Морфофункциональные особенности двенадцатиперстной кишки белых мышей при потреблении микрочастиц пластика
Морфофункциональные особенности двенадцатиперстной кишки белых мышей при потреблении микрочастиц пластика
Аннотация
В работе изучено влияние потребления микрочастиц пластика на морфофизиологические особенности двенадцатиперстной кишки белых беспородных лабораторных мышей. Проведенное исследование свидетельствует о том, что наиболее чувствительными структурами к микропластику являются структуры слизистой оболочки и подслизистой основы двенадцатиперстной кишки. В частности, происходит уменьшение объема ядер столбчатых энтероцитов, увеличение площади сечения дуоденальных желез и снижение функциональной активности гландулоцитов. В целом мышечная оболочка оказывается наименее чувствительной к воздействию микропластика по сравнению с другими структурами двенадцатиперстной кишки – установлено достоверное снижение толщины циркулярного слоя и незначительное утолщение продольного слоя, что в целом не изменяет общей толщины мышечной оболочки двенадцатиперстной кишки животных, питавшихся микропластиком в течение 30 суток.
1. Введение
Термин «пластмасса» или «пластик» означает любые материалы, основанные на синтетических или природных полимерах – высокомолекулярных соединениях. За последние 60 лет было произведено более 6,3 миллиарда тонн различной пластмассы , , . Пластиковый мусор в окружающей среде, разлагаясь очень медленно, быстро распадается на мелкие фрагменты. Фрагменты пластика размером менее 5 мм получили название «микропластика». Из-за своих небольших размеров частицы микропластика активно распространяются в окружающей среде с помощью воды и ветра, обнаруживаясь по всему земному шару: в атмосфере, почве, воде, в полярных льдах, на дне морей и даже в тканях живых организмов. В организм человека микропластик постоянно попадает с водой и пищей, а также вдыхает его вместе с воздухом , , , .
Основной вопрос, касающийся проблемы загрязнения окружающей среды микропластиком, заключается в том, представляет ли он риск для здоровья человека. Однако на данный момент нет однозначного ответа на данный вопрос.
Чаще всего для оценки токсических и нетоксических воздействий различных веществ на человеческий организм используют лабораторных грызунов в качестве модельных животных. На данный момент проведено не так много исследований на тему влияния микропластика на организм лабораторных грызунов – к сентябрю 2021 года опубликовано всего 30 статей . В 2024 году база данных PubMed выдавала около 200 работ по запросу «microplastic+mice» и порядка 1500 работ по запросу «microplastic+human».
В экспериментальных работах, посвященных исследованию влияния микропластика на морфофизиологическое состояние систем организма, использованы преимущественно такие виды полимеров как полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полипропилен и др. Лабораторные животные получали микропластик перорально через желудочный зонд с водой или продуктами питания. Вместе с тем, сведения о возможном токсическом воздействии микрочастиц полимеров метилметакрилата и этилметакрилата очень ограничены. Данные полимеры широко используются в медицине, косметологии, в производстве различного оборудования, строительстве. Переработка отходов таких полимеров затруднена, в связи с чем полимеры акриловой кислоты накапливаются в окружающей среде, становясь источниками микропластика.
Дозы при пероральном воздействии варьируют от 0,01 до 100 мг/кг/сут. При таком введении частицы микропластика были обнаружены в различных органах мышей, включая кишечник, печень, почки, легкие, селезенку, сердце, яичники и семенники, что вызывало биохимические изменения, структурные повреждения и нарушение функций этих органов , , , . Из-за ограниченного количества исследований и значительных различий в выборе различных видов и штаммов животных, применяемых доз, типах и размерах частиц микропластика, методах его введения и продолжительности воздействия, наши знания о потенциальном вреде пластика для человека и животных представлены неполно и в некоторых случаях противоречиво , .
Органы пищеварительной системы одними из первых испытывают влияние ксенобиотиков, особенно тонкая кишка, где происходят основные процессы расщепления веществ и их всасывания. В связи с вышеизложенным, достаточно актуально представляется изучение особенностей морфологической адаптации тонкой кишки белых мышей при питании микропластиком.
2. Методы и принципы исследования
Исследование выполнялось на 16 половозрелых самцах белых лабораторных мышей одного возраста.
