CC BY
146
УДК 574
Ю. А. Тунакова, Р. А. Файзуллина, Ю. А. Шмакова
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО КОЛИЧЕСТВА МЕТАЛЛОВ ИЗ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Ключевые слова: биополимеры, сорбенты, металлы, биосреды детей.
В статье представлены результаты сравнения эффективности биополимерных и минеральных энтеросорбентов в отношении металлов на модельных растворах и с помощью динамично изменяющихся биосред детей.
Key words: biopolymers, sorbents, metals, bioenvironments of children.
In clause results of comparison of efficiency of biopolymeric and mineral sorbents are submitted concerning metals on modelling solutions and with the help of dynamically changing bioenvironments of children.
Согласно биогеохимической теории академика В.И. Вернадского, в результате биогенной миграции атомов практически все элементы внешней среды в большей или меньшей степени поступают во внутреннюю среду организма человека, что определяет его отклик на изменения химического состава среды обитания. Следовательно, концентрации металлов в живом веществе прямо пропорциональны содержанию их в среде обитания Металлы поступают в организм с водой, пищевыми продуктами и с вдыхаемым воздухом. Исследование накопления металлов в биосредах позволяет адекватно оценивать региональные особенности и степень антропогенного воздействия металлов на человека, что особенно значимо для разработки механизмов обеспечения экологической безопасности населения промышленно-развитых территорий [1-3].
Основная роль транспорта металлов в организме принадлежит крови, белки которой связывают их. Если содержание металлов в сыворотке крови отражает интенсивность транспорта, в моче - показатель выделения, то части ретикулоэндотелиальной системы, ногти, волосы, роговой слой кожи, могут быть использованы как показатели хронического воздействия [4].
Металлы являются необходимыми компонентами биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов. Биологическая роль металлов заключается в участии в окислительно-восстановительных процессах организма, углеводном, белковом и жировом обменах. Металлы входят в состав многих металлоферментов (25% ферментов человека являются металлоэнзимами), являются активаторами для ферментов и их ингибиторов, незаменимы в синтезе витаминов, нуклеиновых кислот и белка. Влияние металлов на клетку проявляется в том, что даже в самых ничтожных дозах они, в основном, подавляют ферментативную активность, иногда путем вытеснения металлов другими из активных центров ферментов, а также разных типов нуклеиновых кислот, что ведет к изменению не только их третичной структуры, но и матричной активности ДНК. В норме в организме человека поддерживается определенный баланс металлов. Превышение допустимых концентраций металлов в организме чревато нарушениями в работе многих органов и систем, поэтому ведется поиск оптимальной коррекции нарушений баланса металлов в организме. Исходя из того, что металлы не обладают свойством самостоятельно метаболизироваться, превращаться в нетоксичные соединения и выводиться из организма, то становится очевидным необходимость применения различных методов их выведения, детоксикации и сорбции [5-7].
В настоящее время для выведения избыточного количества металлов из организма успешно применяется энтеросорбция. Энтеросорбцией называется метод, основанный на связывании и выведении из организма через желудочно-кишечный тракт с лечебной или
профилактической целью эндогенных и экзогенных веществ, надмолекулярных структур и клеток. Энтеросорбенты - лечебные препараты различной структуры и состава, осуществляющие связывание веществ в желудочно-кишечном тракте путем адсорбции, ионообмена и комплексообразования. В настоящее время на фармацевтическом рынке представлены ряд энтеросорбентов - биополимеров на основе пектина (Виталайн), хитина и хитозана (Микотон, Хитозан Приморский, Крусхитозан), лигнина (Полифепан), альгинатов, (Альгисорб, Альгилоза кальция, Кальций альгин), клетчатки (МКЦ, Феокарпин).
Биополимерные энтеросорбенты имеют различные свойства и могут различаться по ряду признаков:
1. По лекарственной форме и физическим свойствам: гранулы, порошки, таблетки, пасты, гели, взвеси, коллоиды, инкапсулированные материалы.
2. По механизмам сорбции: адсорбенты, абсорбенты, ионообменные материалы, сорбенты с сочетанным механизмом действия, сорбенты с каталитическими свойствами.
