Экотоксикологическое влияние кадмия на антиоксидантные процессы млекопитающих в модельной системе белых крыс и их потомства
На правах рукописи
Слюзова Ольга Владимировна
экотоксикологическое Влияние кадмия
на антиоксидантные процессы млекопитающих
в модельной системе белых крыс
и их потомства
03.00.16 – экология
03.00.04 – биохимия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Саратов – 2008
Работа выполнена на кафедре биохимии и биофизики ГОУ ВПО
«Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
Научный руководитель: кандидат биологических наук,
вед. научный сотрудник
Киреев Роман Александрович
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки РФ
Игнатов Владимир Владимирович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Анищенко Татьяна Григорьевна
доктор биологических наук,
ст. научный сотрудник
Соколов Олег Игоревич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Защита состоится «3» июля 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83. E-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского»
Автореферат разослан «30» мая 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета С.А. Невский
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Изменение состояния окружающей среды в промышленно развитых странах побуждает проводить интенсивное изучение воздействия экологических факторов на биологические объекты. Во многих странах приоритетной группой экотоксикантов считаются тяжелые металлы и, в частности, кадмий. Загрязненность окружающей среды тяжелыми металлами отмечается в ряде регионов России, в том числе в Поволжье.
По информации комитета охраны окружающей среды и природопользования Саратовской области, в Саратове на протяжении последних лет сохраняется превышение предельно допустимых концентраций по кадмию в грунтовых водах, почве и снеговом покрове, обусловленное наличием в селитебной зоне города стационарных промышленных источников загрязнения (О состоянии…, 2002, 2006).
Особенность кадмия состоит в том, что он очень медленно выводится из организма, и длительное поступление даже небольших доз этого элемента в условиях экологического неблагополучия может привести к развитию нарушений деятельности сердечно-сосудистой, нервной, иммунной систем, функций почек, печени, развитию онкологических заболеваний, появлению врожденных пороков развития у потомства (Shukla et al., 1988; Jamall et al., 1989; Wang et al., 1994; El-Safty et al., 1996; Koyu et al., 2006). Считается, что главным механизмом токсического действия кадмия является индукция окислительного стресса. В связи с этим весьма перспективной представляется оценка про-антиоксидантного баланса организма в условиях экологического неблагополучия с целью ранней диагностики и патогенетически обоснованного лечения заболеваний. Одной из основных антиоксидантных систем клетки является глутатионовая система, представляющая собой трипептид глутатион и группу ферментов, катализирующих реакции с его участием. В многочисленных работах зарубежных ученых показано влияние кадмия на глутатионовую систему детоксикации (Ulusu et al., 2003; El-Demerdash et al., 2004; Casalino et al., 2004, 2006; Han et al., 2006; Esrefoglu et al., 2007; Sinha et al., 2007). Тем не менее, в литературе отсутствуют сведения об активности этой системы и интенсивности процессов перекисного окисления у потомства при воздействии соединений кадмия в период беременности и лактации.
Актуальность настоящего исследования связана с необходимостью прогнозирования последствий влияния ионов кадмия на организмы матери и ребенка с целью разработки профилактических мероприятий по снижению детской заболеваемости и смертности, особенно в послеродовой период.
Цель исследования: выявление экотоксикологического воздействия кадмия на антиоксидантные процессы у млекопитающих в модельной системе белых крыс и их потомства.
Задачи исследования:
- изучить активность ферментов глутатионовой системы (глутатион-S-трансферазы и глутатионредуктазы) и содержание восстановленного глутатиона в эритроцитах, а также процессы свободнорадикального окисления в тканях самок белых крыс при воздействии нитрата кадмия и рассмотреть их изменения в процессе адаптации;
- оценить ответную реакцию глутатионовой системы эритроцитов у двух- и четырехмесячного потомства самок белых крыс, подвергавшихся влиянию ионов Cd2+ во время беременности;
- исследовать активность глутатионовой системы в эритроцитах, печени, почках, сердце и мозге двух- и четырехмесячного потомства белых крыс при неонатальном воздействии ионов Cd2+;
- рассмотреть динамику процессов свободнорадикального окисления в плазме крови и органах двух- и четырехмесячного потомства после токсического действия ионов Cd2+ в неонатальный период;
- оценить половые различия и органоспецифичность кадмиевого воздействия, определить особенность действия различных доз ионов Cd2+ на активность глутатионовой системы и уровень свободнорадикального окисления в организме экспериментальных животных.
