Эффекты физиологической дозировки цинка на функции почек и метаболизм кальция в условиях свинцовой интоксикации

Keywords: heavy metals, lead, lead intoxication, zinc, prevention of poisoning, calcium, calcium homeostasis, kidneys.

Постановка проблемы

Высокая аффинность свинца ко многим процессам в нашем организме известна уже давно. Так, выраженное влияние в связи с высокой степенью аккумуляции свинец оказывает на почки и костную ткань [1-3], как нарушая нормальный метаболизм кальция и других микро- и макроэлементов посредством изменения регуляторных гормонов (1,25-dihydroxyvitamin D3) и чувствительности костных клеток к ним, а, следовательно, нарушения образования кальций-связывающих протеинов (остеокальцина), так и вызывая активацию перекисного окисления липидов с последующим повреждающим действием [4]. Также свинец способен нарушать синтез компонентов костного матрикса, коллагена и сиалопротеинов (остеопонтина), необходимых для нормального развития не только костной ткани, но и структур головного мозга [5]. И, наконец, этот тяжелый металл может замещать или смещать кальций из активных зон как кальциевых, так и кальций-зависимых транспортных систем, что приводит к нарушению и многих других функций и механизмов физиологической регуляции [6].

Цинк известен как фактор, участвующий в регуляции роста и развитии тканей организма, и регулятор иммунного ответа, что было доказано повышением при его участии концентрации белка остеокальцина, экспрессии гена COL1A1 и активности щелочной фосфатазы. Остеопротективная роль цинка складывается из ряда факторов. Так, цинк активирует остеобласты и стимулирует синтез коллагена, однако цинк подавляет активность остеокластов [7]. Доказана способность цинка снижать негативные эффекты ряда токсичных элементов, таких как кадмий, свинец и другие тяжелые металлы [8, 9], выполнять протективную роль при воспалении [10], стабилизируя мембраны тучных клеток. В то же время ряд работ указывает и на негативную роль высоких концентраций цинка в метаболизме ряда катионов, в частности кальция [11], что способствует формированию камней в почках [12].

Несмотря на тесную взаимосвязь токсических эффектов свинца и обмена кальция, а также неоднозначную роль цинка в кальциевом метаболизме, в литературе нет достаточного количества данных о влиянии этих металлов на распределение фракций кальция в плазме крови. В связи с этим целью данной работы было исследование влияния физиологической дозировки хлорида цинка изолированно и в сочетании с введением ацетата свинца на водовыделительную функцию почек и показатели метаболизма кальция.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на 60 крысах-самцах линии Вистар массой 200-300 г, разделенных на 4 группы: 1-я группа - интактные животные (фон, п = 15); 2-я группа - контрольные животные с внутрижелудочным введением хлорида цинка Zn, п = 15) в дозировке 1 мг/кг массы тела (в пересчете на металл) в течение 30 дней ежедневно 1 раз в сутки (принимая во внимание нормальное суточное потребление человеком от 7,2 до 15 мг цинка, эту дозировку мы считали физиологической); 3-я группа - контрольные животные с внутрижелудочным введением ацетата свинца (Рb, п = 15) в дозировке 40 мг/кг массы тела (в пересчете на металл) в течение 30 дней ежедневно 1 раз в сутки; 4-я группа - опытные животные с сочетанным внутрижелудочным введением последовательно сначала хлорида цинка, а затем ацетата свинца Zn+Рb, п = 15) в тех же дозировках в течение 30 дней 1 раз в сутки.

Для исследования функций почек животных помещали в обменные клетки на 6 ч. В условиях спонтанного диуреза определяли объем диуреза, скорость клубочковой фильтрации по клиренсу эндогенного креатинина, рассчитывали относительную канальцевую реабсорбцию воды. Определяли: концентрацию белка (по методу Лоури), креатинина и общего кальция (Са) в биологических жидкостях (моче и плазме крови) с помощью спектрофотометра (Аре1 PD-303); концентрацию натрия и калия - методом пламенной фотометрии (ФПА-2); концентрацию ионизированного кальция (Са²⁺) на анализаторе АЭК- 01 (Кверти-Мед) с последующим расчетом его процента от общего кальция плазмы крови и доли белоксвязанной фракции (абсолютные значения и %). Статистическую обработку результатов исследования, учитывая нормальное распределение рядов сравнения, проводили с применением 1-критерия Стьюдента с использованием программы GraphPad Ргт 6.1. О наличии значимых различий и факторных влияний судили при критическом уровне значимости р, меньшем 0,05. Также проводили расчет ранговой корреляции Пирсона (г). В проведении экспериментов руководствовались статьей 11 Хельсинской декларации Всемирной медицинской ассоциации (1964), «Международными рекомендациями по проведению медико-биологических исследований с использованием животных» (1985) и Правилами лабораторной практики в Российской Федерации (приказ МЗ РФ от 19.06.2003 г. №267).

интоксикация свинец почка гомеостаз хлорид цинк

Результаты исследования и их обсуждение

Введение хлорида цинка через зонд в желудок в течение 1 месяца привело (рис. 1) к незначительным изменениям в водовыделительной функции почек. Введение же ацетата свинца вызвало изменение всех показателей водовыделительной функции (рис. 1): практически двукратное увеличение диуреза относительно интактных животных (на 92%; р<0,001) вследствие значительного снижения канальцевой реабсорбции воды (р<0,001), несмотря на статистически значимое снижение скорости клубочковой фильтрации (р<0,001). Такое действие связывают с прямым повреждающим воздействием тяжелого металла на эпителий, преимущественно проксимальных канальцев, путем активации процессов перекисного окисления липидов и конкурентного нарушения работы кальциевых транспортных механизмов [2].

Экспозиция ацетата свинца на фоне хлорида цинка привела к менее выраженным изменениям водовыделительной функции почек (рис. 1): увеличению диуреза относительно интактных животных на 50% (р<0,001); снижению канальцевой реабсорбции на 0,37% (р<0,01); при этом скорость клубочковой фильтрации также была снижена относительно фона (р<0,001) и не отличалась статистически значимо от таковой у животных с изолированным введением ацетата свинца. Можно отметить некоторое протекторное действие соли цинка на токсическое поражение канальцев нефронов, что проявляется в меньшем (на 0,33%) снижении канальцевой реабсорбции воды, существенно отличающемся от такового у животных с изолированным введением свинца (р<0,001).

Канальцевая реабсорбция

А - статистически значимое отличие от опыта с введением хлорида цинка;

* - статистически значимое отличие от опыта с введением ацетата свинца.

¦ - статистически значимое отличие от фона;

* - статистически значимое отличие от опыта с введением ацетата свинца.

Протеинурия (рис. 1) как показатель повреждения нефронов на уровне и гломерулярного фильтра, и канальцевого аппарата была отмечена у групп животных с введением ацетата свинца. При изолированном введении соединения свинца экскреция белка увеличилась более чем в 11 раз (р<0,001), а при введении свинца на фоне хлорида цинка - в 7 раз (р<0,001) относительно фоновых значений. Протеинурия при сочетанном введении металлов достоверно отличается от значений в группе с изолированным введением свинца (р<0,001). Таким образом, здесь также можно отметить нефропротекторный эффект физиологической дозировки цинка.

А - статистически значимое отличие от опыта с введением хлорида цинка;

* - статистически значимое отличие от опыта с введением ацетата свинца.

В работе была подтверждена способность свинца изменять метаболизм кальция, что связано как с нарушением работы почек, так и с резорбцией костной ткани. Анализ изменения плазменных фракций кальция позволяет связать их с этими эффектами. Так, снижение через 1 месяц после начала введения металлов уровня общего кальция в плазме крови на фоне свинцовой интоксикации имеет корреляционные связи как с увеличением диуреза (г = 0,63), так и со снижением канальцевой реабсорбции воды (г = 0,74). Также прослеживается тесная корреляционная связь сниженных уровней общего кальция и его белок-связанной фракции с выраженной протеинурией (г = 0,68 и г = 0,73 соответственно) и пониженной концентрацией общего белка плазмы (г = 0,63 и г = 0,65 соответственно). Эти данные указывают на возможный почечный генез гипокальциемии при свинцовой интоксикации. Увеличение процентной доли ионизированного кальция (табл.) на фоне постоянных потерь катиона с мочой может свидетельствовать о пополнении этой фракции за счет выхода кальция из резорбируемой костной ткани и конкурентного вытеснения катиона из сайтов связывания в клетках ионами тяжелого металла [4].

Причины незначительного снижения уровня общего кальция у крыс с изолированным введением цинка несколько иные. Так, не отмечается корреляционных связей с повышением диуреза и протеинурией. Отмечена связь с небольшим повышением экскреции катиона с мочой (г = 0,59) за счет такого же незначительного снижения его реабсорбции, возможно, связанного с конкурирующим транспортом цинка на уровне эпителия канальцев. При этом процентное соотношение фракций ионизированного и белоксвязанного кальция (табл.) едва отличается от фоновых значений, что может говорить о сохранности механизмов регуляции гомеостазиса этого элемента на фоне физиологической нагрузки цинком.

