МЕХАНІЗМИ ІНТОКСИКАЦІЇ УДК 615.9/546.81:616.057/612.3:001.5 МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ СВИНЦА НА ПИЩЕВАРИТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУС.П. Луговской, к.м.н., Л.А. Легкоступ НИИ медицины труда АМН Украины, г. Киев,
Свинец как глобальный загрязнитель среды Свинец как загрязнитель окружающей среды и классический токсикант продолжает оставаться в центре внимания не только экологов, токсикологов и гигиенистов, но также патологов и клиницистов, представляющих разные области медицины и биологии. Это обусловлено тем, что за сравнительно короткий исторический период содержание этого потенциально токсичного химического вещества (ПТХВ) в окружающей среде увеличилось в десятки и даже сотни раз, а главное, приобрелo глобальный характер. Свидетельством этому служат результаты исследований "возрастных" слоёв арктического льда и многочисленных археологических останков [1, 2]. Свинец и его соединения среди представителей многочисленного класса тяжелый металлов считаются одними из наиболее токсичных. О токсическом действии металла и его соединений на организм человека известно с античных времен. Результаты исследований костных останков древних римлян обнаружили в них высокие концентрации этого металла, что свидетельствует о свинцовом массовом отравлении жителей древнего Рима. В недавней публикации Б.А. Курлянского о направлениях международной деятельности в области химической безопасности особо подчеркивалось, что важнейшим критерием приоритетности служит распространенность химических веществ в окружающей среде. Среди всех классов ПТХВ ведущее место занимают тяжелые металлы, а среди них, в первую очередь, свинец [3]. Общие природные запасы свинца на планете оцениваются в 100 млн. т [4,5]. Из этого естественного источника в окружающую среду ежегодно поступает до 210 тыс. т металла, преимущественно в виде силикатной пыли почвы, вулканического дыма, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли [4]. Воды мирового океана содержат 41,1 млн. т свинца при средней его концентрации в морской воде 0,03 мкг/л. Среднее содержание металла в воде рек колеблется от 0,2 до 8,7 мкг/л, а ежегодный вынос свинца в океан вместе с речными стоками составляет около 37 тыс. т [5]. В современных условиях промышленные предприятия являются одним из ведущих источников антропогенного загрязнения окружающей среды свинцом. Ежегодные техногенные выбросы металла в окружающую среду, в среднем, составляют 400000 т в год [6]. В отдельных индустриально развитых странах (Россия) в окружающую среду ежегодно с промышленными выбросами поступает от 0,6 до 1,4 тыс. т. свинца, со сточными водами — около 0,05 тыс. т., от автотранспорта — около 4 тыс. т. [7]. Установлено, что в непосредственной близости от предприятий черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, нефтехимии, электротехнических предприятий, машиностроения и пр. образуются обширные геохимические провинции с повышенным содержанием этого металла в объектах окружающей среды [7, 8, 9]. В результате водной и воздушной трансгрессии свинцом могут загрязняться территории, находящиеся на значительном расстоянии от источника выбросов. В современной промышленности и быту наиболее часто используются следующие соединения свинца: оксид свинца (свинцовый глет), свинцовый сурик, хромат свинца (крокоит или желтый крон), металлический свинец, свинцовые сплавы и припои, а также органические соединения свинца в виде тетраэтил- и тетраметил свинца. Неорганические соединения металла используются для производства антикоррозионных покрытий и красящих пигментов, лакокрасочной продукции и пр. Металлический свинец и его оксиды используют для производства аккумуляторных батарей и электрических кабелей. Оксиды свинца — в производстве стекла, глазури и полиграфии. Органические соединения металла используют как компоненты антидетонационных присадок к топливу для двигателей внутреннего сгорания [4]. Загрязнение производственной среды свинцом в современных условиях происходит в результате добычи и переработки природного сырья, при выплавке металлического свинца и производстве его сплавов, неорганических