Содержание микроэлементов (МЭ) в здоровом организме, его органах и тканях поддерживается в определенных границах. Баланс МЭ обусловлен их важной ролью в процессах жизнедеятельности. Они участвуют в многочисленных процессах комплексообразования с природными лигандами, такими как нуклеиновые кислоты, углеводы, пептиды, белки, витамины, гормоны, и обеспечивают их биологические функции [6]. Нарушения баланса МЭ в организме играют значимую роль в этиологии и патогенезе многих заболеваний [2]. Показана важная роль МЭ в развитии сахарного диабета [15], особенно второго типа [9, 14], и нарушений толерантности к глюкозе [14]. Особый интерес к МЭ при сахарном диабете обусловлен применением МЭ для разработки новых методов лечения сахарного диабета [15]. Значимость МЭ в патогенезе сахарного диабета и его осложнений обусловлена антиоксидантными свойствами, которые МЭ проявляют в связанном с ферментами системы антиоксидантной защиты виде [8, 13, 15]. Такая взаимосвязь антиоксидантного и микроэлементого статусов важна для понимания роли МЭ в патогенезе различных заболеваний [4], поскольку по современным представлениям именно окислительный стресс играет ключевую роль в развитии патологических процессов в организме [3].
Нарушения баланса МЭ при сахарном диабете проявляются в разнонаправленных изменениях содержания отдельных МЭ в крови и тканях [10, 14]. Это позволяет предположить связь изменений содержания МЭ либо с тяжестью заболевания, либо с действием каких-либо дополнительных факторов. В качестве таких модифицирующих микроэлементный баланс факторов при диабете могут выступать сочетанные патологические процессы, например воспаление. Хорошо известна высокая подверженность больных сахарным диабетом инфекционным и неинфекционным воспалительным заболеваниям.
Цель исследования: изучить содержание микроэлементов - меди, цинка, марганца, молибдена, в тканях печени и легкого крыс с аллоксановым диабетом после индукции воспаления внутривенным введением микрочастиц SiO2.
Материал и методы исследования
Работу проводили на половозрелых крысах-самцах породы Вистар. Животных содержали в одиночных клетках на стандартных кормах и со свободным доступом к воде. Во время эксперимента крыс разделили на 4 группы - контрольную и три подопытные. В контрольной группе были интактные животные. У крыс 1-й подопытной группы вызвали аллоксановый диабет путем однократного внутрибрюшинного введения раствора аллоксана, разведенного в 0,85 % водном растворе NaCl, в дозе 17 мг/100 г массы тела. Крысам 2-й подопытной группы однократно в хвостовую вену ввели суспензию микрочастиц диоксида кремния (SiO2) марки «S-563» (Sigma) с размером 1-5 мкм в 0,85 % водном растворе NaCl в дозе 10 мг/100 г массы тела, моделируя тем самым гранулематозное воспаление [7]. Крысам 3-й подопытной группы суспензию микрочастиц SiO2 ввели через 8 суток после введения аллоксана на фоне развившегося заболевания. Животных 1-й группы вывели из эксперимента через 9 суток после введения аллоксана, животных 2-й и 3-й групп - через 1 и 4 суток после введения микрочастиц SiO2. На всех сроках наблюдения в группах было по 5 животных. Формирование аллоксанового диабета у крыс подтверждали измерением в сыворотке крови содержания глюкозы ферментативным методом с использованием наборов «GLU» фирмы «BioCon». Ткань печени и легкого (по 1 г) забирали в пластиковые чашки Петри, высушивали до постоянного веса в термостате при 40 °С и хранили в пластиковых контейнерах. Содержание кремния (Si), цинка (Zn), меди (Cu), марганца (Mn) и молибдена (Mo) в высушенных образцах определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с возбуждением спектров в двухструйной дуговой плазме высокой мощности. Метод не требует предварительного растворения образца, что минимизирует потери элементов и риск загрязнения пробы. Результаты выражали в мкг МЭ на 1 г сухого веса ткани.
