В гигиенических исследованиях для выявления неблагоприятных воздействий на организм широко используются биомаркеры, такие как система антиоксидантной защиты, система ферментов метаболизма ксенобиотиков, ферменты мембран лизосом, иммунная система и др., составляющие основу адаптационного потенциала. При изучении малотоксичных объектов или объектов с неизвестной токсичностью, например новых видов пищевой продукции, полученных в том числе с использованием современных биотехнологий, такие исследования наиболее актуальны и необходимы для выявления возможного неблагоприятного действия анализируемого продукта. Как правило, прямого выраженного влияния выявить не удается, поэтому одним из дополнительных подходов являются так называемые нагрузочные пробы, направленно снижающие адаптационный потенциал [1-3].
Одним из наиболее простых и эффективных способов снижения адаптационного потенциала организма лабораторных животных является модификация состава рациона [1, 2, 4-7]. Состав полусинтетического казеинового рациона (ПКР), традиционно используемого в исследованиях по оценке безопасности новых видов пищевой продукции, учитывает все физиологические потребности крыс в пищевых веществах и включает в себя казеин, кукурузный крахмал, свиной жир и подсолнечное масло в качестве источников белка, углеводов и жиров, витаминную и минеральную смеси. Именно витаминная и минеральная смеси представляются наиболее простыми и удобными компонентами рациона для формирования необходимых уровней адаптационного потенциала у крыс.
Для целей данного исследования была выбрана модель дефицита минеральных веществ - железа (Fe3+) и магния (Mg2+), и витаминов группы В - тиамина (В1), рибофлавина (В2), ниацина (В3), пиридоксина (В6), биологическая роль которых определяет состояние адаптационного потенциала [8-15]. В частности железо входит в состав цитохромов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, а также в состав каталазы - одного из ключевых ферментов системы антиоксидантной защиты [16]. Магний, входящий в состав кофакторов более 350 ферментов, регулирует окислительные процессы и выработку целого ряда цитокинов и других гуморальных факторов [17, 18], витамины группы В, являющиеся кофакторами оксидоредуктаз, обеспечивают энергией все биохимические процессы в организме, в том числе процессы поддержания антиоксидантного статуса, составляющего основу адаптационного потенциала [12, 16].
Целью данного исследования стало определение маргинальных уровней этих эссенциальных веществ в рационе, с одной стороны, обеспечивающих физиологические потребности экспериментальных животных, с другой стороны, снижающих адаптационный потенциал и, как следствие, повышающих чувствительность к токсическому воздействию.
Материал и методы
Эксперименты длительностью -70 дней каждый проводили на крысах линии Вистар. Исходная масса тела самцов составила 77-90 г, самок - 71-80 г; возраст ~30 дней.
Проведены 2 серии исследований: 1-я серия -на 5 группах животных, получавших рационы со 100, 75, 50, 25 и 0% содержанием витаминов В1, В2, В3, В6, а также минеральных веществ - Fe3+ и Mg2+ (1-5-я группы соответственно); 2-я серия - на 4 группах животных, получавших рационы с 21,37, 9,94, 4,62, 2,15% содержанием соответствующих витаминов и минеральных веществ (6-9-я группы соответственно). Экспериментальные рационы, представляющие собой полусинтетический казеиновый рацион [19, 20] с модифицированным составом витаминно-минеральных смесей (табл. 1), крысы получали на протяжении всего срока исследований. Всего в экспериментах были использованы 220 самок и 220 самцов крыс линии Вистар (100♂+100♀ в 1-й серии, 120♂+120♀ во 2-й серии).
Крыс содержали в пластиковых клетках (в каждой по 2 особи) с древесной подстилкой, в отапливаемом (температурный режим +21-23 °С) и вентилируемом помещении с естественным освещением, доступ к корму и воде - ad libitum. В течение экспериментов вели наблюдения за поедаемостью корма и общим состоянием животных. Массу тела измеряли еженедельно, пост-мортальную некропсию и отбор материала для исследований у животных 1-4-й и 6-7-й групп проводили на 70-й день экспериментов, соответствующий стадии взрослого половозрелого организма, характеризующегося стабильными физиолого-биохимическими показателями (~100-й день жизни животных). Животные 5-й группы были подвергнуты эвтаназии на 56-й день эксперимента в связи с началом массовой гибели животных, при этом из-за невозможности отбора необходимого для исследований количества крови (низкая масса тела и высокая свертываемость крови) у крыс этой группы не были определены показатели, материалом для исследования которых являлась кровь. Умершие животные были подвергнуты постмортальной некропсии для определения причин смерти. Животные 8-9-й групп также были подвергнуты эвтаназии на 56-й день эксперимента.
В 1-й серии исследований были установлены интервалы максимального, среднего и минимального содержания в рационе соответствующих эссенциальных нутриентов; во 2-й серии определен диапазон минимально возможного содержания этих веществ, обеспечивающий наименьший уровень адаптационного потенциала и не вызывающий развития патологии (в данном случае первыми симптомами развития патологии, которые можно было выявить при динамическом наблюдении за животными, являлись значительное снижение массы тела и впоследствии смертность животных).
Был изучен целый ряд показателей, включающий зоометрические, гематологические и биохимические показатели, показатели системы антиоксидантной защиты, показатели, характеризующие резистентность организма (бактерицидная и лизоцимная активность крови, содержание иммуноглобулинов и цитокинов), показатели, характеризующие активность процессов апоптоза, показатели, характеризующие гормональный статус, также проведены морфологические исследования внутренних органов. В данной статье проанализированы результаты зоометрических исследований, включая показатели динамики массы тела и поедаемости корма, показатели смертности животных, а также результаты исследований антиоксидантного статуса (активность ферментов системы антиоксидантной защиты эритроцитов -супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы и содержание продуктов перекисного окисления липидов - малонового диальдегида в гемолизатах эритроцитов (1:1) по [21]. Активность ферментов измеряли на биохимическом анализаторе StatFax1904+ ("Awareness Technology", США), содержание малонового диальдегида - на спектрофотометре SmartSpec 3000 ("BioRad", США).
Полученные данные обработаны методами параметрической статистики: характер распределения количественных признаков определен с помощью х2-критерия Пирсона, равенство дисперсий - с помощью F-критерия Фишера. Достоверность различий средних величин, удовлетворяющих условиям нормального распределения и равенству дисперсии, оценена методом f-критерия Стьюдента. Критический уровень значимости (p) принят равным 0,05 [22-26].
При анализе выживаемости животных использовали Х2-критерий, в качестве нулевой статистической гипотезы принят F1(x)=F2(x), где Fi - функция распределения i-генеральной совокупности, из которой извлечена выборка.
Для характеристики стабильности изучаемых показателей было использовано понятие центральной тенденции (в качестве мер центральной тенденции применялись среднее арифметическое, среднее геометрическое, среднее гармоническое, мода, медиана).
Результаты и обсуждение
В 1-й серии исследований общее состояние крыс 1-4-й групп было удовлетворительным, по внешнему виду, качеству шерстного покрова, поведению разницы между группами не отмечено. В течение первых 3 нед эксперимента динамика массы тела самцов 1-4-й групп не имела статистически значимых различий, начиная с 28-го дня масса тела самцов 1-2-й групп была достоверно выше (на 6-8%), чем у крыс 3-4-й групп. При этом поедаемость корма самцами 1-3-й групп была примерно одинаковой и составляла ~18-19 г/крысу в сутки, тогда как поедаемость корма самцами 4-й группы была несколько ниже и составляла ~14-15 г/крысу в сутки. Масса тела самок 1-4-й групп не имела значимых различий между группами на протяжении всего эксперимента, поедаемость корма составляла ~17-18 г/крысу в сутки.
Общее состояние крыс 5-й группы было неудовлетворительным, отмечены ухудшение качества шерстного покрова (облысения), склонность к кровотечениям (слизистые оболочки носа и глаз), снижение поедаемости корма (~10-12 г/крысу в сутки у самцов и ~11-13 г/крысу в сутки у самок). Начиная с 35-го дня эксперимента зафиксированы случаи гибели животных 5-й группы (к 56-му дню эксперимента смертность самцов составляла 25%, самок - 30%). При проведении постмортальной некропсии выявлены патологические изменения, характерные для кахексии: истощение висцеральной и подкожной жировой ткани, атрофия всех групп скелетных мышц, уменьшение размеров внутренних органов и др. Масса тела самцов и самок 5-й группы была значительно ниже, чем масса тела крыс 1-4-й групп (на 14-й день исследований на 9-14%, на 56-й день -на 62-69% соответственно, p<0,05).
При изучении массы внутренних органов, гематологических, биохимических показателей, а также показателей системы антиоксидантной защиты был отмечен ряд незначительных различий между группами, не выходящий за пределы физиологических колебаний, характерных для самцов и самок крыс линии Вистар данного возраста. Не выявлено явных закономерностей изменения оцениваемых параметров в зависимости от уровней содержания витаминов и минеральных веществ в рационе, однако 4-я группа характеризовалась большей нестабильностью центральной тенденции, причем у самцов она была более выражена, чем у самок.
На основании анализа данных, полученных в 1-й серии исследований, следует, что уменьшение дозы соответствующих эссенциальных веществ до 25% существенно не сказывалось на значениях изученных показателей, а полное исключение этих веществ влекло за собой массовую гибель животных. Полученные данные легли в основу дизайна эксперимента 2-й серии, предназначенного для выявления диапазона минимально возможного (от 0 до 25%) содержания в рационе витаминов и минеральных веществ, не приводящего к развитию патологии и обеспечивающего наименьший уровень адаптационного потенциала. Следует отметить, что при расчете дозировок витаминов и минеральных веществ в рационе в 1-й серии эксперимента был использован принцип линейной зависимости, тогда как во 2-й серии -принцип степенной зависимости (показательная функция). Такой подход позволял при минимальном числе экспериментальных групп получить достаточное количество информации, в том числе о влиянии сверхнизких дозировок на рост и развитие крыс. В качестве исходной точки расчета дозировок было использовано значение, не превышающее 25% и являющееся четвертой степенью от наименьшего значения, которое должно было быть выше 1. Проведенный расчет позволил определить соответствующие крайние значения как 21,37 и 2,15% (21,37=2,154) и промежуточные значения как 4,62 и 9,94%, являвшиеся производными второй (2,152) и третьей (2,153) степени от наименьшего показателя.
Во 2-й серии исследований общее состояние крыс 6-й и 7-й групп было удовлетворительным, по внешнему виду, поведению и качеству шерстного покрова не выявлено разницы между группами. В течение первых 5 нед эксперимента динамика массы тела самцов и самок 6-й и 7-й групп не имела статистически значимых различий, начиная с 35-го дня масса тела крыс 6-й группы была достоверно выше (самцов - на 10%, самок - на 8%), чем у крыс 7-й группы (рис. 1а). Поедаемость корма самцами 6-й группы составляла ~19 г/крысу в сутки, самками - ~18 г/крысу в сутки, тогда как поедаемость корма крысами 7-й группы составляла ~16 г/крысу в сутки у самцов и самок.
Общее состояние крыс 8-й и 9-й групп было неудовлетворительным, отмечены ухудшение качества шерстного покрова, склонность к кровотечениям, снижение поедаемости корма: у самцов и самок 8-й группы этот показатель составлял ~14 г/крысу в сутки, 9-й группы -~12 г/крысу в сутки. Начиная с 45-го дня эксперимента зафиксированы случаи гибели животных 8-й группы (к 56-му дню эксперимента смертность самцов составляла 30%, самок - 37%) и 9-й группы (56 и 53% соответственно). Масса тела крыс 8-й и 9-й групп была значительно ниже, чем у животных 6-й и 7-й групп (на 21-й день исследований более чем на 5%, на 56-й день - более чем на 40%, р<0,05) (рис. 1б).
При изучении результатов гематологических, биохимических и др. исследований был отмечен ряд значимых различий между группами, демонстрировавших явные закономерности отклонения от центральной тенденции в зависимости от уровней содержания витаминов и минеральных веществ в рационе. Так, показатели системы антиоксидантной защиты и перекисного окисления липидов эритроцитов проявляли линейные изменения (повышения концентрации) в ряду понижения содержания эссенциальных веществ в рационах (табл. 2).
На основании полученных результатов была сформирована графическая оценочная шкала "доза-риск" (рис. 2), которая была использована для определения пороговых значений витаминов и минеральных веществ, обеспечивающих необходимое снижение уровня адаптационного потенциала у самцов и самок. При построении графика были заданы следующие ключевые условия: уровень риска развития патологии выше 50% принимался в случае выявления достоверных различий выживаемости животных в группах (по критерию χ2) для данной дозы эссенциальных веществ, уровень риска от 50 до 25% - в случае выявления системных различий по ряду показателей, уровень риска менее 5% - в случае отсутствия системных различий (см. рис. 2).
Анализ графиков позволил определить пороговые значения содержания в рационе изученных веществ: их содержание в количестве менее 9% соответствовало уровню риска выше 50%, в количестве 9-12% - уровню риска от 50 до 25%, в количестве 13-24% - уровню риска выше 5%, в количестве выше 25% - уровню риска менее 5%.
С учетом степени риска развития патологии были установлены 3 дозировки эссенциальных веществ, с определенной степенью условности обозначенные как оптимальная, маргинальная и субмаргинальная, обеспечивающие последовательное снижение адаптационного потенциала у лабораторных животных: 75, 30 и 19% для самцов и 75, 28 и 18% для самок соответственно.
Таким образом, предложенная модификация витамин-но-минерального состава рационов может быть использована в качестве модели снижения адаптационного потенциала крыс в токсикологических исследованиях при изучении объектов с неизвестной токсичностью, в частности новых видов пищевой продукции.
Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 16-16-00124)
Литература
1. Голиков С.Н., Саноцкий И.В., Тиунов Л.А. Общие механизмы токсического действия. М. : Медицина, 1986. 280 с.
2. Саноцкий И.В., Уланова И.П. Критерии вредности в гигиене и токсикологии при оценке опасности химических соединений. М. : Медицина, 1975. 328 с.
3. Братусь А.С., Новожилов А.С., Платонов А.П. Динамические системы и модели биологии. М. : Физматлит, 2010. 400 с.
4. Сидорова Ю.С., Бекетова Н.А., Вржесинская О.А., Коденцова В.М. и др. Влияние витаминной обеспеченности на протекание общего адаптационного синдрома у растущих крыс // Вопр. питания. 2014. Т. 83, № 5. С. 20-25.
5. Коденцова В.М., Вржесинская О.А., Бекетова Н.А., Сото С.Х. и др. Микроэлементный и антиоксидантный статус крыс при полигиповитаминозе // Вопр. биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2013. Т. 11, № 2. С. 64-68.
6. Коденцова В.М., Вржесинская О.А., Мазо В.К. Витамины и окислительный стресс // Вопр. питания. 2013. Т. 82, № 3. С. 11-18.
7. Коденцова В.М., Вржесинская О.А., Бекетова Н.А., Сото С.Х. и др. Биохимические показатели плазмы крови и некоторые параметры антиоксидантого статуса крыс при полигиповитаминозах разной степени // Бюл. экспер. биол. 2012. № 10. С. 439-442.
8. Коденцова В.М. Витамины. М. : МИА, 2015. 408 с.
9. Кравченко Л.В., Аксенов И.В., Трусов Н.В., Гусева Г.В. и др. Влияние поливитаминной недостаточности на активность ферментов метаболизма ксенобиотиков в печени крыс // Вопр. питания. 2012. Т. 81, № 2. С. 28-33.
10. Кукес В.Г., Ребров В.Г., Стародубцев А.К., Булаев В.М. и др. Витамины и микроэлементы в клинической фармакологии / под ред. В.А. Тутельяна. М. : Палея-М, 2001. 560 с.
11. Тутельян В.А., Спиричев В.Б., Суханов Б.П., Кудашева В.А. Микронутриенты в питании здорового и больного человека. М. : Колос, 2002. 424 с.
12. Human vitamin and mineral requirements. Report of a Joint FAO/WHO Expert Consultation. Geneva : World Health Organization, 2004. 341 p
13. Guardia M. de la. Handbook of Mineral Elements in Food. Valencia, 2015. 792 p.
14. Frisancho R.A. Human Adaptation and Accommodation. Michigan : University of Michigan Press, 1993. 532 p.
15. Thimann K.V. Vitamins and Hormones. London : Academic Press, 1980. Vol. 37. 353 p.
16. Human vitamin and mineral requirements. Report of a Joint FAO/ WHO Expert Consultation. Bangkok : World Health Organization, 2001. 286 p.
17. Yang W., Lee J. Y., Nowotny M. Making and breaking nucleic acids: two-Mg2+-ion catalysis and substrate specificity // Mol. Cell. 2006. Vol. 22. P. 5-13.
18. Bobkowski W., Nowak A., Durlach J. The importance of magnesium status in the pathophysiology of mitral valve prolapse // Magnes. Res. 2005. Vol. 18, N 1. P. 35-52.
19. Тышко Н.В., Жминченко В.М., Пашорина В.А., Селяскин К.Е. и др. Сравнительная характеристика влияния экспериментальных рационов на рост и развитие крыс // Вопр. питания. 2011. Т. 80, № 5. С. 30-38.
20. Benevenca N., Calvert C., Eckhert C. et al. Nutrient Requirements of Laboratory Animals. Washington : National Academy Press, 1995. 192 p.
21. Медико-биологическая оценка безопасности генно-инженерно-модифицированных организмов растительного происхождения: Методические указания (МУ 2.3.2.2306-07). М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2008. 21 с.
22. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. М. : Медиа Сфера, 2006. 312 с.
23. Scott I., Mazhindu D. Statistics for Health Care Professionals. London : SAGE Publications Ltd., 2005. 241 p.
24. Юнкеров В.И., Григорьев С.Г. Математико-статистическая обработка данных медицинских исследований. СПб.: ВМедА, 2002. 266 с.
25. Медик В.А., Токмачев М.С., Фишман Б.Б. Статистика в медицине и биологии: руководство : в 2 т. / под ред. Ю.М. Комарова. Т. 1. Теоретическая статистика. М. : Медицина, 2000. 412 с.
26. Хромушкин В.А., Китанина К.Ю., Хромушкин О.В., Федоров С.Ю. Совершенствование алгоритма алгебраической модели конструктивной логики // Вестн. новых медицинских технологий. 2015. Т. 22, № 2. С. 11-19.