CC BY
82
УДК [612.015.31+611.71] : 613.6.027 © Е.Р. Фаршатова, И.А. Меньшикова, Ф.Х. Камилов, 2014
Е.Р. Фаршатова, И.А. Меньшикова, Ф.Х. Камилов ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛОВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В МЕДНО-ЦИНКОВЫХ КОЛЧЕДАННЫХ РУДАХ, НА МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ
ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа
В эксперименте при трехмесячном внутрижелудочном введении суспензии порошка медно-серной колчеданной руды из расчета 60 мг/100г массы показано, что в костной ткани (трубчатые кости) повышается содержание высокотоксичных элементов (кадмий, свинец, ртуть и другие). В результате происходят снижение содержания и биогенеза костных коллаге-новых белков, усиление их катаболизма.
Ключевые слова: костная ткань, медно-цинковая колчеданная руда, коллаген, метаболизм, ремоделирование.
E.R. Farshatova, I.A. Menshikova, F.Kh. Kamilov EFFECT OF METALS IN COPPER-ZINC SULPHIDE ORES ON BONE METABOLISM
The experiment with a three-month suspension of powder intragastric copper pyrite ore at the rate of 60 mg/100 g weight showed that the content of highly toxic elements (cadmium, lead, mercury and other metals) in bone tissue (bones) increases. The result was the reduction of bone collagen protein concentration and biogenesis, enhancing their catabolism.
Key words: bone tissue, copper-zinc pyrite ore, collagen, metabolism, remodeling.
Влияние тяжелых и токсических металлов, распространенность которых наблюдается в регионах, связанных с воздействием горнорудной и металлургической промышленности, на метаболизм, физиологические процессы и функционирование отдельных органов и тканей обращают особое внимание, поскольку некоторые из них даже в следовых количествах вызывают тяжелые последствия [7]. Профессиональному контакту с токсичными элементами подвергаются рабочие промышленных предприятий по добыче и обогащению руды цветных металлов. Ранее проведенные исследования горняков ОАО «Учалин-ский горно-обогатительный комбинат», добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, показали, что у 65,8% обнаруживается снижение костной прочности, отражающее остеотоксический эффект ее компонентов. При этом частота выявления резкого снижения прочности кости у горняков увеличилась с удлинением стажа работы в условиях подземной добычи руды [2]. Содержание биохимического маркера костной резорбции в плазме крови у рабочих со сниженной костной прочностью значительно возрастала, а уровень показателя интенсивности остеогенеза изменялся незначительно [5].
Целью настоящего исследования явилась оценка влияния компонентов медно-цинковой колчеданной руды на обмен костной ткани в эксперименте.
Материал и методы
Эксперименты проведены на 68 белых половозрелых крысах. Для характеристики действия компонентов медно-цинковой колчеданной руды на обмен костной ткани была
выбрана модель ежедневного дозированного внутрижелудочного введения суспензии измельченного до мельчайшего порошка руды в 2% растворе крахмала в течение трех месяцев из расчета 60 мг на 100 г массы животного. Вводимую дозу руды рассчитывали исходя из минимальной токсичной дозы меди, составляющей для крыс 2,11 мг на 100 г массы [7], и среднего ее содержания в руде 3,5%.
У животных в костной ткани (трубчатые кости) было исследовано содержание следующих элементов: Zn,Cu,Fe, Mg, Mn, Cd, Hg, Pb, Sr и Сг.Часть элементов (Fe, Mg, Mn, Hg, Sr и Cr) определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (прибор «Varion»), другую часть (Zn,Cu, Cd, Pb) - методом вольтамперометриче-ского анализа ( анализатор «Экотест-ВА»).
Для характеристики состояния обмена костной ткани проводили исследования в плазме крови уровень С-концевых телопепти-дов коллагена типа I (реагенты «P-Serum Cross Laps ELISA»), активность костной щелочной фосфатазы (реагенты «Metra BAF EIA kit»), содержание в костях свободного (СО) и белковосвязанного (БСО) оксипролина, гли-козаминогликанов (ГАГ) [3], интенсивность включения в белки костной ткани радиоактивного [14С] - пролина и [14С] - тирозина.
Иммуноферментный анализ проводили с использованием автоматического анализатора «Униплан», уровень радиоактивности белков измеряли на установке «Бета-2» с использование сцинтиляционной жидкости.
Математическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ Statis-tica 6,0 с использованием параметрических и непараметрических методов.
Результаты и обсуждение качестве сопутствующих компонентов в ней
Медно-цинковая колчеданная руда (Уча- присутствуют ртуть, хром, железо, стронций, линское месторождение) содержит меди - 3,5%, марганец, серебро и другие элементы. При по-цинка - 5%, серы - 15-45%, мышьяка - 0,1- ступлении в организм некоторые из них накап-3,0%, свинца - 0,1-0,3%, кадмия - 0,06-0,12%. В ливаются в костной ткани (табл. 1).