и органических соединений, пигментов, красок и пр. Среди производственных и технологических процессов, которые приводят к выбросам свинца во внешнюю среду, особое место занимают процессы дробления и измельчения сырья; плавление и литьё; обрубка, шлифовка и полировка металлоизделий; травление; гальванические процессы и лужение; приготовление шихты и её обжиг; сушка, покраска изделий и многое др. Известно, что в результате производственных процессов, где используется свинец, характерно его воздействие на человека в виде аэрозолей, образующихся вследствие конденсации и окисления паров на воздухе [5, 10, 11]. В объектах внешней среды свинец обычно содержится в питьевой воде в концентрациях от 0,01 до 0,03 мг/л, в атмосферном воздухе — 0,03-0,1 мкг/м3; в почве — 10 мкг/г. При этом среднее содержание свинца в почве обычно коррелирует с его содержанием в органах и тканях диких и домашних животных (печень, почки, легкие, скелет, волосы, от 2,3 до 35 мкг/г), что может рассматриваться как возможное поступление этого металла в организм преимущественно с пищей. Содержание свинца в пищевых продуктах в норме колеблется от 0,02 до 3,0 мг/кг сырой массы [4, 5]. Основными путями поступления свинца в организм человека из объектов внешней среды является ингаляционный путь, вместе с вдыхаемым воздухом и энтеральный путь, с питьевой водой и продуктами питания. При этом техногенные выбросы металла обычно приводят к его многократному повышению в объектах окружающей среды, что часто обуславливает повышение его содержания в продуктах питания [12, 13]. Среднее содержание свинца в организме взрослого человека в норме составляет около 130 мг, из них около 110 мг содержится в скелете. По данным А.И. Войнар, общее поступление свинца в организм человека составляет в среднем 0,4 мг/сутки. Известно, что большая часть металла, от 44 до 100 %, поступает в организм через желудочно-кишечный тракт вместе с продуктами питания. Около 0,01-0,024 мг/сут поступает в организм с питьевой водой [14]. При условии содержания этого металла в атмосферном воздухе городов до 3,0 мкг/м3 его поступление в организм человека через органы дыхания может составить около 0,01-0,1 мг/сут. По данным Л.Р. Ноздрюхиной, в организм человека с пищей поступает 0,22 мг, с водой 0,1 мг и пылью 0,08 мг свинца [15]. Курильщики способны дополнительно потреблять по 1 мкг свинца на 1 выкуренную сигарету, в результате чего концентрация этого металла в крови у них несколько выше, чем у некурящих людей [16]. В растениях, организме животных и человека наряду со стабильным свинцом обнаруживаются и нестабильные изотопы этого металла в виде 210Pb. Установлено, что основным его источником поступления в организм является радон (222Rn), постоянно выделяющийся из почвы. В регионах с нормальным естественным радиационным фоном поступление 210Pb с пищей составляет около 0,11 Бк/сут. Доказано, что с морепродуктами в организм человека способно поступать до 0,36 Бк/сут 210Pb [16, 17]. У жителей континентальных районов северных широт концентрация 210Pb в костной золе в среднем составляет 0,55510-2 Бк/г, что соответствует общему его содержанию в скелете на уровне 14,8 Бк. При этом, около 12,14 Бк 210Pb в скелете накапливается за счет пищи и 2,81 Бк за счет вдыхания из атмосферного воздуха. У рабочих некоторых профессиональных групп, таких как горняки железорудных шахт, которые не имеют непосредственного профессионального контакта со свинцом и его соединениями, но подвергаются действию высоких уровней 222Rn и его дочерних продуктов распада, присутствующих в рудничной атмосфере выявлено носительство свинца в крови, на уровне "настораживающего" и даже "опасного". Носительство свинца в крови обнаруживается также и у лиц, принимавших участие в ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в 1996-1997 гг. [18]. Установлено, что в результате распада 222Rn образуются звенья коротко- и долгоживущих радионуклидов, среди которых до 50 % объемной доли могут составлять изотопы свинца [19]. Избыточные концентрации металла, поступающие в организм с продуктами питания растительного происхождения, были обнаружены в результате