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.
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–, I– соответственно), 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