3. По селективности: неселективные, селективные монофункциональные,
селективные, би- и полифункциональные.
Механизмы лечебного действия энтеросорбции зависят от вида сорбентов и структуры сорбатов (токсинов и ксенобиотиков), путей поступления в организм, содержания металлов в организме и др. Однако, данные, касающиеся, обоснования механизма действия энтеросорбентов, их сорбционной емкости отрывочны, практически отсутствуют сведения о сравнительной эффективности сорбентов [8-11].
Доказано, что длительный прием энтеросорбентов не оказывает патологического влияния на физиологические функции организма и не сопровождается существенными нарушениями биохимического состава крови. Вместе с тем, показано, что углеродные сорбенты способные десорбировать до 2 г. калия и 0.12-0. 15 г. магния с каждых 50 г. сорбента, что может привести к развитию гипокалиемии [12].
Нами ставилась задача оценки сорбционной эффективности биополимерных энтеросорбентов «Полифепана» и «Феокарпина». В качестве эталона сравнения выбран наиболее часто рекомендуемый для выведения металлов из организма энтеросорбент на основе цеолитов - «Литовит».
«Литовит» не вступает в прямое взаимодействие с витаминами, аминокислотами, белками и другими сложными органическими соединениями, что в большей степени способствует нормализации баланса металлов в организме. В результате использования «Литовита», являющегося одним из представителей селективных ионообменных сорбентов, организм человека получает только те элементы, в которых испытывает потребность, а отдает лишь те, которые имеет в избытке и слабо удерживает их во внутренней среде. Это выражается в том, что во время контакта минеральной составляющей «Литовита» с внутренней средой организма происходит разрыв более слабых связей дефицитных микро- и макроэлементов. На фоне употребления «Литовита» создаются условия резистентности к токсическому воздействию [13, 14].
Для оценки их физико-химических свойств сначала были использованы данные литературы [13-15], которые приведены в таблице 1.
«Полифепан» должен сорбировать низко- и среднемолекулярные вещества, к которым относятся металлы. Имеющийся на его поверхности значительный набор функциональных групп (метаксильных, карбоксильных, карбонильных, различной природы гидроксильных и др.) обеспечивает адсорбцию, в т.ч. хемосорбцию и комплексообразование с различными сорбатами.
По механизму сорбции «Феокарпин» сходен с «Полифепаном», однако, благодаря большей удельной поверхности (в 2-26.7 раз) и объему сорбционного пространства пор (в 2.5-
4 раза), соответствующих размерам мезо- и, преимущественно, микропор «Феокарпин» обладает свойством сорбции низкомолекулярных ксенобиотиков, в т.ч. и металлов.
Таблица 1 - Физико-химические свойства исследуемых сорбентов
Характеристика Полифепан Феокарпин Литовит
2 Удельная поверхность, м /г 15-20 До 400 1000-1200
Величина частиц, мм 0.1-0.5 - 3-6 х 10 -9
Объем сорбционного пространства, см3/г 0.15 0.4-0.6 0.8
Форма Порошок-взвесь Таблетка Порошок
Механизм сорбции Адсорбция, Абсорбция Адсорбция Ионообмен
Селективность Неселективный Неселективный Селективный
«Литовит» содержит природные минералы - цеолиты Холинского месторождения. Минерал является молекулярным ситом и обладает строго калиброванным размером пор. Уменьшение размера частиц (3-6 х 10"9 мм) и, соответственно, увеличение удельной поверхности (в 5 - 80 раз) и объема сорбционного пространства (в 5 и более раз) по сравнению с «Полифепаном» и «Феокарпином» позволяет «Литовит» проявлять сорбционные свойства только по отношению к низкомолекулярным соединениям - ионам металлов, метану, сероводороду, аммиаку и др.