выращивания их на открытом грунте, где длительно хранились боевые снаряды, изготовленные из свинца [20]. Клиническая картина свинцового поражения желудочно-кишечного тракта Клиническая картина острого и хронического сатурнизма характеризуется наличием ряда синдромов, среди которых ведущее место занимают изменения органов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) [21, 22, 23]. При сатурнизме расстройства ЖКТ выражаются нарушением желудочной секреции, в связи с чем может наблюдаться как повышенная, так и пониженная секретообразующая функция желудка. Часто отмечаются явления дискинезии тонкого и толстого кишечника, сопровождающиеся расстройствами всасывательной и моторно-эвакуаторной функции. За счет ингибирующего действия свинца на кишечные ферменты нарушаются процессы пристеночного пищеварения. Крайним проявлением патологии ЖКТ при свинцовой интоксикации является кишечная колика. Клинически она характеризуется появлением резких болей в животе, стойким запором, подъемом артериального давления, повышением температуры тела, умеренным лейкоцитозом, появлением темно-красной окраски мочи за счет присутствия копропорфирина и др. При свинцовой интоксикации в патологический процесс часто вовлекается печень. За счет энзимопатического действия свинца нередко развивается токсический гепатит, что приводит к выраженной функциональной недостаточности органа [24]. В современных условиях выраженные формы свинцовой колики встречаются крайне редко. В большинстве случаев патология ЖКТ у лиц, контактирующих со свинцом, проявляется в виде хронического гастрита, дуоденита и еюнита, диспепсии и хронического гепатита. При этом закономерно прослеживается связь частоты выявляемой патологи от возраста рабочих, их производственного стажа, содержания свинца в объектах окружающей среды и биосубстратах [22]. Как было установлено, растворимость соединений свинца, а также состояние секретообразующей функции органов ЖКТ способны взаимно влиять друг на друга [6, 11, 24]. Морфологические исследования биоптатов тонкой кишки лиц с клиническими признаками профессионального сатурнизма выявили атрофию слизистой оболочки (СО) в двенадцатиперстной и тощей кишках в виде полиморфизма кишечных ворсинок. Гипосекреторное состояние тонкого кишечника морфологически характеризовалось гиперплазией и уменьшением числа бокаловидных клеток и клеток Панета в эпителиальном пласте. Эпителий СО кишки характеризовался вакуольной дистрофией и отеком цитоплазмы клеток с формированием в них очагов парциальных некрозов. В митохондриях эпителиоцитов наблюдались явления отека, сопровождавшиеся их набуханием, просветлением матрикса, дископлексацией и дисорганизацией крист [24, 25]. Наряду с изменениями в эпителиальном пласте при свинцовой интоксикации в СО тонкой кишки наблюдались структурно-функциональные нарушения собственной пластинки в виде склеротических изменений различной интенсивности. В экспериментах было показано, что при избытке свинца в организме происходит изменение химизма соединительной ткани. Это приводит к накоплению в ней гликозаминогликанов типа хондроитинсульфата, уплотнению основного вещества, коллагенизации аргирофильных волокон и развитию склероза [26]. Сосудистые нарушения при избытке свинца часто обусловлены регулирующим влиянием металла на активность протеинкиназы эндотелия сосудов, которое особо выражено в момент репарации поврежденного эндотелиального пласта [27, 28]. Всасывание свинца в желудочно-кишечном тракте В ЖКТ свинец попадает с питьевой водой и продуктами питания. Значительные количества ингалированных частичек свинца могут задерживаться слизью в верхних дыхательных путях и продвигаться мерцательным эпителием бронхов в носоглотку, где происходит их заглатывание, что, обуславливает энтеральный путь поступления этого металла в организм. Известно, что свинец в ЖКТ всасывается преимущественно путем пассивной и облегченной диффузии. В тонкой кишке всасывание металла происходит при участии кальцийсвязывающего белка [6]. В меньших количествах, чем в тонком кишечнике, металл всасывается в толстой кишке, преимущественно, при участии механизмов пассивной диффузии. На процесс всасывания металла и его соединений влияют состояние голода и сытости. Используя ряд функциональных методов, было показано, что после еды в тонком кишечнике всасывается 3 % введенного в желудок металла, а при введении его натощак — 60 %. У голодных крыс в кишечнике всасывается в 2 раза больше свинца, чем у накормленных [24]. Всасывание свинца различными отделами кишечника была продемонстрировано в экспериментах на крысах с использованием модели вывернутых мешочков отрезков кишки. Было выявлено, что наибольшие количества металла (702,58±40,16 нмоль/г сырой массы) всасывались в тощей кишке, меньше (646,74±28,22 нмоль/г сырой массы) — в двенадцатиперстной. Самые низкие показатели всасывания свинца (520,83±21,25 нмоль/г сырой массы) были выявлены в подвздошной кишке. На всасывание металла влияли предварительные нагрузки животных микроэлементами железа и цинка, которые заметно снижали его связывание всеми отделами кишечника. Вероятно, что эти микроэлементы благодаря физико-химическим свойствам способны конкурировать за активные центры связывания и переноса субстратов в СО. Было установлено, что по сравнению с изолированным поступлением в желудок крыс исследуемых микроэлементов более эффективно предупреждало всасывание свинца в кишечнике совместное их поступление в организм [29]. Данные современной литературы свидетельствуют о роли кальция в процессах всасывания свинца [30]. Имеются свидетельства о том, что увеличение внутриклеточного кальция приводит к насыщению центров связывания этого иона на молекулах кальмодулина, что повышает сродство последнего к внутриклеточному Са2+-насосу. Установлено, что кальмодулин является межклеточным рецептором и мощным модулятором ряда клеточных функций. Под контролем этого межклеточного мессенджера находится функция ряда клеточных ферментов таких, как аденилаткиназа, фосфодиэстераза, гуанилатциклаза, Са2+ зависимая АТФ-аза и протеинкиназа, фосфорилаза и фосфолипаза А2. Под регулирующим контролем этого белка в клетках происходят процессы фосфорилирования, высвобождение медиаторов, деполимеризация микротрубочек, нормальное функционирование цитоскелета и пр. Роль этого белка в процессах всасывания свинца кишечными эпителиоцитами обусловлена, вероятно, его локализацией в щеточной каёмке. При совместном поступлении в ЖКТ свинца и кальция он способен связывать равное количество ионов Ca2+ и Pb2+. Обмен кальция в организме регулируется витамином D3, который, одновременно способен повышать накопление свинца в тканях организма, усиливая его токсичность. Установлено, что при увеличении дозы витамина D3 в корме цыплят от 200 до 500 М.Е. на 1 кг рациона его метаболит 1,25-дигидроксивитамин D3 проявляет высокую активность в обеспечении эффекта кумуляции свинца [31]. Возможно, это объяснятся различной способностью кальция и свинца образовывать связи с различными лигандами. В настоящее время интенсивно изучается роль примембранного (пристеночного) слоя слизистых наложений и гликокаликса в процессе всасывания различных металлов. Показано, что эти структуры обладают высокой сорбционной ёмкостью за счет большого числа заряженных групп в гликопротеидах и характеризуются большой гетерогенностью, а также определенной специфичностью связывающих мест [32]. Используя технику сканирующей электронной микроскопии было показано, что в гликокаликсе центры связывания для свинца пространственно разобщены с центрами связывания для цинка и кадмия, но имеют общие с кальцием и ртутью [33]. Экспериментальные данные, характеризующие метаболизм свинца в желудочно-кишечном тракте Одну из основных ролей в СО кишки играет структурно-функциональный микрорайон, который включает в себя эпителиальную выстилку, базальные мембраны, кровеносные и лимфатические капилляры, интерстициальные пространства, а также клетки интерстиция и паренхимы. Известно, что эта структурно-функциональная единица СО кишки выполняет важную функцию поддержания трофического оптимума для жизнедеятельности клеток паренхимы, их антигенного постоянства, защиту от возможных повреждений продуктами собственного метаболизма и различными факторами, поступающими как из внешней среды, так и циркулирующих в крови [34]. Метаболизм свинца в кишечном эпителиоците, как и многих других металлов, изучен недостаточно. С учетом разрозненных данных судьба металла, поступившего в кишечный эпителиоцит, может быть представлена следующим образом. Везикулы, содержащие комплекс металла с белком, сливаются с базолатеральной мембраной эпителиоцита и содержимое поступает в межклеточное пространство, проникает (посредством диффузии) через базальную мембрану в собственную пластинку СО тонкой кишки и дальше в кровеносные капилляры путём микропиноцитоза через фенестры эндотелиальных клеток и межклеточные пространства. Кровь, содержащая металл и оттекающая от тонкой кишки, поступает в воротную вену и далее в печень. В этом органе свинец попадает в гепатоциты, где преимущественно накапливается в ядерной, микросомальной и митохондрально-лизосомальной фракциях. О том, что свинец имеет высокую тропность к митохондриям свидетельствуют данные о его обнаружении в этих субклеточных структурах в виде комплексов с фосфатами и кальцием [6]. Расчеты показали, что на фракцию митохондрий гепатоцитов приходится около 86 нг свинца, в то время, как на фракцию микросом, лишь 35 нг [11]. О прочности фиксации свинца в различных внутриклеточных компартментах свидетельствует ряд экспериментальных данных, которые демонстрируют возможность удаления из ядерной фракции клеток за 1 час до 80 % содержащегося в ней металла. Из митохондрий за это время удаляется до 20 % свинца. При наличии убедительных сведений о преимущественном накоплении свинца в клеточных ядрах, публикации последних лет все же относят свинец к металлам с преимущественно внеядерной локализацией (митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи) [35]. В гепатоцитах свинец частично метаболизируется под действием внутриклеточных ферментов и образует комплексные соединения с желчными кислотами. В этом виде он с током желчи выделяется в просвет тонкого кишечника. С.D.Klassen et al. было показано, что внутривенное введение свинца в организм приводит к 40-100-кратному повышению его концентрации в желчи, по сравнению с плазмой крови [36]. Это дало возможность предположить, что свинец в комплексе с желчными кислотами приобретает свойства для активного его всасывания в кишечнике. Из кишечника, обычно, часть металла выводится с фекалиями, а часть всасывается вновь, обеспечивая тем самым процесс печеночно-кишечной рециркуляции. Часть металла при прохождении через кишечные эпителиоциты попадает в лизосомы клеток, где находятся металлосвязывающие протеины типа металлотионеинов [37]. Вместе с отторгающимися с поверхности ворсин эпителиоцитами комплексы металла попадают в просвет кишечника, где определенная его часть всасывается. Не всосавшаяся в кишечнике часть свинца выводится из организма с фекалиями. Таким образом, слущенные с верхушек ворсин кишечные эпителиоциты способны осуществлять механизм элиминации избытка свинца из организма. Существует предположение, что в процессах элиминации металла большую роль играют бокаловидные клетки и клетки Панета [24]. Последние в своих секреторных гранулах содержат большие количества эссенциального цинка, природного антагониста свинца, дефицит которого часто обнаруживается в организме при сатурнизме [6, 8]. Свинец, поступающий с пищей и водой, способен накапливаться в слюнных железах. Показано, что при введении ацетата свинца с питьевой водой крысам в концентрациях 50 мкг/л, 500 мг/л и 1000 мг/л в течение 6 недель в слюнных железах увеличивалось содержание металла, по сравнению с контролем от 3 до 10 раз. При этом избыток свинца в слюнных железах приводил к нарушению секретообразующей функции альвеолярных клеток железы и выраженным ультраструктурным изменениям в митохондриях [38]. Кишечный эпителий способен повреждаться под действием экзогенного свинца. Эксперименты, проведенные на культуре изолированных энтероцитов, показали, что цитотоксическим действием на культуру клеток линии I-407 (при 48-и часовой инкубации) обладает нитрат свинца в дозе 1,99 ммоль. При этом, цитоксический эффект проявлялся выраженными дистрофическими изменениями клеток монослоя и