Патогенез деструкции альвеолярного отростка челюстей под влиянием солей тяжелых металлов


В статье представлены результаты экспериментальных исследований влияния солей тяжелых металлов на альвеолярный отросток челюстей крыс. На основании данных атомно-абсорбционной спектрофотометрии, гистологических, электронно-микроскопических, остеометрических и биохимических исследований предложена схема патогенеза деструкции альвеолярного отростка челюстей под влиянием солей тяжелых металлов. Тяжелые металлы вызывают деструкцию кости путем непосредственного воздействия на кость. Опосредованное действие осуществляется через инициацию окислительного стресса.

Pathogenesis of alveolar bone destruction under the influence of heavy metals salts 

The article presents results of heavy metal salts influence on alveolar bone of rats. On the grounds of atomic absorption spectrophotometry, histologic, electron microscopic, osteometric and biochemical studyis proposed a scheme of pathogenesis of alveolar bone destruction under the influence of heavy metals salts. Heavy metals cause bone destruction through immediate effect on the bone. Indirect effect is caused by initiation of oxidative stress. 

Среди многих экотоксикантов соли тяжелых металлов (СТМ) широко распространены в окружающей среде и являются агрессивными поллютантами [1, 2]. Они оказывают негативное влияние на соматическое и стоматологическое здоровье людей. Среди населения, живущего в условиях влияния СТМ (промышленные регионы, геохимические провинции, производственные факторы), повышается распространенность и интенсивность заболеваний пародонта, зубочелюстных аномалий [3]. Большое значение в формировании этой патологии придается состоянию альвеолярного отростка челюстей. Известно, что костная ткань чувствительна к действию тяжелых металлов (ТМ), они накапливаются в ней [2, 4, 5]. Альвеолярная кость, как составная часть скелета, тоже способна их аккумулировать [6]. На сегодняшний день изучены отдельные звенья патогенеза резорбции альвеолярного отростка под влиянием СТМ, однако целостного представления механизма развития деструктивного процесса в нем четко не обозначено.

Целью работы было научное обоснование и разработка схемы механизма развития деструктивных процессов в альвеолярном отростке челюсти под действием СТМ на основе данных собственных исследований и литературы.

Материалы и методы


Эксперименты проводились на половозрелых беспородных белых крысах-самцах с исходной массой 180-200 г. Все животные были разделены на две группы: 1-ю группу составили контрольные крысы, которые получали дистиллированную воду. Животные 2-й группы получали дистиллированную воду с комбинацией солей тяжелых металлов: цинка (ZnSO4 x 7H2O) — 5 мг/л; меди (CuSO4 x 5H2O) — 1 мг/л; железа (FeSO4) — 10 мг/л; марганца (MnSO4 x 5H2O) — 0,1 мг/л; свинца (Pb (NO3) 2) — 0,1 мг/л; хрома (K2Cr2O7) — 0,1 мг/л. Животных выводили из опыта методом декапитации под эфирным наркозом. Это была базовая подготовка в дизайне всех экспериментов. Для определения содержания тяжелых металлов (ТМ) в альвеолярной кости использовали атомно-абсорбционную спектрофотометрию (по 10 животных каждой группы) [6]. Минеральную плотность альвеолярного отростка определяли методом оптической денситометрии [7] у 19 животных из 1-й группы и у 21 — из 2-й. О состоянии прооксидантно-антиоксидантного баланса при избыточном введении СТМ судили по содержанию в десне диеновых конъюгатов (ДК) и малонового диальдегида (МДА), активности каталазы (КТ), супероксиддисмутазы (СОД) и глутатионпероксидазы (ГПО) у 26 крыс из 1-й группы и у 21 — из 2-й [8]. Степень деструкции альвеолярного отростка оценивали планиметрическим методом [9] у 29 экспериментальных животных 1-й группы и у 42 — 2-й. Для изучения структурных изменений в кости проводили гистологические исследования (по 20 крыс в каждой группе) [10], ультраструктурные изменения в костных балках изучали методом растровой электронной микроскопии (по 10 крыс в каждой группе) [11].

В эксперименте лабораторных животных содержали в соответствии с правилами, принятыми Европейской конвенцией по защите позвоночных животных, которых используют для эксперимента и научных задач (Страсбург, 1986 г.); с соблюдением принципов Хельсинкской декларации, принятой Генеральной ассамблеей Всемирной медицинской ассоциации (1964-2000 г.); «Общих этических правил экспериментов над животными», утвержденных I Национальным конгрессом по биоэтике (Киев, 2001) и Закона Украины «О защите животных от жестокого обращения» № 3477-IV от 21.02.2006  г.

Статистическую обработку материала проводили по параметрическим критериям (среднее значение — М, стандартная ошибка — m). Статистическую значимость различия между показателями двух независимых групп — по непараметрическому критерию (W-критерий Вилкоксона) с помощью пакета статистической программы AtteStat 10.8.4. for MS Excel. Статистически значимыми считали различия при р<0,05.

Результаты и их обсуждение


По результатам атомно-абсорбционной спектрофотометрии нами установлено, что при поступлении ТМ в организм одни металлы накапливались в альвеолярном отростке в избытке, а другие — в недостаточном количестве по сравнению с контрольной группой. Так, содержание меди уменьшилось в 5 раз (с 10,05±1,80 мкг/г до 2,03±0,52; р=0,0003) относительно контроля. Аналогичная картина была с хромом и марганцем. Содержание хрома уменьшилось в 1,8 (с 251,17±38,44 мкг/г до 136,36±14,35; р=0,04), а марганца в 2 раза (с 18,10±3,53 мкг/г до 9,25±1,40; р=0,04). Между тем другие металлы, которые были в составе смеси солей, накапливались в костной ткани. Установлено увеличение содержания цинка в 1,7 (с 194,19±22,55 мкг/г до 336,02±56,37; р=0,02), железа в 2,2 (с 136,37±28,16 мкг/г до 300,98±43,27; р=0,006) и свинца — в 31 раз (с 0,13±0,04 мкг/г до 100,63±48,65; р=0,0002).

Результаты биохимических исследований показали, что состояние прооксидантной системы характеризуется повышением концентрации метаболитов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в гомогенатах десен: ДК с 3,77±0,20 ммоль/кг до 5,67±0,30 (в 1,5 раза; р=4Е-06), МДА с 11,31±0,51 ммоль/кг до 16,09±0,57 (в 1,4 раза; р=5Е-06). В состоянии системы антиоксидантной защиты (АОЗ) происходит резкое угнетение активности ее ферментативного звена в гомогенатах десен: КТ с 7,280±0,178 мкат/кг до 5,442±0,150 (в 1,3 раза; р=1Е-07), СОД с 0,412±0,028 у.ед./г до 0,260±0,028 (в 1,6 раза; р=0,0006), ГПО с 10,93±0,45 мк-кат/кг до 8,37±0,24 (в 1,3 раза; р=0,0002) в сравнении с контрольной группой.

Рисунок. Схема патогенеза деструкции альвеолярного отростка под влиянием солей тяжелых металлов

1

Морфологическими исследованиями установлено, что при введении смеси СТМ выявляются деструктивные процессы в альвеолярном отростке. Гистологически они проявляются истончением костных балок, их фрагментацией с последующим разрушением. В результате этого удельный вес минерализованной части кости уменьшается в 1,3-1,7 раза (р<0,05), а костномозговых пространств увеличивается в 1,7-2,1 раза (р<0,05) в зависимости от срока наблюдения. При электронно-микроскопическом исследовании выявляются ультрамикроскопические изменения в костных балках альвеолы: ​​истончение костных пластинок, увеличение промежутков между ними, появление фенестраций с последующей фрагментацией пластинок и образованием лакунарных дефектов. Вследствие перечисленных морфологических нарушений уменьшается минеральная плотность межзубных и межкорневых перегородок в 2,2-3,6 раза (р<0,05), развивается остеопороз и разрушение костной ткани. При этом снижается высота межзубных, межкорневых перегородок на 22,01-73,27% (р<0,05) и увеличивается суммарная резорбция альвеолярного отростка на 18,48-58,58% (р<0,05) относительно контроля [7, 9-11].

На основе полученных данных предложена схема патогенеза деструкции альвеолярного отростка под влиянием СТМ, которая представлена на рисунке. Влияние СТМ на альвеолярный отросток демонстративно, они могут оказывать негативное действие на него двумя путями. Во-первых, непосредственное влияние ТМ на минеральный метаболизм в костной ткани. Микроэлементный метаболизм является составной частью гомеостаза полости рта. В результате повышенной чувствительности костной системы к действию тяжелых металлов, они накапливаются в ней [4]. При поступлении в организм смеси СТМ между ними возникает ряд антагонистических и синергетических взаимоотношений, в результате чего возникает нарушение баланса минерального метаболизма в костной ткани челюстей [6]. Главной составляющей неорганической части костной ткани являются кристаллы гидроксиапатита (ГАП), которые способны сорбировать металлы. Апатиты могут иметь большое количество вакансий и тем самым позволять себе несколько ионных вставок, которые затем определяют их реакционную способность и биологические свойства [12]. В отличие от других биоминералов кристаллы ГАП имеют уникальную приспособляемость к различным биологическим функциям. Специальные механизмы компенсации заряда делают возможным не только молекулярные и ионные вставки, но и замены, которые в дальнейшем и определяют свойства поверхности кристаллов апатита с химической (растворимость, способность к ионному обмену, ионным вставкам, адсорбции и вставкам молекул) и физической (поверхностный заряд межфазной энергии) точки зрения [11, 14]. Дефицит металлов в кристаллической решетке ГАП может приводить к образованию дополнительных вакантных мест в ней. Это в свою очередь способствует ионным вставкам тех металлов, которые накопились в кости в избыточном количестве. Избыток металлов в кости приводит к ионным заменам. Ионы кальция в кристаллической решетке ГАП замещаются ТМ, имеющие такую ​​же валентность. При этом нарушается функциональная способность ГАП, что вызывает дальнейшее изменение структуры костей, угнетение ростовых процессов, ухудшение минерального состава, развитие остеопороза [15]. В компактном и губчатом ​​веществах замедляются костеобразовательные и усиливаются резорбтивные процессы [16, 17]. Поскольку ряд микроэлементов участвует в катализе ферментативных реакций, которые происходят в остеогенных клетках, их недостаток или дисбаланс нарушает остеобластическую и остеокластическую дифференциацию, процессы образования кристаллов апатита, межклеточное взаимодействие, что приводит к сдвигам физиологического и репаративного ремоделирования кости [18, 19]. В конечном итоге это завершается к деструктивным процессом в альвеолярном отростке. Наши предыдущие экспериментальные исследования подтверждают, что комбинация вышеуказанных СТМ вызывает деструкцию альвеолярного гребня [9].

Во-вторых, ТМ могут оказывать косвенное влияние на состояние костной ткани через другие системы организма. Известно, что важную роль в механизме возникновения пародонтита и деструктивных процессов в альвеолярном отростке играют процессы ПОЛ [20]. СТМ, их дисбаланс накопления в костной ткани инициируют процессы ПОЛ и одновременно угнетают активность ферментативного звена системы АОЗ [8]. Возникший оксидативный стресс вызывает во внутренних, эндо- и экзокринных органах морфофункциональные преобразования [16], которые способствуют нарушению всасывания ТМ и природного обмена микроэлементов [1, 2]. Это в свою очередь усиливает дисбаланс накопления ТМ в кости. Оксидативный стресс усиливает образование провоспалительных медиаторов — простагландинов [20], которые повышают функциональную активность остеокластов, что приводит к стимуляции резорбтивных процессов с последующей деструкцией костной ткани. Кроме того, нарушение прооксидантно-антиоксидатного баланса в организме способствует повышению активности ФЛА2 и усиление процессов протеолиза [18], что в итоге тоже приводит к деструкции альвеолярного отростка.

Выводы

Таким образом, предложенная схема патогенеза деструкции альвеолярного отростка челюстей предусматривает два пути воздействия солей тяжелых металлов на костную ткань. В первом случае ТМ оказывают непосредственное действие на костную ткань. При этом происходят вставки ионов металлов в вакантные места кристаллов гидроксиапатита и замена ионов кальция на них, что приводит к нарушению функциональных свойств кристаллов с последующей цепочкой изменений, приводящих к деструкции. Во втором случае ТМ оказывают опосредованное воздействие на кость, инициируя оксидативный стресс в организме, приводящий к морфофункциональным преобразованиям во внутренних органах и развитию биохимических реакций, стимулирующих резорбтивные процессы в костной ткани.

 

Ю.В. Лахтин

Харьковская медицинская академия последипломного образования 

Лахтин Юрий Владимирович — кандидат медицинских наук, доцент кафедры стоматологии и терапевтической стоматологии

 

 

Литература:

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека (этиология, классификация, органопатология). — М.: Медицина, 1991. — 496 с.

2. Скальный А.В. Микроэлементозы человека. — М., 1999. — 96 с.

3. Лахтин Ю. Роль и место тяжелых металлов в развитии стоматологической патологии: монография. — Saarbrücken, Germany: LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. — 119 с.

4. Довгалюк Т.Я., Пикалюк В.С., Кмітова Р.О., Лавренюк В.Є. Свинцева інтоксикація та її вплив на кісткову систему // Укр. мед. альманах. — 2001. — № 2. — С. 48-49.

5. Сікора В.З., Романюк К.А. Порушення будови та мінерального складу кісток скелета в умовах впливу солей важких металів та їх корекція помірними динамічними навантаженнями // Вісник морфології. — 2009. — № 15(1).— С. 29-30.

6. Лахтін Ю.В. Особливості кумуляції важких металів в альвеолярному відростку щурів при їх надмірному надходженні // Загальна патологія та патологічна фізіологія. — 2012. — № 7(1). — С. 69-74.

7. Лахтін Ю.В. Зміни оптичної щільності альвеолярного відростка щелеп щурів та її корекція на тлі дії солей важких металів // Світ медицини та біології. — 2012. — № 2. — С. 117-119.

8. Лахтин Ю.В. Развитие оксидативного стресса в десне крыс при избыточном поступлении тяжелых металлов // Московское научное обозрение. — 2012. — № 9(25). — С. 37-40.

9. Куцевляк В.Ф., Лахтін Ю.В. Макроскопічні і морфометричні зміни в зубоальвеолярних блоках нижньої щелепи щурів при дії комбінації солей важких металів // Укр. морф. альманах. — 2010. — № 8(3). — С. 69-71.

10. Лахтин Ю.В. Гистоморфометрические изменения в альвеолярном отростке челюстей крыс под действием солей тяжелых металлов и протекцией альфа-липоевой кислоты // Вісник проблем біології і медицини. — 2012. — № 2(97). — С. 243-246.

11. Lakhtin Yu. V. Submicroscopic changes in trabecules of interdental interseptum of rat’s alveolar bone under the effect of heavy metal salts // European Applied Sciences. — 2013. — № 1(1). — С. 60-63.

12. Боровский Е.В., Леонтьев В.К. Биология полости рта. — Н. Новгород: Изд-во НГМА, 2001. — 304 с.

13. Smičiklasa I., Onjiaa A., Raičević S. et al. Factors influencing the removal of divalent cations by hydroxyapatite // J of Hazardous Materials. — 2008. — V. 152(2). — Р. 876-884.

14. Rey C., Combes C., Drouet Ch., Sfihi H. Chemical Diversity of Apatites // Advances in Science and Technology. — 2006. — V. 49. — P. 27-36.

15. Франке Ю., Рунге Г. Остеопороз / пер. с нем. А.Ю. Болотиной, Н.М. Мылова. — М.: Медицина, 1995. — 299 c.

16. Морфофункціональні зміни внутрішніх органів та скелета під впливом несприятливих ендо- та екзогенних чинників і шляхи їх корекції: звіт про НДР (заключний) / Керівн. А.М. Романюк. Суми: СумДУ, 2010. — 122 c.

17. Романюк К.А. Гистоморфометрическая характеристика костной и хрящевой тканей зрелых животных в условиях влияния техногенных микроэлементозов // Укр. морф. альманах. — 2007. — № 5(2). — С. 70-71.

18. Чумакова Ю.Г. Патогенетичне обґрунтування методів комплексного лікування генералізованого пародонтиту (клініко-експериментальне дослідження): автореф. дис. … д-ра. мед. наук. — Одеса, 2008. — 37 с.

19. Yamasaki K., Hagiwara H. Excess iron inhibits osteoblast metabolism // Toxicology Letters. — 2009. — № 191(2-3). — Р. 211-215.

20. Воскресенский О.Н., Ткаченко Е.К. Роль перекисного окисления липидов в патогенезе пародонтита // Стоматология. — 1991. — № 4. — С. 5-10.