Животные были разделены на две группы – контрольная и опытная – по 8 мышей в каждой. Животные опытной группы на протяжении 4 недель питались кормом, в который предварительно подмешивали микрочастицы пластика – акриловую пудру, диаметр микрочастиц составлял 5-20 мкм, в дозе 100 мг/кг, в среднем 3 мг на животное. Список продуктов питания, в которые замешивали суспензию для опытной группы и без добавления микропластика для контрольной, состоял из: паштета, творога, каши, сухарей, зерна, моркови. Суспензию микрочастиц готовили ежедневно, подмешивая ее в еду.
Мыши контрольной группы на протяжении всего эксперимента потребляли воду ту же самую пищу, что и животные опытной группы, но без добавления суспензии микропластика.
Животных содержали в условиях вивария при температуре воздуха 22-25оС и относительной влажности 55-60% в условиях естественного освещения и принудительной вентиляции, свободном доступе к воде и корму. Животных взвешивали до начала эксперимента и по его завершению. Наблюдение за животными проводили в течение 30 суток, проводилась оценка общего состояния животных, физической активности. Отмечали число павших животных и сроки
На 31-е сутки животных обеих групп выводили из эксперимента методом цервикальной дислокации. При вскрытии мышей проводили осмотр брюшной и грудной полостей, определяли возможные изменения, цвет покровов и внутренних органов.
Объектом исследования послужили фрагменты двенадцатиперстной и подвздошной кишки, фрагменты которых изымали и фиксировали в 10% нейтральном формалине. Проводка гистологического материала проводилась в аппарате для автоматической поводки тканей (Shandon Exсelsior ES, ThermoFisher, США). С помощью санного микротома МПС-2 изготавливали поперечные срезы толщиной 5-6 мкм. Для морфологического анализа проводили окраску гематоксилином Каррачи и эозином по стандартной прописи. Описание, сравнительно-морфологический анализ постоянных микропрепаратов проводили на бинокулярном микроскопе Motic B3 («Motic», КНР) при увеличениях 10*16, 10*40, 10*60, 10*100.
Морфологическое исследование проводили в программе денситоморфометрии «Мекос Ц1» («МЕКОС», РФ). Исследование включало определение следующих показателей двенадцатиперстной кишки:
- толщина (мкм) слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки;
- толщина (мкм) подслизистой основы двенадцатиперстной кишки;
- толщина (мкм) мышечной оболочки и ее слоев двенадцатиперстной кишки;
- площадь (мкм2) ядер столбчатых энтероцитов;
- оптическая плотность (у.е.) ядер столбчатых энтероцитов;
- площадь (мкм2) концевых отделов дуоденальных желез;
- площадь (мкм2) ядер гландулоцитов;
- оптическая плотность (у.е.) ядер гландулоцитов.
Полученные первичные данные подвергали процедуре проверки на нормальность распределения значений изучаемых признаков (Shapiro-Wilk’s, W-test). Первичная статистическая обработка включала описательную статистику количественных признаков. Были вычислены среднее арифметическое значение (М), ошибка среднего арифметического (±m), достоверность различия средних арифметических (p) с помощью t-критерия Стьюдента или Манна-Уитни.
Исследования проводились на кафедре биологии, экологии и природопользования Ульяновского государственного университета.
3. Основные результаты
Пероральное потребление микропластика в течение 4 недель не привело к смерти животных – в опытной группе летальных исходов зафиксировано не было. Результаты взвешивания мышей свидетельствуют об отсутствии достоверных различий между значениями масс до начала эксперимента и перед его окончанием у животных как контрольной, так и опытной групп (табл. 1). Также не установлены различия между соответствующими показателями опытной и контрольной групп.
Таблица 1 - Масса тела мышей до эксперимента и на 30 сутки после ежедневного потребления микропластика
Группа | Начало эксперимента, г | Окончание эксперимента, г |
Контроль | 30,6±0,07 | 31,2±0,04 |
Опыт | 30,2±0,04 | 30,7±0,03 |
При вскрытии животных контрольной группы было установлено, что анатомическое расположение внутренних органов и их макроструктура не нарушены.
Стенка двенадцатиперстной кишки животных обеих групп состоит из трех оболочек – слизистой с подслизистой основой, мышечной и серозной. Кишечные ворсины тонкой кишки высокие, цилиндрические, в криптах определяются пролиферирующие эпителиоциты. Подслизистая основа включает дуоденальные железы, выделяющие мукоидный секрет. Мыечная оболочка двенадцатиперстной кики представлена двумя слоями – внутренним – циркулярным и наружным – продольным.
Проведенное исследование свидетельствует о том, что потребление микропластика в течение 30 дней обусловливает увеличение толщины слизистой оболочки двенадцатиперстной кишки и не оказывает влияния на толщину подслизистой основы и мышечной оболочки кишки (табл. 2).
