CC BY
6
УДК 57.044
DOI: 10.24412/1728-323X-2023-6-42-48
ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ SE И I СОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ НА КРЫС ЛИНИИ WISTAR
А. В. Синдирева, доктор биологических наук, заведующий кафедры геоэкологии и природопользования Института наук о Земле, Тюменский государственный университет, [email protected], г. Тюмень, Россия,
А. К. Мангутова, аспирант кафедры геоэкологии и природопользования Института наук о Земле, Тюменский государственный университет, [email protected], г. Тюмень, Россия, С. А. Пашаян, доктор биологических наук, профессор кафедры анатомии и физиологии, Института биотехнологии и ветеринарной медицины, Государственный аграрный университет Северного Зауралья, [email protected], г. Тюмень, Россия,
А. В. Князева, студентка бакалавриата кафедры геоэкологии и природопользования Института наук о Земле, Тюменский государственный университет, [email protected], г. Тюмень, Россия
Аннотация: В статье проведен анализ эффективности использования растворов, содержащих неорганические соединения Se и I, для животных. Исследовалось влияние терапевтических и токсичных концентраций данных соединений на организм животных, отдельного и сочетанного их воздействия. Наиболее угнетающий токсичный эффект был отмечен у животных, получавших неорганические растворы соединений I и Se в избыточных концентрациях: наблюдалось изменение массы тела, что может свидетельствовать о нарушении метаболизма и наличии воспалительных процессов. Анализ биохимических показателей крови животных, получавших растворы с избыточной концентрацией селена и йода также свидетельствовал о нарушении функции органов — печени и почек.
Abstract: The article analyzes the effectiveness of solutions containing inorganic compounds Se and I for animals. The effect of therapeutic and toxic concentrations of these compounds on the organism of animals, separate and combined effects were studied. The most depressing toxic effect was observed in animals receiving inorganic solutions of compounds I and Se in excessive concentrations: a change in body weight was observed, which may indicate a metabolic disorder and the presence of inflammatory processes. The analysis of biochemical parameters of blood of animals receiving solutions with excessive concentrations of selenium and iodine also indicated a disorder of organ function, i.e., liver and kidneys.
Ключевые слова: селен, йод, биохимия крови, животные, крысы.
Keywords: selenium, iodine, blood biochemistry, animal, rats.
Введение
Селен и йод — два незаменимых для человеческого организма нутриента. Йод является главным элементом для стабильной работы щитовидной железы, именно он обеспечивает нормальный рост нашего организма и поддерживает в норме процессы обмена веществ [1]. Селен — один из главных антиоксидантных элементов и наравне с йодом вспомогательный элемент образования гормонов щитовидной железы [2].
Важность данных микроэлементов для здоровья человека очень велика, именно поэтому необходимо подробное изучение поступления их в организм из различных источников окружающей среды и пищи. Не менее важным является выявление взаимосвязи конкретных доз поступления Зе и I с возникновением и торможением различных болезней. Возможность изучения данных проблем осложняется особым взаимодействием и взаимозависимостью данных элементов [3].
I и Зе являются взаимодополняемыми элементами, в нашем организме они находятся в особом биохимическом и метаболическом взаимодействии. Например, в работе [4] указано, что совмест-
ный недостаток данных элементов в организме приводит к развитию миксодермального идиотизма [4].
Почвы и растения Тюменской области характеризуются низким значением содержания селена. Например, в почвах значение не превышает 0,1 мг/кг, что напрямую влияет на поступление данного элемента в организм человека и на селеновый статус региона [5]. Если говорить о проблеме дефицита I, то по данным Платоновой Н. М., около 50 % регионов Российской Федерации характеризуются высоким показателем случаев недостатка данного элемента у населения. Более половины населения РФ проживает на территории йод-дефицитных биогеохимических провинций, где низкое содержание йода в окружающей среде обусловлено природными факторами [6]. Результат эпидемиологических исследований по Тюменской области 1994—1996 гг. показал в регионе наличие природно-обусловленного дефицита данного микроэлемента [7]. Приведенные данные подтверждают необходимость изучения эффективности и экологической безопасности применения селен- и йодсодержащих добавок.
