CC BY
58
© Коллектив авторов, 2010 УДК 591.132:546.3:641.17
СУММАРНОЕ МНОГОСРЕДОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СОСТОЯНИЕ ОРГАНОВ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ
М.Г. Гевандова, А.Б. Ходжаян, В.С. Боташева, Л.А. Краснова, Н.Н. Федоренко, К.С. Эльбекьян, Г.И. Болдырева
Ставропольская государственная медицинская академия
Состояние окружающей человека среды из года в год или ухудшается, или остается стабильно плохим. Существенное значение в этом имеет загрязнение воздушного и водного пространства химическими веществами, ранее в них отсутствовавшими или имеющими очень низкую концентрацию. И в том, и в другом случае отсутствуют механизмы утилизации или нейтрализации этих веществ либо они недостаточно эффективны. Большинство чужеродных химических факторов при длительном воздействии даже в низких концентрациях (проблема малых доз) проявляет выраженную биологическую активность, атипичную для обмена веществ организма человека. Эти химические агенты содержатся в разных средах и, поступая в организм одномоментно разными путями, оказывают на него совместное действие. Многосредовой принцип воздействия загрязнителей среды на организм человека требует комплексной оценки результатов. Среди тысяч ксенобиотиков, проникающих и длительно удерживающихся в окружающей среде, одно из первых мест принадлежит тяжелым металлам.
На данном этапе оценки экологической обстановки в г Ставрополе использовались данные проб атмосферного воздуха и питьевой воды (1990-2003гг, регистрационные документы СЭС) на содержание тяжелых металлов (Сг, Мп, N1, РЬ, Fe, Си, Zn) с целью приготов-
Гевандова Маргарита Грантиковна, кандидат медицинских наук, ассистент кафедры биологии с экологией СтГМА, тел.: (8652)353442, e-mail: [email protected].
Ходжаян Анна Борисовна, доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой биологии с экологией СтГМА,
тел.: (8652)353442, e-mail: [email protected].
Боташева Валентина Салиховна, доктор медицинских наук, профессор, заведующая кафедрой патологической анатомии СтГМА, тел.: 89097590946.
Краснова Лариса Александровна, кандидат медицинских наук,
доцент кафедры биологии с экологией СтГМА,
тел.: (8652)353442, e-mail: [email protected].
Федоренко Нелли Никитична, кандидат медицинских наук, доцент кафедры биологии с экологией СтГМА, тел.: (8652)353442, e-mail: [email protected].
Эльбекьян Карина Сергеевна, доктор медицинских наук, профессор кафедры общей и органической химии СтГМА, тел.: 89624007045 e-mail: [email protected].
Болдырева Галина Ивановна, ассистент кафедры биологии с экологией СтГМА,
тел.: (8652)353442, e-mail: [email protected].
ления растворов модельных смесей их солей, в которых концентрация металлов (в пересчете на атомы) эквивалентна количеству в указанных средах. В бактериальных тестах (люминесцентный бактериальный, тест Эймса) показана токсичность и мутагенность этих смесей для прокариот [2]. В экспериментах с млекопитающими (белые беспородные крысы и мыши) обнаружена способность смесей солей металлов вызывать мутагенный эффект в соматических клетках (эпителий роговицы, клетки костного мозга) и гаметах (тест доминантных летальных мутаций) [2,4], а также угнетать защитные силы организма [7]. При сопоставлении клинико-эпидемиологических показателей здоровья беременных женщин и детей с мутагенными и токси-когенными эффектами исследуемых солей тяжелых металлов (методы математического моделирования) обнаружена корреляция эффектов в соматических и генеративных клетках с врожденными пороками развития и гипоксией плода [4]. Немаловажным показателем токсического влияния любых ксенобиотиков, в том числе тяжелых металлов, является патоморфологическое исследование органов экспериментальных животных, подвергавшихся воздействию модельных смесей их солей.
