CC BY
22
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2018 БИОЛОГИЯ Вып. 3
УДК 616-092
М. А. Земляноваa,b, Ю. В. Кольдибековаь
a Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
b ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Пермь, Россия
ИЗМЕНЕНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕЙРОПЕРЕДАЧИ У ДЕТЕЙ С ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ АЛЮМИНИЯ В МОЧЕ
Исследовали содержание алюминия в моче у детей, проживающих в условиях хронического аэрогенного воздействия алюминия. Установлены различия в содержании алюминия в моче детей группы наблюдения (0.036±0.004 мг/дм3) по отношению к группе сравнения (0.008±0.003 мг/дм3) в 4.5 раза (р<0.05) и референтного уровня (0.0065±0.0035 мг/дм3) в 5.5 раза (р<0.05). Выявлены отклонения биохимических показателей нейропередачи в виде повышения уровня нейронспецифиче-ской енолазы, глутаминовой кислоты, фосфора в сыворотке крови до 1.7 раза и ионизированного кальция в цельной крови до 1.2 раза (р<0.05). Установлено, что данные изменения связаны с повышенным содержанием алюминия в моче и происходят на фоне активизации процесса перокси-дации. Выявленные биохимические показатели целесообразно учитывать для разработки мер профилактики нормализация медиаторных процессов в ЦНС у детей, постоянно проживающих в условиях хронического воздействия алюминия.
Ключевые слова: алюминий; детское население; нервная система; передача нервного импульса.
M. A. Zemtyanovaa,b, Yu. V. Koldibekovab
a Perm State University, Perm, Russian Federation
b Federal scientific center for medical and preventive health risk management technologies, Perm, Russian Federation
CHANGES OF BIOCHEMICAL INDICES OF NEUROTRANSMITTER IN CHILDREN WITH ELEVATED CONCENTRATIONS OF ALUMINIUM IN URINE
The content of aluminum in urine in children living under conditions of chronic aerogenic exposure to aluminum was investigated. Reliable differences in the content of aluminum in the urine of children in the observation group (0.036 ± 0.004 mg/dm3) were established 4.5 times (p<0.05) and reference level (0.0065 ± 0.0035 mg/dm3) relative to the comparison group (0.008 ± 0.003 mg/dm3)) in 5.5 times (p<0.05).Deviations of biochemical indices of the functional state of the central nervous system were revealed in the form of an increase in the level of neuron-specific enolase, glutamic acid, phosphorus in the blood serum up to 1.7 times and ionized calcium in whole blood up to 1.2 times (p<0.05). It was found that these changes are associated with an increased content of aluminum in urine and occur against the background of activation of the peroxidation process. The identified biochemical parameters should be taken into account for the development of preventive measures normalization of mediator processes in the Central nervous system in children living permanently in conditions of chronic exposure to aluminum.
Key words: aluminum; children's population; nervous system, nerve impulse transmission.
Введение
В промышленно развитых регионах Российской Федерации население постоянно подвергается хроническому воздействию выбросов химических компонентов предприятий различных видов производств, в том числе алюминия. Алюминий относится ко 2-му классу опасности веществ для человека1. Поступает в
1 ГН 2.1.6.1338-03. Предельно допустимые кон-
центрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмо-
сферном воздухе населенных мест.
атмосферный воздух в виде диалюминия триоксида, специфического компонента выбросов технологического процесса алюминиевого производства. Алюминий в ряде регионов отнесен к числу приоритетных веществ, загрязняющих питьевую воду централизованного водоснабжения в связи с особенностями развития производства и с загрязнением воды в процессе водоподготовки [Гресь, Слобожанина, Гузик, 2014]. Кроме этого, по данным агентства по регистрации токсичных веществ и заболеваний США, основным источником поступления алюминия в организм человека являются продукты питания, так как алюминий
© Землянова М. А., Кольдибекова Ю. В., 2018
используется в качестве пищевой добавки и входит в состав пищевой упаковки [Toxicological ..., 2008].
Алюминий в организме способен образовывать прочные связи с биомолекулами в виде подвижных форм, обладающих высокой реакционной способностью [Багрянцева и др., 2016]. Депонирует в сером веществе головного мозга, в костях, легких и печени. Большая часть алюминия выводится с мочой, и ряд исследователей рассматривает его концентрацию в моче в качестве индикаторного показателя экзогенного ингаляционного поступления [Roßbach et al., 2006]. При избыточном поступлении в организм обладает выраженным общетоксическим действием с преимущественным вовлечением в патологический процесс центральной нервной системы (ЦНС), что обусловлено его тропностью к данной системе [Багрянцева и др., 2016].
