On the specificities of biogenic metals and selenium metabolism in the hippocampus under chronic manganese poisoning
- Authors: Klimenko D.I.1, Demidova E.O.2, Varioshkin P.N.2, Shemaev M.E.2, Grigorieva N.Y.2, Belyakova N.A.2, Karpova I.V.3, Lapina N.V.2
-
Affiliations:
- S.N. Golikov Research Center of Toxicology
- S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
- Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg
- Section: Neuropsychopharmacology
- URL: https://journals.eco-vector.com/1606-8181/article/view/679872
- DOI: https://doi.org/10.17816/phbn679872
- ID: 679872
Cite item
Full Text
Abstract
Background: The consistency of the trace element composition in the body is extremely important for maintaining the biochemical and biophysical processes of vital activity. The severity of diseases associated with the accumulation of heavy metals in the body is due to the irreversibility of this process and the persistence of disorders of the metabolic systems. Thus, it seems relevant to study changes in the balance of biogenic elements in chronic heavy metal poisoning.
Aim: To determine the changes in the contents of biogenic metals and selenium under chronic poisoning with manganese chloride.
Materials and methods: The experiments were carried out on 12 white outbred male rats weighing 180-220 g. The rats of the experimental group (n=6) received 0.2% manganese chloride solution in automatic drinkers for 3 months, the control rats (n=6) received tap water. The contents of manganese, copper, zinc, selenium, calcium, iron, and magnesium in the left and right hippocampi were analysed with atomic emission spectroscopy using an Optima 7000 DV ICP-OES analyzer (PerkinElmer, USA).
Results: According to the contents in the hippocampus, the studied biogenic elements were arranged in the following order (in ascending concentrations): [Mn] < [Cu] < [Zn] = [Se] < [Mg] < [Fe] < [Ca]. There was no asymmetry in the levels of metals and selenium studied in any of the animal groups. In rats that consumed a solution of manganese, its content in the hippocampus was more than twice as high as in control animals (p<0.01). At the same time, in the rats of the experimental group, compared with the control, the concentration of copper was significantly higher (p<0.01), and selenium was lower (p<0.01). These effects were manifested bilaterally in both the left and right hippocampus. The contents of iron, zinc, calcium and magnesium did not change.
Conclusion: It can be assumed that the changes in biogenic elements we have discovered may be the cause of disruption of enzymatic systems, which, in addition to manganese, include copper and selenium.
Keywords
Full Text
Введение
Известно, что постоянная концентрация микроэлементного состава в организме крайне важна для поддержания биохимических и биофизических процессов жизнедеятельности [1]. Следует отметить, что 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, также 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.
Целью исследования было определить изменение содержания биогенных металлов и селена при хроническом отравлении хлоридом марганца.
Материалы и 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 воде1,2.
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 (6 особей), получавшая в автопоилках водопроводную воду, 2 – экспериментальная группа (6 особей), получавшая воду с добавлением хлорида марганца. Воду с хлоридом марганца готовили, добавляя в питьевую водопроводную воду хлорид марганца 4-водный (MnCl2*4H2O ч, Ленреактив, Россия) до концентрации 0,2% [8]. Все животные потребляли воду ad libitum в течение 3-х месяцев. Данное отклонение от оригинальной методики [8], предусматривающей 10-ти месячное воздействие, было допущено на основании рекомендаций, позволяющих в хроническом эксперименте сокращать сроки воздействия фактора на биологический объект до 3-х месяцев [9]
Через 3 месяца 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 оС 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 (х25%; х75%).
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты значений концентрации содержания биогенных металлов и селена у крыс контрольной и экспериментальной групп приведены в таблице 1 и графически представлены на рисунке 1.
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 два порядка, а кальция, магния и железа – на три 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 двукратное превышение содержание марганца в гиппокампе крыс (p<0,01, табл. 1, рис. 1, А).
