CC BY
19
УДК 616.13.002.2-004.6:616.36-002
ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ПАТОГЕНЕЗЕ КАЛЬЦИНИРОВАННОГО АОРТАЛЬНОГО СТЕНОЗА У ПАЦИЕНТОВ СТАРШИХ ВОЗРАСТНЫХ ГРУПП
Н.И. Гуляев1, Д.С. Полтарейко, И.Б. Олексюк, К.Л. Козлов
1 Гуляев Николай Иванович, канд. мед. наук, доцент кафедры госпитальной терапии Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова Мо РФ. Тел.: 8-911-902-74-17. Е-таД^27@таШ.га
Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург
Впервые приведены результаты исследования содержания эссенциальных микроэлементов у больных кальцинированным аортальным стенозом. Установлена достоверная разница содержания микроэлементов у больных с кальцинированным аортальным стенозом и у лиц контрольной группы без поражения аортального клапана, сопоставимых по возрасту и полу. Рассматриваются возможные варианты нарушения биоэлементного статуса в патогенезе кальцификации аортальных полулуний.
Ключевые слова: кальцинированный аортальный стеноз, масс-спектроскопия с индуктивно связанной плазмой, микроэлементы, биоэлементный статус, кальций, цинк, ванадий
ESSENTIAL MICROELEMENTS AND THEIR PART IN THE PATHOGENESIS OF CALCINED AORTIC STENOSIS IN PATIENTS OLDER AGE GROUPS
N.I. Gulyaev1, D.S. Poltareyko, I.B. Oleksyuk, K.L. Kozlov
1 Gulyaev N.I., the candidate of medical sciences associale hrofessor of the Departament of hospital therapy, S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg
S.M. Kirov Military Medical Academy, St. Petersburg
At the article first presents the results of extended study essential elements in patients with calcified aortic stenosis. We found a significant difference in the content of trace elements in groups of patients with calcified aortic stenosis and a control group without destruction of the aortic valve, matched by age and gender. Considers possible variants for participation metabolic disorders of trace element status in the pathogenesis of calcification of aortic semilunar flaps.
Keywords: calcined aortic stenosis, mass-spectrometer with inductively coupled plasma, microelements, trace element status, calcium, zinc, vanadium
Эссенциальные биоэлементы, являясь кофакторами, обеспечивают активность многих ферментных систем и витаминов в организме человека. В течение последних лет накапливаются данные об участии микроэлементов в патогенезе ряда заболеваний [8,9].
Кальцинированный аортальный стеноз (КАС) — это результат генетически детерминированного иммуноопосредованного воспали-
тельного процесса в створках аортального клапана, приводящего, как правило, в возрасте старше 60 лет к патологическому фиброзированию и/или их эктопической оссификации. Дальнейшее уплотнение и кальциевое (гидроксилапати-товое) утяжеление створок приводят к возникновению обструкции выносящего тракта без первичных комиссуральных сращений, затруднению оттока крови из левого желудочка и рез-
кому возрастанию разницы давления в аорте и левом желудочке (ЛЖ) [3]. В настоящее время не существует фармакологических средств, позволяющих воздействовать на биохимические процессы в аортальных полулуниях и единственным методом лечения остается механическое устранение кальцинированных изменений и протезирование аортального клапана. Согласно одной из наиболее распространенных теорий развития данного порока, предполагается, что КАС является ответом на повреждение, в патогенезе которого лежит активный клеточно-гуморальный процесс с признаками дисфункции эндотелия, активным воспалительным процессом и нейро-гормональной активацией. В свою очередь, в основе нарушения функции эндотелия может лежать изменение содержания в организме макро-и микроэлементов, являющихся кофакторами различных ферментных систем, что не исключает активного участия в механизме развития стеноза биоэлементных нарушений.
Степень изученности данной проблемы. Проблема КАС нашла свое отражение в работах зарубежных и отечественных ученых [3,7,12-14]. С учетом того, что в последнее время данный вопрос стал чаще рассматриваться через «призму» эндотелиальной дисфункции [2,15,16], проблема влияния на патогенез КАС содержания микроэлементов как факторов, определяющих активность большинства ферментных систем, существенно возрастает. Однако до настоящего времени данный вопрос не нашел должного отражения в отечественной и иностранной литературе, что повышает актуальность этого вопроса для современной кардиологии.
Цель исследования — определить особенности содержания эссенциальных биоэлементов у лиц с кальцинированным стенозом аортального клапана.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Обследованы 30 пациентов (14 мужчин и 16 женщин, средний возраст 65 ± 5,2 года) с тяжелым кальцинированным аортальным стенозом. В исследование не включались пациенты, имеющие тяжелую сопутствующую патологию, такую как онкологическое заболевание, гепатиты, системные заболевания соединительной ткани, сахарный диабет, хроническая болезнь почек IV—V стадии, признаки дыхательной недостаточности, нарушения пищеварения.
В качестве контрольной группы и с целью исключения биогеохимических региональных особенностей, присущих Северо-Западному региону, исследовали микроэлементный статус 30 практически здоровых людей, сопоставимых по возрасту и полу.
Исследовали минеральный состав биопроб методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, позволяющим определять концентрацию отдельных элементов от сотых долей нанограммов до сотен миллиграммов на литр [4]. В качестве объекта исследования микроэлементного статуса индивидуума служила плазма крови, взятая натощак. Содержание 12 эссенциальных биоэлементов сыворотки крови (V, I, Ca, Co, Mg, Mn, Cu, P, Ni, Se, Cr, Zn) проводилось на квадрупольном масс-спектрометре с аргоновой плазмой (X-SERIES II ICP-MS) в соответствии с методическими указаниями, утвержденными главным государственным санитарным врачом Российской Федерации [4], в научно-исследовательской лаборатории элементного анализа Всероссийского центра экстренной и радиационной медицины им. А.М. Никифорова МЧС России (Санкт-Петербург). Полученные показатели химических элементов обрабатывались с помощью программного обеспечения PlasmaLab 2.5.4. Статистическую обработку выполняли на ЭВМ с использованием пакета программ STATISTICA 6.0. Определяли среднюю концентрацию каждого элемента, стандартное отклонение, медиану, доверительный интервал, а также U-крите-рий Манна-Уитни (U) для оценки различий между двумя независимыми выборками [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При исследовании микроэлементов сыворотки крови пациентов (табл. 1) установлено, что все изучаемые показатели находятся в диапазоне референтных значений. Однако при их сравнении с данными анализа крови контрольной группы (табл. 2, рис. 1—4) отмечается достоверное снижение некоторых показателей эссенциальных и нейтральных микроэлементов: кальция (64%; 54,993 ± 8,24 мг/л, U = 20, p < 0,001), цинка (37%; 0,764 ± 0,41 мг/л, U = 1, p < 0,001), ванадия (57%; 0,109 ± 0,064 мг/л, U = 37, p < 0,01). Следует отметить, что в контрольной группе выявлен высокий процент людей с дефицитом йода, что характерно для Северо-Западного региона. Так средние значения йода в контрольной группе составили 0,02 ± 0,004 мг/л (норма 0,03—0,10 мг/л), в то время как в основной группе 0,068 ± 0,07 мг/л (U = 16, p < 0,001).
Рекомендованные в настоящее время нормы содержания большинства микроэлементов рас-
0,30 0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 -0,02 мг/л
контрольная группа КАС
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
мг/л
контрольная, группа КАС
Рис. 1. Содержание ванадия.
Рис. 2. Содержание йода.
180 160 140 120 100 80 60 40 20
мг/л
контрольная группа КАС
2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 мг/л
контрольная группа КАС
Рис. 3. Содержание кальция.
