Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние медно-цинковых колчеданных руд на метаболизм костной ткани

ВАК РФ 03.01.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние медно-цинковых колчеданных руд на метаболизм костной ткани"

На правах рукописи

Нургалеев Никита Валерьевич

ВЛИЯНИЕ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ КОЛЧЕДАННЫХ РУД НА МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ

03.01.04 - Биохимия 14.03.03 - Патологическая физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

17 ОКТ 2013

Челябинск - 2013

0055350УО

005535093

Работа выполнена на кафедре биологической химии Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Научные руководители:

Аглетдинов Эдуард Феликсович доктор медицинских наук

Фаршатова Екатерина Рафаэлевна кандидат медицинских наук

Официальные оппоненты:

Мещанинов Виктор Николаевич доктор медицинских наук, профессор, ГБОУ ВПО «Уральская государственная медицинская академия» Минздрава России, кафедра биологической химии, заведующий

Кривохижина Людмила Владимировна доктор медицинских наук, профессор, ГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России, кафедра патологической физиологии, заведующий

Ведущая организация: Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Защита диссертации состоится « /¿. » кРЗд/Ц, 2013 года в_часов

на заседании Диссертационного совета Д 208.117.02 при Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации, по адресу: 454092, г.Челябинск, ул.Воровского, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автореферат разослан « ^ » РЮч£&рЗ_2013 года

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор медицинских наук

Н.В. Тишевская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы и степень ее разработанности

Остеопороз (ОП) в России, как и в большинстве стран мира, входит в четвёрку основных хронических болезней XXI века, наряду с сердечно-сосудистыми, онкологическими заболеваниями и сахарным диабетом, уносящих жизни и приводящих к инвалидизации населения (Казимирко В.К. Остеопороз: патогенез, клиника, профилактика и лечение. Киев: Морион, 2006. - 160 е.; Митрохина Т.В. Остеопороз и остеопатии. - 2012. - № 2. - С. 13-17). При ОП нет характерной, в том числе ранней, клиники, кроме уже развившихся переломов. В связи с этим определение и учёт факторов риска при диагностике и организации профилактики ОП приобретают особое значение. Среди факторов риска развития ОП как важнейшие определяются предшествующие переломы, пожилой возраст, низкая минеральная плотность костной ткани (МПКТ), наследственность, гипогонадизм, курение, недостаточное потребление кальция и витаминов, злоупотребление алкоголем, низкая физическая активность и другие особенности образа жизни, низкая масса тела и др. (Лесняк О.М., Беневоленская Л.И., Остеопороз. Диагностика, профилактика и лечение. М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2010. — 269 е.). В развитии осте-опороза существенную роль играют также экологические факторы, загрязнение производственной среды токсическими веществами. Имеется ограниченное число сообщений о влиянии химических факторов на состояние костной ткани (Камилов Ф.Х. Астраханский мед. журнал. — 2008. - №3 (приложение). С. 96-98; Мед. вестник Башкортостана. - 2007. - № 1. - С. 78-82.; Меньшикова И.А. Госпитальный вестник. - 2007. - № 1. - С. 41-43; Рамазанова Л.М. Вестник ОГУ. - 2008. - № 9 (91). - С. 199-203; Маклакова Т.П. Остеопороз и остеопатии - 2010. - № 1, приложение: Тезисы IV Российского конгресса по остеопорозу. - С. 41). При этом, особое внимание среди токсичных соединений привлекают тяжёлые металлы.

Профессиональный контакт с тяжёлыми металлами и другими токсичными элементами имеют рабочие предприятий по добыче руды и в производстве по обогащению цветных металлов. В рудах медно-цинковых колчеданных месторождений обнаружено более 80 минералов, содержащих медь, цинк, свинец, сурьму, серебро, золото, кадмий, ртуть, мышьяк, хром и другие элементы, которые с пылью попадают в организм горняков и накапливаются в тканях. Болезни костно-мышечной системы на предприятиях горнодобывающей промышленности занимают высокое ранговое место (Кудашева А.Р. Здравоохр. Башкортостана. - 2005. - № 2. - С. 30-33; Терегулова З.С. Профессиональная и производственно обусловленная заболеваемость у горнорабочих: особенности формирования и профилактика - Уфа,. 2010. - 176 е.; Аскарова З.Ф. Профессиональный риск у работников горнодобывающих предприятий - СПб.: Норд- мед- издат, 2010. - 216 е.). Системный остеопороз очень часто сопровождается развитием хронического генерализованного пародонтита (Арутюнов С.Д. Стоматология. - 2008. - № 2. - С. 61-65; Артушкевич В.Г. Лечение и профилактика.- 2012. - №2(3).-с.42-47; Плескановая Н.В. Стоматолог. — 2008. -№ 7. - С. 18.; Watawski-Wende Y. J. Periodontal.-2005.-vol.76, №11.-р.2116-2124; Lopes E. Rev. Bras. Gynecol. Obstet. - 2008. - Vol. 30, № 8. - P. 379-384).

Остеопоротические изменения скелета достаточно рано затрагивают кости челюсти, усугубляя деструкцию альвеолярной кости и соединительной ткани пародонта (Артушкевич В.Г. Рос. стоматол. журн. - 2008. - № 1. - С. 48-51; Starka М. Progresdent. - 2001. - Vol. 2 — P. 6-8). С этих позиций привлекают внимание результаты исследования, характеризующие развитие воспалительно-дистрофических изменений пародонта при действии химических загрязнителей окружающей и производственной среды (Поворознюк В.В., Мазур И.П. Здоров'я Украти. - 2003. - № 15-16. - С. 24-25; Чемикосова Т.С. Дальневост. мед. журн. — 2004. - № 4. - С. 15-18; Агафонов Ю.Г. Уральский стоматол. журн. - 2004. - № 4. -С. 8-12; Галикеева А.Ш. Мед. вестник Башкортостана. - 2008. - № 6. - С. 14-16). Прогрессирование стоматологических заболеваний с увеличением поражения твёрдых тканей зуба и усугублением тяжести течения пародонтита наблюдается у рабочих металлургического производства с увеличением стажа работы (Гарус Я.П. Рос. стоматол. журн. - 2005. - № 6. - С. 37-38; Федорова Н.Г. Медицина труда и пром. экология. - 2008. - № 7. - С. 11-14). Тем не менее, характеристика состояния тканей пародонта при действии тяжёлых металлов и других токсичных элементов является одним из малоизученных вопросов.

Цель исследования

Охарактеризовать особенности метаболизма костной ткани и патогенетические механизмы развития остеопенического синдрома при действии комплекса элементов медно-цинковой колчеданной руды.

Задачи исследования

1. Изучить у горняков, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, состояние костной прочности, уровни в плазме крови кальция, фосфора, магния, биохимических маркёров ремоделирования кости ф-Cross Laps, активность костной щелочной фосфатазы).

2. Определить у горняков состояние оксидантно-антиоксидантной системы по интенсивности хемилюминесценции, концентрации ТБК-активных продуктов и общей антиоксидантной активности плазмы крови, а также содержание паратгормона, тестостерона и гонадотропных (фолликулостимулирующего и лютеинизирующего) гормонов.

3. Изучить в костной ткани нижней челюсти и трубчатых костях белых крыс содержание некоторых тяжёлых металлов, свободного и белковосвязанного оксипролина, гликозаминогликанов, в плазме крови - уровни кальция, фосфора, магния, С-концевых телопептидов коллагена типа I и активность костной щелочной фосфатазы при длительном ежедневном внутрижелудочном введении суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды.

4. Оценить состояние оксидантно-антиоксидантной системы в гомогенатах костной ткани нижней челюсти и эпифизов трубчатой кости (интенсивность хемилюминесценции, содержание продуктов ПОЛ (ТБК-активные продукты) и окислительной модификации белков, общую антиокислительную активность, активность супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы и каталазы) при длительном введении руды.

5. Исследовать в плазме крови при действии компонентов руды уровень паратгормона, тестостерона, фолликулостимулирующего и лютеинизирующего гормонов, витамина Д.

6. Изучить влияние элементов медно-цинковой колчеданной руды на гистологическую структуру костной ткани нижней челюсти и трубчатой кости.

Методология и методы исследования

В работе использованы результаты обследования 608 рабочих ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (г. Учалы). Обследованные работники были поделены на две группы: основную и сравнения. Основную группу составили 500 горнорабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, которые в процессе производственной деятельности подвергаются воздействию комплекса вредных факторов, основным среди которых является рудничная пыль. Медно-цинковые колчеданные руды содержат различные тяжёлые металлы и токсичные элементы (Рв, Сг, С<1, Ав, Си,

Мп, 8 г и др.). В группу сравнения (108 мужчин) были включены работники наземных служб этого же предприятия. Возраст обследуемых горняков колебался от 21 до 57 лет (38,4±8,62 года), рабочих группы сравнения — от 22 до 60 лет (39,8±7,14 года).

Экспериментальные исследования выполнены на 194 белых крысах-самцах массой 180-260 г. При проведении экспериментов неуклонно соблюдали положения Хельсинкской декларации о гуманном отношении к животным (Касаткина Т.Б. Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2002. - № 2. - С. 17-21). Животным подопытных групп ежедневно внутрижелудочно с помощью специального металлического зонда вводили суспензию мелко растёртого порошка медно-цинковой колчеданной руды Учалинского месторождения в 2% растворе крахмала из расчёта 60 мг на 100 г массы крысы. Интоксикацию проводили в течение трёх месяцев. Расчёт вводимой дозы порошка руды осуществляли исходя из минимальной токсичной дозы меди, составляющего для крыс 2,11 мг/100 г массы (Калетина Н.И. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 1016 с.) и среднего содержания её в руде — 3,5%. Крысы контрольной группы получали внутрижелудочно раствор крахмала.

В работе использованы биохимические, иммуноферментные, гистологические методы, атомно-абсорбционная спектрометрия, хемилюминесценция, ультрасонометрия.

Степень достоверности, апробация результатов, личное участие автора

Достоверность результатов работы, обоснованность выводов и рекомендаций базируется на достаточном числе наблюдений и экспериментальных данных, использовании современных методов и статистической обработке материалов исследования.

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2011), научно-практической конференции с международным участием «Илизаровские чтения» (Курган, 2012), Российской научно-практической конференции «Остеопороз - важнейшая мультидисциплинарная проблема

здравоохранения XXI века» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции молодых учёных «Медицинская наука - 2012» (Уфа, 2012), IV и V Российских научно-практических конференциях «Здоровье человека XXI века» (Казань, 2012; 2013), VI Архангельской Международной медицинской научной конференции молодых ученых и студентов (к 80-летию Северного ГМУ) (Архангельск, 2013), на совместном заседании кафедр биологической химии и патологической физиологии ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России (Уфа, 2013).

Содержащиеся в работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии на всех этапах выполняемой диссертации: проведение научно-информационного поиска, анализ и обобщение данных специальной литературы, постановка задач, выбор и освоение методов, проведение экспериментов и лабораторных исследований, сбор, статистическая обработка и оценка полученных данных, написание статей, оформление диссертационной работы.

Положения, выносимые на защиту

1. У горнорабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, во всех возрастных группах снижение костной прочности наблюдается чаще, чем у рабочих наземных служб, выявляются нарушения фосфорно-кальциевого обмена, интенсивности ремоделирования костей с превалированием резорбции.

2. У горняков со сниженной костной прочностью обнаруживается интенсификация процессов свободнорадикального окисления липидов, зависящая от стажа работы на рудниках, выявляется уменьшение в плазме крови концентрации тестостерона, повышение паратиреоидного и гонадотропных гормонов.

3. Хроническая интоксикация экспериментальных животных компонентами медно-цинковой колчеданной руды приводит к накоплению в костной ткани периферического (трубчатые кости) и лицевого (нижняя челюсть) скелета ряда тяжёлых металлов (Хп, Си, РЬ, Мп, Ре, Сё, Сг), усилению катаболизма костного коллагена, активации костной резорбции и нарушениям фосфорно-кальциевого обмена.

4. Накопление токсичных элементов в костной ткани при хроническом поступлении в организм экспериментальных животных компонентов руды приводит к ингибированию ферментативного и неферментативного звеньев антиоксидантной защиты, усилению свободнорадикального окисления с накоплением продуктов липопероксидации и карбонилирования белков, нарушению гистологической структуры компактной и губчатой кости, тканей пародонта. В плазме крови при этом изменяется содержание системных гормонов, участвующих в регуляции метаболизма костной ткани - снижается уровень тестостерона у самцов и повышается - паратиреоидного гормона.

5. Основными патогенетическими механизмами, приводящими к нарушению метаболизма костной ткани со снижением её прочности при действии компонентов руды, являются интенсификация свободнорадикальных процессов,

снижение физиологического уровня антиоксидантной защиты. Дезинтеграция гормонального баланса, вытеснение кальция из минеральной фазы костной ткани, снижение содержания витамина Д, нарушения фосфорно-кальциевого обмена способствуют развитию этих нарушений.

Научная новизна

Установлено, что у горных рабочих (проходчики, взрывники, крепильщики, машинисты буровых установок и погрузочно-доставочных машин), добывающих руду подземным способом, во всех возрастных группах, значительно чаще, чем у работников наземных служб выявляется снижение показателей костной прочности. Впервые показано, что у горняков, имеющих низкий уровень костной прочности, наблюдается повышение в плазме крови концентрации маркёра костной резорбции - С-концевых телопептидов коллагена типа I, при физиологическом уровне маркёра остеогенеза - активности костной щелочной фосфатазы, обнаруживается интенсификация процессов свободно-радикального окисления липидов на фоне снижения общей антиоксидантной активности плазмы. У этой группы рабочих подземных рудников установлены снижение уровня тестостерона, повышение содержания паратгормона, ФСГ и ЛГ.

Впервые установлено, что длительное (в течение трех месяцев) ежедневное внутрижелудочное введение самцам крыс суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды приводит к резкому увеличению в костях периферического и лицевого скелета содержания тяжёлых металлов (ртути, кадмия, свинца, марганца, железа, стронция, цинка, меди).

Получены новые данные, характеризующие комплекс нарушений метаболизма костной ткани при действии компонентов медно-цинковой колчеданной руды: усиление катаболизма коллагена, превалирование резорбтивных процессов над остеогенезом, нарушение фосфорно-кальциевого обмена, интенсификация свободнорадикального окисления липидов, ингибирование общей антиоксидантной активности и активности основных антиокислительных ферментов (СОД, глутатионпероксидазы, каталазы). Выявлен характер изменений гистологической структуры эпифизов и диафизов трубчатых костей, костной ткани нижней челюсти и некоторых структур зуба и пародонта под влиянием токсичных элементов руды.

Экспериментально подтверждён характер развития гормонального дисбаланса (снижение тестостерона, повышение паратгормона) при действии элементов руды, наблюдаемый у горняков подземных рудников цветных металлов. Впервые выявлено при действии элементов руды на экспериментальных животных снижение в плазме крови содержания витамина Д.

Сформулированы патогенетические механизмы остеотоксического влияния компонентов медно-цинковой колчеданной руды.

Теоретическая и практическая значимость работы

Получены данные, характеризующие распространенность снижения костной прочности у горняков подземных рудников по добыче цветных металлов. Показана динамика зависимости падения показателей костной прочности от возраста горнорабочих и стажа работы на рудниках. Эти результаты являются

основой для формирования информационной базы распространённости остеопенического синдрома и вероятности малотравматичных переломов среди горнорабочих, имеющих профессиональный контакт с тяжёлыми и другими токсичными элементами руды, для оценки медико-социальной значимости остеопении и остеопороза среди работников цветной горнодобывающей промышленности. Выявленные механизмы остеотоксического действия компонентов медно-цинковой колчеданной руды позволяют патогенетически обоснованно разработать целенаправленные профилактические приёмы и мероприятия. Результаты исследования также являются основанием для проведения периодического контроля состояния костной прочности, характера фосфорно-кальциевого обмена у некоторых категории горнорабочих.

Внедрение результатов исследования в практику

Полученные данные используются в учебном процессе кафедр биологической химии, патологической физиологии, гистологии с куром эмбриологии, общей гигиены с экологией с курсом гигиенических дисциплин ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, кафедры биологической химии ГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный медицинский университет» Минздрава России.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 работ в объеме 2,55 печатных листа, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России для публикации результатов диссертационных исследований.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 172 страницах включая приложение, содержит 26 таблиц, 15 рисунков. Состоит из введения, обзора литературы, результатов исследования, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 273 источников, из которых 97 иностранных, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы исследования

Применительно к цели и задачам был сформирован дизайн исследования (таблица 1)

Таблица 1 - Дизайн исследования

А. Обследование работников ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат»

Основная группа: 500 горняков, добывающих руду подземным способом Группа сравнения: 108 работников наземных служб

Ультразвуковая остеоденситометрия Содержание в плазме крови: Са, Р, С-концевых телопептндов, КЩФ, ОЩФ Содержание в волосах некоторых макро- и микроэлементов Уровень в плазме крови тестостерона, ФСГ, ЛГ, ПТГ Интенсивность хемилюминесценции плазмы крови. Уровень ТБК-РП, ОАА

Б. Моделирование хронического действия компонентов медно-цинковон колчеданной руды на костную ткань в эксперименте

Основная группа: 128 половозрелых белых крыс-самцов

Контрольная группа:66 половозрелых белых крыс-самцов

Содержание некоторых элементов в трубчатых костях и кости нижней челюсти

Относительная масса и толщина кортикального слоя трубчатых костей Содержание в плазме крови: Са, Мд, Р, С-концевых телопептидов, КЩФ, ОЩФ Уровень тестостерона, ФСГ, ЛГ, пролактина, ПТГ, витамина Д в плазме крови Интенсивность хемилюминесценции гомогенатов костей, содержания в них ТБК-активных продуктов, карбонилированных белков, ОАА, активности СОД, ГПО, каталазы Содержание в бедренной кости и кости нижней челюсти ГАГ, белковосвязанного и свободного оксипролина Гистологическая структура эпифиза и диафиза бедренной кости и кости нижней челюсти

Объем проведенных исследований представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Перечень материалов и исследуемых показателей

№ Материалы и исследуемые показатели Объем

п/п исследования

А. У работников ОАО «УГОК»

1. Количественная ультрасонометрия костной прочности 1216

2. Определение содержания Са, Mg, Р, ОЩФ в плазме крови по 80

3. Определение маркеров костного ремоделирования в плазме крови по 60

рабочих (P-Cross Laps, КЩФ)

4. Определение содержания макро- и микроэлементов в волосах по 99

методом атомно-абсорбционной спектрометрии (10 элементов)

5. Исследование уровня в плазме крови тестостерона, ФСГ, ЛГ,

паратгормона по 131

6. Определение интенсивности Fe-индуцированной

хемилюминесценции, общей антиоксидантной активности в плазме по 63

крови, уровня ТБК-РП, ОАА

Б. При моделировании хронического действия

компонентов медно-цинковых колчеданных руд у самцов крыс

1. Исследование содержания некоторых элементов (10) в ткани по 40

трубчатых костей и костей нижней челюсти

2. Относительная масса трубчатых костей (бедренной, по 34

большеберцовой, плечевой) и кости нижней челюсти, толщины

кортикального слоя трубчатых костей

3. Определение содержания Са, Mg, Р в плазме крови по 40

4. Исследование содержания P-Cross Laps, активности КЩФ в плазме по 30

крови

5. Исследование уровня в плазме крови тестостерона, ФСГ, ЛГ, по 27

паратгормона, пролактина и витамина Д

6. Хемилюминесценция гомогенатов эпифизов бедренной кости и по 38

нижней челюсти, содержание в них ТБК-РП

7. Определение в гомогенатах эпифизов бедренной кости и кости по 39

нижней челюсти активности СОД, ГПО, каталазы и ОАА

8. Подготовка и описание гистологических срезов эпифиза и диафиза

бедренной кости, тканей пародонта нижней челюсти 300

Определение костной прочности осуществляли количественной ультразвуковой ультрасонометрии по Т-критерию на нижней трети лучевой кости недоминантной руки и середины диафиза большеберцовой кости (Speed of Sound

- SOS, м/сек) на приборе «Omnisense 7000 S» фирмы Sunlight Medical Ltd (Израиль) с применением общеевропейской программы. Интенсивность свободнорадикапьного окисления (СРО) оценивали с использованием хемилюминометра XJI-03 (Россия), ТБК-активные продукты - реагентов «ТБК АГАТ», окислительную модификацию белков - методом Е.Е. Дубининой (Вопр. мед. химии. - 1995. - Вып. 2. - С. 24-26), общую антиокислительную активность (ОАА) - по Клебанову Г.И. (Лаб. дело. - 1988. - № 2. - С. 59-62). В плазме крови исследовали маркёры ремоделирования костной ткани: С-концевые телопептиды коллагена типа I (реагенты «Serum Cross Laps ELISA»), активность костной щелочной фосфатазы («Metra BAF EIA Kit»), содержание Ca, Р и Mg (реагенты фирм «HUMAN»), общую щелочную фосфатазу (реагенты ЗАО «Вектор-Бест»), уровни тестостерона, гонадотропинов и паратиреоидного гормона с помощью стандартных наборов: RIA Testosterone direct (Франция), LH IRMA Kit (Чехия), FSH IRMA Кк(Чехия), IRMA PTH (Франция).

В экспериментальных исследованиях через 2 и 3 месяца от начала животных выводили из опыта под лёгким эфирным наркозом. В гомогенатах эпифизов трубчатой кости (бедренная) и передней части кости нижней челюсти исследовали ОАА, активность СОД, ГПО (наборы реагентов фирмы «Randox Labor Ltd») и каталазы по Королюку М.А. с соавт. (Лаб. дело. - 1988. - № 1. - С. 16-49), интенсивность хемилюминесценции и уровень ТБК-активных соединений, а также содержание белковосвязанного (БСО) и свободного (СО) оксипролина, гликозами-ногликанов (Шараев П.Н. Биохимические методы анализа показателей обмена биополимеров соединительной ткани: методические рекомендации - Ижевск, 1990. - С. 3-10). В плазме крови животных исследовали содержание Ca, Р и Mg, С-концевых телопептидов (ß-Cross Laps), активность КЩФ, уровни тестостерона, ПТГ и гонадотропинов.

У животных проводили гистологическую оценку состояния костной ткани, определение относительной массы и толщины кортикального слоя (трубчатые кости) по Поворознюку В.В. (Пробл. остеологи. - 2006. - Т. 7, № 3-4. - С. 3-13), концентрацию некоторых металлов - методом атомно-абсорбционной спектрометрии (Spectr АА 110).

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ Statistica 6,0 for Windows. В группах определяли выборочную среднюю (X ) и стандартную ошибку средней (s*) при соответствии распределения признака закону нормального распределения, а также медиану (Me) и межквартильные интервалы [25%; 75%]. Достоверность межгрупповых различий средних величин оценивали по t-критерию Стьюдента и U-критерию Манна-Уитни (Гланц С. Медико-биологическая статистика: пер. с англ. - М.: Практика, 1998. - 459 е.). Различия считали значимыми при Р<0,05.

Результаты исследования

У горняков подземных рудников снижение костной прочности (КП) установлено у 65,8%. Падение КП ниже -1,0 SD при этом выявлено в 42,6% случаев, ниже -2,5SD - в 23,2% (таблица 3). Средние показатели Т-критерия у групп мужчин с «остеопенией» по нижней трети дистального отдела лучевой

кости составили — 1,51 ±0,16 БО, с «остеопорозом» — 3,27±0,28 БО при нормальных величинах 0,33±0,26 ЯЭ. Средние показатели Т-критерия по середине диафиза большеберцовой кости составили соответственно: -1,85±0,13 БЭ; -3,60±0,34 БО и 0,55±0,08 80. В контрольной группе обследуемых частота выявления снижения КП была существенно реже, составляя в целом 39,8%, в том числе «остеопения» обнаружена у 25,0%, «остеопороз» — у 14,8%.

Таблица 3 - Характеристика костной прочности у горняков и работников наземных служб ОАО «УГОК» в зависимости от возраста (абс/%) _

Возраст, годы Группы Т-критерий, SD Итого

От 2,0 до 1,0 От-1,1 до 2,5 От -2,6 и ниже

21-39 основная 57/44,5% 50/39,0% 21/16,4% 128

сравнения 14/70,0% 4/20,0% 2/10,0% 20

40-49 основная 87/32,7% 112/42,1% 67/25,2% 266

сравнения 30/60,0% 12/24,0% 8/16,0% 50

50-60 основная 27/25,5% 51/48,1% 28/26,4% 106

сравнения 21/55,3% 11/28,9% 6/15,8% 38

Итого основная 171/34,2% 213/42,6% 116/23,2% 500

сравнения 65/60,2% 27/25,0% 16/14,8% 108

Обращает внимание высокая выявляемость снижения костной прочности у мужчин молодого возраста, младше 50 лет. В то же время, после 50 лет распространенность снижения костной прочности приближается к популяционной (Поворознюк В.В. Проблемы остеологи. - 2006. - Т.9 (додаток): Мгжнародна науково-практична конференщя «Остеопороз: эпщемюлопя, д1агностика, профшактика та л1кування». - Евпаторий. - С. 92-93; Казимирко В.К. Остеопороз: патогенез, клиника, профилактика и лечение - Киев: Морион, 2006. -160 е.; Ершова О.Б. Остеопороз - мультидисциплинарная проблема здравоохранения XXI века: материалы научно-практической конеренции в рамках Форума остеопороза. - СПб., 2012. - С. 23-27).

Распространённость снижения КП у горняков нарастала с увеличением стажа работы на рудниках: при стаже 1-5 лет «остеопороз» выявлен у 5,6%, 6-10 лет - у 20,8%, 41 и более лет - 30,6%. «Остеопения» соответственно - у 52,4%, 608% и 54,3%.

У рабочих основной группы в плазме крови было снижено содержание Ca и Р, повышено Mg, что сопровождалось резким падением коэффициента Ca/Mg. Снижение содержания Ca в крови приводит к повышению резорбции в костной ткани. Дефицит Р способствует подавлению активности остеобластов с ограничением минерализации костного матрикса (Marie P.J. J. Bone Miner. Res. -1993. Vol.8.-P. 607-615).

Результаты определения КП и состояния фосфорно-кальциевого обмена подтверждаются данными полученными при исследовании биохимических маркёров ремоделирования костной ткани в плазме крови (таблица 4). У горняков второй и третьей групп с выявленным снижением КП в плазме крови повышен

уровень С-концевых телопептидов коллагена типа I, а активность КЩФ сохраняется на уровне группы сравнения, отражая процессы остеогенеза как достаточно стабильные. Таким образом, в процессах ремоделирования у горнорабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, превалирует резорбция костной ткани.

Таблица 4 - Уровень маркёров костного ремоделирования в плазме крови у

горняков подземных рудников, X ±5Х

Показатели Группа рабочих, п-15

Сравнения 1-я, от 2 до-1 ББ «норма» 2-я, от -1,1 до-2,5 БЭ «остеопения» 3-я, от -2,6 БЭ и ниже «остеопороз»

р-Сгекх Ьарв, нг/мл 1,85±0,09 2,09±0,13 Р=0,0342 2,68±0,16 Р=0,0083 2,85±0,19 Р<0,0001

КЩФ, Ед/л 22,0±4,53 24,1±3,43 21,3±2,34 20,8±2,39

Примечание: в этой и последующих таблицах Р>0,05 не обозначены.

При определении гормонов обследованные рабочие были разделены на две возрастные группы, поскольку после 40-45 лет происходит снижение секреции тестостерона в год на 0,4% (Мсхалая Г.Ж., Калинченко С.Ю., Остеопороз и остеопатии. - 2004. - № 1. - С. 26-32). У горняков с физиологическим уровнем КП снижение медианы содержания тестостерона выявляется на уровне тенденции, у горняков с низким и очень низким показателями КП — тестостерон снижен статистически значимо (таблица 5). Содержание ПТГ в крови повышен, характеризуя развитие явлений гиперпаратиреоза. Падение секреции тестостерона

Таблица 5 — Содержание некоторых системных гормонов у работников ОАО «УГОК», Ме [25%; 75%1 ___

Возраст Группы Тестостерон, нМ/л ФСГ, Ед/л ЛГ, Ед/л ПТГ, пг/мл

20-39 лет Сравнения, п= 15 26,8[24,2;32,8] 13,6[11,8;16,6] 7,3[6,2;15,3] 22,3[17,5;25,8]

1-я, п=10 24,5[19,5;32,7] 14,8[11,6;17,2] 10,4[6,2;15,3] Р=0,0463 23,8[20,5;31,4]

2-я, п= 16 19,1[14,6;25,3] Р=0,0132 Р|=0,0356 20,4[16,1;24,8] Р=0,0084 Р,=0,0109 15,3[8,4;16,2] Р=0,0001 Р,=0,0001 27,4[20,1;28,8] Р=0,0483 Р,=0,1126

3-я, п=31 19,5[13,1;28,9] Р=0,0077 Р,=0,0289 20,5[15,8;26,4] Р=0,0276 Р,=0,0188 14,6[10,3;17,3] Р=0,0001 Р,=0,0016 29,2[19,3;42,7] Р=0,0346 Р,=0,0462

40-50 лет Сравнения, п=15 20,1[16,8;25,6] 12,7[9,6;15,3] 6,8[5,9;10,3] 19,8[17,1;29,6]

1-я, п=12 23,6[21,7;25,91 16,3[14,2;20,7] 8,3[6,2;10,81 20,3 [16,6;22,6]

2-я, п—16 15,8[13,0;24,2] Р=0,0513 Р,=0,0308 18,6[12,7;22,1] Р=0,0244 Р,=0,2003 11,9[9,5;15,7] Р=0,0008 Р1=0,0044 37,6[30,2;41,3] Р=0,0146 Р,=0,0218

3-я, п=16 13,8[12,0;21,3] Р=0,0352 Р,=0,0282 17,9[ 12,3;20,9] Р=0,0347 Р 1=0,4172 12,9[9,6;16,0] Р=0,0001 Р,=0,0028 39,9[26,3;47,6] Р=0,0022 Р|=0,0041

Примечания: Р — различия с группой сравнения, Р/ — с 1ой группой

сопровождается у горняков повышением продукции гонадотропинов гипоталамуса, свидетельствуя о сохранении физиологических механизмов регуляции в гормональной оси гипоталамус-гипофиз-гонады.

Горняки в процессе работы в течение рабочей смены постоянно контактируют с полиметаллической пылью руды. Для характеристики длительного воздействия различных элементов, особенно при риске интоксикации рекомендуется использовать определение их содержания в образцах волос (Скальный A.B. Биоэлементы в медицине - М.: ИД «Оникс 21 век»; Мир, 2004. - 272 е.). Исследование некоторых элементов в образцах волос у горняков выявили выраженное повышение относительно группы сравнения меди, магния, цинка, ртути, свинца, хрома, кадмия, мышьяка и снижение селена, йода. Эти результаты не противоречат данным, полученным другими авторами (В.П. Чащин. Медицина труда и пром. экология. - 2007. - № 10. - С. 9-13).

Одним из механизмов патохимического действия ряда токсичных элементов на метаболизм различных тканей является нарушение окислительного баланса. Изучение хемилюминесценции, определение содержания продуктов пероксидации и активность антиокислительной защиты показало, что под влиянием полиметаллической пыли руды у горняков повышается уровень окислительных процессов (увеличение спонтанной светимости и амплитуды быстрой вспышки хемилюминесценции, содержания ТБК-активных продуктов) и снижается ОАА плазмы крови (таблица 6). Повышение содержания ТБК-активных продуктов и снижение ОАА плазмы крови особенно интенсивно происходит у горняков в первые 10 лет работы в подземных рудниках.

Таблица 6 - Уровень показателей хемилюминесценции и липопероксидации, общая антиоксидантная активность плазмы крови у горнорабочих, X ±5Х_

Группа рабочих Показатели

Спонтанная светимость, усл.ед. Амплитуда быстрой вспышки, усл.ед. ТБК-акт. продукты, мкМ/л ОАА, % ингибирования

Сравнения, п=18 1,88±0,25 6,08±0,27 2,80±0,36 36,4±3,90

Основная, п-45 2,79±0,14 Р<0,02 8,19±0,16 Р<0,01 3,87±0,16 Р<0,01 27,1±2,55 Р<0,05

С целью уточнения основных механизмов снижения КП у горняков при действии комплекса элементов рудничной пыли были проведены серии экспериментов с длительным введением самцам крыс растёртого порошка медно-цинковой колчеданной руды.

У подопытных животных при введении суспензии порошка руды наблюдалось накопление в костях ряда элементов (таблица 7). Несмотря на некоторые различия в зависимости от исследуемой кости, у подопытных животных увеличено содержание цинка, марганца, стронция, железа, хрома, кадмия, ртути и свинца, концентрация магния снижено, а меди не отличается от контроля.

Таблица 7 - Содержание некоторых элементов в костной ткани у экспериментальных животных при введении суспензии порошка руды в течение трёх месяцев (мг/кг сухой массы кости)_____

Ткань и группа животных Си Zn Mg Mn Sr Fe Cr Cd Hg Pb

Трубчатая кость контроль 0,71 198 3138 0,6 33,4 12,0 3,64 следы 0,0008 следы

Трубчатая кость опыт 0,89 295 2237 1,41 56,3 31,9 4,08 0,0044 0,0045 0,0011

Нижняя челюсть контроль 1,08 192 2993 1,94 45,7 30,4 2,75 следы 0,0007 следы

Нижняя челюсть опыт 0,93 288 2638 3,91 70,6 48,7 3,36 0,0048 0,0040 0,001

Падение КП прочности, как правило, сопровождается снижением массы кости, изменениями структуры и минерального обмена. У подопытных животных при действии элементов руды в течение 3-х месяцев были установлены некоторое снижение относительной массы костей периферического и лицевого скелета и толщины кортикального слоя, уменьшение в плазме крови уровней Са и Р, повышение - Mg, С-концевых телопептидов коллагена типа I при незначительных изменениях активности КЩФ. Медиана содержания P-Cross Laps увеличилось с 0,555 [0.446; 0.648] нг/мл до 1,054 [0,624; 1,589] (Р=0,322), а активность КЩФ с 14,5 [11.6; 16.9] до 15,9 [13,8; 17,3] (Р=0,4216).

Усиление резорбции костной ткани при действии компонентов руды подтверждаются активацией катаболизма основного белка межклеточного матрикса - костного коллагена (таблица 8). У животных через 3 месяца введения руды уровень БСО снижается, отражая уменьшение содержания коллагена, а СО повышается, указывая на интенсификацию протеолиза коллагена.

Таблица 8 — Влияние элементов медно-цинковой колчеданной руды на содержание в эпифизах бедренной кости фракций оксипролина и гликозаминогликанов, Ме [25%; 75%]_

Группы ЖИВОТНЫХ Показатели, мкмоль/г ткань

БСО СО ГАГ

Бедренная кость Бедренная кость Бедренная кость

Контрольная, п=12 3,55[3,15;3,65] 0,91 [0,85 ;0,92] 1046[ 1034; 1075]

Подопытная, п=15 2,70[2,4;3,2] Р=0,00091 1,32[ 1,0; 1,36] Р=0,00009 1191 [1126;1239] Р=0,00128

У подопытных животных после трёхмесячной интоксикации компонентами руды в крови снижались концентрации тестостерона, ФСГ, ЛГ, пролактина и витамина Э, а ПТГ - повышалась (рисунок 1).

В костной ткани при трехмесячном введении животным суспензии порошка руды (таблица 9) наблюдается усиление оксидативных процессов - повышается интенсивность радикалообразования как в интактной ткани (спонтанная

витамин Д ПТГ пролактин ЛГ ФСГ тестостерон

О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Рисунок 1 - Содержание некоторых гормонов и витамина D в плазме крови у самцов крыс при интоксикации элементами медно-цинковой колчеданной руды (в % к контролю)

Таблица 9 - Влияние интоксикации элементами руды на состояние окислительной системы костей у крыс, Ме [25%; 75%]_

Показатели Группа животных

Контрольная, п=12 Подопытная, п-15

Эпифиз бедренной кости Кость нижней челюсти Эпифиз бедренной кости Кость нижней челюсти

Спонтанная светимость, усл. ед. 1,64 [1,46; 1,89] 1,2 [1,03;1,4] 3,01 [2,85;3,98] Р=0,00014 2,18 [1,82;2,56] Р=0,00001

Амп. быстрой вспышки, усл. ед. 4,06 [3,57;4,52] 4,33 [4,1;4,7] 7,42 [6,26;9,30] Р=0,00002 5,71 [5,15;6,3] РИ),0008

Максимальная светимость, усл. ед. 2,20 [1,83;2,50] 2,52 [2,31;2,91] 2,71 [2,21;3,18] Р=0,02990 2,9 [2,56;3,18]

Светосумма, усл. ед 5,57 [5,22;5,96] 4,87 [4,78;5,57] 7,05 [6,12;7,61] Р=0,00006 5,77 [5,61;6,06]

ТБК-апр., нмоль/г ткани 1,57 [1,43; 1,82] 1,67 [1,43;1,8] 2,99 [2,54;3,43] Р=0,00015 2,43 [2,16;2,83] Р=0,00068

ОАА, % 42,8 [35,9;48,3] 49 [45,8;52,9] 30,6 [25,9;34,3] РИ),00108 29,3 [24,6;36,6] Р=0,00002

СОД, Е/мг белка 68,4 [62,9;73,3] 72 [68,6;75,7] 50,2 [42,9;53,3] Р-0,0003 47,6 [42,9;52,2] Р=0,00001

гпо, Е/мг белка 491 [462;511] 491 [468;523] 305 [300;326] Р=0,00011 341 [315;376] Р=0,0014

Катал аза, мкмоль/мг белка 7,67 [7,23 ;8,07] 6,8 [6,47;7,17] 4,93 [4,51 ;5,68] Р=0,00001 5,08 [4,76;5,72] Р=0,00015

3 84%'

SS/'S/S/'/SS/V/SSS J77

itfx

JZZJlZZZZZZZI

5Z31

'4%*

//Л//Лу^у

ZZZ

//ÁysÁpTTb 64%

80% * 21 85%

Неравномерная окрашиваемость и Губчатое вещество с выраженными извилистость костных пластинок (1), разветвлениями трабекул (1), отслойкой увеличенные размеры костных лакун (2), красного мозга от костных балок (2) эпифиза отслойка цементирующей линии (3) остеона бедра крысы подопытной группы, диафиза бедра крысы подопытной.

Рисунок 2 - Гистологическая картина эпифиза и диафиза бедренной кости экспериментальных животных. Окраска гематоксилин-эозин. Микрофотография (х400).

светимость), так и при инициации этих процессов ионами двухвалентного железа (амплитуда быстрой вспышки), а также содержание продуктов липопероксидации. Одновременно происходит ингибирование

неферментативного (ОАА) и ферментативного звена антиокислительной защиты (СОД, ГПО, каталаза). Таким образом, дисбаланс оксидативных процессов с усилением свободнорадикального окисления при действии элементов руды, прежде всего, тяжелых и высокотоксичных металлов (Г^, РЬ, С<1 и др.) обусловлено суммацией активации окислительных и ингибирования антиоксидантных компонентов этой системы в костной ткани. Изменения минерального состава межклеточного матрикса, снижение витамина О и гормональный дисбаланс дополняют патогенетические механизмы нарушений метаболизма костной ткани.

Гистологическое исследование структуры бедренной кости и передней части кости нижней челюсти подтвердило результаты биохимических исследований, свидетельствующих об активации резорбтивных процессов на фоне некомпенсированного остеогенеза. Гистологические изменения в структуре костной ткани подопытных животных отражают развитие остеопенического состояния с развитием деструктивно-дегенеративных процессов и нарушением минерализации межклеточного матрикса (рисунки 2 и 3).

Диафиз бедра с надкостницей (1), общей пластинкой (2), остеонами (3) и красным костным мозгом (4) у крыс контрольной группы. _

Губчатое вещество эпифиза с трабекулами (1) и костным мозгом (2) бедра у крысы контрольной группы.

Специфические эффекты отдельных металлов связаны с особенностями их метаболизма в тканях: с аффинностью к определенным функциональным группам органических соединений, способностью к образованию металл белковых комплексов с различными кинетическими характеристиками, возможностью длительного воздействия на структуру — мишень, наличием различных химических форм и др. (Калетина Н.И. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 1016 с .).

Многие металлы образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами, содержащими тио- или алкилтиогруппировки. Формируя ковалентные связи с этими группами, металлы ингибируют активность ферментов и/или нарушают целостность клеточных мембран. Кроме того, возможна замена металлов в металлсодержащих биокомплексах с последующим изменением их биологической активности. Ещё одним механизмом токсического действия металлов является нарушение синтеза семейства цитохрома Р-450, что приводит к нарушению биотрансформации других токсикантов и эндогенных

Пульпа (1), одонтобласты (2), предентин (3) и дентинные трубочки зуба нижней челюсти крысы контрольной группы.

' > И

Губчатая кость альвеолы нижней челюсти крысы контрольной группы.

Структура костной ткани нижней челюсти Нарушения гистоструктуры губчатой кости (1), нарушения структуры периодонтальной нижней челюсти крысы подопытной связки корне зуба (2) крысы подопытной группы, группы.

Рисунок 3 - Гистологическая картина костной ткани нижней челюсти экспериментальных животных. Окраска гематоксилин-эозин. Микрофотография (х400).

Окислительный стресс, вызываемый металлами, приводит к усилению ПОЛ биологических мембран. Ионы Hg2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, обладающие высоким сродством к SH-группам при окислительном стрессе стимулируют выход Са2+ через ионные каналы, дезорганизуют гомеостаз и ингибируют Ca-, Mg-содержащие ферменты, нарушая функции митохондрий, энергетический обмен, активируя фосфолипазы, протеиназы, гликозидазы и другие лизосомальные ферменты (Калетина Н.И. Токсикологическая химия. Метаболизм и анализ токсикантов - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 1016 е.; Abbas S. Toxicol. Sei. - 2013. -Vol. 134, № 1. - P. 207-20; Arbon K.S. Food Chem. Toxicol. - 2012. - Vol. 50, № 2. -P. 198-205; Jones E.R. Toxicol. Mech. Methods. - 2012. - Vol. 22, № 7. - P. 560-567). Свинец, кадмий, стронций, магний, уран, радий способны встраиваться в кристаллическую решетку гидроксиапатита, снижая минеральную прочность кости и её метаболизм. Свинец распределяется по скелетному типу, наиболее его высокая концентрация обнаруживается в зубах (Гильденскольд С.Р. Гигиена и санитария. - 1992. - № 5-6. - С. 6-9; Vidaud С. Chem. Res. Toxicol. - 2012. - Vol. 25, № 6. - P. 1161-75; LanochaN. Biol. Trace Elem. Res. - 2012. - Vol. 147, № 1-3. -P. 103-12; BeierE.E. Environ. Health Perspect. - 2013. - Vol. 121, № l.-P. 97-104).

Опосредованным механизмом остеопенического влияния элементов, поступающих в организм рабочих поземных рудников, является изменения гормонального статуса, прежде всего секреции гормонов, принимающих активное участие в регуляции ремоделирования и метаболизма костной ткани — половых, паратгормона, кальцитонина, Д-гормона. Действие главных гормонов, регулирующих фосфорно-кальциевый обмен, реализуется через систему «кровь-кость», абсорбцию кальция и фосфата в кишечнике и их экскрецию почками.

Результаты определения тестостерона и паратгормона у горняков и самцов крыс подопытной группы, экспонированных действием компонентов руды, показывают снижение экскреции тестостерона и повышение паратиреоидного гормона. У подопытных животных кроме того выявляется падение в периферической крови витамина Д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведённых экспериментов, исследования состояния костной ткани и некоторых биохимических констант у горняков, добывающих руду подземным способом, а также данные литературы позволяют представить следующую обобщённую схему токсического действия компонентов (элементов) медно-цинковой колчеданной руды на костную ткань (рис. 4). Таким образом, ведущими патогенетическими механизмами токсического действия при длительном поступлении элементов медно-цинковой колчеданной руды является активация свободно-радикальных процессов и ингибирование компонентов антиоксидантной защиты. Важное значение имеют также изменения эндокринного статуса, поражение основных выделительных органов (печени, почек), нарушения фосфорно-кальциевого обмена и возможность замены ионов кальция в структуре кристаллов гидроксиапатита.

Сопоставимость и однонаправленность изменений метаболизма костной ткани периферического скелета и нижней челюсти, а также других элементов пародонта подтверждают сведения, имеющиеся в литературе, о взаимосвязи раз-

Рисунок 4 - Обобщённая схема патогенетических механизмов снижения костной прочности при действии элементов, содержащихся в медно-цинковой колчеданной руде.

вития хронического генерализованного пародонтита с системным остеопорозом и обнаруженную высокую частоту выявления нарушений стоматологического статуса у горняков подземных рудников по сравнению с работниками наземных

служб того же горно-обогатительного комбината. Полученные результаты экспериментальных исследований ещё раз подчёркивают важность исследования МПК при хронических заболеваниях пародонта и, наоборот, при наличии системного остеопороза — состояния стоматологического статуса неоднократно постулируемого некоторыми авторами [Зекий A.C. Врач скорой помощи. - 2008. -№ 9. - С. 27-33; Арутюнов С.Д. Рос. стоматол. журн. - 2009. - № 1. - С. 23-26; Артушкевич В.Г. Лечение и профилактика. - 2012. - №2 (3). - С. 42-47; Lopes Е. Rev. Bras. Gynecol. Obstet. - 2008. - Vol. 30, № 8. - P. 379-384).

ВЫВОДЫ

1. У горных рабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, во всех возрастных группах снижение костной прочности обнаруживается статистически значимо чаще, чем у работников наземных служб горнодобывающего предприятия. С увеличением стажа работы по добыче руды частота уменьшения костной прочности возрастает. Развитие остеопенического синдрома у горняков подтверждается активацией костного ремоделирования с превалированием резорбтивных процессов над остеогенезом, нарушением фосфорно-кальциевого обмена.

2. У горняков наблюдается активация свободнорадикального окисления липидов, снижение общей антиоксидантной активности плазмы крови, повышение в крови содержания паратиреоидного гормона, снижение тестостерона на фоне увеличения продукции гонадотропинов (ЛГ, ФСГ).

3. Моделирование хронической интоксикации элементами руды у самцов экспериментальных животных сопровождается накоплением в костях периферического и лицевого скелета содержания ряда тяжёлых металлов: меди, цинка, стронция, железа, марганца, кадмия, свинца, ртути с усилением резорбции костной ткани и катаболизма костного коллагена.

4. Хроническая интоксикация элементами руды приводит к дезорганизации гистологической структуры трубчатых костей и костной ткани нижней челюсти экспериментальных животных с развитием деструктивно-дегенеративных процессов, со снижением массы и истончением кортикального слоя трубчатых костей. У экспериментальных животных наблюдается также деминерализация дентина зубов, нарушения структуры их связочного аппарата.

5. В усилении катаболических процессов в костной ткани со снижением её прочности при действии элементов руды основную роль играют интенсификация свободнорадикального окисления и ингибирование антиоксидантной защиты. На это указывают активация в костной ткани процессов радикалообразования, липопероксидации и карбонилирования белков, снижение общей антиокислительной активности и активности основных ферментов антиоксидантной защиты - супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы и каталазы.

6. Длительное поступление в организм самцов экспериментальных животных элементов медно-цинковой колчеданной руды характеризуется изменениями в периферической крови уровня ряда системных гормонов,

участвующих в регуляции метаболизма костной ткани: повышением паратиреоидного гормона, снижением тестостерона. У животных, подвергшихся воздействию элементов руды, наблюдается также снижение в плазме крови содержания витамина Д, общего кальция и фосфора.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Высокая распространённость снижения костной прочности у горняков горно-обогатительного комбината, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, обосновывает необходимость проведения систематического контроля состояния минеральной плотности костной ткани, планирования и осуществления целенаправленных профилактических мероприятий для предупреждения низкоинтенсивных малотравматичных переломов костей.

2. В целях повышения резистентности и для предотвращения или минимизации негативных эффектов производственной среды на организм работников горнорудной промышленности, имеющих непосредственный контакт с рудничной пылью, считаем целесообразным разработку персонифицированных лечебно-профилактических подходов, учитывающих индивидуальную реактивность и основанных на мониторинге накопления токсичных элементов в волосах и оценке состояния оксидантного статуса плазмы крови горнорабочих.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

1. Аглетдинов, Э.Ф. Влияние полиметаллической пыли медно-цинковых колчеданных руд на состояние минерального обмена и костной ткани / Э.Ф. Аглетдинов, Н.В. Нургалеев, Е.Р. Фаршатова, Э.И. Таирова, А.И. Алтынбаева, Г.В. Иванова, Ф.Х. Камилов, З.С. Терегулова, A.A. Никоноров // Вестник Оренбурского государственного университета. — 2011. -№ 15 (134). - С. 15-18.

2. Аглетдинов, Э.Ф. Метаболизм костной ткани нижней челюсти при действии элементов медно-цинковых колчеданных руд в эксперименте / Э.Ф. Аглетдинов, Е.Р. Фаршатова, Н.В. Нургалеев, Л.М. Мустаева, Г.В. Иванова, Ф.Х. Камилов // Медицинская наука - 2012: материалы Международной конференции молодых ученых, посвящ. году благополучного детства и укрепления семейных ценностей. - Уфа, 2012. - С. 6-10.

3. Фаршатова, Е.Р. Влияние на обмен костной ткани нижней челюсти полиэлементов медно-цинковых колчеданных руд при хроническом воздействии / Е.Р. Фаршатова, Н.В. Нургалеев, Э.Ф. Аглетдинов, Ф.Х. Камилов // Остеопороз -важнейшая мультидисциплинарная проблема здравоохранения XXI века: в рамках Форума остеопороза. - СПб., 2012. - С. 159-162.

4. Нургалеев, Н.В. Характеристика минерального обмена при действии компонентов медно-цинковых руд в эксперименте / Н.В. Нургалеев, Э.Ф. Аглетдинов, Е.Р. Фаршатова, Ф.Х. Камилов, Г.В. Иванова // Здоровье человека

XXI века: сборник научных статей IV-й Российской научно-практической конференции. - Казань, 2012. - С. 829-834.

5. Нургалеев, Н.В. Метаболизм костной ткани нижней челюсти при длительном поступлении элементов медно-цинковых колчеданных руд в эксперименте / Н.В. Нургалеев, Е.Р. Фаршатова, Э.Ф. Аглетдинов, Ф.Х. Камилов // Медицинский вестник Башкортостана. - 2012. - № 5. - С. 78-81.

6. Нургалеев, Н.В. Гистологическая структура трубчатой кости у белых крыс при действии компонентов медно-цинковых колчеданных руд / Н.В. Нургалеев, Э.Ф. Аглетдинов, Е.Р. Фаршатова, Э.Р. Бикметова, H.A. Меньшикова, Ф.Х. Камилов // Медицинский вестник Башкортостана. - 2013 - Т. 8, № 1. - С. 89-92.

7. Камилов, Ф.Х. Особенности обмена костной ткани при хронической интоксикации элементами, содержащимися в медно-цинковых колчеданных рудах / Ф.Х. Камилов, Е.Р. Фаршатова, Н.В. Нургалеев, Г.В. Иванова Э.Р. Бикметова, H.A. Меньшикова // Медицинская наука и образование Урала. -2013. - № 1. - С. 76-79.

8. Камилов, Ф.Х. Интенсивность ремоделирования костной ткани у горнорабочих подземных рудников по добыче цветных металлов/ Ф.Х. Камилов, Е.Р. Фаршатова, Н.В. Нургалеев, Э.Р. Бикметова, Г.В. Иванова // Здоровье человека в XXI веке: сборник научных статей V-ой Российской научно-практической конференции. - Казань, 2013. - С. 747-753.

9. Нургалеев, Н.В. Показатели прочности и интенсивности ремоделирования костной ткани у горнорабочих подземных рудников цветных металлов / Н.В. Нургалеев // Бюллетень Северного Государственного Медицинского Университета. - 2013. - № 1: Материалы VI Архангельской международной конференции молодых ученых и студентов (к 80-летию Северного МГУ). - С.

133-134.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БСО - белковосвязанный оксипролин ГАГ - гликозаминогликаны ГПО - глутатионпероксидаза КП - костная прочность КЩФ - костная щелочная фосфатаза ЛГ — лютеинизирующий гормон МПКТ — минеральная плотность костной ткани

ОАА — общая антиокислительная активность

ОЩФ - общая щелочная фосфатаза

ПОЛ - перекисное окисление липидов

ПТГ - паратгормон СО - свободный оксипролин СОД - супероксиддисмутаза ТБК — тиобарбитуровая кислота ТБК-РП - ТБК-реагирующие продукты

ФСГ - фолликулостимулирующий гормон

На правах рукописи

Нургалеев Никита Валерьевич

ВЛИЯНИЕ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ КОЛЧЕДАННЫХ РУД НА МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ

03.01.04 - Биохимия 14.03.03 - Патологическая физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Лицензия № 0177 от 10.06.96 г. Подписано к печати 02.10.2013 г. Отпечатано на ризографе с готового оригинал-макета, представленного авторами. Формат 60x84 1/16. Усл.-печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 119

450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3, Тел.: (347) 272-86-31 ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата медицинских наук, Нургалеев, Никита Валерьевич, Челябинск

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

На правах рукописи

04201365914

Нургалеев Никита Валерьевич

ВЛИЯНИЕ МЕДНО-ЦИНКОВЫХ КОЛЧЕДАННЫХ РУД НА МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ

03.01.04 - Биохимия 14.03.03 - Патологическая физиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Научные руководители: Аглетдинов Эдуард Феликсович

доктор медицинских наук

Фаршатова Екатерина Рафаэлевна

кандидат медицинских наук

Уфа-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 14

1.1. Заболеваемость и факторы риска остеопороза 14

1.2. Метаболизм костной ткани и его регуляция 22

1.3. Влияние токсичных металлов и неблагоприятных факторов производственных условий на костную ткань 34 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44

2.1. Объекты исследования 44

2.2. Общая характеристика условий труда горняков ОАО «Учалин-ский горно-обогатительный комбинат», добывающих руду подземным способом, и дизайн исследования 45

2.3. Экспериментальные исследования 47

2.4. Методы исследования 48

2.4.1. Инструментальные методы 48

2.4.2. Исследование состояния остеогенеза и резорбции костной ткани 51

2.4.3. Изучение свободно-радикального окисления и антиокислительной защиты 56

2.4.4. Другие методы исследования 62

2.5. Статистическая обработка результатов исследования 63 ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 65

3.1. Показатели костной прочности, интенсивности ремоделирова-ния кости и фосфорно-кальциевого обмена у горняков ОАО «Учалинский ГОК» 65

3.2. Уровни тестостерона, гонадотропинов, паратгормона и интенсивности липопероксидации в плазме крови у горняков 72

3.3. Содержание некоторых биоэлементов и токсичных металлов в костной ткани у крыс при хроническом действии компонентов медно-

цинковой колчеданной руды 79

3.4. Показатели минерального обмена, маркеры ремоделирования костной ткани и содержания некоторых гормонов у крыс при действии компонентов медно-цинковой колчеданной руды 82

3.5. Влияние поступления руды на процессы обмена веществ и гистологическую структуру трубчатых костей в эксперименте 88

3.6. Влияние компонентов медно-цинковой колчеданной руды на метаболизм и гистологическую структуру костной ткани нижней челюсти

в эксперименте 98

ГЛАВА 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110

ВЫВОДЫ 125

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 126

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Остеопороз в России, как и в большинстве стран мира, входит в четвёрку основных хронических болезней XXI века, наряду с сердечнососудистыми, онкологическими заболеваниями и сахарным диабетом, уносящих жизни и приводящих к инвалидизации населения [54, 81]. Это делает остеопороз социально значимым для государства и системы здравоохранения, тем более, что частота его в последние десятилетия постоянно увеличивается. Эпидемиологические исследования взрослого населения в соответствии с критериями ВОЗ показали, что остеопорозом в России больны более 14 млн. человек, ещё у 20 млн. есть остеопения [70]. Социальная значимость остеопороза определяется его последствиями - малотравматичными переломами позвонков и костей периферического скелета, обуславливающими значительное повышение заболеваемости, инвалидности и смертности, и, соответственно, большими затратами в области здравоохранения. Только каждый четвёртый больной с переломом бедра восстанавливает физическую активность. Смертность после этого перелома в течение первого года колеблется от 12% до 40% [103]. У выживших 78%, спустя год, и 65% после двух лет нуждаются в постоянном уходе. Если бы всех больных с переломами проксимального отдела бедра в России оперировали, то общая сумма затрат на лечение составила бы 16,1 млрд. рублей [70]. Переломы позвонков сопровождаются болью, нарушениями осанки, ограничением физической активности и работоспособности.

При остеопорозе (ОП) нет характерной, в том числе ранней, клиники, кроме уже развившихся переломов. В связи с этим определение и учёт факторов риска при диагностике и организации профилактики ОП приобретают особое значение.

Среди факторов риска развития ОП как важнейшие определяются предшествующие переломы, пожилой возраст, низкая минеральная плотность кости, наследственность, гипогонадизм, курение, недостаточное потребление кальция и витаминов, злоупотребление алкоголем, низкая физическая активность и другие особенности образа жизни, низкая масса тела и др. [103]. В развитии остеопороза существенную роль играют также экологические факторы, загрязнение производственной среды токсическими веществами, действие вибрации, электромагнитных волн, радиации и др. Химические загрязнители, в том числе токсичные элементы, занимают ведущее место в комплексе антропогенных воздействий на функциональное состояние организма, на метаболизм различных органов и тканей, включая соединительную и костную. Имеется ограниченное число сообщений о влиянии химических факторов на состояние костной ткани [22, 51, 54, 56, 109, 117, 178, 136, 137]. Особое внимание среди токсичных соединений привлекают тяжёлые металлы. Некоторые из них даже в следовых количествах оказывают негативное воздействие на живые организмы [73, 74, 91, 209, 214]. Повышенное содержание в окружающей среде тяжёлых металлов наблюдается в регионах с высоким уровнем техногенного загрязнения, связанного с воздействием металлургической и горнорудной промышленности. Однако сведения о влиянии токсичных металлов, роли микроэлементного дисбаланса в развитии нарушений обмена в костной ткани немногочисленны [8, 54,80,127,130,172,200, 206,215].

Профессиональный контакт с тяжёлыми металлами и другими токсичными элементами имеют рабочие предприятий по добыче руды и в производстве по обогащению цветных металлов. Так, на горняков, добывающих цветные металлы подземным способом, воздействует комплекс вредных факторов производственной среды, таких как рудничная пыль, шум, вибрация, неблагоприятный микроклимат, отсутствие естественного освещения, физическое перенапряжение [113, 161,]. Основные производственные процессы при проходке и выемке руды слагаются из бурения, взрывания, крепления, погрузки, транспортировки и доставки. Все эти технологические процессы сопровождаются пылевыделением различной интенсивности от 1 до 2,5 ПДК. Пылевой фактор, по данным авторов, согласно

Руководству Р 2.2.2006-05 по классу вредности и опасности укладывается в интервал 2,0-3,1. Потенциальный риск развития неспецифических эффектов при хронической интоксикации металлами за средний стаж работы горняков комбината оказался на уровне единицы [9]. Рудничная пыль носит высокодисперсный характер, частицы пыли диаметром менее 5 мкн составляют более 90% от общего числа [142]. Вредное воздействие пыли на организм работающих, обуславливается не только её количеством в воздухе рабочей зоны, но и качественным составом. В рудах медно-цинковых колчеданных месторождений обнаружено более 80 минералов, содержащих медь, цинк, свинец, сурьму, серебро, золото, кадмий, ртуть, мышьяк, хром и другие элементы, которые с пылью попадают в организм горняков и накапливаются в тканях. Действие полиметаллической пыли руды сказывается на метаболизме различных органов и тканей, включая костную ткань. Болезни костно-мышечной системы на предприятиях горнодобывающей промышленности занимают высокое ранговое место [8, 62, 77, 90,113,114,142].

Системный остеопороз очень часто сопровождается развитием хронического генерализованного пародонтита [5, И, 36, 46, 119, 157, 191, 218, 244]. По мере снижения минеральной плотности кости различных отделов скелета, происходит увеличение тяжести хронического поражения пародонта [157]. Остеопоротиче-ские изменения скелета достаточно рано затрагивают кости челюсти, усугубляя деструкцию альвеолярной кости и соединительной ткани пародонта [11, 258]. С другой стороны, метаболические реакции, направленные на компенсаторное повышение остеогенеза альвеолярной кости, отличающиеся высокой пластичностью, не могут не сказаться на деятельности системы регуляции обмена минеральных веществ в костной ткани периферического и лицевого скелета [18. 46]. Хотя имеющиеся данные позволяют утверждать, что снижение минерализации скелета усиливает патологические изменения в пародонте, сложность и многогранность этой проблемы, требует её дальнейшего исследования [5]. С этих позиций привлекают внимание результаты исследования, характеризующие развитие воспалительно-дистрофических изменений пародонта, при действии химических загрязнителей окружающей и производственной среды [1, 26, 162, 181]. Прогрес-

сирование стоматологических заболеваний с увеличением поражения твёрдых тканей зуба и усугублением тяжести патологии пародонта наблюдается у рабочих металлургического производства с увеличением стажа работы [50, 154]. Тем не менее, характеристика состояния тканей пародонта при действии тяжёлых металлов и других токсичных элементов является одним из малоизученных вопросов.

Цель исследования

Охарактеризовать особенности метаболизма костной ткани и патогенетические механизмы развития остеопенического синдрома при действии комплекса элементов медно-цинковой колчеданной руды.

Задачи исследования

1. Изучить у горняков, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, состояние костной прочности, уровни в плазме крови кальция, фосфора, магния, биохимических маркёров ремоделирования кости ((3-Cross Laps, активность костной щелочной фосфатазы).

2. Определить у горняков состояние оксидантно-антиоксидантной системы по интенсивности хемилюминесценции, концентрации ТБК-активных продуктов и общей антиоксидантной активности плазмы крови, а также содержание парат-гормона, тестостерона и гонадотропных (фолликулостимулирующего и лютеини-зирующего) гормонов.

3. Изучить в костной ткани нижней челюсти и трубчатых костях белых крыс содержание некоторых тяжёлых металлов, свободного и белковосвязанного окси-пролина, гликозаминогликанов, в плазме крови - уровни кальция, фосфора, магния, С-концевых телопептидов коллагена типа I и активность костной щелочной фосфатазы при длительном ежедневном внутрижелудочном введении суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды.

4. Оценить состояние оксидантно-антиоксидантной системы в гомогенатах костной ткани нижней челюсти и эпифизов трубчатой кости (интенсивность хемилюминесценции, содержание продуктов ПОЛ (ТБК-активные продукты) и

окислительной модификации белков, общую антиокислительную активность, активность супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы и каталазы) при длительном введении руды.

5. Исследовать в плазме крови при действии компонентов руды уровень па-ратгормона, тестостерона, фолликулостимулирующего и лютеинизирующего гормонов, витамина Д.

6. Изучить влияние элементов медно-цинковой колчеданной руды на гистологическую структуру костной ткани нижней челюсти и трубчатой кости.

Методология н методы исследования

В работе использованы результаты обследования 608 рабочих ОАО «Уча-линский горно-обогатительный комбинат» (г. Учалы). Обследованные работники были поделены на две группы: основную и сравнения. Основную группу составили 500 горнорабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, которые в процессе производственной деятельности подвергаются воздействию комплекса вредных факторов, основным среди которых является рудничная пыль. Медно-цинковые колчеданные руды содержат различные тяжёлые металлы и токсичные элементы (Рв, Cr, Cd, Hg, Ag, As, Cu, Mn, Sr и др.). В группу сравнения (108 мужчин) были включены работники наземных служб этого же предприятия. Возраст обследуемых горняков колебался от 21 до 57 лет (38,4±8,62 года), рабочих группы сравнения — от 22 до 60 лет (39,8±7,14 года).

Экспериментальные исследования выполнены на 194 белых крысах-самцах массой 180-260 г. При проведении экспериментов неуклонно соблюдали положения Хельсинкской декларации о гуманном отношении к животным [57]. Животным подопытных групп ежедневно внутрижелудочно с помощью специального металлического зонда вводили суспензию мелко растёртого порошка медно-цинковой колчеданной руды Учалинского месторождения в 2% растворе крахмала из расчёта 60 мг на 100 г массы крысы. Интоксикацию проводили в течение трёх месяцев. Расчёт вводимой дозы порошка руды осуществляли исходя из минимальной токсичной дозы меди, составляющей для крыс 2,11 мг/100 г массы и

среднего содержания её в руде — 3,5% [145]. Крысы контрольной группы получали внутрижелудочно раствор крахмала.

В работе использованы биохимические, иммуноферментные, гистологические методы, атомно-абсорбционная спектрометрия, хемилюминесценция, уль-трасонометрия.

Степень достоверности, апробация результатов, личное участие автора

Достоверность результатов работы, обоснованность выводов и рекомендаций базируется на достаточном числе наблюдений и экспериментальных данных, использовании современных методов и статистической обработке материалов исследования.

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на III Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2011), научно-практической конференции с международным участием «Илизаровские чтения» (Курган, 2012), Российской научно-практической конференции «Осте-опороз - важнейшая мультидисциплинарная проблема здравоохранения XXI века» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции молодых учёных «Медицинская наука - 2012» (Уфа, 2012), IV и V Российских научно-практических конференциях «Здоровье человека XXI века» (Казань, 2012; 2013), VI Архангельской Международной медицинской научной конференции молодых ученых и студентов (к 80-летию Северного ГМУ) (Архангельск, 2013), на совместном заседании кафедр биологической химии и патологической физиологии ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России (Уфа, 2013).

Содержащиеся в работе результаты получены лично автором или при его непосредственном участии на всех этапах выполняемой диссертации: проведение научно-информационного поиска, анализ и обобщение данных специальной литературы, постановка задач, выбор и освоение методов, проведение экспериментов и лабораторных исследований, сбор, статистическая обработка и оценка полученных данных, написание статей, оформление диссертационной работы.

Положения, выносимые на защиту

1. У горнорабочих, добывающих медно-цинковую колчеданную руду подземным способом, во всех возрастных группах снижение костной прочности наблюдается чаще, чем у рабочих наземных служб, выявляются нарушения фос-форно-кальциевого обмена, интенсивности ремоделирования костей с превалированием резорбции.

2. У горняков со сниженной костной прочностью обнаруживается интенсификация процессов свободнорадикального окисления липидов, зависящая от стажа работы на рудниках, выявляется уменьшение в плазме крови концентрации тестостерона, повышение паратиреоидного и гонадотропных гормонов.

3. Хроническая интоксикация экспериментальных животных компонентами медно-цинковой колчеданной руды приводит к накоплению в костной ткани периферического (трубчатые кости) и лицевого (нижняя челюсть) скелета ряда тяжёлых металлов (Ъп, Си, РЬ, Hg, Мп, Бе, Сс1, Сг), усилению катаболизма костного коллагена, активации костной резорбции и нарушениям фосфорно-кальциевого обмена.

4. Накопление токсичных элементов в костной ткани при хроническом поступлении в организм экспериментальных животных компонентов руды приводит к ингибированию ферментативного и неферментативного звеньев антиоксидант-ной защиты, усилению свободнорадикального окисления с накоплением продуктов липопероксидации и карбонилирования белков, нарушению гистологической структуры компактной и губчатой кости, тканей пародонта. В плазме крови при этом изменяется содержание системных гормонов, участвующих в регуляции метаболизма костной ткани - снижается уровень тестостерона у самцов и повышается - паратиреоидного гормона.

5. Основными патогенетическими механизмами, приводящими к нарушению метаболизма костной ткани со снижением её прочности при действии компонентов руды, являются интенсификация свободнорадикальных процессов, снижение физиологического уровня антиоксидантной защиты. Дезинтеграция гормонального баланса, вытеснение кальция из минеральной фазы костной ткани, сни-

жение содержания витамина Д, нарушения фосфорно-кальциевого обмена способствуют развитию этих нарушений.

Научная новизна

Установлено, что у горных рабочих (проходчики, взрывники, крепильщики, машинисты буровых установок и погрузочно-доставочных машин), добывающих руду подземным способом, во всех возрастн