Материал и методы. Эксперимент проводился на 4-х группах беспородных белых крыс весом 180-210 г - по 10 животных в группе. В 1-й группе животных внутрижелудочно вводилась модельная смесь солей тяжелых металлов, в концентрации, эквивалентной содержанию в питьевой воде. Во 2-й -внутрибрюшинно вводилась подобная смесь с концентрацией металлов эквивалентной содержанию в атмосферном воздухе. Третья группа подверглась комплексному воздействию концентрациями смесей, эквивалентными содержанию соответствующих металлов в атмосферном воздухе и питьевой воде. Четвертая группа - контрольная, животным этой группы в тех же режимах вводилась дистиллированная вода. Забой животных в каждой группе осуществлялся на 1, 10 сутки, через один и шесть месяцев введения модельной смеси.
В модельную смесь входили следующие соли тяжелых металлов: К2Сг207; МпС!-4Н20; NiSO.; РЬС.Н„0.:
2 2 7 2 2 ’ 4’ 4 6 4'
FeSO4■7H2O; CuSO4■5H2O; ZnSO4 . Содержание этих солей4 в с2месях, им4итир2ующих ко4нцентрацию в питьевой воде г. Ставрополя, рассчитывалось по формуле С = С х К х К, где К - м.в. соли/м.в. метал-
модельн питьев 1 2’ м 1 '
ла, К2 - степень предполагаемой концентрации проб питье2вой воды. Содержание металлов в питьевой воде г. Ставрополя учитывалось по годам (1998-2001 документы СЭС) и было достаточно благополучным - по большинству металлов не превышало ПДК. В качестве
исходной концентрации ионов тяжелых металлов были взяты наибольшие значения из обнаруженных в эти годы.
Так как некоторые ионы используемых солей в растворе могут взаимодействовать, для перорального введения готовили 4 смеси и вводили их с интервалом в 30 минут: 1) К2Сг207; 2) FeSO4■7H2O, ZnS04■7H20, Си50у5Н20, ^50-7Н20; 3) МпС12, А1С13; 4) РЬС4Н604.
42’ 4 2 ’ ' 2’ 3’ ' 464
В качестве базовой дозы для однократного введения использовали дозу, соответствующую месячному потреблению человеком исследуемых ионов с водопроводной водой (в сутки 2 л Н2О, за месяц - 60 л). Для определения доз, вводимых животным, был использован коэффициент пересчета на крыс: при однократном введении - 1 мл на 200 г веса [1].
При приготовлении растворов для внутрибрю-шинного введения крысам исходили из содержания соответствующих металлов в атмосферном воздухе (данные городского центра гидрометеорологии за 1998-2001 гг.), количество которых в атмосфере г Ставрополя превышало ПДК в 5-276 раз по разным металлам. Содержание веществ в каждом образце смеси равнялось их содержанию в 15 м3 воздуха в соответствующий год. Объем каждого образца доводили до 25 мл, однократное введение соответствовало 1 мл смеси на 200 г массы тела.
В процессе введения модельных смесей животных взвешивали. После завершения введения производили декапитацию, извлекали печень, поджелудочную железу, желудок и кишечник. Печень взвешивали, все органы фиксировали в 10% нейтральном формалине. Готовили парафиновые срезы, окрашивали гематоксилином и эозином.
Результаты и обсуждение. Микроскопическое исследование приготовленных срезов свидетельствует о реагировании исследуемых органов на вводимую смесь.
Желудок. В первые сутки после введения модельной смеси изменения в стенке желудка у животных всех групп были однотипными - в подслизистом слое умеренно выраженный отек, полнокровие сосудов, периваскулярный отек. Через 10 дней специфические отличия в изменении слизистой между всеми экспериментальными группами отсутствовали: появлялись дистрофические изменения железистого эпителия, десквамация эпителия, повышенное слизеобразова-ние, расширение желудочных желез. Через 1 месяц введения отличия проявлялись в усилении предшествующей картины у животных 2-й и 3-й групп: нарастали дистрофические изменения в значительной части однослойного призматического эпителия, обнаруживались участки десквамации с оголением подлежащей стромы. Дистрофические изменения определялись и в железистом эпителии. Параллельно отмечалась пролиферация камбиальных клеток. Через 6 месяцев, если у животных первой группы имели место только очаговые дистрофические изменения с наличием клеток, имеющих признаки атрофии, то во второй и третьей группах эти изменения были более выражены - дистрофические изменения в стенке желудка сохранялись, развивалась очаговая атрофия слизистой оболочки; в других участках происходило утолщение эпителиальных клеток, в строме появлялись очаги огрубения.
