Аветисов С.Э.

ФГБУ "Научно-исследовательский институт глазных болезней" РАМН, Москва

Новиков И.А.

Институт клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова ФГБУ «НМИЦ кардиологии» Минздрава России, Москва, Россия

Пахомова Н.А.

ФГБНУ «НИИ глазных болезней» ул. Россолимо, 11, А, Б, Москва, 119021, Российская Федерация

Моталов В.Г.

ФГАОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» Минздрава России, ул. Трубецкая, 8, стр. 2, Москва, 119991, Российская Федерация

Бионеорганический химический состав хрусталика и методы его изучения

Журнал: Вестник офтальмологии. 2018;134(2): 78-85

Просмотров : 41

Загрузок : 1

Как цитировать

Аветисов С. Э., Новиков И. А., Пахомова Н. А., Моталов В. Г. Бионеорганический химический состав хрусталика и методы его изучения. Вестник офтальмологии. 2018;134(2):78-85. https://doi.org/10.17116/oftalma2018134278-84

Авторы:

Аветисов С.Э.

ФГБУ "Научно-исследовательский институт глазных болезней" РАМН, Москва

Все авторы (4)

См. окончание табл. 1 на след. стр.

Катаракта до сих пор остается наиболее частой (с неуклонно растущим значением) причиной излечимой слепоты как в развитых, так и развивающихся странах. В нозологической структуре первичной инвалидности вследствие глазной заболеваемости катаракта занимает третье место (18,9%) после травм органа зрения (22,8%) и глаукомы (21,6%) [1—5]. Изучение механизмов возникновения катаракты (катарактогенеза) является одним из направлений фундаментальных исследований в офтальмологии. Биохимическими исследованиями выявлено, что процессы снижения прозрачности хрусталика сопровождаются сдвигами в ионном балансе, дегидратацией его вещества, изменениями метаболизма холестерина и сахаров, нарушением окислительно-восстановительных процессов. Другое направление исследования катарактогенеза связано с изучением бионеорганических химических процессов на основе анализа химических микро- и макроэлементов, ионов и металлоорганических соединений вещества хрусталика. В этом случае для изучения химического состава хрусталика, как правило, применяют методы, позволяющие в той или иной мере определить валовое (т.е. общее) содержание химических элементов и их концентрацию в составе исследуемых образцов.

Также используют методы, связанные с анализом распределения химических элементов в составе хрусталика и соотношения их содержания с его морфологическими изменениями. Для этого применяют коррелятивные подходы, базирующиеся на методах, позволяющих точно локализовать и описать помутнения в объеме хрусталика.

В настоящем обзоре в обобщенном виде представлены результаты исследований, посвященных анализу бионеорганического состава хрусталика человека и экспериментальных животных (коров, собак, крыс, кроликов). Для решения данной задачи использовались различные методы, общая характеристика которых представлена в табл. 1 и 2, а результаты их применения детально описаны в тексте. В веществе хрусталика были обнаружены химические элементы всех групп (серий) периодической классификации: щелочные металлы, щелочно-земельные металлы, переходные металлы, лантаноиды, постпереходные металлы, полуметаллы, неметаллы и галогены.

Таблица 1. Общая характеристика методов и результаты оценки валового бионеорганического химического состава хрусталика Примечание.* — ↑ — повышение концентрации, ↓ — снижение концентрации, ↕ — без изменений; ** — [█] — хрусталики кролика, [█] — хрусталики собаки, [█] — хрусталики крысы, [█] — хрусталики быка, [█] — хрусталики человека.

Таблица 1 (окончание). Общая характеристика методов и результаты оценки валового бионеорганического химического состава хрусталика Примечание.* — ↑ — повышение концентрации, ↓ — снижение концентрации, ↕ — без изменений; ** — [█] — хрусталики кролика, [█] — хрусталики собаки, [█] — хрусталики крысы, [█] — хрусталики быка, [█] — хрусталики человека.

Таблица 2. Пространственное распределение химических элементов в хрусталике Примечание. * — «положительная» — повышенное содержание химических элементов в зоне помутнения хрусталика; «отрицательная» — пониженное содержание химических элементов в зоне помутнения хрусталика; ** — [█] — хрусталики кролика; [█] — хрусталики собаки; [█] — хрусталики крысы; [█] — хрусталики человека.

Щелочные металлы. К данной группе (серии) элементов относятся два главных катиона, определяющих электролитический баланс в организме, — калий (K) и натрий (Na). Последний также акцептируется Na-зависимыми системами некоторых белков и образует несколько важных металлоорганических соединений. Из этой группы в веществе хрусталика также были обнаружены редкие щелочные металлы рубидий (Rb) и цезий (Cs) [6], которые в большинстве обменных процессов могут выступать суррогатами К. В одном исследовании описано присутствие в катарактальном хрусталике лития [7].

Установлено, что возникновение катаракты приводит к статистическому повышению содержания Na [7—18] (иногда при одновременном снижении уровня K) [8, 10—24], а также его биохимических «аналогов» — Rb и Cs [8, 25]. Исключение составляют несколько работ, в которых, напротив, констатируется снижение содержания Na [19, 24], увеличение концентрации Cs [6] и K [9]. Следует отметить, что в последнем случае рассматривали экспериментальную модель фотоиндуцированной катаракты у животных и повышение содержания К, возможно, не связано с патогенетическими изменениями собственно вещества хрусталика, а является следствием острой травмы на клеточном уровне с «загрязнением» хрусталика внутриклеточным электролитом разрушенных клеток. На наш взгляд, описанное в единичном исследовании снижение содержания Na требует проверки, возможно, не являясь случайным фактом. Несмотря на то что, по данным большинства исследователей, уровень Na в хрусталиках человека возрастает, есть вероятность загрязнения вещества хрусталика богатой натрием внутриглазной жидкостью при экстракции.

Щелочно-земельные металлы. К этой группе относятся одни из жизненно важных (эссенциальных) элементов — кальций (Ca) и магний (Mg), которые входят в состав ферментов, гормонов и витаминов, участвуя таким образом в процессах жизнедеятельности организма. Кальций в основном содержится в неклеточных, магний — во внутриклеточных жидкостях. Оба элемента, к примеру, рассматриваются как структурная основа тканей. Очень важно, что ионы Mg2+ и Са2+ в биосистемах не замещают друг друга. Ион Mg2+ более сильный комплексообразователь, чем ион Са2+, и поэтому служит центром некоторых металлоферментов, например катализирует гидролиз АТФ.

Установлено, что возникновение помутнений в хрусталике приводит к статистическому увеличению содержания Са [7—9, 12—39]. Кроме того, локализация Са в веществе хрусталика коррелирует с зонами его повышенной непрозрачности [34—39]. В ряде исследований также было обнаружено повышенное содержание Mg [7, 16, 27], однако имеются работы, в которых показано, что эта тенденция не имела значимого увеличения при развитии катаракты [8, 11—15, 31], а в некоторых случаях наблюдалось даже ее снижение [17, 19]. Такая неоднородность связи содержания Mg и развития катаракты была отмечена как для хрусталиков человека, так и для экспериментальных катаракт животных. Не исключено, что это может быть связано с типами катаракт, включаемых в исследования, и требует дополнительной проверки.

Переходные металлы. Данная группа элементов — самая большая и разнородная по бионеорганическим свойствам. Часть из них в обмене способна проявлять свойства, сходные с таковыми у железа (Fe), часть (халькофильные элементы) — близка к меди (Cu), но большинство из них теоретически инертны в соответствии со своими экстремальными окислительно-восстановительными способностями.

При рассмотрении группы родственных Fe (сидерофильных) элементов и платиноидов в двух исследованиях было отмечено снижение концентрации Fe при развитии катаракты [19, 40], еще в одном — разнонаправленное изменение его содержания [41]. Остальные источники указывают на депонирование Fe в веществе хрусталика в процессе катарактогенеза [7, 8, 27, 40, 42—48]. В некоторых случаях это согласуется с повышением содержания остальных сидерофильных элементов (Mn [8, 31], Сr [6], Ir [9], Сo [8, 19]) и может характеризовать возрастание окислительных процессов в веществе хрусталика. Однако в ряде работ отмечено разнонаправленное изменение концентраций Fe [41] и родственных ему элементов, что можно трактовать как индивидуальный запуск специфических ферментативных процессов, не жестко связанных с изменением локального редокс-потенциала.

