В организме человека детектируется до 80 химических элементов [28]. При этом все они в той или иной степени участвуют в процессах жизнедеятельности. Элементный статус человека определяет качественное и количественное содержание химических элементов в организме, что позволяет оценить уровень дисбаланса химических элементов и, следовательно, риски для здоровья. Таким образом, изучение и выявление общих закономерностей элементного статуса различных групп населения позволяют разрабатывать рекомендации с целью профилактики возникновения различных заболеваний [34]. Постоянство элементного состава, элементный гомеостаз человека обеспечивают стабильность функционирования всех систем организма и вследствие этого являются одним из фундаментальных показателей здоровья.
Обеспечение элементного гомеостаза, коррекция содержания различных элементов являются одним из методов повышения адаптационного потенциала организма человека и одной из основных задач восстановительной медицины [27]. Недавние исследования свидетельствуют о нарастании неблагоприятных тенденций в состоянии здоровья населения Российской Федерации, одна из причин которого - нарушение минерального обмена в организме человека вследствие изменения концентрации и соотношения микроэлементов в окружающей среде, питьевой воде и пищевых продуктах [12]. Очевидно, что диагностика преморбидных состояний, вызванных дисбалансом элементного состава, как оптимальная методология охраны здоровья невозможна без высокоэффективных методов оценки качественного и количественного состава элементов в биоматериалах (кровь, плазма, моча, ногти, волосы). Существующие методики, регламентированные государственными санитарно-эпидемиологическими нормативами Минздравсоцразвития России, позволяют качественно и количественно оценивать содержание лишь 35 химических элементов из 80, определяемых в организме человека [7]. Очевидно, такой чувствительности совершенно недостаточно для поиска закономерностей и оценки вероятности возникновения или существования патофизиологических изменений.
Цель работы - разработка метода оценки качественного и количественного содержания широкого диапазона химических элементов в образцах цельной крови, изучение закономерностей изменения элементного статуса человека в зависимости от возраста на примере жителей Московской области.
Материал и методы
Для оценки динамики изменения элементного состава в зависимости от возраста человека были проанализированы образцы цельной крови условно здоровых людей возрастного диапазона от 0 до 100 лет обоего пола. Отбор образцов осуществлялся с помощью шприца объемом 3 мл ("Chengdu Puth Medical Plastics", Китай) из локтевой вены в полипропиленовые пробирки с ЭДТА ("Apexlab", Россия). Объем образцов составлял 2 мл. Количество образцов крови людей каждого 5-летнего возрастного диапазона составляло 83-88 при общем количестве образцов 1711.
Пробоподготовку образцов осуществляли методом закрытого кислотного разложения. В полипропиленовую пробирку объемом 50 мл ("Corning", США) помещали 0,9-1,2 г образца крови, после чего вносили 2,5 мл 70% азотной кислоты (HPLC grade) и 250 мкл 30% раствора перекиси водорода. Растворенный образец крови переносили в автоклав. Разложение образцов осуществляли в микроволновой печи ("Berghof", Германия) по следующей программе: нагревание до 140 °С в течение 10 мин, инкубация при 140 °С 5 мин, нагревание до 200 °С в течение 2 мин, инкубация при 200 °С 15 мин. После охлаждения образец помещали в полипропиленовую пробирку объемом 50 мл ("Corning", США), после чего вносили 45 мл 1% азотной кислоты. Для оценки погрешности измерения в каждую пробирку вносили 50 мкл раствора внутреннего стандарта (In, Rh по 10 мкг/л), после чего доводили объем раствора деионизованной водой до 50 мл.