Кишечник. В первой группе животных стенка тонкого и толстого кишечника в большинстве случаев и во все сроки забора биопсийного материала сохра-
няла нормальное строение. Во второй группе при увеличении вводимой дозы патоморфологическая картина ухудшалась во все сроки исследования: через сутки определялись умеренный отек, полнокровие сосудов, стазы, красные тромбы в просвете вен, периваскулярные диапедезные кровоизлияния; через 10 суток присоединялись дистрофические изменения в части эпителиальных клеток, высокий цилиндрический эпителий ворсинок местами был десквамирован, строма слизистой диффузно инфильтрирована лимфоцитами с примесью плазматических клеток, макрофагов; через месяц снижалась интенсивность сосудистых изменений, но увеличивалось количество энтероцитов с дистрофическими изменениями, происходило оголение стромы ворсинок; количество бокаловидных клеток было увеличено, повышалось слизеобразование, очаговые лимфоцитарные инфильтраты встречались в мышечной пластинке слизистой оболочки. Спустя 6 месяцев дистрофические нарушения энтероцитов усугублялись, обнаруживались признаки очаговой атрофии слизистой; в собственно мышечной пластинке определялись воспалительные инфильтраты, в подслизистом слое - очаговые воспалительные инфильтраты и участки склероза в результате разрастания соединительной ткани.
В третьей группе животных, подвергшихся комплексному воздействию модельных смесей, характер нарушений не изменился, однако интенсивность дистрофических и атрофических нарушений в слизистой оболочке возросла, особенно через 6 месяцев воздействия; в подслизистом слое обнаруживались очаги фиброза.
Печень. В первые сутки после введения модельной смеси независимо от способа введения и воздействующей дозы изменения в печени были достаточно однотипны: умеренные сосудистые нарушения в виде полнокровия синусоидов, междольковых сосудов, пе-рисинусоидальный отек. Однако в третьей группе животных уже через сутки наблюдалась умеренно выраженная белковая дистрофия по типу вакуольной.
Через 10 суток в печени экспериментальных животных 1 группы обнаруживались признаки цитотоксиче-ских изменений (участки с признаками гидропической дистрофии, единичные гепатоциты с крупнокапельной жировой дистрофией). Во 2 группе дистрофические изменения гепатоцитов были выражены в виде белковой, жировой и пигментной дистрофии, встречались единичные гепатоциты с баллонной дистрофией. В 3-й группе отмечен более выраженный отек перисинусои-дальных пространств, в гепатоцитах отмечено усиление дистрофических изменений, в строме - мелкоочаговые лимфоцитарные инфильтраты.
Через месяц от начала эксперимента дистрофические изменения нарастали. В 1 группе животных дистрофически измененные гепатоциты располагались по всей поверхности среза, во 2-й встречались гепа-тоциты с эозинофильной дегенерацией, кое-где определялись очажки некроза (центролобулярного или уницеллюлярно-фокального характера), единичные холестазы. В 3-й группе отмечено сочетание диффузной белковой дистрофии с крупнокапельной жировой и пигментной, в цитоплазме гепатоцитов встречались ацидофильные тельца, уницеллюлярный некроз. Во всех группах, помимо цитотоксических, выявлялись адаптационные изменения - двуядерные и более крупные гепатоциты. Во 2-й и 3-й группах животных
в междольковой соединительной ткани наблюдалась пролиферация фибробластов.
Спустя 6 месяцев после введения модельной смеси в гепатоцитах экспериментальных животных всех групп присутствовали изменения цитотокси-ческого и адаптационного характера. В соединительнотканной строме печени животных первой группы определялись инфильтраты из лимфоцитов и эозинофилов, очаги фиброза по ходу портальных трактов, у животных второй и третьей групп - дистрофия, уницеллюлярный некроз, перипортальный фиброз.
