Trace element status in patients with calcined aortic stenosis seasonal

Full Text

Введение В настоящее время количество научных публикаций по исследованию биоэлементного статуса человека существенно увеличилось. Биоэлементы, являясь ко - факторами, поддерживают активность многих ферментных систем в организме человека. Получены научные сведения об участии микроэлементов в патогенетических процессах формирования ряда заболеваний [1 - 5]. Также не исключается их участие в развитии такого заболевания как кальцинированный аортальный стеноз. Кальцинированный аортальный стеноз (КАС) - это результат генетически детерминированного иммуноо - посредованного воспалительного процесса в створках аортального клапана, приводящего, как правило, в ВОЗрасте старше 60 лет к патологическому фиброзирова - нию и/или эктопической оссификации в них. Дальнейшее уплотнение и кальциевое (гидроксилапатитовое) утяжеление створок приводит к возникновению обструкции выносящего тракта без первичного формирования комиссуральных сращений, затруднению оттока крови из левого желудочка (ЛЖ) и резкому возрастанию разницы давления между аортой и ЛЖ [6]. Современный хирургический метод лечение подразумевает грубое механическое устранение кальцинированных изменений аортального клапана, которые являются следствием нарушения биохимических процессов в данной области. Согласно одной из наиболее распространённых теорий развития данного порока предполагается, что КАС является ответом на повреждение, в патогенезе которого лежит активный клеточно - гуморальный процесс с признаками дисфункции эндотелия, активным воспалительным процессом и нейрогормональной активацией [7]. В свою очередь, в основе нарушения функции эндотелия может лежать изменение содержания в организме макро - и микроэлементов, являющихся ко - факторами различных ферментных систем. С клинической точки зрения все микроэлементы в зависимости от воздействия на организм делятся на три группы: Медицинская биоэлементология в восстановительной медицине и медицинской реабилитации 51 Вестник восстановительной медицины № 5 • 2015 1. Эссенциальные: кальций, медь, цинк, марганец, молибден, кобальт, хром, никель, йод, фтор, селен, (ванадий), (кремний); 2. Токсичные: алюминий, кадмий, свинец, ртуть, бериллий, барий, таллий, висмут, сурьма; 3. Нейтральные микроэлементы (инертные, «потенциально - токсичные»): рубидий, цирконий, олово, серебро, золото, титан, стронций, германий, галлий и другие. Макро - и микроэлементы содержатся в биологических субстратах в весьма малых концентрациях, поэтому для определения малых доз элементов необходимо использование высокочувствительных инструментальных методов анализа. Основные требования, предъявляемые к методу, - сочетание низких пределов обнаружения, высокая чувствительность и селективность. В настоящее время для определения микроэлементов в биомедицинских образцах чаще всего используют метод масс - спектроскопии с индуктивно связанной плазмой [8, 9], который, в отличие от методов ионной хроматографии, атомной адсорбции и т.д., является методом, обеспечивающий наиболее высокую точность и воспроизводимость [10]. Степень изученности данной проблемы. Проблема КАС нашла свое отражение в работах зарубежных и отечественных ученых [6, 11 - 14]. Кроме того, в последнее время данный вопрос часто рассматривается через «призму» эндотелиальной дисфункции [15, 16], однако проблема влияния на патогенез КАС содержания микроэлементов, как факторов, определяющих активность большинства ферментных систем, не нашла своего должного отражения в отечественной и иностранной литературе, что повышает актуальность этого вопроса для современной кардиологии. Цель исследования - выявление особенностей биоэлементного статуса у лиц с кальцинированным стенозом аортального клапана. Материалы и методы Обследовано 30 пациентов (14 мужчин и 16 женщин, средний возраст 65±5,2 лет) с тяжёлой степенью кальцинированного аортального стеноза. В исследование не включались пациенты, имеющие иную тяжёлую сопутствующую патологию, такую как онкологическое заболевание, гепатиты, системные заболевания соединительно ткани, сахарный диабет, хроническую болезнь почек 4 - 5 стадии, признаки дыхательной недостаточности, нарушения пищеварения. В качестве контрольной группы и с целью исключения биогеохимических региональных особенностей, присущих Северо - Западному региону, исследовали микроэлементный статус 30 практически здоровых людей, сопоставимых по возрасту и полу. Исследование минерального состава биопроб осуществлялось методом масс - спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, позволяющим определять концентрации отдельных элементов на уровне от сотых долей нанограммов до сотен миллиграммов на литр [8]. В качестве объекта исследования микроэлементного статуса индивидуума служила плазма крови, забранной натощак. Оценка содержания элементов в сыворотке крови (24 химических элемента: Al, V, I, Cd, Ca, Co, Mg, Mn, Cu, Mo, As, Na, Ni, Hg, Rb, Pb, Se, Ag, Sr, Tl, P, Cr, Cs, Zn) проводилась на квадрупольном масс - спектрометре с аргоновой плазмой (X - SERIES II ICP - MS) в соответствии с мето дическими указаниями, утвержденными Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации [8] в научно - исследовательской лаборатории элементного анализа «Всероссийского центра экстренной и радиационной медицины им. А.