Hippocampal metabolism of biogenic metals and selenium in patients with chronic manganese intoxication

Толық мәтін

ВВЕДЕНИЕ

Постоянная концентрация микроэлементного состава в организме крайне важна для поддержания биохимических и биофизических процессов жизнедеятельности [1]. В клинической медицине имеются заболевания, связанные с накоплением тяжелых металлов в организме, а также результатом их инкорпорации [2, 3]. Отравление тяжелыми металлами в структуре заболеваемости в большей мере относится к группе профессиональных болезней и характеризуется стойкими нарушениями со стороны различных органов и систем.

Особым образом среди всех заболеваний, связанных с тяжелыми металлами, рассматривается марганцевая интоксикация, поскольку хроническое отравление по клинической симптоматике имитирует нейродегенеративное заболевание болезнь Паркинсона (БП) [4]. Общими клиническими симптомами марганцевой интоксикации и БП является развитие нервно-психических нарушений [4, 5]. У ряда пациентов с БП отмечаются когнитивные нарушения, так же как и при марганцевой интоксикации [4, 6]. При этом принято считать, что именно гиппокамп, как центральное звено лимбической системы, отвечает за функцию памяти в головном мозге [7]. Авторами отмечается, что для поддержания физиологической функции памяти необходимы биогенные металлы, которые обеспечивают биохимические процессы, связанные с когнитивными способностями [7]. Таким образом, изучение содержания биогенных элементов в ткани гиппокампа позволит дополнить сведения о биохимических сдвигах, наблюдаемых при хронической интоксикации марганцем, и прояснить возможную связь клинических нарушений при данной патологии с изменениями биогенных металлов и селена.

Цель исследования — определить изменение содержания биогенных металлов и селена при хроническом отравлении хлоридом марганца.

МЕТОДЫ

В эксперименте были использованы 12 белых беспородных крыс-самцов массой 180–220 г. Все животные были получены из питомника «Рапполово» (Ленинградская область). Животных содержали в стандартных условиях при свободном доступе к пище и питьевой воде¹.

Для моделирования хронического отравления марганцем была адаптирована методика хронического полупринудительного потребления избытка марганца с питьевой водой [8].

Перед началом эксперимента всех животных случайным образом разделили на две группы: 1 — контрольная группа (n=6), получавшая в автопоилках водопроводную воду, 2 — экспериментальная группа (n=6), получавшая воду с добавлением хлорида марганца. Воду с хлоридом марганца готовили, добавляя в питьевую водопроводную воду хлорид марганца 4-водный (MnCl₂×4H₂O, Ленреактив, Россия) до концентрации 0,2% [8]. Все животные потребляли воду ad libitum в течение 3 мес. Данное отклонение от оригинальной методики [8], предусматривающей воздействие в течение 10 мес., было допущено на основании рекомендаций, позволяющих в хроническом эксперименте сокращать сроки воздействия фактора на биологический объект до 3 мес. [9]

Через 3 мес. после начала воздействия крыс декапитировали, из правой и левой половин мозга выделяли гиппокамп и взвешивали с точностью до 1 мг. Отобранные пробы разлагали азотной кислотой в высокочастотном деминерализаторе при 190°С и мощности 800–1100 Вт. Полученный минерализат растворяли в воде и подвергали анализу на содержание марганца, меди, цинка, селена, магния, железа и кальция методом атомно-эмиссионной спектроскопии на анализаторе Optima 7000 DV ICP-OES, (PerkinElmer, США). При этом для эффективного контроля качества и адекватности анализов использовали серии стандартных образцов (ГСО 6077-91). В результате анализа получали значения концентрации металлов в гиппокампе (мкг/г).

Полученные результаты анализировали при помощи пакета статистических прикладных программ «Graph Pad Prism 6.0» (GraphPad Software, США). Данные обрабатывали методами непараметрической статистики для малых выборок. Для сравнения аналогичных показателей правого и левого гиппокампа у крыс каждой группы использовали парный критерий Вилкоксона, а для оценки различий между группами — непарный критерий Манна–Уитни. Различия считались статистически значимыми при p <0,05. Характеристики выборок были представлены в виде медиан (Мe) с указанием межквартильных интервалов [Q₁; Q₃].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты значений концентрации содержания биогенных металлов и селена у крыс КГ и ЭГ приведены в таблице 1 и представлены на рисунке 1.