Алюминий, как нейротропный металл, способен проникать через обонятельные нейроны, расположенные в носовой полости, через гематоэнцефалический барьер с помощью специфических трансферриновых рецепторов. В результате происходит транснейро-нальное распределение алюминия в ядрах нейронов головного мозга [Becaria, Campbel, Bondy, 2002], накопление в перинуклеарных областях астроцитов с последующим нарушением аксонального транспорта, синтеза и инактивации нейромедиаторов [Deloncle et al., 1990; Levesque et al., 2000]. Исследованиями на лабораторных животных доказана способность алюминия ускорять пероксидацию в клетках, приводя к повышенной генерации активных форм кислорода, вызывающей гибель нейронов [Becaria, Campbel, Bondy, 2002]. Следствием этих процессов является повреждение синаптической передачи нервных импульсов от нервных рецепторов к клеткам тканей внутренних органов, либо между нейронами центральной и периферическими нервными системами [Levesque et al., 2000; Гресь, Слобожанина, Гузик, 2014].
В исследованиях по изучению хронического поступления алюминия, даже при низких концентрациях из атмосферного воздуха, питьевой воды, продуктов питания, особенно актуальным является доказательство и обоснование его негативного воздействия на ЦНС, в первую очередь, у детей. Установленные показатели негативного эффекта целесообразно учитывать для разработки мер профилактики нормализация медиаторных процессов у детей, постоянно проживающих в условиях хронического воздействия алюминия.
Целью данного исследования является установление изменений биохимических показателей, характеризующих передачу нервного импульса у детей с повышенной концентрацией алюминия в моче.
Материал и методы исследования
Материал
В исследовании участвовали дети возрасте 3-7 лет (n = 234): 189 человек (группа наблюдения), проживающих в условиях стабильного присутствия алюминия в атмосферном воздухе (на уровне до 0.2 ПДКс.с), и 45 человек (группа сравнения), не подвергающихся аэрогенному воздействию данного химического фактора. Дети посещали дошкольные образовательные организации; по половозрастному составу, социально-бытовым условиям проживания, среднему уровню материального обеспечения сопоставимы.
Методы исследования
Исследование биологических образцов (моча) выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой СТО М25-2016 на масс-спектрометре Agilent 7500cx (США). Оценку установленного содержания алюминия в моче проводили относительно референтного уровня [Клиническое ..., 2003] и показателя в группе сравнения.
Оценка баланса нейромедиаторов ЦНС выполнена по содержанию глутаминовой и у-аминомасляной кислот (ГАМК) в сыворотке крови, уровня специфических белков - по содержанию нейронспецифической енолазы (НСЕ) в сыворотке крови, кальций-фосфорного обмена - по уровню фосфора в сыворотке крови и ионизированного кальция в цельной крови с использованием коммерческих тест-систем Фосфор-Ново (Россия), Medica Corporation (США), GABA ELISA Kit (Германия), Glutamate Kit (Австрия), НСЕ-ИФА (Россия) на анализаторе электролитов крови EasyLyte Calcium (США), на автоматическом биохимическом Keylab (Италия) и иммуноферментном Elx808IU (США) анализаторах. Свободно-радикальное окисление оценивали по содержанию гидроперекисей липидов в сыворотке крови с помощью коммерческой тест-системы OxiStat (Австрия) и малонового диальдегида (МДА) в плазме крови колориметрическим методом с тиабарбиту-ровой кислотой [Современные ..., 1977].
Диагностические процедуры осуществляли с обязательным соблюдением этических принципов медико-биологических исследований, изложенных в Хельсинкской декларации 1975 г. с дополнениями 1983 г., в гармонизации с Национальным стандартом Российской Федерации ГОСТ-Р 523792005 «Надлежащая клиническая практика». От каждого законного представителя ребенка, включенного в выборку, получено письменное информированное согласие на добровольное участие в обследовании.
Статистическую обработку результатов проводили в программе "Statistica 6,0". Для анализа дан-
ных, подчиняющихся нормальному распределению, рассчитывали среднее арифметическое и стандартную ошибку; достоверность различий устанавливали с помощью критерия Стьюдента ^>2.0) и уровня значимости р<0.05; оценку зависимости отклонения лабораторного показателя от концентрации алюминия в моче выполняли с помощью нелинейного регрессионного анализа по критерию Фишера (Б>3.96), коэффициенту детерминации (Я2) и критерию Стьюдента ^>2) при заданном уровне значимости р<0.05 [Медико-биологическая ..., 1998].