М. Никифорова» (ВЦЭРМ им. А.М. Никифорова) МЧС России (Санкт-Петербург). В качестве нормальных показателей (далее «норма») использовали международные нормы и референтные интервалы для взрослого населения, полученные в научно - исследовательской лаборатории элементного анализа ФГБУ ВЦЭРМ им. А.М. Никифорова МЧС России. Полученные показатели химических элементов обрабатывались с помощью программного обеспечения PlasmaLab 2.5.4. Статистическую обработку выполняли с использованием пакета программ STATISTICA 6.0. Определяли величину средней концентрации каждого элемента, стандартное отклонение, медиану, доверительный интервал, а также U - критерий Манна - Уитни (U) и p - значение для оценки различий между двумя независимыми выборками [17]. Результаты и их обсуждение В таблице 1 представлены медианы и доверительные интервалы с уровнем доверия 95% содержания микроэлементов в сыворотки крови пациентов с КАС и контрольной группы, U - критерий и p - значение, а также референтные показатели. Из этих данных следует, что все изучаемые показатели находятся в диапазоне референтных значений. Однако при сравнении полученных данных с результатами анализа крови контрольной группы, отмечается достоверное (p<0,05) снижение некоторых показателей эссенциальных и неэссенциальных микроэлементов: кальция, цинка, ванадия, рубидия. При этом в сравнении с контрольной группой выявлено повышение концентрации токсичного свинца и инертного стронция. Выявлена отчётливая тенденция к повышению содержания алюминия (p=0,06) и снижению уровня магния (р=0,068). Следует отдельно отметить, что в контрольной группе выявлен высокий процент людей с низкой концентрацией йода, что является характерным для Северо - Западного региона. Так, медиана значений уровня йода в контрольной группе составила 0,02 мг/л («норма» 0,03 - 0,10 мг/л), в то время как в основной группе 0,04 мг/л (U=16, p<0,001). Цинк. Содержание цинка в организме взрослого человека около 2 г. Концентрируется он преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе. Относительный дефицит цинка отрицательно влияет на целый ряд систем организма, так как цинк является ко - фактором целого ряда (более 400) гормонов и ферментов. Среди них инсулин, дигидрокортико - стерон, супероксиддисмутаза, ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК, и др. Кроме того, цинк принимает участие в процессах деления и дифференцировки клеток, формировании Т - клеточного иммунитета. Ионы Zn2+, являясь слабым основанием, в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции: Zn2+ + H2O ^ ZnOH+ + H+ Наиболее изученным ферментом, содержащим цинк, является карбоангидраза, содержащаяся в эритроцитах крови и способствующая превращению 52 Медицинская биоэлементология в восстановительной медицине и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 5 • 2015 Таблица. Сравнительная характеристика содержания микроэлементов у больных кальцинированным аортальным стенозом и контрольной группой, мг/л Примечание: * - результаты достоверны при сравнении результатов больных КАС и контрольной группы углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат - ионы и угольную кислоту, которая, в свою очередь, переносится кровью в лёгкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО2 превращается в гидрокарбонат - анион HCO3 -, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Карбоангидраза ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз. В отсутствие фермента превращение СО2 в анион протекает с очень низкой скоростью [18]. Таким образом, снижение уровня цинка плазмы крови потенциально может способствовать некоторому повышению рН артериальной крови, поступающей из лёгких в левые камеры сердца. При повышении рН усиливается кристаллообразование, так как отрицательный заряд поверхности кристаллов гидроксилапатита кальция в щелочной среде способствует «захвату» ионов Са2+, СаОН+, что и обеспечивает рост кристаллов [19]. Данное предположение подтверждается полученными нами результатами измерения рН артериальной крови, забранной из бедренной артерии больных КАС, в которой отмечалась тенденция к смещению рН в щелочную сторону (n=15, pH 7,447±0,005) и может являться одним из потенциальных патогенетических аспектов развития кальцинирования аортальных полулуний. Кроме того, в ряде исследований было убедительно показано защитное действие цинка на развитие атеросклероза, в первую очередь, за счет нормализации уровня окисленных липопротеидов низкой плотности, оказывающих выраженное проа - терогенное действие, а также нормализации обмена кальция [20]. Содержащая цинк металопротеиназа 1 (ММП - 1, интерстициальная коллагеназа, относится к над - семейству цинковых металлопротеиназ) гидролизует три интерстициальных коллагена - типы I, II и III, составляющих основу аортальных полулуний, что приводит к расщеплению молекулы коллагена на два фрагмента, доступных дальнейшему распаду. ММП 1 Медицинская биоэлементология в восстановительной медицине и медицинской реабилитации 53 Вестник восстановительной медицины № 5 • 2015 синтезируется рядом клеток: нормальными и трансформированными фибробластами, эпителиальными клетками, макрофагами [21]. Этот фермент также гидролизует минорные коллагены типов VII и X, а также желатины разных коллагенов - белки соединительнотканного матрикса: гликопротеин энтактин (связывающийся с ламинином и коллагеном IV типа) и агрекан [22]. Следовательно, снижение активности ММП - 1 на фоне снижения концентрации цинка, наряду с активизацией холестерином тканевого ингибитора ММП - 1 (ТИММП - 1), способствует нарушению обмена коллагена с удлинением времени жизни, его накоплением и развитием в нём дегенеративных изменений. В свою очередь, «обнажение» сульфа - тированных гликопротеинов коллагеновых волокон, вследствие их дегенеративных изменений может приводить к инициированию формирования кристаллических и кристаллоподобных структур в матриксе клапана [23]. Кальций. Общепризнано, что относительная гипо - кальциемия, в целом, характерна для пациентов с КАС. В нашем исследовании выявлено снижение концентрации кальция в 1,5 раза в сравнении с контрольной группой, что подтверждает полученные ранее результаты. Большинством авторов данный факт объясняется развитием относительного гиперпаратире - оза у 25% и недостаточности витамина D у 75% пациентов, а также сочетанием данных причин у более чем 10% больных КАС [24]. Однако, на наш взгляд, снижение уровня кальция у больных КАС может быть обусловлено ещё двумя факторами: - выпадение малорастворимых средних солей - фосфатов [Ca(OH)]3PO4 и карбонатов [Ca^H^TO,, кальция, растворимость которых существенно снижается на фоне даже незначительного увеличения рН артериальной крови; - снижение в кишечнике синтеза белков, ответственных за транспорт кальция, за счёт снижения концентрации 1,25(ОН)^3, что обусловлено нарушением гидроксилирования витамина D3 на фоне нарушения микроциркуляции при развитии хронической сердечной недостаточности. Ванадий. Физиологическая роль ванадия недостаточно изучена. Предполагается, что ванадий является регулятором окислительно - восстановительных процессов, катализирует окисление фосфолипидов изолированными ферментами печени, участвует в регуляции глюкозы крови. Достоверно установлено, что ванадий активизирует эндотелиальную NO - синтазу (e - NOS) [24]. Следовательно, снижение уровня ванадия будет существенно отражаться на выработке оксида азота, снижая вазодилатационный потенциал эндотелия. Кроме того, в снижении экспрессии e - NOS в эндотелии артерий и аортального клапана у больных КАС важную роль играют модифицированные липопротеиды низкой плотности (мЛПНП), что приводит к возникновению оксидативного стресса и повышенной экспрессии супероксиддисмутазы [16]. Таким образом, недостаток ванадия в совокупности со снижением уровня цинка и накоплением мЛПНП способствует существенному ослаблению системы антиоксидантной защиты и, следовательно, усилению проявлений дисфункции эндотелия, наблюдаемое у больных КАС. Кроме того, не исключается, что ванадий может влиять на структуру ЛПНП, снижая степень их атерогенности, однако данное предположение нуждается в подтверждении. Рубидий. Рубидий большинством авторов относится к группе так называемых «нейтральных» микроэлементов. Несмотря на то, что размеры рубидия превышают размеры калия, в гидратированном состоянии их размеры совпадают, что делает рубидий биологически полным аналогом калия. Таким образом, биологическая активность рубидия заключается в том, что накапливаясь в организме, он вступает в конкурентную рецепторную связь с ионами калия, изменяя работу Na+/K+ - АТФазы различных клеточных систем, в первую очередь эритроцитов [26]. Однако с чем связано и как может отражаться на патогенезе выявленное достоверное снижение рубидия в плазме крови больных КАС в сравнении с контрольной группой до настоящего времени остаётся не изученным. Стронций. Стронций имеет незначительное значение в жизнедеятельности организма, всегда присутствуя как неизменный спутник кальция частично замещая собой последний. Основными накопителями стронция в организме являются кости и зубы, в которых он частично заменяет собой кальций. Повышенное содержание стронция приводит в первую очередь к поражению костной ткани (увеличивается хрупкость костей и быстро разрушаются зубы). Теоретически, включение стронция в структуру должно способствовать формированию более «рыхлого», «легкотравми - руемого» кальцината, однако литературных данных о накоплении стронция в кальцинатах аортальных