Научная новизна. Показано, что подострое воздействие нитрата кадмия сопровождается краткосрочным увеличением активности ферментов глутатионовой системы и содержания восстановленного глутатиона в эритроцитах. Впервые установлено, что воздействие кадмия на самок крыс во время беременности вызывает изменения активности глутатионовой системы эритроцитов, связанные с полом и возрастом потомства. В группе самок активность повышается к двухмесячному возрасту с последующей нормализацией к четырем месяцам развития. У самцов наблюдается сниженная активность глутатионовой системы к двум месяцам, сменяющаяся повышением к четырехмесячному возрасту. Впервые выявлено дозозависимое снижение интенсивности работы глутатионовой системы, содержания антиоксидантов и усиление перекисного окисления липидов (ПОЛ) в эритроцитах, печени, почках, сердце и мозге у двухмесячного потомства, получавшего Cd2+ с материнским молоком. Установлено, что к четырехмесячному возрасту активность глутатионовой системы возрастает в печени и эритроцитах, в почках и сердце возвращается к контрольному уровню, а в мозге остается сниженной. Отмечено, что процессы свободнорадикального окисления усиливаются при неонатальном воздействии кадмия у двухмесячных животных, к четырехмесячному возрасту наблюдается тенденция к стабилизации во всех изученных органах. В плазме крови к четырехмесячному возрасту пероксидация прогрессирует. Введение токсиканта в пренатальный или неонатальный периоды приводит к более интенсивному изменению изучаемых параметров у потомства в группе самцов по сравнению с самками.
Научно-практическая значимость. Показано, что наиболее подвержены токсическому влиянию низких доз кадмия процессы ПОЛ и активность глутатионовой системы мозга. Установлено, что пренатальный и неонатальный периоды являются столь чувствительными для токсического воздействия, что даже незначительные количества кадмия, проникающие к плоду или в организм потомства с материнским молоком, способны вызывать изменения в функционировании глутатионовой системы и нарушения процессов свободнорадикального окисления, которые регистрируются у подопытных животных даже по достижении половой зрелости. В связи с этим представляется целесообразным рекомендовать пересмотр в сторону уменьшения предельно допустимых концентраций кадмия для снижения риска развития патологических состояний. Изменение активности глутатионовой системы может быть признано маркером не только прямого, но и опосредованного через материнский организм экотоксикологического воздействия кадмия на потомство. Выявленные гендерные различия в реакции на кадмиевую интоксикацию могут в дальнейшем послужить основой для подбора антидотов или ведения антитоксической терапии не только в зависимости от возраста и дозы токсиканта, но и с учетом пола.
Основные результаты работы используются в научно-педагогической деятельности кафедры биохимии и биофизики Саратовского государственного университета. Материалы диссертации включены в руководство к практическим занятиям по экологической токсикологии для студентов биологического факультета СГУ, применяются в работе Центральной научно-исследовательской лаборатории Саратовского государственного медицинского университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждены на: 6-й международной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2003); 2-м Съезде токсикологов Украины (Киев, 2004); 5-й открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2004); международной научной конференции «Свободные радикалы и антиоксиданты» (Лодзь, Польша, 2004); 9-й международной научной конференции «Науки о жизни 04» (Нова Горица, Словения, 2004); 6-м конгрессе молодых ученых и специалистов «Науки о человеке» (Томск, 2005); 43-м конгрессе Европейского общества токсикологов и 6-м конгрессе токсикологии в развивающихся странах «Евротокс 2006/6 КТРС» (Кавтат/Дубровник, Хорватия, 2006); 6-й международной научной конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2006); международной научной конференции «Свободные радикалы, антиоксиданты и старение» (Астрахань, 2006); научной конференции «Исследования молодых ученых и студентов в биологии» (Саратов, 2007); международной научной конференции «Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов. Экология и здоровье человека» (Астрахань, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, две из которых в изданиях перечня ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. Лабораторные эксперименты проведены автором лично по плану, согласованному с научным руководителем. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление осуществлены автором самостоятельно. В совместных публикациях вклад автора составил 50-80%.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, состоит из введения, трёх глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 430 источников, в том числе - 341 зарубежный, иллюстрирована 28 рисунками и 11 таблицами.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В условиях экологического неблагополучия низкие дозы кадмия, попадающие в организм потомства, способны изменять активность глутатионовой системы и вызывать состояние окислительного стресса.
2. В ответ на кадмиевую интоксикацию активность глутатионовой системы изменяется по-разному у самок и самцов в эритроцитах при пренатальном, и в сердце и почках при неонатальном воздействии.
3. Влиянию кадмия в неонатальный период наиболее подвержены биохимические процессы в мозге потомства.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, определяются основные задачи и формулируется цель работы, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся сведения об апробации работы, определяются основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Глава 1. Кадмий как экологический фактор,
воздействующий на живые организмы (обзор литературы)
В данной главе приведена информация о распространении кадмия в среде обитания человека. Кадмий, в связи с его широким применением в промышленном производстве на предприятиях города, можно считать одним из основных экополлютантов г. Саратова. На основании данных отечественной и зарубежной литературы описаны токсикологические свойства кадмия, главные известные механизмы воздействия на органы и системы живых организмов, последствия влияния кадмия на организм матери, новорожденного и эмбрион. Представлена информация об антиоксидантной глутатионовой системе и влиянии кадмия на её активность. На основании приведенного обзора литературы сформулирована цель и определен круг задач, решаемых в данной работе.