Для определения сорбционной ёмкости используемых энтеросорбентов по отношению к ионам металлов (РЬ (II), Бг (II), Сг (III), Хп (II), Си (II)) навески «Полифепана» (массой 2 г), «Литовита» (массой 0,7 г) и «Феокарпина» (массой 1,85 г) заливали растворами стандартных наборов этих солей ГСОРМ-1 (раствор азотнокислого РЬ, Сд, Хп, N1, Си, 1 мг/мл) и ГСОРМ-2 (раствор азотнокислого Сг, Мп, Со, Бг, Рв, 1 мг/мл) в соответствующем разведении водой. Концентрация элементов в полученном растворе была в соотношении, близком к физиологическому: Си (II) - 1,0 мкг/мл, Хп (II) - 2,0 мкг/мл, РЬ (II)- 0,2 мкг/мл, Бг (II)- 0,4 мкг/мл, Сг (III) - 0,1 мкг/мл. Затем растворы отфильтровывались и в фильтратах измерялась концентрация исследуемых металлов (мкг/мл). Результаты эксперимента приведены в табл. 2.
Сравнительная сорбционная эффективность энтеросорбентов может быть представлена следующим образом:
- для РЬ - «Полифепан»> «Литовит» > «Феокарпин»;
- для Бг и Сг - «Полифепан»> «Феокарпин»> «Литовит».
Таким образом, полученные результаты сравнительной оценки эффективности исследуемых сорбентов показали необходимость дифференцированного их использования с учетом исходного содержания металлов в динамично изменяющихся биосредах. Выявленная высокая сорбционная емкость биополимерного энтеросорбента «Полифепана» обосновывает возможность использования его при значительном накоплении в организме металлов, особенно свинца, а также для получения быстрого эффекта энтеросорбции.
При использовании «Литовита» и «Феокарпина» отмечалась не только сорбция избыточного количества металлов, но и тенденция к восстановлению уровня дефицитных. Но для учета комбинированного действия металлов при совместном поступлении в организм и региональных особенностей содержания металлов в организме необходимо протестировать энтеросорбенты с помощью биообъектов, в нашем исследовании - динамично изменяющихся биосред детей (сыворотка крови).
Известно, что организм ребенка, находящийся в процессе развития, в силу высокого обмена веществ, меньшей интенсивности детоксикации, недостаточности адаптационных механизмов в большей степени подвержен влиянию загрязняющих факторов окружающей среды и служит более чувствительным индикатором влияния последних. Кроме того,
отсутствие влияния производственных факторов, предшествующих заболеванию, и вредных привычек у детского населения не искажает интерпретацию результатов исследования биосред. Исследование биосред детского населения позволит разрабатывать территориально дифференцированные рекомендации по использованию энтеросорбентов [16].
Таблица 2 - Поглотительная способность исследуемых энтеросорбентов
Тип иона Концентрация исходного раствора (мкг/мл) Концентрация ионов в фильтрате (мкг/мл)
«Полифепана» «Литовита» «Феокарпина»
Pb'2+ 0,2 0,03 0,08 0,11
S 2 + 0,4 0,13 0,31 0,32
Cr + 0,1 0,06 0,07 0,07
Zn2+ 2,2 0, 71 1,65 2,0
Cu2+ 1,0 0,87 0,98 1,23
Исследовались биосреды у 128 детей 1 на содержание металлов (цинка, меди, железа, хрома, стронция, свинца) в сыворотке крови и моче. Отмечен дисбаланс металлов, избыточное содержание одних и дефицит других, что показано в таблице 3.
В таблице 3 показано, что у детей наблюдались повышенные уровни в сыворотке крови хрома (в 2.7 раза), стронция (в 1.4 раза), свинца (в 1.3 раза) на фоне недостатка цинка (в 1.2 раза) по сравнению с региональными нормативами, приведенными в [17]. Содержание меди у исследуемых детей соответствовало региональным нормативам содержания.
Для устранения выявленного дисбаланса металлов (избыток Sr, Cr, Pb на фоне дефицита Zn) исследовались свойства энтеросорбентов («Полифепан», «Литовит»,
«Феокарпин»).