Результаты и их обсуждение
Результаты химико-аналитического исследования содержания алюминия в моче у детей группы наблюдения установили статистически достоверные различия среднего содержания алюминия в моче
(0.036±0.004 мг/дм ) детей группы наблюдения, превышающие в 4.5 раза аналогичный показатель в моче детей группы сравнения (0.008±0.003 мг/дм3) и в 5.5 раза референтный уровень данного металла в моче (0.0065±0.0035 мг/дм3) (р=0.0001).
Оценка показателей активности окислительных процессов свидетельствует о повышении в 1.2-2.2 раза уровня МДА в плазме крови, гидроперекисей липидов в сыворотке крови у детей группы наблюдения относительно аналогичных показателей в группе сравнения (р=0.0001) (таблица), что вероятно, обусловлено прохождением алюминия через гематоэн-цефалический барьер и необратимым накоплением его в ядрах нейронов, вызывающим окислительную модификацию белков в результате ускорения свободно-радикального окисления [На1^е11 et а1., 1992; Дубинина и др., 2015].
Биохимические показатели у детей с повышенным содержанием алюминия в моче (M±m)
Биохимический показатель Среднее значение показателя
группа наблюдения (n = 189) группа сравнения (n = 45)
Гидроперекиси липидов в сыворотке крови, мкмоль/дм3 215.08±17.04* 98.12±11.10
Малоновый диальдегид в плазме крови, мкмоль/дм3 3.08±0.11* 2.68±0.15
Глутаминовая кислота в сыворотке крови, мкмоль/дм3 101.48±8.65* 85.43±5.72
у-аминомасляная кислота в сыворотке крови, мкмоль/дм3 0.11±0.02* 0.14±0.02
Нейронспецифическая енолаза в сыворотке крови, мкг/дм3 5.04±1.55* 2.94±1.46
Ионизированный кальций в цельной крови, моль/дм3 1.17±0.01* 1.13±0.02
Фосфор в сыворотке крови, моль/дм3 1.52±0.05* 1.64±0.05
*(р<0.05) относительно группы сравнения.
Установлены достоверная связь между повышенным уровнем гидроперекиси липидов в сыворотке крови и повышенным содержанием алюминия в моче (Я2 = 0.59; F = 11.27; Ь0 = -3.24; Ь = 40.61; р = 0.0001). Зарегистрировано повышение в 1.7 раза уровня НСЕ в сыворотке крови у детей группы наблюдения (5.04±1.55 мкг/дм3) относительно показателя в группе сравнения (р = 0.044). Повышение уровня НСЕ также может указывать на повреждение гематоэнцефаличе-ского барьера в результате нейротропного действия алюминия [Астахин, Евлашева, Левитан, 2016].
Установлена достоверная связь между повышенным уровнем НСЕ в сыворотке крови и повышенным уровнем алюминия в моче (Я2 = 0.33; F = 61.03; Ь0 = -0.69; Ь1 = 24.19; р = 0.0001). Следствием повреждения гематоэнцефалического барьера в результате нейро-тропного действия, как правило, является нарушение синаптической передачи нервных импульсов, связанное с дискоординацией процессов возбуждения и торможения. Подтверждением данного процесса является выявленный дисбаланс нейромедиаторов возбуждения и торможения в нейронах ЦНС. Установлено повышенное содержание глутаминовой кислоты в сыворотке крови детей группы наблюдения в 1.2 раза и снижение уровня у-аминомасляной кислоты в
1.3 раза относительно показателей в группе сравнения (р = 0.003-0.044); достоверная причинно-следственная связь повышенного уровня глутамино-вой кислоты в сыворотке крови с повышенным содержанием алюминия в моче (R2 = 0.10; F = 7.31; b0 = -1.93; b = 10.16; р = 0.010).
Избыток глутамата ведет к поступлению большого количества ионов кальция в клетку, что, в свою очередь, вызывает повреждение и гибель клетки -эффект эксайтотоксичности [Roßbach, 2006]. Выявлено достоверное повышение содержания ионизированного кальция (1.17±0.01 ммоль/дм3) и снижение уровня фосфора (1.52±0.05 ммоль/дм3) в крови детей группы наблюдения относительно аналогичных показателей в группе сравнения (р = 0.0001-0.001).