полу - луний нами выявлено не было, что указывает на маловероятное патогенетическое значение данного элемента в инициации и прогрессировании КАС. Алюминий, магний. Алюминий обладает токсическим эффектом за счет антагонизма с двухвалентными эссенциальными металлами и, в первую очередь, кальцием, цинком и магнием, замещая их. Это способствует изменению третичной структуры белков, существенно нарушая их функцию. Следствием даже транзиторного повышения уровня алюминия является развитие признаков энцефалопатии. В настоящее время высказывается предположение, что длительное сохранение концентрации алюминия близкой к верхней границе может являться, по мнению некоторых авторов, причиной развития болезни Альцгеймера [24]. Повышение уровня алюминия, наблюдаемое у больных с КАС также частично изменяет обмен двухвалентных микроэлементов [5, 26, 28] первоначально в пристеночном слое тонкой кишки, куда он попадает с пищей, а затем в плазме крови, при этом в тканях связывание фосфата алюминием приводит к снижению АТФ, локально повышается концентрация Са2+[28], что особенно актуально применительно к аортальным полулуниям, имеющим наиболее тесный контакт с высокоскоростным потоком крови. Таким образом, алюминий потенциально может являться одним из этиопатогенетических факторов формирования нарушения функции эндотелия. Кроме того, выявленное снижение уровней цинка и магния у больных КАС дополнительно усиливает токсическое действие алюминия, потенцируя окислительные и воспалительные реакции, ведущие к повреждению тканей, одновременно снижая активность ферментов, кофакторами которых являются магний и цинк, 54 Медицинская биоэлементология в восстановительной медицине и медицинской реабилитации Вестник восстановительной медицины № 5 • 2015 способствуя тем самым прогрессированию дегенеративных изменений субэндотелиальных структур аортальных полулуний, как подвергающихся наибольшему механическому воздействия в условиях постоянного гидродинамического удара. Свинец. Механизм токсического действия свинца имеет двойную направленность. Во - первых, блокада функциональных SH - групп белков и, как следствие, - инактивация ферментов, во - вторых, проникновение свинца в нервные и мышечные клетки, образование лактата свинца, затем фосфата свинца, которые создают клеточный барьер для проникновения ионов Са2+ и, как следствие, нарушению работы внутриклеточных ферментных систем. Основными мишенями при ВОЗдействии свинца являются кроветворная, нервная и пищеварительная системы, а также почки. Неполноценное питание, дефицит в рационе кальция, фосфора, железа, пектинов, белков (или повышенное поступление кальциферола) увеличивают усвоение свинца, а следовательно - его токсичность [28]. Вероятнее всего, именно эти факты (в том числе снижение уровня кальция плазмы) могут объяснять выявленное в нашем исследовании кратное, более чем в 12 раз повышение уровня свинца в сравнении с группой контроля, что подтверждается наличием отрицательной корреляционной связи умеренной силы между уровнями кальция и свинцом (r= - 0,57; p<0,05). Рекомендованные в настоящее время нормы содержания большинства микроэлементов рассчитаны для популяции в целом, исходя из токсического влияния или формирования клинических проявлений недостаточности каждого из них в отдельности. У каждого конкретного человека эти интервалы могут несколько отличаться от таковых, а эффекты от их дисбаланса - потенцироваться. Выводы Таким образом, несмотря на то, что все обнаруженные нами концентрации содержания микроэлементов находятся в пределах референтных интервалов, дисбаланс и взаимопотенцирование эффектов, связанных, с одной стороны, с относительным снижением эссенциальных микроэлементов (кальций, цинк, ванадий) и, с другой стороны, с повышением уровня токсических (алюминий, свинец) и нейтральных (стронций) потенциально может способствовать развитию нарушений активности различных ферментных систем и функциональной активности эндотелия, что, в свою очередь, наряду с действием иных патогенетических факторов являться индуктором развития кальцификации аортальных полулуний.

About the authors

N. I Gulyaev

Military Medical Academy n.a. S.M. Kirov

St. Petersburg, Russia

E. D Suglobova

The first St. Petersburg State Medical University n.a. academician I.P. Pavlov

St. Petersburg, Russia

M. A Vlasenko

«All-Russian center of emergency and radiation medicine named after A.M. Nikiphorov»

Email: vlasenkomaria@gmail.com
St. Petersburg, Russia

M. V Yakovleva

«All-Russian center of emergency and radiation medicine named after A.M. Nikiphorov»

St. Petersburg, Russia

V. V Kuznetsov

Military Medical Academy n.a. S.M. Kirov

St. Petersburg, Russia

A. V Gordienko

Military Medical Academy n.a. S.M. Kirov

St. Petersburg, Russia

G. L Kuranov

Saint-Petersburg State University

St. Petersburg, Russia

D. S Poltareyko

Military unit 42984

Email: uzlovaya85@mail.ru
St. Petersburg, Russia

References

Supplementary files