Таблица 1
Концентрация некоторых элементов в трубчатых костях крыс при введении суспензии порошка руды (мг/кг сухой массы; среднее из объединения костной ткани от 5 особей)
Группа животных элемент
Mg Мп Бе 8г Сг гп Си са РЬ
Контрольная 33138 0,6 112,0 333,4 33,64 225,3 00,21 следы 00,61 0,0008
Подопытная (3 месяца) 22237 11,4 331,9 556,3 44,08 1109,7 99,66 0,0,24 111,9 0,0045
После ежедневного внутрижелудочного введения порошка руды в течение трех месяцев в трубчатых костях подопытной группы животных концентрация железа и марганца увеличивается более 2-х раз, ртути и цинка -более 4-5 раз, меди и свинца - более 10 раз, уровень хрома и стронция увеличивается в меньшей степени, а магния снижается.
Большинство из исследованных элементов при избыточном поступлении оказывают негативное влияние на метаболизм костной ткани. Так 8г, РЬ, Mg встраиваются в кристаллическую решетку гидроксиапатита и вызывают ее нарушение, существенно снижая прочность костной ткани. Стронций при поступлении в избыточных количествах тормозит формирование костной ткани, изменяя фосфорно-кальциевые соотношения и вызывая рахитоподобные сдвиги («уровская болезнь») [4,6]. Свинец, являясь политропным ядом, блокирует действие тиоловых соединений, взаимодействует с карбоксильными и фосфатными группами белков, ингибирует остеобластогенез [1,4,8,9]. Накопление кадмия нарушает обмен кальция, ингибирует остеобластогенез, поражает почки, гонады и опосредованно может привести к развитию остеопоротических процессов и остеомаляции [1,8,11]. Увеличение концентрации таких металлов переменной валентности, как железо,
медь, марганец, может привести к активации свободнорадикальных процессов и развитию окислительного стресса. Избыточное поступление молибдена сопровождается задержкой роста костей, нарушением обмена фосфора и меди [7]. Особо высокой токсичностью обладает ртуть. Блокируя биосинтетические процессы, активность значительной группы ферментов субклеточных структур (митохондрий, лизосом, микросом), она, вероятно, оказывает на метаболизм костной ткани как прямое, так и опосредованное действие, нарушая функции печени, почек, гонад [1,7].
Скелет содержит более 60% магния, определяемого в организме. При поступлении медно-цинковой руды в костях происходит снижение его содержания [6]. Не исключено, что при этом биоэлементы, содержащиеся в руде, вытесняют депонированный в костной ткани магний, замещая его в минеральной фазе внеклеточного матрикса.
Таким образом, при длительном поступлении компонентов медно-цинковой колчеданной руды происходят выраженные изменения элементного состава костной ткани с накоплением ряда тяжелых и токсичных металлов, что отражается на её метаболизме. Так, в костной ткани происходит снижение уровня белковосвязанного оксипролина на фоне увеличения свободного (табл. 2).
Таблица 2
Содержание гликозаминогликанов и фракций оксипролина в бедренной кости крыс при длительном действии компонентов руды, Ме р3]
Показатели Группа животных РИ
контрольная, п=12 подопытная (3 месяца), п=15
БСО, мкмоль/г ткани 3,55 [3,15; 3,65] 2,70 [2,40; 3,20] 0,0009
СО, мкмоль/г ткани 0,91 [0,85; 0,92] 1,32 [1,00; 1,36] 0,00001
ГАГ, мкмоль/г ткани 1046 [1034; 1074] 1191[1126; 1239] 0,0013
Оксипролин входит в первичную структуру костного коллагена и не содержится в других белках костной ткани. Снижение уровня белковосвязанного оксипролина с повышением свободного оксипролина отражает интенсификацию катаболизма коллагена - основного белка костного внеклеточного матрикса.
При усилении процессов распада белковых структур костной ткани при действии ком-
понентов медно-цинковой колчеданной руды наблюдается некоторое увеличение уровня гли-козаминопротеогликанов, отражающее активацию биосинтетических процессов.
Направленность обменных процессов в костной ткани отражает и результаты исследования интенсивности включения радиоактивных аминокислот в фракции коллагеновых и неколлагеновых белков (таблица 3).
Таблица 3
Интенсивность включения радиоактивных аминокислот в белки костной ткани (бедренная кость) при действии _компонентов руды, имп/мин/5мг белка_
Группа крыс [14 С] - пролин [14 С] - тирозин
Контрольная, n=9 742 [438; 870] 1056 [973; 1180]
Подопытная ( 3 месяца), n=9 596 [543; 700] Р = 0,0003 752 [574; 850] Р = 0,0002
Выбор этих аминокислот обусловлен тем, что в костном коллагене пролин и окси-пролин составляют до 21% первичной структуры, а содержание тирозина в нем менее 1% [10], также уровень инкорпорации радиоактивного пролина отражает интенсивность синтеза коллагеновых белков, а тирозина - в основном неколлагеновых. Снижение включения этих аминокислот при действии компонентов руды в костную ткань подопытных животных отражает депрессию биосинтеза как коллагеновых, так и неколлагеновых белков.
Данные, полученные при изучении содержания в плазме крови биохимических маркеров резорбции (P-Cross Laps) и остеоге-неза (костная щелочная фосфатаза), также характеризуют у животных при действии руды превалирование резорбтивных процессов над костеобразованием (таблица 4).
У подопытной группы животных наблюдается повышение в плазме крови как
С-концевых телопептидов коллаген типа I, так и усиление активности костной щелочной фосфатазы. Однако выраженность их повышения различна - интенсивность процессов резорбции значительно превалирует над уровнем остогенеза.
Таблица 4
Уровень маркеров ремоделирования костной ткани
в крови крыс при действии компонентов руды
Группа животных Показатели
в - Cross Laps, нг/л КЩФ, Ед/л
Контрольная, n=12 0,555 [0,446; 0,648] 45,0 [16,0; 69,0]
Подопытная (3 месяца), n=18 1,054 [0,624; 1,589] Р = 0,0322 50,0 [38,0; 63,0] Р = 0,4216
Заключение
При длительном внутрижелудочном введении белым крысам суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды происходит накопление в костной ткани высокотоксичных элементов таких, как кадмий, свинец, ртуть и других металлов, оказывающих дестабилизирующее влияние на обменные процессы. В результате происходят снижение содержания и биогенеза костных коллагеновых белков, усиление их катаболизма. Направленность метаболизма костной ткани при этом характеризуется превалированием в процессах ремоделирования резорбции.
Сведения об авторах статьи:
Фаршатова Екатерина Рафаэлевна - к.м.н., доцент кафедры патологической физиологии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 45000, г. Уфа ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347)273-85-71.
Меньшикова Ирина Асхатовна - к.м.н., доцент кафедры биологической химии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 45000, г. Уфа ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347)227-66-07.
Камилов Феликс Хусаинович - д.м.н., профессор, зав. кафедрой биологической химии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 45000, г. Уфа ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347)227-66-07.
ЛИТЕРАТУРА
1. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология / А.П. Авцын [и др.]. - М.:Медицина, 1991. - 496с.
2. Аглетдинов Э.Ф., Нургалеев Н.В., Фаршатова Е.Р. и др. Влияние полиметаллической пыли медно-цинковых колчеданных руд на состояние минерального обмена и костной ткани // Вестник Оренбургского ГУ. - 2011. - №15(134). - С.15-18.
3. Биохимические методы анализа показателей обмена биополимеров соединительной ткани: методические рекомендации / П.Н. Шараев [и др.] - Ижевск, 1990. - 14 с.
4. Казимирко, В.К. Остеопороз: патогенез, клиника, профилактика и лечение / В.К. Казимирко, В.Н. Коваленко, В.И. Мальцев -Киев: Морион, 2006. - 160с.
5. Интенсивность ремоделирования костной ткани у горнорабочих подземных рудников по добыче цветных металлов / Ф.Х. Камилов [и др.] // Здоровье человека в XXI веке: сборник научных статей V Российской научно- практической конференции. -Казань, 2013. - С.747-753.
6. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. - М., 2004. - 216с.
7. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов / Под ред. Н.И. Калетиной. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 1016с.
8. Developmental exposure to As, Cd and Pb mixture diminishes skeletal growth and causes osteopenia at maturity via osteoblast and chondrocyte malfunctioning in female rats / S. Abbas [et al.] // Toxicol. Sci. - 2013. - vol.134, №1. - P.207-220.
9. Heavy metal lead exposure, osteoporotic - like phenotype in an animal model, and depression of Wnt-signaling / E.E. Baier [et al.] // Environ. Health. Perspect. - 2013. - vol.121, №1. - p.97-104.
10. Ramirez F. The fibrillins / F. Ramirez, L. Pareira // Int. J. Biochem. Cell. Biol. - 1999. - vol.12, №5. - p.581-586.
11. Youness, E.R. Cadmium impact and osteoporosis: mechanism of action / E.R. Youness, N.A. Mochammed, F.A. Morsy // Toxicol. Mech. Methods. - 2012. - vol. 22, №7. - p.560.
