An Evaluation of the Effects of Manganese on Adaptive Responses in Wistar Line Rats
An Evaluation of the Effects of Manganese on Adaptive Responses in Wistar Line Rats
Abstract
The aim of the present study was to evaluate the adaptation reactions of the organism of Wistar line rats under conditions of increased exposure to manganese. For the experiment, 20 Wistar rats were selected, from which two groups were formed: control (n=10) and experimental (n=10). The animals of the control group received the basic diet, and the animals of the experimental group – the basic diet with addition of pentavalent manganese sulphate for 4 weeks. Under conditions of chronic exposure to manganese in the organism of laboratory animals a general non-specific adaptation reaction of activation was developed, which in 42% of animals corresponded to the reaction of calm activation and in 33% of animals – to the reaction of increased activation. The obtained results indicate the tension of adaptation mechanisms of the body.
1. Введение
Оренбургская область является одним из наиболее неблагоприятных в экологическом плане регионов России, располагающим крупной многоотраслевой промышленностью . В связи с этим, жизнедеятельность населения, проживающего на данной территории, находится в условиях значительной техногенной нагрузки, обусловленной загрязнением внешней окружающей среды объектами топливно-энергетического, металлургического и агропромышленного комплексов .
Согласно оценке гидрохимического состояния и загрязнения подземных вод, в данном регионе наблюдается повышенное содержание такого тяжелого металла, как марганец . По данным Л.В. Голинской и соавторов, максимальная средняя концентрация марганца в одном из регионов области превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) для хозяйственно-питьевой воды в 2,3 раза . По информации Росгидрометра, почвы Оренбургской области относятся к умеренно опасной категории загрязнения тяжелыми металлами, содержание марганца в которых превышает ПДК в 1,7 раза .
Важно отметить, что такая неблагополучная экологическая ситуация усиливает напряжение функционального состояния организма, которое отражается на характере адаптационных реакций. Оценка состояния неспецифических адаптационных реакций является одной из характеристик здоровья и может сигнализировать о донозологических изменениях . В связи с этим, актуальность изучения характера адаптационных механизмов к неблагоприятным условиям окружающей среды не вызывает сомнений. Адаптационные возможности не всегда оказываются достаточны для нормального функционирования организма в неблагоприятной экологической обстановке, что может приводить к срыву адаптационных механизмов и развитию разного вида патологий . Известно, что марганец, являясь потенциальным токсикантом, при повышенном экзогенном воздействии способен приводить к нарушениям со стороны центральной нервной системы, а также иммунной и кровеносной , .
В связи с этим, целью исследования явилась оценка адаптационных реакций организма крыс линии Wistar в условиях повышенного воздействия марганца.
2. Методы и принципы исследования
Настоящее исследование было проведено в экспериментально-биологической клинике (виварий) ФГБНУ «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук» (г. Оренбург). Эксперимент выполнен на модели крыс линии «Wistar» в соответствии с протоколами Женевской конвенции и принципами надлежащей лабораторной практики (Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ 33044-2014 «Принципы надлежащей лабораторной практики»), а также согласно рекомендациям «The Guide for the Care and Use of Laboratory Animals (National Academy Press Washington, D.C. 1996)». Дизайн эксперимента был одобрен локальным этическим комитетом ФНЦ БСТ РАН (№ 4 от 05.02.2019).
Для проведения эксперимента было отобрано 20 половозрелых крыс, из которых были сформированы две группы: контрольная (n=10) и опытная (n=10). Животные контрольной группы получали основной рацион (ОР), животные опытной группы – ОР с добавлением пятиводного сульфата марганца (MnSO4×5H2O) в дозе 1433 мг/кг в течение 28 дней. Подбор дозы соли марганца был проведен на основе данных информационных систем GESTIS Substance Database и Европейского агентства по химическим веществам (ECHA).
Весь период эксперимента животных содержали на ОР в виде корма «Дельта Фидс» («БиоПро», г. Новосибирск), со свободным доступом к воде и пище, при температуре 22±10С в пластиковых клетках с подстилкой из древесных опилок в условиях искусственного освещения (12-часовой световой день) и приточно-вытяжной вентиляции.
По окончании подготовительного периода осуществлялся отбор проб крови из полостей сердца подопытных крыс путём его пункции в вакуумные пробирки VACUETTE для гематологических исследований цельной крови с ЭДТА-К2. Определение морфологических показателей крови осуществляли на автоматическом геманализаторе URIT-2900 Vet Plus (Китай). Были оценены такие показатели, как лейкоциты (WBC), лимфоциты (LYM), моноциты (MON), нейтрофилы (NEUT), эозинофилы (EO), базофилы (BA), эритроциты (RBC), гемоглобин (HGB), гематокрит (HTC) и тромбоциты (PLT). На основе полученных данных проводилась оценка реакции адаптации животных по методу Гаркави Л.Х. с соавторами, основанный на определении соотношения относительного содержания в периферической крови лимфоцитов к сегментоядерным нейтрофилам .
