Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова, 2022, T. 108, № 5, стр. 626-635

Изучение механизмов негативного влияния экотоксикантов на здоровье человека не перестает быть актуальной проблемой. Особое место среди ксенобиотиков занимают тяжелые металлы и их соединения, содержание которых в экосистеме по данным систематического мониторинга Роспотребнадзора в стране зачастую превышает уровень предельно допустимой концентрации. Особое место среди них занимает свинец как наиболее токсичный, включенный в список приоритетных экологических загрязнителей рядом международных организаций, в том числе ВОЗ. Анализируя направления международной деятельности в области химической безопасности, следует отметить, что важнейшим критерием приоритетности служит распространенность химических веществ в окружающей среде [1–4]. Актуальность изучения особенностей влияния на человека соединений свинца определяется следующими факторами: уровнем загрязнения экосистемы, стойкостью, способностью к высокой степени кумуляции в биосфере и биологических объектах и соответственно высоким уровнем риска накопления в организме человека и животных [5, 6].

Попадая в организм, свинец накапливается в сосудистой системе, включая аорту, а также в жизненно-важных органах: почках и печени. Обладая переменной валентностью, свинец индуцирует развитие окислительного стресса, нарушение NO-продуцирующей функции эндотелия сосудов и снижение продукции оксида азота (NO) как основного вазодилататора. Развивается патологический процесс, который называется дисфункция эндотелия, приводящий к повышению тонуса сосудов, вазоконстрикции и повышению кровяного давления. Помимо этого, в условиях окислительного стресса активируется продукция провоспалительных цитокинов и проапоптических белков. Все эти факторы способствуют повреждению клеток внутренних органов, снижению уровня функциональных показателей и развитию необратимых гистопатологических процессов.

Основываясь на данных литературы об участии окислительного стресса в механизмах токсичности ацетата свинца, ряд исследователей предложили использовать вещества с антиоксидантными и противовоспалительными свойствами для нейтрализации негативных проявлений. В комплекс таких антиоксидантов вошли вещества растительного происхождения: экстракт Moringa oleifera, куркумин, витамин С, сочетание витамина С с куркумином, а также аналоги антиоксидантов эндогенного происхождения – L-карнитин и коэнзим Q₁₀.

Целью данного исследования является анализ данных современной литературы о молекулярно-клеточных механизмах токсического действия, в том числе ангиотоксического действия свинца и о разработке на их основе новых методов патогенетической коррекции.

Методологические подходы, используемые в обзоре, основываются на изучении достаточного количества источников литературы в плане реализации поставленной цели. В процессе анализа данных литературы использован критический подход к изучаемым работам, их соответствие адекватности статистическим методам и разная научная платформа подходов к анализу обсуждаемой проблемы. Особое внимание уделено рассмотрению причинно-следственных связей метаболических нарушений, включая перекисное окисление липидов (ПОЛ), нарушение антиоксидантной системы (АОС), возможности образования оксида азота, провоспалительных цитокинов и проапоптических белков, вызывающих не только функциональные, но и гистопатологические изменения во внутренних органах. Рассматриваются также возможные пути коррекции негативных проявлений свинца, которые происходят даже при воздействии относительно низких концентраций. Токсичность свинца вызывает серьезную озабоченность в области общественного здравоохранения, поскольку страдает здоровье миллионов людей в мире, причем, это касается как молодой, так и стареющей части населения [7–10]. Особенно чувствительны к воздействию свинца дети, у которых могут наблюдаться нейрокогнитивные расстройства и сердечно-сосудистые заболевания [11, 12].

При контакте человека со свинцом происходит ингибирование синтеза гема гемоглобина в кроветворных органах, развивается нормохромная анемия с последующей гипоксией [1, 9]. Нарушение транспорта кислорода и переменная валентность свинца способствуют образованию свободных радикалов кислорода (перекиси водорода Н₂О₂, супероксид-анион радикала ${\text{O}}_{2}^{ - }$, радикала гидроксила ${\text{O}}{{{\text{H}}}^{{ - {\kern 1pt} \centerdot }}}$) и развитию оксидативного стресса [8, 13]. Перекисное окисление липидов является достаточно распространенным явлением, играет весьма важную роль в нормальной жизнедеятельности клеток, регулируя структурную перестройку фосфолипидов клеточных мембран и изменения метаболизма. Вместе с тем интенсификация свободно-радикальных процессов является патогенетическим звеном ряда негативных проявлений, включая свинцовую интоксикацию. Достаточно многочисленные данные литературы свидетельствуют о способности свинца активировать свободно-радикальное окисление в крови, в клетках мозга, печени, миокарда [8, 13, 14]. Как политропный яд, свинец поражает нервную, сердечно-сосудистую системы и практически все внутренние органы [14–18]. Будучи основным экскреторным органом, почки удаляют из организма токсины, включая, в частности, элементы, имеющие плотность более 5 г/см³. Клетки проксимальных канальцев почек особенно уязвимы для действия свинца. Свинцовые белковые комплексы могут быть обнаружены в качестве основных ядер включения при микроскопии почечной ткани. В механизмах элиминации нефротоксинов почками участвуют процессы мембранного транспорта, канальцевой секреции, связывания с белками, пиноцитоз и метаболическая инактивация. Поэтому в механизме развития свинцовой нефропатии участвуют эндотелиальные и мезангиальные клетки, канальцевый эпителий, базальные мембраны как гломерул, так и канальцев. Эти воздействия могут вызывать функциональные и морфологические изменения, приводящие к нефропатии. В зависимости от длительности контакта со свинцом и количества кумулированного вещества развиваются функциональные нарушения почек, которые могут закончиться хронической необратимой нефропатией [18]. Экспериментально на крысах показано, что хроническое воздействие свинца привело к его накоплению в почках, нарушению их структуры и функции. Помимо окислительного стресса, токсическое влияние свинца проявляется развитием процесса воспаления и апоптоза клеток органов, в частности почек. В этом механизме авторы отмечают участие провоспалительных цитокинов: фактора некроза опухоли-альфа (TNF-α) интерлейкина 1β (iL-1β), интерлейкинов-2, -4, -6, -8 и проапоптических ферментов – циклооксигеназы, каспазы-3, ВАХ, а также снижение уровня противовоспалительных цитокинов – интерлейкина-10 (iL-10) в почках. Влияния такого плана происходят на фоне истощения антиоксидантного статуса: активности антиоксидантных ферментов и содержания восстановленного глутатиона [15, 19].

Анализируя изменения функционального состояния почек под влиянием ацетата свинца выявляется диуретическое и натрийуретическое его действие вследствие снижения канальцевой реабсорбции воды (${{R}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$) и натрия RNa (%) [20]. Важная роль при токсическом поражении почек отводится активности Na,K-ATФ-aзы, являющейся составной частью натриевого насоса и играющей основную роль в реабсорбции натрия в почечных канальцах. Этот фермент является непосредственным участником процесса расщепления макроэргических фосфатных связей АТФ, обеспечивая энергией активный транспорт натрия и калия. Na,K-ATФ-aза стимулируется одновременным повышением концентрации натрия и АТФ внутри клетки и калия снаружи. При этом фермент при гидролизе одной молекулы АТФ выбрасывает 3 иона натрия наружу, а 2 иона калия внутрь клетки [21].

Снижение активности Na,K-ATФ-aзы в эритроцитах отмечают авторы на ранних этапах воздействия свинца и кадмия [22, 23]. Уменьшению активности данного энзима могут способствовать нарушение конформации молекулы вследствие перекисного окисления липидов, а также изменения калиевых и кальций-калиевых каналов. Развивающийся окислительный стресс способствует понижению биодоступности оксида азота (NO). Зная о том, что NO вызывает дилатацию через активацию калиевых каналов и Na,K-ATФ-aзу, следует отметить, что его недостаток может приводить к нарушению ион-селективных калиевых каналов и соответственно активности Na,K-ATФ-aзы [24].

Анализ данных литературы показал, что показателями повреждения почек являются функциональные изменения в нефроне, повышение в сыворотке крови содержания мочевины, креатинина и нитратов/нитритов, а также уровня проапоптических маркеров: ВАХ, каспазы-3 при понижении антиапоптических маркеров BCI-2 [20, 25]. Снижение функционального резерва может играть очень важную роль в чувствительности почки к повреждающему фактору. Каскад дегенеративных процессов может либо стабилизироваться, либо привести к хронической почечной недостаточности. У 73% людей, подверженных действию свинца, наблюдается хроническая болезнь почек, сочетающаяся с сердечно-сосудистыми заболеваниями [26].

В соответствии с данными литературы, на фоне свинцовой интоксикации происходит и повреждение печени, повышение в ней содержания малонового диальдегида как маркера окислительного стресса [27, 28]. Увеличивается экспрессия провоспалительных факторов и одновременно происходит нарушение обмена холестерина. Причинно-следственные связи свидетельствуют о повышении проницаемости цитоплазматической мембраны гепатоцита, способствующее выходу из клетки ферментов: АлАТ, АсАТ, кислой и щелочной фосфатаз и повышению их активности во внеклеточной среде. Одновременно выявляется увеличение содержания холестерина и триглицеридов, билирубина, креатинина, мочевины в сыворотке крови.

Низкие дозы свинца могут оказывать влияние на сосудистый тонус, изменяя содержание NO как основного регулятора. В литературе приведены данные о том, что на фоне адреномиметика – фенилэфрина свинец снижает вазоконстрикторную реакцию и увеличивает биодоступность NO. Одновременно происходит активация рецепторов ангиотензина-1 (АТ1) и ангиотензина-2 (АТ2) и метаболического пути фосфатидил-инозитол-3-киназы (PI3K-протеинкиназы) как проявление защитной реакции [29]. Повышенная биодоступность NO в этом исследовании была обусловлена возросшим уровнем экспрессии индуцибельной NO-синтазы (iNOS), что подтверждают данные литературы [30]. Рассматривая в таком аспекте этот вопрос, следует отметить, что при повышенной биодоступности NO его взаимодействие с супероксиданион-радикалом образует пероксинитрит, играющий роль активного окислителя и оказывающий прямое влияние на активность железосодержащих ферментов и цикла лимонной кислоты. Следовательно, продуцируемый iNOS NO является ключевым фактором окислительного стресса в повреждении ДНК, подавлении активности ферментов, необходимых для репликации ДНК, регуляции генетических и эпигенетических процессов [3]. В свою очередь, генетические изменения под влиянием активных радикалов могут быть одной из причин апоптоза, повышения уровня экспрессии апоптогенных белков: ВАХ, FAS, p53AIP1. Вместе с тем выявляется сниженный базальный уровень NO, продуцируемый конститутивным ферментом – эндотелиальной NO-синтазой (eNOS) [31].

Итак, отравление свинцом представляет серьезную опасность для здоровья человека. Его токсичность влияет на различные метаболические пути. Исследованиями установлено, что на фоне окислительного стресса развиваются признаки воспаления: лейкоцитоз, лимфоцитоз, снижение содержания общего белка, альбуминов, глобулинов [27]. Даже малые дозы свинца, вводимые внутрибрюшинно в течение 6 недель, вызывают повреждение образования гема, повышение синтеза цитохрома Р₄₅₀ в печени и при этом оказывают генотоксическое действие [7]. Поскольку все ксенобиотики окисляются в микросомальной фракции гепатоцита, то они могут оказывать на клетку повреждающее действие, но вместе с тем, ряд веществ теряют свои токсические свойства. Одним из механизмов ангиотоксического действия свинца является активация сигнальных путей митоген-активируемой протеинкиназы, которая запускает каскад реакций синтеза провоспалительных белков, приводящий к увеличению сосудистого сопротивления и артериального давления [6, 32]. Помимо этого, тяжелые металлы увеличивают активность НАДФН-оксидазы, которая снижает биодоступность NO и приводит к системной вазоконстрикции (рис. 1).

Рис. 1.

Схема механизмов патогенеза при свинцовой интоксикации.

Исходя из анализа данных литературы о метаболических нарушениях свинцовой интоксикации, ряд авторов использовали различные вещества с антиоксидантными свойствами для ингибирования окислительного стресса и восстановления функции органов. Известны данные сочетанного применения свинца с куркумином, витамином С, а также комбинации витамина С с куркумином [16, 27]. Данные показали, что антиоксиданты частично улучшили негативные изменения биохимических показателей, а также оказали противовоспалительное действие на печень, ингибируя образование провоспалительных факторов. Очевидно, растительные полифенолы вступают в реакцию хелатирования со свинцом, препятствуют его всасыванию, снижают токсичность и оказывают антиоксидантное действие [17]. Эффективным оказывается и экстракт Moringa oleifera в подавлении нефротоксичности [15]. Исследования о влиянии L-карнитина на токсические проявления свинца были проведены на крысах при добавлении его в пищу. Результаты показали, что L-карнитин препятствует развитию нежелательных эффектов свинца, оказывая ингибирующее влияние на уровень окислительного стресса, о котором судили по содержанию малонового диальдегида, и ферментативную составляющую: супероксиддисмутазу и каталазу [33].

Показано, что свинцовая интоксикация, вызванная добавлением ацетата свинца в дозе 1 г/100 мл Н₂О в течение 28 дней у крыс, привела к снижению уровня экспрессии гена металлотионеина-3 (МТ3) в печени и почках, мРНК цитохрома С, а также нарушению липидного спектра крови – повышению общего холестерина (ОХС), ХС ЛПНП и ослаблению защитной роли коэнзима Q₁₀ (КоQ₁₀) [34]_. На этом фоне 28-дневное лечение коэнзимом Q₁₀ (10мг/кг массы тела) показало повышение уровня экспрессии гена МТ3 в клетках печени и почек, мРНК цитохрома С, содержания антиоксидантного белка МТ3 в печени и почках. КоQ₁₀ оказался весьма эффективным, позитивно действующим фактором на вышеуказанные показатели, о чем свидетельствует отсутствие существенных различий от уровня контроля. Одновременно КоQ₁₀ препятствовал повышению уровня ОХС, ХС ЛПНП. В своем исследовании автор использовал ПЦР-диагностику, иммуносорбентный анализ и биохимические методы определения липопротеиновых фракций. Полученные результаты являются доказательными фактами эффективности действия КоQ₁₀ при свинцовой интоксикации [34]_.

Позитивные эффекты КоQ₁₀ были установлены и в исследованиях других авторов, которые вводили крысам ацетат свинца внутрибрюшинно в дозе 5 мг/кг в течение 6 недель. Определяли соотношения окисленной и восстановленной форм КоQ₁₀ в сыворотке крови, мозговой, почечной и печеночной тканях. Данные показали преобладание окисленной формы КоQ₁₀ из-за сниженной активности NADPH-CoQ-редуктазы, что и благоприятствовало развитию окислительного стресса в клетках мозга, почек и печени [35].

Исследования показали, что повышенные концентрации свинца в окружающей среде приводят у детей к снижению уровня когнитивной функции и нарушению поведенческих реакций. Токсические воздействия свинца на организм беременной женщины в период раннего внутриутробного развития плода свидетельствовали об изменениях психометрических функций в постнатальном периоде развития ребенка, а также биохимических показателей окислительного стресса [36]. В дополнение к этому проведена серия нейрохимических исследований у крыс с моделью свинцовой интоксикации. Данные свидетельствуют о многочисленном и сложном многообразии нейротоксического действия свинца, включая нарушение поведенческих реакций. КоQ₁₀ позитивно модулировал функцию корковых нейронов и их энергетический метаболизм [37, 38].

Такие позитивные изменения могут быть связаны с убихинон-ассоциированной частью дыхательной цепи. КоQ₁₀ как составляющая часть III комплекса цепи переноса электронов принимает электроны и протоны от I и II комплексов и транспортирует электроны к цитохромам. В определенных точках сопряжения протоны выбрасываются на внешнюю сторону внутренней мембраны митохондрий, обращенной в межмембранное пространство, создавая электро-химический градиент, необходимый для окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ. Кроме этого, КоQ₁₀ является единственным саморегенерирующим антиоксидантом липидной природы, который препятствует окислительной модификации белков и липидов цитоплазматических мембран, поддерживая нормальную структуру фосфолипидов. Антиоксидантные свойства КоQ₁₀ участвуют в поддержании восстановленного α-токоферола в составе хиломикронов, ЛПНП в сыворотке крови, препятствуя их окислительной модификации. Поскольку КоQ₁₀ синтезируется из мевалоната как и холестерин, он может играть роль конкурентного ингибитора синтеза холестерина, оказывая влияние на его уровень в сыворотке крови [39, 40]_.