Современные проблемы диагностики: антиоксидантный и микроэлементный статус организма Текст научной статьи по специальности «Науки о здоровье»

УДК612.015.2.08

В.Н. Ракитский, Т.В. Юдина

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИКИ: АНТИОКСИДАНТНЫЙ И МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СТАТУС ОРГАНИЗМА

ГУН Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф.Эрисмана (Москва)

Представлены методические подходы к неинвазивному биотестированию, базирующиеся на установленных корреляционных связях показателей микроэлементного статуса и. интенсивности, процессов свободнорадикального окисления в конденсате альвеолярной влаги человека. Показана прогностическая. роль в состоянии гомеостаза организма соотношений элементов, близких по химическим. свойствам., обладающих высокой биологической активностью и. являющихся приоритетными загрязнителями среды..

Ключевые слова: антиоксидантный статус, микроэлементы, неинвазивное биотестирование, экспират

CONTEMPORAY DIAGNOSTICS PROBLEMS: ANTIOXIDANT AND MICROELEMENT ORGANISM STATUS

V.N. Rakitskij, T.V. Yudina

Federal Scientific Centre of Hygiene named by F.F. Erissman, Moscow

The methodical approaches to non-invasive biotesting, based, on index correlations of microelement status and processes intensities of free radical oxidation in human alveolar moisture condensate are represented, in

this paper. A prognostic role in organism homeostasis state of element correlations which are known to be similar in chemical properties, having high biological activities and are considered as priority environment pollutants is indicated.

Key words: antioxidant status, trace elements, noninvasive biotesting, expirate

Проблема возможных неблагоприятных эффектов воздействия на организм человека химических веществ для углубленных исследований по оценке риска, развитию ее методологии как элемента социально-гигиенического мониторинга находится в ряду важнейших современных проблем в нашей стране и многих странах мира. При этом необходимость обеспечения определенного уровня жизнедеятельности человека за счет процессов саморегуляции тесно связана с вопросом о степени и механизмах развития способности организма к адаптации, его стабильности в условиях негативного воздействия факторов среды обитания [3].

Реализации этих задач посвящен ряд программ медико-биологического мониторинга, в том числе, по оценке функциональных резервов биологической системы, существенное место в которых занимают антиоксидантный (АО) и микроэлемент-ный (МЭ) статус. Взаимосвязь между ними во многом обусловлена каталитическими реакциями инициирования, развития и затухания процессов свободнорадикального окисления (СРО).

Роль металлов, в первую очередь переменной валентности, в реакциях перекисного окисления липидов (ПОЛ) изучена достаточно полно с использованием в качестве диагностического материала различных фракций крови [9, 10, 11]. Установлено, что отдельные микроэлементы способны проявлять про- или антиоксидантные свойства. Так, ионы Co, Ni, Cr и некоторых других металлов индуцируют ПОЛ в реакциях Фентона и Хабера-Уэйса [2], а Zn обладает антиокислительным эффектом, являясь кофактором в процессе стабилизации цитоплазматических мембран, поврежденных продуктами ПОЛ и, кроме того, препятствует всасыванию прооксидантных МЭ [3].

Вместе с тем, в зависимости от концентрации ряда МЭ в среде их функция может быть двоякой. В частности, медь, как индуктор церулоплазмина, обеспечивающего защиту от воздействия продуктов ПОЛ, может выступать как антиоксидант и, в то же время, подобно Ni и Cr, способна индуцировать ПОЛ. Таким образом, эффект меди оказывается дозозависимым [7]. Аналогичная особенность выявлена для ионов железа [8].

В числе основных составляющих адаптационной функции организма можно выделить две разнонаправленные стороны окислительных процессов — продуцирование активных форм кислорода (АФК) и многокомпонентную систему антиокси-дантной защиты, включающей ферменты — супе-роксиддисмутазу, каталазу, пероксидазу и др., низкомолекулярные антиоксиданты (глутатион, цистин, цистеин и др.), специфические белки и пептиды — катализаторы СРО и, наконец, естественные антиоксиданты (витамины и их предшественники, химические элементы — селен, цинк и др.).