Оценка содержания халькофильных элементов выявила разнонаправленный характер его изменения при возникновении помутнений хрусталика. Содержание наиболее значимых минеральных кофакторов биохимических цепочек белковой организации — Сu и Zn — оценивалось многими исследователями. В подавляющем большинстве работ было зафиксировано увеличение содержания Сu в веществе хрусталика при развитии помутнений [18, 23, 25, 26, 41, 42, 44, 45, 49—53]. В четырех исследованиях отмечены либо отсутствие изменений содержания Zn, либо разнонаправленные изменения или его снижение [8, 19, 25, 41]. При этом большинство авторов отмечают положительную связь Zn с развитием катаракты [7, 16, 18, 23, 31, 42, 45]. Остальные халькофильные элементы серии переходных металлов присутствуют в хрусталиках в столь незначительных количествах, что их обнаружение представляется затруднительным для большинства методов анализа. Тем не менее в нескольких работах было отмечено повышение содержания никеля (Ni), серебра (Ag) и кадмия (Cd) при возникновении помутнений [7, 19, 26, 43, 52—55], что представляется весьма логичным, так как свойства этих элементов близки к таковым Cu и Zn. Попытки описать поведение других элементов серии переходных металлов (например, скандия) сомнительны, так как их концентрация в объектах живой природы находится ниже пределов обнаружения всех известных методов анализа, за исключением случаев техногенного обогащения.

Лантаноиды. Редкоземельные элементы (РЗЭ, лантаниды, Ln) не относятся к классическим десяти биометаллам. Однако известно, что они способны проявлять некоторую биологическую активность. Доказано, что ионы РЗЭ способны замещать ионы Са2+ в обменных процессах и связывать свободный фосфатный остаток, ингибируя целый спектр биохимических цепочек. Тем не менее ионы РЗЭ не относятся к агрессивным катионам, так как не обладают выраженными окислительными свойствами. По данным литературы, лантан (La) и европий (Eu) найдены в катарактальных хрусталиках в повышенных количествах [8, 19], в то время как уровень церия (Ce) — низким [8].

Постпереходные металлы. Из данной группы металлов в единичных исследованиях описано поведение алюминия (Al) и свинца (Pb). Показано, что концентрация Al в веществе хрусталика при развитии помутнений снижается [17], а уровень Pb повышается [26, 52, 53]. Так как Pb проявляет выраженные халькофильные свойства, то его возрастающее содержание хорошо согласуется с повышением концентрации халькофильных элементов из серии переходных металлов.

Полуметаллы. В одном из исследований в веществе хрусталика было выявлено повышенное содержание такого элемента, как cурьма (Sb) [8, 19]. Входя в группу полуметаллов и являясь микроэлементом, Sb обладает весьма выраженными токсическими свойствами. Несмотря на то что Sb постоянно присутствует в живых организмах, ее физиологическая и биохимическая роль до конца не выяснена. При этом соединения SbIII более токсичны, чем SbV. На наш взгляд, описанное в единичном исследовании повышение содержания Sb может быть случайным фактом и требует проверки.

Неметаллы. К данной группе относятся химические элементы с типично неметаллическими свойствами — углерод, азот, кислород, фосфор, сера, селен (С, N, O, P, S, Se соответственно). Углерод является основой органических соединений (содержание в организме — 21,15%). Кислород как основа структуры всех органических веществ является носителем окислительных и восстановительных свойств органических соединений. В свою очередь, органогены N, P и S являются активными центрами ферментов и входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений. При этом SH группы белков защищают нуклеиновые кислоты от свободно-радикальных процессов, вступая в реакции с Н и ОН. В свою очередь, Se в организме взаимодействует с витаминами, ферментами и биологическими мембранами, участвуя в регуляции обмена веществ, в обмене жиров, белков и углеводов, а также в окислительно-восстановительных процессах. Кроме этого, Se является компонентом более 30 жизненно важных биологически активных соединений организма, входит в активный центр ферментов системы антиоксидантно-антирадикальной защиты, метаболизма нуклеиновых кислот, липидов, гормонов (глутатионпероксидазы, йодотиронин-дейододиназы, тиоредоксинредуктазы, фосфоселенфосфатазы, фосфолипид-гидропероксид-глутатионпероксидазы, специфических протеинов Р и W и др.). Клинический эффект действия Se зависит от композиции, в которой он вводится в организм. В сочетании с аскорбиновой кислотой (витамин С) и токоферолом (витамин Е) Se стали применять для профилактики катаракты и дегенерации желтого пятна сетчатки глаза [56].

Установлено, что при возникновении помутнений в веществе хрусталика происходят некоторые колебания концентрации Se без достоверного ее увеличения или уменьшения [7, 8, 23]. Лишь в одной работе выявленное содержание Se было статистически значимо повышено [19].

Несмотря на относительно высокую концентрацию общей серы в тканях организма, ее оценка в веществе хрусталика проведена в ограниченной серии работ. При этом в единичном исследовании было выявлено повышение общего содержания S при развитии помутнения [19], а в другом — указано на его незначительные колебания без какой-либо тенденции к увеличению или уменьшению [8]. Низкое содержание S и следовые концентрации P в зонах с наименьшей прозрачностью вещества хрусталика обнаружены методом микрокартирования на основе сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией [34]. Кроме того, предпринимались попытки картирования концентрации S в центральной плоскости хрусталика. Исследование было выполнено на моделях галактозиндуцированных катаракт в хрусталиках крыс. Карты распределения S были похожи на распределение плотности белков хрусталика [48]. Исходя из того, что концентрации элементов S и P в организме относительно велики, на наш взгляд, целесообразно продолжить детальное изучение их пространственной связи с помутнением для дальнейшей, более корректной, интерпретации их возможной роли в катарактогенезе.

Галогены. Эту группу, как правило, представляют неорганические анионы фтор, хлор, бром, йод (F, Cl, Br, Iсоответственно), которые играют важную и незаменимую роль в процессах метаболизма, являясь совместно с главными катионами основой электролита. Галогены — типичные окислители и взаимодействуют практически со всеми простыми веществами, наиболее энергично протекают реакции с металлами. В других биологических системах было выявлено, что образование галогенных связей в биомолекулярных системах белка может привести к неконтролируемой его конформации [57]. Эти данные могут быть приложены к белковым системам хрусталика человека. При помутнениях хрусталика наблюдали как повышенное содержание Cl [8, 14, 15] и Br [19], так и, наоборот, низкое содержание Cl [19]. При химическом микрокартировании центральной плоскости хрусталика при ядерных помутнениях наблюдали существенное повышение уровня Cl по всей ее поверхности [37].

По мере совершенствования методов химического анализа данные о бионеорганической химической основе катарактогенеза постоянно дополняли и уточняли. На сегодняшний день накоплен значительный объем знаний, включающих измерения, проведенные перекрестными методами. Вместе с тем не до конца изученным остается вопрос сопутствующих катарактогенезу изменений паттернов химического состава хрусталика. Кроме того, известны примеры диаметрально противоположной оценки содержания некоторых химических элементов при возникновении и развитии помутнения хрусталика.

Представленные данные позволяют лишь предположить возможную связь неорганических химических элементов, присутствующих в веществе хрусталика, с развитием и формированием его помутнений. Несмотря на разнообразие попыток оценки распределения химических элементов в хрусталике в процессе катарактогенеза, ряд вопросов до сих пор остается до конца неизученным, в частности, распределение общих концентраций металлов (Fe, Cu, Zn, Mg, Ca), а также общего кислорода, по количеству которого можно косвенно судить об активности окислительных процессов. Описание в некоторых работах распределения Fe, полученного гистохимическими методами, ограничивается избирательностью его окрашивания и может не отражать распределения этого элемента во всем многообразии форм его присутствия в тканях. Кроме того, выполненные корреляционные исследования включают не весь спектр химических элементов, доступных для изучения с помощью современных методов СЭМ c энергодисперсионным спектрометром (ЭДС) для химического микроанализа. Наконец, большинство исследований проведены на моделях хрусталиков животных, не совсем корректных для описания биохимических особенностей катарактогенеза у человека.

Перспективы совершенствования химического микроанализа, на наш взгляд, связаны с повышением чувствительности метода СЭМ—ЭДС в целях не только оценки валового содержания химических элементов и их распределения в составе хрусталика, но и выявления возможной корреляции между соотношением содержания химических элементов и его морфологических изменений.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сведения об авторах

Пахомова Наталья Андреевна — аспирант

e-mail: n.pakhomova@niigb.ru

http://orcid.org/0000-0003-2461-6961

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо с ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail