Особенности содержания химических элементов в тканях животных при различном физиологическом состоянии (экспериментальное исследование)

Для нормального течения беременности, родов и развития организма плодов является достаточное содержание и баланс макро- и микроэлементов. В период беременности потребность организма во многих жизненно важных витаминах и минеральных веществах существенно возрастает и даже самая оптимальная диета не всегда может обеспечить полный набор компонентов, необходимых для правильного развития будущего потомства. Характерной особенностью при беременности является преобладание ассимиляции над диссимиляцией, а именно увеличивается потребность в кислороде, в усвоении кальция, фосфора, железа и других неорганических веществ. Изменяется липидный и углеводный обмен [1, 2].

В настоящее время наиболее перспективным направлением в биологии, физиологии и ряда других дисциплин является определение элементного состава биосред человека и животных. По результатам мультиэлементного анализа можно судить не только о функциональных резервах организма, но и о его элементном статусе, который характеризует достоверное отражение происходящих в организме человека и животных биохимических процессов.

Физиологический процесс беременности является периодом напряжения и нагрузки, и у немногих женщин она протекает без функциональных и органических нарушений различной степени выраженности. Беременность сопровождается перестройкой многих систем организма, в частности изменяется обмен химических элементов и перераспределения их по органам и тканям, которые в свою очередь относятся к резервному или оборотному пулам химических элементов в организме. Многие химические вещества находятся в депо, и по мере необходимости из обменного пула расходуются на биохимические реакции [1]. В организме человека и животных существуют резервный и оборотный пул химических элементов. По этой причине проведение мультиэлементного анализа биосубстратов организма при различных физиологических состояниях является определенным шагом в разработке системы оценки перераспределения и биодоступности химических элементов.

Цель исследования: провести сравнительное изучение количественных изменений химических элементов в тканях беременных и небеременных крыс-самок.

Экспериментальные исследования выполнены на половозрелых белых крысах-самках линии Wistar в возрасте 3-х месяцев и массой 180±10 г. Животных содержали в условиях экспериментально — биологической клиники (виварий) Оренбургского государственного унивeрситета на стандартном рационе, со свободным доступом к воде и пище, при температуре 22±1⁰С и 12-ти часовом освещении.

Проведение экспериментальных исследований и содержание животных осуществлялось в соответствии с положением Хельсинской декларации о гуманном отношении к животным и в соответствии с рекомендуемыми Российским Регламентом 1987 г. и «The Guide for the Care and Use oflaoborotory Animals (National Academy Press Wasyington, D.S. 1996).

В ходе подготовительного периода проводилось формирование максимально однородных групп по физиологическим параметрам для получения достоверных результатов [3].

Адаптационный период составлял 12 дней. Спаривание самок первой группы (интактные) с самцами не проводилось, тогда как животных 2 группы с постоянным эстральным циклом в возрасте 3,5 мес спаривали с самцами по схеме 3:1. Первый день беременности определяли по наличию сперматозоидов во влагалищных мазках.

После окончания эксперимента животных выводили из эксперимента путем усыпления эфиром. [4].

Для изучения содержания химических элементов в организме животных в качестве биосубстратов использовали образцы печени, легких и костной ткани.

Анализ биосубстратов проводился по 25 химическим элементам (Al, As, B, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, I, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Se, Si, Sn, Sr, V, Zn) в лаборатории АНО «Центр биотической медицины» (г. Москва, аттестат аккредитации ГСЭН. RU.0001.513118) с использованием методов атомно — эмиссионной и массспектрометрии с индуктивно — связной аргановой плазмой (АЭС-ИСП и МС-ИСП) на приборах ICAP-900 «Therto Yarrell Ash», США, Perkin Elmer Optima 2000 DV, США), согласно методическим указаниям (МУК 4.1.1482–03, МУК 4.1.1483–03).

Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Statistica for Windows (v. 5.11). Для данных, подчиняющихся закону нормального распределения, приводили значения среднего и ошибки среднего. Критический уровень значимости (р) при проверке статистических гипотез принимали равным 0,05. Степень отличий полученных величин определяли с помощью параметрического критерия Стьюдента для независимых выборок и непараметрического критерия Манна — Уитни.

Результаты исследования и их обсуждение

Выбор биосубстрата для элементного анализа во многом зависит от степени участия органа в обмене химических веществ, то есть микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо для многих микроэлементов. Микроэлементы могут проявлять специфическое родство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях.

Костная ткань является постоянно изменяющейся тканью, метаболизм которой характеризуется в том числе движением субклеточных компонентов, то особую актуальность биологического функционирования элементов следует подчеркнуть в отношении такой высокоминерализованной ткани, как кость [5].

Сравнительный анализ концентрации макроэлементов в костях крыс установил, что у беременных концентрация кальция, магния и фосфора была больше на 11,3 %, 20,0 и 11,6 % соответственно, на фоне достоверного дефицита калия (10,9 %) и натрия (13,4 %) по сравнению с небеременными животными (табл. 1).

Таблица 1

Содержание макроэлементов в костях

Примечание: здесь и далее *- достоверная разница между первой и второй группой (р≤0,05).

Содержание меди и йода на фоне беременности, было достоверно меньше на 29 % и 38 % (р≤0,05) соответственно, на фоне большего содержания кремния на 9,5 % (р≤0,05), чем у небеременных (табл. 2).

Таблица 2

Концентрация эссенциальных и условно-эссенциальных элементов (мг/кг)

В тоже время при сравнении значений концентрации токсичных элементов в костной ткани самок крыс достоверных отличий обнаружено не было (табл. 3).

Таблица 3

Концентрации токсичных элементов в костной ткани (мг/кг)

Печень — самая крупная железа в организме человека, выполняющая разнообразные функции. В печени происходит обезвреживание токсических веществ, поступающих в нее с кровью из желудочно-кишечного тракта. От ее работы зависит биодоступность многих химических веществ, которые в различные физиологические периоды организма весьма необходимы.

Сравнительная характеристика элементного состава печени самок при различном физиологическом состоянии свидетельствует о достоверно большем содержании у крыс второй группы кальция на 40 %, магния на 37,5 %, фосфора на 13 %, натрия на 60 %, железа на 35 %, марганца на 70 % и калия на 39 % относительно животных первой группы (табл. 4).

Таблица 4

Концентрации макроэлементов в печени самок-крыс (мг/кг)

Также у беременных крыс в печени выявлено достоверно более высокие значения железа и марганца, их уровень был на 35,6 % (р≤0,05) и 70,5 % (р≤0,05) выше чем у небеременных особей. Также установлена тенденция к накоплению хрома, меди, лития, никеля, селена и цинка на 46,5 %, 7,3 %, 95,8, 74,3, 17,3 и 22,2 % у крыс второй группы (табл. 5). Данный факт свидетельствует о депонировании данных элементов для последующей использования их в оборотном пуле.

Таблица 5

Концентрация эссенциальных и условно-эссенциальных элементов в печени (мг/кг, М±m).

Токсические элементы, являясь определенными маркерами адаптационных характеристик организма, имеют важное значение при формировании элементного статуса организма, и при их отклонении можно в большей вероятности судить о дисбалансе в элементном статусе организма.

При сравнительном изучении содержания токсичных элементов в организме беременных и небеременных самок было установлено, что концентрация кадмия на фоне беременности была на 42,1 % больше, чем небеременных крыс. По остальным химическим элементам не установлены достоверные различия (табл. 6).

Таблица 6

Концентрация токсичных элементов в печени (мг/кг, М±m)

Легкие подобно печени, имеют полный набор ферментативных систем, обеспечивающих процесс окисления, восстановления, метилирования, ацетилирования, поддерживает жировой обмен [6, 7].

В легких крыс второй группы концентрация кальция и натрия была на 67 % и 43,7 % соответственно выше, чем у животных второй группы (табл. 7).

Таблица 7

Концентрация макроэлементов в легочной ткани (мг/кг, М±m)

У беременных крыс в легких зафиксировано меньшее, чем у небеременных концентрация кобальта на 39,2 % (р≤0,05), хрома на 51 % (р≤0,05). При этом количество натрия, меди, железа, марганца и селена увеличилось при достоверных различиях на 43 %, 37, 49, 75 и 33 % соответственно (табл. 8).

Таблица 8

Концентрации эссенциальных и условно-эссенциальных элементов в легочной ткани (мг/кг, М±m)

При сравнении концентрации токсичных элементов у небеременных и беременных самок крыс в легких достоверных различий установлено не было, тем не менее, имелась тенденция к большему содержанию у беременных крыс алюминия на 23,0 % и стронция на 27,5 %, на фоне снижения концентрации кадмия, свинца и олова на 11,2 %, 11,2 и 53 % (р≤0,05) соответственно (табл. 9).

Таблица 9

Концентрации токсичных элементов в легких крыс (мг/кг, М±m)

Как известно, основным условием для течения беременности, родов и развития плода является оптимальное содержание и баланс (соотношение) макро- и микроэлементов между собой.

В исследуемых биосубстратах установлено, что в пропорциях Ca/Р, Na/K, Ca/K произошло снижение, а Zn/Fe и Cu/Fe увеличение, что свидетельствует о дисбалансе этих элементов.

Корреляционный анализ содержания химических элементов между тканями легкого и печени установил положительную связь по отношению Са (р=0,97), Mg (р=0,82), Fe (р=0,92), Mn (р=0,94), Se (р=0,86), и отрицательную связь относительно лития (р=-0,64), ванадия (р=-0,78), алюминия (р=-0,56), свинца (р=-0,59), олова (р=-0,55). Между костной тканью и легкого установлены положительные корреляционные связи по алюминию, (0,83), кадмию (р=0,52), мышьяку (р=0,53) и отрицательные по калию (р=-0,79), фосфору (р=-0,7), натрию (р=-0,55), кобальту (р=-0,58), меди (р=-0,91), йоду (р=-0,75), селену (р=-0,65), кремнию (р=-0,67), свинцу (р=-0,92) и олову (р=-0,97). В печени и костной ткани установлена тесная положительная связь относительно содержания фосфора (р=0,50), кобальта (р=0,6), хрома (р=0,9), лития (р=0,84), ванадия (р=0,57), цинка (р=0,89), свинца (р=0,58), олова (р=0,71), стронция (р=0,66) и отрицательная по меди (р=-0,59), кремнию (р=-0,86) и алюминию (р=-0,59). Полученные результаты свидетельствуют о тесной зависимости между химическим составом органов и тканей, что определяет адаптационные характеристики организма.

Таким образом, при физиологической беременности в костях, печени и легких крыс происходит накопление многих важных химических элементов. Это свидетельствует об использовании организмом данных тканей и органов в качестве депо для обеспечения нормального функционирования системы «мать-плод». В частности по данным [1], у беременных женщин в организме (по результатам элементного состава волос) отмечается дефицит меди (29 %), железа (23 %) и цинка (25,3 %). У 73 % выявлен дисбаланс железа, меди и цинка, а 12 % случаев отмечается повышенный уровень содержания того или иного элемента. Тогда как на основании результатов наших исследований в печени и косной ткани происходит интенсивное накопление кальция, фосфора, железа, цинка, на фоне выведения калия, и меди из костной ткани. На основании этого можно заключить, что формирование элементного пула в организме идет согласно закону «сохранения энергии» и при изменении физиологического состояния организма происходит интенсивное перераспределение химических элементов.

Литература:

1.         Лященко Я. А. Содержание некоторых химических элементов в организме беременных женщин / Я. А. Лещенко, Мыльникова И. В., Л. Г. Лисецкая, Н. С. Белецкая // Бюллютень ВСНЦ СО РАН, 2004, № 2. Том 1.- с. 194–206.

2.         Влияние питания на морфофункциональное развитие репродуктивных органов животных / Л. Л. Абрамова, Ф. Г. Каюмов, С. В. Нотова, А. М. Мирошников, С. В. Лебедев // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2004. — № 5. — С. 55–56.

3.         Мирошников, С. А. Диапазон концентраций (референтные значения) химических элементов в теле животных / С. А. Мирошников, С. В. Лебедев // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2009. — № 6. — С.241–243.

4.         Отеллин В. А. Пренатальные стрессорные воздействия и развивающийся головной мозг. Адаптивные механизмы и непосредственные и отсроченные эффекты [текст] /В. А. Отеллин, Л. И. Хожай, Н. Э. Ордян.- СПб.: Издательство «Десятка», 2007–237 с.

5.         Авцын А. П., Жаворонков А. А.,Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементозы человека. М.: Медицина,1991. 496 с.

a.         Чурин Б. В., Трунова В. А. Зверева В. В., Сидорина А. В., Асташов В. В. Макро-микроэлементный состав легочной ткани при алиментарном ожирении / Фундаментальные исследования. № 8.-2012, С. 179–183.

b.         Лепеха Л. Н. Макрофаги и дентритные клетки легких // Распираторная медицина. Руководство / по. Ред академия РАМН А. Г. Чучалина. — М.: ГО ЭТАР-Медиа. 2007. — Т.1. — С. 174–186.