Антиоксидантная защита ориентирована на поддержание безопасного для организма уровня АФК. Воздействие неблагоприятных экзогенных факторов нарушает это равновесие, что, в конечном счете, способствует развитию окислительного стресса, осложнению течений многих заболеваний, формированию экопатологии.

Приведенные положения важны при гигиенической оценке антропогенных загрязнений, в том числе, тяжелыми металлами, поступающими в организм различными путями, при изучении их сочетанного воздействия с другими негативными факторами, а также для разработки способов диагностики и выбора мер медико-биологической профилактики нарушений АО и МЭ гомеостаза.

В развитие данного направления, с учетом необходимости расширения мониторинговых гигиенических исследований и совершенствования неинвазивной диагностики, наше внимание было сосредоточено на применении в качестве биосубстрата для оценки АО и МЭ статуса конденсата альвеолярной влаги (экспирата). Предпосылкой для его использования явилось установление в экспи-рате двух составляющих: неферментативной супе-роксидперехватывающей активности (СПА), одной из важнейших детерминант процесса ПОЛ, а также металлов на уровнях, достаточных для детектирования [5].

При разработке дополнительных критериев оценки функционального статуса организма проведено исследование некоторых закономерностей взаимосвязи показателей МЭ и АО баланса на основе корреляционного анализа между количественными уровнями металлов и показателями СРО в экспирате в норме и при воздействии загрязнений среды обитания тяжелыми металлами. При этом показателями СРО служили параметры СПА и хемилюминесценции (ХЛ).

МЕТОДИКА

Материалом исследований служили образцы безбелкового фильтрата сыворотки крови и экспирата, полученные у стандартизированных по возрастным, социально-экономическим, производственным признакам контингентов практически здоровых лиц, проживающих в районах, различных по степени эколого-гигиенического благополучия, оцениваемой в баллах по качественным и количественным показателям среды обитания: суммарному показателю загрязнения атмосферного воздуха (от 1,05 до 5,52), уровню загрязнения почв (0 — 18 баллов) и продуктов питания (0 — 27 баллов). Ведущими компонентами загрязнения наблюдаемых территорий являлись тяжелые металлы. Уровни загрязнения воздуха составили по меди и цинку 1,5—1,8ПДК, по никелю — до 12 ПДК. В почве, во многом определяющей каче-

ство продуктов питания и водных объектов, выявлены значительные содержания меди (13ПДК), цинка (до 6,5 ПДК), никеля (до 73 ПДК) и кобальта (до 6 ПДК). Содержание хрома в питьевой воде достигало уровня ПДК.

Общее число обследованных — 373 человека, из них мужчин — 184 человека, женщин репродуктивного возраста — 33, детей 5 — 6 лет — 109, школьников 8—10 лет — 47 человек. Численность групп составляла 12 — 25 человек.

Содержание в сыворотке крови и экспирате меди, железа, цинка, хрома, кобальта, никеля, т.е. элементов, наиболее тесно связанных с окислительными реакциями в организме, контролировали методом атомно-абсорбционного анализа с электротермальной атомизацией.

Уровень интенсивности радикалообразования (ИР) устанавливали по значению индуцированной люминолзависимой ХЛ в экспирате, величину СПА определяли фотометрическим способом, основанным на генерации супероксидного анион-радикала смесью феназин-метасульфата и НАДН, восстановлении нитросинего тетразолиевого с образованием синего формазана, с определением оптической плотности при 560 нм [1].

Основу окислительного статуса организма составляли данные об интенсивности радикалообра-зования (ИР), установленные ранее по полученным эмпирическим зависимостям с показателями ИР/СПА.

Кроме того, изучение кинетических закономерностей формирования индуцированной ХЛ экспи-

рата (рис. 1) позволило создать и применить новый продуктивный способ диагностики [4], включающий одновременное установление уровня радика-лообразования по максимальным показателям индуцированной и спонтанной ХЛ (индекс А = Имакс/Исп) и антиокислительной активности по временным показателям формирования ХЛ (индекс В = Т1/Т2). Критерием оценки антиокисли-тельного баланса служило отношение этих двух индексов К = В/А (табл. 1), при этом значения всех параметров, представленных на рисунке 1, имеют и самостоятельное значение для диагностики АОС.

