Хронічний вплив кадмію та міді на гістологічну структуру тонкої кишки ембріонів щурів в експерименті

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хронічний вплив кадмію та міді на гістологічну структуру тонкої кишки ембріонів щурів в експерименті

Шаторна В.Ф., Тимчук К.М.

Анотація

На сьогодні є актуальним вивчення та пошук нових мікроелементів, що являються біоантагоніс- тами, відносно токсичності та накопичення сполук кадмію в організмі. Дослідження біотехнологіч- них препаратів, до складу яких входять мікроелементи у формі сукцинатів, є перспективним у наш час, тому що застосовуються в медико-біологічних експериментальних роботах та все більше використовуються у фармації. Метою експерименту було дослідити зміни в морфогенезі тонкої кишки у ембріонів щурів при ізольованому внутрішньошлунковому введенні хлориду кадмію та при комбінованому введенні з сукцинатом міді вагітним самицям в хронічному експерименті. Вплив досліджуваних чинників самицям щурів проводили щоденно впродовж вагітності введенням розчину внутрішньошлунково в дозі 2,0 мг/кг. Хронічний щоденний вплив на вагітну самицю хлоридом кадмію призводить до змін в структурі тонкої кишки ембріонів, які визначаються вже 13-тій добі експерименту і стають більш виразні на 19-ту добу. В порівнянні до показників контрольної групи, при впливі кадмієм у ембріонів зменшується товщина стінки тонкої кишки та збільшується діаметр ворсин слизової оболонки кишки. На досліджуваних термінах експерименту, у ембріонів щурів в и- значалась відсутність крипт слизової оболонки. Комбіноване введення хлориду кадмію з сукцинатом міді призводить до відновлення більшості досліджуваних показників гістологічної будови тонкої кишки ембріонів щура в експерименті на обох досліджуваних термінах. Таким чином, аналіз отриманих даних довів, що вплив ізольованого введення хлориду кадмію призводить до достовірного потовщення ворсин тонкої кишки та витончення стінок слизової оболонки в порівнянні до контролю, а при комбінованому введенні хлориду кадмію з сукцинатами міді показники товщини слизового шару стінки тонкої кишки ембріонів мали тенденцію відновлення до даних контрольної групи. Отримані дані дозволяють розглядати сукцинат міді в якості біоантагоніста хлорида кадмію при внутрішньошлунковому введенні в зазначених дозах в експерименті на щурах.

Ключові слова: кадмій, мідь, важкі метали, тонка кишка, ембріони щурів.

Summary

Dnipro State Medical University

CHRONIC EFFECT OF CADMIUM AND COPPER EXPOSURE ON THE HISTOLOGICAL STRUCTURE OF THE SMALL INTESTINE IN RAT EMBRYOS Shatorna V.F., Tymchuk K.M.

Key words: cadmium, copper, heavy metals, small intestine, rat embryos.

The search for bioantagonistic elements that mitigate cadmium toxicity and accumulation in the body is a pressing area of research. In this context, investigating the potential of trace element succinates holds promise, given their increasing application in medicine, biological experimentation, and pharmaceutical development.

This study aimed to evaluate the effects of chronic, isolated intragastric administration of cadmium chloride, and its combined administration with copper succinate, on the small intestine morphogenesis in developing rat embryos. Pregnant rats were exposed daily throughout pregnancy by oral gavage with solutions containing the respective agents at a dose of 2.0 mg/kg. Chronic daily exposure of pregnant rats to cadmium chloride via gavage resulted in structural alterations in the small intestine of embryos, evident as early as day 13 and becoming more pronounced by day 19. Compared to controls, cadmium exposure led to a thinner small intestine wall and a larger villus diameter in the intestinal mucosa. Notably, mucosal crypts were absent in the cadmium-exposed group at both time points. Conversely, the combined administration of cadmium chloride with copper succinate significantly restored most of the investigated histological parameters in the small intestine of embryos at both study days. Thus, the analysis of the obtained data has proven the effect of the isolated introduction of cadmium chloride leads to a reliable thickening of the villi of the small intestine and thinning of the mucosal walls in comparison to the control, and with the combined introduction of cadmium chloride with copper succinates, the indicators of the thickness of the mucous layer of the wall of the small intestine of the embryos had a tendency recovery to control group data. The obtained data allow us to consider copper succinate as a bioantagonist of cadmium chloride when administered intragastrically in the indicated doses in an experiment on rats.

