2 курс / Нормальная физиология / Физиологические_основы_жизнедеятельности_человека_в_экстремальных

ных факторов (резкие перепады электромагнитного поля Земли, повышенное космическое излучение), но и необычной светопериодикой (полярный день, полярная ночь), бедностью окружающего ландшафта. К природным факторам добавляются социально-экономические: значительная социальная и информационная изоляция, особенно сельских жителей, далекие от комфорта жилищно-бытовые условия, однообразие питания с дефицитом необходимых для организма витаминов и микроэлементов и др. Весь этот сложный комплекс факторов Севера оказывает негативное влияние на здоровье населения, особенно детского (Данишевский Г. М., 1996; Бойко Е. Р., Нильсен О., Бойко С. Г., 2004; Бойко Е. Р., Ткачев А. В., 1995; Кривощеков С. Г., Охотников С. В., 2000).

В настоящее время большое внимание в нормальной жизнедеятельности и адаптации человека и животных придается макро- и микроэлементному гомеостазу. Это связано с важнейшей ролью эссенциальных и других элементов в осуществлении молекулярно-биохимических процессов. Микроэлементы являются составной частью многих белков и участвуют в важнейших биохимических процессах, в частности, выполняют основные функции в свободнорадикальном окислении, окислительно-восстановительных реакциях, тканевом дыхании и т.д. Взаимовлияние, как синергическое, так и антагонистическое, между микроэлементами, их координационная связь с органической матрицей (белки, ферменты, гормоны, витамины) является основополагающим фактором в понимании биологической роли макро- и микроэлементов. По состоянию ионного баланса в биологических жидкостях и тканях можно составить представление о механизме метаболических изменений с участием металлосодержащих молекул (Сусликов В. Л., 2002; Кудрин А. В., Громова О. А., 2006; Скальный А. В., 2004; Кожин А. А., Владимирский Б. М., 2013).

Биологическая система макро- и микроэлементного гомеостаза строго сбалансирована и зависит от стабильности синтеза, конформации, функций белковой матрицы, включающей в себя неорганический компонент, а также и от систем, координирующих их регуляцию. Следовательно, дисбаланс макро- и микроэлементного гомеостаза отражает нарушение структурно-метаболических функций организма в целом. Так, при поиске биохимических маркеров метаболических изменений в крови и органах человека, позволяющих выявить биологические эффекты малых доз облучения, нам удалось установить зависимость между истощением синтеза церулоплазмина (основного оксидазного агента крови, содержащего 90–95% всей плазменной меди) и количеством уль-

трафильтруемой меди, т.е. меди, не локализованной в белке. Радиаци- онно-обусловленный дисбаланс эссенциальных микроэлементов меди и цинка в сыворотке крови формирует изменение микроэлементных взаимосвязей, что является причиной их функциональной переориентации. Показанное нами изменение кинетики цинка позволило выявить наличие лигандов с молекулярной массой более 10 кД в сыворотке крови у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС (Протасова О. В., Максимова И. А., Чепрасов В. Ю., Никифоров А. М., 2001).

Особая группа заболеваний, выделенная в отдельный класс и условно названная «микроэлементозы» (термин впервые введен А. П. Авцыным и соавт. в 1991 г.), характеризуется как «гипомикроэлементозами», т.е. дефицитом, так и «гипермикроэлементозами», т.е. избытком тех или иных элементов и часто связана с природными и техногенными факторами. В современной литературе для обозначения микроэлементозов используется также термин «атомовитозы» (Сусликов В. Л., 2002).

Физико-химические исследования содержания макро- и микроэлементов в сыворотке крови и волосах детей показали, что «микроэлементозы» и повышенное содержание в организме экотоксикантов могут вызывать не только различные анатомо-физиологические отклонения в развитии детей, специфические заболевания, но и нарушения в возрастном становлении психических функций (Сороко С. И., Бурых Э. А., Бекшаев С. С., 2006), снижение общей сопротивляемости организма и способности к адаптации (Агаджанян Н. А., Скальный А. В., Детков В. Ю., 2013). Кроме изучения роли макро- и микроэлементов в обмене веществ, в настоящее время придают большое значение взаимодействию между макро- и микроэлементами в различных биосубстратах при различных заболеваниях и биологических процессах (Мирошников С. В., Нотова С. В., Кван О. В., 2011; Демидов В. А., Лакарова Е. В., Скальная М. Г., Скальный А.В., 2011).

