Hygiene and SanitationHygiene and SanitationГигиена и санитария0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman63875410.47470/0016-9900-2021-100-12-1455-1461PREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕInvestigation of changes in rat’s blood metabolomic profile, caused by lead exposureИзучение изменений метаболомного профиля крови крыс, вызванных воздействием свинцаhttps://orcid.org/0000-0001-6167-7347ChemezovAleksey I.ЧемезовАлексей Игоревич
Russian Federation

MD, junior researcher of Molecular biology and electron microscopy department Yekaterinburg Medical Research Centerfor Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers, Ekaterinburg, 620014, Russian Federation.

e-mail: chemezov@ymrc.ru

Мл. науч. сотр. отд. молекулярной биологии и электронной микроскопии ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП, 620014, Екатеринбург.

e-mail: chemezov@ymrc.ru

chemezov@ymrc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1743-7642SutunkovaMarina P.СутунковаМ. П.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0003-2677-0479RyabovaJulija V.РябоваЮ. В.
Russian Federation
Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial WorkersФБУН «Екатеринбургский медицинский - научный центр профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека23122021100121455146125102024Copyright ©; 2024, Chemezov A.I., Sutunkova M.P., Ryabova J.V.Copyright ©; 2024, Чемезов А.И., Сутункова М.П., Рябова Ю.В.2024Chemezov A.I., Sutunkova M.P., Ryabova J.V.Чемезов А.И., Сутункова М.П., Рябова Ю.В.https://journals.eco-vector.com/0016-9900/article/view/638754

Introduction. The prevalence of lead in the environment, due to human production and economic activities, and the xenobiotic nature of the element substantiate the relevance of studying the changes caused by the action of this metal.

Materials and methods. A non-target metabolomic screening of the blood of rats exposed to intraperitoneal administration of lead acetate by HPLC-mass spectrometry was carried out. The expression of the selected masses was compared with those for the control group of animals. The masses that significantly changed the intensity compared to the control were subjected to fragmentation to obtain characteristic fragments. The annotation of metabolites was performed by searching in MS/MS databases and by comparison with in silico fragmentation spectra. The involvement of annotated metabolites in metabolic processes was established by literature analyzing.

Results. Non-target metabolomic screening revealed 37 m/z values for the exposed group, significantly changing the intensity compared to the control. Annotation using fragmentation spectra and in silico fragmentation allows establishing the structure of eight metabolites, including an epoxy derivative of linolic acid, 15-hydroxyeicosatetraenoic acid, four oxo- and hydroxyacylcarnitine derivatives of long-chain fatty acids, one acylcarnitine derivatives of medium-chain fatty acids and one lysophosphoserine.

Conclusion. Analyzing the literature, the known functions of the identified metabolites were established and attributed to the known metabolic processes. So, oxo- and hydroxyacylcarnitines are derivatives for intermediate products of β-oxidation fatty acids - it is increased concentration compared to the control indicates a violation of this process under the influence of oxidative stress caused by lead. Epoxy and 15-hydroxy derivatives of fatty acids (increased content relative to the control group) act as regulatory metabolites (vasodynamic activity), on the one hand, and markers of lead-induced hypoxia on the other hand. The increase of the concentration for the lysophosphatidylserine derivative indicates the intensification of apoptotic processes in the organism of the exposed group in contrast to the control.

Contribution:

Chemezov A.I. — concept and design of the study, collection and processing of material, statistical processing, writing text;

Sutunkova M.P. — concept and design of the study, editing, approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article;

Ryabova Ju.V. — collection and processing of material, statistical processing.

All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgement. The study had no sponsorship.

Conclusion of the Bioethical Committee: The study was conducted according to the guidelines of the Declaration of Helsinki and approved by the Local Ethics Committee of the Yekaterinburg Medical Research Center for Prophylaxis and Health Protection in Industrial Workers (Protocol No eight dated 18.11.2018).

Received: November 8, 2021 / Accepted: November 25, 2021 / Published: December 30, 2021

Введение. Распространённость свинца в окружающей среде, обусловленная производственно-хозяйственной деятельностью человека, а также токсичность соединений элемента обосновывают актуальность исследования изменений, вызванных действием данного металла.

Материалы и методы. Проведён нецелевой метаболомный скриниг крови крыс, подвергнутых внутрибрюшинному введению ацетата свинца, методом ВЭЖХ-масс-спектрометрии. Экспрессию выявленных масс сравнивали с аналогичными для контрольной группы животных. Массы, статистически значимо изменившие интенсивность в сравнении с контролем, подвергали фрагментации с целью получения характеристических осколков. Аннотацию метаболитов проводили посредством поиска по МС/МС базам данных, а также сравнением с in silico спектрами фрагментации. Вовлечённость в метаболические процессы аннотированных метаболитов устанавливали посредством анализа литературных источников.