Для построения калибровочных прямых использовали калибровочный раствор Au, Hf, Ir, Pd, Pt, Rh, Ru, Sb, Sn, Te по 0,5 мкг/л, Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Sc, Sm, Tb, Th, Tm, Y, Yb по 1 мг/л; калибровочный раствор Li, Be, Al, Na, K, Ca, Mg, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Ga, Rb, Sr, In, Ag, Cd, Ba, Tl, Pb, Bi, U по 2,5 и 5 мкг/л, Mo, B, Ge, Nb, P, Re, S, Si, Ta, Ti, Zr, W по 5 и 10 мкг/л; калибровочный раствор Na, Mg, K, Ca, Si, P, S, Fe, Cu, Zn по 10 и 20 мг/л; калибровочный раствор Cr, Se по 1 мг/л; калибровочный раствор Hg - 0,1 мкг/л, I - 25 мкг/л, Br - 50 мкг/л; калибровочный раствор Hg - 0,2 мкг/л, Br - 50 мкг/л, I - 100 мкг/л. Для приготовления калибровочных растворов использовали многокомпонентные стандартные калибровочные растворы ("Perkin-Elmer", США). В качестве внешнего стандарта использовали образец цельной крови T. Elem. Whole Blood L-2 ("Seronorm", Дания).
)
Определение качественного и количественного содержания элементов осуществляли на массспектрометре с индуктивно-связанной плазмой "Elan 9000 DRC-e" ("Perkin-Elmer", США). Детекция элементов осуществлялась в полноколичественном режиме. В качестве матрицы использовали аргон. Каждое измерение проводилось в 2 повторностях (по 10 реплик в каждой). Время интеграции редкоземельных элементов составляло 1000 мкс, время интеграции остальных элементов - 500 мкс.
Количественное определение Cr и Se осуществлялось в режиме DRC-e, в качестве матрицы использовали метан. Для построения калибровочных прямых в режиме DRC-e использовали калибровочный раствор Сr, Se по 5 мкг/л и калибровочный раствор Cr, Se по 10 мкг/л. Для приготовления калибровочных растворов использовали однокомпонентные стандартные калибровочные растворы Cr, Se ("Inorganic venures", США).
Результаты и обсуждение
В настоящее время появляется множество данных о роли элементного гомеостаза в общих тенденциях распространения различных заболеваний. Так, например, эпидемия ожирения и связанных с ним метаболических нарушений, таких, как невосприимчивость к инсулину, сахарный диабет 2 типа, ассоциированы с повышенным содержанием Fe [18, 19] и пониженным содержанием Mg [21, 22]. Поиск закономерностей, связывающих то или иное патофизиологическое состояние с элементным статусом человека, невозможен без скрининга содержания широкого спектра элементов, обнаруженных в организме человека, поскольку все они в той или иной степени участвуют в процессах жизнедеятельности. Тем не менее большинство работ сфокусировано на изучении содержания только одного или нескольких элементов одновременно.
В настоящей работе мы попытались обнаружить закономерности в возрастной динамике изменения содержания широкого диапазона элементов (67) на статистически значимой выборке образцов крови (1711) условно здоровых людей. В таблице представлены элементы, содержание которых не изменяется в зависимости от возраста человека.
Содержание Na в исследованных образцах постепенно возрастает с увеличением возраста человека (рис. 1). По-видимому, данный результат отражает нарушения питания изученной популяции и связан с неумеренным потреблением поваренной соли. Избыток Na приводит к нарушениям метаболизма электролитов, что играет существенную роль в развитии гипертензии, поскольку Na взаимодействует с ренин-ангиотензин-альдостероновой системой [13] и, предположительно, влияет на активность предсердного натрийуретического пептида [23].
)
Максимальное содержание Ca наблюдается в образцах крови людей возрастного диапазона 0-20 лет (66-69 мг/кг), содержание Ca в образцах крови людей возрастного диапазона 26-85 лет существенно ниже (59-62 мг/кг), минимальный уровень Сa обнаружен в образцах крови людей старше 85 лет (57-59 мг/кг) (рис. 2). Данное уменьшение концентрации, по-видимому, связано c возрастными изменениями баланса Ca, которые коррелируют со снижением минеральной плотности кости и уменьшением массы костной ткани [24].
Понижение содержания Ca в крови (норма для взрослого человека 48-72 мг/л) крайне нежелательно и может быть следствием ряда патологий. На клеточном уровне Ca используется для регулирования проницаемости и электропроводимости биологических мембран (например, клеточных стенок), которые контролируют мышечные и нервные функции, секреции желез и кровеносных сосудов, их эластичность. Кальций также необходим для обеспечения свертывания крови.
