LEVEL OF SYSTEMIC AND LOCAL FACTORS REGULATING BONE REMODELING BY THE ACTION OF THE METALS CONTAINED IN THE COPPER-PYRITE ORE

Фаршатова Е.Р.¹, Иванова Г.В.², Еникеев Д.А.³, Камилов Ф.Х.⁴

¹Кандидат медицинских наук; ²СНС; ³ профессор, доктор медицинских наук; ⁴ профессор, доктор медицинских наук, ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа

УРОВЕНЬ СИСТЕМНЫХ И ЛОКАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ РЕГУЛЯЦИИ РЕМОДЕЛИРОВАНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ ДЕЙСТВИИ МЕТАЛЛОВ, СОДЕРЖАЩИХСЯ В МЕДНО-ЦИНКОВОЙ КОЛЧЕДАННОЙ РУДЕ

Аннотация

У половозрелых самца крыс массой 200-240г в плазме крови исследовали содержание паратиреоидного гормона (ПТГ), 25 (ОН) витамина Д, и цитокинов, участвующих в регуляции ремоделирования костной ткани: растворимой формы лиганда рецептора ядерного фактора каппа В (sRANKL), остеопротегерина (OPG) и склеротина при ежедневном внутрижелудочном введении суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды в течение трех месяцев. Показано, что у подопытной группы животных усиливаются процессы остеокластогенеза и подавляется дифференцировка клеток костного дифферона, отражением которых являются изменения плазменных концентраций регуляторных цитокинов на фоне повышения секреции ПТГ и снижения содержания 25 (ОН) витамина Д. Полученные результаты уточняют механизмы развития остеопенического синдрома у горняков, добывающих руду цветных металлов.

Ключевые слова: Металлы медно-цинковых колчеданных руд, паратгормон, витамин Д, РАНКЛ, остеопротегерин, склеростин.

Farshatova E.R.¹, Ivanova G.V.², Enikeev D.A.³, Kamilov F.H.⁴

¹Сandidate of Medical Sciences; ²SNS; ³ Professor, Doctor of Medical Sciences; ⁴ Professor, Doctor of Medical Sciences, Medical University "Bashkir State Medical University" Ministry of Health of Russia, Ufa

LEVEL OF SYSTEMIC AND LOCAL FACTORS REGULATING BONE REMODELING BY THE ACTION OF THE METALS CONTAINED IN THE COPPER-PYRITE ORE

Abstract

In adult male rats weighing 200-240g was investigated in plasma content of parathyroid hormone (PTH), 25 (OH) vitamin D and cytokines involved in the regulation of bone remodeling: the soluble form of the ligand receptor nuclear factor kappa B (sRANKL), osteoprotegerin ( OPG) and sclerotinia in daily intragastric administration of a suspension of powder copper-pyrite ore within three months. It is shown that the experimental group of animals strengthens the processes of osteoclastogenesis and bone cell differentiation is suppressed differon, which are a reflection of changes in plasma levels of regulatory cytokines in high secretion of PTH and reducing the amount of 25 (OH) vitamin D. The results clarify the mechanisms of osteopenic syndrome in miners mine nonferrous metals.

Keywords: Metals copper-zinc massive sulfide ores, parathyroid hormone, vitamin D, Runkle, osteoprotegerin, sklerostin.

