IMBALANCE OF BARIUM, STRONTIUM AND MANGANESE IN THE HUMAN BODY IN BREAST CANCER

Full Text

Антропогенное загрязнение окружающей среды создает серьезную проблему своими негативными последствиями для здоровья человека [1]. Одной из актуальных задач биомониторинга  является установление связей между состоянием окружающей среды и здоровьем населения. Приоритетной проблемой многофакторного загрязнения является воздействие тяжелых металлов на организм человека, нарушение  баланса которых в организме может быть 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, пищевые добавки [4]. Тяжёлые металлы имеют свойство избирательно накапливаться в определенных 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 серьезных заболеваний, в том числе онкологических [6, 7].

 В  городах с неблагополучной экологической ситуацией и при наличии крупных промышленных предприятий онкологический риск для населения считается более высоким [8, 9]. Одним из наиболее распространенных злокачественных заболеваний женщин во всем мире является  рак молочной железы (РМЖ) [10]. Как известно, помимо генетических факторов, курения и образа жизни, которые, связаны с повышением риска РМЖ, многие загрязнители окружающей среды обладают канцерогенным эффектом [11, 12]. В последние годы было обнаружено, что метаболизм  некоторых тяжелых 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 (АФК) 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 (II) и (III) являются наиболее распространенными окисленными состояниями. Марганец (II) и (III) входит в состав фермента марганцевой супероксиддисмутазы (MnSOD), которая отвечает за детоксикацию активных форм кислорода в митохондриях при окислительном стрессе. Поэтому при избыточном поступлении марганца вероятны нарушения многих ферментных систем с развитием серьезных токсических эффектов [16]. Токсическое действие тяжелых металлов приводит к вытеснению эссенциальных металлов из металлсодержащих комплексов. За счет 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 барий способен блокировать калиевые каналы нейронов, меняя при этом баланс натрия и калия, что приводит к нарушению функций клеточной мембраны.

В настоящее время в качестве биологических индикаторов содержания тяжелых металлов в организме используются кровь, волосы, моча, слюна 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 говорят о более длительных процессах поступления металлов, показывая интенсивность элиминации тяжелых металлов из организма. Использование в качестве биосубстрата слюны человека имеет ряд преимуществ, по сравнению с венозной или капиллярной кровью, а именно неинвазивностью сбора и отсутствием риска инфицирования при получении биоматериала [21, 22]. При этом слюна объективно отражает влияние, как различных внешних факторов окружающей среды, так и внутренних биохимических процессов и отражает системное действие заболеваний на организм человека [23].  Ранее нами показано, что содержание бария, стронция и марганца было повышено в слюне работников ТЭЦ [23]. Согласно литературным данным перечисленные металлы могут быть вовлечены в процесс канцерогенеза при РМЖ [8, 13]. Однако, неясно, какие тяжелые металлы можно использовать в качестве предикторов заболеваемости РМЖ, и увеличение концентрации которых является следствием загрязнения окружающей среды или профессиональной вредности [11].

Целью работы являлось проанализировать взаимосвязь содержания тяжелых металлов (стронция, марганца, бария) в слюне с профессиональными условиями труда и наличием онкологического заболевания на примере РМЖ.

Материалы и методы

Дизайн исследований

В качестве объекта исследования были использованы образцы слюны добровольцев с гистологически подтвержденным диагнозом инвазивный рак молочной железы (n=110), доброкачественными заболеваниями молочных желез (фиброаденомы, n=62) и здоровых добровольцев (контрольная группа, n=97). Возраст добровольцев составил 58,4±9,38 лет для подгруппы пациентов с РМЖ, 46,7±13,0 лет для доброкачественных заболеваний и 48,2±7,95 лет для контрольной группы соответственно. Статистически значимых различий между группами по возрасту не выявлено. 

Дополнительно были получены образцы слюны добровольцев женского пола, являющихся сотрудниками ТЭЦ, у которых загрязнение тяжелыми металлами можно рассматривать как вредный производственный фактор (группа сравнения). Данная подгруппа включала 41 добровольца возрастом 47,5±9,88 лет.

Включение в группы происходило параллельно. В качестве критериев включения рассматривались: женский пол, возраст пациентов 30–70 лет, отсутствие какого-либо лечения на момент проведения исследования, в том числе хирургического, химиотерапевтического или лучевого, отсутствие признаков активной инфекции (включая гнойные процессы), проведение санации полости рта. Критерии невключения: отсутствие гистологической верификации диагноза. Наличие хронических, воспалительных и инфекционных заболеваний было исключено при осмотре терапевтом в рамках плановой диспансеризации. Дополнительно проведен осмотр стоматолога, чтобы исключить наличие воспалительных заболеваний полости рта, способных повлиять на результаты анализа слюны.

У всех пациенток с РМЖ гистологически и цитологически была подтверждена инвазивная карцинома молочных желез следующих стадий: стадия I – 30 (27,3%), II – 55 (51,8%), III+IV – 23 (20,9%). Выборка включала пациенток с разными молекулярно-биологическими подтипами РМЖ: тройной негативный (ТНРМЖ) – 16 (14,5%), люминальный А – 36 (32,7%), люминальный В (HER2-отрицательный) – 34 (30,9%), люминальный В (HER2-положительный) – 12 (10,9%), нелюминальный РМЖ – 12 (10,9%). У добровольцев контрольной группы не было выявлено патологий молочных желез при плановом маммографическом и ультразвуковом исследованиях.

Исследования одобрены на заседании комитета по этике Омского государственного педагогического университета (№ 46/04-2 от 20.03.2024г., № 46-04/3 от 17.04.2024 г.). У всех добровольцев предварительно получено информированное согласие.

Сбор и анализ образцов слюны

Образцы слюны собирали путем сплевывания 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 минут (ЦЛн-16), отбирали 1 мл верхнего слоя, переносили в пробирки типа Эппендорф и хранили в морозильной камере при температуре -80°С до проведения анализа.

Определение стронция, бария и марганца проводили методом капиллярного электрофореза с использованием системы КАПЕЛЬ-105М (Люмэкс, Санкт–Петербург) как описано ранее [23].

Статистический анализ

Статистический анализ выполнен при помощи программ Statistica 10.0 (StatSoft) непараметрическим методом с использованием в зависимых группах критерия Вилкоксона, в независимых группах – U-критерия Манна-Уитни после предварительной проверка характера распределения и гомогенности дисперсий в группах. Описание выборки производили с помощью медианы (Ме) и интерквартильного размаха в виде 25-го и 75-го процентилей [LQ; UQ]. Различия считали статистически значимыми при p˂0,05.

Результаты

В слюне добровольцев с РМЖ было отмечено более высокое содержание стронция и марганца (табл.1). Увеличение концентрации марганца статистически значимо (+117%, р=0.0452), он обнаружен в 84.5% образцов по сравнению с 7.2% в контрольной группе.  Стронций в слюне здоровых добровольцев обнаружен не был, тогда как в слюне пациентов с РМЖ концентрация стронция выше предела обнаружения была в 38 образцах из 110 (34.5%). При доброкачественных заболеваниях молочных желез в слюне также был обнаружен стронций (19.4%) и марганец (64.5%), однако увеличение их концентраций не было статистически значимо (табл.1). Для стронция установлено статистически значимое повышение концентрации в слюне при РМЖ по сравнению с доброкачественными заболеваниями молочных желез (p=0.0327). Для бария не показано различий в содержании между сравниваемыми подгруппами.

В качестве группы сравнения выбрана группа добровольцев, работающих на ТЭЦ г. Омска в течение длительного времени, у которых загрязнение тяжелыми металлами можно рассматривать как профессиональную вредность. Показано, что по содержанию стронция в слюне подгруппа пациентов с доброкачественными заболеваниями молочных желез и группа сравнения практически не различаются, однако стронций чаще встречался у женщин, работающих на вредном производстве, чем в остальных подгруппах. Тем не менее, концентрация стронция в слюне при РМЖ превышала содержание в группе сравнения в 3,5 раза (p<0.0001) и содержание при доброкачественных заболеваниях молочных желез в 3,3 раза (р=0.0327). Содержание бария не было связано с условиями труда также как и с наличием патологии молочных желез. Для марганца показаны близкие концентрации как при РМЖ, так и при доброкачественных заболеваниях, причем оба значения превышали содержание марганца в слюне женщин с вредными условиями труда (+105.2% и +57.9% для РМЖ и ДНО молочных желез соответственно).

 

Таблица 1. Содержание стронция, бария и марганца в слюне при заболеваниях молочных желез, здоровых добровольцев и группе сравнения (мг/л)

Показатель	Рак молочной железы, n=110	ДНО, n=62	Группа сравнения, n=41	Контрольная группа, n=97	p-value
Группа	1	2	3	4
Sr2+	7,50 [3, 35; 24, 2]	2,24 [1, 68; 5, 42]	2,14 [1, 37; 3, 56]	-	p1-2=0,0327 p1-3<0,0001
	38/110 (34,5%)	12/62 (19,4%)	29/41 (70,7%)	0/97 (0%)
Ba2+	0,59 [0, 41; 0, 84]	0,55 [0, 34; 0, 87]	0,52 [0, 35; 0, 77]	0,48 [0, 34; 0, 65]	-
	67/110 (60,9%)	29/62 (46,8%)	22/41 (53,7%)	3/97 (3,1%)
Mn2+	0,78 [0, 44; 1, 26]	0,60 [0, 40; 0, 98]	0,38 [0, 23; 0, 51]	0,36 [0, 29; 0, 47]	p1-4=0,0452
	93/110 (84,5%)	40/62 (64,5%)	37/41 (90,2%)	7/97 (7,2%)

 

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 (В) в слюне в зависимости от стадии РМЖ. CG – группа сравнения (comparison group), HC – контрольная группа (healthy control).

Fig. 1. Concentration of strontium (A) and manganese (B) in saliva depending on the stage of breast cancer. CG – comparison group, HC – healthy control group.

 

Содержание стронция в слюне повышается на I стадии РМЖ в 2,6 раза (р=0.0137), на II стадии – в 4,1 раза (р<0.0001), на III-IV стадии – в 4,6 раза (р<0.0001) (рис.1А). При этом частота обнаружения стронция в слюне растет при переходе от ранних стадий РМЖ к распространённым стадиям: 40% на I стадии, 47,8% на III-IV стадии. Аналогичная ситуация характерна для марганца (рис.1В). Содержание марганца в слюне увеличивается с увеличением стадии РМЖ: на I стадии РМЖ в 1,9 раза, на II стадии – в 2,2, на III-IV стадии – в 2,6 раза (р=0.0152) (рис.1В). Частота обнаружения ионов марганца в слюне также увеличивалась с 86,7% на I стадии до 91,3% на III-IV стадии РМЖ.

Дополнительно было проанализировано 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(+) – в 8,4 раза, нелюминальном – в 8,1 раза). Минимальное изменение концентрации стронция показано для люминальных HER2-отрицательных подтипов РМЖ (люминальном А – в 3,6 раза, люминальном В(-) – в 2,3 раза) (рис.2А). Увеличение концентрации стронция при HER2-положительных подтипах статистически значимо как по сравнению с люминальным В(-) РМЖ, так и с группой сравнения (р<0.0001). При тройном негативном РМЖ концентрация стронция также увеличивается в 9,3 раза относительно группы сравнения (р<0.0001). Для марганца увеличение концентрации показано только для гормон-рецептор отрицательных подтипов (нелюминального – в 2,6 раза, ТНРМЖ – в 2,8 раза) (рис.2В). Различия с контрольной группой статистически значимы для нелюминального (р=0.0312) и ТНРМЖ (р=0.0128).

 

Рис.2. Концентрация стронция (А) и марганца (В) в слюне в зависимости от молекулярно-биологического подтипа РМЖ.

Fig. 2. Concentration of strontium (A) and manganese (B) in saliva depending on the molecular biological subtype of breast cancer.

 

Обсуждение результатов

Показано, что концентрация исследуемых тяжелых металлов значительно выше в группе с РМЖ, чем в остальных. Так, содержание марганца в слюне при  РМЖ статистически значимо выше, чем в контрольной группе, а также выше, чем в группе сравнения. Поступление марганца из окружающей среды, даже при условии повышенных концентраций, процесс очень медленный. Для достижения хронической интоксикации марганцем требуется несколько лет [16]. Марганец обладает большой комплексообразующей способностью, служит кофактором многих ферментов (супероксиддисмутазы (СОД), каталазы, аргиназы) [23]. В исследуемых группах без заболевания РМЖ концентрация марганца находится в пределах нормы. Развитие злокачественной опухоли в организме человека может сопровождаться дисбалансом микро- и макроэлементов. Наблюдается окислительный стресс, который вызывает повреждение мембран клеток и митохондрий, липидов, белков, приводит к нарушению водно-ионного гомеостаза, нуклеотидной последовательности дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), сопровождается вегетативно-медиаторной дисфункцией клетки [24]. В ответ на окислительный стресс возрастает активность фермента СОД. Марганцевая супероксиддисмутаза (MnSOD) является основным ферментом, который отвечает за детоксикацию активных форм кислорода в митохондриях [25]. Вероятнее всего повышение содержания марганца в группе с РМЖ связано с ответной реакцией организма в виде повышения активности фермента марганцевой супероксиддисмутазы. Полученные данные могут говорить о том, что не всегда повышение концентрации тяжелых металлов, в частности марганца, является результатом техногенной нагрузки и следствием работы на вредных производствах. Показано, что с увеличением стадии заболевания и ростом опухолевой массы концентрация марганца увеличивается, что подтверждает гипотезу о взаимосвязи накопления марганца именно с РМЖ, а не другими факторами.  При этом по литературным данным содержание марганца в сыворотке при РМЖ может снижаться, в слюне, напротив, содержание марганца возрастает из-за нарушения метаболических путей при наличии злокачественной патологии [13, 26].

Установлено, что концентрация стронция статистически значимо выше в слюне при  РМЖ по сравнению с  группой сравнения. Распределение и метаболизм стронция в организме человека схожи с распределением и метаболизмом кальция. Оба элемента на 99% откладываются в костях, соединительной ткани и зубах, при этом стронций в костях и крови постоянно обменивается, поддерживая динамический баланс [26]. Стронций может замещать кальций в минеральном матриксе костей, и относительно быстро обмениваться с кальцием в плазме или костной массе, нарушая регуляцию внутриклеточных сигнальных каскадов [18, 28]. Ранее в работе было показано, что при РМЖ концентрация кальция уменьшается [29]. Отмечено, что при переходе от ранних стадий РМЖ к распространённым стадиям концентрация стронция увеличивается, что, вероятно, также является результатом системного действия заболевания, потому закономерно при снижении концентрации кальция, наблюдается рост концентрации стронция. Повышение концентрации стронция в слюне в группе с РМЖ, можно связать с разрушением мембран клеток крови и выходом ионов стронция из внутриклеточного пространства. Стронций имеет способность опосредованно модифицировать транскрипцию ряда генов, контролирующих апоптоз, что поясняет увеличение содержания стронция именно в группе с РМЖ [29]. В слюне здоровых добровольцев контрольной группы стронция не обнаружено. Таким образом, наличие стронция в организме можно связать с как определенными вредными условиями труда, так и с наличием системного заболевания (РМЖ). В нашем примере большее влияние на содержание тяжелых металлов в слюне оказывает системное действие основного заболевания.

Дополнительно показано, что увеличение концентрации марганца и стронция зависит от молекулярно-биологического подтипа РМЖ [30]. Так увеличение концентрации марганца наблюдалось для подтипов с наличием экспрессии рецепторов эпидермального фактора роста 2 (HER2) (нелюминальный и люминальный B HER2+) и тройном негативном РМЖ (ТНРМЖ), которые имеют агрессивный характер и неблагоприятный прогноз. Для стронция показано увеличение концентрации для нелюминального и ТНРМЖ. Эти подтипы объединяет отсутствие экспрессии рецепторов эстрогена и прогестерона, что также является прогностически неблагоприятным признаком РМЖ. Таким образом, наблюдается увеличение концентрации тяжелых металлов в слюне как при увеличении стадии заболевания, так и при увеличении агрессивности подтипа РМЖ. Результаты многих исследований говорят о сложном характере нарушений обмена металлов в организме при развитии онкологических заболеваний [9, 14, 25]. Ряд элементов оказывается в дефиците, а те, что в избытке, могут оказывать токсическое воздействие, таким образом, способствуя развитию онкологической патологии. Однако, поскольку канцерогенные свойства исследованных металлов точно не известны, можно предположить, что изменение их содержания является проявлением дисбаланса, вызванного заболеванием.

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 добровольцев с вредными профессиональными условиями труда позволяет предположить, что выявленные особенности содержания бария, стронция и марганца в слюне являются не следствием их поступления из производственной среды, а проявлением дисбаланса элементов, вызванных данной патологией, в результате чего именно в слюне наблюдается накопление стронция и марганца при прогрессировании РМЖ.

About the authors

Elena A. Sarf

Omsk State pedagogical university

Email: nemcha@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4918-6937
SPIN-code: 9161-0264
Russian Federation, 644099, Omsk, st. Tukhachevsky embankment, 14, room 126

Lyudmila Bel'skaya

Омский государственный педагогический университет

Author for correspondence.
Email: ludab2005@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6147-4854

Научно-исследовательская лаборатория биохимии, заведующая

Russian Federation

References

Supplementary files