Таблица 3 - Содержание металлов в сыворотке крови (мкг/мл) нормативное и измеренное
Металлы Сыворотка крови
норматив исследование
Zn 0.85±0.06 0.73+0.01*
Cu 0.88±0.01 0.86+0.02
Cr 0.03±0.002 0.08+0.006*
Sr 0.08±0.001 0.11+0.008*
Pb 0.06±0.002 0.08+0.01*
* Различие по сравнению с контролем (р<0,05).
Дети разбивались на группы:
1 группа (контрольная) - традиционное оздоровление без применения энтеросорбентов
(п=29);
2 группа - применение «Полифепана» (п=26);
5 группа - применение «Феокарпина» (п=30);
1 Исследования были проведены в детском оздоровительном лагере санатория «Васильевский» объединения
«Татарстанкурорт» (главный врач - Ю.К. Чумаков)
6 группа - применение «Литовита» (п=43).
«Литовит» использовали по схеме, начиная с 1 г 2 раза в день с постепенным увеличением дозы до 5 г на прием в течение 15 дней.
Лекарственный препарат «Полифепан», назначался в дозе 0,5-1,0 г на кг массы тела, но не более 40-50 г в сутки в течение 10 дней.
«Феокарпин» использовали по 1 таблетке 2 раза в день в течение 15 дней.
Как показано в таблице 4, у контрольной группы детей, получавших обычное санаторно-курортное оздоровление без применения энтеросорбентов, было менее выражено снижение концентраций Бг (на 19%, р<0.01), Сг (на 16%, р<0.05) и РЬ (на 6.7%, р>0.05) в сыворотке крови сравнении с другими группами. Наиболее неблагоприятным при использовании традиционного оздоровления был эффект усугубления дефицита цинка в сыворотке крови (на 12%, р<0.01). Содержание Си в сыворотке крови увеличивалось на 15% (р<0.05), а в моче уменьшалось на 67% (р<0.001).
Таблица 4 - Изменение содержания металлов в сыворотке крови у детей (отклонения в % от исходного уровня)
Мероприятия гп Сг РЬ Эг Си
Санаторно-куроротное оздоровление Применение «Полифепана» Применение «Феокарпина» Применение «Литовита» -11,9** -5,5 -3,8 +30,5*** -16,0* -24,84* -27,2* -16,98* -6,7 -35,29*** -28 3*** -27,06*** -18,9** -21,52** -6,2 -38,5*** + 14,9* + 1,1 0 +6,23
Примечание: «+» - повышение, «-» - понижение уровня металла. Достоверность различий: * р<0.05, ** р<0.01, *** р<0.001. Недостоверные результаты: р>0,05.
Применение энтеросорбирующих препаратов у детей показало положительную динамику восстановления оптимального уровня металлов в организме. По степени снижения уровня Бг в крови построен ряд:
«Литовит» > «Полифепан» > «Феокарпин».
Наиболее выраженное снижение концентрации РЬ была отмечено при применении «Полифепана» (на 35%, р<0.001), «Феокарпина» (на 28%, р<0.001) и «Литовита» (на 27%, р<0.001). Все используемые в исследованиях энтеросорбенты показали достаточную эффективность в уменьшении высокой концентрации Сг в сыворотке крови у детей - от 16 до 30% (р<0.05).
Использование «Феокарпина» и «Полифепана» не оказывало влияния на содержание цинка в сыворотке крови, его уровень сохранялся относительно постоянным как до, так и после (р>0,05). Повышение содержания цинка в крови было выявлено лишь при использовании «Литовита» (р<0,001). Колебание уровня меди в сыворотке крови у детей при использовании различных энтеросорбентов было не существенным (р>0,05).
Таким образом, нами установлено, что использование исследуемых биополимерных энтеросорбентов высокоэффективно. Поскольку исследуемые энтеросорбенты проявляли избирательную эффективность по отношению к каждому металлу представляется практически значимым и интересным с научной точки зрения продолжить исследование сорбционной емкости биополимерных энтеросорбентов по отдельности и в сочетаниях для разработки
методик наиболее результативного применения с целью компенсации экологического риска
жителям урбанизированных территорий.
Литература
1. Авцын, А.П. Микроэлементозы человека./ А.П. Авцын, А.А. Жаворонков. - М.: Медицина, 1991. -496 с.