Факты и закономерности, установленные геохимическими и экологическими исследованиями, служат базой профилактики дисбаланса макро- и микроэлементов у человека, животных и растений. О. И. Паршукова и Е. Р. Бойко (2007) показали, что на севере Республики Коми количество лиц с дефицитом селена в сыворотке крови составляет 32% среди женщин и 18% среди мужчин. Обнаружена сезонная и возрастная зависимость содержания селена в организме северян (Паршукова О. И., 2008). Авторы разработали схему коррекции дефицита селена. Однако ее использование на практике показало, что эффективность коррекции существенно зависит от сезона года – она более успешна в марте, ког-

да содержание селена понижено незначительно, чем в июле при существенном снижении селена в сыворотке крови. К сожалению, авторы не дают объяснения этим на первый взгляд парадоксальным фактам и не приводят данных о содержании у этих же лиц йода, хотя и отмечают, что активизация свободных форм тиреоидных гормонов (Т4 и Т3) не зависела от показателей сывороточного селена. В то же время известно, что дефицит йода среди населения Республики Коми имеет распространенный характер. Показано, что биогеохимические и метаболические взаимоотношения между йодом и селеном выстроены таким образом, что дефицит селена обусловливает снижение 5’-деиодиназы и коррекция йодом эндемического зоба и кретинизма в условиях дефицита селена оказывается малоэффективной. Эти взаимоотношения могут влиять и на коррекцию дефицита селена.

О содержании макро- и микроэлементов в организме человека судят по их концентрации в биосубстратах (крови, моче, слюне, волосах, ногтях). Идеальными для скрининговых исследований признаны методики определения элементов в волосах и ногтях. Это связано с тем, что элементный состав крови находится под жестким влиянием систем, регулирующих химический гомеостаз. Показано, что при дефиците многих макро- и микроэлементов в организме их концентрация в крови длительное время поддерживается из депо, в первую очередь из костной ткани. Информативность крови при диагностике хронических воздействий химическими экотоксикантами равнозначна информативности волос, мочи, ногтей (Кубасов Р. В., Горбачев А. Л., Лакарова Е. В., 2011; Элементный …, 2011). Кроме того, макро- и микроэлементный состав крови более динамичен, так как зависит от состава пищи, воды, обменных процессов. Волосы сочетают депонирующее и аккумулирующее свойство и позволяют проводить ретроспективный анализ и прогноз элементного статуса у человека. Волосы лучше, чем такие индикаторные среды, как кровь и моча, хранят информацию о процессах минерального обмена. Элементы, однажды попавшие в волосы, не могут быть включены обратно в метаболизм организма. Волосы характеризуются фиксированной динамикой роста (0,2–0,5 мм в день) и отражают характер минерального обмена за более длительный период. Данные о нормативах содержания макро- и микроэлементов в различных биосубстратах, в том числе и волосах, регламентированы ВОЗ (Кудрин А. В., Громова О. А., 2006; Сусликов В. Л., 2002; Subbioni Е., Vinoia С., Pietra R., 1992).

Несмотря на то, что участие химических элементов в процессах роста и развития млекопитающих хорошо известно, в реальной клинической

практике эти проблемы практически не исследованы. Крайне скудна информация о содержании химических элементов на разных стадиях постнатального развития (Кожин А. А., Владимирский Б. М., 2013). По данным А. В. Скального (2004), около 2/3 взрослых и 1/4 детей в России относится к группе риска по гипоэлементозу по одному или нескольким элементам. В литературе имеется большое количество работ, посвященных изучению макро- и микроэлементного статуса населения в различных регионах России (Ситдиков Ф. Г., Святова H. B., Егерев E. C., 2011; Святова Н. В., Егерев Е. С., Ситдиков Ф. Г., 2013). Выявлены возрастные и половые особенности содержания макро- и микроэлементов в организме человека в средней полосе России (Лысиков Ю. А., 2009). Однако данные о возрастных и половых особенностях элементного баланса детского населения северных регионов малочисленны. Практически отсутствуют данные, полученные у одних и тех же детей в разные годы.