Поджелудочная железа. Шестимесячное введение экспериментальным животным модельной смеси солей тяжелых металлов привело к развитию во всех группах признаков хронического панкреатита. В первой группе это проявлялось начальными признаками в виде участков разрастания соединительной ткани, очаговых воспалительных инфильтратов из лимфоцитов с примесью плазматических клеток и макрофагов, атрофическими и дистрофическими изменениями в эпителии ацинусов, во второй группе более выраженные изменения распространялись на значительную часть железы, у животных третьей группы развивалась классическая картина диффузного хронического панкреатита.
Изменения в поджелудочной железе имели однотипный характер во всех исследуемых группах: в первые сутки определялся отек стромы и полнокровие сосудов, на десятые сутки - дистрофические изменения, которые нарастали от первой группы к третьей. В третьей группе животных к дистрофическим изменениям добавлялись некробиотические. Спустя месяц изменения в поджелудочной железе наиболее заметно усиливались у животных второй группы, при этом определялось уменьшение эндокринных островков, в которых ранее видимых изменений не наблюдалось.
Сравнительный анализ выявленных морфологических изменений в органах крыс показал, что во всех группах животных наблюдалось общетоксическое действие испытуемых смесей. Это проявлялось такими патологическими реакциями, как дисцирку-ляторные расстройства, дистрофические, воспалительные, атрофические и склеротические изменения. Морфологические исследования в динамике позволили проследить последовательность патологических и репаративных процессов в органах системы пищеварения в зависимости от длительности воздействия полиметаллических смесей и прийти к заключению, что в возникновении нарушений их структуры основная роль принадлежит не путям введения испытуемых веществ, а дозе и кумуляции, что связано со сроками поступления веществ в организм экспериментальных животных.
Развивающиеся при этом патологические изменения внутренних органов относительно стереотипны, различия заключаются в их тяжести и распространенности. Наименее выраженные патологические отклонения наблюдались у животных первой группы, которым внутрижелудочно вводилась смесь солей металлов, характеризующая загрязнение питьевой воды г. Ставрополя, где суммарное превышение ПДК по содержанию анализируемых тяжелых металлов было относительно небольшим и колебалось от 1,47 раза - в 1998 году до 2,65 - в 2001 году. Состояние органов существенно ухудшалось у животных второй группы,
получавших внутрибрюшинно модельную смесь солей тяжелых металлов, имитирующих содержание самих металлов в атмосферном воздухе г. Ставрополя с суммарным превышением ПДК от 689 в 1998 г. до 389 - в 2001. Наиболее грубые повреждения гистологических структур исследуемых органов определялись у животных третьей группы, получавших максимально высокие концентрации тяжелых металлов, моделирующих суммарное содержание их в атмосфере и питьевой воде.
В желудке и кишечнике подопытных животных первой группы возникающие изменения были обратимы, несмотря на непосредственный контакт модельной смеси солей тяжелых металлов со слизистой оболочкой органов. Во второй и особенно в третьей группе изменения становились необратимыми, распространялись на всю стенку, определялись морфологические признаки хронического гастрита и энтероколита. В печени животных первой группы обнаруживались цито-токсические изменения, которые во второй и третьей группах усиливались вплоть до некроза гепатоцитов. Длительное введение смесей позволило выявить и регенеративно-адаптационные процессы в виде появления крупных двуядерных гепатоцитов. Печень - это единственный орган экспериментальных животных, масса которого достоверно возросла во всех группах животных и во всех точках эксперимента - максимально через 10 и 30 дней введения модельной смеси солей тяжелых металлов (от 26,6±0,2 г в контроле до 33,3±0,4 г в опыте), минимально через 6 месяцев ведения (от 24,86±0,23 г до 27,7±0,49 г), что свидетельствует об активности процессов детоксикации и адаптации, наряду с повреждением гистологических структур.
Поджелудочная железа оказалась достаточно уязвимой мишенью для вводимой полиметаллической смеси, так как патоморфологически признаки хронического панкреатита разной степени тяжести обнаруживались во всех экспериментальных группах животных.