 

Таблица 1. Изменение содержания биогенных металлов и селена (мкг/г) в гиппокампе крыс при хроническом потреблении раствора хлорида марганца

Table 1. Variations in the hippocampal levels of biogenic metals and selenium (µg/g) in rats following chronic exposure to manganese chloride solution

Элементы	Крысы
	получавшие чистую водопроводную воду (контрольная группа)		получавшие хлорид марганца (экспериментальная группа)
	гиппокамп		гиппокамп
	левый	правый	левый	правый
Марганец	0,19 [0, 17; 0, 21]	0,19 [0, 17; 0, 21]	0,44** [0, 42; 0, 47]	0,45** [0, 42; 0, 49]
Медь	4,47 [4, 12; 4, 54]	4,32 [4, 02; 4, 62]	6,30** [6, 00; 7, 18]	6,47** [5, 86; 7, 25]
Цинк	30,8 [30, 2; 35, 4]	31,6 [30, 2; 34, 6]	31,7 [25, 8; 37, 3]	28,8 [24, 5; 36, 6]
Селен	32,6 [32, 0; 33, 2]	32,4 [32, 1; 33, 3]	29,1** [24, 7; 29, 7]	29,6** [25, 6; 30, 2]
Магний	131,7 [124, 7; 150, 5]	127,2 [122, 4; 135, 3]	122,2 [101, 5; 134, 2]	118,0 [99, 5; 135, 9]
Железо	192,5 [185, 6; 198, 4]	189,1 [184, 4; 197, 7]	185,3 [137, 4; 190, 9]	177,2 [136, 1; 190, 5]
Кальций	444,9 [394, 8; 495, 0]	447,7 [390, 0; 475, 4]	465,7 [398, 6; 484, 7]	467,9 [396, 8; 484, 0]

Примечание. Данные представлены в виде медиан (Me) и межквартильных интервалов [Q₁; Q₃]. ** p <0,01, статистически значимые отличия от концентрации данного элемента, зарегистрированной у крыс контрольной группы на соответствующей стороне мозга (по критерию Манна–Уитни).

Note. The data are presented as medians (Me) and interquartile ranges [Q₁; Q₃]. ** p <0.01, statistically significant differences from the concentration of this element recorded in rats of the control group on the corresponding side of the brain (according to the Mann–Whitney criterion).

 

При анализе содержания различных биогенных элементов в гиппокампе крыс было выяснено, что марганец является самым малочисленным: содержание меди превышало данный показатель на порядок, цинка и селена — на 2 порядка, а кальция, магния и железа — на 3 порядка (табл. 1). При этом значимых различий по содержанию исследованных элементов в левом и правом гиппокампе выявлено не было.

Исследование показало, что в результате экспериментального воздействия достигалось более чем 2-кратное превышение содержание марганца в гиппокампе крыс (p <0,01, табл. 1, рис. 1, а).

 

Рис. 1. Изменение содержания марганца (Mn), меди (Cu) и селена (Se) (мкг/г) в гиппокампе крыс при хроническом потреблении раствора хлорида марганца. Данные представлены в виде медиан (высота столбиков) и межквартильных интервалов (штрихи). Светлые столбики и точки соответствуют содержанию микроэлементов в гиппокаме у контрольных крыс (К), темные — у крыс, получавших раствор хлорида марганца (Mn²⁺). Заштрихованные столбики показывают значения, полученные в левом гиппокампе, гладкие — в правом. ** p <0,01, статистически значимые различия (по критерию Манна–Уитни).

Fig. 1. Variations in the hippocampal levels of manganese (Mn), copper (Cu), and selenium (Se) (µg/g) in rats following chronic exposure to manganese chloride solution. The data are expressed as medians (bar heights) and quartile intervals (strokes). The light bars and dots correspond to the hippocampal levels of trace elements in control rats (C), and the dark bars and dots correspond to the levels measured in rats treated with manganese chloride solution (Mn2+). The shaded bars represent the values obtained for the left hippocampus, whereas the plain bars depict the values obtained for the right hippocampus. ** statistically significant differences, p <0.01 (Mann–Whitney test).

 

При этом, несмотря на самое низкое, по сравнению с другими элементами, содержание марганца, данный микроэлемент вносит существенный вклад в обмен биогенных элементов, влияя на содержание меди и селена.

Так, концентрация меди в левом и правом гиппокампе у крыс экспериментальной группы была статистически значимо выше таковой у животных КГ (p <0,01, рис. 1, b). Как было указано выше, различий по данному показателю между правым и левым гиппокампом у животных двух групп обнаружено не было.

У крыс, хронически получавших с питьевой водой хлорид марганца, содержание селена было значимо ниже, чем у животных КГ. Данные различия были отмечены как в правом, так и в левом гиппокампе (p <0,01), а различия между сторонами мозга также отсутствовали (рис. 1, c).

По концентрации железа, цинка, кальция и магния в гиппокампе крысы КГ и ЭГ значимо не различались (табл. 1).

Таким образом, при хроническом воздействии марганца происходит изменение микроэлементного состава, выражающееся в увеличении концентрации меди и снижении селена.

ОБСУЖДЕНИЕ

Нами не выявлено межполушарных различий содержания всех исследуемых элементов, а все обнаруженные изменения в равной степени проявлялись в обоих гиппокампах. Однако ранее было показано, что при билатеральном интраназальном введении полипептида (окситоцина) мышам его концентрация повышается исключительно в левом гиппокампе [10]. Можно предположить, что металлы и селен, в силу своего размера, беспрепятственно проходят через барьеры головного мозга.