2. Матвеева, Н.А. Тяжелые металлы в организме детей как биомаркеры загрязнения окружающей среды / Н.А.Матвеева, Ю.Г. Кузмичев, Т.К. Черняева и др. // Нижегородский медицинский журнал. -1998. - №4. - С.16-20.
3. Куролап, С.А. Оценка риска для здоровья населения при техногенном загрязнении городской среды.
/ С .А. Куролап, Н.П. Мамчик, О.В. Клепиков- Воронеж: ВГУ ,2006.-220 с.
4. Лисецкая, Л.Г. Методические подходы к определению микроэлементов в биосредах /Л.Г. Лисецкая // Медицина труда и промышленная экология.- 2003.-№ 3. - С.35-39.
5. Печенников, Е.В. О биологическом значении микроэлементов/ Е.В. Печенников, В.В. Вашкова, Е.А. Можаев // Гиг. и сан. - 1997. - №4. - С.41-43.
6. Римарчук, Г.В. Оздоровление детей в районах экологического неблагополучия/ Г.В. Римарчук // Русский медицинский журн. - 1999. - т.7. - №11. - С.500-504.
7. Ревич, Б.А. Экологическая эпидемиология./ Б.А. Ревич, С.Л.Авалиани, Г.И. Тихонова - М.:
Академия, 2004.-384 с.
8. Беляков, Н.А. Энтеросорбция - механизмы лечебного действия / Н.А.Беляков, А.В.Соломенников, И.Н.Журавлева, Л.О.Соломенникова // Эфферентная терапия. - 1997. - №2. - С.20-26.
9. Щеплягина, Л.А. Значение микронутриентов в улучшении состояния здоровья критических групп населения / Л.А.Щеплягина, О.С.Нестеренко, Н.А.Курмачева, Т.К.Марченко // Здоровье населения и среда обитания. - 2001. - №2. - С.7-9.
10.Мамырбаев, А.М. Энтеросорбция как способ детоксикации организма/ А.М. Мамырбаев, Ф.Х. Тахтаев // Гигиена труда и профессиональные заболевания. - 1990. - №3. - С.7-10.
11.Хамраев, Х.Т. Принципы коррекции нарушений обмена микроэлементов при гастродуоденальной патологии у детей/ Х.Т.Хамраев // Вестник врача общей практики. - 2000. - №3. - С.10-12.
12.Николаев, В.Г. Сорбционные методы детоксикации и иммунокоррекции в медицине / В.Г.Николаев и др.-Харьков, 1982. - С. 112-114.
13.Бгатов В.И. Литовит / В.И. Бгатов, Е.М. Благитко, О.А. Веретенина. - Новосибирск, 1999.-66 с.
14.Сорокина, Е.Ю. Оценка эффективности биологически активной добавки к пище на основе цеолитов в эксперименте./ Е.Ю.Сорокина, И.Н. Аксюк, О.Н. Чернышева, Н.А. Кирпатовская // Вопросы питания. - 2001. - № 4. - С. 35-38.
15.Фролькис, А.В. Энтеросорбент полифепан в лечении заболеваний органов пищеварительной системы / А.В. Фролькис// Тер. арх. - 1997. - №2. - С.76-80.
16.Щеплягина, Л.А. Подходы к оценке воздействия на детей промышленного загрязнения окружающей среды/ Л.А. Щеплягина // Медицина труда и промышленная экология - 1999. - №9. - С.27-30.
17.Мальцев, С.В. Содержание микроэлементов в биологических средах у здоровых детей / С.В. Мальцев и др. // Экологические и гигиенические проблемы педиатрии. Материалы III Конгресса Педиатров России.-Москва 27-28 октября 1998 г., С. 291.
© Ю. А. Тунакова - д-р хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КГТУ, [email protected]; Р. А. Файзуллина - д-р мед. наук, доц., зав. каф. пропедевтики детских болезней и факультатской педиатрии с курсом детских болезней лечебного факультета ГОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет Росздрава»; [email protected]; Ю. А. Шмакова - асп. каф. технологии пластических масс КГТУ, [email protected].