Глава 2. Материалы и методы исследования
Перечень условных сокращений: GR – глутатионредуктаза; GSH – глутатион восстановленный; GSSG – глутатион окисленный; GST – глутатион-S-трансфераза; -GT – -глутамилтрансфераза; Hb – гемоглобин; Imax – максимальная интенсивность хемилюминесценции; Sобщ – общая светосумма импульсов хемилюминесценции; ГКНА – L-глутамил-3-карбокси-4-нитроанилид; ХДНБ – 1-хлор-2,4-динитро-бензол.
Исследования проводили в 2002-2007 гг. на беспородных крысах обоего пола в количестве 213 особей. Эксперименты на грызунах осуществляли в соответствии с требованиями Женевской конвенции (International Guiding…, 1985). В качестве вещества, моделирующего условия экологического загрязнения, использовали государственный стандартный образец ионов кадмия (ГСО 7874-2000), представляющий собой Cd(NO3)2. Токсикант вводили перорально, с помощью зонда, натощак.
Выявление краткосрочных механизмов адаптации в ответ на подострую кадмиевую интоксикацию проводили на самках, которым в течение 10 дней вводили физиологический раствор (контрольная группа), или нитрат кадмия в дозе 2 мг/кг в пересчете на Cd2+. Исследование осуществляли через 1, 4 и 8 дней после последнего введения токсиканта (1-я, 2-я и 3-я опытные группы соответственно).
Изучение пренатального влияния ионов кадмия проводили на потомстве самок крыс, которым с 6-го по 15-й день беременности вводили нитрат кадмия в дозе 2 мг/кг в пересчете на Cd2+ (опытная группа) и физиологический раствор (контрольная группа). Исследование потомства, с разделением на группы самок и самцов, осуществляли на 60-й и 120-й дни жизни.
Для изучения воздействия ионов кадмия в период новорожденности использовали самок, которым с 1-го по 10-й дни лактации вводили Cd(NO3)2 в дозе 0,5 и 2 мг/кг в пересчете на Cd2+ (опытные группы) и физиологический раствор (контрольная группа). Потомство (самки и самцы) подвергали исследованию на 60-й и 120-й дни жизни.
Для анализа использовали гепаринизированную плазму, эритроцитарную массу и супернатант гомогенатов органов (печени, почек, сердца и мозга), подготовленные по общепринятым методам.
Определение состояния глутатионовой системы по активности GST, GR и содержанию GSH производили в эритроцитах и супернатанте гомогенатов органов (Медицинские лабораторные технологии, 2002). В плазме крови и супернатанте гомогенатов органов определяли также активность -GT с помощью коммерческого набора «Гамма-Глутамилтрансфераза Liquid», изготовитель «Lachema», и содержание монооксида углерода (Wolff, 1976). Кроме того, в супернатанте гомогенатов органов и плазме крови исследовали параметры индуцированной хемилюминесценции, свидетельствующие об уровне про- и антиоксидантов: максимальную интенсивность хемилюминесценции и общую светосумму импульсов хемилюминесценции (Густов и др., 1999). Содержание гемоглобина определяли гемцианидным методом с помощью коммерческого набора «Гемциан-Диахим», изготовитель «Абрис+», количество белка в образцах определяли по методу Бредфорд (Bradford, 1976). В работе использовали центрифугу Т-24, спектрофотометр СФ-46, анализатор Флюорат®-02-Панорама, биохемилюминометр БХЛ-06.
Полученные данные обрабатывали общепринятыми статистическими методами (Реброва, 2002), с использованием пакета «STATISTICA 6.0» (STAT – SOFT, 2001).
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение
3.1 Изучение краткосрочных механизмов адаптации
к воздействию Cd(NO3)2 у самок крыс
Установлено, что воздействие на экспериментальных животных ионами кадмия в дозе 2 мг/кг в течение 10 дней приводит к достоверному снижению GST, GR и GSH эритроцитов у животных 1-й группы относительно контрольного уровня в 2,2 раза, 2 и 1,4 раза соответственно (рис. 1). После 4 дней адаптации у животных отмечается увеличение активности GST в 1,3 раза, GR – в 2,2 раза и содержания GSH – в 1,5 раза по сравнению со значениями 1-й группы. По прошествии 8 дней после последнего введения токсиканта обнаруживается уменьшение изучаемых показателей относительно уровня 2-й группы: GST – в 1,5 раза, GR – в 1,8 раза, GSH – в 1,3 раза, при этом все они оказываются ниже контрольных значений.
 |  |
| а | б |
Рис. 1. Активность глутатион-S-трансферазы и глутатионредуктазы (а)
и уровень восстановленного глутатиона (б) эритроцитов самок крыс под воздействием Cd(NO3)2. По оси ординат: а – GST, мкмоль ХДНБ/мг Hb в мин,
GR, мкмоль GSSG/мг Hb в мин; б – нмоль/мг Hb; *) различия по отношению к контрольной группе,^) различия между 1-й и 2-й группами, #) различия между
2-й и 3-й группами – достоверны при p<0,05
В ходе исследования параметров индуцированной хемилюминесценции у самок крыс наблюдается достоверное усиление Imax после десятидневного кадмиевого воздействия, свидетельствующее о повышении выработки свободных радикалов в 3,3 раза в плазме, в 2,5 раза в сердце, в 2,2 раза в мозге и в 2 раза в печени по сравнению с контрольным уровнем (табл. 1). Также в этой группе животных выявляется достоверное увеличение Sобщ (показателя, обратно пропорционального антиоксидантной активности пробы): в мозге в 2,5 раза, в плазме в 2,2 раза, в сердце в 2 раза и в печени в 1,9 раза относительно контрольного уровня.
По прошествии 4 дней после последнего введения токсиканта происходит достоверное снижение Imax и Sобщ относительно 1-й группы в плазме крови в 1,7 и 1,8 раза, в печени – в 3,5 и 2,2 раза, в мозге – в 1,7 и 1,5 раза соответственно. В сердце Imax снижается в 1,9 раза, а Sобщ остается на уровне 1-й группы.
Спустя 8 дней адаптации изменения показателей хемилюминесценции носят разнонаправленный характер. В плазме крови выявляется достоверное уменьшение Imax и Sобщ относительно 2-й группы в 2,8 и 1,4 раза, при этом оба показателя оказываются ниже контрольного уровня. В печени в 3-й группе наблюдается тенденция к повышению изучаемых параметров и их приближение к контрольным значениям. В мозге выявляется тенденция к повышению Imax на фоне поддержания на прежнем уровне Sобщ. В сердце Imax 3-й группы остается на уровне группы с четырехдневной адаптацией, а Sобщ понижается в 1,3 раза. Как в мозге, так и в сердце животных 3-й экспериментальной группы параметры хемилюминесценции превышают контрольный уровень.
Таблица 1
Показатели хемилюминесценции плазмы крови
и супернатанта гомогенатов органов самок крыс
на фоне воздействия нитрата кадмия
| Показатели | Контроль | 1 группа (1 день) | 2 группа (4 день) | 3 группа (8 день) |
| плазма крови | ||||
| Imax (мВ) | 6,4±1,3 | 21,1±3,0* | 12,5±1,3*^ | 4,5±0,5# |
| Sобщ (мВ·сек) | 29,3±5,5 | 64,0±2,9* | 35,9±7,6^ | 25,0±1,4 |
| печень | ||||
| Imax (мВ) | 7,0±1,2 | 14,2±2,7* | 4,1±0,5*^ | 6,1±1,0# |
| Sобщ (мВ·сек) | 14,5±4,3 | 27,5±2,3* | 12,8±1,4^ | 17,0±1,9# |
| сердце | ||||
| Imax (мВ) | 8,2±0,3 | 20,5±3,0* | 10,6±4,7^ | 10,5±0,9* |
| Sобщ (мВ·сек) | 18,0±2,3 | 36,4±3,1* | 32,5±2,4 | 25,0±2,9* |
| мозг | ||||
| Imax (мВ) | 8,1±1,1 | 17,6±2,7* | 10,4±1,8 | 12,0±0,9# |
| Sобщ (мВ·сек) | 9,2±1,1 | 22,6±2,3 | 14,4±1,8^ | 13,6±1,2*# |
Примечание: *) различия по отношению к контрольной группе,
^) различия между 1-й и 2-й группами, ) различия между 2-й и 3-й группами,
#) различия между 1-й и 3-й группами – достоверны при p<0,05
Таким образом, проведенное исследование выявило уменьшение активности ферментов глутатионовой системы и уровня восстановленного глутатиона эритроцитов и усиление свободно-радикальных процессов в тканях и плазме крови экспериментальных животных под воздействием нитрата кадмия. Со временем происходит реализация краткосрочных адаптационных механизмов, которая проявляется в увеличении активности глутатионовой системы. Также имеет место стабилизация процессов пероксидации в плазме и печени. Ткани сердца и мозга проявляют большую чувствительность к токсическому агенту и демонстрируют недостаточность адаптационных резервов.
3.2 Исследование воздействия ионов Cd2+ в период беременности
самок крыс на постнатальное развитие потомства
Выявлено, что воздействие ионов кадмия в дозе 2 мг/кг на самок крыс во время беременности приводит к изменению активности глутатионовой системы эритроцитов у потомства.
У двухмесячных самцов наблюдается снижение GR и GSH относительно контрольного уровня в 3,6 раза (p<0,005) и 1,3 раза (p<0,05) соответственно. Напротив, у двухмесячных самок отмечен рост ферментативной активности GST в 2,4 раза (рис. 2а), GR в 2,6 раза (p<0,05) и содержания GSH в 1,2 раза (p<0,05). По достижении возраста 4 месяцев в группе подопытных самцов выявляется увеличение GST в 1,5 (p<0,05), GR в 2,1 (p<0,01) и GSH в 1,3 раза (p<0,01) по сравнению с контрольными значениями. У самок активность GR повышается в 2,2 раза (p<0,05), а GST и содержание восстановленного глутатиона поддерживается на уровне контрольных значений.
Активность -GT плазмы (рис. 2б), свидетельствующая о повреждении клеточных мембран, достоверно возрастает у двухмесячных животных: в 1,9 раза у самок и в 2,6 раза у самцов относительно уровня контроля. К 4 месяцам развития у самцов наблюдается менее значительное увеличение: в 1,5 раза, у самок в 2 раза.
 |  |
| а | б |
Рис. 2. Активность глутатион-S-трансферазы эритроцитов (а)
и -глутамилтрансферазы плазмы крови (б) на фоне пренатального
воздействия ионов Cd2+. По оси ординат: а – мкмоль ХДНБ/мг Hb в мин,
б – мкмоль ГКНА/мг белка в мин; *) различия по отношению
к контрольной группе достоверны при p<0,05
Таким образом, установлены разнонаправленные реакции на токсическое воздействие у самок и самцов. К двухмесячному возрасту у самцов наблюдается сниженная активность глутатионовой системы, напротив, у самок в этот период активность глутатионовой защиты эритроцитов повышается. По достижении четырехмесячного возраста и у подопытных самцов реализуются компенсаторные механизмы.
3.3 Исследование воздействия ионов Cd2+ в период лактации самок крыс
на постнатальное развитие потомства
Показано, что при воздействии ионов кадмия в дозах 0,5 и 2 мг/кг на организм самки во время лактации у двухмесячного потомства выявляется дозозависимое достоверное снижение активности антиоксидантного фермента GST в эритроцитах у самцов в 1,5 и 2 раза, у самок в 1,3 и 1,5 раза, по сравнению с контрольным уровнем (рис. 3).
GR снижается у самцов в 1,2 (р<0,05) и в 1,5 раза (р<0,001), у самок сохраняется на уровне контрольной группы. Количество GSH эритроцитов уменьшается у самцов в 1,2 (р<0,05) и в 1,6 (р<0,001) раза, у самок уровень снижается при использовании большей дозы в 1,4 раза р<0,05. Активность -GT плазмы крови возрастает в прямой зависимости от дозы у самцов – в 1,3 (р<0,05) и в 1,8 (р<0,001) раза, у самок – в 1,4 (р<0,05) и 1,7 (р<0,001) раза.
 |
| Рис. 3. Активность глутатион-S-трансферазы эритроцитов на фоне неонатального воздействия ионов Cd2+. По оси ординат: мкмоль ХДНБ/мг Hb в мин, *) различия по отношению к контрольной группе и #) различия между группами с дозами 0,5 и 2 мг/кг Cd2+– достоверны при p<0,05 |
В печени у двухмесячного потомства неонатальная интоксикация также вызывает уменьшение активности GST при употреблении дозы 2 мг/кг у самцов в 1,3 раза (p<0,005), у самок – в 1,1 раза (p<0,001); GR снизилась у самцов в 1,4 раза (р<0,001), у самок – в 1,5 раза (р<0,001). Содержание GSH сокращается под влиянием ионов кадмия дозозависимо: у самцов в 1,2 (р<0,05) и 1,4 раза (р<0,005), у самок в 1,1 (р<0,005) и в 1,3 раза (р<0,005), по сравнению с контрольной группой.
Показано снижение -GT в печени в 2 раза (р<0,01) в группе с дозой 0,5 мг/кг и в 3 раза (р<0,005) при дозе 2 мг/кг у самцов; в группе самок активность фермента снижается зависимо от дозы в 1,7 (р<0,005) и в 3,7 раза (р<0,001), относительно контроля. Сходные процессы угнетения глутатионовой системы выявляются также в почках, сердце и мозге двухмесячного потомства крыс (рис. 4).
 |  |
| а | б |
Рис. 4. Активность глутатион-S-трансферазы сердца (а) и мозга (б)
на фоне неонатального воздействия ионов Cd2+. По оси ординат:
мкмоль ХДНБ/мг Hb в мин, *) различия по отношению к контрольной группе и
#) различия между группами с дозами 0,5 и 2 мг/кг Cd2+– достоверны при p<0,05
Отмечено дозозависимое достоверное увеличение Imax плазмы (рис. 5а) относительно контроля у самцов в 1,8 и 2,9 раза, у самок в 1,4 и 2,3 раза. Sобщ также повышается при употреблении доз Cd2+ 0,5 и 2 мг/кг в группах самцов в 1,9 (р<0,001) и 3,2 (р<0,001) раза, в группе самок в 2 (р<0,001) и 2,5 (р<0,001) раза по сравнению с нормальным уровнем. Вместе с тем, повышается уровень монооксида углерода в плазме у подопытных самцов в 1,2 (р<0,01) и в 1,4 (р<0,001) раза, у самок в 1,2 (р<0,01) и 1,5 (р<0,001) раза относительно контрольных значений в группах с дозами 0,5 и 2 мг/кг кадмия соответственно. Аналогичная динамика изменения параметров хемилюминесценции и СО наблюдается во всех изученных органах двухмесячного потомства.
Установлено, что под влиянием токсического агента в печени четырехмесячных подопытных самок и самцов наблюдается незначительное повышение активности GST относительно контрольных показателей. Ферментативная активность глутатионредуктазы увеличивается у обоих полов в 1,2 раза при воздействии дозой 2 мг/кг кадмия. Уровень GSH поддерживается в пределах нормы. Сходная тенденция обнаруживается также и в отношении глутатионовой системы эритроцитов. Ферментативная активность -GT печени, характеризующая доступность для клеток субстрата синтеза глутатиона, остается сниженной по отношению к контрольным значениям, но в меньшей степени, чем у двухмесячных животных. Уменьшение происходит дозозависимо в 1,5 (р<0,01) и 2,3 (р<0,001) раза у самцов; 2,8 (р<0,01) и 3,4 (р<0,005) раза у самок.
Увеличение периода после кадмиевой интоксикации с 2 до 4 месяцев приводит к сокращению выраженности изменений изучаемых показателей в мозге у подопытных животных обоих полов. Неонатальное воздействие кадмия способствует достоверному снижению активности GST в мозге самцов с увеличением дозы воздействия в 1,2 и 1,6 раза; в мозге самок в 1,3 и 1,5 раза по сравнению с уровнем контрольной группы (рис. 4б). В изменении уровня восстановленного глутатиона и активности GR также выявляется тенденция к снижению относительно нормы. Активность -GT мозга уменьшается при кадмиевой интоксикации дозами 0,5 и 2 мг/кг по сравнению с контрольными значениями в 1,9 (р<0,01) и 2,1 раза (р<0,01) у самцов; у самок в 1,6 (р<0,05) и 1,5 раза (р<0,05) соответственно.
В реакции глутатионовой системы почек и сердца четырехмесячного потомства на интоксикацию наблюдаются половые различия. Неонатальное воздействие кадмия не влияет на активность GST в почках самцов. У самок происходит увеличение в 1,2 (р<0,05) и 1,4 раза (р<0,05) относительно контрольного уровня в группах с дозами 0,5 и 2 мг/кг соответственно. Ферментативная активность глутатионредуктазы почек под действием токсиканта незначительно повышается только у самок в группе с дозой 2 мг/кг, в остальных случаях не изменяется. Содержание GSH в почках самок под влиянием токсиканта сохраняется в пределах нормы. У самцов выявляется снижение относительно контрольных показателей, максимально в 1,3 раза (р<0,001) в группе с дозой 2 мг/кг. Снижение активности -GT почек менее выражено, чем у двухмесячных крысят, и уменьшается относительно значений контрольной группы в 2 (р<0,01) и 3 (р<0,005) раза у самцов (в группах 0,5 и 2 мг/кг соответственно); и в 2,8 раза (р<0,05) в обеих экспериментальных группах самок.
При исследовании ткани сердца выявлена та же тенденция. У самок кадмиевая интоксикация не оказывает воздействия на активность ферментов GST, GR, и GSH. В группе самцов достоверно снижается активность GST в 1,3 и 1,6 раза, содержание GSH в 1,1 (р<0,05) и 1,2 раза (р<0,05) в группах с дозой 0,5 и 2 мг/кг кадмия относительно контрольной группы (рис. 4а). Активность GR сердца снижается в обеих экспериментальных группах самцов, активность -GT уменьшается по сравнению с контролем у самцов в 1,8 (р<0,05) и 2,4 раза (р<0,005), у самок в 2,2 (р<0,01) и 1,9 раза (р<0,005) с увеличением дозы воздействия.
Установлено, что у четырехмесячных животных под действием кадмия происходит увеличение параметров хемилюминесценции в плазме. Imax достоверно повышается относительно контроля у самцов в 2 и 1,8 раза, у самок в 2,4 и 2,7 раза в группах с дозами 0,5 и 2 мг/кг кадмия соответственно (рис. 5а).
 |
| а |
 |
| б |
| Рис. 5. Уровень максимальной интенсивности хемилюминесценции плазмы (а) и печени (б) на фоне неонатального воздействия ионов Cd2+. По оси ординат: мВ, *) различия по отношению к контрольной группе и #) различия между группами с дозами 0,5 и 2 мг/кг Cd2+– достоверны при p<0,05 |
Общая светосумма импульсов хемилюминесценции плазмы возрастает в обеих группах самцов в 1,6 раза. В группе самок увеличение составляет 2,8 (р<0,01) и 3 раза (р<0,01) при воздействии 0,5 и 2 мг/кг кадмия соответственно. Количество СО в плазме как в группе самок, так и в группе самцов возрастает вместе с дозой в 1,1 и 1,2 раза.
В печени четырехмесячного потомства достоверно увеличивается Imax у самцов в 1,9 раза по сравнению с уровнем контроля при обеих дозах кадмия, у самок в 1,4 и 1,8 раза с увеличением дозы воздействия (рис. 5б). Sобщ возрастает у самцов в обеих группах в 1,5 раза (р<0,05); у самок в 1,9 (р<0,05) и 1,7 раза (р<0,05) при воздействии дозами 0,5 и 2 мг/кг соответственно. Уровень СО в печени экспериментальных животных также достоверно повышается, с максимальным увеличением в 1,2 раза (р<0,005) в группе самцов с дозой 2 мг/кг. Та же динамика, а именно, менее выраженное, чем в двухмесячном возрасте, изменение изучаемых показателей хемилюминесценции выявляется и при исследовании тканей почек, сердца и мозга.
Таким образом, после воздействия ионов кадмия во время лактации у двухмесячного потомства наблюдается дозозависимое снижение GST, GR, -GT и уровня GSH во всех исследованных тканях, в плазме крови происходит увеличение ферментативной активности -GT. Также выявляется увеличение параметров хемилюминесценции и уровня СО, свидетельствующих об усилении ПОЛ, в плазме и образцах тканей. По достижении четырехмесячного возраста активность глутатионовой системы остается сниженной в мозге, увеличивается в печени и эритроцитах, а в сердце и почках в группах самцов наблюдается снижение, тогда как в группах самок функционирование поддерживается на уровне контроля. Параметры хемилюминесценции во всех изученных органах у четырехмесячного потомства остаются повышенными, но менее значительно, чем у двухмесячных животных. Исключение составляет плазма крови, где наблюдается прогрессирование увеличения хемилюминесценции, демонстрирующее наличие необратимых повреждений клеточных мембран.
Итак, исходя из проанализированных литературных источников и данных нашего исследования, можно спрогнозировать результат более длительного воздействия кадмия или влияния более высоких доз данного токсиканта на популяцию. Эти факторы могут вызвать более сильное и продолжительное состояние окислительного стресса, лежащее в основе развития многих известных на сегодняшний день заболеваний. Кроме того, усиленная выработка свободных радикалов может стать причиной увеличения количества мутаций в генофонде. В конечном итоге кадмиевая интоксикация приведет к появлению менее жизнеспособного потомства с нарушенной репродуктивной функцией, подверженного широкому кругу заболеваний, и, как следствие, возможной полной элиминации популяции. Для того чтобы данный прогноз не реализовался, рекомендуем пересмотреть в сторону уменьшения предельно допустимые концентрации кадмия в окружающей среде и продуктах питания, по мере возможности выводить за пределы города экологически опасные производства, использовать приемы, позволяющие удалять уже накопившийся кадмий из природных сред, а также повышать уровень общественной осведомленности об условиях жизни в городе.
Выводы
1. Воздействие на организм самок белых крыс кадмия, относящегося к неблагоприятным экологическим факторам, вызывает выраженный дисбаланс в про-антиоксидантной системе: снижение активности ферментов глутатионовой системы, уровня восстановленного глутатиона эритроцитов и активизацию свободнорадикальных процессов в тканях и плазме крови. Интоксикация сопровождается реализацией краткосрочных адаптационных механизмов, проявляющихся во временном увеличении активности глутатионовой системы эритроцитов. Процессы свободнорадикального окисления и уровень антиоксидантов стабилизируются с течением времени в плазме крови и печени, но не в сердце и мозге самок крыс.
2. Кадмиевая интоксикация в пренатальный период характеризуется разнонаправленными изменениями в активности глутатионовой системы эритроцитов у самок и самцов. У самок компенсаторное увеличение активности данной системы происходит ко второму месяцу жизни, а у самцов – только к четырехмесячному возрасту.
3. У двухмесячных самок и самцов при неонатальном воздействии ионов Cd2+ снижается активность глутатионовой системы во всех исследованных тканях. У четырехмесячных животных после неонатальной кадмиевой интоксикации активность глутатионовой системы увеличивается в печени и эритроцитах, а в мозге остается сниженной, но менее значительно, чем в двухмесячном возрасте. Половые различия в реакции изучаемой системы обнаружены в сердце и почках подопытных животных. У самцов наблюдается снижение активности глутатионовой системы, а у самок функционирование поддерживается на контрольном уровне.
4. Воздействие ионов кадмия в неонатальный период сопровождается увеличением показателей индуцированной хемилюминесценции и содержания СО у двух- и четырехмесячных крыс во всех тканях и плазме крови. К четырем месяцам постнатального развития показатели также остаются увеличенными, но в меньшей степени, чем у двухмесячных животных.
5. Продемонстрирован дозозависимый эффект кадмиевого воздействия в неонатальный период на активность глутатионовой системы, уровень оксида углерода и показатели хемилюминесценции во всех изученных органах двухмесячных животных. К четырехмесячному возрасту после токсического влияния сохраняется дозозависимый эффект в изменении активности -глутамилтрансферазы и глутатионредуктазы в эритроцитах и печени у самцов и глутатион-S-трансферазы во всех органах в обеих гендерных группах.