Цель исследования: оценить влияние Зе и I содержащих соединений в терапевтических и токсичных концентрациях на организм животных.
Задачи исследования:
— изучить влияние Зе и I содержащих соединений в нормальных и избыточных концентрациях на массу тела и органов животных, а также биохимические показатели сыворотки крови;
— сравнить влияние элементов на организм животных в нормальных и избыточных концентрациях, а также в отдельном и сочетанном действии элементов.
Модели и методы
Исследования проведены в июле 2023 г. в Институте биотехнологии и ветеринарной медицины ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Для опыта были отобраны крысы линии Wistar в количестве 28 половозрелых особей. Длительность острого эксперимента составляла 14 дней, в течении этого времени крысам ежедневно перорально вводились растворы неорганических соединений Зе и I — селенит натрия и йодид калия, рассчитанные индивидуально для каждой особи по массе тела. Подопытные животные были разделены на семь групп по следующей схеме: 1) контроль; 2) I норма (2,5 мкг/кг); 3) Зе норма (1 мкг/кг); 4) I (2,5 мкг/кг) + Зе (1 мкг/кг) норма; 5) I избыток (2,5 мг/кг); 6) Зе избыток (3 мг/кг); 7) I (2,5 мг/кг) + Зе (3 мг/кг) избыток.
При проведении эксперимента были использованы «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила оборудования помещений и организации процедур» [8] и «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила содержания и ухода за л абораторными грызунами и кроликами» [9] с учетом основных положений международного документа ЕТЗ № 123 «Приложение А к Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых в экспериментах и в других научных целях». На протяжении всего эксперимента ежедневно проводилось измерение показаний массы тела и внешний осмотр состояния животного. По окончании эксперимента у опытных крыс под эфирным наркозом была отобрана кровь из бедренной артерии для клинического и биохимического анализа. Забор органов производился согласно методике вскрытия и извлечения органов лабораторных животных [10]. Клинический и биохимический анализы крови проводились на базе ветеринарной клиники ГАУ Северного Зауралья. В сыворотке крови определялись следующие биохимические показатели, характеризующие функции печени и почек: глюкоза,
альбумин, мочевина, аспартатаминотрансфераза (АСТ), аланинаминотрансфераза (АЛТ), щелочная фосфатаза, общий билирубин, общий белок, холестерин, креатинин, С-реактивный белок, фосфор и кальций, характеризующие функциональное состояние печени и почек, отражающие работу метаболических процессов. Биохимические и клинические показатели крови исследовались на анализаторах Mindray BS-120 и Mindray BC-2800 Vet. Математическая обработка результатов и статистический анализ осуществлялись с использованием компьютерного пакета программ Microsoft Excel. Во всех процедурах статистического анализа рассчитывали достигнутый уровень значимости (p), при этом под критическим уровнем значимости принимали р < 0,05. Взаимосвязи между параметрами оценивали при помощи метода ранговых корреляций Спирмена. Коэффициенты корреляции оценивались следующим образом: до 0,2 — очень слабая, от 0,2 до 0,5 — слабая, от 0,5 до 0,7 — средняя, от 0,7 до 0,9 — высокая и более 0,9 — очень высокая корреляция.
Результаты и обсуждение
Селен и йод аккумулируются и выполняют важную биологическую роль в печени и почках. В печени селен участвует в процессе детоксика-ции, помогая организму избавляться от токсинов и других вредных веществ. Кроме того, селен участвует в производстве глютатиона — мощного антиоксиданта, который защищает клетки печени от повреждений. В почках селен также играет важную роль, помогая поддерживать здоровье клеток и тканей этого органа. Кроме того, селен участвует в регулировании уровня железа в крови, что является важным фактором для здоровья почек. Йод также играет немаловажную роль в работе печени и почек. В печени йод участвует в процессе метаболизма липидов и углеводов, помогая поддерживать нормальный уровень холестерина и сахара в крови. Кроме того, йод участвует в производстве желчи, которая необходима для нормального пищеварения. В почках йод также играет важную роль, помогая поддерживать нормальный уровень электролитов и жидкости в организме.
В результате исследования была проанализирована масса тела крыс и проведен корреляционный анализ связи массы тела и массы органов опытных животных. При нарушении функции печени и воспалительных процессах, связанных с изменением метаболизма или избыточной интоксикации организма, происходит ее увеличение. Аналогичные изменения при интоксикации организма можно наблюдать и в отношении почек. Изменения массы тела показали достоверно зна-
50 45
5 40
l
6 35
g 30 §
и
-D 25
а 20
0 £
2 15 §
<D
S ю
1
5
Размах значений массы тела крыс в ходе эксперимента
р < 0,05
J-
\
Контроль 8е избыток I норма I избыток Эе норма ве и I норма ве и I избыток
Рис. 1. Изменение массы тела животных в период эксперимента
чимые различия в группах «I избыток», «Зе избыток» и «I и Зе избыток» (рис. 1). Для более детального изучения был проведен корреляционный анализ связи массы тела и массы органов животных (табл. 1).
Очень высокая степень корреляции между органами и массой тела наблюдалась в группах, где вводили растворы с нормальным содержанием Зе и I, а также в контрольной группе. В группе «I избыток» наблюдалась очень слабая корреляция между массой тела и массой почек, слабая корреляция наблюдалась с легкими. Средняя корреляция была с селезенкой и сердцем, при этом отрицательная корреляция означала увеличение массы тела с уменьшением массы селезенки. В группе «Зе избыток» наблюдалась слабая корреляция с селезенкой, средняя корреляция с
печенью, почками и легкими. В группе «Se/I избыток» отрицательная очень слабая корреляция с селезенкой и средняя корреляция с печенью (табл. 1). В группах, где растворы с избыточным содержанием Se и I вводились перорально, наблюдалась слабая корреляция между массой тела и органами, что может быть связано с нарушением метаболизма и воспалительными процессами, подтверждающиеся изменениями массы тела.
Для оценки функционального состояния печени и почек изучены биохимические показатели сыворотки крови, представленные на рисунках 2—5.
Исследование биохимического показателей крови животных показало изменение в сторону уменьшения уровня содержания общего белка
Таблица 1
Коэффициенты корреляции, характеризующие зависимость массы тела и органов животных
Органы
печень почки селезенка сердце легкие
Контроль 0,81 0,82 0,89 0,99 0,81
Se избыток 0,58 0,6 0,43 0,91 0,53
I норма 0,81 0,9 0,83 0,89 0,26
I избыток -0,71 -0,16 -0,53 0,53 0,47
Se норма 0,41 0,92 0,97 0,96 0,99
Se/I норма 0,79 0,91 -0,7 0,81 0,95
Se/I избыток 0,57 0,74 -0,06 0,85 0,83
и альбумина в группе «Se/I избыток» на 13,8 % (p < 0,05) и 11,6 % (p < 0,05) соответственно (рис. 2), это может свидетельствовать о нарушении белоксинтезирующей функции печени и фильтрационной функции почек при интоксикации Se и I содержащих соединений в избыточных количествах.
