CC BY
18
Р. Д. Габович
Экспериментальное исследование токсичности малых концентраций фтора
Из кафедры общей гигиены Киевского медицинского института
Обнаружение нами источников водоснабжения1 с высоким содержанием фтора в воде выдвинуло в качестве одной из актуальных задач изучение токсического действия фтора в эксперименте.
Для изучения эндемического флюороза наибольший интерес пpeдJ ставляет исследование длительного действия малых количеств фтора, поступающих в организм с водой в виде тех соединений, которые находятся в природных водах.
Подобные опыты в литературе не описаны, если не считать единичных работ, проведенных на животных, получавших воду с криолитом или фтористым натрием. Однако и в этих работах низкие концентрации фтора не были в центре внимания исследователей.
Условия опыта. Опыты проводились на белых крысах 22—25-дневного возраста. Постоянно растущие резцы крыс дают возможность непрерывно наблюдать изменения эмали зубов, характерные для флюороза.
Для того чтобы приблизить условия эксперимента к естественным, мы давали крысам водопроводную воду, бывшую в контакте с третичными фосфоритовыми песками, являющимися источниками фтора для вод некоторых водоносных горизонтов, эксплоатируемых в УССР. Для сравнения действия имелись животные, пившие воду с эквивалентным по фтору количеством фтористого натрия. Крысы получали полноценный, но бедный водой корм.
Количество выпитой воды учитывалось. Всего имелось 8 групп крыс по 15—20 животных в каждой; из них по 2 самки.
1-я группа — контрольная; крысы пили водопроводную воду, содержавшую ничтожную концентрацию фтора, 0,1—0,2 мг/л, что соответствовало 0,01 мг фтора на 1 кг веса животного в сутки.
2-я группа получала воду, содержавшую 1,5 мг/л фтора (0,105 мг/кг), т. е. с концентрацией, которую мы полагали близкой к максимально допустимой в питьевой воде.
3-я группа получала воду, содержавшую 4,5 мг/л фтора (0,292 мг/кг в сутки).
4-я группа получала воду, содержавшую 6 мг/л фтора (0,438 мг/кг в сутки), т. е. с наибольшей концентрацией фтора, встречающейся в водоисточниках УССР.
5-я группа получала воду, содержавшую 15 мг/л фтора (1 мг/кг),; наибольшая концентрация фтора, встречавшаяся в воде источников зо,-доснабжения, по литературным данным.
6-я группа получала воду, содержавшую 50 мг/л фтора (3,75 мг/кг).
7-я группа получала воду, содержавшую 150 мг/л фтора (11,25 мг/кг).
8-я группа получала воду, содержавшую 500 мг/л фтора (40—50 мг/кг).
Опыт в основном продолжался в течение 9 месяцев, лишь отдельные животные были убиты спустя более продолжительное время. В таблице приводятся данные о балансе фтора в организме животных за все время опыта. Из таблицы видно, что почти весь накапливающийся в организме фтор откладывается в твердых тканях и лишь 4—5% в мягких. По количеству откладывающегося фтора ткани располагаются в следующем порядке: кости, зубы, шерсть, щитовидная железа, легкие,
1 Врачебное дело, 1949, № 4; Гигиена и санитария, 1949, № 7.
печень и почки, мышцы, мозг. Так, например, у животных 7-й группы содержание фтора в тканях в конце опыта составляло: бедренная кость — 8 920, зуб (резец)—6 890, шерсть—171,5, легкие — 38,1, почки— 27,4, печень — 22,3, мышцы скелета — 11,2, мозг — 4,59 мг на 1 кг веса свежей ткани.
Следует отметить, что если животные 6-й группы на 8-м месяце опыта начинали получать воду с содержанием 0,15 мг/л фтора, то в течение длительного промежутка времени выделение фтора превышало поступление (отрицательный баланс). Переход отложившегося в тканях фтора в кровь и выделение из организма являются, повидимому, причинами того, что в костях, пораженных диффузным остеосклерозом, при флюорозе возможны восстановительные процессы в случае прекращения контакта с фтористыми соединениями.
Баланс фтора в организме подопытных животных
Группа подопытных животных
1-я 2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я
Концентрация фтора в питье-
вой воде в мг/л...... 0,15 1,5 4,5 6 15 50 150
Количество фтора в мг/кг ве- •
са, получаемого в сутки с 0,1 0,29
водой .......... 0,01 0,44 1,0 3,75 11,25
Количество фтора в мг. полу-
чаемого за время опыта с
вод.й........... 0,36 3,6 10,8 14,4 40,05 135 305
Количество фтора в мг, полу-
чаемого за время опыта с
кормов ......... 3,6 3,6 3,6 3,6 3,4 3,4 3,4
Всего получено фтора в мг 3,96 7,2
за время опыта...... 14,4 18 43,45 138,4 308,4
Содержание фтора в мг на
1 кг веса:
а) в костях (бедренная кость) 250 410 752 899 2,129 6,080 8,920
б) в зубах ......... 138 271 367 442 1,242 3, 2б0 6,ЬУ0
в) в мягких тканях ..... 0,344 0,59 0,81 0,92 2,54 7,6 12,4
Всего содержится фтора в мг: 3,28 5,616 17,032
а) в скелете ....... 2 7,192 48,64 71,36
б) во всех зубах ...... 0,069 0,105 0,183 0,221 0,621 1 ,64 2,445
в) в мягких тканях- .... 0,086 0,15 0,2 0,23 7,643 0,615 1,9 3,1
Всего фтора в туше в мг . . 2,155 3,535 5,999 18,268 52,18 76,905
Содержание фгора в туше
крысы в начале опыта в мг
(в среднем) ........ 0,03 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
Задержка фтора в организме 1,885 5,699 7,343 17,561
крыс за время опьпа в мг . 3,235 51,88 77,605
То же в процентах к количе- 39,3 39,4
ству получаемого фтора . . 46,5 44,2 40,5 38,0 25,2
Примечание. Исследование содержания фтора в тканях производилось посредством сухого сжигания исследуемого объекта в присутствии извести или уксуснокислого кальция с последующим отгоном фтора в виде кремнефтори-стой кислоты в специальном аппарате. Определение фтора в отгоне производилось колориметрически с кислым цирконализариновым индикатором при больших количествах фтора в объекте (больше 0,04 мг) и объемным методом с нитратом тория при меньших количествах.
В то время как у контрольных крыс 1-й группы, как и обычно, эмаль резцов была равномерно пигментирована в коричневый цвет, у 60% крыс 2-й группы через несколько месяцев после начала опыта на отдельных участках постоянно растущих резцов обнаруживалась при рассматривании с лупой (увеличение в 40 раз) едва заметная полоса-
тость эмали от чередования параллельно расположенных нормально и слабо пигментированных полосок. Эта полосатость эмали резцов крыс, адэкватная пятнистости эмали зубов человека, является одним из первых признаков действия фтора на организм.
В то же время интегральные показатели состояния организма (поведение, динамика веса, кровь и пр.), а также биохимические и патоги-стологические исследования не говорили о каких-либо неблагоприятных сдвигах в физиологических процессах.
Нет также оснований полагать, что при более длительном употреблении этой воды появятся подобные сдвиги, ибо содержание фтора в костях крысы, пившей эту воду в течение 14 месяцев, лишь незначительно (до 448 мг/кг) увеличилось по сравнению со средней величиной, характеризующей содержание фтора в костях крыс к 9-му месяцу, т. е. к концу опыта. Следовательно, к этому времени наступает динамическое равновесие между вводимым и выделяемым количеством фтора (с весьма незначительным преобладанием введенного фтора) и между организмом и средой. В результате регулирующего действия нервной системы устанавливается новый уровень отношений, который не характеризуется снижением физиологических функций.
У крыс 3-й и 4-й группы полосатость эмали резцов более четко выражена и обнаруживается в 100% случаев, причем у животных последней группы она распространяется на всю поверхность эмали резцов.
Наряду с этим, у отдельных животных 4-й группы обнаруживается, правда, незначительное нарушение ферментативных процессов, о чем можно судить по снижению (в среднем на 5—8%) активности холин-эстеразы сыворотки, аденозинтрифосфатазы мышц и дезоксирибону-клеазы сыворотки. Эта изменения еще не велики, они едва выходят за рамки индивидуальных отклонений, однако не отметить их нельзя, поскольку характер их подтверждается в последующих группах крыс, получавших большие количества фтора.
У отдельных животных 4-й группы была уменьшена интенсивность ультрафиолетового излучения крови (изучалась с дрожжевым детектором), что, по Юделесу, является следствием нарушения энергетических отношений в межуточном обмене.
Незначительные отклонения от контрольных животных обнаруживаются и со стороны костей — увеличение на 7—9% активности костной фосфатазы, уменьшение на 2—4,5% содержания кальция, наряду с увеличением содержания фтора в 3—4 раза.
В костях трех крыс 4-й группы, убитых через 16 месяцев после начала опыта, было обнаружено на 22% больше фтора, что говорит о длительно продолжающемся накоплении последнего при пользовании водой с содержанием 6 мг/л фтора. У одной из этих крыс имелось незначительное субпериостальное новообразование костной ткани. Все это согласуется с наблюдениями ряда исследователей о том, что выраженный эндемический фтористый остеосклероз наблюдался в зависимости от прочих условий (социальных, климатических, питания) лишь после длительного, 15—40-летнего пользования водой, содержавшей 3—10 мг/л фтора.
У крыс 5-й группы полосатость эмали зубов видна еше более отчетливо (рис. 1), поскольку слабее окрашенные участки эмали стали полностью депигментированы, что усилило контраст. У животных этой группы снижена на 10—13% активность изучавшихся ферментов; у всех животных полностью угашено ультрафиолетовое излучение крови. На вскрытии у многих животных этой группы наблюдается увеличенное по сравнению с контрольными животными отложение жировой ткани, а при патогистологическом исследовании в 3А случаев обнаружено незначительное коллоидное перерождение щитовидной железы; в половине ис-
следованных случаев имелось полнокровие и некоторое раздражение мезенхимальных элементов почки.
Содержание фтора в костях к концу опыта достигло 2 100 мг/кг, т. е. той концентрации, при которой, по нашим данным, обнаруживается первая стадия остеосклероза у человека. В костях в среднем на 7% уменьшено содержание кальция, на 5% увеличено содержание белков, на 15,5% увеличена активность костной фосфатазы. Общеизвестно, что фтор не влияет на активность щелочной фосфатазы и в то же время в ничтожных концентрациях нарушает вторую фазу минерализации ко-
Рис. 1. Полосатость эмали резцов крысы 5-й группы (увеличение в 32 раза)
ста — образование трикальцийфосфата. Поэтому увеличение активности костной фосфатазы следует рассматривать как компенсаторный процесс, подобно тому, как это имеет место при рахите, остеомаляции и других заболеваниях.
Наблюдающаяся при микроскопии неравномерность окраски кости является следствием изменения химического состава последней. При па-тогистологическом исследовании обнаружены явления коетеобразования со стороны периоста с островками остеоидной ткани. У отдельных животных уменьшена прочность кости при определении сопротивления удару. Несмотря на все перечисленное, у животных этой группы со стороны общих показателей состояния организма существенных отклонений от контрольных крыс не имеется. Это вполне согласуется с наблюдениями Рохольм, произведенными среди рабочих датской криолитовой фабрики, у которых даже при выраженном остеосклерозе костей с обызвествлением связок и ограничением подвижности туловища изменения со стороны других органов и физиологических систем были незначительны. Среди крыс 5-й группы, как и ранее перечисленных групп, нельзя было обнаружить заметной разницы в реакции животных, пивших настой на фосфоритах и воду с эквивалентным содержанию фтора количеством фтористого натрия.
У крыс 6-й и 7-й группы вое описанные ранее изменения были более выражены. Резцы животных этих групп через 3—4 недели после на-
чала опыта были более чем в норме, фарфоровые или без блеска — меловидные. При рассматривании в лупу поверхность эмали на полностью депигментированных нижних резцах неровная, имеет пузырчатый вид (рис. 2). Зубы этих животных сильно стираются, от них откалываются кусочки; приготовить шлиф зуба невозможно из-за его хрупкости. В то же время содержание золы и кальция в зубах уменьшено весьма незначительно.
Активность изучавшихся ферментов (холинэстеразы, аденозинтри-фосфатазы, дезоксирибонуклеазы) снижена на 30—40%. Изменение активности этих биологически важных ферментов, имеющих большое
Рис. 2. Неровная поверхность эмали резцов крысы 7-й группы (увеличение в 32 раза)
значение в передаче нервного возбуждения, в нервно-мышечной деятельности, в функции нервных рецепторов, в обмене нуклеиновых соединений и т. д., является, вероятно, важным фактором в патогенезе флюороза. Содержание магния и кальция в крови (связыванию последнего фтором приписывали ранее основную роль в патогенезе флюороза) падает весьма незначительно: кальция на 7,5%, а магния на 6%.
Патогистологические исследования обнаруживают большие или меньшие изменения во всех органах и тканях, особенно выраженные у крыс 7-й группы. Так, например, в сосудах внутренних органов отмечается разная степень поражения стенок, начиная с набухания и пролиферации эндотелия капилляров и кончая деструктивными изменениями сосудистых стенок с гиалинозом их; со стороны мозга у большинства животных наблюдается полнокровие, набухание эндотелия сосудов, мелкие периваскулярные кровоизлияния и отек. В щитовидной железе у всех животных часто встречаются резко увеличенные фолликулы, заполненные бледно окрашенным коллоидом с вакуольками резорбции. Особенно больших размеров фолликулы достигают на периферии железы, где эпителий фолликул уплощен. В центральных отделах железы фолликулы небольших размеров с высоким эпителием.
Со стороны печени у большинства животных 6-й группы изменений нет. У отдельных животных 6-й группы и всех животных 7-й группы
имеются изменения печеночной ткани дегенеративного характера, наиболее тяжелые у истощенных крыс. Со стороны почек у одних крыс 6-й группы имеется раздражение мезенхимальных элементов, у других отмечаются еще и незначительные дегенеративные изменения эпителия извитых канальцев. У всех животных 7-й группы клубочки полнокровны, сосуды межуточной ткани почек расширены, стенки сосудов однородны, набухшие, эндотелий капилляров и мелких артерий слущен, нередко с явлениями пролиферации. В межуточной ткани почек отмечается вариирующая по силе у разных животных пролифера-
Еция соединительнотканных элементов, начиная от образования полиморфноклеточных тяжей и островков по ходу клубочков и сосудов и кончая в двух случаях массивным ин-терстициальным нефритом с поражением межуточной ткани.
Содержание фтора в костях доходит до огромных величин— 6 080 (6-я группа) — 8 920 мг/кг (7-я группа), что примерно равняется тому количеству, которое находили в костях человека при третьей стадии фтористого остеосклероза. Примерно на 20% уменьшено содержание кальция в костях и на 10% увеличено со держание белков. Активность костной фосфатазы повышена, у отдельных животных на 100%. В бедренной кости обнаруживаются явления гали-стереза, остеопороза с очаговым склерозом в участке эпи-физарной линии роста кости, а также расширение костномоз говой полости. У наиболее Рис. 3 Большие берцовые кости: снизу- 1ИСХ0Щенных животных 7-Й крысы 7-и группы; сверху—крысы 1-й группы ^
группы наблюдалось искривление большой берцовой кости (рис. 3), которая в 2 случаях была подобна «саблеобразным костям при остеомаляции. Более выраженной бугристости костей и каль-цификации связок, как у людей, пораженных фтористым остеосклерозом, у крыс не отмечается.
В связи с указанными изменениями состава и микроструктуры костей находятся изменения их физических свойств. При рентгенологическом исследовании обнаруживается истончение компактного слоя и расширение костномозговой полости, что является следствием галистереза и процессов рассасывания кости со стороны эндоста. Об этом говорит также понижение ложного удельного веса кости (удельный вес целой бедренной кости), который становится меньше единицы (у контрольных животных 1,3).
В противоположность костям крыс 6-й и 7-й группы кости животных 2-й и 3-й и особенно 4-й и 5-й группы отличались при рентгенографии резким уплотнением контуров компактного слоя и подчеркнутой трабекулярной структурой, т. е. превалированием явлений остеоскле-
роза. Прочность костей животных при определении сопротивления удару на 30 (6-я группа)—67% (7-я группа) меньше, чем у контрольных животных.
Наблюдавшееся нами снижение активности холинэстеразы, ведущее к замедлению распада ацетилхолина, должно иметь следствием снижение процессов возбуждения и усиление процессов активного торможения в центральной нервной системе животных. И действительно, крысы, особенно 7-й группы, апатичны, вялы, малоподвижны; у них имеется атрофия скелетной мускулатуры по сравнению с животными контрольной группы. У этих же животных обнаруживается отставание в весе, выявляющееся во второй половине опыта; у части животных наблюдается прогрессирующая кахексия. Со стороны крови имеется гипохромная анемия, лейкопения и относительный лимфоцитоз; со стороны красной крови — анизоцитоз и увеличение числа нормобластов; РОЭ замедлена.
Образование и накопление агглютининов после активной троекратной иммунизации на 7-м месяце опыта ослаблено у крыс 6-й группы и полностью нарушено у крыс 7-й группы, что может свидетельствовать о снижении иммунобиологических свойств организма. 40% крыс 7-й группы погибли от кахексии и пневмонии.
Отрицательное влияние фтора на функцию размножения и плодовитость крыс можно предположить лишь у животных 7-й группы.
Токсическое действие воды с концентрацией фтора 500 мг/л проявилось на животных 8-й группы на второй день опыта. Крысы стали вялыми, малоподвижными, с взъерошенной шерстью, корм поедали плохо, наблюдалась усиленная жажда и увеличенное мочеотделение, фекалии жидкие, сильное отделение слюны и слезотечение, фотофобия, учащенное-дыхание, замедление сердечных сокращений, тремор. Таким образом, при остром отравлении преобладают явления угнетения центральной нервной системы и раздражения парасимпатического отдела нервной системы, что отмечали и другие авторы (Турин, Скворцов, Кадыков). Эти же явления, но значительно менее выраженные, мы наблюдали при хроническом действии фтора среди животных 7-й группы. В течение 3-го, 4-го и 5-го дня опыта погибло 9 наиболее молодых крыс при явлениях учащения дыхания, апатии, пониженной подвижности, сонливости.
Выв оды
1. При концентрации фтора в питьевой воде 1,5 и 4,5 мг/л у подопытных крыс обнаруживается слабо выраженная полосатость на отдельных участках эмали резцов и повышенное накопление фтора в тканях.
2. При концентрации фтора в питьевой воде 6 мг/л у части животных обнаруживаются, кроме полосатости зубов, незначительные биохи мические изменения со стороны активности ферментов и состава костей.
3. При концентрации фтора в питьевой воде 15 мг/л, кроме усиления изменений, обнаруженных у животных предыдущей группы, у 50% животных наблюдаются слабо выраженные патогистологические изменения в щитовидной железе, почках и костях.
4. При концентрации фтора в питьевой воде 50 и 150 мг/л, кроме значительных изменений со стороны зубов, обнаруживается значительное снижение активности ферментов, выраженные патогистологические изменения во внутренних органах и костях, ухудшение общего состояния животных и смертность от кахексии и пневмоний.
5. При концентрации фтора в воде 500 мг/л обнаруживаются явления острого отравления со смертельным исходом в течение нескольких суток.
& -¿г й