Отношение двух составляющих СРО оценивали по одновременно реально полученным показателям интенсивности радикалообразования и емкости антиоксидантной защиты в изучаемой биосреде, что дает возможность динамической оценки в диагностических целях и мониторинговых исследованиях.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Сопоставление количественных показателей содержания ряда металлов в экспирате (табл. 2) и безбелковом фильтрате сыворотки крови у обследованных показало, что уровни цинка и меди в эк-спирате примерно на три порядка ниже, чем в сыворотке, железа — на два порядка, хрома и кобальта — в 10 раз, в то время как уровень никеля идентичен в обеих диагностических средах.

Анализ плотностей распределения значений соотношения элементов «цинк-медь», «никель — кобальт», «железо — хром» в экспирате, исходя из

Максимальный сигнал ХЛ

Исп / /

1 г

Спад сигнала ХЛ на половину максимального значения

Время

достижения

максимального

сигнала ХЛ

Время снижения максимального сигнала на половину

Время

Рис. 1. Формирование индуцированной ХЛ в экспирате.

положения о большей стабильности не абсолютных количественных значений, а именно, соотношений элементов, близких по химическим свойствам, позволил установить диапазоны наибольшей плотности распределения для соотношений «никель-кобальт» и «цинк-медь», составляющие интервал 1-10.

Множественный корреляционный анализ выявил общие закономерности взаимосвязи уровней МЭ и показателей СРО (табл. 3). Указанные особенности дают основание констатировать проявление антиоксидантных свойств железа, цинка и кобальта в экспирате и прооксидантных - хрома, меди и никеля на уровнях до 0,2 мкг/см3.

Индикатором воздействия комплекса тяжелых металлов среды обитания является изменение количественных параметров ряда элементов в биосредах организма, в частности и в экспирате. Так, в районе с суммарным индексом загрязнения 5,52 отмечается увеличение содержания меди в 1,61,8 раза у женщин и в 2-4 раза у детей, коррели-

рующее с усилением радикалообразования, что подтверждает прооксидантную роль меди. Одновременно отмечено и проявление прооксидантной роли хрома при трехкратном увеличении его содержания в экспирате.

В отношении свойств кобальта, относимого ранее к микроэлементам-коантиоксидантам, выявлена интересная закономерность: при увеличении его содержания в экспирате в пределах 13-14 % наблюдалось усиление радикалообразовательной функции (r = 0,949), т.е. проявление прооксидантной роли, однако, при дальнейшем возрастании содержания элемента свыше 35 % этой корреляции уже не отмечалось, что может указывать на дозозависимое участие кобальта в процессе антиоксидантной защиты, а также и вероятное включение в функционирование этой системы других элементов - железа и цинка, обладающих выраженными антиоксидантными свойствами, на что указывает высокая степень корреляции между кобальтом и железом (r = 0,802), кобальтом и цинком (r = 0,863).

Таблица 1

Шкала оценки антиоксидантного статуса организма человека по диагностическому критерию К

Диагностический критерий К = В/А Состояние антиоксидантного статуса организма человека

близок к 1,0 Стабильность АО-баланса (А = В).

от 0,5 до 1,8 Активизация прооксидантных процессов (А > В > 1). Недостаточная емкость антиоксидантной защиты (В < А < 1). Одновременные изменения обеих составляющих АО-баланса (В < 1 < А). Показания к включению в группу риска для коррекции отклонений.

менее 0,5 более 1,85 Высокая или низкая спонтанная ХЛ. Выраженные изменения АО статуса. Показания к углубленному медицинскому обследованию

Примечание: А - индекс активации радикалообразования; В - индекс кинетических показателей формирования индуцированной ХЛ.