Механизмы отрицательного воздействия повышенного содержания марганца на функции головного мозга являются предметом многочисленных исследований [11]. Возможность окисления марганца Mn²⁺ до Mn³⁺ в митохондриальном матриксе способствует образованию формы, являющейся сильным прооксидантом, что приводит к ингибированию процессов окислительного фосфорилирования и увеличению продукции активных форм кислорода [11]. При этом известно, что марганец имеет избирательную тропность к холинергической системе мозга [12]. Предполагается, что психические нарушения при болезни Паркинсона возникают в результате дегенерации холинергических волокон в гиппокампе [13]. В литературе также описано, что холинергические изменения в гиппокампе более выражены у крыс, высокочувствительных к стрессу [14].

Указанные факты дают возможность предположить, что гиппокамп особенно подвержен повреждению активными формами кислорода, в результате чего происходит изменение антиоксидантной системы клеток, в частности концентраций глутатиондисульфильфида, глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы, в состав которых входит селен [15, 16]. Следует отметить, что изменение антиоксидантной системы клеток из-за марганцевой интоксикации может способствовать развитию опосредованного нейровоспаления [17]. Наше исследование показало, что при хронической интоксикации марганцем в гиппокампе происходит уменьшение концентрации селена, который включен в антиоксидантную систему клеток, однако открытым остается вопрос о том, каким образом происходит элиминация селена из ткани гиппокампа.

Обнаруженное нами увеличение меди ранее в литературе описано не было. Однако известно, что избыток меди способствует апоптозу нейронов в гиппокампе и потенциально может приводить к развитию дофаминергических нейродегенеративных расстройств [18, 19]. Нельзя исключать, что избыток меди при хроническом потреблении марганца возникает в результате изменения работы гематоэнцефалического барьера, что проявляется увеличением его проницаемости для медь-переносящих белков. Однако данное предположение нуждается в прямой экспериментальной проверке.

ВЫВОДЫ

1. При хроническом потреблении хлорида марганца происходит увеличение концентрации меди в ткани гиппокампа.
2. Хроническое потребление хлорида марганца сопровождается снижением уровня селена.
3. Таким образом, можно предположить, что изменения биогенных элементов, вызванные отравлением марганцем, могут быть причиной нарушения не только ферментативных систем, ассоциированных с данным металлом, но и тех, которые включают медь и селен.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Д.И. Клименко, Е.О. Демидова, П.Н. Вариошкин, М.Е. Шемаев, Н.Ю. Григорьева — написание статьи, анализ данных; Н.А. Белякова, И.В. Карпова, Н.В. Лапина — редактирование статьи, разработка общей концепции. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Этическая экспертиза. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБНУ «ИЭМ», протокол №2/23 от 15.06.20023 г.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, доступны в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента и член редакционной коллегии.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. D.I. Klimenko, E.O. Demidova, P.N. Varioshkin, M.E. Shemaev, N.Yu. Grigorieva: writing—original draft, data analysis; N.A. Belyakova, I.V. Karpova, N.V. Lapina: writing—review & editing, conceptualization. All authors made substantial contributions to the conceptualization, investigation, and manuscript preparation, and reviewed and approved the final version prior to publication.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Ethical review. The study was approved by the Local Ethics Committee of the Institute of Experimental Medicine (Minutes No. 2/23 dated June 15, 2023).

Statement of originality. The authors did not use previously published information (text, illustrations, data) to create this paper.

Data availability statement. Data generated in this study are available in the article.

Generative AI. Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review. This work was submitted to the journal on its own initiative and reviewed according to the standard procedure. Two external reviewers, and a member of the editorial board participated in the review.

 

¹ ГОСТ 33216-2014 от 01.07.2016 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила содержания и ухода за лабораторными грызунами и кроликами»; ГОСТ 33215-2014 от 01.07.2016 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила оборудования помещений и организации процедур».

Авторлар туралы

Dmitry Klimenko

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology; S.M. Kirov Military Medical Academy

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: dima.klimenko999@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-8168-7228
SPIN-код: 8481-4489

Laboratory assistant-researcher

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019; Saint Petersburg

Ekaterina Demidova

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: bedskaya.667@yandex.com
ORCID iD: 0009-0003-0820-8471
SPIN-код: 1618-1510

Researcher

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Pavel Varioshkin

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: zonner17@list.ru
ORCID iD: 0009-0000-3863-3602
SPIN-код: 6563-9541

Postgraduate student

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Mikhail Shemaev

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: shemaevm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6062-0437
SPIN-код: 6612-3721

Junior Researcher

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Nina Grigorieva

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: ninela-angel@mail.ru

Junior Researcher

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Natalia Belyakova

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: bna3316@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0838-8391
SPIN-код: 2760-2912

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Inessa Karpova

S.M. Kirov Military Medical Academy; Institute of Experimental Medicine

Email: inessa.karpova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8725-8095
SPIN-код: 9874-4082

Dr. Sci. (Biology)

Ресей, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Natalia Lapina

Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology

Email: lapina2005@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-3418-1095
SPIN-код: 4385-8991

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Ресей, 1, Bekhtereva st., Saint Petersburg, 192019

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар