Imbalance of Barium, Strontium, and Manganese Levels in the Human Body in Breast Cancer

Full Text

ОБОСНОВАНИЕ

Антропогенное загрязнение окружающей среды создаёт серьёзную проблему своими негативными последствиями для здоровья человека [1]. Одной из актуальных задач биомониторинга является установление связей между состоянием окружающей среды и здоровьем населения. Среди многофакторного характера загрязнений ключевой проблемой является воздействие тяжёлых металлов, поскольку их дисбаланс в организме является потенциально опасным. Тяжёлые металлы присутствуют в составе земной коры, а также в воздухе, воде, почве и растениях [2, 3]. Кроме того, источником поступления металлов в организм являются медикаменты, продукты питания, напитки и пищевые добавки [4]. Тяжёлые металлы имеют свойство избирательно накапливаться в определённых органах и тканях, структурно и функционально нарушая их [5]. Избыточные концентрации данных микроэлементов могут оказывать угнетающее токсическое действие, а также вызывать серьёзные нарушения функций на уровне клетки и ткани, приводя к патологическим изменениям в организме и развитию серьёзных заболеваний, в том числе онкологических [6, 7].

В городах с неблагополучной экологической ситуацией и при наличии крупных промышленных предприятий отмечают более высокий онкологический риск для населения [8, 9]. Одним из наиболее распространённых злокачественных заболеваний женщин во всём мире является рак молочной железы (РМЖ) [10]. Как известно, помимо генетических факторов, курения и образа жизни, повышающих риск его развития, многие загрязнители окружающей среды также обладают канцерогенным эффектом [11, 12]. В последние годы обнаружено, что метаболизм некоторых тяжёлых металлов связан с возникновением РМЖ [8, 13–15]. Одним из важных последствий техногенной нагрузки на организм является возникновение окислительного стресса, что приводит к образованию активных форм кислорода и свободных радикалов, снижающих энергетический потенциал клеток. Для защиты клеток от радикалов активируется система антиоксидантных ферментов, в том числе супероксиддисмутазы (СОД). В организме человека ионы марганца (Mn²⁺ и Mn³⁺) являются наиболее распространёнными окислёнными состояниями. Они входят в состав фермента марганцевой СОД, которая отвечает за детоксикацию активных форм кислорода в митохондриях при окислительном стрессе. Именно поэтому при избыточном поступлении марганца вероятны нарушения многих ферментных систем с развитием серьёзных токсических эффектов [16]. Токсическое действие тяжёлых металлов приводит к вытеснению эссенциальных элементов из металлсодержащих комплексов. За счёт близости атомных радиусов стронций может замещать кальций в минеральном матриксе костей, а также в важнейших регуляторных процессах, обусловливая его аккумуляцию в организме [17]. При этом стронций влияет на динамику иммунных клеток, а также выработку противовоспалительных цитокинов. Барий в низких концентрациях является важнейшим эссенциальным элементом, обеспечивая корректное функционирование нервной системы [18]. Имея с калием практически одинаковые размеры радиуса, барий может конкурировать с ним в биохимических процессах [19]. При высоких концентрациях он способен блокировать калиевые каналы нейронов, меняя при этом баланс натрия и калия, что приводит к нарушению функций клеточной мембраны.

В качестве биологических индикаторов содержания тяжёлых металлов в организме используют кровь, волосы, мочу, слюну и др. [5, 20]. Исследование крови для регулярного мониторинга является затруднительным в виду инвазивности методик отбора биоматериала. Моча и волосы не отражают действующую нагрузку, а показывают интенсивность элиминации тяжёлых металлов из организма. Использование слюны человека в качестве биосубстрата имеет преимущества по сравнению с венозной или капиллярной кровью, а именно: неинвазивность сбора и отсутствие риска инфицирования при получении биоматериала [21, 22]. При этом слюна объективно демонстрирует влияние как различных внешних факторов окружающей среды, так и внутренних биохимических процессов, а также отражает системное действие заболеваний на организм человека [23]. Ранее мы установили повышенное содержание бария, стронция и марганца в слюне работников теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) [23]. Согласно литературным данным, перечисленные металлы могут быть вовлечены в процесс канцерогенеза при РМЖ [8, 13]. Однако остаётся неясным, какие тяжёлые металлы можно использовать в качестве предикторов развития РМЖ и увеличение концентрации каких из них связано с загрязнением окружающей среды или профессиональными вредностями [11].

Цель

Проанализировать взаимосвязь содержания тяжёлых металлов (стронция, марганца, бария) в слюне с профессиональными условиями труда и наличием онкологического заболевания на примере РМЖ.

МЕТОДЫ

Дизайн исследований

Проведено наблюдательное одноцентровое одномоментное исследование.

Критерии соответствия

Среди критериев включения в основную группу выделяли:

• женский пол;
• возраст 30–70 лет;
• наличие подтверждённого диагноза инвазивного рака молочной железы либо доброкачественного заболевания молочных желёз;
• отсутствие какого-либо лечения на момент проведения исследования, в том числе хирургического, химиотерапевтического или лучевого;
• отсутствие признаков активной инфекции, включая гнойные процессы;
• проведённая санация полости рта.

Дополнительные критерии включения: в контрольную группу — здоровые женщины без профессиональных вредностей, группу сравнения — женщины, работающие на ТЭЦ.

Критерии невключения:

• отсутствие гистологической верификации диагноза;
• наличие хронических, воспалительных и инфекционных заболеваний;
• наличие воспалительных заболеваний полости рта, способных повлиять на результаты анализа слюны.

Условия проведения исследования

Пациенты основной группы набраны на базе приёмного отделения БУЗОО «Клинический онкологический диспансер» г. Омска, пациенты контрольной группы — на базе отделения переливания крови БУЗОО «Клинический онкологический диспансер» г. Омска в 2023−2024 гг. Группу сравнения набирали при проведении плановой диспансеризации сотрудников ТЭЦ в 2017−2018 гг.

Сбор и анализ образцов слюны

Образцы слюны собирали путём сплёвывания без дополнительной стимуляции в интервале 8–10 часов утра (время максимальной секреции слюны), натощак после предварительного полоскания полости рта водой. Непосредственно после сбора образцы центрифугировали при 10 000×g в течение 10 мин с использованием медицинской центрифуги ЦЛн-16® (Xiangzhi Centrifuge, Китай). Отбирали 1 мл верхнего слоя, переносили в пробирки типа Эппендорф и хранили в морозильной камере при температуре −80 °С до проведения анализа.

Основной исход исследования

Содержание стронция, марганца, бария в слюне женщин в зависимости от профессиональных условий труда и наличия онкологического заболевания на примере РМЖ.

Дополнительный исход исследования

Сравнение концентрации стронция и марганца в слюне у женщин с РМЖ в зависимости от его стадии и молекулярно-биологического подтипа.

Методы регистрации исходов

Определение стронция, бария и марганца проводили методом капиллярного электрофореза с использованием системы КАПЕЛЬ-105М^® (Люмэкс, Россия) в соответствии с ранее описанной методикой [23].

Этическая экспертиза

Исследование одобрено на заседаниях комитета по этике Омского государственного педагогического университета (протоколы № 46/04-2 от 20.03.2024 и № 46-04/3 от 17.04.2024). У всех участниц предварительно получено информированное добровольное согласие.

Статистический анализ

Принципы расчёта размера выборки: размер выборки предварительно не рассчитывали.

Методы статистического анализа данных. Статистический анализ выполнен при помощи программ Statistica® 10.0 (StatSoft, Соединённые Штаты Америки) непараметрическим методом с использованием в зависимых группах критерия Вилкоксона, в независимых — U-критерия Манна–Уитни после предварительной проверки характера распределения и гомогенности дисперсий в группах. Результаты представлены в виде Me [Q25; Q75], где Ме — медиана, Q25 и Q75 — 25-й и 75-й процентиль соответственно. Различия считали статистически значимыми при p <0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Формирование и характеристики выборки

Мы использовали образцы слюны женщин-добровольцев, разделённых на следующие группы и подгруппы:

• 1-я подгруппа основной группы — пациентки с гистологически подтверждённым диагнозом инвазивного РМЖ в возрасте 58,4±9,38 года (n=110);
• 2-я подгруппа основной группы — пациентки с доброкачественными заболеваниями молочных желёз в возрасте 46,7±13 лет (фиброаденомы, n=62);
• контрольная группа — здоровые женщины без профессиональных вредностей в возрасте 48,2±7,95 года (n=97).

Статистически значимых различий между группами по возрасту не выявлено.

Дополнительно сформирована группа сравнения, включающая женщин-добровольцев (n=41), работающих на ТЭЦ г. Омска, где воздействие тяжёлых металлов рассматривают как вредный производственный фактор. Средний возраст участниц этой группы составил 47,5±9,88 года.

У всех пациенток 1-й подгруппы гистологически и цитологически подтверждена инвазивная карцинома молочных желёз следующих стадий:

• стадия I — 30 (27,3%);
• стадия II — 55 (51,8%);
• стадии III и IV — 23 (20,9%).

Кроме того, выборка включала пациенток с разными молекулярно-биологическими подтипами РМЖ:

• тройной негативный РМЖ (ТНРМЖ) — 16 (14,5%);
• люминальный А — 36 (32,7%);
• люминальный В [отрицательный по рецепторам эпидермального фактора роста 2 (HER2)] — 34 (30,9%);
• люминальный В (HER2-положительный) — 12 (10,9%);
• нелюминальный — 12 (10,9%).

У женщин контрольной группы не выявлено патологий молочных желёз по данным плановых маммографии и ультразвукового исследования.

Основные результаты исследования

В слюне у женщин 1-й подгруппы отмечено повышение содержания стронция и марганца (табл. 1). Концентрация марганца статистически значимо увеличилась на 117% (р=0,045), он обнаружен в 84,5% образцов по сравнению с 7,2% в контрольной группе. Стронций в слюне у женщин контрольной группы не обнаружен, тогда как у пациенток 1-й подгруппы его концентрация выше предела обнаружения в 38 образцах из 110 (34,5%). У пациенток 2-й подгруппы стронций и марганец также присутствовали в слюне (19,4 и 64,5% соответственно), однако увеличение их концентраций не было статистически значимым (см. табл. 1). Для стронция установлено статистически значимое повышение концентрации в слюне пациенток 1-й подгруппы по сравнению со 2-й подгруппой (p=0,032). Различий в содержании бария между исследуемыми группами не выявлено.

Таблица 1. Содержание стронция, бария и марганца в слюне женщин в группах

Table 1. Salivary concentrations of strontium, barium, and manganese in women from the study groups

Примечание. Результаты представлены в виде Me [Q25; Q75], где Ме — медиана, Q25 и Q75 — 25-й и 75-й процентиль соответственно. ¹ — статистически значимые отличия от показателя 1-й подгруппы, p=0,0327; ² — статистически значимые отличия от показателя 1-й подгруппы, p <0,0001; ³ — статистически значимые отличия от показателя 1-й подгруппы, p=0,0452.

Показано, что концентрация стронция в слюне у пациенток 2-й подгруппы и женщин группы сравнения не имеет статистически значимых различий. Однако его чаще выявляли у женщин группы сравнения, чем в остальных группах. Тем не менее концентрация стронция в слюне пациенток 1-й подгруппы превышала его содержание в группе сравнения в 3,5 раза (p <0,001) и в 3,3 раза — по сравнению с пациентками 2-й подгруппы (р=0,032). Содержание бария не демонстрировало зависимости ни от условий труда, ни от наличия патологии молочных желёз. Для марганца установлены схожие концентрации у пациенток 1-й и 2-й подгрупп, при этом в обеих подгруппах его содержание было выше, чем у женщин группы сравнения на 105,2 и 57,9% соответственно.

Дополнительные результаты исследования

На следующем этапе проведено сравнение концентрации стронция и марганца в слюне в зависимости от стадии РМЖ (рис. 1).

Рис. 1. Концентрация стронция (а) и марганца (b) в слюне женщин с раком молочной железы в зависимости от его стадии.

Fig. 1. Salivary concentrations of strontium (a) and manganese (b) in women with breast cancer, depending on disease stage.

Содержание стронция в слюне повышается на:

• I стадии РМЖ в 2,6 раза (р=0,013);
• II стадии — в 4,1 раза (р <0,001);
• III–IV стадии — в 4,6 раза (р <0,001) (см. рис. 1, а).

При этом частота обнаружения стронция в слюне растёт при переходе от ранних стадий РМЖ к распространённым: 40 и 47,8% на I и III–IV стадии соответственно. Аналогичная ситуация характерна для марганца (см. рис. 1, b). Его содержание в слюне увеличивается с прогрессированием стадии РМЖ, а именно:

• на I стадии РМЖ в 1,9 раза;
• на II стадии — в 2,2 раза;
• на III–IV стадии — в 2,6 раза (р=0,015) (см. рис. 1, b).

Частота обнаружения ионов марганца в слюне также увеличена с 86,7 до 91,3% на I и III–IV стадии РМЖ соответственно.

Дополнительно мы проанализировали изменение концентрации стронция и марганца в зависимости от молекулярно-биологического подтипа РМЖ (рис. 2). Для стронция показано статистически значимое увеличение концентрации при HER2-положительных подтипах [люминальном В (+) и нелюминальном — в 8,4 и 8,1 раза соответственно]. Минимальное изменение концентрации стронция показано для люминальных HER2-отрицательных подтипов РМЖ [люминальном А и B (−) — в 3,6 и 2,3 раза соответственно] (см. рис. 2, а). Кроме того, отмечено статистически значимое увеличение концентрации стронция при HER2-положительных подтипах по сравнению с люминальным В (−) РМЖ и группой сравнения (р <0,001). При ТНРМЖ концентрация стронция также увеличена в 9,3 раза относительно группы сравнения (р <0,001). Для марганца повышение концентрации выявлено только при нелюминальном и ТНРМЖ — в 2,6 и 2,8 раза соответственно (см. рис. 2, b). Отличия от контрольной группой статистически значимы для нелюминального (р=0,031) и ТНРМЖ (р=0,013).

Рис. 2. Концентрация стронция (а) и марганца (b) в слюне женщин с раком молочной железы в зависимости от его молекулярно-биологического подтипа. Люм А — люминальный А; Люм B (−) — люминальный B (−); Люм B (+) — люминальный B (+); Нелюм — нелюминальный; ТНРМЖ — тройной негативный рак молочной железы.

Fig. 2. Salivary concentrations of strontium (a) and manganese (b) in women with breast cancer, depending on molecular subtype. Lum A, luminal A; Lum B (−), luminal B (−); Lum B (+), luminal B (+); Non-lum, non-luminal; TNBC, triple-negative breast cancer.

ОБСУЖДЕНИЕ

Показано, что концентрация исследуемых тяжёлых металлов статистически значимо выше у пациенток с РМЖ по сравнению с остальными группами. Так, содержание марганца в слюне пациенток с РМЖ статистически значимо выше, чем женщин контрольной и сравнения групп (см. табл. 1). Поступление марганца из окружающей среды, даже при условии повышенных концентраций, процесс очень медленный. Для достижения хронической интоксикации марганцем требуется несколько лет [16]. Он обладает большой комплексообразующей способностью, служит кофактором многих ферментов (СОД, каталазы, аргиназы) [23]. В исследуемых группах без РМЖ концентрация марганца находится в пределах нормы. Развитие злокачественной опухоли в организме человека может сопровождаться дисбалансом микро- и макроэлементов. Одним из ключевых механизмов, вовлечённых в канцерогенез, является окислительный стресс, вызывающий повреждение мембран клеток и митохондрий, липидов, белков, нарушение водно-ионного гомеостаза и нуклеотидной последовательности дезоксирибонуклеиновых кислот, а также вегетативно-медиаторную дисфункцию клетки [24]. В ответ на окислительный стресс возрастает активность фермента СОД. Марганцевая СОД является основным ферментом, который отвечает за детоксикацию активных форм кислорода в митохондриях [25]. Вероятно, увеличение содержания марганца в слюне женщин с РМЖ связано с реакцией организма в виде повышения активности данного фермента. Полученные данные свидетельствуют о том, что не всегда повышение концентрации тяжёлых металлов, в частности марганца, является результатом техногенной нагрузки и следствием работы на вредных производствах. Кроме того, установлено, что с увеличением стадии заболевания и ростом опухолевой массы концентрация марганца увеличивается. Именно поэтому его накопление можно рассматривать как специфический маркёр опухолевого процесса. При этом, по данным литературы, содержание марганца в сыворотке при РМЖ может снижаться, тогда как в слюне, напротив, повышаться, что обусловлено системным дисбалансом и нарушением метаболических путей [13, 26].

Установлено, что концентрация стронция статистически значимо выше в слюне пациенток с РМЖ по сравнению с женщинами группы сравнения. Его распределение и метаболизм в организме человека аналогичны кальцию: около 99% стронция депонируется в костной и соединительной ткани, а также в зубах. При этом он участвует в постоянном обмене между костной тканью и кровью, поддерживая динамический баланс [26]. Стронций способен замещать кальций в минеральном матриксе костной ткани и относительно быстро обмениваться с ним в плазме или костной массе, нарушая регуляцию внутриклеточных сигнальных каскадов [18, 28]. Ранее установлено, что при РМЖ наблюдают снижение концентрации кальция [29]. Отмечено увеличение содержания стронция при переходе от ранних к более распространённым стадиям РМЖ, что, вероятно, обусловлено системным воздействием заболевания. Именно поэтому при снижении концентрации кальция закономерно наблюдают рост содержания стронция. Его повышение в слюне женщин с РМЖ можно связать с разрушением мембран клеток крови и выходом ионов стронция из внутриклеточного пространства. Он имеет способность опосредованно модифицировать транскрипцию некоторых генов, контролирующих апоптоз, что поясняет увеличение содержания стронция именно у пациенток с РМЖ [29]. В слюне здоровых женщин контрольной группы он не обнаружен. Таким образом, наличие стронция в организме можно связать как с определёнными вредными условиями труда, так и с наличием системного заболевания, включая РМЖ. Результаты настоящего исследования демонстрируют, что на содержание тяжёлых металлов в слюне в большей степени влияет системное воздействие основного заболевания.

Дополнительно показано, что увеличение концентрации марганца и стронция зависит от молекулярно-биологического подтипа РМЖ, что подтверждено и в другом исследовании [30]. Так, повышение концентрации марганца наблюдали для таких подтипов, как нелюминальный, люминальный B (HER2-положительный) и ТНРМЖ, которые характеризуются агрессивным течением и неблагоприятным прогнозом. Для стронция выявлено увеличение концентрации при нелюминальном и ТНРМЖ. Эти подтипы объединяет отсутствие рецепторов эстрогена и прогестерона, что также является прогностически неблагоприятным признаком РМЖ. Таким образом, наблюдают повышение концентрации тяжёлых металлов в слюне как при увеличении стадии заболевания, так и при росте агрессивности молекулярного подтипа РМЖ. Результаты многих исследований говорят о сложном характере нарушений обмена металлов в организме при развитии онкологических заболеваний [9, 14, 25]. Некоторые элементы могут находиться в дефиците, тогда как избыток других способен оказывать токсическое воздействие, способствуя развитию онкопатологии. Полученные на данный момент результаты позволяют оценить степень риска развития онкологических заболеваний при нарушении обмена конкретных металлов в организме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что при РМЖ происходит увеличение содержания марганца и стронция в слюне, прямо пропорциональное стадии заболевания и степени агрессивности опухоли. Для бария подобных закономерностей не выявлено. Сравнение с образцами слюны женщин с вредными профессиональными условиями труда позволяет предположить, что источником поступления тяжёлых металлов является не окружающая среда, а внутренний дисбаланс микроэлементов в организме. В результате этого именно в слюне наблюдают накопление стронция и марганца при прогрессировании РМЖ.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Е.А. Сарф — проведение исследования, сбор и анализ литературных данных, подготовка и написание текста рукописи; Л.В. Бельская — концепция исследования, сбор и анализ литературных данных, проведение исследования, анализ данных, написание и редактирование текста рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом Омского государственного педагогического университета (протоколы № 46/04-2 от 20.03.2024 и № 46-04/3 от 17.04.2024). Все участники исследования до включения в исследование добровольно подписали форму информированного согласия, утверждённую в составе протокола исследования этическим комитетом.

Источники финансирования. Научное исследование проведено за счёт гранта Российского научного фонда «Диагностическая и прогностическая значимость аминокислотного профиля слюны при раке молочной железы» (грант РНФ № 23-15-00188).

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, доступны в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: E.A. Sarf: investigation, data curation, writing—original draft; L.V. Bel’skaya: conceptualization, data curation, investigation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: The study was approved by the Local Ethics Committee of Omsk State Pedagogical University (Protocols No. 46/04-2 dated March 20, 2024, and No. 46-04/3 dated April 17, 2024). All participants provided written informed consent, approved by the Ethics Committee as part of the study protocol, prior to inclusion in the study.

Funding sources: The study was supported by the Russian Science Foundation grant: Diagnostic and Prognostic Significance of the Salivary Amino Acid Profile in Breast Cancer (RSF Grant No. 23-15-00188).

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously published material (text, images, or data) was used in this work.

Data availability statement: All data generated during this study are available in this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

About the authors

Elena A. Sarf

Email: nemcha@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4918-6937
SPIN-code: 9161-0264
Russian Federation, Omsk

Lyudmila V. Bel’skaya

Author for correspondence.
Email: belskaya@omgpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6147-4854
SPIN-code: 4189-7899

Cand. Sci. (Chemistry)

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Salivary concentrations of strontium (a) and manganese (b) in women with breast cancer, depending on disease stage.

Download (102KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Salivary concentrations of strontium (a) and manganese (b) in women with breast cancer, depending on molecular subtype. Lum A, luminal A; Lum B (−), luminal B (−); Lum B (+), luminal B (+); Non-lum, non-luminal; TNBC, triple-negative breast cancer.

Download (94KB)

Indexing metadata