В результате дисбаланса фосфорно-кальциевого обмена увеличивается транспорт ионов кальция внутри нервной клетки и, как следствие, изменяется порог возбудимости нейронов [Дубинина, 2015]. Установлены причинно-следственные связи повышенного уровня ионизированного кальция в крови с повышенным содержанием алюминия в моче (R2 = 0.47; F = 84.64; b0 = 0.52; b = 33.53; р = 0.0001); между пониженным уровнем фосфора в сыворотке крови и по-
вышенной концентрацией алюминия в моче (R2 = 0.58; F = 16.20; b0 = -3.98; b = 38.64; р = 0.003).
Заключение
Проведенное исследование свидетельствует о том, что в условиях хронического воздействия алюминия у детей установлено повышенное содержание в моче данного металла на уровне 0.032 мг/дм3 и выше. Выявлены отклонения биохимических показателей, характеризующие нарушение процесса передачи нервного импульса в виде повышения уровня НСЕ, глута-миновой кислоты, ионизированного кальция в цельной крови и понижение фосфора в сыворотке крови, доказано связанные с повышенным содержанием алюминия в моче. Установленные отклонения биохимических показателей происходят на фоне активизации процесса пероксидации. Выявленные биохимические показатели целесообразно учитывать для разработки мер профилактики нормализация медиатор-ных процессов в ЦНС у детей, постоянно проживающих в условиях хронического воздействия алюминия.
Авторы выражают благодарность отделам химико-аналитических методов исследования (зав. -д-р биол. наук Т.С. Уланова) и математического моделирования систем и процессов (зав. - канд. техн. наук Д.А. Кирьянов) ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» за помощь в проведении химико-аналитических исследований и построении математических моделей.
Исследование выполнено в рамках бюджетного финансирования в соответствии с государственным заданием.
Библиографический список
Астахин А.В., Евлашева О.О., Левитан Б.Н. Клиническое и диагностическое значение основного белка миелина и нейронспецифической ено-лазы в медицинской практике // Клиническая медицина. 2016. № 11(4). С. 9-13. Багрянцева О.В. и др. Алюминий: оценка риска для здоровья потребителей при поступлении c пищевыми продуктам // Анализ риска здоровью. 2016. № 1(13). С. 59-68. Гресь Н.А., Слобожанина Е.И., Гузик Е. Элемен-тоз избытка алюминия. LAP Lambert Academic Publishing, 2014. Дубинина Е.Е. и др. Окислительный стресс и его влияние на функциональную активность клеток при болезни Альцгеймера // Биомедицинская химия. 2015. № 61(1). С. 57-69. Клиническое руководство по лабораторным тестам
/ под ред. Н.У. Тиц. М., 2003. Медико-биологическая статистика / под ред. С. Гланц. М.: Практика, 1998. 459 с.
Современные методы в биохимии / под ред. В.Н. Орехович. М., 1977.
Becaria А., Campbel A., Bondy S.C. Aluminum as a toxicant // Toxicology and Industrial Health. 2002. № 18.Р. 309-320.
Deloncle R. et al. Aluminum transfer as glutamate complex through blood-brain barrier. Possible implication in dialysis encephalopathy // Biological Trace Element Research. 1990. № 25. Р. 39-45.
Draft aquatic life ambient water quality criteria for aluminum. U.S. Environmental protection agency office of water office of science and technology health and ecological criteria division. Washington: D.C., 2017.
Halliwell B. et al. Reactive Oxygen Species and the Central Nervous System // Free Radical in the Brain. 1992. Р. 21-40.
Levesque L. et al. Ligand specific effects on aluminum incorporation and toxicity in neurons and as-trocytes // Brain Research. 2000. № 877. Р. 191202.
Roßbach B. et al. Biological monitoring of welders exposed to aluminium // Toxicology Letters. 2006. № 162. Р. 239-245.
Toxicological profile for aluminum. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR) / U.S. Public Health Service; U.S. Department of Health and Human Services. Altanta, 2008.
References
Astahin A.V., Evlasheva O.O., Levitan B.N. [Clinical and diagnostic value of the main myelin protein and neuron-specific enolase in medical practice].
Kliniceskaja medicina. № 11(4) (2016): рр. 9-13. (In Russ.).
Bagrjanceva O.V., Shatrov G.N., Hotimchenko S.A. et al. [Aluminium: assessment of risk to the health of consumers at admission c foods]. Aljuminij: ocenka riska dlja zdorov'ja potrebitelej pri postu-plenii c pishhevymi produktam Analiz riska zdorovju. N 1(13) (2016): рр. 59-68. (In Russ.).