Статистическую обработку результатов проводили методом дисперсионного анализа с использованием критерия Краскела-Уоллиса для множественных и непараметрического критерия Манна-Уитни для парных сравнений. Вероятность справедливости нулевой гипотезы принимали при 5 % уровне значимости (р < 0,05). В таблице и тексте результаты представлены как среднее и ошибка среднего (M ± m), при изложении результатов по содержанию в тканях Si - как медиана и интерквартильный размах (в скобках).
Результаты исследования и их обсуждение
Содержание глюкозы в сыворотке крови крыс контрольной группы составило 6,2 ± 0,1 ммоль/л; крыс 1-й подопыт- ной группы с аллоксановым диабетом - 27,4 ± 4,3 ммоль/л (р < 0,01 по сравнению с величиной показателя у крыс контрольной группы); крыс 2-й группы - 6,4 ± 0,3 и 6,8 ± 0,2 ммоль/л через 1 и 4 суток после введения микрочастиц SiO2; крыс 3-й группы - 30,7 ± 5,3 и 25,1 ± 2,3 ммоль/л через 1 и 4 суток после введения микрочастиц SiO2 на фоне аллоксанового диабета (для обеих величин р < 0,01 по сравнению со значениями показателя у крыс контрольной и 2-й подопытной групп). Следовательно, введение аллоксана вызывает стойкое повышение содержания глюкозы, что позволяет говорить о развитии заболевания, моделирующего сахарный диабет 1 типа. Введение микрочастиц SiO2 не вызывает дополнительного изменения величин содержания глюкозы в сыворотке крови ни у крыс 2-й, ни у крыс 3-й подопытных групп относительно их исходных значений.
Медианы концентрации Si в тканях печени и легкого животных контрольной группы (фоновые уровни) составили 15 (12-19) и 18 (15-22) мкг/г; у крыс 1-й подопытной группы с аллоксановым диабетом - 14 (11-17) и 21 (18-24) мкг/г соответственно. Медианы концентрации Si в тканях печени и легкого животных 2-й группы через 1 сутки после введения микрочастиц SiO2 составили 897 (75-900) и 423 (48-975) мкг/г, р < 0,01 относительно величин соответствующих показателей у крыс контрольной группы, а через 4 суток - 453 (12-1112) и 144 (18-330) мкг/г соответственно. Медианы концентрации Si в тканях печени и легкого животных 3-й группы через 1 сутки после введения микрочастиц SiO2 на фоне аллоксанового диабета составили 409 (16-980) и 851 (52-2020) мкг/г, а через 4 суток - 660 (12-1308) и 556 (26-1350) мкг/г, р < 0,05 для содержания Si в тканях легкого через 1 и 4 суток относительно величины соответствующего показателя у крыс контрольной группы.
Таким образом, концентрация Si в тканях печени и легкого здоровых и крыс с диабетом через 1 сутки после внутривенного введения микрочастиц SiO2 увеличилась в несколько раз, что свидетельствует о поступлении в них микрочастиц диоксида кремния. Небиодеградабельные микрочастицы SiO2 в печени и легком поглощаются резидентными макрофагами, часть из которых гибнет, а часть инициирует формирование гранулем [7], способствуя тем самым развитию гранулематозного воспаления. Высвобождающиеся микрочастицы SiO2 могут быть повторно фагоцитированы или преимущественно выведены из организ- ма [2]. Именно поэтому уже через 4 суток после инъекции SiO2 содержание Si в печени и легком у здоровых животных снижается по сравнению с первыми сутками; у крыс с аллоксановым диабетом такого снижения не отмечено, что может быть обусловлено нарушениями процессов выведения при диабете.
