The content of chemical elements-antioxidants in the tissues of benign and malignant tumors

Full Text

Актуальность

В настоящее время рак признан второй по значимости причиной смерти в мире [1]. Некоторые исследователи полагают, что к 2030 г. рак будет ведущей причиной смерти в развитых странах [2]. При изучении молекулярных механизмов канцерогенеза особого внимания заслуживают окислительный стресс и противостоящая ему антиоксидантная система [3].

Оксиданты (свободные радикалы) вследствие способности повреждать макромолекулы [4] имеют свойство вызывать генетические мутации, провоцирующие онкогенез [3]. Антиоксидантная система вовлекает свободные радикалы в ряд биохимических реакций (в том числе дисмутации супероксида, восстановления пероксида), чем нивелирует их действие.

Основными компонентами антиоксидантной системы служат следующие цитоплазматические ферменты и их кофакторы: супероксиддисмутаза (кофакторы — Cu, Zn, Mn, Fe), глутатионпероксидаза (кофактор — Se), цитохромоксидаза (кофакторы — Cu, Zn), каталаза (кофактор — Fe) [5]. Эссенциальные микроэлементы Se, Cu, Zn, Mn и Fe, таким образом, можно выделить в особую группу элементов-антиоксидантов (ЭА).

Определение уровней ЭА в биологических субстратах человека (волосах, крови, опухолевой ткани) на разных стадиях онкогенеза позволяет понять особенности трансформации антиоксидантной системы и может быть использовано для биомаркирования доброкачественных (ДНО) и злокачественных (ЗНО) новообразований [6]. При этом особый интерес представляет установление профиля элементов антиоксидантной группы собственно поражённой ткани.

Цель

Цель нашего исследования — анализ содержания ЭА в тканях ДНО и ЗНО и оценка возможности их использования в качестве биоэлементных маркёров опухолей.

Материал и методы исследования

В образцах опухолевой ткани 131 пациента Магаданского онкологического диспансера Магаданской областной больницы определены концентрации Cu, Zn, Mn и Se. Исследование проведено в период с января по июнь 2022 г. Средний возраст пациентов составил 58,44±14,25 года. Протокол исследования одобрен локальным этическим комитетом Федерального государственного бюджетного учреждения науки научно-исследовательского центра «Арктика» Дальневосточного отделения Российской академии наук (заключение № 001/021 от 25.11.2021).

Критерии включения: наличие ДНО или ЗНО опухоли кишечника, молочной железы, яичника, матки, лёгкого; возраст от 40 до 81 года, добровольное информированное согласие на участие в исследовании.

Критерии исключения: регулярный приём препаратов, содержащих Cu, Zn, Mn и Se, вегетарианская диета.

Дизайн исследования — проспективное исследование девяти групп пациентов. Больные были распределены согласно представленным критериям включения и исключения на следующие группы:

– первая группа — пациенты (n=15, 11,5%) с ДНО кишечника (ворсинчатая и тубулярная аденомы) в возрасте 60,3 [48, 0; 66, 0] года, 5 мужчин и 10 женщин;

– вторая группа — пациенты (n=20, 15,3%) с ДНО молочной железы (интраканаликулярная фиброаденома, фиброзно-кистозная мастопатия) в возрасте 56,0 [44, 0; 69, 0] лет, женщины;

– третья группа — пациенты (n=17, 13,0%) с ДНО яичника (серозная аденофиброма, серозная и муцинозная цистаденомы) в возрасте 62,2 [47, 5; 73, 0] года, женщины;

– четвертая группа — пациенты (n=24, 18,3%) со ЗНО кишечника (аденокарцинома, карциноид) в возрасте 67,6 [63, 3; 72, 8] года, 8 мужчин и 16 женщин;

– пятая группа — пациенты (n=17, 13,0%) с ЗНО молочной железы (инвазивный протоковый рак) в возрасте 60,0 [46, 5; 71, 5] лет, женщины;

– шестая группа — пациенты (n=18, 13,7%) со ЗНО матки (аденокарцинома эндометрия) в возрасте 59,8 [47, 5; 72, 3] года, женщины;

– седьмая группа — пациенты (n=20, 15,2%) со ЗНО лёгкого (бронхоальвеолярный рак, плоскоклеточный неороговевающий и ороговевающий рак, микропапиллярная аденокарцинома, муцинозная аденокарцинома) в возрасте 59,6 [50, 8; 67, 0] года, 15 мужчин и 5 женщин.