Результаты. Нецелевой метаболомный скриниг выявил 37 значений m/z экспонированной группы, статистически значимо изменяющих интенсивность в сравнении с контролем. Аннотация с использованием спектров фрагментации, а также in silico фрагментации позволила установить структуру 8 метаболитов, в числе которых эпоксипроизводное линолевой кислоты, 15-гидроксиэйкозатетраеновая кислота, 4 оксо- и гидроксиацилкарнитиновых производных длинноцепочечных жирных кислот, один представитель ацилкарнитинов среднецепочечных жирных кислот и лизофосфатидилсериновое производное.

Заключение. При анализе литературы были соотнесены функции выявленных метаболитов, а также произведено отнесение к известным метаболическим процессам. Так, и оксо- и гидроксиацилкарнитины представляют собой производные промежуточных продуктов β-окисления жирных кислот — их повышенная концентрации в сравнении с контролем свидетельствует о нарушении этого процесса под влиянием окислительного стресса, вызванного свинцом. Эпокси- и 15-гидроксипроизводные жирных кислот выступают в роли регуляторных метаболитов, с одной стороны, и с другой — являются маркерами гипоксии, вызванной свинцом. Повышение концентрации лизофосфатидилсеринового производного свидетельствует об интенсификации апоптических процессов в организме животных экспонированной группы в сравнении с контрольной.

Участие авторов:

Чемезов А.И. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала, статистическая обработка, написание текста;

Сутункова М.П. — концепция и дизайн исследования, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи;

Рябова Ю.В. — сбор и обработка материала, статистическая обработка.

Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Заключение биоэтического комитета: исследование было проведено в соответствии с положениями Хельсинкской декларации и одобрено Локальным этическим комитетом Федерального бюджетного учреждения науки «Екатеринбургский медицинский-научный центр биопрофилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий» Роспотребнадзора (Протокол № 8 от 8.11.2018 г.).

Поступила: 08.11.2021 / Принята к печати: 25.11.2021 / Опубликована: 30.12.2021

metabolomicsUHPLC-MS/MSleadPbbloodratacylcarnitineeicosanoidslysophosphoserineметаболомикаУВЭЖХ-МС/МСсвинецкровькрысыацилкарнитиныэйкозаноидылизофосфатидилсериныSeleznev A.A., Yarmoshenko I.V., Malinovsky G.P. Urban geochemical changes and pollution with potentially harmful elements in seven Russian cities. Sci. Rep. 2020; 10(1): 1668. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58434-4Liu G., Yu Y., Hou J., Xue W., Liu X., Liu Y., et al. An ecological risk assessment of heavy metal pollution of the agricultural ecosystem near a lead-acid battery factory. Ecol. Indic. 2014; 47: 210-8. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2014.04.040Snakin V.V., Prisyazhnaya A.A. Lead contamination of the environment in Russia. Sci. Total. Environ. 2000; 256(2-3): 95-101. https://doi.org/10.1016/s0048-9697(00)00452-6Simons T.J. Cellular interactions between lead and calcium. Br. Med. Bull. 1986; 42(4): 431-4. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.bmb.a072162Habermann E., Crowell K., Janicki P. Lead and other metals can substitute for Ca2+ in calmodulin. Arch. Toxicol. 1983; 54(1): 61-70. https://doi.org/10.1007/bf00277816Batra N., Nehru B., Bansal M.P. Reproductive potential of male Portan rats exposed to various levels of lead with regard to zinc status. Br. J. Nutr. 2004; 91(3): 387-91. https://doi.org/10.1079/bjn20031066Wang Q., Luo W., Zheng W., Liu Y., Xu H., Zheng G., et al. Iron supplement prevents lead-induced disruption of the blood-brain barrier during rat development. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2007; 219(1): 33-41. https://doi.org/10.1016/j.taap.2006.11.035Turgut S., Polat A., Inan M., Turgut G., Emmungil G., Bican M., et al. Interaction between anemia and blood levels of iron, zinc, copper, cadmium and lead in children. Indian J. Pediatr. 2007; 74(9): 827-30. https://doi.org/10.1007/s12098-007-0147-2Eguchi A., Nomiyama K., Sakurai K., Kim Trang P.T., Viet P.H., Takahashi S., et al. Alterations in urinary metabolomic profiles due to lead exposure from a lead-acid battery recycling site. Environ. Pollut. 2018; 242(Pt. A): 98-105. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.06.071Hammond P.B. Exposure of humans to lead. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 1977; 17: 197-214. https://doi.org/10.1146/annurev.pa.17.040177.001213Cleveland L.M., Minter M.L., Cobb K.A., Scott A.A., German V.F. Lead hazards for pregnant women and children: part 1: immigrants and the poor shoulder most of the burden of lead exposure in this country. Part 1 of a two-part article details how exposure happens, whom it affects, and the harm it can do. Am. J. Nurs. 2008; 108(10): 40-9; quiz 50. https://doi.org/10.1097/01.naj.0000337736.76730.66Flora G., Gupta D., Tiwari A. Toxicity of lead: A review with recent updates. Interdiscip. Toxicol. 2012; 5(2): 47-58. https://doi.org/10.2478/v10102-012-0009-2Kelly R.S., Bayne H., Spiro A. 2nd, Vokonas P., Sparrow D., Weiss S.T., et al. Metabolomic signatures of lead exposure in the VA Normative Aging Study. Environ. Res. 2020; 190: 110022. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.110022Cheng M., Wu H., Wu H., Liu X., Zhou A. Metabolic profiling of copper-laden hepatolenticular degeneration model rats and the interventional effects of Gandou decoction using UPLC-Q-TOF/MS. J. Pharm. Biomed. Anal. 2019; 164: 187-95. https://doi.org/10.1016/j.jpba.2018.10.041Tsugawa H., Kind T., Nakabayashi R., Yukihira D., Tanaka W., Cajka T., et al. Hydrogen rearrangement rules: computational MS/MS fragmentation and structure elucidation using MS-FINDER software. Anal. Chem. 2016; 88(16): 7946-58. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6b00770Lai Z., Tsugawa H., Wohlgemuth G., Mehta S., Mueller M., Zheng Y., et al. Identifying metabolites by integrating metabolome databases with mass spectrometry cheminformatics. Nat. Methods. 2018; 15(1): 53-6. https://doi.org/10.1038/nmeth.4512Ruttkies C., Schymanski E.L., Wolf S., Hollender J., Neumann S. MetFrag relaunched: incorporating strategies beyond in silico fragmentation. J. Cheminform. 2016; 8: 3. https://doi.org/10.1186/s13321-016-0115-9Hannemann K., Puchta V., Simon E., Ziegler H., Ziegler G., Spiteller G. The common occurrence of furan fatty acids in plants. Lipids. 1989; 24(4): 296-8. https://doi.org/10.1007/bf02535166Batna A., Scheinkönig J., Spiteller G. The occurrence of furan fatty acids in Isochrysis sp. and Phaeodactylum tricornutum. Biochim. Biophys. Acta. 1993; 1166(2-3): 171-6. https://doi.org/10.1016/0005-2760(93)90093-oWahl H.G., Tetschner B., Liebich H.M. The effect of dietary fish oil supplementation on the concentration of 3-carboxy-4-methyl-5-propyl-2-furanpropionic acid in human blood and urine. J. High Resol. Chromatogr. 1992; 15(12): 815-8.Jensen S., Ragnarsdottir O., Johannsson R. Marine sources of furan fatty acids. J. Aquat. Food Prod. Technol. 