снижением в них содержания глютатиона, что может причиной нарушения антиоксидантных функций [39]. Деструктивные изменения клеток при избытке свинца в организме связывают с универсальным механизмом активации ПОЛ. Было показано, что свинец, наряду с другими металлами и некоторыми органическими полютантами, способен инициировать образование реактивных форм кислорода в гепатоцитах. В результате чего отмечалась активация процессов ПОЛ с повреждением внутриклеточных мембранных структур (митохондрии, микросомы и др.) [40]. Экспериментально было показано, что свинец способен инициировать особый вид клеточной гибели — апоптоз [41]. Одним из механизмов его индукции, предположительно является активация свинцом Са2+, Mg2+-зависимой эндонуклеазы [42]. Показано, что деградация ДНК и апоптоз возникают при повышении концентрации внутриклеточного Са2+. Это может приводить к нарушению Са2+ — зависимых механизмов репликации. Существуют доказательства и того, что свинец индуцирует апоптоз вследствие блокады клеточных Са2+-каналов [43]. Это еще раз подчеркивает тесноту связи между биологической ролью кальция и свинца в живом организме. До настоящего времени не ясен вопрос о роли свинца в механизмах его токсического действия на геном клетки. Последние достижения молекулярной биологии показали значимость взаимоотношений типа "нутриенты — геном — развитие клеток" [35]. Цинксодержащие клетки являются мишенью биологических эффектов свинца. К числу последних в полной мере относятся клетки Панета СО тонкой кишки и В-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы. Исследованиями показано, что избыток свинца в организме способен приводить к изменениям структуры и функции цинксодержащих клеток. Длительная лабильная "загрузка" организма малыми дозами свинца (1/50 ЛД50), обычно сопровождается угнетением, а затем восстановлением нарушенных функций, которое, вероятно, происходит за счет включения механизмов вторичной адаптации [44]. Современные биологические средства торможения свинцовой интоксикации, как правило, направлены не только на коррекцию ключевых обменных нарушений, "токсикодинамическая биопрофилактика", но и на снижение задержки свинца в организме, "токсикокинетическая биопрофилактика" [45, 46]. Для систематического использования в целях биопропрофилактики свинцовой интоксикации перспективными в настоящее время являются энтеросорбенты растительного происхождения. Среди последних особое место принадлежит пектинам. Перспективность их использования для биопрофилактики профессионального и экологически обусловленного сатурнизма бесспорна. Каковы же ближайшие перспективы и основные направления изучения воздействия свинца на структурно-функциональное состояние системы пищеварения, которая занимает в живом организме важное место в обеспечении поступления, аккумуляции, метаболизации и элиминации этого металла? Среди них, на наш взгляд, следует прежде всего выделить дальнейшие исследования по изучению функциональных и структурных основ всасывания, метаболизации и элиминации свинца. Также оправданным представляется изучение структурных основ адаптации и компенсации нарушенных функций на разных уровнях организации живого организма (молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом и др.). Перспективными являются исследования по установлению структурно-функциональных критериев напряжения адаптационно-защитных механизмов в ответ на экзогенное воздействие металла, разработка адекватных и чувствительных методов, показателей и тестов для выявления эффектов, развивающихся в органах и тканях ЖКТ под влиянием малых доз и концентраций свинца, а также анализ возрастных особенностей реакций организма, с последующей разработкой и поиском новых, эффективных методов диагностики и средств биологической профилактики профессионально и экологически обусловленного сатурнизма. Рассмотренная в настоящем обзоре проблема относится к числу достаточно универсальных. Примечательно также, что в целом исследования в области токсикологии тяжелых металлов были определены в качестве фундаментальных на І съезде токсикологов Украины, состоявшемся в октябре 2001 г. в Киеве [47]. Литература |