Введение к работе
Актуальность проблемы. Концепция о ключевой роли йода в функциональной и структурной реорганизации щитовидной железы в настоящее время считается общепризнанной (Алешин Б.В., 1990; Авцын А.П. и соавт., 1991; Жаворонков А.А. и со-авт., 1997; Древаль А.В. и соавт., 2000; Дедов И.И. и соавт., 2001; Герасимов Г.А., 2001; Teng W. et al., 2006; Li M. et al., 2007; Zubiaur С A. et al., 2007). К хорошо изученным аспектам описываемой проблемы можно отнести роль йодного дефицита в нарушении функции щитовидной железы, включая данные о патогенетических механизмах на уровне тиреоидной ткани и гипоталамо-гипофизарной нейроэндокринной системы (Щеплягина Л.А., 1998; Кандрор В.И., 1999; Ревич Б.А., 2002; Касаткина Э.П., 2006; Mathur S.R. et al., 2005; Rego-Iraeta A. et al., 2007; Camargo R. et al., 2007).
Вместе с тем, в литературе встречаются сведения о том, что морфофункцио-нальное состояние щитовидной железы в той или иной мере зависит от поступления других эссенциальных (селен, цинк, медь) и токсичных химических элементов. В отношении последних подробно описаны разнообразные биологические эффекты на разных уровнях организации живого и вариантах экспозиции, в популяционных исследованиях и эксперименте (Сусликов В.Л., 2000; Агаджанян Н.А. и соавт., 2001; Панченко Л.Ф., 2004; Dabbaghmanesh М.Н. et al., 2007). Накопление токсичных микроэлементов в организме человека и животных при этом чаще связывают с воздействием неблагоприятных факторов среды обитания, например, промышленных производств (Боев В.М., 2004; Пономаренко A.M. и соавт., 2007; Brasfield S.M. et al., 2004; Mori К. et al., 2006; Wistuba J. et al., 2007).
Кроме того, в последние годы в литературе появились работы, связывающие действие ряда микроэлементов с развитием относительного дефицита йода в организме (Утенина В.В., 1999; Велданова М.В., 2000; Касаткина Э.П., 2001), что расценивается авторами в качестве возможного механизма развития патологии щитовидной железы. Эти сведения позволили сформулировать концепцию йодного дефицита как комплексного микроэлементоза и выдвинуть задачи поиска новых струмогенных факторов (Решетник Л.А. и соавт., 2001; Derumeaux Н. et al., 2003; Brzozowska М. et al., 2006).
Однако, немногочисленность популяционных исследований в этой области и экспериментальных подтверждений нарушенного структурно-функционального го-меостаза щитовидной железы диктует необходимость комплексного популяционного исследования и моделирования дефицита микроэлементов с последующим их включением для разработки новых подходов к коррекции микроэлементных дисбалансов и нарушений функций органа.
Цель и задачи исследования
Целью настоящего исследования явилось определение роли эссенциальных и токсичных микроэлементов как факторов, обуславливающих структурно-функциональное состояние щитовидной железы.
Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Определить влияние особенностей обмена эссенциальных и токсичных микроэлементов на функциональное и структурное состояние щитовидной железы.
-
Экспериментально обосновать роль эссенциальных микроэлементов как факторов, определяющих функцию и структуру щитовидной железы.
-
Исследовать в эксперименте особенности накопления эссенциальных и токсичных микроэлементов в ткани щитовидной железы.
-
Изучить влияния токсичных микроэлементов (свинца и кадмия) на клеточную организацию щитовидной железы и органы нейроэндокринной регуляции, продукцию тиреоидных гормонов в условиях эксперимента.
-
Установить ведущие факторы влияния на функциональную и структурную реорганизацию щитовидной железы методом главных компонент.
-
Разработать практические рекомендации по нормализации функции щитовидной железы, основанные на применении препаратов эссенциальных микроэлементов, а также по использованию особенностей их накопления в организме человека для диагностики заболеваний щитовидной железы.
Положения, выносимые на защиту:
-
Морфофункциональное состояние щитовидной железы обусловлено уровнем поступления и накопления в организме широкого спектра микроэлементов. Наиболее выраженные протиреоидные эффекты, помимо йода, характерны для селена и цинка и проявляются в их позитивном синергидном влиянии на тиреоидную ткань и продукцию гормонов (регенерация при минеральном дефиците, протективные свойства при воздействии токсичных микроэлементов и конкурентные взаимоотношения с ними, взаимное потенцирование). Антитиреоидное действие токсичных микроэлементов кадмия и свинца выражается в угнетении клеточных структур ткани щитовидной железы, передней доли гипофиза и гипоталамуса, приводящем к снижению продукции тиреоидных гормонов и дисбалансу регуляторных механизмов тиреоидной системы.
-
Антагонизм эссенциальных и токсичных микроэлементов является одним из важнейших факторов тиреоидного гомеостаза и выражается в устойчивых конкурентных взаимоотношениях между обменом в организме кадмия и свинца с одной стороны и йодом, селеном и цинком с другой.
-
Установленные взаимосвязи между особенностями накопления эссенциальных и токсичных микроэлементов в организме и морфофункциональным состоянием щитовидной железы информативны при прогнозировании заболеваний щитовидной железы у людей, занятых во вредном производстве, и могут быть использованы для обоснования корригирующих мероприятий по нормализации тиреоидной функции.
Научная новизна
Впервые проведено комплексное экспериментальное и клиническое исследование сопряженности изменений функции и структуры щитовидной железы с параметрами потребления и накопления токсичных и эссенциальных микроэлементов. При этом установлено, что продукция тиреоидных гормонов и морфологические особенности щитовидной железы определяются обменом широкого спектра микроэлементов.
Показано, что антитиреоидное действие токсичных микроэлементов (кадмия и свинца) выражается в угнетении клеточных структур ткани щитовидной железы, передней доли гипофиза и гипоталамуса, приводящем к снижению продукции тиреоидных гормонов и дисбалансу регуляторных механизмов тиреоидной системы. При этом впервые обоснованы протективные эффекты йода, селена и цинка в отношении щитовидной железы с позиций межэлементного антагонизма, который выражается в устойчивых конкурентных взаимоотношениях между поступлением и накоплением в организме эссенциальных и токсичных микроэлементов. Обоснован вывод о важной роли антагонизма эссенциальных и токсичных микроэлементов как фактора тиреоидного гомеостаза, функционально проявляющемся в разнонаправленном влиянии на щитовидную железу и нивелировании биологических эффектов друг друга.
Впервые установлено синергидное влияние йода, селена и цинка на тиреоидную ткань и продукцию гормонов, которое наблюдалось как при регенерации на фоне восполнения минерального дефицита, так и при воздействии токсичных микроэлементов.
Экспериментальное моделирование дефицита эссенциальных микроэлементов в организме лабораторных животных с использованием полусинтетических рационов позволило впервые определить клиренс эссенциальных микроэлементов из организма на фоне тотального минерального дефицита, изолированного дефицита йода, селена и цинка, в том числе в условиях избыточного алиментарного поступления кадмия и свинца. Проведено моделирование и показаны особенности алиментарного восполнения дефицита эссенциальных микроэлементов. Представлено более выраженное снижение содержания йода и селена в органах и тканях на фоне избыточного алиментарного поступления кадмия и свинца.
Впервые проведен многоэлементный анализ ткани щитовидной железы крыс и определены особенности накопления макро- и микроэлементов в данном органе на фоне применения различных рационов, в том числе в условиях формирования дефицита микроэлементов и избыточного поступления кадмия и свинца. Выявлены отрицательные зависимости между уровнем накопления токсических (кадмия и свинца) и эссенциальных (йод, селен, цинк) микроэлементов в железе.
При экспериментальном моделировании дефицита йода, селена и цинка и токсического влияния кадмия и свинца впервые показано вовлечение в процессы структурной реорганизации тиреоидной системы органов нейрорегуляции (передней доли гипофиза и гипоталамуса).
Впервые проведен сравнительный анализ сил влияния эссенциальных и токсичных микроэлементов на функциональные и структурные параметры щитовидной железы экспериментальных животных. Показана статистически значимая роль алиментарного поступления йода, селена, цинка, а также токсичных кадмия и свинца на базовые морфологические признаки железы и продукцию тиреоидных гормонов. Впервые установлено, что влияние цинка и селена на функцию и структуру щитовидной железы проявляется не только в их прямом протективном действии, но и в потенцировании протиреоидного действия йода.
При сопоставлении концентраций микроэлементов в волосах в группах, отличающихся по уровню накопления йода и профессиональной принадлежностью, выявлен параллелизм в накоплении эссенциальных микроэлементов и отрицательная взаимосвязь концентрации йода с содержанием токсичных микроэлементов. Увеличение содержания в волосах токсичных элементов сопровождалось усилением их антагонизма с эссенциальными микроэлементами, в частности с йодом. На этом фоне ослабевали положительные корреляционные связи между уровнями накопления йода и других эссенциальных микроэлементов (цинк, марганец, селен).
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты исследования расширяют представления о роли микроэлементов в формировании структуры и функции щитовидной железы в частности, касающейся протиреоидных эффектов йода, селена и цинка, а также антитиреоидного действия токсичных микроэлементов (кадмия, свинца, ртути). При проведении комплексного клинико-лабораторного и экспериментального исследования установлены и проанализированы взаимосвязи между особенностями накопления эссенциальных и токсичных микроэлементов в организме и морфофункциональным состоянием щитовидной железы. Определены особенности функциональной и структурной реорганизации
щитовидной железы при токсическом воздействии кадмия и свинца, установлены и описаны признаки их влияния на нейрорегуляторные механизмы тиреоидной системы. Выявлено взаимное потенцирование протиреоидных свойств йода, селена и цинка.
Указанные обстоятельства определили практическую значимость работы. В частности, предложено рассматривать уровни накопления токсичных и эссенциальных микроэлементов в волосах как информативные соответственно при прогнозировании заболеваний щитовидной железы у людей, занятых во вредном производстве (Способ прогнозирования заболеваний щитовидной железы у людей, занятых на вредном производстве, Патент РФ №2305846), и выявлении структурных нарушений щитовидной железы (Способ определения структурных нарушений щитовидной железы, Патент РФ №2302640).
Экспериментальное моделирование процессов формирования и восполнения дефицита микроэлементов, в том числе на фоне токсичного влияния кадмия и свинца, с учетом морфологических изменений в щитовидной железе и ее функции позволило обосновать использование препаратов йода, селена и цинка для нормализации тиреоидной функции и разработать соответствующие практические рекомендации.
Выпущено информационно-методическое письмо «Комплексное применение препаратов йода, селена и цинка в коррекции нарушений тиреоидной функции» (МЗ Оренбургской области, 2007г.).
Работа выполнена в рамках программ НИР ГОУ ОГУ «Изучение влияния микроэлементов на морфофункциональные показатели щитовидной железы» (№ гос. регистрации 01200510042) и «Эколого-биохимическое обоснование методов коррекции микроэлементного статуса человека» (№ гос. регистрации 01200510043) при гранто-вой поддержке в рамках программы «Университеты России» (регистрационные номера УР.11.01.234 и УР.11.01.235), а также гранта РГНФ 06-06-81604 а/У.
Внедрение. Результаты исследования используются в научной и учебной работе кафедры профилактической медицины Оренбургского государственного университета, кафедры патологической анатомии Оренбургской медицинской академии, а также в клинической практике Оренбургской областной клинической больницы, медико-биологического научно-исследовательского центра «Ростоши», санатория-профилактория «Солнечный», медпункта ПО «Стрела», здравпункта Сакмарской ТЭЦ.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены и обсуждены на Межрегиональной конференции Биохимиков Урала, Западной Сибири и Поволжья «Биохимия: от исследования молекулярных механизмов до внедрения в клиническую практику и производство» (Оренбург, 2003); I Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2004); I Съезде Российского общества медицинской элементоло-гии (РОСМЭМ, Москва, 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Модернизация образования: проблемы, поиски, решения» (Оренбург, 2004); IX Всероссийском конгрессе «Экология и здоровье человека» (Самара, 2004); III и IV Межрегиональной научно-практической конференции «Питание здорового и больного человека» (Санкт-Петербург, 2005, 2006); III International medizinischer congress «Evromedia» (Hanover, 2006); Международной научной конференции «Человек, питание, здоровье» (Тверь, 2006); VII и VIII Международной научно-практической конференции «Здоровье и Образование в XXI веке» (Москва, 2006, 2007); 23th Workshop «Macro and Trace Elements Mengen- und spurenelemente» (Jena, 2006); I Всероссийской
конференции «Центры оздоровительного питания - региональная политика здорового питания населения» (Новосибирск, 2006); II Международной научно-практической конференции «Биоэлементы» (Оренбург, 2007); Сателлитном симпозиуме XX Съезда физиологов России (Москва, 2007); Third international symposium Federation of European societies on trace elements and minerals Festem (Santiago de Compostela, Spain, 2007); Международном форуме «Фундаментальные и прикладные проблемы питания» (Санкт-Петербург, 2007); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007); VIII Международном конгрессе «Здоровье и образование в XXI веке», «Концепции болезней цивилизации» (Москва, 2007); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Социально-медицинские аспекты экологического состояния Центрального экономического района России (Тверь, 2007).
Работа награждена золотой медалью V Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работы, из них 22 - в рецензируемых периодических изданиях. Приоритетность исследований защищена двумя патентами РФ.
Объем и структура. Диссертационная работа изложена на 334 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, четырех глав с описанием собственных исследований, заключения, выводов и указателя использованной литературы. Материал иллюстрирован 58 таблицами и 79 рисунками. Список использованной литературы включает 633 источников, в том числе 324 - на иностранных языках.
В ходе работы было проведено обследование жителей Оренбургской области в возрасте от 16 до 58 лет (п=1310). При этом группы обследованных различались по возрасту и социальному статусу и состояли из учащихся колледжей и студентов университета (п=396), работников промышленных предприятий (п=611), служащих (п=303). Среди работников промышленных предприятий были отобраны три рандомизированные по полу и возрасту группы людей с различными доминирующими вредными факторами производства: работники электроэнергетических предприятий (профессиональная группа ЭЭП; п=121), рабочие промышленного производства ПО «Стрела» (ПП; п=190) и рабочие химического предприятия (ХП; п=179). Работники промышленного производства были связаны с паяльными, сварочными, литейными и кузнечными работами. Работники химического производства - с обработкой резин, резинотехнических изделий и пластмасс, малярными работами. Работники электроэнергетических предприятий подвергались воздействию таких факторов как электромагнитные и магнитные поля электроустановок, тепловое излучение, шум. Идентификация вредных производственных факторов и отбор работников проводились на основании Приказа МЗ РФ №126 от 28.03.2003 г., «Списка производств, работ, профессий, должностей и показателей...», утвержденного Постановлением правительства СССР №10 от 26.01.1991 г., Постановления Госкомтруда СССР №52 от 26.02.1991 г., Постановлений Минтруда РФ №№13-14 от 31.03.2003 г. Группа служащих (п=303) включала в себя работников офисов предприятий и учреждений, не подвергавшихся влиянию вредных производственных факторов.
В указанных профессиональных группах проведено исследование, включающее оценку среднесуточного потребления нутриентов и элементного статуса волос, сбор
клинического анамнеза, а также консультирование врачами - терапевтом и эндокринологом. По показаниям проводилось комплексное изучение структуры (ультразвуковое исследование сканером с датчиком 7,5 МГц; оценку пальпаторных размеров щитовидной железы по классификации ВОЗ, 1994) и функции щитовидной железы (определение уровня ТЗ (общий), Т4 (свободный) и ТТГ; ИФА тест-наборы ЗАО «Вектор-Бест» и ООО «Иммунотех», Россия; анализатор «StatFax», США). Оценка микронутриентной обеспеченности проведена у 496 человек с помощью программы «АСПОН-Питание» (утверждена МЗ РФ в 1996 г.). Полученные данные по содержанию основных питательных веществ и калорийности сравнивались с рекомендуемыми ВОЗ нормами потребления, микронутриентов - с адекватными уровнями потребления пищевых и биологически активных веществ (Методические рекомендации 2.3.1.1915-04). Определение концентраций химических элементов в исследуемых образцах осуществлялось в лаборатории АНО «Центра биотической медицины» (г. Москва, аттестат аккредитации ГСЭН.БШ.ЦОА.ЗП, РОСС RU.0001.513118). Все образцы биосубстратов подвергались пробоподготовке согласно требованиям МУК МЗ РФ 4.1.1482-03 и 4.1.1483-03 «Определение химических элементов в биологических средах и препаратах методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой». При этом использовались приборы атомно-эмиссионного (Optima 2000DV, PerkinElmer Corp.) и масс-спектрального (ELAN 9000, Perkin Elmer Corp.) анализов с индуктивно связанной плазмой, а также система пробоподготовки с микроволновым разложением (Multiwave 3000, А. Рааг). Результаты сравнивали с референтными значениями (по Р. Bertram, 1992, с дополнениями А. В. Скального, 2000; V.Iyengar, 1988).
Вычисление суммарного коэффициента относительного содержания макроэлементов, эссенциальных и токсичных микроэлементов осуществлялось по формуле: Ксум = К-1+ К2+К3+Кп, где Kj, К2, К3, Кп - уровни содержания химических элементов по отношению к 50-му центилю диапазона выявленных концентраций (Нотова СВ., 2005).
Экспериментальное изучение влияния эссенциальных и токсичных микроэлементов на структурную организацию и функционирование щитовидной железы производили, используя оригинальные подходы к формированию дефицитов йода, селена и цинка в организме лабораторных животных, а также методики восполнения этих дефицитов и алиментарного воздействия, токсичных свинца и кадмия. Основой исследования явилось применение разнообразных полусинтетических рационов, отличающихся по содержанию изучаемых химических элементов. Принципиальная схема экспериментального исследования включала в себя следующие периоды: а) синхронизация животных на специальной диете с тотальным минеральным дефицитом; б) формирование сбалансированного или дефицитного по йоду, селену и цинку состояния при использовании полусинтетических рационов; в) восполнение дефицитов дозированными количествами йода, селена, цинка или комплекса этих элементов, либо воздействие токсичными свинцом и кадмием.
Исследование проводилось на самцах крыс линии «Wistar» (питомник РАМН «Столбовая») массой 100-250 г, содержавшихся в стандартных условиях вивария ОГУ. Все манипуляции, связанные с умерщвлением (декапитация под нембуталовым наркозом 40 мг/кг), отбором образцов тканей и органов и утилизацией отходов производили в соответствии с правилами работы с экспериментальными животными (Приказ МЗ СССР №179 от 10.10.1983). Всего в работе использовано 380 лабораторных животных, 40 из которых составили контрольную группу.
Полноценный сбалансированный рацион (общевиварный, в дальнейшем обозначен как Рп), на котором содержалась контрольная группа животных, был составлен в соответствии с рекомендациями Института питания РАМН (2001). Рацион включал в себя натуральные ингредиенты. Синхронизация животных производилась на рационе с тотальным минеральным дефицитом (Рд), основу которого составлял вываренный в дистиллированной воде полированный рис и поливитаминный комплекс (A, D, С, Е, РР, Ві, В2, В6, Ві2 в дозах, рекомендованных Институтом питания РАМН). Поение осуществлялось бидистиллированной водой без ограничений. Для всех опытных групп животных при моделировании дефицитов йода, селена и цинка, а также токсического воздействия свинца и кадмия в качестве основы применяли полусинтетический сбалансированный рацион, разработанный Институтом питания РАМН (Оболь-ский О.Л., 2001). Воспроизведение дефицита эссенпиальных микроэлементов (R.F. Burk, 1987) достигалось за счет исключения из рациона соответствующих солей (йодистого калия, сульфата цинка и селенопирина; Рдл^е.гп)- Влияние йода, селена, цинка, кадмия и свинца изучалось с применением Рдл^е^ш содержащего только йод (0,0003 мг KI/ 1 животное/сутки), цинк (0,042 мг ZnS04), селен (0,014 мг селенопирина), кадмий и свинец (0,004 мг PbS04 и 3 мг CdSOzi) или все эти компоненты (Рь PZn, Pse, Ррь+cd, Pi+zn+se, Pi+zn+se+Pb+cd)- Указанные дозы рассчитаны в соответствии с рекомендациями Дж. Эмсли (1993).
Изучение морфологии щитовидной железы, гипоталамуса и передней доли гипофиза в экспериментальном исследовании на лабораторных животных проводилось с применением методов световой и электронной микроскопии. При световой микроскопии после стандартной гистологической пробоподготовки готовили парафиновые срезы, которые окрашивали гематоксилином Майера и эозином. Мукополисахариды выявляли перйодат-Шифф-реакцией по методу Мак-Мануса-Хочкисса-Шабадаша (Пирс Э., 1962). Для выявления С-клеток использован метод импрегнирования серебром по Гримелиусу. С помощью окуляр-микрометра измеряли высоту тироцитов, диаметр и объем их ядер в соответствии с рекомендациями A. Arnold (1951). Кроме того, с помощью окулярной точечной сетки определяли относительный объем основных тканевых компонентов щитовидной железы (эпителий, коллоид, строма), количество фолликулов на условной единице площади, относительный объем фолликулов мелких, средних размеров и крупных кистоподобных. При электронно-микроскопическом исследовании после стандартной последовательной фиксации полутонкие срезы окрашивали по методике T.Sato и M.Shamoto (1973). Ультратонкие срезы, полученные на ультратоме LKB-III, контрастировали цитратом свинца. Срезы просматривали в электронных микроскопах ЭВМ 100АК и JEM-100CX2 при увеличении от 5600 до 40000.
Результаты были подвергнуты статистической обработке стандартными методами вариационной статистики. Для определения сил влияния признаков на результирующие параметры использовали процедуру дисперсионного анализа (Езекиэл М., 1966; Лакин Г.Ф., 1990) с расчетом собственно сил влияния методом Плохинского. Как правило, использовали анализ неортогональных дисперсионных комплексов. Кроме того, при анализе взаимосвязей между признаками применена процедура факторного анализа, в частности, метод главных компонент с варимаксным вращением факторов. Редуцирование матрицы данных и определение факторной структуры переменных проводилось в соответствии с рекомендациями (Окунь Я., 1974).