Таблица 2

Содержание металлов в экспирате (нг/см3)

Элемент Средние уровни Интервал содержаний Число наблюдений

Медь 19,1 10-28 125

Железо 64 22-108 122

Цинк 71 52-93 121

Хром 7,5 0,8-0,9 121

Никель 25 14-38 114

Кобальт 7,9 3-15 121

Таблица 3

Уровни и направленность корреляционных связей (г) между содержанием металлов

и показателями СРО в экспирате

Металл Коэффициент корреляции с показателями СРО

ИР СПА

Железо Нет корреляции +0,705

Медь +0,982 Нет корреляции

Цинк -0,612 +0,563

Хром +0,564 Нет корреляции

Никель +0,580 Нет корреляции

Кобальт -0,560 +0,707

Отмеченные взаимосвязи дают возможность при оценке микроэлементного обмена опосредованно, через соотношения МЭ, для которых установлены физиологически нормальные диапазоны количественных уровней в экспирате, подойти и к оценке АОС. Исходя из установленной антиокси-дантной роли цинка и железа, с одной стороны и прооксидантной — меди и хрома с другой, возрастание коэффициента «цинк — медь» или «железо — цинк» свидетельствует о стабильности АОС: чем выше их показатели, тем устойчивее система анти-оксидантной защиты. Увеличение отношения «никель — кобальт», напротив, указывает на преимущественное протекание прооксидантных реакций.

Наблюдается отчетливая взаимосвязь между соотношением «цинк — медь» и интенсивностью радикалообразования (r = —0,993). Так, в загрязненном районе уровень соотношения Zn/Cu в эк-спирате снижен у 70 % женщин репродуктивного возраста и у 90 % детей 5—7 лет по сравнению с незагрязненным. В диагностическом плане это означает, помимо изменений в обмене МЭ, снижение уровня антирадикальной защиты. Сделанный вывод подтверждается данными по состоянию СРО: по сравнению с уровнями в незагрязненном районе интенсивность радикалообразования возрастает в 3,3 раза у женщин и в 4,3 раза у детей, в то время как уровень СПА снижается на 35 % у женщин и до 40 % у детей.

Проведенные исследования позволили констатировать меньшие адаптационные возможности взрослого и, в особенности, детского населения в условиях многокомпонентного загрязнения среды обитания, выделить группы риска с целью проведения своевременных лечебно-профилактических мероприятий по мобилизации резервов организма. Таким образом, количественные показатели соотношения МЭ могут служить дополнительным критерием для оценки состояния АОС, в целях выявления отклонений в состоянии здоровья населения и принятия своевременных мер по их коррекции.

Поскольку в формировании АО статуса участвуют как процессы радикалообразования, так и антирадикальной защиты, то проблема его стабилизации может быть решена различными путями. Применение антиоксидантов широкого профиля позволяет снизить уровень радикалообразования, однако, в очень незначительной степени влияет на СПА как многокомпонентную функциональную систему, в то же время полноценное питание является одним из наиболее действенных путей повышения антирадикальной активности, обладающих и более устойчивым по действию эффектом [6]. Наиболее адекватные способы коррекции антиоксидантного баланса включают достижение сбалансированности микроэлементного состава внутренней среды организма, тесно связанного с состоянием свободнорадикального окисления, путем анти-оксидантно-нутриционной поддержки организма.

Вопрос о глубине изменений АО-баланса и их прогнозе может быть рассмотрен на основе статистического анализа большого массива натурных

данных по показателям А и В и коэффициенту К (рис. 1). Так, плотность значений А в целом укладывается в диапазон 0,6—1,85 при медиане 1,08, значения В составляют диапазон 0,73—1,33 (медиана 1,1), граничные значения для К — 0,55 — 1,82. Выход показателя А за верхнюю границу (1,85) или снижение В ниже уровня 0,6, отмеченные в 24 % лабораторных наблюдений, свидетельствуют о необходимости рекомендаций по углубленному медицинскому обследованию. Высокие значения А (более 1,85) обусловлены, как правило, низкой спонтанной ХЛ, характерной для протекания хронических процессов. Низкие значение А (менее 0,6) связаны, в основном, с высокой спонтанной ХЛ, которая формируется при острых процессах, а также устойчивых высоких эмоциональных нагрузках.

Различия показателей СРО внутри корректно сформированной представительной экспозиционной группы, отмеченное неподчинение показателей интенсивности радикалообразования закону нормального распределения нуждалось в объяснении, которое было найдено при установлении того факта, что 30 % обследованных характеризуются высокими или, напротив, низкими значениями спонтанной ХЛ экспирата. Это подтверждали и литературные данные последних лет [9] о наличии двух субпопуляций человека с различающимися ок-сидантными фенотипами, а именно, с наследственно обусловленными особенностями протекания про- и антиоксидантных реакций. Не исключалось, что показатели спонтанной ХЛ могут формироваться под воздействием факторов среды обитания.

Установлено, что у пациентов с подобными «нестандартными» величинами спонтанной ХЛ имелись неадекватные реакции на курс антиоксидантных препаратов, поскольку они снижают оксидантный статус в область низких значений у лиц с высокими СР показателями и способны увеличить риск окси-дантного повреждения хромосом у лиц с низким исходным уровнем. Можно говорить об определенной опасности сочетания низких фоновых СР показателей и прооксидантной нагрузки на организм.

Данный факт еще раз подчеркивает важность нахождения путей выделения и количественного учета показателя спонтанной ХЛ. Ретроспективный анализ данных о формировании уровней антиокси-дантной защиты у населения ряда промышленных регионов страны за последние 10 лет показывает отрицательную динамику показателей у наиболее уязвимых групп, и, прежде всего, у детей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В целом, вновь предложенные способы диагностики дополняют систему лабораторного контроля при проведении скрининговых и мониторинговых клинико-гигиенических обследований различных контингентов населения в целью установления причинно-следственных связей между загрязнением окружающей среды и нарушением здоровья. Разработанные критериальные показатели состояния окислительного статуса организма являются основой при формировании групп

риска для разработки и реализации комплекса этиопатогенетически обоснованных профилактических и лечебных мероприятий, а также оценки их эффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляева Н.В. Ингибирование свободнорадикального окисления липидов в механизмах срочной и долговременной адаптации к стрессу /

Н.В. Гуляева // Биол. Наука. — 1989. — №4. —

С. 5—14.

2. Свободные радикалы в живых системах / Ю.А. Владимиров, О.А. Азизова, О.А. Деев и др. / / ВИНИТИ АН СССР. Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. — М., 1991. — Т. 29. — 252 с.

3. Скальный А.В. Радиация, микроэлементы, антиоксиданты и иммунитет (микроэлементы и антиоксиданты в восстановлении здоровья ликвидаторов аварии на ЧАЭС) / А.В. Скальный, А.В. Кудрин. — М., 2000. — 421 с.

4. Способ оценки антиокислительного баланса организма человека. Патент Российской Федерации на изобретение № 2206891 от 20 июня 2003 г.

5. Юдина Т.В. Показатели антиоксидантного статуса в проблеме донозологической диагности-

ки / Т.В. Юдина, В.Н. Ракитский, М.В. Егорова // Гигиена и санитария. — 2001. — №5. — С. 61—62.

6. Юдина Т.В. Медико-биологические проблемы взаимосвязи качества продуктов питания и состояния свободнорадикального окисления в организме / Т.В. Юдина, А.Д. Цикуниб, А.В. Истомин и др. // Вопросы питания. — 2000. — Т. 69. — № 5. - С. 28-31.

7. Bremner I. Copper and Zinc metabolism in health and disease: speciation and interactins /

I. Bremner, J.H. Beatic // Proc. Nutr. Soc. — 1995. — Vol. 54. — P. 489 — 499.

8. Marklund S.L. Role of toxic effects of oxigen in reperfusion damage / S.L. Marklund // J. Mol. Cell. Cardiol. — 1988. — Vol. 20, Suppl. 2. — P. 23 — 30.

9. Revazova J.A. Antioxidative status and genetic damage / J.A. Revazova, L.V. Khripach, F.I. Ingel // European Journal of Genetic Toxicology. — August 2000. — P. 1 — 15.

10. Slater T.F. Free radicals disturbances and tissue damage cause or consequence / T.F. Slater // Free Radicals Methodology and Concepts.-Rishelieu Press. London. — 1988. — P. 17 — 29.

11. Sunderman F.W. Metals and lipid peroxidation / F.W. Sunderman // Acta Pharmacol. Toxicol. — 1986. — Vol. 59, Suppl. 7. — P. 248 — 255.