Значительное понижение уровня Ca в организме является фактором риска в первую очередь таких заболеваний, как остеопороз, заболевания сердечно-сосудистой системы, увеличение щитовидной железы, а также злокачественных новообразований [1, 2, 8, 9]. В последнее время рост числа этих заболеваний среди населения стал уже критическим.
Причин снижения содержания Ca в организме достаточно много. Прежде всего следует отметить, что кальций поступает в организм с рационом: с пищевыми продуктами и водой.
В последнее время у большей части населения обнаруживается сниженное потребление этого макроэлемента [1, 2, 8, 9]. В зоне особого риска находятся женщины в период беременности и кормления грудью, в постменопаузальный период, дети в период активного роста, а также люди, злоупотребляющие несбалансированными диетами и голоданием. Чрезмерное употребление кофе, курение и частые стрессы также являются причинами повышенного выведения Ca.
Причинами снижения кальция помимо этого могут быть заболевания пищеварительного тракта, такие, как дисбактериоз кишечника и др., пищевая аллергия, болезни щитовидной и околощитовидных желез, болезни почек [5, 6]. При несбалансированном питании место кальция в организме могут занять другие химические элементы, препятствующие нормальному усвоению кальция. В их число входят железо, натрий, калий, фосфор, магний, а также свинец и цинк. Кроме того, большую роль в усвояемости кальция играет наличие в организме достаточного количества витамина D.
Содержание железа постепенно уменьшается в образцах крови людей возрастного диапазона 10-100 лет (рис. 3), несмотря на то что суточное потребление Fe повышается от 7,0 мг у детей до 10-15 мг у взрослых [5]. Дефицит железа - один из наиболее распространенных видов дисбаланса элементов, связанный преимущественно с недостатком мяса в рационе человека [16, 17, 29, 33]. Тканевый дефицит железа приводит к повышенному уровню утомляемости, снижению качества памяти и когнитивных функций.
)
Сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям существенно ухудшается вследствие ослабления иммунной системы. Распространенным проявлением пониженных концентраций железа бывает анемия, связанная с недостаточным синтезом гемоглобина, что усиливается с возрастом человека [30, 31, 36]. Полученные результаты доказывают необходимость коррекции рациона питания, повышения потребления железа.
Содержание селена в крови людей возрастного диапазона 0-25 лет возрастает с увеличением возраста, достигает максимума и сохраняется на постоянном высоком уровне у людей возрастного диапазона 25-55 лет, после чего постепенно снижается с возрастом в диапазоне 55-100 лет (рис. 4). Дефицит селена в организме человека способен ускорять процесс накопления мышьяка в организме человека, поскольку селеносодержащие ферменты принимают участие в процессах экскреции органических и неорганических форм As. Избыток мышьяка приводит к нарушениям обновления кожных покровов, сердечно-сосудистым заболеваниям, а также повышает риск развития злокачественных новообразований [25].
Полученные результаты доказывают связь между сниженным содержанием Se и повышенным содержанием As в крови. График зависимости содержания As от возраста человека (рис. 5) служит зеркальным отражением графика зависимости содержания Se от возраста человека, что подтверждает антагонистические эффекты данных элементов. Поскольку дефицит Se приводит к структурным и функциональным нарушениям сердечной мышцы, остеохондропатии, снижению сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям, повышает риск злокачественных новообразований [15], людям возрастных диапазонов 0-25, 55-100 изученной популяции требуется коррекция рациона питания или прием комплексов, содержащих Se.