6. В ответ на токсическое воздействие кадмия во время лактации у двух- и четырехмесячного потомства наиболее значительно изменяются активность -глутамилтрансферазы, глутатионредуктазы и показатели хемилюминесценции. Более сильные изменения изучаемых показателей при воздействии кадмия происходят в мозге и почках экспериментальных животных, а печень и сердце на неонатальную интоксикацию реагируют менее выраженными изменениями.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
* – публикации в печатных изданиях перечня ВАК РФ
1. Слюзова О.В., Стрельникова Н.А., Степанова Е.В., Киреев Р.А. Влияние ионов кадмия на метаболические показатели и про-антиоксидантный статус самок белых крыс // Материалы VI международной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря». – Астрахань. – 2003. – С. 103 – 105.
2. Kireev R.A., Slyzova O.V., Stepanova E.V., Strelnikova N.A. Effect cadmium ions on metabolic processes and pro-antioxidant status in female rats // Abstracts Summer Meeting SFRR-2004 «Reactive oxygen species and antioxidants». – Lodz, Poland. – 2004. – Р. 159 – 160.
3. Kireev R.A., Stepanova E.V., Slyzova O.V. Effect of prenatal exposure of cadmium ions on metabolic parameters, free radical scavenging system and lipid peroxidation in adult rat offspring // Abstract «Life Sciences 04». – Nova Gorica, Slovenia. – 2004. – Р. 144.
4. Слюзова О.В., Степанова Е.В., Киреев Р.А. Про-антиоксидантный статус потомства самок белых крыс, подвергшегося воздействию ионами кадмия в пренатальный период // Материалы II съезда токсикологов Украины. – Киев. – 2004. – С. 46 – 47.
5. Слюзова О.В., Киреев Р.А. Состояние глутатионовой системы у 2-месячного потомства, подвергавшегося воздействию ионами кадмия в пренатальный период. Эффективность применения препарата «Фитосоя» // Материалы V открытой окружной конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века». – Сургут. – 2004. – С. 103 – 105.
6. Киреев Р.А., Слюзова О.В., Степанова Е.В., Бучарская А.Б. Пренатальное влияние ионов кадмия на метаболические процессы и про-антиоксидантный статус 4-месячного потомства самок белых крыс // Естествознание и гуманизм. Сборник научных работ. – Томск. – 2004. – Т. 1, № 3. – С. 50 – 52.
7. Степанова Е.В., Слюзова О.В., Бучарская А.Б., Киреев Р.А. Изменение показателей хемилюминесценции и гемограммы крови самок белых крыс на фоне воздействия ионами кадмия // Материалы VI конгресса молодых ученых и специалистов «Науки о человеке». – Томск. – 2005. – С. 86 – 87.
8. Темралеева А.Д., Груздева М.С., Слюзова О.В., Чапурина Н.А. Неонатальное опосредованное влияние кадмия на содержание восстановленного глутатиона, активность глутатион-S-трансферазы и состояние свободнорадикального окисления в тканях половозрелых самок беспородных белых крыс // Сборник статей VI Международной научной конференции «Состояние биосферы и здоровье людей». – Пенза. – 2006. – С. 165 – 167.
9. *Kireev R.A., Slyzova O.V., Stepanova E.V. Development of free radical scavenging system and lipid peroxidation under the influence of gestational cadmium exposure // Toxicology Letters. – 2006. – Vol. 164, S. 1. – P. 183 – 184.
10. *Kireev R.A., Stepanova E.V., Slyzova O.V., Solodovnikova E.I., Doroshenko L.V., Soldatova Y.V. Effect of nicotine on metabolic processes and pro-antioxidant status in male rat: Age-related differences // Toxicology Letters. – 2006. – Vol. 164, S. 1. – P. 133 – 134.
11. Темралеева А.Д., Слюзова О.В., Груздева М.С., Чапурина Н.А. Отдаленное опосредованное влияние ионов кадмия на состояние про- и антиоксидантной системы в тканях самок крыс // Материалы международной научной конференции «Свободные радикалы, антиоксиданты и старение». – Астрахань. – 2006. – С. 90 – 95.
12. Слюзова О.В., Чапурина Н.А., Киреев Р.А. Свободнорадикальные процессы в тканях самок крыс на фоне неонатального воздействия ионов кадмия // Астраханский медицинский журнал. – 2007. – Т. 2, № 2. – С. 172 – 173.
13. Слюзова О.В., Груздева М.С., Плешакова Е.В. Снижение воздействия кадмийсодержащих токсичных веществ на живые организмы // Энергосбережение в Саратовской области. – 2007. – Т. 28,
№ 2. – С. 24 – 26.
Слюзова Ольга Владимировна
экотоксикологическое Влияние кадмия
на антиоксидантные процессы млекопитающих
в модельной системе белых крыс
и их потомства
03.00.16 – экология
03.00.04 – биохимия
Автореферат
Корректор В.А. Рассомахина
_____________________________________________________________________
Подписано в печать 28.05.08. Формат 60Н841/16.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура Times. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 321.
_____________________________________________________________________
Отпечатано в типографии ООО «Правильный вывод».
410710, Саратов, ул. Рабочая, 105.
