животных после завершения интоксикации на стандартном рационе вивария способствовало нормализации уровня ионов цинка в крови в четвертой группе животных (1 месяц затравки). У крыс, продолжительность затравки которых была 3 месяца, даже после периода реабилитации содержание ионов цинка в крови было статистически значимо ниже контрольных цифр (р=0,0475) и составляло от их уровня 77,7% (табл. 1).
Накопление ионов Cu и Zn происходит практически во всех органах. Печень, насыщенная соединениями с содержанием тиоловых групп и наличием белка металлобионина, особенно чувствительна к этому процессу [10, 11].
Нами было установлено, что через 1 месяц интоксикации содержание меди в печени увеличилось в 3 раза (р<0,0001), а цинка – в 1,5 раза (р=0,0085). Через 3 месяца введения токсиканта концентрация меди достигла 325% (р<0,0001), цинка – 173% (р=0,0102) от уровня контрольной пробы.
За период реабилитации после месячной интоксикации медиана содержания меди в минерализатах печени статистически значимо снизилась с 3,41 (2,69; 3,96) до 2,25 (2,13; 2,57) (р=0,0448), достоверных различий с контролем не выявлялось. После завершения 3-месячной интоксикации и периода реабилитации содержание меди достоверно снизилось (р=0,0402), но осталось выше показателей контрольных животных (р=0,0465).
Содержание цинка в минерализатах печени животных, подвергнутых как 1-месячной, так и 3-месячной интоксикции, после завершения восстановительного периода практически вернулось к норме. Таким образом, длительность интоксикации не оказала значительного влияния на степень повышения концентрации этого микроэлемента в печени, а короткого периода реабилитации оказалось достаточно для возвращения показателя к контрольному уровню.
Особое значение в освобождении организма от токсинов имеют почки. Многие металлы кумулируются в почках, нарушают проницаемость клубочка и приводят к развитию прогрессирующей почечной недостаточности [12].
Наши результаты показывают, что тенденция к увеличению концентрации цинка в ткани почек появилась через 1 месяц затравки (табл. 2). Но уже через 1 месяц после прекращения затравки концентрация цинка резко упала и составила только 47% от контрольного уровня (р=0,0297) и 43% от уровня, зафиксированного после завершения действия токсиканта (р=0,0068). Трехмесячная затравка рудой вызвала только тенденцию к повышению содержания этого минерала, причем эта тенденция сохранилась до окончания периода реабилитации.
Таблица 2
Содержание ионов меди и цинка в минерализатах почек и мозга при длительной интоксикации медно-цинковой колчеданной рудой, Me (25%;75%)
|
Группа животных |
Содержание ионов Cu и Zn в минерализатах почек |
Содержание ионов Cu и Zn в минерализатах мозга |
||
|
Cu, мг/л |
Zn, мг/л |
Cu, мг/л |
Zn, мг/л |
|
|
1. Контрольная |
3,91 (3,42; 4,17) |
16,42 (12,39; 21,96) |
4,41 (3,18; 5,09) |
13,52 (9,77; 15,06) |
|
2. Интоксикация 1 месяц |
3,84 (2,74; 4,74) р1=1,0 |
17,72 (13,77; 20,14) р1=1,0 |
2,99 (2,64; 3,11) р1=0,0344 |
10,73 (9,56; 12,72) р1=0,0421 |
|
3. Интоксикация 3 месяца |
4,53 (3,36; 5,35) р1=1,0 р2=1,0 |
18,70 (14,15; 24,69) р1=1,0 р2=1,0 |
2,00 (1,46; 2,39) р1<0,0001 р2=2361 |
7,89 (4,55; 9,59) р1<0,0001 р2=0,0639 |
|
4. Интоксикация 1 месяц + 1 месяц реабилитации |
1,76 (1,07; 2,18) р1=0,0068 р2=0,0013 р3<0,0001 |
7,69 (6,77; 9,56) р1=0,0297 р2=0,0068 р3=0,0023 |
3,22 (1,88; 3,41) р1=0,1508 р2=1,0 р3=0,1107 |
12,04 (10,70; 13,14) р1=1,0 р2=1,0 р3=0,0147 |
|
5. Интоксикация 3 месяца + 1 месяц реабилитации |
2,99 (2,25; 3,75) р1=1,0 р3=0,1003 р4=0,2594 |
21,71 (21,29; 27,92) р1=0,1420 р3=0,6337 р4<0,0001 |
3,06 (2,20; 3,69) р1=0,2611 р3=0,0407 р4=1,0 |
10,85 (9,09; 12,46) р1=1,0 р3=0,0432 р4=1,0 |
|
Примечание: р1 – статистическая значимость различий с контрольной группой, р2 – со второй группой, р3 – с третьей группой, р4 – с четвертой группой |
||||
Похожий тренд можно наблюдать при анализе динамики содержания ионов меди в ткани почек: концентрация микроэлемента к 3-му месяцу интоксикации постепенно повышается, но различия не достигают статистической значимости, а период реабилитации, последовавший за месячной затравкой, завершается резким падением содержания меди до 45% от контрольного уровня (р=0,0068). К окончанию 3-месячной затравки и периода восстановления концентрация меди в почках начинает приближаться к контрольным данным, но не достигает их.
Можно предположить, что описанная динамика процесса связана с действием металлотионеинов. Металлотионеины – низкомолекулярные белки с большим количеством цистеина, играющие важную роль в процессах детоксикации. Эти белки, синтезирующиеся в почках, способны связываться с соединениями двухвалентных металлов и таким способом ингибировать свободнорадикальные процессы и защищать почки от их токсического действия [13, 14].
Цинк является сигнальной молекулой, он облегчает трансдукцию многих сигнальных каскадов в ответ на внеклеточные стимулы. В воспалительных процессах он проявляет защитные свойства в эпителиях клеток, способствует выживанию клеток посредством активации сигнальных путей фосфатидилинозитол-3-киназы и протеинкиназы В [13, 14].
Однако передозировка, накопление солей цинка и меди приводят к хроническому отравлению головного мозга, нарушая функциональную деятельность мозга и центральной нервной системы, способствуют возникновению злокачественных новообразований и ишемическим повреждениям [15, 16].
Длительная интоксикация ионами тяжелых металлов, содержащимися в медно-цинковой колчеданной руде, привела к последовательному статистически значимому снижению содержания исследуемых микроэлементов в минерализатах мозга (табл. 2), причем на степень этого снижения влияла длительность интоксикации. К окончанию 3-го месяца затравки содержание ионов меди снизилось более чем в 2,2 раза (р=0,0344), а цинка – в 1,7 раза (р=0,0421).
В течение месяца, отведенного на реабилитацию, содержание ионов металлов росло, причем наиболее заметно это происходило в группе животных, подвергнутых более длительной интоксикации: уровень ионов меди в группе с 1-месячной затравкой повысился на 7,1%, в группе с 3-месячной затравкой – на 34,6%; концентрация ионов цинка выросла соответственно на 10,5% и 27,3%. Однако, несмотря на положительную динамику, показатели не вернулись к базовым значениям.
Заключение
Таким образом, результаты нашего экспериментального исследования свидетельствуют, что поступление в организм соединений тяжелых металлов, содержащихся в медно-цинковой колчеданной руде, изменяет баланс ионов в крови и минерализатах почек, печени, мозга с вероятным нарушением органных функций, а кумуляция ионов цинка и меди в исследуемых тканях может представлять большую опасность, в том числе онкогенную.