COMBINED INFLUENCE OF HYPO AND HYPERMICROELEMENTOSIS ON FUNCTIONING OF CARDIOVASCULAR AND ENDOCRINE SYSTEMS AND ANXIETY LEVEL OF ADOLESCENTS

Full Text

Химический гомеостаз является необходимым компонентом сохранения здоровья, а избыточный или недостаточный уровень содержания микроэлементов в организме рассматривается в качестве фактора риска развития патологических изменений, в том числе психических заболеваний [13, 17, 27], а также экологического неблагополучия окружающей среды [1, 21]. В качестве маркеров экологического неблагополучия и нарушения химического гомеостаза могут выступать волосы и ногти, поскольку они наряду с другими биосубстратами (кровь, моча и др.) аккумулируют микроэлементы (МЭ), поступающие в 29 Медицинская экология Экология человека 2017.08 организм с питьевой водой, пищей, воздухом [2, 8]. Особенно актуальна проблема гипо- и гиперми-кроэлементозов детского организма, отличающегося от взрослого незавершенностью процессов биологического и психического развития [3, 10]. Цель исследования - выявить сочетанное влияние гипо- (Zn, Fe) и гипер- (Cd, Pb) микроэлементозов на функциональное состояние сердечно-сосудистой (ССС) и эндокринной систем и уровень тревожности у подростков 13 лет, проживающих в химически загрязненном районе Ставропольского края. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1) изучить сочетанное влияние гипо- и гипер-микроэлементозов на функциональную зрелость и функциональное состояние ведущих систем адаптации к факторам среды - гипоталамо-гипофизарно-адре-нокортикальной и ССС у подростков 13 лет; 2) выявить влияние гипо- (Zn, Fe) и гипер- (Cd, Pb) микроэлементозов на уровень тревожности подростков; 3) провести корреляционный анализ для выявления взаимозависимости показателей уровня тревожности, функционального состояния ССС, уровня кортизола и уровня тяжелых металлов (Cd, Pb) и эссенциальных МЭ (Fe, Zn, Cu). Методы В условиях естественного эксперимента изучено влияние химического загрязнения окружающей среды на организм подростков. На основании данных Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Ставропольского края [12] были выбраны химически наиболее загрязненные районы (концентрация вредных химических веществ, в том числе Cd и Pb, в воздухе являлась подпороговой - превышала ПДК в 2-6 раз) г. Невинномысска и относительно чистый (концентрация вредных химических веществ не превышала ПДК) Ленинский район г. Ставрополя, который условно считали экологически благополучным. Проведено поперечное обследование 284 подростков 13 лет, с рождения проживающих на данных территориях. Были сформированы две группы школьников: I контрольная - 141 учащийся средней общеобразовательной школы (СОШ) г. Ставрополя (67 мальчиков и 74 девочки); II экспериментальная - 143 учащихся СОШ № 8 и 11 г. Невинномысска (74 мальчика и 69 девочек). Все дети относились к первой и второй группам здоровья. По социальным условиям подростки обеих групп существенно не различались. Исследование проходило в соответствии с требованиями биомедицинской этики и Хельсинкской декларации о правах человека. Уровень МЭ (Cd, Pb, Fe, Zn, Cu) в волосах и ногтях определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе Perkin-Elmer 2280 (США). Подготовку проб и сухое озоление волос и ногтей проводили в соответствии с требованиями ГОСТа 26929-86 [5]. Важную роль в адаптации к факторам внешней среды играют эндокринная система и ССС, которые участвуют в процессах реализации генетической программы и в значительное мере определяют развитие и становление других систем растущего организма [6, 19]. Показателем функционального состояния гипоталамо-гипофизар-но-адренокортикальной системы (ГГАКС) являлось содержание кортизола (К) в слюне, определяемое иммуноферментным методом с использованием набора реактивов фирмы YSR (США) на приборе «Пикон». Забор слюны для исследования производился с 8.00 до 9.00 час, причем у девочек - на 12-15-й день овариально-менструального цикла, когда концентрация половых стероидов является максимальной. О состоянии ССС и ее регуляторных механизмов судили по показателям вариационной пульсометрии, которые определяли с помощью компьютерного прибора «Мир-05». Для оценки уровня тревожности подростков, проживающих в химически загрязненном районе, использовали тестовую методику «Шкала тревожности», разработанную на основе «Шкалы социально-ситуативной тревоги» Кондаша [15]. Исследования проводили с учетом циркадианного (с 8.00 до 13.00 час), циркасептального (вторник, среда) и сезонного (с 15 сентября до 01 ноября) биоритмов. Полученные данные подвергались статистической обработке в программе Microsoft Excel-2006 (с использованием параметрического t-критерия Стьюдента и корреляционного анализа по Пирсону). Результаты Согласно полученным данным (табл. 1), химическое загрязнение окружающей среды приводило к статистически значимому повышению накопления тяжелых металлов (Cd, Pb) в волосах (р < 0,05-0,001) и менее выраженному - в ногтях у подростков, проживающих на экологически неблагоприятной территории. Так, концентрация Cd в волосах школьников группы II в Таблица 1 Содержание металлов в волосах 13-летних подростков, проживающих в разных экологических условиях Металл Группа Мальчики Девочки Cd, мг/кг I 0,28±0,05 0,40±0,06 II 0,75±0,08*** 0,62±0,09* Pb, мг/кг I 0,022±0,002 0,016±0,003 II 0,032±0,002*** 0,031±0,003*** Fe, мг/кг I 0,51±0,07 0,88±0,18 II 0,24±0,04** 0,18±0,03** Zn, мг/кг I 2,64±0,21 2,75±0,35 II 1,17±0,13*** 0,87±0,08***# Cu, мг/кг I 0,018±0,003 0,040±0,005# II 0,030±0,006 0,036±0,003 Примечания: I - контрольная группа; II - экспериментальная группа; значимость различий средних величин контрольной и экспериментальной групп: * - р < 0,05, ** - р < 0,01, *** - р < 0,001; # - значимость межполовых различий. 30 Экология человека 2017.08 Медицинская экология 1,9 раза превышала таковой показатель в группе I; в ногтях - в 1,1 раза. Причем содержание Cd у мальчиков группы I было выше, чем у девочек, как в волосах, так и в ногтях, что указывает на более высокую степень кумуляции Cd в мужском организме. Уровень Pb и в волосах, и в ногтях у обследованных группы II был значимо (р < 0,05-0,001) выше (в 1,5 раза), чем у подростков контрольной группы. Значимых половых различий концентрации Pb в производных эпидермиса не обнаружили. Избыточное накопление Cd и Pb, выявленное нами в организме подростков, проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды, привело к нарушению концентрации эссенциальных МЭ в производных эпидермиса. У подростков группы II наблюдали статистически значимое (р = 0,013) снижение (в 3,4 раза) уровня Fe в волосах по сравнению с контролем. При этом у девочек концентрация элемента была в 4,9 раза, у мальчиков - в 2,1 раза ниже по сравнению с контролем. Можно предположить, что данный факт обусловлен гормональными изменениями, связанными с половым созреванием и появлением менструации у девочек 13 лет, что приводит к большим потерям Fe. Уровень Fe в ногтях подростков группы II также оказался ниже по сравнению с контролем, однако различия менее выражены; в ногтях содержание Fe у девочек также меньше, чем у мальчиков (р = 0,05). Таким образом, снижение уровня Fe в волосах и ногтях у подростков из химически загрязненного района свидетельствует о дефиците этого эссенциального МЭ в организме детей, что может в дальнейшем явиться причиной развития железодефицитной анемии и других функциональных нарушений. Анализ содержания Zn в волосах и ногтях у подростков группы II выявил статистически значимое (р < 0,001) его снижение по сравнению с контролем, причем в волосах уровень Zn был снижен в 2,3 раза у мальчиков и в 3,1 раза у девочек, в ногтях - в 2,6 и в 2,4 раза соответственно. Уровень Cu в производных эпидермиса у подростков группы II был в 1,1 раза выше, чем у подростков группы I. У девочек