Рабочие на горнорудной и металлургических предприятиях имеют производственный контакт с тяжелыми металлами и другими токсичными элементами. Болезни костно-мышечной системы на предприятиях по добыче руды и обогащению цветных металлов занимают высокое ранговое место [2,3,10]. Исследование минеральной плотности дистального отдела лучевой кости у горнорабочих, добывающих медно-цинковые колчеданные руды подземным способом, показало, что среди них остеопенический синдром выявляется в 4 раза чаще, чем у рабочих наземных служб [10]. Аналогичные результаты были получены и при скрининге состояния костной прочности у 500 горняков, занятых подземной добычей руды, методом ультразвуковой остеоденситометрии нижней трети лучевой кости и середины диафиза бедренной кости с применением общеевропейской программы по Т-критерию [1]. Формирование остеопенического синдрома у горнорабочих было установлено, по данным этих авторов, уже в молодом возрасте и снижение уровня костной прочности коррелировало со стажем работы в подземных условиях. Ведущую роль в комплексе вредных факторов производственной среды (рудничная пыль, шум, вибрация, отсутствие естественного освещения, неблагоприятный микроклимат и др.) при добыче цветных металлов подземным способом играет действие рудничной пыли, которая является высокодисперсным (частицы пыли диаметром менее 5мк составляют 90% ее общей массы) [2,10]. Основные технологические процессы проходки и выемки руды сопровождаются выделением рудничной пыли различной интенсивности от 1,0 до 2,5 ПДК. О поступлении и накоплении различных элементов, содержащихся в рудах цветных металлов, в организм горняков свидетельствовали результаты определения элементов в волосах и крови. В волосах у горняков, добывающих медно-цинковую колчеданную руду, по сравнению с группой контроля установлено значительное повышение содержания Cu, Zn, Cr, Cd, Mg, Pb, As, Hg, снижение I и Se [1]. Длительное (в течение трех месяцев) ежедневное внутрижелудочное введение крысам суспензии порошка медно-цинковой колчеданной руды приводило к резкому увеличению в костях периферического и лицевого скелета содержания ряда металлов: Hg, Pb, Cd, Mn, Fe, Cu, Zn, Sr, ингибированию основных ферментов антиоксидантной защиты и усилению свободнорадикального окисления, что позволило прийти к заключению о ведущей роли интенсификации свободнорадикальных процессов в снижении костной прочности [7,9]. Однако в механизмах контроля костного метаболизма и ремоделирования особое место занимают паратиреоидный гормон (ПТГ), витамин Д и цитокиновая система RANKL-RANK- остеопротегерин [4,13]. RANKL (лиганд рецептора ядерного фактора каппа В) продуцируется остеобластами, взаимодействует на предшественниках остеокластов с рецептором RANK, активирует внутриклеточные механизмы, формирующие процессы созревания остеокластов, осуществляющих резорбцию костной ткани. Параллельно региструется торможение апоптоза зрелых остеобластов [13]. Остеопротегерин (OPG) является растворимым рецептором также экспрессируется остеобластами, связывает RANKL, являясь «ловушкой» для этого лиганда. Связывание RANKL с OPG ингибирует пролиферацию остеокластов, их дифференцировку, что в конечном итоге снижает резорбцию костной ткани [6,8,13]. Общее «конвергентное» соотношение RANKL/OPG, таким образом, контролирует степень остеокластной дифференцировки, активацию и апоптоз остеокластов.

Важнейшими регуляторами дифференцировки остеогенного дифферона являются секреторные белки семейства Wnt: суперсемейство трансформирующего рост фактора – β1, - β2, - β3, активины, ингибины; факторы роста фибробластов -2, -9; инсулиноподобный фактор роста I; костные морфогенетические белки [6,8]. Склеростин, который вырабатывается остеоцитами и гипертрофированными минерализованными хондроцитами, ингибирует каноническую сигнальную систему Wnt/β-catenin, необходимую для стимуляции остеобластогенеза и функции остеобластов [4,5], и является бета негативным регулятором остеобластогенеза.

Цель работы. Определить уровень цитокинов, регулирующих уровень ремоделирования и отражающих интенсивность течения остеокластогенеза и остеобластогенеза при длительном действии элементов, содержащихся в медно-цинковой колчеданной руде.

Материал и методы исследования. Эксперименты проведены на 27 половозрелых крысах-самцах массой 200-240г. Животные были разделены на две группы: контрольную и подопытную. Крысам подопытной группы ежедневно внутрижелудочно вводили суспензию порошка медно-цинковой колчеданной руды (Учалинское месторождение) в 2% растворе крахмала в течение трех месяцев из расчета 60мг на 100г массы животного. Вводимую дозу руды рассчитывали, исходя из минимальной токсичной дозы меди, составляющей для крыс 2,11 мг на 100г массы [7], и среднего содержания ее в руде – 3,5%. Крысы контрольной группы получали внутрижелудочно раствор крахмала. У животных в плазме крови с использованием коммерческих тест - наборов методом иммуноферментного анализа определяли содержание растворимого RANKL (реагенты «FREs RANKL»), остеопротегерина («Osteoprotegerin»), склеростина («Sclerostin») фирмы Biomedica Medizinprodukte Gmb H и CoKG, 25-гидроксивитамина Д («OSTEIA 25-Hydroxy Vitamin D») фирмы «БиоХимМакс» на автоматическом анализаторе «Униплан», а также ПТГ («IRMA PTH», Франция) с подсчетом радиоактивности на гамма-счетчике ГСБ «Гамма - 12».

Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета программы Statistica 6,0 (Stat Soft).

Результаты и обсуждение. Длительное поступление в оорганизм животных компонентов медно-цинковой колчеданной руды приводило в плазме крови к статистически значимым изменениям содержания OPG, склеростина, ПТГ и 25 (ОН) вит Д, в то время как уровень растворимого лиганда активатора ядерного фактора каппа В (sRANKL) практически не изменялся (таблица).

 

Таблица – Уровень паратиреоидного гормона, кальцидиола и регуляторных цитокинов в плазме крови при длительном действии элементов медно-цинковой колчеданной руды, Ме [Q _{1 ;} Q ₃]

Показатели	Контрольная группа, n=12	Подопытная группа, n=15	РИ
ПТГ, пг/мл	12,9 [9,6; 19,2]	18,6 [11,9; 19,3]	0,0308
25(ОН) вит. Д3, нг/мл	18,8 [17,1; 21,6]	16,1 [7,1; 16,4]	0,0088
sRANKL, пмоль/л	0,60 [0,12; 1,29]	0,63 [0,45; 0,75]	0,2074
OPG, пмоль/л	0,41 [0,41; 0,43]	0,30 [0,26; 0,38]	0,0427
Склеростин, пмоль/л	12,3 [12,3; 12,6]	14,2 [12,5; 14,7]	0,0458

Примечание: РИ – критерий Манна – Уитни  

В результате соотношение этих регуляторных факторов существенно смещалось с превалированием sRANKL. Коэффициент sRANKL/OPG у контрольной группы крыс составил 1,46 ± 0,22 (М ± SD), у подопытных 2,1 ± 0,20 (р=0,0415). Угнетение OPG с повышением общего «конвергентного» соотношения RANKL/OPG характеризуются многие состояния, протекающие с доминнированием резорбции над формированием костной ткани [4 ]. В ранее проведенных исследованиях нами было установлено, что длительное поступление элементов руды в организм экспериментальных животных приводит в трубчатой кости и кости нижней челюсти к снижению содержания белковосвязанного и повышению свободного оксипролина, отражая усиление катаболизма коллагена. Было также показано, что у животных подопытной группы в плазме крови увеличивается уровень С – концевых телопептидов коллагена типа I, в то время как активность костной изоформы щелочной фосфатазы изменяется незначительно, указывая на доминирование процессов резорбции над костеобразованием [7, 9]. Результаты исследования содержания склеростина показывают увеличение секреции этого цитокина остеоцитами, косвенно характеризуя и ингибирование остеобластогенеза на фоне активации резорбтивных процессов.

У подопытных крыс при действии компонентов руды наблюдается некоторое увеличение секреции паратиреоидного гормона, что также приводит к усилению остеолиза остеоцитами и активирует дифференцировку и функционирование остеокластов. Одновременно ПТГ уменьшает старение и апоптоз остеобластов, поддерживает дифференциацию мезенхимальных стволовых клеток по клеточному циклу в остеогенную линию клеток [11], а также инициирует в остеобластах выработку инсулиноподобного фактора роста – 1 [14]. Однако анаболические эффекты ПТГ на костную ткань проявляются лишь при кратковременных повышениях функции паращитовидных желез или при прерывистом введении препаратов гормона.

При длительном действии повышенного уровня ПТГ активированное ремоделирование кости характеризуется некомпенсированным усилением резорбции над костеобразованием с уменьшением костной массы [11,14].

Механизм действия ПТГ на обмен костной ткани обусловлен и тем, что он контролирует в клетках эпителия проксимальных канальцев коркового слоя почек активность 1α - гидроксилазы (СУР 271В) с образованием из 25 - гидроксивитамина Д его активной гормональной формы – 1,25 дигидроксивитамин Д, который оказывает анаболический эффект на костную ткань, повышает реабсорбцию кальция в почках и его абсорбцию в тонком кишечнике [12]. Однако этот опосредованный механизм действия ПТГ на костный и фосфорно-кальциевый обмен, вероятно, недостаточно эффективен при действии элементов медно – цинковой колчеданной руды, поскольку содержание 25 – гидроксивитамина Д в крови животных подопытной группы снижено.

Заключение. При длительном действии металлов, содержащихся в медно-цинковых колчеданных рудах в костной ткани усиливаются процессы остеокластогенеза и подавляется дифференцировка клеток костного дифферона, отражением которых являются изменения плазменных концентраций регуляторных цитокинов на фоне повышения секреции паратиреоидного гормона и снижения содержания 25 – гидроксивитамина Д. Полученные результаты уточняют механизмы развития остеопенического синдрома у горняков, добывающих руду цветных металлов.

Литература

1. Аглетдинов Э.Ф., Нургалеев Н.В., Фаршатова Е.Р. и др. Влияние полиметаллической пыли медно – цинковых колчеданных руд на состояние минерального обмена и костной ткани // Вестник Оренбургского ГУ. – 2011. - №15 (134). – с.15-18.
2. Аскарова З.Ф., Чащин В.П., Денисов Э.И. Профессиональный риск у работников горнодобывающих предприятий. – Спб.: Норд-медиздат, 2010. – 216с.
3. Баттакова Ж.Е., Исмаилова А.А., Султанбекова З.К. и др. Оценка общей и профессиональной заболеваемости на предприятиях горнорудной промышленности Казахстана // Медицина труда и промэкология. – 2008. - №2. – с.1-5.
4. Белая Ж.Е., Рожинская Л.Я., Драгунова Н.В. и др. Сывороточная концентрация белков регуляторов остеобластогенеза и остеокластогенеза у пациентов с эндогенным гиперкортицизмом // Остеопороз и остеопатии. – 2012. - №2. – с.3-8.
5. Дыдыкина С.И., Веткова Е.С. Склеростин и его роль в регуляции метаболизма кости кости // Научно-практическая ревматология. – 2013. – т.51, №3. – с.296-301.
6. Захаров Ю.М., Макарова Э.Б. Регуляция остеогенной дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток костного мозга // Росс. физиологический журнал им. И.М. Сеченова. – 2013. – т.99, №4. – с.417-432.
7. Камилов Ф.Х., Фаршатова Е.Р., Нургалеев Н.В. и др. Особенности обмена костной ткани при хронической интоксикации элементами, содержащимися в медно – цинковых колчеданных рудах // Медицинская наука и образование Урала. – 2013. - №1. – с.76-79.
8. Камилов Ф.Х., Фаршатова Е.Р., Еникеев Д.А. Клеточно-молекулярные механизмы ремоделирования костной ткани и ее регуляция // Фундаментальные исследования. – 2014. - №7. – с.836-842.
9. Нургалеев Н.В., Фаршатова Е.Р., Аглетдинов Э.Ф., Камилов Ф.Х. Метаболизм костной ткани нижней челюсти при длительном поступлении элементов медно-цинковых колчеданных руд в эксперименте // Мед. вестник Башкортостана. – 2012. - №5. – с.78-81.
10. Профессиональная и производственно обусловленная заболеваемость у горнорабочих: особенности формирования и профилактика / Под ред. З.С. Терегуловой, Л.К. Каримовой, А.Б. Бакирова. – Уфа, 2010. – 176с.
11. Bernardo G.D., Galderisi U., Fiorito C. et al. Dual role parathyroid hormone in endothelial progenitor cells and marrou stromal mesenhymal stem cells // J. Cell. Physiology. – 2009. – vol.222. – p.474-480.
12. Bikle D.D. Vitamin D and bone // Curr. Osteoporos. Rep. – 2012. – vol. 10, №2. – P.- 151-159.
13. Sagalovsky S., Schonert M. RANKL – RANK – OPG system and bone remodeling : a new approach on the treatment of osteoporosis // Clin. Exprt. Pathol. – 2011. – vol. 10, №2. – P.146-153.
14. Yang C., Frei H., Brat H.M. et al. Effects of constinuons and pulsative PTH treatmens of rat bone marrow stromal cells // Biochem. biophys. Com. – 2009. – vol.380. – P.791-796.

