SOME ASPECTS OF SYNERGISTIC ACTION OF ALUMINUM AND FLUORINE ON HUMAN BODY (LITERATURE REVIEW)

Full Text

Минтель М.В., Землянова М.А., Жданова-Заплесвичко И.Г. Некоторые аспекты совместного действия алюминия и фтора на организм человека (обзор литературы) // Экология человека. 2018. № 9. С. 12-18. Mintel M.V., Zemlyanova М.А., Zhdanova-Zaplesvichko I.G. Some Aspects of Synergistic Action of Aluminum and Fluorine on Human Body (Literature Review). Ekologiya cheloveka [Human Ecology]. 2018, 9, pp. 12-18. Многообразие химических веществ, используемых человеком в процессе жизнедеятельности, предопределяет неизбежность их совместного действия на организм человека, которое может быть совершенно иным, чем изолированное действие каждого вещества. Поэтому исследование взаимодействия организма человека с факторами среды обитания при их совместном (комбинированном, комплексном) воздействии является одной из актуальных и малоизученных проблем экологии человека и профилактической медицины [9]. В этом аспекте фтор и алюминий остаются достаточно востребованной темой для изучения в связи с тем, что многие исследования не учитывали их совместного действия. Поэтому обнаруженные эффекты могли связывать с действием одного из этих элементов. Описываемые в литературе мишени воздействия и токсические эффекты этих веществ в организме часто имеют схожий характер. Оба элемента оказывают влияние на иммунную систему [10, 28, 45], костную ткань [12, 17, 21], нервную систему [18, 37, 40]. Большинство из патологических эффектов, 12 Экология человека 2018.09 Окружающая среда вызываемых фтором, впервые были обнаружены у рабочих алюминиевого производства [44]. Фтор и алюминий являются реакционно-активными и одними из самых распространенных в природе химических элементов. Оба элемента широко используются человеком в самых разнообразных областях хозяйственной деятельности. Соединения этих веществ присутствуют в воде, почве, пищевых продуктах, напитках, в фармакологических препаратах и средствах гигиены. Суточная потребность алюминия составляет для взрослого человека 35-49 мг [7]. Однако действие этого элемента на организм до сих пор до конца не изучено, поэтому данный показатель не является однозначным. Фтор является жизненно необходимым элементом для человека, но польза фтора отделяется от его вредного воздействия очень небольшой границей, поскольку его токсическая доза лишь незначительно больше эффективной физиологической [1]. Несмотря на распространенность и активное использование, фтор и алюминий относятся к токсическим элементам 2 и 3 классов опасности соответственно [4]. Источники поступления в организм. Токсикоки-нетика и распределение в организме Основными источниками поступления алюминия и фтора в организм человека являются питьевая вода и продукты питания. В питьевую воду данные вещества попадают как из естественных природных источников, так и в результате искусственной добавки этих микроэлементов. В регионах, где наблюдается дефицит фтора в водоисточниках, его добавляют в питьевую воду с целью профилактики кариеса [44]. Соли алюминия используют в системе водоподготовки для коагуляции взвешенных веществ и дефторирования воды [2, 23]. Продукты питания могут сами по себе содержать повышенное количество этих элементов или они могут попасть в пищу дополнительно. Одним из специфических источников поступления алюминия в организм человека является его использование в пищевой промышленности (посуда, упаковочный материал, пищевые добавки) [13]. Исследования показали, что фтор способен выщелачивать алюминий из сплавов. Поэтому одновременное использование для приготовления пищи алюминиевой посуды и продуктов и/или воды с повышенным содержанием фтора способствует накоплению алюминия в пище [11]. Алюминий и фтор входят в состав многих фармацевтических препаратов [12, 13]. Наряду с алиментарным путем поступление алюминия и фтора в организм может происходить ингаляционным путем вследствие техногенного загрязнения среды обитания. Алюминиевая промышленность является одним из основных источников загрязнения атмосферы фтором и алюминием. Всего в атмосферный воздух населенных мест в зоне влияния алюминиевого производства выбрасывается около 60 тыс. т в год парообразных и твердых примесей, из них с содержанием фтора - 4 тыс. т [5]. От 7,4 до 292 кг/т алюминия поступает в воздушную среду из электролизных цехов [12]. При пероральном поступлении 90-97 % фтора всасывается из желудочно-кишечного тракта в кровь. На эффективность усвоения фтора оказывают влияние некоторые микроэлементы. В частности, магний тормозит усвоение фторидов. Выделение фтора происходит через кожные покровы, пищеварительный тракт и мочевыделительную систему. В организме фтор распределяется следующим образом: в костях - 112 - 310 мг/кг, эмали зубов - 140-157 мг/ кг, дентине - 293-340 мг/кг, моче - 0,5 мг/кг, паренхиматозных органах - 0,2-0,8 