В таблице представлены результаты измерения содержания МЭ в тканях печени и легкого через 1 и 4 суток после введения микрочастиц SiO2 здоровым или крысам с аллоксановым диабетом. У крыс 1-й группы с диабетом резко изменилось содержание изученных МЭ. По сравнению с величиной соответствующего показателя у животных контрольной группы, у крыс с диабетом содержание Zn в печени выросло в 4,6 раза, в легком - 4,0 раза; Cu - в 3,0 и 1,7; Mn - в 1,6 и 1,8; Mo - в 3,7 и 4,5 раза соответственно. Полученные сведения согласуются с результатами других авторов, которые выявили накопление Cu, Zn и Mn в печени и других тканях крыс с диабетом. Они объясняют накопление МЭ с экспрессией Zn-, Cu-, Mn-содержащих супероксиддисмутаз и металлотионеинов, и расценивают его как защиту от действия окислительного стресса [8, 11]. Повышение содержания Мо в печени и легком крыс с диабетом можно объяснить активацией Мо-содержащих оксидаз при окислительном стрессе [12].
Содержание микроэлементов (мкг/г) в тканях печени и легкого после введения микрочастиц SiO2 здоровым крысам и животным с аллоксановым диабетом (М ± m)
|
Микроэлемент |
Сутки после введения SiO2 |
Здоровые крысы |
Крысы с аллоксановым диабетом |
Здоровые крысы |
Крысы с аллоксановым диабетом |
|
Печень |
Легкое |
||||
|
Zn |
0 |
50 ± 6 |
233 ± 9* |
52 ± 4 |
207 ± 22 * |
|
1 |
60 ± 3 |
130 ± 11* |
62 ± 3 |
127 ± 12 * |
|
|
4 |
58 ± 10 |
102 ± 4* |
76 ± 9 |
98 ± 12 |
|
|
р |
|
0-1,4 < 0,05 1-4 < 0,05 |
|
0-1,4 < 0,05
|
|
|
Cu |
0 |
11,6 ± 1,2 |
35,3 ± 2,8* |
5,5 ± 0,5 |
9,2 ± 0,8 * |
|
1 |
13,4 ± 0,5 |
13,0 ± 0,6 |
7,2 ± 1,2 |
10,8 ± 0,6 |
|
|
4 |
13,7 ± 1,6 |
14,6 ± 0,7 |
6,9 ± 0,4 |
7,6 ± 0,9 |
|
|
р |
|
0-1,4 < 0,05 |
|
|
|
|
Mn |
0 |
11,8 ± 0,8 |
18,7 ± 1,8 * |
1,35 ± 0,18 |
2,40 ± 0,15* |
|
1 |
8,5 ± 0,4 |
8,3 ± 0,3 |
1,38 ± 0,13 |
1,32 ± 0,10 |
|
|
4 |
9,9 ± 0,9 |
9,5 ± 0,8 |
1,30 ± 0,28 |
1,20 ± 0,05 |
|
|
р |
|
0-1,4 < 0,05 |
|
0-1,4 < 0,05 |
|
|
Mo |
0 |
3,4 ± 0,5 |
12,7 ± 2,2* |
1,15 ± 0,27 |
5,20 ± 0,60* |
|
1 |
3,0 ± 0,4 |
3,2 ± 0,2 |
0,58 ± 0,06 |
1,57 ± 0,69 |
|
|
4 |
3,3 ± 0,4 |
4,1 ± 0,3 |
0,58 ± 0,08 |
1,06 ± 0,61 |
|
|
р |
|
0-1,4 < 0,05 |
|
0-1,4 < 0,05 |
|
Примечание. * - р < 0,05 по сравнению с величиной соответствующего показателя у здоровых животных.
Введение крысам микрочастиц SiO2 таких значительных изменений содержания изучаемых МЭ в тканях печени и легкого, как при аллоксановом диабете, не вызвало (см. таблицу), хотя на аналогичной экспериментальной модели было выявлено нарастание активности в этих тканях процессов перекисного окисления липидов [1]. Через 1 и 4 суток после введения SiO2 отмечены тенденции к повышению содержания в тканях печени и легкого Zn и Cu, снижению в ткани печени содержания Mn, а легкого - Мо.