Также проанализированы данные по двум обобщённым группам, в одну из которых были включены все пациенты с ДНО (n=52, 39,8%; 5 мужчин и 47 женщин) в возрасте 56,3 [46, 0; 69, 3] года, в другую — все пациенты со ЗНО (n=79, 60,2%; 23 мужчины и 56 женщин) в возрасте 62,8 [53, 0; 72, 0] года.

Образцы тканей были получены при оперативном вмешательстве посредством иссечения из центральной части новообразований. У каждого пациента брали один образец опухолевой ткани. После забора материал замораживали.

Определение концентраций Cu, Zn, Mn и Se осуществляли методами атомно-эмиссионной спектрометрии (АЭС-ИСП) и масс-спектрометрии (МС-ИСП) с индуктивно связанной аргоновой плазмой на приборах Optima 2000 DV и ELAN 9000 (Perkin Elmer Corp., США) в ООО «Микронутриенты» (г. Москва).

Данные были обработаны в программах MS Excel 2010 и SPSS 23. Нормальность распределения полученных количественных данных определяли с использованием теста Шапиро–Уилка. Для анализа корреляционных взаимо­связей между уровнями ЭА применяли ранговую корреляцию Спирмена. Статистическую значимость различий выявляли с помощью непараметрического U-критерия Манна–Уитни.

Результаты

Средние значения концентраций Cu, Zn, Mn и Se в тканях ДНО и ЗНО у пациентов Магаданского областного онкодиспансера представлены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1. Содержание элементов-антиоксидантов в тканях доброкачественных новообразований (ДНО) у ­пациентов Магаданского областного онкодиспансера, мкг/г

Элемент	ДНО				p
	Кишечник (1), n=15	Молочная железа (2), n=20	Яичник (3), n=17	Общая группа, n=52
Cu	2,09±0,55	0,58±0,08	0,87±0,03	0,88±0,14	p1–2=0,037* p1–3=0,025* p2–3=0,008*
Zn	62,99±16,31	8,74±1,92	13,12±2,70	17,48±4,86	p1–2=0,025* p1–3=0,053 p2–3=0,040*
Mn	0,35±0,11	0,08±0,01	0,11±0,01	0,12±0,03	p1–2=0,034* p1–3=0,025* p2–3=0,076
Se	0,33±0,08	0,11±0,02	0,20±0,02	0,18±0,03	p1–2=0,014* p1–3=0,099 p2–3=0,003*

Примечание: *достоверные различия (U-критерий Манна–Уитни).

 

Таблица 2. Содержание элементов-антиоксидантов в тканях злокачественных новообразований (ЗНО) у пациентов Магаданского областного онкодиспансера, мкг/г

Элемент	ЗНО					p
	Кишечник (4), n=24	Молочная железа (5), n=17	Матка (6), n=18	Лёгкое (7), n=20	Общая группа, n=79
Cu	2,57±0,54	0,88±0,17	1,82±0,56	2,07±0,25	2,07±0,24	p4–5=0,004* p4–6=0,146 p4–7=0,804 p5–6=0,100 p5–7=0,003* p6–7=0,439
Zn	22,22±1,69	10,41±2,10	21,54±2,06	28,88±5,00	22,08±1,71	p4–5=0,015* p4–6=0,963 p4–7=0,155 p5–6=0,011* p5–7=0,006* p6–7=0,366
Mn	0,29±0,05	0,19±0,06	0,21±0,06	0,32±0,04	0,27±0,03	p4–5=0,102 p4–6=0,174 p4–7=0,241 p5–6=0,646 p5–7=0,028* p6–7=0,081
Se	0,30±0,03	0,21±0,06	0,30±0,03	0,30±0,03	0,29±0,02	p4–5=0,206 p4–6=0,925 p4–7=0,915 p5–6=0,273 p5–7=0,082 p6–7=0,795

Примечание: *достоверные различия (U-критерий Манна–Уитни).

 

Среди ДНО максимальные концентрации всех ЭА были характерны для опухолей кишечника, минимальные — для опухолей молочной железы (см. табл. 1). При этом различия в уровнях рассматриваемых элементов между ДНО кишечника и молочной железы подтверждены достоверно — Cu (p=0,037), Zn (p=0,025), Mn (p=0,034), Se (p=0,014). Cu и Mn оказались дифференцирующими элементами для ДНО кишечника и ДНО яичника (p=0,025 в обоих случаях). Средние концентрации Cu, Zn и Se были достоверно выше (p=0,008, p=0,040 и p=0,003 соответственно) в тканях ДНО яичника по сравнению с ДНО молочной железы.

Для различных вариантов рака (кишечника, молочной железы, матки и лёгкого) концентрации только двух элементов (Cu и Zn), совместно входящих в молекулярную структуру одной из форм фермента супероксиддисмутазы (Cu-Zn-супероксиддисмутаза), оказались статистически значимыми (см. табл. 2). Se не проявил себя в качестве дифференцирующего элемента, Mn — единожды (при сопоставлении ЗНО молочной железы и ЗНО лёгкого, p=0,028). Минимальные значения концентраций исследуемых элементов установлены в ткани рака молочной железы. Рак кишечника, рак лёгкого и рак матки имели сопоставимый уровень всех четырёх микроэлементов. Также следует обратить внимание на тот факт, что самое высокое содержание Zn при сравнении всех форм ДНО и ЗНО отмечено в ДНО кишечника.

Полученные данные свидетельствуют о том, что уровни ЭА в объединённых группах, в которые мы включили все случаи соответствующих форм патологии, выше при ЗНО по сравнению с ДНО. В ЗНО оказалось достоверно более высоким содержание всех элементов — Cu (p=0,001), Zn (p=0,012), Mn (p=0,001) и Se (p=0,001).

Соотношение Cu/Zn по нашим данным достоверно (p <0,05) преобладает при ЗНО по сравнению с ДНО (табл. 3).

 

Таблица 3. Соотношение концентраций меди и цинка (Cu/Zn), содержащихся в тканях доброкачественных (ДНО) и злокачественных (ЗНО) неоплазий у пациентов Магаданского областного онкодиспансера

Локализация опухоли	Уровень Cu/Zn		p
	ДНО	ЗНО
Кишечник	0,097±0,002 (n=15)	0,111±0,006 (n=24)	p=0,047*
Молочная железа	0,076±0,002 (n=20)	0,084±0,003 (n=17)	p=0,030*
Общая группа	0,074±0,008 (n=52)	0,094±0,005 (n=79)	p=0,011*

Примечание: *достоверные различия между ЗНО и ДНО аналогичной локализации (U-критерий Манна–Уитни).

 

В ходе исследования были рассчитаны коэффициенты корреляции значений Cu, Zn, Mn и Se при ДНО и ЗНО (табл. 4, 5).

 

Таблица 4. Значения коэффициентов корреляции уровней элементов-антиоксидантов, содержащихся в тканях ­доброкачественных неоплазий (ДНО) у пациентов Магаданского областного онкодиспансера

Элементы сравнения	ДНО
	Кишечник (n=15)	Молочная железа (n=20)	Яичник (n=17)
Cu-Zn	0,926 (p <0,01)*	0,571 (p=0,139)	0,600 (p=0,285)
Cu-Mn	0,980 (p <0,01)*	0,933 (p=0,001)*	0,200 (p=0,747)
Cu-Se	0,500 (p=0,667)	0,566 (p=0,143)	0,359 (p=0,553)
Zn-Mn	0,980 (p <0,01)*	0,663 (p=0,073)	0,600 (p=0,285)
Zn-Se	0,500 (p=0,667)	0,012 (p=0,977)	0,051 (p=0,935)
Mn-Se	0,500 (p=0,667)	0,286 (p=0,493)	0,564 (p=0,322)

Примечание: *значимые корреляции (ранговая корреляция Спирмена).

 

Таблица 5. Значения коэффициентов корреляции уровней элементов-антиоксидантов, содержащихся в тканях ­злокачественных неоплазий (ЗНО) у пациентов Магаданского областного онкодиспансера

Элементы сравнения	ЗНО
	Кишечник (n=24)	Молочная железа (n=17)	Матка (n=18)	Лёгкое (n=20)
Cu-Zn	0,608 (p=0,036)*	0,900 (p=0,037)*	–0,371 (p=0,468)	0,524 (p=0,183)
Cu-Mn	0,538 (p=0,071)	0,900 (p=0,037)*	0,257 (p=0,623)	0,190 (p=0,651)
Cu-Se	0,340 (p=0,280)	0,900 (p=0,037)*	0,714 (p=0,111)	–0,108 (p=0,798)
Zn-Mn	0,399 (p=0,199)	0,700 (p=0,188)	0,257 (p=0,623)	0,619 (p=0,102)
Zn-Se	0,382 (p=0,221)	0,700 (p=0,188)	–0,486 (p=0,329)	0,048 (p=0,910)
Mn-Se	0,049 (p=0,880)	0,980 (p <0,01)*	–0,143 (p=0,787)	–0,181 (p=0,668)

Примечание: *значимые корреляции (ранговая корреляция Спирмена).

 

Согласно полученным данным, достоверные корреляционные связи между их уровнями выявлены как в тканях ДНО (кишечник, молочная железа), так и в тканях, подвергшихся злокачественной трансформации (кишечник, молочная железа). Для новообразований яичника, матки и лёгкого значимых корреляций между элементами антиоксидантной системы не установлено. Корреляции при ДНО кишечника характерны для следующих пар элементов — Cu-Zn (r=0,926; p <0,01), Cu-Mn (r=0,980; p <0,01) и Zn-Mn (r=0,980; p <0,01); при ДНО молочной железы — для пары Cu-Mn (r=0,933; p=0,001); при ЗНО кишечника — для пары Cu-Zn (r=0,608, p=0,036), при ЗНО молочной железы — для пар Cu-Zn (r=0,900; p=0,037), Cu-Mn (r=0,900; p=0,037), Cu-Se (r=0,900; p=0,037) и Mn-Se (r=0,980; p <0,01).

Обсуждение

Значимая роль Cu, Zn, Mn и Se в защите клеток от свободных радикалов, стабилизации структуры макромолекул дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислот («цинковые пальцы»), экспрессии генов, апоптозе, иммунных процессах [1, 7–9] делает их незаменимыми участниками поддержания гомеостаза в организме человека. Однако как дефицит, так и избыток данных элементов критичны для организма.

Rodriguez-Tomas и соавт. [1] отмечают, что дефицит Cu, Zn, Mn и Se провоцирует канцерогенез, а избыток Se ведёт себя как прооксидант. A. Gupte и R.J. Mumper [10], а также A. Pramanik и соавт. [11] пришли к выводу, что высокие концентрации Cu усиливают окислительный стресс, воспаление и ангиогенез, способствуя тем самым канцерогенезу. Возможна и ситуация, когда микроэлемент ведёт себя по-разному в условиях здоровой и опухолевой тканей. Так, например, Zn в норме защищает клетки от цито- и генотоксичности пероксида водорода, а при раке усиливает её [12].

Изменение системного статуса и распределения микроэлементов при злокачественных новообразованиях позволяет использовать их в ранней диагностике рака [6]. В 2007 г. группа И.А. Хлусова, исследовавшая микроэлементный статус волос и опухолевой ткани больных при онкологической патологии ­желудка и ­толстой кишки, предложила рассматривать содержание микроэлементов в организме человека в качестве маркёра опухолей [5]. A. Woźniak и соавт. [13] к химическим элементам, концентрации которых следует учитывать для определения состояния пациента при раке, отнесли Ca, Mg, Fe, Cu, Zn и Mn. В качестве биологического материала польские исследователи использовали сыворотку крови, волосы и ногти пациентов, имевших ЗНО гортани, слюнных желёз, полости рта и языка [13].

В магаданском регионе уже проводили исследования микроэлементного статуса в волосах онкологических больных [14] и условно здоровых жителей [15, 16]. Из рассматриваемых нами четырёх элементов-кофакторов ферментов антиоксидантной системы для «здоровых» жителей был характерен дефицит Se, для онкологических больных — дефицит Cu и Zn. Причём дефицит Cu отмечен при раке матки, а дефицит Zn — при раке яичника, молочной железы и лёгкого. При раке желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) средние концентрации ЭА находились в норме.

Однако следует иметь в виду, что определение уровня микроэлементов в волосах не позволяет исчерпывающе охарактеризовать процессы малигнизации тканей, хотя и признано наиболее адекватным показателем их содержания в организме человека [8]. Также немаловажно, что в волосах и крови при раке, в отличие от самой опухолевой ткани, уровни эссенциальных микроэлементов, к которым относят Cu, Zn, Mn и Se, могут быть ниже, чем в случае нормы [1, 5]. Это обстоятельство не позволяет безусловно экстраполировать данные о концентрациях микроэлементов в одних биосубстратах на другие биологические материалы.

Результаты нашего исследования подтверждают возможность использования концентраций ЭА в качестве биоэлементного маркёра ЗНО (этапов онкогенеза). Бесспорно, такого рода диагностика требует создания нормативной базы по концентрациям микроэлементов в здоровой и опухолевой тканях. Однако эту задачу ещё только предстоит осуществить.

Нами установлено, что дифференцирующими элементами для тканей ДНО разной локализации следует признать все микроэлементы антиоксидантной группы, для ЗНО — только Cu и Zn.

Более высокие средние концентрации всех четырёх микроэлементов, присутствующие в тканях ЗНО (при сравнении с ДНО) у пациентов Магаданского онкодиспансера, подтверждаются литературными данными. Аналогичная нашей динамика содержания Se и Zn зафиксирована M. Kucharzewski и соавт. [7] при сопоставлении полипов толстой кишки и колоректального рака. Уровень Cu, по данным польских исследователей, значимо не различался. M. Sohrabi и соавт. определили, что уровень Cu и Zn в ткани толстой кишки, поражённой раком, выше, чем в здоровой ткани [17].

Концентрации Cu и Zn в опухолевой ткани пациентов с ДНО и ЗНО ЖКТ исследовала также группа И.А. Хлусова [5]. Было установлено, что у пациентов с раком ЖКТ содержание Cu и Zn в поражённой ткани выше, чем при ДНО ЖКТ. Л.Л. Зубкова и соавт. [18] выявили в опухоли лёгких превышение в 2,5–3 раза содержания Se по сравнению с непоражённой тканью. Однако, в то же время, в научной литературе встречаются и данные о том, что уровни Cu и Mn в раковой и здоровой ткани ЖКТ могут быть идентичными [19].

Разница в содержании ЭА в тканях ДНО и ЗНО — следствие специфичности их морфофункциональных перестроек. Клетки ДНО стремятся сохранить сродство со своими предшественниками, раковые клетки отличаются атипизмом (в том числе метаболическим [20]). Повышенная аккумуляция Se, Cu, Zn и Mn — характерный признак раковых клеток, свидетельствующий об адаптации клеток ЗНО «на фоне ухудшения состояния интегральных противоопухолевых систем, вызванного дефицитом эссенциальных элементов в организме» [5].

Содержание ЭА в неоплазиях различных тканей неодинаково и, по всей видимости, обу­словлено степенью интенсивности и разнообра­зия метаболизма. Так, Л. Зубкова и соавт. [18], характеризуя распределение Se в организме человека, предложили следующую последовательность уменьшения концентрации данного микроэлемента, исходя из активности окислительно-восстановительных процессов: «почки >печень >поджелудочная железа >лёгкие >сердечная мускулатура >скелетная мускулатура». Применив данный подход к нашим данным по ЭА, мы получили следующий вариант их уровней: кишечник, лёгкое >матка >яичник >молочная железа.

Заметим также, что соотношение Cu/Zn названо некоторыми авторами более чувствительным маркёром рака, чем их концентрации по отдельности [7], и чаще всего возрастает при онкологической патологии. Подобная динамика параметра зафиксирована при раке ЖКТ [21–23], лёгкого [24], шейки матки [23]. Причина перемены значения Cu/Zn заключается в увеличении содержания Cu и уменьшении содержания Zn в ситуации прогрессирования малигнизации [21]. Результаты нашего исследования показали, что величина соотношения Cu/Zn при ЗНО достоверно больше, чем при ДНО. У здоровых жителей региона его величина, рассчитанная нами, исходя из существующих региональных норм содержания ЭА в волосах жителей зрелого и пожилого возраста [25], оказалась равной 0,06.

Анализ выявленных корреляционных связей между уровнями ЭА свидетельствует о наличии разнонаправленной динамики при малигнизации тканей кишечника и молочной железы. В раковых тканях кишечника в данной ситуации выявлено сокращение количества достоверных корреляционных связей до одной (Cu-Zn), для которой отмечено снижение степени её значимости (от 0,926 при ДНО до 0,608 при ЗНО), в ЗНО молочной железы количество корреляционных связей, наоборот, возрастает (Cu-Zn, Cu-Mn, Cu-Se, Mn-Se).

Все выявленные корреляции могут быть охарактеризованы как весьма высокие (r >0,9), за исключением корреляционной связи между уровнями Cu и Zn (r=0,608) при раке кишечника, которая, тем не менее, также достаточно значима.

Особенности корреляционных взаимоотношений между элементами антиоксидантной системы при малигнизации эпителия кишечника могут свидетельствовать о разбалансировке микроэлементного гомеостаза, при раке молочной железы — о его сохранении. Данные корреляционного анализа для всех прочих представленных нами вариантов новообразований доброкачественного и злокачественного характера требуют дальнейшего изучения.

Выводы

1. Более высокие концентрации элементов-антиоксидантов отмечены в тканях злокачественных опухолей, что может быть отражением метаболического (биоэлементного) атипизма раковых клеток.
2. Дифференцирующими элементами для тканей доброкачественных опухолей разной локализации оказались все исследованные микроэлементы (Cu, Zn, Mn, Se), для опухолей злокачественного характера — Cu и Zn.
3. Достоверные корреляционные связи (0,001 <p <0,037) сильного и среднего уровня установлены только в опухолях кишечника и молочной железы, они отличаются разнонаправленной динамикой. Их количество уменьшается при раке кишечника и возрастает при раке молочной железы.

 

Участие авторов. Е.А.Л. — руководство исследованием и администрирование проекта, анализ полученных данных, написание текста рукописи; К.И.А. — обзор публикаций по теме, анализ полученных данных, написание текста рукописи.
Источник финансирования. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.
Благодарность. Выражаем глубокую признательность врачу Магаданского областного онкодиспансера А.М. Ибрагимовой за патологоанатомическое описание образцов ткани и консультирование.

About the authors

Elena A. Lugovaya

Scientific Research Center “Arktika” of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: elena_plant@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6583-4175

Cand. Sci. (Biol.), Assoc. Prof., Director

Russian Federation, Magadan, Russia

Kirill I. Ageenko

Scientific Research Center “Arktika” of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kir.ageenko@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8297-931X

Cand. Sci. (Biol.), Researcher, Bioelementology and Functional Morphology Research Group

Russian Federation, Magadan, Russia

References

Supplementary files