medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2018-97-7-604-608medlit-597Research ArticleГИГИЕНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫENVIRONMENTAL HYGIENEЭкспериментальное исследование действия низких концентраций фтора на уровень белков семейства hsp в тканяхExperimental study of the impact of low fluorine concentrations on the tissue level of HSP family proteinshttps://orcid.org/0000-0002-4797-7842ЖуковаАнна ГеннадьевнаZhukovaAnna G.

Доктор биол. наук, зав. лаб. медико-генетических исследований, НИИ комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний, 654041, Новокузнецк, Россия.

e-mail: nyura_g@mail.ru

MD, Ph.D., DSci., head of the Laboratory for medical and genetic researches, Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases, Novokuznetsk, 654041, Russian Federation.

e-mail: nyura_g@mail.ru

nyura_g@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0545-631XГороховаЛ. Г.GorokhovaL. G.noemail@neicon.ruКиселёваА. В.KiselevaA. V.noemail@neicon.ruСазонтоваТ. Г.SazontovaT. G.noemail@neicon.ruМихайловаН. Н.MikhailovaN. N.noemail@neicon.ruФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»; Новокузнецкий институт (филиал) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет»Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases; Novokuznetsk Institute (Branch) of FSBEI HE “Kemerovo State University”ГБУЗ «Новокузнецкий клинический онкологический диспансер»Novokuznetsk Clinical Oncology CentreФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»M.V. Lomonosov Moscow State University201820102020977604608Copyright © Жукова А.Г., Горохова Л.Г., Киселёва А.В., Сазонтова Т.Г., Михайлова Н.Н., 20202020Жукова А.Г., Горохова Л.Г., Киселёва А.В., Сазонтова Т.Г., Михайлова Н.Н.Zhukova A.G., Gorokhova L.G., Kiseleva A.V., Sazontova T.G., Mikhailova N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/597Введение

Введение. Соединения фтора в высоких концентрациях оказывают токсическое действие не только на костную ткань, но и на сердце, печень, почки и головной мозг. В реализации ответа на токсические дозы фтора участвуют белки семейства HSP (Heat Shock Proteins), регулирующие внутриклеточный и тканевой гомеостаз при различных стрессорных воздействиях. Токсическое действие высоких концентраций фтора, механизмы которого раскрыты при флюорозе, может реализоваться и на уровне значительно ниже токсического. В литературе имеется мало данных об особенностях действия низких концентраций фтора на тканевом и клеточном уровнях. 

Цель исследования — изучить в эксперименте действие низких концентраций фтора на уровень белков семейства HSP в тканях головного мозга и печени лабораторных животных. 

Материал и методы

Материал и методы. Эксперименты проведены на 60 белых крысах-самцах массой 200–250 г одного возраста. Крысы были разделены на 2 группы: контрольную группу и группу животных с воздействием фторида натрия (NaF) в течение 6 недель (в концентрации 10 мг/л, что соответствовало суточной дозе фтора 1,2 мг/кг массы тела). В тканях головного мозга и печени определяли уровень белков семейства HSP (Heat shock proteins) — индуцибельных HSP72 и HSP32 (гем-оксигеназы-1), активность свободнорадикальных процессов и антиоксидантных ферментов — супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы. 

Результаты

Результаты. Показана важная роль стресс-индуцибельного белка HSP72 в защите мозга от повреждений, вызываемых длительным действием низких концентраций фтора. В печени защитную роль от фтористого воздействия играет белок с антиоксидантными свойствами HSP32. На тканевом уровне установлено удлинение сроков развития хронической фтористой интоксикации при поступлении в организм низких концентраций фтора. Высокочувствительным органом к накоплению фтора является печень, в которой выявлены значительные повреждения.

