Особенности распределения кадмия в организме в условиях субхронической интоксикации

Введение

Биогеохимическое преобразование окружающей среды в результате деятельности человека приводит к накоплению тяжёлых металлов в почве, атмосферном воздухе, воде, растениях [1–3]. Кадмий является одним из приоритетных экополлютантов. Основные пути поступления кадмия в организм человека связаны с миграцией по цепям питания, из атмосферного воздуха при дыхании, в процессе курения [1, 4]. Далее в организме кадмий перераспределяется по различным органам с последующей детоксикацией и аккумуляцией [1, 5]. Длительный биологический период полураспада в сочетании с высокой токсичностью, отсутствием физиологических механизмов выведения может создавать риски для здоровья населения [6].

Негативное воздействие кадмия затрагивает практически все органы и системы человека [1, 7, 8], а особенности накопления зависят от вида, пола, возраста и состояния организма [9]. Дефицит или избыток элементов в составе пищи может приводить к усилению всасывания кадмия [10]. Эффекты кадмия в организме определяются способом поступления, дозой и продолжительностью воздействия [11]. Высокие дозы приводят к апоптозу клеток, а субхронические и хронические активируют адаптивные механизмы к внешней среде [6, 12]. Распределение Cd по органам варьирует в зависимости от дозы и соединения, поступающего в организм [10]. Аккумуляция в биологических средах зависит от наличия эффективных механизмов клеточного транспорта и лигандов (тиоловые группы, металлотионеины, альбумины и др.) [10]. В исследованиях рассматривается действие Cd на основные органы-мишени модельных животных – печень и почки [13]. При этом недостаточно сведений об особенностях динамики накопления кадмия в течение периода интоксикации в органах-мишенях, а также других биологических средах. В качестве токсиканта преимущественно используется хлорид кадмия [13]. Пероральное введение Cd отражает естественный путь поступления его как экополлютанта в организм человека и учитывает особенности всасывания различными органами.

Изучение динамики распределения кадмия в организме модельных животных при субхронической интоксикации позволит выявить наиболее уязвимые органы и системы с целью разработки оптимальных стратегий профилактики для снижения риска развития неблагоприятных последствий для здоровья, а также поможет разработке новых подходов к мониторингу и контролю содержания этого элемента в биологических объектах.

Цель исследования – изучение динамики содержания кадмия в различных органах модельных животных при субхроническом пероральном поступлении.

Материалы и методы

Эксперимент проводили на базе экспериментально-биологической клиники при ФГБОУ ВО КГМУ Минздрава России. Использовали восьминедельных крыс-самцов линии Wistar массой тела 220–230 г. Животных содержали в индивидуальных клетках в стандартных условиях. Доступ к корму и к питьевой воде не был ограничен. Экспериментальные крысы в течение 28 дней получали в составе с питьевой водой дигидрат ацетата кадмия (кадмий уксуснокислый двуводный, ч.д.а., 99,5%, CAS-номер 5743-04-4, Россия) в дозе 1/50 LD₅₀ (LD₅₀ = 360 мг/кг). В последующие 28 дней животных переводили на обычную питьевую воду. Группы контрольных крыс получали обычную питьевую воду в течение всего периода исследования. Каждая группа животных состояла из 10 особей. Концентрация кадмия в обычной питьевой воде и корме была ниже предела обнаружения. Животных выводили из эксперимента на 7-й, 14-й, 21-й, 28-й и 56-й дни путём эвтаназии эфирным наркозом.

Распределение кадмия анализировали в ротовой жидкости, подчелюстных слюнных железах, тканях десны, твёрдых тканях пародонта, тонком и толстом кишечнике, печени, плазме, эритроцитарной массе, подчелюстных лимфатических узлах, селезёнке, лёгких, почках, семенниках, сердце, грудине, головном мозге, шерсти. Нестимулированную ротовую жидкость (V = 50 мкл) собирали у живых крыс дозатором пипеточным JoanLab (ДПАОП-1-10-100 JoanLab, «Ленпипет Thermo Scientific», Россия), центрифугировали 20 мин при 1500 об./мин (ротор F-45-12-11; MiniSpin, Германия). Забор крови производили из правого желудочка сердца, центрифугировали 15 мин (3000 об./мин, ротор F-45-12-11; MiniSpin, Германия) при температуре плюс 4 °С для получения плазмы и эритроцитарной массы. Сбор шерсти осуществляли с участка спины животного ниже проекции лопаток (S = 1 см²) медицинскими ножницами с последующим обезжириванием ацетоном. Органы извлекали, промывали физиологическим раствором и использовали для приготовления гомогенатов. Содержание кадмия в образцах определяли в предварительно полученном минерализате атомно-адсорбционным методом («КВАНТ-2АТ», Россия) в режиме абсорбции с помощью спектральных ламп ЛТ-6М (λ = 228,8 нм), выражали в мкг/мл или мкг/г. Атомизацию осуществляли в пламени «ацетилен – воздух».

Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Statistica 13.0 (StatSoft, США). Для определения типа распределения содержания кадмия в органах применяли критерий Шапиро – Уилка, для сравнения независимых выборок – критерий Манна – Уитни. Статистическая значимость определена при p < 0,05.

Результаты

Содержание кадмия в биологических средах представлено в таблице. Концентрация Cd в различных тканях и органах контрольных животных незначительна и варьирует: наибольшее количество содержится в почках (0,459–0,486 мкг/г), тканях толстого кишечника (0,37–0,395 мкг/г) и эритроцитарной массе (0,326–0,366 мкг/мл), наименьшее – в сердце (0,042–0,045 мкг/г), плазме (0,051–0,06 мкг/мл), подчелюстных лимфатических узлах (0,076–0,08 мкг/г).

Поступление кадмия в дозе 1/50 LD₅₀ с питьевой водой приводит к увеличению его содержания по сравнению с контролем во всех исследуемых биологических средах. При этом отмечается специфичность в динамике накопления Cd в разных тканях и органах. Повышенное содержание через 7 дней интоксикации отмечается во всех исследуемых образцах тканей и органах (p < 0,05) за исключением тканей десны (p = 0,9097) и головного мозга (p = 0,3075). Значительно возрастает содержание Cd в печени (в 8,1 раза), тканях тонкого кишечника (в 4,64 раза), семенниках (в 4,11 раза), грудине (в 3,58 раза), почках (в 3,5 раза), плазме (в 3 раза), лёгких (в 2,48 раза) и шерсти (в 2,33 раза). Через 14 дней интоксикации превышение концентрации кадмия по сравнению с контролем регистрируется во всех исследуемых биологических средах, при этом в большей степени – в печени (11,11 раза), плазме (7,55 раза), стенке тонкого кишечника (6,55 раза), почках (6,64 раза). В лёгких наблюдается снижение количества кадмия по сравнению с 7-м днём и превышение показателя контроля в 1,81 раза. На 21-й день интоксикации максимальное увеличение отмечается в печени (11,82 раза), плазме (7,92 раза), почках (7,3 раза) и стенке тонкого кишечника (7,17 раза). На 28-й день интоксикации аккумуляторами кадмия в наибольшей степени также являются печень, тонкий кишечник, почки и плазма, при этом отмечается перераспределение показателей прироста: в 14,27 раза увеличивается содержание в печени, в 10,27 раза – в тонком кишечнике, в 9,64 раза – в почках и в 8,41 раза – в плазме.

На основе анализа динамики содержания кадмия при субхронической интоксикации можно выделить группы тканей и органов по специфичности накопления элемента (см. рисунок).

В большинстве тканей и органов наблюдается непрерывное увеличение содержания кадмия в течение всего эксперимента с максимумом на 28-й день интоксикации: печень (на 1367%), тонкий кишечник (на 943%), почки (на 857%), плазма (на 800%), подчелюстные лимфатические узлы (на 376%), головной мозг (на 350%), ротовая жидкость (на 122,2%), твёрдые ткани пародонта (на 69,23%), ткани десны (на 41,41%). Для тканей толстого кишечника и сердца на протяжении 28 дней интоксикации характерна незначительная вариабельность повышенного содержания кадмия: на 24,32–45,95% для толстого кишечника, на 75–86,5% для сердца. В лёгких максимальное увеличение концентрации кадмия регистрируется на 7-й день интоксикации (на 148%), в дальнейшем происходит снижение, на 28-й день прирост составляет 47,62%. В подчелюстных слюнных железах наиболее значимое увеличение содержания кадмия отмечается на 14-й день интоксикации (на 61,9%). В тканях селезёнки и грудине максимальное увеличение выявлено с 14-го по 28-й дни интоксикации: на 222–239% в селезёнке и на 442–485% в грудине. Максимальный прирост содержания Cd на 21-й день с сохранением высокого уровня до окончания интоксикации наблюдали в эритроцитах (на 145–147%), семенниках (на 373–400%) и шерсти (на 339–378%) крыс.

На основе анализа процентного изменения содержания кадмия в биологических средах по отношению к контролю можно выделить следующие группы органов и тканей: 1) с выраженным накоплением (более чем на 500%) – печень, тонкий кишечник, почки и плазма; 2) со средним уровнем накопления (более чем на 300%) – грудина, головной мозг, семенники, подчелюстные лимфатические узлы, шерсть; 3) с незначительным накоплением (менее 300%) – ротовая жидкость, подчелюстные слюнные железы, ткани десны, толстый кишечник, эритроциты, селезёнка, сердце, лёгкие.

После прекращения поступления кадмия его количество снижается до уровня, не отличающегося от контрольных животных, в подчелюстных слюнных железах (p = 0,4274), головном мозге (p = 0,1041), лёгких (p = 0,1405). В стенке толстого кишечника и сердце по истечении восстановительного периода содержание кадмия сохраняется на уровне 28-го дня интоксикации (p = 0,162 и p = 0,7338 соответственно). В остальных исследуемых биосредах после прекращения дополнительной нагрузки кадмием его количество снижается, но не достигает тех же значений, что и у животных контрольной группы.

Обсуждение

Длительное поступление небольших доз кадмия с питьевой водой сопровождается его избирательным накоплением в различных органах и тканях животных [14]. Вариабельность накопления кадмия биологическими субстратами может быть обусловлена особенностями их анатомического строения, физиологических процессов, механизмов транспорта элементов и поддержания гомеостаза, процессов биотрансформации ксенобиотиков [15].

При пероральном поступлении кадмий всасывается преимущественно в двенадцатиперстной кишке и проксимальном отделе тощей кишки [16]. Наибольшая концентрация в энтероцитах всех типов клеточных транспортёров (ABC-транспортёров, ZIP, DMT1, TPP-переносчиков) [16], участвующих в переносе кадмия, может объяснять значительное накопление его в стенке тонкого кишечника в течение всего периода интоксикации и снижение количества практически до уровня контрольных животных после прекращения поступления извне. Кадмий легко образует комплексы с тиолсодержащими биомолекулами и в виде конъюгата этих лигандов также поглощается энтероцитами. Более выраженное увеличение содержания кадмия на 7-й день интоксикации в стенке тонкого кишечника крыс по сравнению с плазмой и почками может быть обусловлено дозозависимостью всасывания: при низких дозах большая часть локализуется в эпителии кишечника, а по мере увеличения поступления снижается способность клеток удерживать Cd, и большая его часть проникает через эпителиальную мембрану и усваивается другими органами [17]. Хорошая регенерационная способность эпителиоцитов, возможно, объясняет более выраженную способность энтероцитов восстанавливать гомеостаз кадмия по сравнению с другими органами-мишенями.

Высокое содержание кадмия в плазме в течение всего периода интоксикации может быть обусловлено выводом его из энтероцитов в портальную кровь посредством базолатеральных белков АВС-транспортёров в виде комплексов с различными лигандами (металлотионеином, бета-2-микроглобулином, альбумином, иммуноглобулином G, липокалином-2, глутатионом) [15]. Остаточный кадмий в плазме способен поглощаться эритроцитами [15, 17], что, возможно, объясняет его более высокое содержание в клетках крови по сравнению с плазмой как у контрольных, так и у экспериментальных животных, а также более выраженный прирост лишь на 21-й день интоксикации.

Металлотионеинам принадлежит существенная роль в распределении кадмия в отдельных тканях и органах посредством кровообращения [13, 19]. Активно поглощаясь гепатоцитами через систему клеточных транспортёров в виде конъюгатов с биомолекулами, Cd индуцирует синтез металлотионеинов и в связанном виде аккумулируется в печени [16]. Способность комплекса «кадмий – металлотионеин» к фильтрации в почечных клубочках и реабсорбции в клетках проксимальных канальцев приводит к стимулированию синтеза металлотионеинов почках и соответственно к повышению концентрации кадмия [19]. Печень и почки являются основными мишенями и аккумуляторами кадмия при его поступлении с питьевой водой и пищей [17, 20]. Таким образом, значительное накопление Cd в печени и почках в течение всего периода интоксикации и медленное снижение содержания после прекращения поступления может быть обусловлено индукцией синтеза металлотионеинов с последующим комплексообразованием Cd-MT [18]. Более выраженное увеличение количества кадмия в печени по сравнению с почками указывает на хроническое воздействие низких уровней элемента, тогда как обратное соотношение свидетельствует об остром влиянии высоких доз [14, 17].

Длительное пероральное воздействие кадмия подавляет всасывание кальция в кишечнике и способствует дегенерации костной ткани [6, 17]. Замещение кадмием кальция в костной ткани, возможно, объясняет превышение в пять раз содержания в грудине экспериментальных крыс Cd по сравнению с контролем с 14-го дня интоксикации и незначительное его снижение после прекращения поступления металла. Однако в твёрдых тканях пародонта наблюдается менее выраженное накопление Cd, что может быть связано с более развитыми системами элиминации.

Критическим органом при хронической интоксикации кадмием у самцов могут выступать семенники [1, 16, 17, 21, 22]. Поступление кадмия в клетки семенников связывают с имитацией цинка в клеточных транспортёрах и образованием тиоловых конъюгатов [16]. Максимальное накопление уже через 21-й день интоксикации с последующим сохранением высокого уровня в последующие дни, возможно, обусловлено насыщением цинковых транспортёров [16].

Эффекты иммуномодуляции или иммуносупрессии кадмием могут быть обусловлены способностью кадмия накапливаться в клетках лимфатических узлов [23].

Токсическое действие кадмия в различных органах и тканях обусловлено их аккумулирующей способностью по отношению к кадмию, интенсивностью обменных процессов и наличием системы переносчиков, обеспечивающих поступление Cd в клетки и перераспределение его в организме.

Заключение

Длительное воздействие на организм потенциально токсичных веществ в количествах, недостаточных для гибели или острых последствий, может приводить к негативным эффектам. Сродство кадмия к различным биологическим средам характеризуется значительной вариабельностью в течение всего периода интоксикации. Для большинства тканей и органов содержание кадмия при дополнительной нагрузке возрастает в течение всего периода интоксикации, при этом печень, тонкий кишечник, почки и плазма выступают в качестве аккумуляторов. В лёгких и слюнных железах максимальное увеличение содержания кадмия отмечается в начальные периоды интоксикации, затем наблюдается снижение. В тканях толстого кишечника и сердца концентрация Cd сохраняется практически на одном уровне в течение периода поступления извне. Прекращение поступления приводит к восстановлению уровня Cd до контрольных значений в подчелюстных слюнных железах, головном мозге и лёгких, сохранению на уровне последнего дня интоксикации в стенке толстого кишечника и сердце, снижению без достижения значений контроля во всех остальных биологических средах.

Наиболее вероятным индикатором интоксикации кадмием организма животного служит концентрация в тканях печени, а в качестве дополнительного информационного показателя, отражающего уровень воздействия, – содержание в почках и соотношение количества металла в печени и почках.