Обработку полученных данных проводили при помощи методов вариационной статистики с использованием статистического пакета «StatSoft STATISTICA 10». (StatSoft Inc., США). Гипотеза о принадлежности данных нормальному распределению отклонена во всех случаях с вероятностью 95%, что обосновало применение непараметрических процедур обработки статистических совокупностей (U-критерий Манна-Уитни). Полученные данные представлены в виде медианы (Ме) и 25-75-го центилей (Q25-Q75).
3. Основные результаты
В ходе морфологического анализа крови были получены следующие результаты (см. табл. 1).
Таблица 1 - Морфологические показатели крови животных
Показатели | Контрольная группа | Опытная группа | Референтные значения# |
WBC, 109/л | 8,7 (5,23-8,81) | 5,13 (3,55-5,96) * | 3-17 |
LYM, % | 58,95 (43,9-62,6) | 66,9 (58,75-72,85) ** | 55-83 |
MON, % | 5,45 (3,75-6,6) | 6,3 (4,4-12,1) | 0-6 |
NEUT, % | 33,75 (27,95-36,35) | 23,6 (17,85-29,3) | 13-36 |
EO, % | 2,1 (1,5-2,9) | 1,9 (1,2-2,77) | 0-4 |
BA, % | 0,9 (0,7-1,5) | 1,0 (0,6-1,45) | 0-1 |
RBC, 1012/л | 6,05 (5,87-6,06) | 5,8 (5,5-6,12) | 5-10 |
HGB, г/л | 132,0 (116,0-133,0) | 128,0 (125,0-130,0) | 120-170 |
HCT, % | 42,2 (40,5-42,6) | 41,1 (41,0-44,5) | 40-50 |
PLT, 109/л | 607,5 (506,7-636,5) | 564,0 (446,2-605,7) * | 200-1500 |
Примечание: данные представлены в виде медианы (Ме) и 25-75-го центилей (Q25-Q75); *– (р≤0,05), ** – (р≤0,01) – р-уровень при сравнении опытной и контрольной групп; # – согласно данным Sharp P.E. (1998)
Установлено, что уровень лейкоцитов у крыс, подвергшихся пероральному воздействию марганца, был статистически значимо ниже, чем у животных контрольной группы на 40% (р=0,02). При этом относительное содержание лимфоцитов достоверно превышало контроль на 8% (р=0,01), отмечалась тенденция к снижению нейтрофилов на фоне более высокого содержания моноцитов. Уровень тромбоцитов был достоверно ниже в опытной группе на 7% (р=0,04) относительно контроля. Следует отметить, что полученные результаты сравнивались также с референтными значениями . Выявлено, что практически у всех лабораторных животных, независимо от наличия или отсутствия фактора воздействия, показатели общего анализа крови находились в пределах нормы.
Согласно критерию определения неспецифических адаптационных реакций по лейкоцитарной формуле было выявлено, что изменения в показателях белой крови у животных опытной группы соответствовали реакции активации, что несет основную антистрессорную функцию .
При рассмотрении индивидуальных анализов животных было выявлено, что у 33% животных опытной группы отмечалась реакция повышенной активации, процентное содержание лимфоцитов стремилось к верхней границе нормы, в то время как содержание нейтрофилов находилось в пределах нижней зоны нормы; 42% животных опытной группы имели реакцию спокойной активации и только 25% – реакцию тренировки (см. рис. 1).
Рисунок 1 - Сравнительная характеристика адаптационных реакций крыс
4. Обсуждение
Уникальное открытие отечественных ученых адаптационных реакций дает возможность ученым оперативно в динамике оценивать реакцию организма на всевозможные воздействия, внешней среды . Исследования, проведенные Л.Х. Гаркави, М.Н. Уколовой и Е.Б. Квакиной в 1970-х годах, свидетельствуют о том, что в организме могут развиваться несколько типов адаптационных реакций – реакция на слабые воздействия, реакция на воздействие средней силы и реакция на сильные чрезвычайные воздействия , . При действии на организм факторов слабой силы в организме развивается общая неспецифическая адаптационная реакция, которая называется «реакция тренировки». При действии на организм раздражителей средней силы развивается особая общая неспецифическая адаптационная реакция, которая называется «реакция активации», которая несет основную антистрессорную функцию. В свою очередь авторы подразделили её на реакции спокойной и повышенной активации. В период данных реакций происходит самая быстрая перестройка защитных сил организма в ответ на воздействие негативных факторов . При воздействии на организм сильнодействующих факторов формируется реакция переактивации, суть которой заключается в стремлении организма сохранить активацию в ответ на непосильное воздействие негативного фактора и защитить организм от стресса, являющегося основой целого ряда патологических состояний .
Результаты проведенного исследования продемонстрировали изменения адаптационных реакций организма в условиях повышенного воздействия марганца. Полученные данные свидетельствуют о достоверно высоких значениях адаптационных реакций при встрече с новыми, неизвестными ранее факторами среды. В совокупности, данные наблюдения дают основание рекомендовать проведение комплекса профилактических мероприятий по предупреждению развития негативных последствий воздействия марганца .
5. Заключение
В условиях хронического воздействия марганца в организме лабораторных животных развивается общая неспецифическая адаптационная реакция активации, которая у 42% животных соответствует реакции спокойной активации и у 33% животных соответствует реакции повышенной активации, что свидетельствует о напряжении механизмов адаптации организма.