Таблица 1 – Изменение содержания биогенных металлов и селена (мкг/г) в гиппокампе крыс при хроническом потреблении раствора хлорида марганца
Table 1 – Changes in the content of biogenic metals and selenium (mcg/g) in the hippocampus of rats with chronic consumption of manganese chloride solution
Измеряемые металлы | Группы крыс | |||
Крысы, получавшие чистую водопроводную воду (контрольная группа) | Крысы, получавшие хлорид марганца (экспериментальная группа) | |||
Левый гиппокамп | Правый гиппокамп | Левый гиппокамп | Правый гиппокамп | |
Mn | 0,19 (0,17; 0,21) | 0,19 (0,17; 0,21) | 0,44** (0,42; 0,47) | 0,45** (0,42; 0,49) |
Cu | 4,47 (4,12; 4,54) | 4,32 (4,02; 4,62) | 6,30** (6,00; 7,18) | 6,47** (5,86; 7,25) |
Zn | 30,8 (30,2; 35,4) | 31,6 (30,2; 34,6) | 31,7 (25,8; 37,3) | 28,8 (24,5; 36,6) |
Se | 32,6 (32,0; 33,2) | 32,4 (32,1; 33,3) | 29,1** (24,7; 29,7) | 29,6** (25,6; 30,2) |
Mg | 131,7 (124,7; 150,5) | 127,2 (122,4; 135,3) | 122,2 (101,5; 134,2) | 118,0 (99,5; 135,9) |
Fe | 192,5 (185,6; 198,4) | 189,1 (184,4; 197,7) | 185,3 (137,4; 190,9) | 177,2 (136,1; 190,5) |
Ca | 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 (х25%; х75%). ** – 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 (x 25%; x 75%). ** – 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) | ||||
Рисунок 1 – Изменение содержания марганца (Mn), меди (Cu) и селена (Se) (мкг/г) в гиппокампе крыс при хроническом потреблении раствора хлорида марганца.
Условные обозначения – 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)
Figure 1 – Changes in the content of manganese (Mn), copper (Cu), and selenium (Se) (mcg/g) in the rat hippocampus during chronic consumption of manganese chloride solution.
Symbols – The data is presented as medians (column heights) and quartile intervals (strokes). The light bars and dots correspond to the content of trace elements in the hippocampus in control rats (K), the dark ones – in rats treated with a solution of manganese chloride (Mn2+). Shaded bars show values obtained in the left hippocampus, smooth bars in the right hippocampus.
** – p<0.01, statistically significant differences (according to the Mann-Whitney criterion)
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 контрольной группы (p<0,01, рис. 1, Б). 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 контрольной группы. Данные различия были отмечены как в правом, так и в левом гиппокампе (p<0,01), а различия между сторонами мозга также отсутствовали (рис. 1, В).
По концентрации железа, цинка, кальция и магния в гиппокампе группы контрольных и экспериментальных крыс значимо не различались (табл. 1).
Таким образом, при хроническом воздействии марганца происходит изменение микроэлементного состава, выражающееся в увеличении концентрации меди и снижении селена.
Следует отметить, что мы не выявили 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
При хроническом потреблении хлорида марганца происходит увеличение концентрации меди в ткани гиппокампа.
Хроническое потребление хлорида марганца сопровождается снижением уровня селена.
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.
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»
2 ГОСТ 33215-2014 от 01.07.2016 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила оборудования помещений и организации процедур»
About the authors
Dmitry I. Klimenko
S.N. Golikov Research Center of Toxicology
Email: dima.klimenko999@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-8168-7228
SPIN-code: 8481-4489
Scopus Author ID: 1135660
Laboratory Researcher at the Laboratory of Morphology and Electron Microscopy
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Ekaterina O. Demidova
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: bedskaya.667@yandex.com
ORCID iD: 0009-0003-0820-8471
SPIN-code: 1618-1510
Scopus Author ID: 1186562
Researcher at the Laboratory of Molecular Biology and Electron Microscopy
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Pavel N. Varioshkin
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: zonner17@list.ru
ORCID iD: 0009-0000-3863-3602
SPIN-code: 6563-9541
Scopus Author ID: 379091
1-st year postgraduate student
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Mikhail E. Shemaev
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: shemaevm@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6062-0437
SPIN-code: 6612-3721
Scopus Author ID: 1106058
Junior Researcher at the Department of Toxicology
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Nina Yu. Grigorieva
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: ninela-angel@mail.ru
Junior Researcher
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Natalia A. Belyakova
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: bna3316@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0838-8391
SPIN-code: 2760-2912
Scopus Author ID: 985015
сandidate of Medical Sciences, S.N. Golikov Research Center of Toxicology
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1Inessa V. Karpova
Institute of Experimental Medicine, St. Petersburg
Author for correspondence.