Между тем, описанные особенности и задержки возрастного развития гормональной (Бойко Е. Р., Ткачев А. В., 1995), иммунной (Добродеева Л. К., Жилина Л. П., 2004), нервной систем (Сороко С. И., Бурых Э. А., Бекшаев С. С., 2006; Сороко С. И., Бекшаев С. С., Рожков В. П., 2012) у детей-северян, могут в определенной мере быть связаны с избытком или недостатком в организме тех или иных химических элементов.

Отклонения от биологически допустимого уровня содержания химических элементов в волосах следует рассматривать как показатель срыва адаптационно-приспособительных механизмов и риска повышения заболеваемости (Агаджанян Н. А., Скальный А. В., Детков В. Ю., 2013; Элементный …, 2011).

Отклонения в содержании макро- и микроэлементов, вызванные пищевыми, экологическими, климатогеографическими факторами, представляют особую актуальность для жителей Севера, поскольку могут способствовать раннему формированию функциональных и структурных нарушений в организме (Жестяников А. Л., 2005).

В связи с этим, целью настоящей работы являлось изучение динамики содержания макро- и микроэлементов в организме одних и тех же детей, и подростков европейского севера РФ в разные годы в зависимости от пола и возраста. Данное исследование выполнено совместно с сотрудниками ИХФ им. Н. Н. Семенова РАН И. А. Максимовой и О. В. Протасовой. Всего в исследовании приняли участие 78 сельских школьников в возрасте от 7 до 17 лет, из них 38 девочек и 40 мальчиков. Все исследования проводились на добровольной основе. Протокол исследований

одобрен Комиссией по этике биомедицинских исследований ИЭФБ РАН.

Для оценки макро- и микроэлементного статуса организма детей измеряли содержание Al, Ag, Li, В, Ва, Bi, Са, Cd, Со, Cr, Си, Fe, Ga, In, К, Mg, Mn, Na, Ni, Mo, P, Zn, Se, Tl, Pb, Sr, S, Si в волосах методом атомно-эмис- сионного спектрального анализа с индуктивно связанной аргоновой плазмой. Содержание макро- и микроэлементов измеряли на спектрохимических анализаторах GBC (Австралия) и Spectro-Ciros (Германия). Для калибровочных растворов использовали стандартные растворы ионов металлов для AES-ICP фирмы Merck (США). Подготовка биологического материала проводилась методом минерализации (мокрое озоление) с использованием системы микроволнового разложения Mars-5 (США). Для проведения минерализации использовались реактивы марки Suprapur и Ultrapur фирмы Merk. В качестве контроля использовали стандартные образцы волос, предоставленные фирмой Fluka (CRM 397 European Commission – Joint Research Centre Institute for Reference Materials and Measurement, Belgium). Статистическая оценка данных осуществлялась с помощью пакета компьютерных программ Statistica-6.

Ранее нами было показано, что содержание макро- и микроэлементов в волосах и сыворотке крови у детей Коношского района Архангельской области имеет индивидуальную зависимость и в ряде случаев выходит за рамки референсных значений. Кроме того, у части школьников было обнаружено наличие токсических элементов, превышающее допустимые нормы (Сороко С. И., Бурых Э. А., Бекшаев С. С., 2006). В связи с этим, большой интерес представляла динамика содержания макро- и микроэлементов в организме этих же детей через несколько лет. Результаты этих исследований приведены ниже в виде табл. 13–15.

Так, исследование содержания алюминия в различные сроки в волосах у мальчиков и девочек показало, что концентрация элемента в среднем по всей популяции остается стабильно повышенной по сравнению с допустимыми значениями. Некоторое снижение концентрации алюминия в волосах у детей при повторном обследовании одних и тех же школьников через два года оказалось незначительным (табл. 14, табл. 15) и его уровень по-прежнему у мальчиков был выше, чем у девочек. Более того, при рассмотрении индивидуальных данных у отдельных школьников отмечается значительное увеличение содержания алюминия во втором исследовании (табл. 14).

При первом исследовании выявлено значительное содержание бора, превышающее нормативные значения (табл. 13). При этом у отдельных

Таблица 13

Интервалы нормальных значений макро- и микроэлементов в волосах у детей (мкг/г)

Примечание: Min – нижняя граница нормы, Мах – верхняя граница нормы.

Таблица 14

Средние значения содержания макро- и микроэлементов при первом (I) и повторном, через два года (II) исследовании в волосах у детей, проживающих в Архангельской

области (мкг/г)

Примечание: *полученные значения ниже минимально допустимых, ** полученные значения выше максимально допустимых.

Индивидуальные значения содержания макро- и микроэлементов в волосах у одних и тех же школьников в первый год обследования (I) и через два года (II), (мкг/г)

Примечание: в качестве примера приведены данные только трех школьников (Ш.Е., М.А., Б.А). * Полученные значения ниже минимально допустимых, ** полученные значения выше максимально допустимых.

лиц содержание бора превышало референсные значения более чем в 8 раз (табл. 15, школьник Б. А.). При исследовании через два года содержание этого элемента вернулось к норме. Бор является весьма важным элементом, связанным с обменом калия. Так, у животных, содержащихся на рационе, бедном калием, наступает задержка роста, которая устраняется добавлением бора. Под влиянием повышенного содержания бора в питьевой воде у населения наблюдаются предпатологические нарушения углеводного обмена, которые выражаются изменением активности некоторых ферментов гликолитической цепочки, в частности фруктозы, 1,6-фосфатальдолазы и лактатдегидрогеназы, а также угнетением активности амилазы в сыворотке крови, понижением общего сахара в крови, нарушением овариально-менструального цикла у женщин (Сусликов В. Л., 2002). Причина повышенного содержания бора у отдельных школьников не установлена. Данных о биогеохимической аномалии Коношского района по бору нет.

При первом обследовании отмечалось некоторое превышение содержания висмута, как у девочек, так и у мальчиков. При повторном обследовании через два года этот элемент находился в пределах референсных значений. Следует отметить, что висмут малотоксичный следовой элемент и не является жизненно необходимым. В организм он поступает с пищей и водой, дополнительным источником могут быть косметические средства, зубной пломбировочный материал и некоторые медикаменты. Интоксикация возможна только при длительном воздействии на организм солей висмута в больших количествах (Скальный А. В., 2004). В настоящее время показано, что только количественного определения содержания в биологических средах организма тех или иных макро- и микроэлементов недостаточно, необходима оценка их корреляционных связей, так как активность каждого из них определяется особенностями суммарного эффекта, который может быть, как синергическим, так и антагонистическим. Кроме того, при определенных условиях макро- и микроэлементы могут образовывать нерастворимые комплексы и выводиться из минерального обмена.

Статистический анализ полученных данных выявил высокий коэффициент корреляции (r = 0,878) между концентрациями алюминия и марганца у мальчиков. У девочек метаболизм алюминия характеризуется не только его более низкой концентрацией, но и отсутствием такой корреляционной зависимости. Нужно отметить, что установленные показатели содержания алюминия в волосах у детей, проживающих в Архангельской области, в количественном соотношении вполне сопо-

ставимы с данными, полученными в других регионах, и, следовательно, не являются особенностью биогеохимических условий. Так, повышенный уровень алюминия зарегистрирован у мальчиков (10–16 лет) при проведении эколого-биологического мониторинга минерального статуса учащихся г. Красноярска (Климацкая Л. Г., Меняйло А. В., Шевченко И. Ю., 2003).

На наш взгляд, изучение метаболизма алюминия в организме человека является актуальной задачей. Повышенное содержание этого элемента в биосубстратах практически во всех регионах может быть свидетельством не только нарушения обмена минеральных веществ (фосфорно-кальциевого обмена, усвоения железа), оно может проявляться в функциональных нарушениях нервной системы, изменении иммунологической реактивности. Важной задачей является выявление источников загрязнения алюминием окружающей среды. В настоящее время эта проблема трудноразрешима, так как содержание алюминия в питьевой воде, воздухе, пищевой цепи практически не контролируется.

Результаты исследований содержания свинца, как при первом, так и повторном (через два года) обследовании остаются аналогичными (табл. 14, табл. 15). Уровень свинца в волосах у мальчиков превышает допустимые значения (табл. 16).

Таблица 16

Содержание свинца и кадмия в волосах у детей в разных регионах России, (мкг/г)