Рис. 4. Содержание цинка.
Таблица 1
Содержание эссенциальных биоэлементов в плазме крови больных, мг/л
Элементы Среднее содержание Медиана (Ме) Доверительный интервал (ДИ) - 95 % 25 % 75 % Норма
V 0,109 ± 0,064 0,11 0,07-0,14 0,06 0,18 0,00-0,20
I 0,068 ± 0,07 0,04 0,03-0,11 0,03 0,08 0,03-0,10
Са 54,993 ± 8,24 52,50 50,43-55,56 49,90 62,40 50,00-140,00
Со 0,001 ± 0,001 0,00 0,00-0,01 0,00 0,01 0,00-0,05
Мй 17,083 ± 5,13 15,00 14,24-19,92 12,70 22,68 10,70-42,00
Мп 0,069 ± 0,058 0,05 0,04-0,10 0,04 0,09 0,00-0,20
Си 1,299 ± 0,61 1,20 0,96-1,64 0,74 1,78 0,75-1,80
Р 86,99 ± 9,93 88,20 81,49-92,49 82,00 93,60 80,00-150,00
N1 0,017 ± 0,02 0,01 0,007-0,028 0,00 0,03 0,00-0,05
Se 0,135 ± 0,08 0,14 0,09-0,18 0,06 0,22 0,06-0,23
Сг 0,057 ± 0,06 0,07 0,03-0,09 0,00 0,11 0,00-0,10
Zn 0,764 ± 0,41 0,70 0,54-0,99 0,46 1,01 0,70-2,20
считаны для популяции в целом исходя из токсического влияния или формирования клинических проявлений недостаточности каждого из них в отдельности. У каждого конкретного человека эти интервалы могут несколько отличаться от таковых, а эффект их дисбаланса — потенцироваться. Следовательно, даже умеренные изменения содержания биоэлементов необходимо рассматривать в комплексе.
Наибольшее внимание среди эссенциальных биоэлементов у больных кальцинированным аортальным стенозом традиционно приковано к кальцию. При этом общепризнано, что для пациентов с КАС характерна относительная гипо-кальциемия. В нашем исследовании определено снижение уровня кальция на 36% в сравнении с контрольной группой, что подтверждает результаты других авторов. Чаще всего данный факт объясняется относительным гиперпаратиреозом у 25% и недостаточностью витамина D у 75% пациентов, а также сочетанием этих причин у более чем 10% больных КАС [6].
Однако снижение уровня кальция у больных КАС может быть обусловлено еще двумя факторами:
— нарушением всасываемости кальция в кишечнике вследствие снижения синтеза белков, ответственных за транспорт кальция в тонкой кишке, за счет снижения концентрации 1,25(ОН) , что обусловлено нарушением гид-роксилирования витамина Dз на фоне изменения микроциркуляции при хронической сердечной недостаточности;
— выпадением малорастворимых средних солей — фосфатов [Са(0Н)]3Р04 и карбонатов [Са(0Н)]2С03 кальция, растворимость которых существенно снижается на фоне даже незначительного увеличения рН артериальной крови.
Среднее содержание цинка в организме взрослого человека около 2 г. Относительный дефицит цинка отрицательно влияет на целый ряд систем организма, так как цинк является кофактором более 400 гормонов и ферментов (инсулин, ди-гидрокортикостерон, супероксиддисмутаза, ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК и др.) Кроме того, цинк принимает участие в процессах деления и дифференцировки клеток, формировании Т-кле-точного иммунитета.
Ионы Zn2+, являясь слабым основанием, в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию:
Хп2+ + Н20 ^ 1пОН+ + Н+.
Наиболее изученным ферментом, содержащим цинк, является карбоангидраза, содержащаяся в эритроцитах крови и способствующая превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая, в свою очередь, переносится кровью в легкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с
Таблица 2
Сравнительная характеристика содержания эссенциальных микроэлементов у больных и в контрольной группе, мг/л
Элементы Больные ДИ-95 % Контрольная группа ДИ 95% и р
среднее содержание среднее содержание
V* 0,109 ± 0,064 0,07-0,14 0,19 ± 0,03 0,17-0,24 37 0,003
I* 0,068 ± 0,07 0,03-0,11 0,02 ± 0,004 0,020-0,024 16 0,0001
Са* 54,993 ± 8,24 50,43-55,56 86,18 ± 30,02 68,84-103,51 20 0,0002
Мй 17,08 ± 5,13 14,24-19,92 20,18 ± 6,10 17,20-24,24 63 0,068
Мп 0,07 ± 0,06 0,04-0,10 0,07 ± 0,06 0,03-0,10 105 1
Си 1,299 ± 0,61 0,96-1,64 1,38 ± 0,24 1,24-1,52 93 0,6
Р 86,99 ± 9,93 81,49-92,49 89,76 ± 14,90 81,15-98,36 99 0,79
N1 0,017 ± 0,02 0,007-0,028 0,02 ± 0,01 0,02-0,03 80,5 0,28
Se 0,135 ± 0,08 0,09-0,18 0,09 ± 0,07 0,05-0,14 73 0,16
Сг 0,057 ± 0,06 0,03-0,09 0,08 ± 0,03 0,06-0,10 90 0,51
7п* 0,764 ± 0,41 0,54-0,99 2,07 ± 0,22 1,94-2,19 1 0,000006
Примечание. Результаты достоверны при их сравнении у больных и в контрольной группе.
тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула С02 превращается в гидрокарбонат-анион НС0-, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Кар-боангидраза ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз. В отсутствие фермента превращение СО2 в анион происходит с очень низкой скоростью [10]. Таким образом, снижение уровня цинка плазмы крови потенциально способствует некоторому повышению рН артериальной крови, поступающей из легких в левые камеры сердца, действуя через бикарбонатную, главную буферную систему организма. При повышении рН усиливается кристаллообразование, так как отрицательный заряд поверхности кристаллов гидроксилапатита кальция в щелочной среде способствует «захвату» ионов Са , Са0Н+ , что и обеспечивает рост кристаллов [5]. Данное предположение подтверждается полученными нами результатами измерения рН артериальной крови, взятой из бедренной артерии больных КАС, в которой отмечалась тенденция к смещению рН в щелочную сторону (п = 15, рН 7,447 ± 0,005), что может являться одним из потенциальных механизмов кальцинирования аортальных полулуний.
Кроме того, в ряде исследований убедительно показано защитное действие цинка на развитие атеросклероза, в первую очередь за счет нормализации уровня окисленных липопротеидов низкой плотности, оказывающих выраженное про-атерогенное действие, а также нормализации обмена кальция [18].
Содержащая цинк матриксная металлопро-теиназа-1 (ММП-1, интерстициальная коллаге-наза) относится к надсемейству цинковых ме-таллопротеиназ) гидролизует 3 интерстициаль-ных коллагена - типы I, II и III, составляющих основу аортальных полулуний, что приводит к расщеплению молекулы коллагена на два фрагмента, доступных дальнейшему распаду. ММП-1 синтезируется рядом клеток: нормальными и трансформированными фибробластами, эпителиальными клетками, макрофагами [11]. Этот фермент также гидролизует минорные коллаге-
ны типов VII и X, а также желатин разных коллагенов - белки соединительнотканного матрик-са: гликопротеид энтактин (связывающийся с ламинином и коллагеном IV типа) и агрекан [17]. Следовательно, снижение активности ММП-1 на фоне снижения концентрации цинка, наряду с активацией холестерином тканевого ингибитора ММП-1 (ТИММП-1), способствует нарушению обмена коллагена с удлинением времени жизни, его накоплением и развитием в нем дегенеративных изменений.
Физиологическая роль ванадия недостаточно изучена. Предполагается, что ванадий является регулятором окислительно-восстановительных процессов, катализирует окисление фосфо-липидов изолированными ферментами печени, участвует в регуляции уровня глюкозы крови. Достоверно установлено, что ванадий активирует эндотелиальную NO-синтазу ^N08) [16]. Следовательно, снижение уровня ванадия будет существенно отражаться на выработке оксида азота, снижая вазодилатационный потенциал эндотелия. Кроме того, в снижении экспрессии eN0S в эндотелии артерий и аортального клапана у больных КАС важную роль играют модифицированные липопротеиды низкой плотности (мЛПНП), что приводит к возникновению окси-дативного стресса и повышенной экспрессии су-пероксиддисмутазы [16]. Таким образом, недостаток ванадия в совокупности со снижением уровня цинка и накоплением мЛПНП способствует существенному ослаблению системы анти-оксидантной защиты и, следовательно, усилению проявлений дисфункции эндотелия, наблюдаемому у больных КАС. Кроме того, не исключается, что ванадий может влиять на структуру ЛПНП, снижая степень их атерогенности, однако данное предположение нуждается в подтверждении.
Аортальные полулуния находятся в зоне с наиболее высокими скоростными показателями кровотока и являются одним из самых подвижных и легко деформируемых структур сердечнососудистой системы, что, наряду с иными факторами, способствует повреждению эндотелия с обнажением субэндотелиальных структур. В свою очередь «обнажение» сульфатированных глико-протеидов коллагеновых волокон вследствие их дегенеративных изменений на фоне длительных нарушений микроэлементного состава плазмы крови (снижение уровня цинка и ванадия), ги-перхолестеринемии (активация ТИММП-1),
увеличенного осаждения солей кальция может приводить к инициированию формирования на этих участках кристаллических и кристаллопо-добных структур в матриксе клапана [19]. Иной точкой осаждения кристаллов кальция могут быть протеогликаны внеклеточного матрикса. Известно, что единственным термодинамически стабильным фосфатом кальция в водном растворе при pH выше 4,2 является гидроксилапатит кальция ( ГАП ) [ 1 ]. Скорость его осаждения и устойчивость существенно возрастают при увеличении pH. Кровь в левых камерах сердца и аорте имеет максимальные значения pH, значения которого несколько увеличиваются на фоне снижения уровня цинка, что ускоряет процесс осаждения фосфатов кальция. При осаждении ГАП из щелочных водных растворов происходит через фазу нестехеометрического гидроксилапа-тита, формируя в конечном итоге мелкокристаллические осадки на волокнах коллагена с размером частиц менее 100 нм. Степень кристалличности гидроксилапатита и его стехиометрия n(Ca)/n(P) увеличиваются с течением времени формирования осадка [1], что приводит к образованию плотных кристаллических структур аортального клапана.
ВЫВОДЫ
Таким образом, можно констатировать, что у пациентов с кальцинированным аортальным стенозом в сравнении с группой без кальцинированного поражения аортального клапана достоверно снижено содержание в плазме крови таких эссен-циальных микроэлементов, как кальций, цинк, ванадий. Взаимопотенцирование эффектов, связанных с дисбалансом микроэлементного состава крови, может способствовать нарушению активности различных ферментных систем, что, в свою очередь, наряду с действием иных патогенетических факторов может быть индуктором кальцификации аортальных полулуний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Химия неорганических биоматериалов на основе фосфатов кальция.// Рос. хим. журн. (Журн. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева) 2004. Т. XLVIII. № 4. С. 52-64.
2. Гуляев Н.И. Дисфункция эндотелия у больных с дегенеративным стенозом клапана аорты: современное состояние проблемы // Клиническая медицина. 2015. №5. С. 37-42.
3. Егоров И.В. Сенильный аортальный стеноз: век изучения // Современная ревматология. 2007. № 1. С. 20-25.
4. Иванов С.И., Подунова Л.Г., Скачков В.Б., Тутель-ян В.А. [и др.] Методика определения микроэлементов в диагностируемых биосубстратах методом масс-спект-рометрии с индуктивно-связанной плазмой: метод. рекомендации. М.: ФЦГСЭН Минздрава РФ, 2006. 24 с.
5. Казанова Т. Неорганические фосфатные материалы. (Пер. с япон.) Киев: Наукова думка, 1998. С. 17-109.
6. Карпова Н.Ю. Кальцинированный аортальный стеноз в клинике внутренних болезней — взаимосвязь с системным обменом кальция и костным метаболизмом: Автореф. дисс. ... док. мед. наук. М., 2007: 53 с.
7. Козырева В.С., Субботовская А.И., Шилова А.Н., Карпенко А.А. Иммунологические аспекты формирования рестенозов после повреждения эндотелия // Ангиол. и сосуд. хирур. 2014. Т. 20. № 1. С. 21-26.
8. Кудрин А.В., Громова О.А. Микроэлементы в иммунологии и онкологии. М.: ГЭОТАР-Медиа. 2007. 544 с.
9. Оберлис Д., Харланд Б., Скальный А.В. Биологическая роль макро- и микроэлементов у человека и животных. СПб.: Наука, 2008: 544 с. / Oberleas D., Harland B., Skalny A.V. Biological role of macro- and microelements in man and animals. SPb.: Science 2008: 544 p. (in Russian).
10. Скальный А.В. Цинк и здоровье человека (книга для современных думающих врачей и любознательных пациентов). Оренбург: РИК ГОУОГУ 2003, 80 с.
11. Соловьева Н.И. Матриксные металлопротеиназы и их биологические функции // Журн. биоорганической химии 1998. №24. С. 217-226.
12. Acharya G., Armstrong M., McFall C., Quinn R. W et al. Calcium and phosphorus concentrations in native and de-cellularized semilunar valve tissues // J. Heart Valve Dis. 2014 May; Vol. 23. № 3. P. 259-270.
13. Arcucci A., Ruocco M.R., Albano F., Granato G., Romano V., Corso G. et al. Analysis of extracellular superoxide dis-mutase and Akt in ascending aortic aneurysm with tricuspid or bicuspid aortic valve // Eur. J. Histochem. 2014. Vol. 58. № 3. P. 23-83.
14. Buendia P., Montes de Oca A., Madueno J.A., Merino A., Martín-Malo A., Aljama P. et al. Endothelial microparti-cles mediate inflammation-induced vascular calcification // FASEB J. 2014. Oct. 23. pii: fj. 14-249706.
15. Codoner-Franch P., Tavarez-Alonso S., Porcar-Almela M., Navarro-Solera M., Arilla-Codoñer Á., Alonso-Iglesias E. Plasma resistin levels are associated with homocysteine, endothelial activation, and nitrosative stress in obese youths // Clin. Biochem. 2014. Vol. 47. № 1-2. P. 44-48.
16. Heiss C., Rodriguez-Mateos A., Kelm M. Central role of eNOS in the maintenance of endothelial homeostasis // Antioxid. Redox Signal. 2014. Vol. 20. P. 39-41.
17. Nagase H. Zinc metalloproteinases in health and disease // Ed. N.M. ^oper, Taylor & Francis Ltd., London 1996: 153 p.
18. Stadler N., Stanley N., Heeneman S., Vacata V., Daemen M.J., Bannon P.G. et al. Accumulation of zinc in human atherosclerotic lesions correlates with calcium levels but does not protectagainst protein oxidation. // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2008. Vol. 28. № 5. P. 1024-1030.
19. Scott J.E. Structure and function in extracellular matrices depend on interactions between anionic glycosaminogly-cans // Pathol. Biol. (Paris). 2001. Vol. 49. №4. P. 284-289.
Поступила 29.07.2015