концентрация МЭ в волосах была выше, чем у мальчиков, причем в группе I в 2,2 раза (р = 0,013), в группе II - в 1,2 раза. Уровень Cu в ногтях у подростков оказался выше у мальчиков, чем у девочек, в 1,4 раза в группе I и в 1,3 раза - в группе II. Таким образом, на фоне повышенного поступления в организм из окружающей среды соединений Cd и Pb наблюдали снижение процесса усвоения эссен-циальных МЭ - Zn, Fe, а также нарушение обмена Cu, что свидетельствует о нарушении гомеостаза. Нами установлено, что повышенное содержание Cd и Pb и пониженное содержание Fe и Zn приводило к напряжению функции ГГАКС, судя по уровню периферического гормона - К в слюне (рис.1). Так, уровень К у мальчиков группы I составлял (10,11 ± 0,67) нмоль/л, у девочек - (10,52 ± 0,82) нмоль/л, что указывает на активное функционирование коры надпочечников у 13-летних подростков. У подростков группы II отмечали статистически значимое (р < 0,001) повышение уровня К в слюне (см. рис. 1) по сравнению с таковым в группе I. Причем концентрация К у мальчиков в группе II была в 1,71 раза, а у девочек - в 1,49 раза выше, чем в группе I, что указывает на большую реактивность коры надпочечников на хроническое воздействие химических факторов среды у мальчиков по сравнению с девочками. Мальчики Девочки □ 1 И 2 Рис. 1. Уровень кортизола в слюне у подростков 13 лет, проживающих в разных экологических условиях Примечания: *** - р < 0,001; 1 - «чистый» район, 2 - химически загрязненный район. Согласно полученным данным, частота сердечных сокращений (ЧСС) у мальчиков и девочек 13 лет, проживающих в условиях экологического благополучия, существенно не отличалась и составляла (84,9 ± 1,3) и (83,7 ± 2,0) уд./мин соответственно. Химическое загрязнение окружающей среды приводило к повышению ЧСС у девочек: (88,7 ± 2,8) и (92,0 ± 2,6) уд./ мин соответственно, р = 0,057. Более высокие, чем в группе I, показатели ЧСС у подростков группы II сочетались с увеличением амплитуды моды (АМо), р = 0,053 (рис. 2). Данный факт указывает на напряжение центральных механизмов управления ритмом работы сердца, и в первую очередь симпатического отдела вегетативной нервной системы (ВНС). Полученные данные согласуются с более низкими показателями среднеквадратичного отклонения (СКО) и вариационного размаха (АХ) (см. рис. 2), указывающими на снижение функциональной активности автономного контура регуляции ритма сердца и парасимпатического отдела ВНС. Так, у подростков группы I величина СКО составляла (56,8 ± 1,6) мс у мальчиков и (64,5 ± 2,2) мс у девочек, а в группе II - (52,1 ± 1,6) мс, р = 0,05, и (57,4 ± 2,7) мс, р = 0,052, соответственно. Показатели АХ снижение обнаруживали только у мальчиков группы II по сравнению с группой I (р = 0,051), что указывает на более высокую экосенситивность мужского организма в период полового созревания. В условиях химического загрязнения окружающей 31 Медицинская экология Экология человека 2017.08 Мо С КО □ 1 В 2 Рис. 2. Показатели кардиоинтервалографии подрс условиях Примечания: * - р < 0,05, ** - р < 0,01, *** загрязненный район. среды у подростков обоих полов отмечали статистически значимое (р < 0,001) уменьшение моды (Мо), что указывает на преобладание центральных механизмов регуляции хронотропной функции сердца, в частности симпатической регуляции, над гуморальной. И это вполне объяснимо, учитывая особенности становления эндокринной системы и необходимость участия гормонов в ростовых процессах в период «второго скачка роста» (пубертатный скачок). Проживание на химически загрязненной территории негативно отражается не только на соматическом, но и на психическом здоровье подростков. Определенный уровень тревожности - естественная и обязательная особенность активной деятельности личности. У каждого человека существует свой оптимальный или желательный уровень тревожности - так называемая полезная тревожность. Оценка человеком своего состояния в этом отношении