Вступ

Поміж хімічних речовин, які забруднюють навколишнє середовище важкі метали та їх сполуки утворюють особливу групу токсикантів, що мають негативний вплив на довкілля та живі організми, в тому числі й на саму людину. Збільшенню концентрації важких металів в оточуючому середовищі сприяють викиди підприємств, які пов'язані з їхнім видобуванням, збагаченням і використанням, а також автотранспорт та різні техногенні катастрофи [1].

До важких металів глобальних антропогенних забруднювачів віднесений кадмій. Реальна загроза забруднення біосфери сполуками кадмію обумовлена стійкістю, розчинністю в атмосферних опадах, здатністю до сорбції ґрунтом, рослинами, донними відкладеннями, що призводить до поступового накопичення їх у середовищі існування людини та тварин, та створює загрозу для її здоров'я [2]. При надходженні у організм значної кількості кадмію створюється дефіцит металотіонеїнів, що призводить до накопичення вільної форми важкого металу і викликає порушення обміну речовин у живих організмах. мікроелемент кадмій організм кишка

Пошук біоантагоністів токсичності кадмію проводиться дослідниками різних країн досить активно. Серед сучасних біоелементів стали розглядатись і досліджуватись ноноформи цитратів та сукцинатів різних елементів [3]. Активно досліджуються цитрати та сукцинати цинку, кальцію, міді. Мідь (Cu) - є одним із важливих незамінних мікроелементів, які необхідні для нормальної життєдіяльності живих організмів [4].

Токсичність важких металів залежить від тривалості дії, концентрації, температури, насиченості води киснем та інших факторів. А токсична дія хімічних елементів пов'язана з їхньою всмоктуваністю у шлунково-кишковому тракті організмів [5]. На сьогодні, не дивлячись на великий обсяг морфологічних робіт, щодо особливостей структур травного тракту залишається низка питань, про розуміння змін стінки тонкої кишки та будови ворсин при внутрішньошлунковому хронічному введенні солей кадмію та при комбінованому введенні з сукцинатами міді [6]. Але вплив сполук кадмію на морфогенез та органогенез травного тракту є малодослідженою галуззю, у експериментальній морфології та у медицині.

Мета експерименту

Визначити зміни гістологічної будови тонкої кишки ембріонів білих щурів при ізольованому впливі хлоридом кадмію (2,0 мг/кг) та при комбінованому введенні з сукцинатом міді (0,1 мг/кг) в хронічному експерименті на вагітних самицях щурів.

Об'єкт і методи дослідження

Есперимент було проведено на 48 самицях щурів лінії Wistar (розплідник «Далі 2000» м.Київ), маса яких складає 180-300 г. Відповідно до умов та вимог проведення ембріональних експериментів, ми забезпечили повноцінний харчовий раціон, воду для пиття і ретельний догляд піддослідних тварин. Для проведення досліду отримували самиць з датованим терміном вагітності. Розчини вводили ентеральним шляхом, раз на добу, з першого дня вагітності: І група - контроль, ІІ група - введення розчину кадмій хлориду в дозі 2,0 мг/кг - група ізольованого введення кадмію, та ІІІ - група комбінованого введення хлориду кадмію, у дозі 2,0 мг/кг, разом з сукцинатом міді у дозі 0,1мг/кг. Розчин хлориду кадмію був іонної форми, а розчин сукцинату міді - наноаквахелатної. Для проведення експериментальної частини, нами було обрано низьку дозу хлориду кадмію, що відтворює реальну концентрацію в добових раціонах жінок, й у тому числі і вагітних, що мешкають у промислових регіонах. Ембріонів оперативно вилучали з матки для дослідження впливу металів на тонку кишку на 13-тій та 19-тій добі вагітності самиці.

У ембріонів вимірювали та порівнювали з контролем наступні показники структур тонкої кишки:

товщина тонкої кишки, товщина слизового шару тонкої кишки (мкм), М±т,

діаметр ворсинки тонкої кишки (мкм), М±т

Дослідження виконувались у відповідності до принципів Хельсінкської декларації, прийнятої Генеральною асамблеєю Всесвітньої медичної асоціації (2000р.), Конвенції Ради Європи з прав людини та біомедицини (1997р.), відповідних положень ВООЗ, Міжнародної ради медичних наукових товариств, Міжнародного кодексу медичної етики (1983р.), «Загальним етичним принципам експериментів над тваринами», що затверджені І Національним конгресом з біоети- ки (Київ, 2001р.) згідно з положеннями «Європейської конвенції по захисту хребетних тварин, що використовуються в експериментах та інших навчальних цілях» (Страсбург, 18.03.1986р.).

Для отримання цифрових зображень з подальшим обчисленням розмірів структур тонкої кишки використовувалася камера для світлової мікроскопії ZEISS Axiocam ERc 5s з адаптером P95-C 1/2" 0,5х, приєднана до мікроскопу Primo Star компанії ZEISS.

Отримані результати обробляли методом варіаційної статистики з використанням програми «Microsoft Excel». Оцінку вірогідності статистичних досліджень проводили за допомогою t- критерію Ст'юдента, відмінності між групами вважалися достовірними при значенні p<0,05.

Результати дослідження

Основні органи травної системи утворюються у процесі розвитку ембріональної кишкової трубки ентодермального походження, яка спочатку сліпо закінчується на головному та хвостовому кінцях тіла зародка. Первинна кишка служить джерелом розвитку одношарового епітелію шлунку, тонкої та початкового відділу товстої кишок, печінки та підшлункової залози. Сполучнотканинні та гладеньком'язові структури органів травлення формуються з мезенхіми, а серозні оболонки - з вісцерального листка спланхното- му. Вплив негативної дії ксенобіотиків під час ранніх етапів ембріонального розвитку може призвести до порушень формоутворюючих процесів травного тракту. Тому на 13-ту добу ембріогенезу нами фіксувались цілі ембріони, які заливались у парапласт і виготовлялись гістотопо- графічні зрізи. Для досягнення поставленої мети, ми вивчали можливі порушення та зміни в гістологічній будові стінки кишки при впливі хлоридом кадмію у порівнянні до контролю.

На гістотопографічних зрізах черевної порожнини кишечника більшу частину порожнини займає печінка, яка виконує на цей час кровотворну функцію. Частки печінки відокремлені, під ними розташована закладка шлунку та частина середньої кишки, з якої розвивається тонка кишка ембріона. Порожнина тонкої кишки ще містить вторинні порожнини після процесу облітерації просвіту кишки багаторядним епітелієм. Злиття чисельних вторинних порожнин сформує в подальшому розвитку порожнину кишки, а мезоде- рмальні клітини стануть провізорними структурами, з яких в подальшому сформуються ворсини кишки. Ширина тонкої кишки в контрольній групі становила 86,48±3,52 мкм, а в групі впливу хлоридом кадмію зростала до 101,63±4,51 мкм. Різниця мала достовірність р<0,05. Таким чином, на 13-ту добу експерименту вплив кадмієм на організм вагітної самиці призводив до збільшення показників ширини тонкої кишки ембріонів. В групі комбінованого введення хлориду кадмію та сукцинату міді ширина тонкої кишки становила 89,73±2,48 мкм, що свідчить про позитивну динаміку показників. На цьому етапі розвитку травного тракту ворсини тонкої кишки не сформовані й на фото не визначаються.

Тонка кишка на ранніх етапах органогенезу у щура складається з щільного шару епітеліальних клітин слизової оболонки та товстого шару мезенхімних клітин, які на даному терміні 13-тої доби ембріонального розвитку розташовані пухко і займають значну площу. Порівняння товщини слизової оболонки тонкої кишки на 13-тій добі ембріогенезу в контрольній та кадмієвій групах показало наступне. В контрольній групі товщина слизової оболонки становить 24,87±1,43 мкм і представлена видовженими стовбчастими клітинами з чіткими ядрами. В групі кадмієвого впливу товщина слизового шару достовірно збільшувалась (р<0,05) до 31,29±1,71 мкм, щільність розташування самих клітин зменшувалась. В групі комбінованого введення хлориду кадмію та сукцинату міді відмічається відновлення показнику товщини слизового шару стінки тонкої кишки ембріонів (27,9±1,04 мкм), тобто наближення до даних контрольної групи.

Таким чином, вже на 13-тій добі ембріонального розвитку визначались зміни у формоутво- рюючих процесах тонкої кишки ембріонів при впливі кадмієм на вагітну самицю. Комбіноване введення хлориду кадмію з сукцинатом міді призводить до зменшення негативного впливу кадмію на гістологічні показники формоутворюючих процесів тонкої кишки ембріонів в експерименті на щурах.

На 19-ту добу ембріогенезу у фіксованих ембріонів видаляли кишечник разом зі шлунком, відсікали шлунок та відділи товстої кишки, а зразки тонкої кишки заливали в парапласт для подальших гістологічних досліджень. Петлі тонкої кишки були добре сформовані, вкриті очеревиною, зовнішніх вад розвитку кишечника не визначалось у ембріонів, що опосередковано пережили вплив кадмієм під час експерименту.