Email: inessa.karpova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8725-8095
SPIN-code: 9874-4082
Scopus Author ID: 88094
Dr Biol Sci, Docent, Senior Research Fellow
Russian Federation, 197022, Russia, Saint Petersburg, Akademika Pavlova str., 12Natalia V. Lapina
S.N. Golikov Scientific and Clinical Center of Toxicology
Email: lapina2005@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-3418-1095
SPIN-code: 4385-8991
Scopus Author ID: 787251
Candidate of Medical Sciences, Head of the Department of Toxicology
Russian Federation, 192019 Russia, St. Petersburg, Bekhtereva str.,1References
- Kanzhigalina Z.K., Kasenova R.K., Oradova A.Sh. Biologicheskaya rol` i znachenie mikroe`lementov v zhiznedeyatel`nosti cheloveka // Vestnik KazNMU. 2013. № 5(2). S. 88–91. (in Russian)
- Kozlova N.M., Gvak K.V., Gadzhiba-
- laeva L. Sh. Wilson-Konovalov disease. Sibirskiy meditsinskiy
- zhurnal. 2011;104(5):125-129. (in Russian)
- Kozlova N.M., Gvak K.V., Gadzhibalaeva L. Sh. Wilson-Konovalov disease. Sibirskiy meditsinskiy zhurnal. 2011;104(5):125-129. (in Russian)
- Konstantinova T. N., Laxman O. L., Katamanova E. V. [i dr.] / Klinicheskie sluchai professional`noj xronicheskoj margancevoj intoksikacii // Medicina truda i promy`shlennaya e`kologiya. – 2009. – № 1. – S. 27-31. (in Russian)
- Nodel`, M. R. Nervno-psixicheskie narusheniya pri bolezni Parkinsona / M. R. Nodel`, N. N. Yaxno // Nevrologiya, nejropsixiatriya, psixosomatika. – 2009. – № 2. – S. 3-8. (in Russian)
- Zaxarov V.V., Yaroslavceva N.V., Yaxno N.N. Kognitivny`e narusheniya pri bolezni Parkinsona. Nevrol zhurn 2003;8(2):11—6. (in Russian)
- Vinogradova, O. S. Gippokamp i pamyat` [Tekst] / O. S. Vinogradova ; AN SSSR, Otd-nie fiziologii. — Moskva : Nauka, 1975. — 333 s., 26 l. il. : il. : 22 sm. (in Russian)
- Kucher E.O., Shevchuk M.K., Petrov A.N., Ly`chakov A.V. E`ksperimental`noe modelirovanie alimentarnogo margancevogo parkinsonizma. Тoksikologicheskij vestnik. 2005;(4). (in Russian)
- Rukovodstvo po provedeniyu doklinicheskikh issledovanii lekarstvennykh sredstv / Nauchnyi tsentr ehkspertizy sredstv meditsinskogo primeneniya Minzdravsotsrazvitiya Rossii. – Moskva.: Grif i K, 2012. P. 944. (In Russ.)
- Karpova I.V., Litvinova M.V., Tissen I.Y., Bychkov E.R., Shabanov P.D. Lateral characteristics of oxytocin distribution in the mouse brain following intranasal peptide administration // Psychopharmacology & biological narcology. - 2024. - Vol. 15. - N. 4. - P. 347-354. doi: 10.17816/phbn636982
- Martinez-Finley E.J. et al. Manganese neurotoxicity and the role of reactive oxygen species. // Free Radic. Biol. Med. 2013. Vol. 62. P. 65–75
- Finkelstein Y, Milatovic D, Aschner M. Modulation of cholinergic systems by manganese. Neurotoxicology. 2007 Sep;28(5):1003-14. doi: 10.1016/j.neuro.2007.08.006
- Liu, A.K.L., Chau, T.W., Lim, E.J. et al. Hippocampal CA2 Lewy pathology is associated with cholinergic degeneration in Parkinson’s disease with cognitive decline. acta neuropathol commun 7, 61 (2019). https://doi.org/10.1186/s40478-019-0717-3
- McCarty R, Kopin IJ. Sympatho-adrenal medullary activity and behavior during exposure to footshock stress: a comparison of seven rat strains. Physiol Behav 1978;21:567–72.
- Maddirala Y., Tobwala S., Ercal N. N-acetylcysteineamide protects against manganese-induced toxicity in SHSY5Y cell line. // Brain Res. 2015. Vol. 1608. P. 157–166.
- Yang X. et al. Mn Inhibits GSH Synthesis via Downregulation of Neuronal EAAC1 and Astrocytic xCT to Cause Oxidative Damage in the Striatum of Mice. // Oxid. Med. Cell. Longev. 2018. Vol. 2018. P. 4235695.
- Popichak K.A. et al. Glial-neuronal signaling mechanisms underlying the neuroinflammatory effects of manganese. // J. Neuroinflammation. 2018. Vol. 15, № 1. P. 324.
- Pyatha S., Kim H., Lee D., Kim K. Association between Heavy Metal Exposure and Parkinson's Disease: A Review of the Mechanisms Related to Oxidative Stress. Antioxidants (Basel). 2022; 11(12): 2467. doi: 10.3390/antiox11122467.
- Zhang Y., Zhou Q., Lu L., Su Y., Shi W., Zhang H., Liu R., Pu Y., Yin L. Copper Induces Cognitive Impairment in Mice via Modulation of Cuproptosis and CREB Signaling. Nutrients. 2023; 15(4): 972. doi: 10.3390/nu15040972.
Supplementary files