Полученные в эксперименте результаты могут быть, с определенной степенью вероятности, экстраполированы на популяцию людей, проживающих в г. Ставрополе - в условиях относительного экологического неблагополучия по содержанию в воздухе и питьевой воде тяжелых металлов.
Если учесть, что воздействие неблагоприятных факторов внешней среды может вести не только к появлению новых болезней, но также сопровождаться ростом общей заболеваемости [6] и ухудшением течения уже известных заболеваний, то вполне вероятно, что предшествующие изменения в органах, в том числе системы пищеварения, в условиях постоянного действия этих факторов на организм человека могут стать основой для частого развития соответствующих заболеваний.
Подобное предположение иллюстрируется распространенностью заболеваний органов пищеварения среди населения г. Ставрополя и контрольного Апана-сенковского района Ставропольского края (табл.), где качество питьевой воды и атмосферного воздуха достоверно лучше, чем в г. Ставрополе.
Результаты эпидемиолого-статистического анализа распространенности заболеваний органов системы пищеварения обнаруживают определенные совпадения с предположением о возможной роли поступающих в организм ионов тяжелых металлов в фор-
Таблица
Распространенность заболеваний среди населения г. Ставрополя (С) и Апанасенковского района (А) (средние данные за 3 года - с 2000 по 2002 г. - на 100 тыс. населения)
Классы по МКБ 0-14 лет 15-17 лет Взрослое население
Болезни органов пищеварения (всего) С 5347,6±95,8 5841,9±186,6 6372,0±47,3
А 2393,0±180,1 3429,7±397,1 6341,7±146,96
Р <0,01 <0,01 >0,05
- язва желудка и двенадцатиперстной кишки С 48,7±9,4 149,9±30,8 1194,6±21,0
А 12,5±13,2 50,0±48,8 1257,9±67,2
Р <0,05 >0,05 >0,05
- гастриты, дуодениты С 1760,9±56,0 2370,8±121,0 1990,1±27,0
А 1387,9±137,9 2066,9±310,5 2071,5±85,9
Р <0,05 >0,05 >0,05
- неинфекционные колиты и энтериты С 64,7±10,8 52,6±18,2 479,6±13,4
А 41,1±23,9 100,0±68,97 180,7±25,6
Р >0,05 >0,05 <0,01
- болезни желчного пузыря С 841,7±38,9 1144,6±84,6 1439,9±23,1
А 808,2±105,5 847,6±200,0 1249,7±66,98
Р >0,05 >0,05 <0,05
- болезни поджелудочной железы С 12,6±4,8 43,0±16,5 652,4±15,6
А 54,8±27,9 50,0±48,8 158,5±23,9
Р >0,05 >0,05 <0,01
мировании заболеваний тех органов, патологические изменения в которых изучались в эксперименте.
Организм ребенка в силу незрелости защитноприспособительных механизмов более чувствителен к действию токсикантов - особенно при комплексной антропогенной нагрузке. Кроме того, у детей отсутствуют сопутствующие заболевания, дети наиболее адекватно отражают качество окружающей среды локального района в связи с тем, что редко перемещаются за его пределы [6]. Все это позволяет именно у детей обнаружить зависимость состояния здоровья от действия химических загрязнителей, в частности, воздуха и питьевой воды.
Частота гастритов, дуоденитов, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, болезней желчного пузыря среди детского населения г. Ставрополя достоверно выше, чем у детей, проживающих в экологически более благополучных районах. В отношении неспецифических энтеритов, колитов, болезней поджелудочной железы - зависимость обратная [5].
Формирование патологии, даже начавшееся на ранних этапах жизни при воздействии ксенобиотиков, на каждом последующем этапе онтогенеза претерпевает закономерные изменения в соответствии с условиями жизни. У взрослого населения в городе возросла частота неспецифических энтеритов, колитов, заболеваний поджелудочной железы и уменьшилась частота заболеваний первой группы (верхних отделов пищеварительного тракта).
В пользу предположения о зависимости распространенности указанных заболеваний среди детей г. Ставрополя от содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе и питьевой воде могут свидетельствовать результаты атомно-абсорбционного анализа ми-кроэлементного состава волос и слюны детей одного из районов края, показавшие увеличение свинца в 1,86 раза, а меди - в 1,82, хрома - в 1,43 раза по сравнению с контролем; превышение было зафиксировано и при сравнении этих данных с фоновыми показателями по Российской Федерации [5].
Заключение. Изложенные факты еще раз подтверждают существенный вклад санитарногигиенического неблагополучия в ухудшение здоровья населения.
Литература
1. Арзамасцев, Е.В. Руководство по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ / Е.В. Арзамасцев, Т.А. Гуськов, Ч.В. Березовская. - М.: Медицина, 2000. - С. 18-21.
2. Гевандова, М.Г. Гигиеническая оценка токсико-генетических эффектов суммарного воздействия солей тяжелых металлов в условиях моделирования экологической ситуации г Ставрополя: Дисс. ... канд. мед. наук / М.Г. Гевандова. - Ставрополь, 2004. -203 с.
3. Голиков, С.Н. Общие механизмы токсического действия / С.Н. Голиков, И.В. Саноцкий, Л.А. Тиунов. - Л.: Медицина, 1986. - 276 с.
4. Ходжаян, А.Б. Проблема влияния антропогенных факторов среды обитания на здоровье беременных и детей: Дисс. ... докт. мед. наук / А.Б. Ходжаян. - Москва, 1999. - 214 с.
5. Ходжаян, А.Б. Эпидемиологическая оценка иммунного статуса детей как основа профилактики нарушения здоровья / А.Б. Ходжаян, К.С. Эльбекьян, М.Г. Гевандова // Материалы межрегиональной конференции. - Ставрополь, 2004. - С. 28.
6. Экологические и гигиенические проблемы здоровья детей и подростков / Под редакцией
А. Баранова, Л.А. Щеплягиной. - М. Информа-тик, 1998. - 330 с.
7. Эльбекьян, К.С. Токсико-генетическая оценка суммарного действия солей тяжелых металлов в условиях моделирования экологической ситуации г. Ставрополя / К.С. Эльбекьян, М.Г. Гевандова. - Ставрополь, 2004. - С. 97-104.
СУММАРНОЕ МНОГОСРЕДОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СОСТОЯНИЕ ОРГАНОВ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ
М.Г. ГЕВАНДОВА, А.Б. ХОДЖАЯН,
В.С. БОТАШЕВА, Л.А. КРАСНОВА,
Н.Н. ФЕДОРЕНКО, К.С. ЭЛЬБЕКЬЯН,
Г.И. БОЛДЫРЕВА
Воздух и питьевая вода городов содержат химические загрязнители, которые чужеродны для организма и являются экзогенными вредностями. Постоянное поступление их в организм человека приводит к патологическим изменениям в различных органах и развитию новых «экологических» болезней или изменению и ухудшению клинической картины уже известных заболеваний.
Повреждающий эффект со стороны органов пищеварительной системы вызвали соли тяжелых металлов, вводимые экспериментальным животным в концентрации, эквивалентной их содержанию в атмосферном воздухе и питьевой воде г Ставрополя.
Ключевые слова: тяжелые металлы, токсическое действие, пищеварительная система
INTEGRATED MULTIENVIRONMENTAL INFLUENCE OF THE HARD METALS SALTS ON THE STATE OF DIGESTION SYSTEM ORGANS OF THE EXPERIMENTAL ANIMALS
GEVANDOVA M.G., KHODZAYAN A.B., BOTASHEVA V. S., KRASNOVA L.A.,
FEDORENKO N.N., ELBEKYAN K.S.,
BOLDYREVA G.I.
City air and drinking water contain chemical health hazards. Constant exposition to the health hazards leads to the internal damage, exacerbation of the existing pathology or to the development of the new “ecological" diseases.
High-density metals salts introduced into the experimental animals in concentrations equal to its contents in the air and drinking water of Stavropol region caused the damage of the digestion organs.
Key words: high-density metals, toxic effect, digestive system