Dubinina E.E., Shchedrina L.V., Neznanov N.G., Zalutskaya N.M. et al. [Oxidative stress and its effect on cells functional activity of alzheimer's disease]. Biomedicinskaja chimija. N 61(1) (2015): рр. 57-69. (In Russ.).
Tits N.U., ed. Kliniceskoe rukovodstvo po labora-tornym testam [Clinical guidelines for laboratory tests]. Moscow, Unimed-press Publ., 2003. 960 p. (In Russ.).
Glants S., ed. Mediko-biologiceskaja statistika [Biomedical statistics]. Moscow, Practika Publ., 1998. 459 p. (In Russ.).
Gres' N.A. Slobozhanina E.I., Guzik E. Elementoz iz-bytka aljuminija [Excess aluminum element]. Lambert Academic Publ., 2014. 112 р. (In Russ.).
Orehovich V.N., ed. Sovremennye metody v bio-chimii [Modern methods in biochemistry]. Moscow, 1977. 392 p. (In Russ.).
Becaria A., Campbel A., Bondy S.C. Aluminum as a toxicant. Toxicology and Industrial Health. N 18 (2002) : pp. 309-320.
Deloncle R., Guillard O., Clanet F. et al. Aluminum transfer as glutamate complex through blood-brain barrier. Possible implication in dialysis encephalopathy. Biological Trace Element Research. N 25 (1990): pp. 39-45.
Draft aquatic life ambient water quality criteria for aluminum. U.S. Environmental protection agency office of water office of science and technology health and ecological criteria division. Washington, D.C., 2017.
Об авторах
Землянова Марина Александровна, доктор медицинских наук, профессор кафедры экологии человека и безопасности жизнедеятельности ФГБОУВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» ORCID: 0000-0002-8013-9613 614099, Пермь, ул. Букирева, 15
зав. отделом биохимических и цитогенетических методов диагностики
ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82; [email protected]; (342)2363930
Кольдибекова Юлия Вячеславовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма и фармакокинетики ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» ORCID: 0000-0002-3924-4526 614045, Пермь, ул. Монастырская, 82; [email protected]; (342) 2371815
Halliwell B., Packer L., Prilipco L., Christen Y. et al. Reactive Oxygen Species and the Central Nervous System. Free Radical in the Brain. 1992, pp. 2140.
Levesque L., Mizzen C.A., McLachlan D.R. et al. Ligand specific effects on aluminum incorporation and toxicity in neurons and astrocytes. Brain Research. N 877 (2000): pp. 191-202. Roßbach B., Buchta M., Csanad G.A., Filser J.G., Hilla W. et al. Biological monitoring of welders exposed to aluminium. Toxicology Letters. N 162 (2006): pp. 239-245. Toxicological profile for aluminum. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR). U.S. Public Health Service, U.S. Department of Health and Human Services. Altanta, 2008. 357 p.
Поступила в редакцию 27.07.2018
About the authors
Zemlyanova Marina Alexandrovna, Doctor of
Medical Science,, professor of the Department of
human ecology and life safety
Perm State University.
ORCID: 0000-0002-8013-9613
15, Bukirev str., Perm, Russia, 614990
Head of the Department of biochemical and cytogenetic diagnostic methods FBSI «Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health».
82; Monastyrskaja str., Perm, 614045, Russia; [email protected]; (342) 2363930
Koldibekova Yuliya Vjaceslavovna, candidate of biology, senior researcher at Metabolism and Pharmacokinetics Laboratory of the Department of biochemical and cytogenetic diagnostic methods FBSI «Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health». ORCID: 0000-0002-3924-4526 82; Monastyrskaja str., Perm, 614045, Russia; [email protected]; (342) 2371815
Информация для цитирования:
Землянова М.А., Кольдибекова Ю.В. Изменения биохимических показателей нейропередачи у детей с повышенной концентрацией алюминия в моче // Вестник Пермского университета. Сер. Биология. 2018. Вып. 3. С. 308-312. DOI: 10.17072/1994-9952-2018-3-308-312.
Zemlyanova M.A., Koldibekova Yu.V. [Changes of biochemical indices of neurotransmitter in children with elevated concentrations of aluminium in urine]. Vestnik Permskogo universiteta. Biologija. Iss. 3 (2018): pp. 308-312. (In Russ.). DOI: 10.17072/1994-9952-2018-3-308-312.