мг/кг, крови - 0,01-0,03 мг/кг. Фтор в основном депонируется в костной и зубной тканях [12]. Метаболизм алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что всасывание солей алюминия из желудочно-кишечного тракта незначительно и составляет около 2-4 % от поступившего алюминия [13]. Предполагают, что низкое усвоение алюминия может быть обусловлено образованием в кишечнике нерастворимых соединений фосфатных солей [6]. Есть данные, свидетельствующие о том, что лимонная и другие органические кислоты могут усиливать всасывание алюминия [25]. Распределяется алюминий в организме следующим образом: в крови - 0,024 - 0,070 мг/мл, легких - 0,59 мг/г, трубчатых костях - 0,5 мг/г, зубах - до 0,3 мг/г, мышцах - 0,015 мг/г, сердце - 0,056-0,210 мг/г, головном мозге - до 0,016 мг/г, грудном молоке - до 0,01 мг/мл, яичниках - 0,4 мкг/г, семенниках - 0,4 мкг/г, лимфатических узлах - 0,032 мг/г, ногтях - до 0,93 мг/г. Алюминий выводится из организма с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом. Депонируется алюминий в костях, печени, легких и в сером веществе головного мозга [13]. Существенное токсикодинамическое значение имеет антагонизм между фтором и алюминием [23]. Spencer H. с соавторами еще в 1985 году обнаружили, что алюминий снижает поглощение фтора в желудочно-кишечном тракте человека [42]. В экспериментах на животных показано повышение пе-роральной биодоступности алюминия в присутствии фтора [15]. Интересные данные были получены Zhou Y. с соавторами. В экспериментах на крысах они обнаружили, что фтор не оказывает значительного влияния на поглощение алюминия, если присутствует в воде в той же молярной концентрации, что и алюминий [48]. Таким образом, взаимовлияние алюминия и фтора, вероятно, зависит от их концентрации. На животных показано, что фтор оказывает влияние на распределение алюминия в организме [14]. Один из механизмов совместного действия алюминия и фтора на организм человека и животных предложен Strunecka A. с соавторами [44]. По их мнению, попадая в организм, алюминий и фтор образуют комплексы AIF3 и AIF4-. Данные соединения вследствие схожести молекулярной структуры могут действовать в организме аналогично фосфатным группам и, таким образом, не 13 Окружающая среда Экология человека 2018.09 только свободно проникать в органы и ткани, но и активно участвовать в биохимических процессах. Авторы проанализировали и рассчитали эффективность образования AIF3 и AIF4- в зависимости от величины рН и концентрации элементов. Совместное влияние алюминия и фтора на гематологические и биохимические показатели крови Относительно давно известно, что гематологические и биохимические исследования не только используются при диагностике заболеваний, но и являются важным инструментом для мониторинга воздействия факторов среды обитания на организм человека [8, 35, 36]. Токсические эффекты алюминия и фтора на показатели крови млекопитающих достаточно широко исследованы и описаны в литературе. Установлено, что действие алюминия вызывает нарушения структуры и функции мембран эритроцитов [27], нарушение синтеза гемоглобина и соответственно ингибирование эритропоэза [24]. Фтор оказывает влияние практически на все параметры гематологического профиля. При действии фтора наблюдается значительное снижение в крови количества эритроцитов и гемоглобина, увеличение количества лейкоцитов [38], повышение концентрации щелочной фосфатазы [16]. В хроническом эксперименте, проведенном на белых крысах, при изолированном аэрогенном воздействии пороговыми концентрациями фтористого водорода и фтористого алюминия установлено снижение активности холинэстеразы крови, содержания БН-групп в сыворотке крови, активности щелочной фосфатазы крови. При комбинированном аэрогенном воздействии фтористого водорода и фтористого алюминия на уровне пороговых концентраций токсичность усиливалась. Комбинированное действие носило в большинстве случаев аддитивный характер [3]. Биохимические показатели крови при подостром токсическом действии фтора в сочетании с алюминием и без него исследовали Kant V. с соавторами на козах [29]. Экспонирование животных химическими веществами ((NaF; AlF3; Al2(SO4)3 • 16H2O) осуществляли пероральным путем. Результаты исследований показали, что у всех экспонированных животных наблюдали значительные изменения биохимических параметров крови. При этом изменения большинства исследованных показателей в обоих случаях имели схожий характер. Shweta Sharma с соавторами провели сравнительные исследования острого изолированного и комбинированного токсического действия алюминия и фтора на биохимические и гематологические показатели крови белых мышей. Химические вещества (NaF; AlF3; Al2(SO4)3 • 16H2O) животные получали с питьевой водой. Во всех случаях в крови животных наблюдали снижение количества эритроцитов, уровня гемоглобина, гематокрита, среднего объема эритроцитов, среднего содержания и средней концентрации гемоглобина в эритроците. Наиболее значительные изменения общего гематологического профиля были обнаружены при воздействии NaF, что авторы объясняют особенностями строения атома фтора [41]. Изменения гематологического профиля у животных, получающих питьевую воду с AlF3 или Al2(SO4)3, носили схожий характер и выражались в снижении концентрации гемоглобина, среднего содержания и средней концентрации гемоглобина в эритроците и концентрации тромбоцитов. Наибольшее количество морфологических нарушений эритроцитов наблюдалось у животных, получающих AlF3, которое было более чем в 2,5 раза выше, чем у животных, получающих Al2(SO4)3, и в 1,5 раза выше при получении NaF. В сыворотке крови животных, получающих Al2(SO4)3 или AlF3, установлено повышение концентрации глобулинов, липидов, мочевины, активности аланинаминотрансферазы, которое было более выражено в группе животных, экспонированных AlF3 При воздействии Al2(SO4)3 также наблюдали снижение в сыворотке активности щелочной фосфа-тазы, концентрации общего билирубина и повышение концентрации холестерола. При экспонировании NaF в сыворотке крови животных происходило возрастание концентрации мочевины, креатинина и снижение активности аспартатаминотрансферазы. Активность щелочной фосфатазы возрастала при экспонировании животных Al2(SO4)3 или NaF и была более выражена в последнем случае. Изменение активности кислой фосфатазы в сторону снижения наблюдалось лишь при действии AlF3. С учетом используемых в эксперименте токсических доз веществ авторы указывают на наличие синергичного токсического эффекта алюминия и фтора при их комбинированном воздействии [41]. Совместное влияние алюминия и фтора на костную ткань Уже в течение многих десятилетий фтор широко используется в профилактике и лечении остеопо-роза и кариеса зубов. В то же время исследования показывают, что антикариесное действие фтора неоднозначно и зависит от множества факторов [5]. В частности, показано, что микродозы алюминия способны увеличивать включение фтора в эмаль и способствуют его удержанию, усиливая кариесстати-ческую активность фтора [31]. В других исследованиях синергичного антикариесного действия алюминия и фтора не обнаружено. Так, в экспериментах in vitro проведен сравнительный анализ эффективности таких механизмов антикариозного действия фтора, как усиление реминерализации, ингибирование деминерализации и повышение кислотоустойчивости, при его изолированном и совместном с алюминием действии. Согласно полученным результатам эффективность процессов в обоих случаях находилась на одном уровне и, таким образом, потенцирующего действия алюминия не наблюдалось [32]. Особенностью действия фтора на костную ткань является его двойственность. С одной стороны, фтор необходим для формирования и развития костной ткани, 14 Экология человека 2018.09 Окружающая среда с другой стороны, потребление высоких концентраций фтора увеличивает риск развития костного флюороза, препятствует полноценному росту амелобластов, которые отвечают за формирование эмали зуба [5]. Влияние алюминия на депонирование фтора в костях исследовано на животных. В эксперименте крыс подвергали хроническому воздействию фтора в сочетании с алюминием и без него. NaF и AlCl3 животные получали с питьевой водой. Авторы обнаружили, что концентрация фтора в костях была ниже у животных, которых подвергали комбинированному воздействию алюминия и фтора [34]. При этом у данной группы животных, в отличие от животных, экспонированных только фтором, не наблюдали возрастания концентрации фтора при длительной экспозиции. В похожем эксперименте с кроликами установлено, что при добавке алюминия в воду у животных, экспонированных фтором, его концентрация в плазме, моче, зубах и костях снижалась. Данных эффект, по мнению авторов, может быть обусловлен влиянием алюминия на всасывание фтора в кишечнике. Авторы акцентируют внимание на том, что при употреблении фтора концентрация алюминия в костях животных возрастала даже в том случае, когда они его не получали. Наблюдаемые при повышенных концентрациях фтора патологии костной ткани могут быть обусловлены накоплением в ней алюминия или F-Al комплекса [14]. В экспериментах in vitro исследованы молекулярные механизмы совместного действия алюминия и фтора на пролиферацию и дифференциацию костной ткани. Для этого клетки остеобластов культивировали в среде, содержащей NaF и/или AlCl3. В ходе эксперимента обнаружен синергичный эффект алюминия и фтора на экспрессию ключевых транскрипционных факторов инициации и регуляции раннего остеогенеза и последующей минерализации костей, Runx2 и Osterix [26]. В других исследованиях показано, что фтор совместно с алюминием может оказывать влияние на пролиферацию остеобластов путем модуляции специфических ростовых факторов [33]. На первичной культуре макрофагов костного мозга показано, что фторид алюминия (ALF4-) через активацию G-белка способен усиливать RANKL-опосредованный остеокластогенез [20]. RANKL представляет собой цитокин и играет ключевую роль в дифференцировке и активации остеокластов, соответственно его гиперэкспрессия сопровождается резорбцией костной ткани и потерей костной массы. Совместное влияние алюминия и фтора на нервную систему Одним из основных описываемых в литературе нейротоксических эффектов алюминия является его участие в возникновении и развитии состояний деменции, и в частности болезни Альцгеймера (БА) [19, 22]. Чешские исследователи [43] показали, что для запуска механизмов БА необходимо совместное действие алюминия и фтора. В ходе экспериментов обнаружено, что некоторые из патологических изменений, связанных с БА, не индуцируются алюминием в одиночку. Их запуск происходит только в присутствии фторалюминиевых соединений. Эти вещества, по мнению авторов, могут выступать в качестве триггеров процессов нарушения гомеостаза, дегенерации и гибели клеток. Воздействуя на энергетический метаболизм, они могут ускорять процессы старения и снижать эффективность функционирования нервной системы. Авторы делают вывод, что именно эти соединения могут представлять собой серьезный и мощный фактор риска развития БА. В исследовании, проведенном Julie A. Varner с соавторами [47], обнаружено, что хроническое ней-ротоксическое действие алюминия усиливается в присутствии фтора. В эксперименте крысам давали питьевую воду, содержащую фторид алюминия или фторид натрия. В обоих случаях в ткани головного мозга животных наблюдали возрастание концентрации алюминия и обнаруживали патологические изменения, сходные с изменениями в мозге людей, страдающих БА и деменцией. При этом изменения имели количественные и качественные отличия и были более выражены у животных, экспонированных фторидом алюминия. Авторы считают, что фтор позволяет алюминию преодолеть гематоэнцефалический барьер, а также акцентируют внимание на том, что необходимы дальнейшие исследования для изучения роли данных веществ в формировании и развитии нейродегенеративных заболеваний. Еще одно исследование хронической экспозиции крыс алюминием и фтором также показало синергичный нейротоксический эффект данных веществ. В эксперименте токсические эффекты, вызываемые фтором (окислительный стресс, изменение концентрации нейромедиаторов), усиливались у животных, получающих одновременно фтор и алюминий. Гистологические исследования мозга экспонированных животных показали, что повреждения нейронов были более выражены при совместном действии фтора и алюминия [30]. Изолированное и комбинированное нейротокси-ческое действие алюминия и фтора изучено в экспериментах in vitro на культуре эмбриональных клеток нейронов гиппокампа крыс. В культуре клеток, обработанной хлоридом алюминия, наблюдали развитие и агрегирование соединительных волокон. Этот феномен усиливался, когда вместе с алюминием в культуру добавляли фторид натрия. Таким образом, наблюдали синергичное токсическое действие алюминия и фтора на метаболизм нейронного цитоскелета [46]. Антагонистическое нейротоксическое действие алюминия и фтора обнаружено в эксперименте с круглосуточной игналяционной экспозицией крыс в течение 5 месяцев пылью, содержащей NaF или AIF Показано, что возникающие у животных функциональные и морфологические изменения центральной нервной системы менее выражены при воздействии AIF3 [39]. Проанализированы данные по заболеваемости БА на территориях с различным содержанием в питьевой 15 Окружающая среда Экология человека 2018.09 воде алюминия и фтора. Установлено, что у людей частота возникновения и выраженность ментальных нарушений ниже в регионах с наибольшим содержанием в воде фтора [23]. Некоторые исследователи рекомендуют использовать соединения фтора для снижения содержания алюминия в тканях мозга и профилактики БА [13]. Таким образом, в настоящее время показано, что влияние алюминия и фтора на организм человека может быть обусловлено их совместным действием, которое может реализовываться на разных этапах взаимодействия с организмом, начиная от поступления в организм и заканчивая биохимическими процессами. При этом совместное действие этих элементов не только может являться результатом их взаимовлияния, но и носить совершенно иной характер, чем изолированное действие каждого элемента. Описываемые в литературе сложность и неоднозначность влияния алюминия и фтора на организм человека при их совместном действии указывают на необходимость дальнейшего изучения данного вопроса.

About the authors

M V Mintel

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: margovmp@list.ru

M A Zemlyanova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State University; Perm State UniversityPerm National Research Polytechnic University

I G Zhdanova-Zaplesvichko

Administration of Rospotrebnadzor in Irkutsk region

References

Supplementary files