Инициация процессов воспаления введением микрочастиц SiO2 крысам с аллоксановым диабетом (3-я группа) вызвала выраженные изменения содержания МЭ в тканях. В ткани печени крыс с диабетом через 1 сутки после введения SiO2 в 1,8 раза снизилось содержание Zn, в 2,7 раза - Cu, в 2,2 раз - Mn и в 4 раза - Мо; через 4 суток дополнительных изменений величин этих показателей не было. Только концентрация Zn осталась выше контрольного значения как через 1, так и через 4 суток после введения SiO2 крысам с диабетом. Аналогичная, хотя и менее выраженная, динамика изменения содержания МЭ была отмечена в ткани легкого (см. таблицу).
Показано, что Zn является основным МЭ, который входит в активный центр металлотионинов, внутриклеточных цистеин-богатых белков, которые играют важную роль в регуляции гомеостаза металлов в тканях и выступают, как антиоксиданты широкого спектра действия, предотвращающие окислительное разрушение клеток [8]. По мнению специалистов, важной характеристикой микроэлементного статуса является не только абсолютное содержание МЭ, но и их соотношение [4]. Так, авторами показано, что чем выше коэффициент Zn/Cu, тем устойчивее система антиоксидантной защиты. В наших исследованиях значение этого коэффициента было практически одинаковым для двух группы крыс - контрольной и 2-й подопытной (введение здоровым крысам микрочастиц SiO2): 4,2-4,5 для печени и 8,6-11 для легкого. У крыс с аллоксановым диабетом величина отношения Zn/Cu увеличилась для тканей печени и легкого в 1,5 и 2 раза, что указывает на преимущественное протекание антиоксидантных реакций. После введения животным с аллоксановым диабетом микрочастиц SiO2, несмотря на снижение абсолютного содержания указанных МЭ в печени и легком, величина отношения Zn/Cu осталась повышенной, особенно для печени. Результаты позволяют говорить о поддержании активности систем антиоксидантной защиты в тканях печени и легкого крыс с аллоксановым диабетом даже в условиях дополнительной индукции прооксидантных реакций при воспалении.
Заключение
У животных с аллоксановым диабетом отмечено перераспределение МЭ между их оборотными и резервными пулами. В тканях печени и легкого накапливаются МЭ, участвующие в составе металлолигандных комплексов в реакциях окислительного стресса и антиоксидантной защиты. Индукция воспаления внутривенным введением микрочастиц SiO2 здоровым крысам меняет металлолигандный гомеостаз в значительно меньшей степени, чем диабет, при этом направленность изменений концентрации МЭ в тканях имеет определенную специфику. Так, если содержание Zn и Cu в тканях печени и легкого, как и при диабете, повышается, то Mn и Мо - либо не меняется, либо снижается. Индукция воспаления у крыс с аллоксановым диабетом способствует снижению концентраций всех изученных МЭ и возвращению их величин до уровней, характерных для значений у контрольных животных, за исключением Zn, концентрация которого остается повышенной как в ткани печени, так и легкого. Можно предположить, что подобные изменения содержания МЭ в тканях отражают снижение активности окислительного стресса. Если это предположение справедливо, то воспаление, индуцируемое введением микрочастиц SiO2, будет вызывать позитивные сдвиги метаболизма у крыс с диабетом. В статье, опубликованной нами ранее [5], было показано, что на поздних сроках аллоксанового диабета у крыс, которым индуцировали воспаление введением микрочастиц SiO2, содержание глюкозы в крови уменьшалось до величин, более низких, чем у крыс с диабетом. Вопрос о механизмах подобного эффекта остается открытым.
Рецензенты:
-
Усынин И.Ф., д.б.н., зав. лабораторией молекулярной биологии клетки ФГБУ «НИИ биохимии» Сибирского отделения РАМН, г. Новосибирск.
-
Лушникова Е.Л., д.б.н., профессор, зав. лабораторией цитологии и клеточной биологии ФГБУ «НИИ региональной патологии и патоморфологии» Сибирского отделения РАМН, г. Новосибирск.
Работа поступила в редакцию 03.02.2012.