Comparative analysis of heavy metals by their ability to increase membrane permeability of erythrocytes

Full Text

Окислительный стресс в клетках обусловлен увеличением количества активных кислородных метаболитов, что является этиологическим фактором развития большинства современных хронических заболеваний. Свободнорадикальные процессы приводят к развитию сердечно-сосудистых заболеваний (гипертоническая болезнь, ишемическая болезнь сердца, аритмия), злокачественным новообразованиям (меланома, саркома, лимфома, нейробластома). Повреждение мембран клеток активными кислородными метаболитами лежит в основе аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Аддисона, астма, витилиго, системная красная волчанка, ряда нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, кортикобазальная дегенерация). Свободнорадикальная патология играет существенную роль в процессах апоптоза, патофизиологии кардиомиоцитов и нейронов, а также при старении клеток. В некоторых случаях это может играть положительную роль, например, при удалении ксенобиотиков из организма, к которым относятся, например, пестициды, лекарственные препараты и химические токсины. Кроме того, окислительный стресс способен предотвращать процесс, в результате которого клетки могут претерпевать злокачественную трансформацию. При воздействии тяжелых металлов ингибируется работа мембранных ферментов. Кроме того, они могут вызывать необратимые изменения конформации биополимеров мембран [1-4].

Свободнорадикальное окисление поверхностных белков и липидов плазматических мембран приводит к нарушению барьерной функции мембраны, ее разрушению путем некроза. В связи с опасностью для клетки свободнорадикальной патологии в них сформировалась эффективная система защиты от повреждающего действия активных кислородных метаболитов. Она включает в себя разнообразные низкомолекулярные антиоксиданты и ферменты. К ним относятся витамины Е, А, С, альбумины, свободные жирные кислоты, билирубин, комплексоны ионов металлов, супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза [5].

Особенно подвержена повреждению свободными радикалами сосудистая стенка и эритроцитарные мембраны. Под воздействием активных кислородных метаболитов может изменяться осмотическая резистентность эритроцитов и накапливаться окисленные формы гемоглобина. Патологический внутрисосудистый гемолиз развивается при повреждении эритроцитарной мембраны. Это может наблюдаться при поражении токсичными ксенобиотиками, активными кислородными метаболитами, ионизирующими излучениями, некоторыми лекарственными препаратами.

Причиной развития патологического гемолиза служат не только неполноценность эритроцитарных мембран, но и недостаточность ферментов нарушения синтеза гемоглобина. Эти состояния наблюдаются при различных видах анемии (микросфероцитарной, овалоцитарной), а также при гемоглобинопатиях, эритробластозе и физиологической желтухе. В норме внутрисосудистый гемолиз не должен быть не более 10% от количества всех клеток. При этом происходит распад эритроцитов в кровяном русле, свободный гемоглобин выходит в плазму крови, где он соединяется с гаптоглобином, а весь комплекс поглощается ретикулоэндотелиальной системой. Важным последствием перекисного окисления мембраны эритроцита является окисление гемоглобина без сохранения валентности железа. При этом вместо равновесного связывания гемоглобина с кислородом происходит реакция необратимого аутоокисления гемоглобина с образованием метгемоглобина [4, 5].

Цель работы: оценить влияние солей бария, стронция и марганца на осмотическую резистентность эритроцитов и образование в них метгемоглобина.

Материалы и методы исследования: объектом исследования служила цельная донорская кровь. Суспензию отмытых эритроцитов получали путем центрифугирования в режиме 3000 оборотов в минуту продолжительностью 10 минут. Затем плазму и лейкоцитарную пленку удаляли, после чего эритроциты дополнительно два раза промывали физиологическим раствором хлорида натрия.

Для определения осмотической резистентности эритроцитов готовили серию проб. В опытных пробах находилось 0,01 мл суспензии эритроцитов, 5 мл 0,5% (или 0,9%) растворов хлорида натрия и 5 мл раствора соли тяжелого металла. Концентрация соли металла составляла 10 мМ. Пробы инкубировали  в термостате при стандартных условиях (температура 37^оС) продолжительностью 30 минут. После инкубации на спектрофотометре ПЭ-5400 УФ измеряли оптическую плотность растворов на длине волны 540 нм. Количество клеток, подвергшихся гемолизу, рассчитывали в процентах по отношению к полному гемолизу, вызванному 0,1% раствором карбоната натрия [3]. В качестве контроля использовали пробы, не содержащие металл. Опыты проводили со следующими солями: хлорид бария, хлорид марганца и нитрат стронция.

Содержание метгемоглобина, оксигемоглобина и дезоксигемоглобина определяли спектрофотометрически. Для этого в пробах, где прошел полный гемолиз, измеряли оптическую плотность на трех длинах волн: 554 нм, 577 нм, 630 нм [4].

Результаты исследования. В результате проведенного исследования установлено, что в пробах, содержащих физиологический раствор хлорида натрия, при добавлении 10 мМ раствора бария количество гемолизированных клеток возрастало в 9,6 раз, в пробах с стронция – в 8, с марганцем в 2,4 раз по сравнению с контролем (табл. 1).

В пробах с гипотоническим раствором хлорида натрия количество гемолизированных клеток через 30 мин инкубации достигало 90% в пробах с барием, 97% со стронцием, с марганцем 52%, со свинцом и железом – 100%, что соответствовало контрольным значениям. Таким образом, в гипотоническом растворе хлорида натрия изучаемые металлы обладают сходным действием, кроме марганца, вызывая практически 100% гемолиз через полчаса инкубации.

При добавлении 10 мМ раствора свинца количество гемолизированных клеток в физиологическом растворе хлорида натрия возрастало в 9,6 раз, в пробах с барием – также в 9,6, с железом – в 8,9 раз, с марганцем – в 2,3 раза, со стронцием – в 8 раз по сравнению с контролем (табл. 1).

Таблица 1.Количество гемолизированных клеток после воздействия тяжелых металлов,

Тяжелые металлы и их органические и неорганические соли относятся к одним из самых высокотоксичных ксенобиотиков, которые способны взаимодействовать с биологическими мембранами клеток и оказывать на них разрушающее действие [3]. В процессе окислительного стресса усиливается окисление ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов эритроцитарной мембраны, следствием чего является гемолиз эритроцитов.

При изменении эластичности эритроцитарной мембраны гемолиз эритроцита может происходить при более мягких параметрах окружающего их раствора, что может с высокой степенью информативности указывать на степень повреждающего воздействия того или иного фактора окружающей среды. После того, как осмотическая резистентность достигает своих крайних значений, может произойти гемолиз эритроцита, который начинается при концентрации раствора хлорида натрия 0,5% [5].

Источниками поступления свинца в атмосферу являются примеси к бензину (антидетонатор – тетраэтилсвинец), а также водопроводная система, в которой обязательным компонентом служит латунь. В состав латуни, кроме меди и цинка, зачастую входят такие металлы, как свинец, алюминий, олово, железо, никель и марганец). Основным путем проникновения свинца в организм человека является питье воды. Тетраэтилсвинец способен оказывать нейротоксическое влияние, проявляющееся, например, в нарушении пластического обмена. Имеются данные об усилениях процесса перекисного окисления липидов биологических мембран под воздействием свинца. Это сопровождается ингибированием ферментов антиоксидантной защиты клетки – супероксиддисмутазы, каталазы, различных видов пероксидаз. Существует прямая корреляционная взаимосвязь между уровнем перекисного окисления липидов и содержанием свинца в ткани [3].

Барий относится к токсичным микроэлементам и имеет свойство накапливаться в печени, легких и селезенке. Этот металл способен пролонгировать процесс стимуляции мышечного сокращения. Все соли бария, кроме сульфатов, являются ядовитыми, часто первые симптомы отравления развиваются уже после первых двух часов после еды. Барий обладает нейротоксическим действием, проявляющимся в блокаде передачи нервных импульсов, а также способен вызывать заболевания нервной (параличи, нарушение рефлексов) и кровеносной систем (аритмии, гипертонии), а также  респираторные (остановка дыхания) и метаболические (гипокалиемия) симптомы [6].

Источником поступления стронция являются металлургические предприятия, производство аккумуляторов, холодильная промышленность, а также медицина и косметические средства. Он способен оказывать общетоксическое действие на организм человека и является нервным и мышечным ядом.  При избытке стронция наблюдается замещение кальция во внутренних органах, поражается костная ткань, печень, а также  кровеносная система. Стронциевый рахит, который носит название уровской болезни, характеризуется повышенной ломкостью и уродливостью костей, деформацией суставов. Попадание солей стронция в организм оказывает местно-анестезирующее действие, вызывает желудочно-кишечные расстройства. 

Источниками поступления марганца в организм человека является производство стали, стекла, электросварка, а также сельское хозяйство. Он всасывается на протяжении всей тонкой кишки, способен быстро покидать кровяное русло. В тканях марганец депонируется в митохондриях клеток, накапливается в костях, печени, головном мозге паренхиматозных органах, таких как поджелудочная железа. При отравлении марганцом возникает усталость, головные боли, тремор верхних конечностей, повышается тонус мышц [6].

Аэрозольные частицы, содержащие свинец, способны к резорбции в легочной ткани, а в крови они повреждают гематопоэтическую систему – соединяются с гемоглобином, ингибируют процесс включения в гемоглобин железа, что приводит к падению содержания гемоглобина с развитием гипохромной анемии [6].

Источниками железа могут являться промышленные зоны, например, районы металлургических заводов, химических, нефтехимических, химико-фармацевтических производств. В организм человека также железо может поступить из продуктов, которые длительно хранились в луженых флягах. От валентности железа зависит его токсическое действие. Ионы двухвалентного железа являются мощными инициаторами процесса перекисного окисления липидов биологических мембран, в том числе мембран эритроцитов и митохондриальных мембран. Трехвалентное железо обладает прижигающим действием на желудочно-кишечный тракт, может вызвать рвоту. При нанесении на поверхность кожи оказывает сенсибилизирующее воздействие. Имеются данные о том, что потребление высоких концентраций железа с продуктами питания может увеличивать риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, что, вероятно, и связано с накоплением в организме избыточного количества двухвалентного железа [6].

Выводы:

1. Установлено, что в изотоническом растворе хлорида натрия наибольшим повреждающим действием на эритроцитарную мембрану обладают свинец и барий, а наименьшим – марганец. В гипотоническом растворе хлорида натрия изучаемые металлы обладают сходным действием, кроме марганца, вызывая практически 100% гемолиз через полчаса инкубации.

2. Полученные данные свидетельствуют о повреждающем влиянии солей тяжелых металлов на эритроциты, характеризующимся в ухудшении осмотических свойств эритроцитарной мембраны вследствие инициации процессов перекисного окисления липидов в ней.

 

About the authors

Diana Igorevna Protsenko

Private institution educational organization of higher education Medical University "Reaviz"

Author for correspondence.
Email: diana.kitty.04@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-1657-377X

2nd year student of the Faculty of Medicine

Russian Federation, 443001, Россия, г. Самара, ул. Чкалова, 100, ул.Чапаевская, 227 (юридический адрес))

Evgeniy Valerievich Antipov

Private institution educational organization of higher education Medical University "Reaviz"

Email: eugantipov@gmail.com

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Natural Sciences

Russian Federation, 443001, Россия, г. Самара, ул. Чкалова, 100, ул.Чапаевская, 227 (юридический адрес))

References

Supplementary files

There are no supplementary files to display.