Аланинаминотрансфераза, аспартатамино-трасфераза и щелочная фосфатаза — ферменты печени, участвующие во многих биохимических процессах, повышение которых может свидетельствовать о поражении или патологических изменениях печени. Превышение показателей активности АЛТ по сравнению с АСТ указывает на
90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0
30,0
20,0
10,0
Альбумин, г/л ■ Общий белок, г/л
0,0
Группа I Группа П Группа Ш Группа IV Группа V Группа VI Группа VII (Контроль) (Seизб.) (Iнорма) (Se/Iнорма) (¡избыток) (Seнорма) (Se/Iизбыток)
Рис. 2. Содержание общего белка, его фракции альбумина в сыворотке крови крыс, г/л
450,0 -
■ ACT, ед./л ■ АЛТ, ед./л ■ щ. фосфатаза, ед./л
400,0 350,0 300,0 250,0
-5
200,0 150,0 100,0 50,0 0,0
Группа I Группа П Группа Ш Группа IV Группа V Группа VI Группа VII (Контроль) (Se изб.) (I норма) (Se/I норма) (I избыток) (Se норма) (Se/I избыток)
Рис. 3. Активность аланинаминотрансферазы, аспартатаминотрансферазы и щелочной фосфатазы
в сыворотке крови крыс ед./л
40,0-
35,0
■ Глюкоза, ммоль/л ■ Мочевина, ммоль/л ■ Холестерин, ммоль/л
т
Группа I Группа II Группа III Группа IV Группа V Группа VI Группа VII (Контроль) (Se изб.) (I норма) (Se/I норма) (I избыток) (Se норма) (Se/I избыток)
Рис. 4. Содержание глюкозы, мочевины и холестерина в крови животных, ммоль/л
Группа I Группа П Группа III Группа IV Группа V Группа VI Группа VII (Контроль) (Seизб.) (Iнорма) (Se/Iнорма) (¡избыток) (Seнорма) (Se/Iизбыток)
Рис. 5. Содержание креатинина в сыворотке крови крыс, мкмоль/л
поражения печени, в противном случае — на нарушение мышц миокарда. В группе «Se избыток» значение показателя АСТ достоверно увеличивается на 85,6 % по сравнению с контрольной группой (p < 0,05). По показателю АЛТ достоверно значимые различия установлены для двух опытных групп — «Se избыток» на 226,4 % (p < 0,05) и «I избыток» на 160,9 % (p < 0,05). Для щелочной фосфатазы достоверно значимое увеличение отмечалось лишь в одной группе — «Se/I избыток» на 129,7 % (p < 0,05) (рис. 3). Полученные данные
могут свидетельствовать о нарушении печени в той или иной мере на разных биохимических ре-гуляторных уровнях.
Повышенное содержание глюкозы в крови наблюдалось у группы «Зе избыток», что на 144,6 % больше контрольной группы (р < 0,05) (рис. 4). Увеличение глюкозы, вследствие избыточного потребления Зе, в крови может быть причиной гипертиреоза, что приводит к повышенному выделению тиреоидных гормонов щитовидной железой. Гипергликемия и гипертиреоз связаны
механизмом, при котором избыток тиреоидных гормонов приводит к увеличению абсорбции глюкозы в кишечнике. Кроме того, нарушения гомеостаза глюкозы при гипертиреозе могут быть объяснены усилением глюконеогенеза и избыточным выходом глюкозы в кровь через белок-переносчик ОЬИТ2 в плазматических мембранах гепатоцитов, количество которого возрастает под влиянием тиреоидных гормонов. Статистически значимые различия по содержанию мочевины и холестерина в крови крыс в опытных группах не наблюдались.
Креатинин производится в организме постоянно и выделяется почками, поэтому его концентрация в крови отражает функцию почек. Пока клубочковая фильтрация не снизится до критических значений, уровень креатинина в крови остается в норме, однако при снижении клубочко-вой фильтрации он начинает повышаться, особенно у животных с низкой мышечной массой. Содержание креатинина в сыворотке крови крыс отличалось повышенным содержанием в группе «Зе избыток» на 16,7 % (р < 0,05) (рис. 5), что может свидетельствовать о нарушении функции почек, в особенности снижения скорости клубочко-вой фильтрации.
Таким образом, отдельное действие неорганических соединений Зе и I в избыточных концентрациях оказывают более токсичный эффект по сравнению с сочетанным действием этих элементов в такой же концентрации.
Заключение
Введение неорганических растворов Se и I в виде селенита натрия и иодида калия в терапевтических и в избыточных концентрациях приводит к изменению массы тела у половозрелых особей, которые отражались в низкой корреляции между массой тела и органами, что может свидетельствовать о нарушении метаболизма и воспалительных процессах. В то же время у животных опытных групп с введением терапевтических концентраций микроэлементов и контрольной группы наблюдались высокая и очень высокая корреляция между органами и массой тела.
Нарушение функций органов печени и почек отражалось в изменении биохимических показателей крови животных, преимущественно в группах «Se избыток» и «Se/I избыток». В связи с этим возникает огромная значимость изучения процессов миграции микроэлементов в системе «почва — растения — животные», находящихся в организме в особо низких концентрациях, необходимых для осуществления жизненно важных биологических процессов. Так же следует отметить важность оценки экологической безопасности применения Se и I содержащих соединений, в связи с риском избыточного поступления микроэлементов в организм человека и животных.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и МОКНСМ в рамках научного проекта № 20-55-44028.
Библиографический список
1. Хинталь Т. В. Дефицит йода и йоддефицитные заболевания: актуальность проблемы профилактики и лечения в Российской Федерации // Terra medica nova. — 2010. — № 1. — С. 25—28.
2. Kohrle J. The trace element selenium and the thyroid gland // Biochimie. — 1999. — T. 81. — № 5. — P. 527—533. DOI: 10.1016/s0300-9084(99)80105-9; PMID: 10403185.
3. Ermakov V. V. Problems of extremal geochemical ecology and biogeochemical study of the biosphere // Biogeochemistry and Geochemical Ecology. — 2001. — P. 98—144.
4. Голубкина Н. А., Кекина Е. Г., Надежкин С. М. Перспективы обогащения сельскохозяйственных растений йодом и селеном // Микроэлементы в медицине. — 2015. — Т. б. — № 3. — С. 12—19.
5. Синдирева А. В., Котченко С. Г., Гурьев Н. Е. Геохимическая оценка содержания селена в основных типах почв Тюменской области // Проблемы региональной экологии. — 2021. — № 3. — С. 32—38.
6. Платонова Н. М. Йодный дефицит: современное состояние проблемы // Клиническая и экспериментальная тиреои-дология. — 2015. — Т. 11. — № 1. — С. 12—21.
7. Суплотова Л. А., Макарова О. Б., Ковальжина Л. С., Шарухо Г. В. Профилактика йодного дефицита в Тюменской области: успех или неудача? // Клиническая и экспериментальная тиреоидология. — 2015. — Т. 11. — № 3. — С. 39—46.
8. ГОСТ 33215—2014. Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила оборудования помещений и организации процедур. Дата введения 01.07.2016. — М.: Стандартинформ, 2019. — 20 с.
9. ГОСТ 33216—2014. Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила содержания и ухода за лабораторными грызунами и кроликами. Дата введения 01.06.2016. — М.: Стандартинформ, 2019. — 15 с.
10. Коптяева К. Е., Мужикян А. А., Гущин Я. А., Беляева Е. В., Макарова М. Н., Макаров В. Г. Методика вскрытия и извлечения органов лабораторных животных (крысы) // Лабораторные животные для научных исследований. — 2018. — № 2. — URL: https://doi.org/10.29296/2618723X-2018-02-08
ECOLOGICAL AND TOXICOLOGICAL ASSESSMENT OF THE EFFECT OF SE AND I CONTAINING COMPOUNDS ON WISTAR RATS
A. V. Sindireva, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Head of the Department of Geoecology and Nature Management, Institute of Earth Sciences, Tyumen State University, [email protected], Tyumen, Russia,
A. K. Mangutova, Postgraduate, Department of Geoecology and Nature Management, Institute of Earth Sciences, Tyumen State University, [email protected], Tyumen, Russia,
S. A. Pashayan, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Professor, Department of Anatomy and Physiology, Institute of Biotechnology and Veterinary Medicine, Tyumen State University, Tyumen, Russia, Institute of Biotechnology and Veterinary Medicine, State Agrarian University of the Northern Trans-Urals, [email protected], Tyumen, Russia,
A. V. Knyazeva, Undergraduate, Department of Geoecology and Nature Management, Institute of Earth Sciences, Tyumen State University, [email protected], Tyumen, Russia
References
1. Khintal T. V. Deficit joda i joddeficitnye zabolevaniya: aktualnost problemy profilaktiki i lecheniya v Rossijskoj Federacii. [Iodine deficiency and iodine deficiency diseases: relevance of prevention and treatment in the Russian Federation]. TERRA MEDICA NOVA. 2010. No. 1. P. 25-28 [in Russian].
2. Kohrle J. The trace element selenium and the thyroid gland. Biochimie. 1999. Vol. 81. No. 5. P. 527—533. DOI: 10.1016/ s0300-9084(99)80105-9; PMID: 10403185.
3. Ermakov V. V. Problems of extremal geochemical ecology and biogeochemical study of the biosphere. Biogeochemistry and Geochemical Ecology. 2001. P. 98—144 [in Russian].
4. Golubkina N. A., Kekina E. G., Nadezhkin S. M. Perspektivy obogasheniya selskohozyajstvennyh rastenij jodom i selenom. [Prospects of iodine and selenium enrichment of agricultural plants]. Mikroelementy v medicine. 2015. Vol. 6. No. 3. P. 12—19 [in Russian].
5. Sindireva A. V., Kotchenko S. G., Gurev N. E. Geohimicheskaya ocenka soderzhaniya selena v osnovnyh tipah pochv Ty-umenskoj oblasti[Geochemical assessment of selenium content in the main soil types of the Tyumen Oblast]. Problemy re-gionalnoj ekologii. 2021. No. 3. P. 32—38 [in Russian].
6. Platonova N. M. Jodnyj deficit: sovremennoe sostoyanie problem. [Iodine deficiency: current state of the problem]. Klin-icheskaya i eksperimentalnaya tireoidologiya. 2015. Vol. 11. No. 1. P. 12—21 [in Russian].
7. Suplotova L. A., Makarova O. B., Kovalzhina L. S., Sharuho G. V. Profilaktika jodnogo deficita v Tyumenskoj oblasti: uspeh ili neudacha?[Prevention of iodine deficiency in Tyumen Oblast: success or failure?]. Klinicheskaya i eksperimentalnaya tireoidologiya. 2015. Vol. 11. No 3. P. 39—46 [in Russian].
8. GOST 33215—2014. Rukovodstvo po soderzhaniyu i uhodu za laboratornymi zhivotnymi. Pravila oborudovaniya pomeshenij i organizacii procedur. Data vvedeniya 01.07.2016. Moscow, Standartinform, 2019. 20 p. [in Russian].
9. GOST 33216—2014. Rukovodstvo po soderzhaniyu i uhodu za laboratornymi zhivotnymi. Pravila soderzhaniya i uhoda za laboratornymi gryzunami i krolikami. Data vvedeniya 01.06.2016. Moscow, Standartinform, 2019. 15 p. [in Russian].
10. Koptyaeva K. E., Muzhikyan A. A., Gushin Ya. A., Belyaeva E. V., Makarova M. N., Makarov V. G. Metodika vskrytiya i izvlecheniya organov laboratornyh zhivotnyh (krysy) [Methods of autopsy and extraction of organs of laboratory animals (rats)]. Laboratory animals for science. 2018. No. 2. https://doi.org/10.29296/2618723X-2018-02-08 [in Russian].