Активное участие цинка в кальциевом метаболизме проявилось в относительной нормализации уровня общего кальция плазмы крови и выравнивании соотношения фракций ионизированного и белоксвязанного кальция с показателями интактных животных (табл.). Нормализующий эффект цинка в большей степени затрагивает ионизированную форму кальция (Рb = 44,4%; Zn+Рb = 42,4%), что, возможно, является следствием способности цинка конкурировать со свинцом за транспортные механизмы и снижать накопление свинца и вытеснение кальция из сайтов связывания катиона в костной ткани и в других клетках организма [14]. Протекторные эффекты цинка при отравлении соединениями свинца требуют дальнейшего изучения их взаимодействий на уровне клеток различных тканей, а также механизмов регулирования кальциевого гомеостазиса.

Список литературы

1. Beier E.E., Holz J.D., Sheu T.-J., Puzas J.E. Elevated Lifetime Lead Exposure Impedes Osteoclast Activity and Produces an Increase in Bone Mass in Adolescent Mice. Toxicological sciences. 2016. Vol. 149 (2). P. 277-288.

2. Tsai T.L., Pan W.H., Chung Y.T., Wu T.N., Tseng Y.C., Liou S.H., Wang S.L. Association between urinary lead and bone health in a general population from Taiwan. Journal of exposure science & environmental epidemiology. 2016. Vol. 26. P. 481-487.

3. Wong A.K., Beattie K.A., Bhargava A., Cheung M., Webber C.E., Chettle D.R., Papaioannou A., Adachi J.D., and the Canadian Multicentre Osteoporosis Study (CaMos) Research Group. Bone lead (Pb) content at the tibia is associated with thinner distal tibia cortices and lower volumetric bone density in postmenopausal women. Bone. 2015. Vol. 79. P. 58-64.

4. Dobrakowski M., Boron M., Birkner E., Kasperczyk A., Chwalinska E., Lisowska G., Kasperczyk S. The Effect of a Short-Term Exposure to Lead on the Levels of Essential Metal Ions, Selected Proteins Related to Them, and Oxidative Stress Parameters in Humans. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017. Article ID 8763793.

5. Nam S.M., Seo J.S., Nahm S.S., Chang B.J. Effects of Ascorbic Acid on Osteopontin Expression and Axonal Myelination in the Developing Cerebellum of Lead-Exposed Rat Pups. International journal of environmental research and public health. 2019. Vol. 19. No 16 (6). P. 983.

6. Mitra P., Sharma S., Purohit P., Sharma P. Clinical and molecular aspects of lead toxicity: An update. Critical reviews in clinical laboratory sciences. 2017. Vol. 54 (7-8) P. 506-528.

7. Zofkova I., Davis M., Blahos J. Trace elements have beneficial, as well as detrimental effects on bone homeostasis. Physiological research. 2017. Vol. 66 (3). P. 391-402.

8. Белецкая Э.Н., Онул Н.М., Калиничева В.В. Сравнительная оценка биопротекторного действия цинка в органической и неорганической форме на остеотропность свинца в экспериментальных условиях // Медичні перспективи. 2016. №21 (4). С. 123-129.

9. Брин В.Б., Кокаев Р.И., Бабаниязов Х.Х., Пронина Н.В. Возможности профилактики токсических эффектов кадмия металлокомплексом соли цинка - ацизол // Вестник новых медицинских технологий. 2008. №15 (4). С. 213-216.

10. Jarosz M., Olbert M., Wyszogrodzka G., Mlyniec K., Librowski T. Antioxidant and antiinflammatory effects of zinc. Zinc-dependent NF-kB signaling. Inflammopharmacology. 2017. Vol. 25 (1). P. 11-24.

11. Crown L.A., May J.A. Zinc toxicity: denture adhesives, bone marrow failure and polyneuropathy. Tennessee medicine: journal of the Tennessee Medical Association. 2012. Vol. 105 (2). P. 39-42.

12. Tasian G.E., Ross M.E., Song L., Grundmeier R.W., Massey J., Denburg M.R., Copelovitch L., Warner S., Chi T., Killilea D.W., Stoller M.L., Furth S.L. Dietary Zinc and Incident Calcium Kidney Stones in Adolescence. The Journal of urology. 2017. Vol. 197 (5). P. 1342-1348.

13. Ibrahim N.M., Eweis E.A., El-Beltagi H.S., Abdel-Mobdy Y.E. Effect of lead acetate toxicity on experimental male albino rat Asian Pacific journal of tropical biomedicine. 2012. Vol. 2 (1). P. 41-46.

Pemmer B., Roschger A., Wastl A., Hofstaetter J.G., Wobrauschek P., Simon R., Thaler H.W., Roschger P., Klaushofer K., Streli C. Spatial distribution of the trace elements zinc, strontium and lead in human bone tissue. Bone. 2013. Vol. 57 (1). P. 184-193.

Размещено на allbest.ru