На гістологічних препаратах тонкої кишки визначалась добре сформована стінка з усіма шарами і вже формуються ворсинки (рис.1). Нами проводилось на гістологічних препаратах вимірювання товщині стінки та діаметру ворсини тонкої кишки ембріонів щурів, які опосередковано підлягали впливу хлориду кадмію через хронічну інтоксикацію самиць для порівняння з контрольними показниками.

В контрольній групі товщина стінки тонкої кишки на 19-ту добу ембріогенезу становила 68,28±3,07 мкм, а при впливі кадмієм спостерігалось витончення стінки до 48,11±4,63 мкм, тобто, опосередкований вплив кадмію на розвиток ембріона та органогенез травної системи наприкінці ембріогенезу призводив до достовірного (р<0,05) зменшення показника товщини стінки тонкої кишки. В групі комбінованого впливу даний показник також мав тенденцію відновлення ближче до контрольних даних і становив 57,97±3,63 мкм, тобто сукцинат міді мав модифікуючий вплив на досліджувані показники, незважаючи на продовження введення кадмію.

При цьому в групі впливу кадмієм змінювався діаметр ворсини слизової оболонки тонкої кишки. В контрольній групі середній показник діаметру становив 31,74±3,72 мкм, а при впливі кадмієм визначалось потовщення до 41,81±4, 63 мкм. В групі комбінованого впливу збільшувався діаметр ворсини тонкої кишки ембріонів до 52,27±4, 38 мкм, що мало також достовірну різницю і з групою ізольованого введення хлориду кадмію (р<0,05) і з контрольними показниками (р<0,001).

Ворсини тонкої кишки на цьому терміні дослідження не є остаточно сформованими, вкриті одношаровим епітелієм, в просвіті ворсини розвивається гемомікроциркуляторне русло. При впливі хлоридом кадмію визначалась велика різноманітність форми ворсин тонкої кишки з вмістом значної кількості мезенхімних клітин всередині та на верхівці ворсини (рис.1) на відміну від контролю (рис.2).

Рисунок. 1. Мікрофото зрізу тонкої кишки щура групи введення хлориду кадмію на 19-тій добі експерименту. Фарбування гематоксилін-еозин. Збільшення10х10.

Зовнішній шар епітеліальної тканини ворсин тонкої кишки містить локації скупчення та розпушеного розташування клітин. На цьому терміні дослідження крипти слизової оболонки не сформовані, відсутні, фактично на момент народження (20-21 доба) ми не визначали крипт тонкої кишки ні в контрольній групі, ні в експериментальних (рис.2).

Таким чином, хронічний щоденний вплив на вагітну самицю хлоридом кадмію призводить до змін в структурі тонкої кишки ембріонів. В порів нянні до показників контрольної групи, при впливі кадмієм у ембріонів зменшується товщина стінки тонкої кишки та збільшується діаметр ворсин слизової оболонки кишки.

Рисунок. 2. Мікрофото зрізу ворсинок тонкої кишки щура контрольної групи на 19-тій добі експерименту.

Фарбування гематоксилін-еозин. Збільшення: 40х10.

Обговорення одержаних результатів

В роботах дослідників, які мали за мету визначення морфофізіологічних змін в гістологічній будові тонкої кишки за умов впливу важкими металами доведено, що під час введення токси- кантів у слизовій оболонці тонкої кишки виявляються дистрофічні зміни в усіх її структурних складових, які наростають до 14-ї доби експерименту. Сполучна тканина власної пластинки слизової оболонки тонкої кишки і підслизової основи містила набряки, кровоносні судини були повнокровні. Вираженою є лімфоплазмоцитарна інфільтрація, у стінці капілярів визначаються ознаки пригнічення їх проникності. У м'язовій оболонці гладкі міоцити змінені незначною мірою, а серозна оболонка звичайної будови [7]. Перераховані ознаки зміни морфофункціональ- ної структури тонкої кишки можуть бути наслідком тих змін, що виявлялись нами в наших ембріологічних дослідженнях опосередкованого впливу на ембріон через інтоксикацію вагітної самиці.

Робіт, в яких визначався вплив кадмію на вагітну самицю та провоковане цим введенням порушення органогенезу травної системи нами в сучасній літературі нами не виявлено.

Висновки

Хронічний щоденний вплив на вагітну самицю хлоридом кадмію призводить до змін в структурі тонкої кишки ембріонів, які визначаються вже 13-тій добі експерименту і стають більш виразні на 19-ту добу. В порівнянні до показників контрольної групи, при впливі кадмієм у ембріонів зменшується товщина стінки тонкої кишки та збільшується діаметр ворсинок слизової оболонки кишки.

На 13-ту добу експерименту ширина тонкої кишки ембріонів в контрольній групі становила 86,48±3,52 мкмк, а в групі впливу хлоридом кадмію зростала до 101,63±4,51 мкм. Різниця мала достовірність р<0,05. Введення хлориду кадмію призводило також і до збільшення товщини слизового шару до 31,29 мкмк, в порівнянні до контрольної групи (24,87мкм).

На досліджуваних термінах експерименту, у ембріонів щурів визначалась відсутність крипт слизової оболонки.

Комбіноване введення хлориду кадмію з сукцинатом міді призводить до відновлення більшості досліджуваних показників гістологічної будови тонкої кишки ембріонів щура в експерименті на обох досліджуваних термінах. Отримані дані дозволяють розглядати сукцинат міді в якості біоантагоніста кадмію при внутрішньошлун- ковому введенні в зазначених дозах в експерименті на щурах.

Перспективи подальших досліджень

Актуальним на наш погляд, є виявлення та порівняння ступеня накопичення кадмію в тонкій кишці ембріонів методом поліелементного аналізу та проведення гістологічних досліджень тонкого кишечника ембріонів, що допоможе мати потенційні біоантогоністичні властивості щодо токсичності та впливу сполук кадмію на морфогенез тонкої кишки.

Особистий внесок авторів

Усі автори сприяли збору, аналізу та інтерпретації даних, критично передивляючись їх та остаточно затверджуючи версію, яка має бути опублікована. Усі автори прочитали та погодились з опублікованою версією рукопису.

Конфлікт інтересів

Автори статті підтверджують відсутність конфлікту інтересів.

Внесок авторів

Шаторна В.Ф. - концепція та дизайн; адміністративна підтримка; надання матеріалів для дослідження; остаточне затвердження рукопису. Тимчук К.М. - збір та узагальнення даних; аналіз та інтерпретація результатів; написання рукопису; редагування рукопису.

References

1. Shatorna V, Kononova I, Rudenko K. Investigation of the effect of cadmium and kuprum on the digestive system of living organisms (literature review).

2. Khyzhnyak SV. Funktsionuvannya klityn pry kadmiyeviy intoksykatsiyi [Cell functioning during cadmium intoxication]. Suchasni problemy toksykolohiyi. 2009; 1:54-58. (Ukrainian).

3. Hnatyk OY. Metabolichni zminy v orhanakh shchuriv za umov svyntsevo-kadmiyevykh toksykoziv ta yikh korektsiya hepatoprotektoramy [Metabolic changes in the organs of rats under conditions of lead-cadmium toxicosis and their correction with hepatoprotectors] ] [dissertation]. L'viv, Lviv National Medical University named after Danylo Halytskyi; 2008. 18р. (Ukrainian).

4. Rudenko KM. Znyzhennya stupenyu embriotoksychnosti khlorydu kadmiyu pry kombinovanomu vvedenni z suktsynatom midi v eksperymenti na shchurakh [Reducing the stage of embryonic toxicity of cadmium chloride when administered in combination with succinates in experiments on rats]. Visnyk problem biolohiyi i medytsyny. 2020;4:68-73. (Ukrainian).

5. Dyel'tsova OI, Herashchenko SB, Hryshchuk MI. Morfofunktsional'ni zminy pechinky i tonkoyi kyshky pid vplyvom khlorydu kadmiyu [Morpho-functional changes in the liver and small intestine under the infusion of cadmium chloride]. Svit medytsyny ta biolohiyi. 2005;1:11-16. (Ukrainian).

6. Paranyak RP, Vasyl'tseva LP, Makukh KHI. Shlyakhy nadkhodzhennya vazhkykh metaliv v dovkillya ta yikh vplyv na zhyvi orhanizmy [Ways of heavy metals into the environment and their influence on living organisms]. Biolohiya tvaryn. 2007;9:83-89. (Ukrainian).

7. Hryshchuk M. I. Strukturni zminy slyzovoyi obolonky tonkoyi kyshky za umov vplyvu kadmiyu ta pestytsydu 2,4-D [Structural changes of the mucous membrane of the small intestine under conditions of exposure to cadmium and the pesticide 2,4-D]. Shpytal'na khirurhiya. 2012;3:80-83. (Ukrainian).

Размещено на Allbest.ru