References

1. Agletdinov Je.F., Nurgaleev N.V., Farshatova E.R. i dr. Vlijanie polimetallicheskoj pyli medno – cinkovyh kolchedannyh rud na sostojanie mineral'nogo obmena i kostnoj tkani // Vestnik Orenburgskogo GU. – 2011. - №15 (134). – s.15-18.
2. Askarova Z.F., Chashhin V.P., Denisov Je.I. Professional'nyj risk u rabotnikov gornodobyvajushhih predprijatij. – Spb.: Nord-medizdat, 2010. – 216s.
3. Battakova Zh.E., Ismailova A.A., Sultanbekova Z.K. i dr. Ocenka obshhej i professional'noj zabolevaemosti na predprijatijah gornorudnoj promyshlennosti Kazahstana // Medicina truda i promjekologija. – 2008. - №2. – s.1-5.
4. Belaja Zh.E., Rozhinskaja L.Ja., Dragunova N.V. i dr. Syvorotochnaja koncentracija belkov reguljatorov osteoblastogeneza i osteoklastogeneza u pacientov s jendogennym giperkorticizmom // Osteoporoz i osteopatii. – 2012. - №2. – s.3-8.
5. Dydykina S.I., Vetkova E.S. Sklerostin i ego rol' v reguljacii metabolizma kosti kosti // Nauchno-prakticheskaja revmatologija. – 2013. – t.51, №3. – s.296-301.
6. Zaharov Ju.M., Makarova Je.B. Reguljacija osteogennoj differencirovki mezenhimal'nyh stvolovyh kletok kostnogo mozga // Ross. fiziologicheskij zhurnal im. I.M. Sechenova. – 2013. – t.99, №4. – s.417-432.
7. Kamilov F.H., Farshatova E.R., Nurgaleev N.V. i dr. Osobennosti obmena kostnoj tkani pri hronicheskoj intoksikacii jelementami, soderzhashhimisja v medno – cinkovyh kolchedannyh rudah // Medicinskaja nauka i obrazovanie Urala. – 2013. - №1. – s.76-79.
8. Kamilov F.H., Farshatova E.R., Enikeev D.A. Kletochno-molekuljarnye mehanizmy remodelirovanija kostnoj tkani i ee reguljacija // Fundamental'nye issledovanija. – 2014. - №7. – s.836-842.
9. Nurgaleev N.V., Farshatova E.R., Agletdinov Je.F., Kamilov F.H. Metabolizm kostnoj tkani nizhnej cheljusti pri dlitel'nom postuplenii jelementov medno-cinkovyh kolchedannyh rud v jeksperimente // Med. vestnik Bashkortostana. – 2012. - №5. – s.78-81.
10. Professional'naja i proizvodstvenno obuslovlennaja zabolevaemost' u gornorabochih: osobennosti formirovanija i profilaktika / Pod red. Z.S. Teregulovoj, L.K. Karimovoj, A.B. Bakirova. – Ufa, 2010. – 176s.
11. Bernardo G.D., Galderisi U., Fiorito C. et al. Dual role parathyroid hormone in endothelial progenitor cells and marrou stromal mesenhymal stem cells // J. Cell. Physiology. – 2009. – vol.222. – p.474-480.
12. Bikle D.D. Vitamin D and bone // Curr. Osteoporos. Rep. – 2012. – vol. 10, №2. – P.- 151-159.
13. Sagalovsky S., Schonert M. RANKL – RANK – OPG system and bone remodeling : a new approach on the treatment of osteoporosis // Clin. Exprt. Pathol. – 2011. – vol. 10, №2. – P.146-153.
14. Yang C., Frei H., Brat H.M. et al. Effects of constinuons and pulsative PTH treatmens of rat bone marrow stromal cells // Biochem. biophys. Com. – 2009. – vol.380. – P.791-796.