Таблица 2 - Морфологические показатели оболочек двенадцатиперстной кишки мышей в норме (контроль) и при питании микропластиком в течение 30 дней (опыт)
Показатель | Контроль | Опыт |
Слизистая оболочка, мкм | 560,58 ± 10,37 | 595,22 ± 11,38* |
Подслизистая основа, мкм | 100,79 ± 8,17 | 110,36 ± 10,38 |
Мышечная оболочка, мкм | 94,49 ± 4,15 | 88,19 ± 3,49 |
Циркулярный мышечный слой, мкм | 72,10 ± 2,35 | 65,29 ± 2,68* |
Продольный мышечный слой, мкм | 22,39 ± 1,15 | 22,97 ± 0,98 |
Примечание: *отличия от контрольных значений при, р<0,05
Согласно результатам исследования, питание микропластиком в течение 1-го месяца обусловливает снижение площади ядер столбчатых энтероцитов в сравнении с таковым показателем животных контрольной группы (р<0,05). При этом оптическая плотность ядер столбчатых энтероцитов двенадцатиперстной кишки опытных животных не отличается от данного показателя животных контрольной группы (р>0,05).
Установлено, что добавление в пищу микропластика в течение 30 дней, обусловливает увеличение площади сечения концевых отделов дуоденальных желез – данный показатель опытных животных выше (табл. 3) по сравнению с таковым животных контрольной группы (р<0,05).
Таблица 3 - Морфофункциональные показатели двенадцатиперстной кишки мышей в норме (контроль) и при питании микропластиком в течение 30 дней (опыт)
Показатель | Контроль | Опыт |
Площадь (мкм2) ядер столбчатых энтероцитов | 17,45 ± 0,97 | 14,97 ± 0,87* |
Оптическая плотность ядер столбчатых энтероцитов (у.е.) | 161,13 ± 12,8 | 143,87 ± 10,87 |
Площадь (мкм2) концевых отделов дуоденальных желез | 661,43 ± 56,3 | 813 ± 74, 11* |
Площадь (мкм2) ядер гландулоцитов | 19,53 ± 2,74 | 18,03 ± 1,85 |
Оптическая плотность ядер гландулоцитов (у.е.) | 73,47 ± 9,36 | 98,11 ± 8,21* |
Примечание: *отличия от контрольных значений при, р<0,05
Проведенное исследование свидетельствует об отсутствии влияния микропластика на площадь ядер гландулоцитов – данный показатель опытных животных достоверно не отличается от такового животных контрольной группы (р>0,05). Однако установлено, что питание микропластиком в течение 1-го месяца обусловливает увеличение (р<0,05) оптической плотности ядер гландулоцитов, что свидетельствует о повышении доли гетерохроматина в ядрах и о возможном снижении функциональной активности данных клеток.
Результаты исследования свидетельствуют о достоверном снижении толщины циркулярного слоя (р<0,05), и незначительном утолщении продольного слоя, что в целом не изменяет (р>0,05) общей толщины мышечной оболочки двенадцатиперстной кишки животных питавшихся микропластиком в течение 30 суток.
4. Обсуждение
Изучение влияния микропластика на двенадцатиперстную кишку мышей представляет собой важный аспект экологического и медицинского исследования, обозначающий возможные угрозы для здоровья не только животных, но и для человека. Проведенное исследование свидетельствует о том, что наиболее чувствительными структурами к микропластику являются структуры слизистой оболочки и подслизистой основы двенадцатиперстной кишки. В частности, происходит уменьшение объема ядер столбчатых энтероцитов, увеличение площади сечения дуоденальных желез и снижение функциональной активности гландулоцитов. В целом мышечная оболочка оказывается наименее чувствительной к воздействию микропластика по сравнению с другими структурами двенадцатиперстной кишки.
Микропластик может механически повреждать столбчатые энтероциты кишечника из-за своей абразивной природы, нарушая при этом процесс всасывания питательных веществ и изменения барьерную функцию слизистой оболочки. Компенсаторные реакции, такие как увеличение площади концевых отделов дуоденальных желез, могут представлять собой защитный механизм организма для смягчения воздействия микропластика на кишечник.
5. Заключение
В целом, результаты исследования подчеркивают важность охраны окружающей среды и минимизации использования пластика для предотвращения потенциальных негативных последствий для здоровья животных и человека. Дополнительные исследования необходимы для более глубокого понимания механизмов воздействия микропластика на кишечник и разработки мер по его предотвращению и уменьшению воздействия на экосистемы и здоровье.