)
Графики изменения содержания редкоземельных элементов (РЗЭ) Eu и Ho (рис. 6, 7) отражают однонаправленные тенденции накопления данных элементов. Максимальное содержание этих элементов наблюдается в образцах крови людей возрастного диапазона 25-65 лет. Данное явление, по-видимому, связано с диффузным загрязнением воды, воздуха и почвы РЗЭ, что обычно для регионов с высокой плотностью населения и сильной индустриализацией [14]. Повышенное содержание РЗЭ в крови ассоциировано с увеличенным уровнем экспрессии цитокинов воспаления в клетках печени [26], а также с повышенным риском нарушения когнитивных функций и памяти [32]. Одним из основных депо РЗЭ в организме человека являются кости, поскольку РЗЭ в силу размера атома легко замещают Ca на поверхности костей [35]. Возможно, снижение содержания Eu и Ho в возрастном диапазоне 65-100 лет отражает возрастные тенденции снижения минеральной плотности кости и уменьшения массы костной ткани, что коррелирует с уменьшением уровня Ca в крови при увеличении возраста (см. рис. 2).
Полученные данные демонстрируют существенное увеличение содержания U и V в крови людей возрастного диапазона 85-100 лет (рис. 8, 9).
)
Соединения ванадия и урана в норме относительно легко фильтруются почками и выводятся с мочой [37]. Полученный результат, по-видимому, связан с возрастным ухудшением функционирования выделительной системы. Избыток ванадия ассоциирован с повышенным уровнем холестерина в крови, что играет ведущую роль в развитии атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний [38]. Уран проявляет токсичность в отношении проксимальных канальцев почек, кроме того, загрязнение ураном вызывает увеличение содержания глюкозы в крови и повышение артериального давления, что также служит фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний [20].
В целом, представленные результаты указывают на тот факт, что в настоящее время пищевые продукты являются одним из основных источников поступления микроэлементов в организм человека [6, 11]. Химические токсиканты, в том числе тяжелые металлы, загрязняя воду, воздух и почву, в конечном итоге оказываются на столе у потребителя в виде опасных для здоровья ингредиентов пищевых продуктов [4].
Следует учитывать, что содержание микроэлементов в пищевых продуктах зависит от характера почвы, ее физических свойств и химического состава, климатогеографических и погодных условий, от вида, сорта и стадии вегетации растений, применяемых удобрений, от вида сельскохозяйственных животных, их породы, характера питания, упитанности и других условий [3]. Данные о содержании микроэлементов в пищевых продуктах одной почвенно-климатической зоны не могут полностью совпадать с данными о содержании микроэлементов в таких же продуктах из другой зоны. Кроме того, население, особенно сельское, использует для питания преимущественно продукты местного происхождения [10].
Знание уровня естественного содержания микроэлементов в пищевых продуктах является, с одной стороны, обязательным условием для изучения их баланса в организме, роли в физиологических процессах и патологии. С другой стороны, сведения о микроэлементном составе пищевых продуктов, рационов и питьевых вод необходимы для того, чтобы результаты физиологических, биохимических и биогеохимических исследований были использованы органами здравоохранения, мониторинговыми службами при осуществлении профилактических и других оздоровительных мероприятий, в том числе для рационализации питания и водоснабжения. Это актуально в связи с тем, что физиологически полноценное питание необходимо для роста, развития, сохранения здоровья, поддержания высокой работоспособности, сопротивления организма инфекционным заболеваниям и другим факторам окружающей среды [3].
Заключение
Один из основных факторов снижения адаптационных способностей организма человека - нарушение элементного гомеостаза. В связи с этим наиболее оптимальной методологией охраны здоровья являются донозологическая диагностика и своевременная коррекция функциональных расстройств. Очевидное преимущество такой стратегии - относительная легкость корригирующего воздействия, поскольку на ранних стадиях развития процессов дезадаптации большинство защитных ресурсов организма сохранено. В настоящем исследовании был проведен массовый скрининг большой популяции людей условно здорового статуса. Предложенный метод анализа позволяет качественно и количественно анализировать содержание 67 элементов в составе биологических проб. Выявлены закономерности динамики нарушений элементного гомеостаза в зависимости от возраста человека. Полученные результаты отражают необходимость мониторинга и контроля элементного статуса людей с целью своевременной пищенутрицевтической коррекции сниженного уровня функциональных резервов организма.
Литература
1. Батурин А.К., Оглоблин Н.А., Волкова Л.Ю. Результаты изучения потребления кальция с пищей детьми в Российской Федерации // Вопр. дет. диетологии. 2006. Т. 4, № 5. С. 12-16.
2. Вржесинская О.А, Коденцова В.М., Светикова А.А. Уровень потребления витаминов и минеральных веществ как фактор риска развития остеопатии у больных с сердечно-сосудистой и желудочно-кишечной патологией // Вопр. питания. 2008. Т. 77, № 6. С. 17-23.
3. Игнатова Т.Н. Элементный состав органов и тканей человека - жителя Томского района : дис. - канд. геол.-минерал. наук. Томск, 2010. 227 с.
4. Киприянов Н.А., Устюгов Г.П., Фролова С.С. Контроль содержания тяжелых металлов при оценке качества сырья и пищевых продуктов. М. : АгроНИИТЭИПП, 1990. Вып. 1. С. 1-28.
5. Кукушкин Ю.Н. Химические элементы в организме человека // Сорос. образов. журн. 1998. № 5. C. 54-58.
6. Микроэлементы в питании человека : докл. Комитета экспертов ВОЗ. М. : Медицина, 1975. 74 с.
7. МУК 4.1.1482-03. Определение химических элементов в биологических средах и препаратах методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. М., 2003.
8. Оглоблин Н.А., Вржесинская О.А., Коденцова В.М. и др. Обеспеченность больных, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, витаминами и минеральными веществами // Вопр. питания. 2007. Т. 76, № 1. С. 31-38.
9. Оглоблин Н.А., Спиричев В.Б., Батурин А.К. О потреблении населением России кальция с пищей // Вопр. питания. 2005. Т. 74, № 5. С. 14-17.
10. Пейве Я.В. Микроэлементы и ферменты. Рига : Изд-во АН Латвийской ССР, 1960. 260 с.
11. Рейли К. Металлические загрязнения пищевых продуктов. М. : Агропромиздат, 1985. 183 с.
12. Тутельян А.В. Витамины и микроэлементы в клинической фармакологии. М. : Палея-М, 2001.
13. Atlas S.A., Volpe M., Sosa R.E. et al. Effects of atrial natriuretic factor on blood pressure and the renin-angiotensin-aldosterone system // Fed. Proc. 1986. Vol. 45. Р. 2115-2121.
14. Biasioli M., Fabietti G., Barberis R., Ajmone-Marsan F. An appraisal of soil diffuse contamination in an industrial district in northern Italy // Chemosphere. 2012. Vol. 88. P. 1241-1249.
15. Bodnar M., Konieczka P., Namestnik J. The properties, functions, and use of selenium compounds in living organisms // J. Environ. Sci Health. 2012. Vol. 30. Р. 225-252.
16. Bouis H.E. Plant breeding: a new tool for fighting micronutrient malnutrition // J. Nutr. Food. Sci. 2002. Vol. 132. P. 491-494.
17. Carlson D., Norgaard J.V., Torun B., Cakmak I. et al. Bioavailability of trace elements in beans and zinc-biofortified wheat in pigs // Biol. Trace Elem. Res. 2012. Vol. 150. Р. 147-153.
18. Collins J.F., Prohaska J.R., Knutson M.D. Metabolic crossroads of iron and copper // Nutr. Res. Rev. 2010. Vol. 68. Р. 133-147.
19. Deng Z., Dailey L.A., Soukup J., Stonehuerner J. Zinc transport by respiratory epithelial cells and interaction with iron homeostasis // 2009. Vol. 22, N 5. Р. 803-815.
20. Dewar D., Harvey L., Vakil C. Uranium mining and health // Can. Fam. Physician. 2013. Vol. 59. Р. 469-471. 21. Forouhi N.G., Harding A.H., Allison M. et al. Elevated serum ferritin levels predict new-onset type 2 diabetes: results from the EPIC-Norfolk prospective study // Diabetologia. 2001. Vol. 50. Р. 949-956.
22. Fumeron F., Pean F., Driss F., Balkau B. et al. Ferritin and transferrin are both predictive of the onset of hyperglycemia in men and women over 3 years: the data from an epidemiological study on the Insulin Resistance Syndrome (DESIR) study // Diabetes Care. 2006. Vol. 29. Р. 2090-2094.
23. Guangmei H., Xinjuan X., Xiaohui L. et al. Associations of plasma atrial natriuretic peptide and electrolyte levels with essential hypertension // Exp. Ther. Med. 2013. Vol. 5. Р. 1439-1443.
24. Hong H., Kim E., Lee J. Effects of calcium intake, milk and dairy product intake, and blood vitamin D level on osteoporosis risk in Korean adults: analysis of the 2008 and 2009 Korea national health and nutrition examination survey // Nutr. Res. Pract. 2013. Vol. 7. Р. 409-417.
25. Kolachi N.F., Kazi T.G., Wadhwa S.K., Afridi H.T. et al. Evaluation of selenium in biological sample of arsenic exposed female skin lesions and skin cancer patients with related to non-exposed skin cancer patients // Sci Total. Eviron. 2011. Vol. 409. Р. 3092-3097.
26. Li N., Cheng J., Cheng Z. et al. Molecular mechanism of inflammatory response in mouse liver caused by exposure to CeCl3 // Environ. Toxicol. 2013. Vol. 28. P. 349-358.
27. Malinouski M., Hasan N.M., Zhang Y., Seravalli J. et al. Genome-wide RNAi ionomics screen reveals new genes and regulation of human trace element metabolism // Nat. Communications. 2014. Vol. 5. P. 3301.
28. Massadeh A., Gharibeh A., Omari K., Al-Momani I. et al. Simultaneous determination of Cd, Pb, Cu, Zn and Se in human blood of jordanian smokers by ICP-OES // Biol. Trace Elem. Res. 2010. Vol. 133. P. 1-11.
29. Nestel P., Bouis H.E., Meenakshi J.V., Pfeiffer W. Biofortification of staple food сrops // J. Nutr. Food Sci. 2006. Vol. 136. Р. 1064-1067.
30. Piammongkol S., Chongsuvivatwong V., Williiams G., Pornpatkul M. The Prevalence and determinants of iron deficiency anemia in rural thai-muslim, pregnant women in pattani province // South Asian. J. Trop. Med. Public. Health. 2006. Vol. 37. Р. 553-558.
31. Rusmussen K.M. Deficiency or iron deficiency anemia and weight at birth, length of gestation and perinatal mortality // J. Nutr. Food. Sci. 2001. Vol. 131. Р. 590-603.
32. Summers M.J., Crowe S.F., Ng K.T. Administration of lanthanum chloride following a reminder induces a transient loss of memory retrieval in day-old chicks // Neurosci Biobehav. Rev. 2003. Vol. 27. P. 219-231.
33. Tako E., Laparra M., Glahn R.P. et al. Biofortified black beans in a maize and bean diet provide more bioavailable iron to piglets than standard black beans // J. Nutr. Food. Sci. 2009. Vol. 139. Р. 305-309.
34. Trace elements in human nutrition and health. Geneva : WHO, 1996.
35. Vidaud C., Bourgeois D., Meyer D. Bone as target organ for metals: the case of f-elements // Chem. Res. Toxicol. 2012. Vol. 25. P. 1161-1175.
36. Yekta Z., Ayatollahi H., Pourali R., Farzin A. Predicting factors in iron supplement intake among pregnant women in urban care setting // J. Res. Health Sci. 2008. Vol. 8. Р. 39-45.
37. Zhang Y., Zhang Q., Feng C. et al. Influence of vanadium on serum lipid and lipoprotein profiles: a population-based study among vanadium exposed workers // Lipids Health Dis. 2014. Vol. 13. Р. 39.
38. Zychlinski L., Byczkowski J.Z., Kulkarni A.P. Toxic effects of longterm intratracheal administration of vanadium pentoxide in rats // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1991. Vol. 13. Р. 295-298.