является для него существенным компонентом самоконтроля и самовоспитания [11]. Согласно полученным данным (табл. 2), у подростков группы I показатели уровня тревожности у девочек были выше, чем у мальчиков: (41,4 ± 2,4) и (32,6 ± 2,0) балла соответственно, р = 0,012. Следует также отметить, что девочки контрольной группы обладали более высокими показателями межличностной - (14,1 ± 0,8) балла и самооценочной - (12,8 ± 0,9) балла тревожности по сравнению с мальчиками - (12,0 ± 1,0) и (9,9 ± 0,6) балла соответственно, что указывает на высокую значимость для девочек АМо XX □ 1 И 2 ков 13 лет, проживающих в разных экологических р < 0,001; 1 - «чистый» район, 2 - химически данной возрастной группы межличностного общения и оценки личностных качеств. Таблица 2 Показатели уровня тревожности подростков 13 лет, проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды Вид тревожности, район Маль чики Девочки р2 1. Общая «Чистый» (n = 141) 32,6±2,0 41,4±2,4 0,012 Химически загрязненный (n=143) р, 41,9±2,1 0,015 39,1±2,2 0,503 0,11 2. Школьная «Чистый» (n=141) 13,1±0,8 14,2±0,8 0,112 Химически загрязненный (n=143) р. 15,8±0,9 0,05 14,3±0,9 0,5 0,115 3. Самооценочная «Чистый» (n=141) 9,9±0,6 12,8±0,9 0,056 Химически загрязненный (n=143) р, 12,4±0,8 0,055 12,0±0,8 0,5 0,5 4. Межличностная «Чистый» (n=141) 12,0±1,0 14,1±0,8 0,05 Химически загрязненный (n=143) р, 13,3±0,8 0,115 12,1±0,5 0,052 0,156 Примечание. р1 - значимость различий средних величин контрольной и экспериментальной групп; р2 - значимость меж-половых различий. У подростков группы II статистически значимых половых различий по уровню тревожности не было выявлено (см. табл. 2). Это указывает, с одной сторо 32 Экология человека 2017.08 Медицинская экология ны, на более высокую экосенситивность центральной нервной системы (ЦНС) мальчиков по сравнению с девочками, а с другой - на относительное нивелирование половых различий по уровню тревожности. У мальчиков группы II уровень общей тревожности был выше по сравнению с уровнем контроля (р = 0,015); у них обнаружено значимое превышение показателей школьной и самооценочной тревожности (см. табл. 2), что косвенно может свидетельствовать о снижении функциональных возможностей ЦНС. У девочек группы II по сравнению с контролем был существенно снижен уровень межличностной тревожности (р = 0,052). Согласно критериям оценки уровня тревожности среди подростков, проживающих в химически загрязненном районе, у 3,7 % был выявлен очень высокий уровень школьной тревожности, в то время как в контрольной группе такие учащиеся отсутствовали, причем число девочек с высоким уровнем школьной тревожности оказалось в 2,9 раза больше, чем мальчиков. Среди мальчиков группы II чаще, чем среди девочек, встречались подростки с несколько повышенным и высоким уровнем тревожности (30,2 и 7,5 %, в контрольной группе - 5,7 и 6,2 % соответственно). Меньшее беспокойство у мальчиков из химически загрязненного района вызывает осознание «собственного Я»: 83,0 % имели нормальный уровень самооценочной тревожности, тогда как среди девочек - всего 40,7 %. У мальчиков группы II большую тревогу вызывали межличностные отношения: 15,1 % имели повышенный, а 7,5 % - высокий уровень межличностной тревожности, в то время как среди девочек таковые показатели составили только 7,4 и 1.9 % соответственно. Количество учащихся, характеризующихся, условно говоря, «чрезмерным спокойствием», в группе II было больше, чем в группе I, особенно среди девочек: у 50,0 % обследуемых девочек группы II обнаружено «чрезмерное спокойствие» по отношению к собственному Я, а количество таковых мальчиков только 1.9 %; в отношении обучения в школе соотношение мальчиков и девочек составило 7,4 % к 1,9 %, в сфере межличностных отношений - 16,7 % к 1,9 соответственно. В целом оценка степени выраженности тревожности в контрольной и экспериментальной группах показала, что среди подростков 13 лет, проживающих в химически загрязненном районе, 18,8 % имеют повышенный и высокий уровень тревожности, в то время как в экологически благоприятном районе таких подростков 6,0 %. Корреляционный анализ выявил тесную положительную связь уровня К в слюне у подростков, проживающих в условиях химического загрязнения окружающей среды, с концентрацией Cd и Pb в волосах (r = 0,71 и r = 0,73) и ногтях (r = 0,69 и r = 0,71 соответственно); с содержанием эссенциальных МЭ выявлены отрицательные связи. Тесная корреляционная связь установлена между уровнем К и содержанием Zn в волосах (r = -0,70), выраженная - между уровнем К и содержанием Cu (r = -0,55). Теснота корреляционных связей между уровнем К и содержанием Zn и Cu в ногтях несколько ниже (r = - 0,61 и r = -0,51 соответственно). Величина ЧСС положительно коррелировала с концентрацией Cd и Pb как в волосах, так и в ногтях, причем характер связи - от заметной до тесной (r = 0,42 ^ 0,71). Корреляционные связи ЧСС и содержания Cd и Pb в волосах были более тесные, чем в ногтях. По другим показателям вариационной пуль-сометрии между концентрациями Cd и Pb в волосах выявлены заметные положительные связи с АМо, индексом напряжения и отрицательные - с Мо (r = 0,31; 0,31; -0,30 соответственно). Между содержанием эссенциальных МЭ в волосах и ЧСС выявлена слабая отрицательная корреляция (r = -0,21). По другим показателям вариационной пульсометрии и содержанию эссенциальных элементов заметных корреляционных связей не выявлено. Уровень общей тревожности обнаруживал выраженные и тесные положительные связи с уровнем Cd и Pb в волосах и ногтях (r = 0,56 ^ 0,76) и выраженные отрицательные - с содержанием Fe и Zn (r = -0,56 ^ 0,67). Кроме того, заметные и выраженные положительные связи были обнаружены между показателями школьной, самоценочной и межличностной тревожности и содержанием Cd и Pb в волосах и ногтях. Концентрации Fe и Zn в волосах и ногтях отрицательно коррелировали с уровнем школьной, самооценочной и межличностной тревожности у подростков из химически загрязненного района (r = -0,41 + 0,69). Как и по другим показателям, более выраженная теснота корреляционных связей обнаружена в волосах: концентрация Cu в волосах и ногтях с уровнем тревожности коррелировала слабо отрицательно (r = -0,14 ^ -0,22). В целом корреляционный анализ подтвердил факт высокой информативной значимости содержания токсичных и эссенциальных МЭ в волосах как показателя функционального состояния ГГАКС, ССС, а также уровня общей, школьной, межличностной и самооценочной тревожности. Обсуждение результатов Ряд полученных нами данных показал качественное сопоставление с результатами других исследователей. В частности, В.А. Демидовым и А.В. Скальным [7] также не было выявлено статистически значимых половых различий концентрации Pb в производных эпидермиса. Сходные данные по показателям ЧСС у подростков 13 лет в экологически благополучных районах получены Е. А. Милашечкиной [9]. В условиях химического загрязнения окружающей среды подпороговыми дозами Cd и Pb наряду с гипер-микроэлементозом тяжелых металлов регистрировали гипомикроэлементоз эссенциальных МЭ - Zn и Fe, причем в волосах содержание Zn было снижено в 2,3 раза у мальчиков и в 3,1 раза у девочек, в ногтях 33 Медицинская экология Экология человека 2017.08 - в 2,6 и в 2,4 раза соответственно. Факт статистически значимого снижения содержания Zn в волосах и ногтях школьников 13 лет экспериментальной группы по сравнению с контролем можно объяснить антагонистическими отношениями между изучаемыми тяжелыми и эссенциальными МЭ [1]. Следует отметить, что, согласно данным литературы [16, 18], Zn участвует в процессах развития репродуктивных органов, необходим для синтеза гормонов (инсулин, кортикотропин,соматотропин,гонадотропины),вхо-дит в состав половых гормонов, влияет на активность гонадотропных гормонов гипофиза. Так как в норме в 13-летнем возрасте девочки опережают мальчиков по уровню полового созревания, то, возможно, этот факт может объяснить более выраженное снижение уровня Zn у девочек. С другой стороны, более высокий уровень половых стероидов у девочек 13 лет по сравнению с мальчиками [9] является стресс-лимитирующим фактором, что выражается в меньшей реактивности пучковой зоны коры надпочечников на дисбаланс МЭ в организме, детерминированный химическим загрязнением окружающей среды. В условиях химического загрязнения окружающей среды у подростков 13 лет отмечали статистически значимое уменьшение Мо (р < 0,001) вне зависимости от пола, что указывает на преобладание центральных механизмов регуляции хронотропной функции сердца, в частности симпатической регуляции, над гуморальной. И это вполне объяснимо, учитывая особенности становления эндокринной системы и необходимость участия гормонов в ростовых процессах в период «второго скачка роста» (пубертатный скачок). Напряжение симпатического отдела ВНС может в дальнейшем привести к патологическим изменениям функции сердца. Активация симпатического отдела ВНС как ответ на включение центрального контура регуляции ритма сердца, о котором свидетельствует рост индекса напряжения у подростков 13 лет, особенно у мальчиков, может вызвать повышение тонуса гладкомышечных клеток, входящих в структуры стенок сосудов, а высокие показатели ЧСС покоя могут явиться причиной развития вегетососудистой дистонии, анемии, заболеваний ЦНС [4]. Измерение тревожности как свойства личности особенно важно, так как это свойство во многом обусловливает поведение субъекта и его адаптационный потенциал [14]. Преобладание среди девочек группы II по сравнению с мальчиками представителей с «чрезмерным спокойствием» по поводу обучения в школе (7,4 и 1,9 %) и межличностных отношений (16,7 и 1,9 % соответственно) в период гормональных перестроек можно объяснить тем, что нечувствительность к неблагополучию носит компенсаторный, защитный характер и может препятствовать полноценному формированию личности, при этом школьник как будто не допускает неприятный опыт в сознание. Эмоциональное неблагополучие в этом случае сохраняется ценой неадекватного отношения к действительности. По Е. И. Рогову [15], за «чрезмерным спокойствием» может скрываться повышенная тревога, о которой подросток по тем или иным причинам не хочет сообщать окружающим. Полученные нами данные согласуются с результатами исследования Sanders et al. [26], которые показали, что на физическое и психическое развитие детей могут оказывать негативное воздействие низкие уровни экспозиции к Pb (<100 мкг/л крови). Имеются доказательства нейротоксичности Pb и Cd в пренатальный период [20, 24], вызывающих субклинические дисфункции [25]. Учитывая тот факт, что экспозиция Pb и Cd происходит в основном через продукты питания, питьевую воду, воздух, табачный дым [22, 23], выявление биомаркеров нейротоксичности и патологии эндокринной системы и ССС играет важную роль при реализации программы биомониторинга человека. Таким образом, комплекс негативных изменений у подростков, проживающих в условиях техногенного загрязнения окружающей среды, включающий нарушение баланса МЭ в волосах и ногтях (гипер-микроэлементоз Cd и Pb и гипомикроэлементоз Zn и Fe), изменения в функционировании ведущих адаптационных систем - гипоталамо-гипофизар-но-адренокортикальной и ССС, изменение уровня тревожности, может быть использован в качестве маркера дизадаптации и предиктора психосоматического неблагополучия. В свою очередь, раннее выявление указанных нарушений будет способствовать их своевременной коррекции.

About the authors

L Ivanovna Gubareva

North-Caucasus Federal University

Email: l-gubareva@mail.ru
Stavropol

A G Soloviev

Northern State Medical University

Arkhangelsk, Russia

G V Bicheva

North-Caucasus Federal University

Stavropol

L S Ermolova

North-Caucasus Federal University

Stavropol

References

Supplementary files