Introduction

Introduction. Fluoride in high concentrations has a toxic effect not only on bone tissue but also on the heart, liver, kidneys, and brain. In the implementation of the response to toxic doses of fluorine the proteins of the HSP family are involved regulating intracellular and tissue homeostasis under various stress effects. The toxic effect of high fluorine concentrations the mechanisms of which are disclosed in fluorosis can be realized and at a level significantly lower than a toxic one. In the literature, there is little data on the peculiarities of the effects of low fluorine concentrations at the tissue and cellular levels.

The aim of the study

The aim of the study. To investigate the impact of low fluorine concentrations on the tissue level of HSP family proteins in the brain and liver of laboratory animals.

Material and methods

Material and methods. The experiments were carried out on 60 white male rats of the same age weighing 200-250 g. The rats were divided into 2 groups: the control and the group of the animals exposed to sodium fluoride (NaF) within 6 weeks (at a concentration of 10 mg/l corresponding to the daily fluorine dose of 1.2 mg/kg per body weight). We determined the level of inducible HSP72 and HSP32 (heme-oxygenase-1) referred to proteins of HSP family (Heat shock proteins), the activity of free radical processes and antioxidant enzymes (superoxide dismutase (SOD) and catalase) in the brain and liver tissues.

Results

Results. The important role of stress-inducible HSP72 protein in protecting the brain from the damage caused by the prolonged exposure to low fluorine concentrations was shown. In the liver, a protective role against fluoride exposure is played by the protein HSP32 with antioxidant properties. At the tissue level, the prolongation of the terms of the development of chronic fluoride intoxication with low fluorine concentrations was revealed. In the liver appeared to be the highly sensitive organ to the fluorine accumulation, the significant lesion was detected.

низкие концентрации фтораголовной мозгпеченьHSP72HSP32супероксиддисмутазакаталазасвободнорадикальное окислениеlow fluorine concentrationsbrainliverHSP72HSP32superoxide dismutasecatalasefree radical oxidationReferencesАгалакова Н.И., Гусев Г.П. Влияние неорганических соединений фтора на живые организмы различного филогенетического уровня. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2011; 47 (5): 337-47Agalakova N.I., Gusev G.P. Effect of inorganic fluoride on living organisms of different phylogenetic level. Zhurnal evolyutsionnoy biokhimii i fiziologii. 2011; 47 (5): 337-47. (in Russian)Cicek E., Aydin G., Akdogan M., Okutan H. Effects of chronic ingestion of sodium fluoride on myocardium in a second generation of rats. Hum. Exp. Toxicol. 2005; 24 (2): 79-87.Cicek E., Aydin G., Akdogan M., Okutan H. Effects of chronic ingestion of sodium fluoride on myocardium in a second generation of rats. Hum. Exp. Toxicol. 2005; 24(2): 79-87.Chouhan S., Lomash V., Flora S.J.S. Fluoride-induced changes in haem biosynthesis pathway, neurological variables and tissue histopathology of rats. J. Appl. Toxicol. 2010; 30 (1): 63-73.Chouhan S., Lomash V., Flora S.J.S. Fluoride-induced changes in haem biosynthesis pathway, neurological variables and tissue histopathology of rats. J. Appl. Toxicol. 2010; 30 (1): 63-73.Barbier O., Arreola-Mendoza L., Del Razo L.M. Molecular mechanisms of fluoride toxicity. Chem. Biol. Interact. 2010; 188 (2): 319-33. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2010.07.011Barbier O., Arreola-Mendoza L., Del Razo L.M. Molecular mechanisms of fluoride toxicity. Chem. Biol. Interact. 2010; 188(2): 319-33. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2010.07.011Шалина Т.И., Васильева Л.С. Общие вопросы токсического действия фтора. Сибирский медицинский журнал. 2009; 88 (5): 5-9Shalina T.I., Vasilyeva L.S. General problems of toxic effect of fluorine. Sibirskiy meditsinskiy zhurnal. 2009; 88 (5): 5-9. (in Russian)Lee M., Arikawa K., Nagahama F. Micromolar levels of sodium fluoride promote osteoblast differentiation through Runx2 signaling. Biol. Trace Elem. Res. 2017. https://doi.org/10.1007/s12011-017-0930-5Lee M., Arikawa K., Nagahama F. Micromolar levels of sodium fluoride promote osteoblast differentiation through Runx2 signaling. Biol. Trace Elem. Res. 2017. https://doi.org/10.1007/s12011-017-0930-5Zhou Z., Wang H., Zheng B., Han Zh., Chen Ya., Ma Yan. A rat experimental study of the relationship between fluoride exposure and sensitive biomarkers. Biol. Trace Elem. Res. 2017; 180 (1): 100-9.Zhou Z., Wang H., Zheng B., Han Zh., Chen Ya., Ma Yan. A rat experimental study of the relationship between fluoride exposure and sensitive biomarkers. Biol. Trace Elem. Res. 2017; 180 (1): 100-9.Panneerselvam L., Raghundth A., Perumal E. Differential expression of myocardial heat shock proteins in rats acutely exposed to fluoride. Cell Stress & Chaperones. 2017; 22 (5): 743-50.Panneerselvam L., Raghundth A., Perumal E. Differential expression of myocardial heat shock proteins in rats acutely exposed to fluoride. Cell Stress & Chaperones. 2017; 22 (5): 743-50.Рослый О.Ф., Гурвич В.Б., Плотко Э.Г., Кузьмин С.В., Федорук А.А., Рослая Н.А. и др. Актуальные вопросы гигиены в алюминиевой промышленности России. Медицина труда и промышленная экология. 2012; (11): 8-12.Rosly O.F., Gurvich V.B., Plotko E.G., Kuzmin S.V., Fedoruk A.A., Roslaya N.A. et al. Emerging issues concerning hygiene in the Russian aluminum industry. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2012; (11): 8-12. (in Russian)Рослая Н.А., Лихачева Е.И., Оранский И.Е., Одинокая В.А., Плотко Э.Г., Жовтяк Е.П. и др. Клинико-патогенетические особенности хронической профессиональной интоксикации соединениями фтора в современных условиях. Медицина труда и промышленная экология. 2012; (11): 17-22.Roslaya N.A., Likhachyova E.I., Oransky I.E., Odinokaya V.A., Plotko E.G., Zhovtyak E.P. et al. Clinical and pathogenetic aspects of the chronic occupational intoxication with fluorine compounds in modern reality. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2012; (11): 17-22. (in Russian)Fridovich I. Superoxide radical and superoxide dismutases. Accounts Chem. Res. 1972; 5: 321-6. https://doi.org/10.1021/ar50058a001Fridovich I. Superoxide radical and superoxide dismutases. Accounts Chem. Res. 1972; 5: 321-6. https://doi.org/10.1021/ar50058a001Luck H. Catalase. In: Bergmeyer H.U., ed. Methods of enzymatic analysis. New York: Verlag-Chemie Academic Press; 1963: 885-88.Luck H. Catalase. In: Bergmeyer H.U., ed. Methods of enzymatic analysis. New York: Verlag-Chemie Academic Press; 1963: 885-88.Архипенко Ю.В., Диденко В.В., Сазонтова Т.Г., Меерсон Ф.З. Сравнительная оценка влияния иммобилизационного стресса на динамику устойчивости к индукции перекисного окисления липидов внутренних органов и головного мозга. Доклады АН СССР. 1989; 304 (6): 1500-03.Archipenko Yu.V., Didenko V.V., Sazontova T.G., Meerson F.Z. Comparative evaluation of the effect of immobilization stress on the dynamics of resistance to induction of lipid peroxidation of internal organs and brain. Doklady AN SSSR. 1989; 304 (6): 1500-503. (in Russian)Ланкин В.З., Тихазе А.К., Коновалова Г.Г. и др. Концентрационная инверсия антиоксидантного и прооксидантного действия β-каротина в тканях in vivo. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1999; 128 (9): 314-8.Lankin V.Z., Tikhaze A.K., Konovalova G.G. et al. Concentration inversion of antioxidant and prooxidant action of β-carotene in tissues in vivo. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 1999; 128(9): 314-8. (in Russian)Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. Anal. Biochem. 1979; 95 (2): 351-8.Ohkawa H., Ohishi N., Yagi K. Assay for lipid peroxides in animal tissues by thiobarbituric acid reaction. Anal. Biochem. 1979; 95(2): 351-8.Kikugava K., Kojima T., Yamaki S. et al. Interpretation of the thiobarbituric acid reactivity of rat liver and brain homogenates in the presence of ferric ion and ethylenediaminetetraacetic acid. Anal. Biochem. 1992; 202: 249-55.Kikugava K., Kojima T., Yamaki S. et al. Interpretation of the thiobarbituric acid reactivity of rat liver and brain homogenates in the presence of ferric ion and ethylenediaminetetraacetic acid. Anal. Biochem. 1992; 202: 249-55.Reddy K.P., Sailaja G., Krishnaiah C. Protective effects of selenium on fluoride induced alterations in certain enzymes in brain of mice. J Environ Biol. 2009; 30 (5 Suppl.): 859-64.Reddy K.P., Sailaja G., Krishnaiah C. Protective effects of selenium on fluoride induced alterations in certain enzymes in brain of mice. J Environ Biol. 2009; 30 (5 Suppl.): 859-64.Chattopadhyay A., Podder S., Agarwal S. Fluoride-induced histopathology and synthesis of stress protein in liver and kidney of mice. Arch Toxicol. 2010; 85 (4): 327-35.Chattopadhyay A., Podder S., Agarwal S. Fluoride-induced histopathology and synthesis of stress protein in liver and kidney of mice. Arch Toxicol. 2010; 85 (4): 327-35.Chen Q., Wang Z., Xiong Y., Xue W., Kao X., Gao Y. et al. Selenium increases expression of HSP70 and antioxidant enzymes to lesser oxidative damage in Fincoal-type fluorosis. J. Toxicol. Sci. 2009; 34 (4): 399-405.Chen Q., Wang Z., Xiong Y., Xue W., Kao X., Gao Y. et al. Selenium increases expression of HSP70 and antioxidant enzymes to lesser oxidative damage in Fincoal-type fluorosis. J. Toxicol. Sci. 2009; 34(4): 399-405.Basha M.P., Sujitha N.S. Chronic fluoride toxicity and myocardial damage: antioxidant offered protection in second generation rats. Toxicol. Int. 2011; 18 (2): 99-104.Basha M.P., Sujitha N.S. Chronic fluoride toxicity and myocardial damage: antioxidant offered protection in second generation rats. Toxicol. Int. 2011; 18 (2): 99-104.Жукова А.Г., Алёхина Д.А., Сазонтова Т.Г. и др. Механизмы внутриклеточной защиты и активность свободнорадикального окисления в миокарде крыс в динамике хронической фтористой интоксикации. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2013; Т.156 (8):190-94.Zhukova A.G., Alekhina D.A., Sazontova T.G. et al. Mechanisms of intracellular defense and activity of free radical oxidation in rat myocardium in the dynamics of chronic fluorine intoxication. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2013; 156 (2): 224-7. (in Russian)Андреева Л.И., Бойкова А.А., Маргулис Б.А. Особенности внутриклеточного содержания и функциональная роль белков теплового шока семейства 70 кДа при стрессе и адаптации. Технологии живых систем. 2009; Т.6 (3): 11-7.Andreeva L.I., Boykova A.A., Margulis B.A. Peculiarities of intracellular content and functional role of heat shock proteins 70 kDa under stress and adaptation. Tekhnologii zhivykh sistem. 2009; 6 (3): 11-7. (in Russian)Тараканов И.А., Тихомирова Л.Н., Жукова А.Г., Сафонов В.А. Устойчивость нервной ткани ствола мозга к свободнорадикальному окислению у крыс при периодическом дыхании после введения оксибутирата. Патол. физиол. и экспер. терапия. 2013; 4: 21-5.Tarakanov I.A., Tikhomirova L.N., Zhukova A.G., Safonov V.A. The resistance of low brainstem tissue to free radical oxidation in rats during periodic breathing following hydroxybutyrate treatment. Patol Fiziol Eksp Ter. 2013; (4): 21-5. (in Russian)Reddy P.H., Reddy T.P., Manczak M. et al. Dynamin-Related Protein 1 and Mitochondrial Fragmentation in Neurodegenerative Diseases. Brain Res. Rev. 2011; 67(1-2): 103-18. https://doi.org/10.1016/j.brainresrev.2010.11.004Reddy P.H., Reddy T.P., Manczak M. et al. Dynamin-Related Protein 1 and Mitochondrial Fragmentation in Neurodegenerative Diseases. Brain Res. Rev. 2011; 67(1-2): 103-18. https://doi.org/10.1016/j.brainresrev.2010.11.004Tarakanov I.A., Tikhomirova L.N., Zhukova A.G., Safina N.F. Pro- and Antioxidant Systems in the Lower Portion of Rat Brainstem during Hydroxybutyrate-Induced Pathological Periodic Breathing. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2016; 162 (1):14-7.Tarakanov I.A., Tikhomirova L.N., Zhukova A.G., Safina N.F. Pro- and Antioxidant Systems in the Lower Portion of Rat Brainstem during Hydroxybutyrate-Induced Pathological Periodic Breathing. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2016; 162(1): 14-7.Zhukova A.G., Sazontova T.G. Hemeoxygenase: function, regulation, biological role. Hypoxia Medical Journal. 2004; 12 (3): 30-43.Zhukova A.G., Sazontova T.G. Hemeoxygenase: function, regulation, biological role. Hypoxia Medical Journal. 2004; 12(3): 30-43.Евдонин А.Л., Медведева Н.В. Внеклеточный белок теплового шока 70 и его функции. Цитология. 2009; Т.51 (2): 130-7Evdonin A.L., Medvedeva N.D. The extracellular heat shock protein 70 and its functions. Cytology. 2009; 51(2): 130-7. (in Russian)Hong J-M., Lee S-M. Heme oxygenase-1 protects liver against ischemia/reperfusion injury via phosphoglycerate mutase family member 5-mediated mitochondrial quality control. Life Sciences. 2018; (200): 94-104. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2018.03.017Hong J-M., Lee S-M. Heme oxygenase-1 protects liver against ischemia/reperfusion injury via phosphoglycerate mutase family member 5-mediated mitochondrial quality control. Life Sciences. 2018; (200): 94-104. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2018.03.017Жукова А.Г., Михайлова Н.Н., Ядыкина Т.К., Алехина Д.А., Горохова Л.Г., Романенко Д.В. и др. Экспериментальные исследования внутриклеточных защитных механизмов печени в развитии хронической фтористой интоксикации. Медицина труда и промышленная экология. 2016; (5): 21-4.Zhukova A.G., Mikhailova N.N., Yadykina T.K., Alekhina D.A., Gorokhova L.G., Romanenko D.V. et al. Experimental studies of intracellular liver protective mechanisms in development of chronic fluorine intoxication. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2016; (5): 21-4. (in Russian)Алехина Д.А., Жукова А.Г., Сазонтова Т.Г. Влияние малых доз неорганических соединений фтора на уровень свободнорадикального окисления и внутриклеточных защитных систем в сердце, лёгких и печени. Технологии живых систем. 2016; 13 (6): 49-56.Alekhina D.A., Zhukova A.G., Sazontova T.G. Low dose of fluoride influences to free radical oxidation and intracellular protective systems in heart, lung and liver. Technologies of living systems. 2016; 13(6): 49-56. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.