2019; 28(1): 74-83. https://doi.org/10.1080/10498850.2018.1561569Okada Y., Okajima H., Konishi H., Terauchi M., Ishii K., Liu I.M., et al. Antioxidant effect of naturally occurring furan fatty acids on oxidation of linoleic acid in aqueous dispersion. J. Am. Oil. Chem. Soc. 1990; 67(11): 858-62. https://doi.org/10.1007/BF02540506Teixeira A., Cox R.C., Egmond M.R. Furan fatty acids efficiently rescue brain cells from cell death induced by oxidative stress. Food Funct. 2013; 4(8): 1209-15. https://doi.org/10.1039/c3fo60094gYu X.H., Shanklin J. Solving a furan fatty acid biosynthesis puzzle. J. Biol. Chem. 2020; 295(29): 9802-03. https://doi.org/10.1074/jbc.h120.014701Gurer-Orhan H., Sabir H.U., Ozgüneş H. Correlation between clinical indicators of lead poisoning and oxidative stress parameters in controls and lead-exposed workers. Toxicology. 2004; 195(2-3): 147-54. https://doi.org/10.1016/j.tox.2003.09.009Mateo R., Beyer W.N., Spann J.W., Hoffman D.J., Ramis A. Relationship between oxidative stress, pathology, and behavioral signs of lead poisoning in mallards. J. Toxicol. Environ. Health A. 2003; 66(14): 1371-89. https://doi.org/10.1080/15287390306390Bechara E.J. Oxidative stress in acute intermittent porphyria and lead poisoning may be triggered by 5-aminolevulinic acid. Braz. J. Med. Biol. Res. 1996; 29(7): 841-51.Smith E.H., Matern D. Acylcarnitine analysis by tandem mass spectrometry. Curr. Protoc. Hum. Genet. 2010; Chapter 17: Unit 17.8.1-20. https://doi.org/10.1002/0471142905.hg1708s64Wojtczak L. Effect of long-chain fatty acids and acyl-CoA on mitochondrial permeability, transport, and energy-coupling processes. J. Bioenerg. Biomembr. 1976; 8(6): 293-311. https://doi.org/10.1007/bf00765158Su X., Han X., Mancuso D.J., Abendschein D.R., Gross R.W. Accumulation of long-chain acylcarnitine and 3-hydroxy acylcarnitine molecular species in diabetic myocardium: identification of alterations in mitochondrial fatty acid processing in diabetic myocardium by shotgun lipidomics. Biochemistry. 2005; 44(13): 5234-45. https://doi.org/10.1021/bi047773aViolante S., Ijlst L., Te Brinke H., Tavares de Almeida I., Wanders R.J., Ventura F.V., et al. Carnitine palmitoyltransferase 2 and carnitine/acylcarnitine translocase are involved in the mitochondrial synthesis and export of acylcarnitines. FASEB J. 2013; 27(5): 2039-44. https://doi.org/10.1096/fj.12-216689Papamandjaris A.A., MacDougall D.E., Jones P.J. Medium chain fatty acid metabolism and energy expenditure: obesity treatment implications. Life Sci. 1998; 62(14): 1203-15. https://doi.org/10.1016/s0024-3205(97)01143-0Taguchi R., Houjou T., Nakanishi H., Yamazaki T., Ishida M., Imagawa M., et al. Focused lipidomics by tandem mass spectrometry. J. Chromatogr. B. Analyt. Technol. Biomed. Life Sci. 2005; 823(1): 26-36. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2005.06.005Ahmed M.B., Ahmed M.I., Meki A.R., Abdraboh N. Neurotoxic effect of lead on rats: Relationship to Apoptosis. Int. J. Health Sci. (Qassim). 2013; 7(2): 192-9. https://doi.org/10.12816/0006042Vermes I., Haanen C., Steffens-Nakken H., Reutelingsperger C. A novel assay for apoptosis. Flow cytometric detection of phosphatidylserine expression on early apoptotic cells using fluorescein labelled Annexin V. J. Immunol. Methods. 1995; 184(1): 39-51. https://doi.org/10.1016/0022-1759(95)00072-iPark K.S., Lee H.Y., Kim M.K., Shin E.H., Jo S.H., Kim S.D., et al. Lysophosphatidylserine stimulates L2071 mouse fibroblast chemotactic migration via a process involving pertussis toxin-sensitive trimeric G-proteins. Mol. Pharmacol. 2006; 69(3): 1066-73. https://doi.org/10.1124/mol.105.018960Murphy R.C., Fiedler J., Hevko J. Analysis of nonvolatile lipids by mass spectrometry. Chem. Rev. 2001; 101(2): 479-526. https://doi.org/10.1021/cr9900883Profita M., Sala A., Riccobono L., Paternò A., Mirabella A., Bonanno A., et al. 15-Lipoxygenase expression and 15(S)-hydroxyeicoisatetraenoic acid release and reincorporation in induced sputum of asthmatic subjects. J. Allergy. Clin. Immunol. 2000; 105(4): 711-6. https://doi.org/10.1067/mai.2000.105122Vanderhoek J.Y., Bryant R.W., Bailey J.M. Inhibition of leukotriene biosynthesis by the leukocyte product 15-hydroxy-5,8,11,13-eicosatetraenoic acid. J. Biol. Chem. 1980; 255(21): 10064-6.Vanderhoek J.Y., Bryant R.W., Bailey J.M. 15-hydroxy-5,8,11,13-eicosatetraenoic acid: A potent and selective inhibitor of platelet lipoxygenase. J. Biol. Chem. 1980; 255(13): 5996-8.Van Diest M.J., Verbeuren T.J., Herman A.G. 15-lipoxygenase metabolites of arachidonic acid evoke contractions and relaxations in isolated canine arteries: role of thromboxane receptors, endothelial cells and cyclooxygenase. J. Pharmacol. Exp. Ther. 1991; 256(1): 194-203.Wang S., Wang Y., Jiang J., Wang R., Li L., Qiu Z., et al. 15-HETE protects rat pulmonary arterial smooth muscle cells from apoptosis via the PI3K/Akt pathway. Prostaglandins Other Lipid Mediat. 2010; 91(1-2): 51-60. https://doi.org/10.1016/j.prostaglandins.2009.12.007