Histomorphological changes in various rat tissues following chronic exposure to copper-zinc-pyrite ore

Full Text

Актуальность изучения воздействия тяжёлых металлов в составе медно-цинковых колчеданных руд на человека обусловлена наличием на территории Республики Башкортостан одного из крупнейших предприятий горнодобывающей промышленности — Учалинского горно-­обогатительного комбината. Основной фактор вредного воздействия производственной среды на работников данного предприятия — медно-цинковая колчеданная мелкодисперсная пыль, в которой в качестве сопутствующих компонентов присутствуют сера, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, сурьма, хром. Из всех перечисленных химических элементов наиболее опасны для организма кадмий и свинец [1, 2].

При свинцовой интоксикации снижается синтез эритропоэтина в почках, нарушаются пролиферация и дифференцировка стволовых клеток костного мозга, угнетается костномозговой эритропоэз, нарушается синтез гемоглобина, снижается осмотическая резистентность эритроцитов [3, 4].

Кадмий, накапливаясь в клетках паренхиматозных органов, связывает карбоксильные, амино- и сульфгидрильные группы, что приводит к нарушению межклеточных взаимодействий, некрозу и апоптозу [5, 6].

Известно, что геохимическая специфика горного производства оказывает негативное воздействие на здоровье людей, работающих и проживающих на территории рудных месторождений [7]. Что касается медно-цинковых колчеданных руд, то большинство исследований посвящено оценке профессиональной заболеваемости на горнодобывающих предприятиях, в то время как экспериментальному гистоморфологическому анализу изменений, возникающих в тканях под воздействием руд цветных металлов, уделено недостаточно внимания: в современной литературе представлены только результаты метаболизма и структурной перестройки костной ткани и печени [1, 8, 9].

Цель нашего исследования — изучение хронического воздействия медно-цинковой колчеданной руды на гистоморфологическое состояние ткани лёгких, органов желудочно-кишечного тракта и почек в длительном модельном эксперименте.

Материал и методы исследования. Экспериментальное исследование выполнено на 60 белых нелинейных крысах-самцах с исходной массой тела 200±30 г в возрасте 3–4 мес. Работа проведена в соответствии с принципами Базельской декларации. Согласно международным правилам этичного обращения с животными, крысы содержались в виварии университета в стандартных клетках (n=6) в условиях свободного доступа к воде и еде при температуре воздуха в виварии 24±2 °С в соответствии с правилами СП 2.2.1.3218 и Директивой 2010/63/EU по охране животных, используемых в научных целях. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет» Минздрава РФ, протокол №5 от 13.09.2017.

Для анализа токсического действия солей тяжёлых металлов медно-цинковой колчеданной руды на организм животного использовали модель дозированного перорального введения измельчённой руды [8, 10]. Образец исследуемой руды был предоставлен ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат» (г. Учалы, Россия). Количество свинца в исследуемом образце руды составляло 0,06%, кадмия — 0,0088%.

Для создания экспериментальной модели хронической интоксикации опытной группе животных (n=40) в течение 4 мес ежедневно за час до стандартного кормления per os вводили водную суспензию порошка медно-цинковой колчеданной руды в дозе 600 мг/кг массы тела животного. Вводимую дозу рассчитывали, исходя из предельно допустимых концентраций тяжёлых металлов в зерне и хлебе [11]. В ходе эксперимента дозу руды корректировали каждый раз после очередного взвешивания животных, которое производили каждые 14–15 дней. В контрольную группу вошли 20 крыс, которые не подвергались воздействию руды.

Для гистоморфологического исследования на 30-е, 60-е, 90-е и 120-е сутки эксперимента у контрольных и подопытных крыс были взяты кусочки желудка, тонкой и толстой кишки, печени, лёгких и почек размером 0,5×0,5 см. Ткани фиксировали в 10% забуференном растворе формалина, и после соответствующей гистологической проводки готовили срезы толщиной 7 мкм с последующим окрашиванием их гематоксилином и эозином (ЗАО «ЭКОлаб», Россия) [10, 12]. Визуальный гистоморфологический анализ микропрепаратов осуществляли на микроскопе AXIO Lab.A1 (ZEISS, Германия) при увеличении объектива ×40. Всего было исследовано 100 микропрепаратов.

Результаты. В проведённых гистоморфологических исследованиях органов крыс, подвергнутых хронической интоксикации медно-цинковой колчеданной рудой, мы наблюдали признаки воспалительных и дегенеративных процессов, динамика развития которых в разных органах имела свои особенности.

В слизистой оболочке желудка при хроническом воздействии медно-цинковой колчеданной руды структурные нарушения развивались уже на 30-е сутки: в препаратах появлялись слущенные и полуразрушенные эпителиальные клетки, количество которых увеличилось к 60-м суткам (рис. 1). В это же время в собственном слое и подслизистой основе слизистой оболочки желудка была выявлена лимфоидная инфильтрация. К 120-м суткам в препаратах наряду с признаками десквамации эпителия и диффузной лимфоцитарной инфильтрацией присутствовали крупные лимфоидные фолликулы, занимающие всю толщину слизистой оболочки желудка.

 

Рис. 1. Слизистая оболочка желудка: А — контроль; Б — 30-е сутки, начальная стадия десквамации эпителия; В — 60-е сутки, слущенные эпителиоциты на поверхности слизистой оболочки; Г — 120-е сутки, десквамация эпителия, инфильтрация слизистой оболочки лимфоидными клетками. Окраска гематоксилином и эозином. Микрофотография. Окуляр ×10, объектив ×40

 

В тонкой кишке животных первые признаки морфологических изменений обнаруживали позднее — на 60-е сутки воздействия медно-цинковой колчеданной руды (рис. 2). Они проявлялись в деструкции эпителиального слоя слизистой оболочки и сопровождались заметной инфильтрацией стенки кишечника лимфоцитами. В стенке толстой кишки также происходило увеличение количества отдельных лимфоцитов и солитарных лимфоидных фолликулов. К 120-м суткам у подопытных животных в слизистых оболочках тонкой и толстой кишки определялись диффузная лимфоцитарная инфильтрация и очаговый некроз.

 

Рис. 2. Тонкая кишка: А — контроль; Б — 60-е сутки, скопление лимфоцитов между криптами; В — 90-е сутки, лимфоидная инфильтрация слизистой оболочки; Г — 120-е сутки, формирование лимфоидных фолликулов и признаки некроза. Окраска гематоксилином и эозином. Микрофотография. Окуляр ×10, объектив ×40

 

Воспалительные и дегенеративные процессы, вызванные введением в организм соединений тяжёлых металлов в составе медно-цинковой колчеданной руды, наиболее отчётливо были выражены в печени подопытных животных (рис. 3). Признаки структурной перестройки органа появились уже к 30-м суткам интоксикации, когда по ходу печёночной триады и внутри долек печени сформировались очаги скопления лимфоидных клеток. К 60-м суткам в препаратах возникала гидропическая дистрофия гепатоцитов, ткань печени была насыщена лимфо-макрофагальными инфильтратами. К 90-м суткам хронического воздействия медно-цинковой руды в печени подопытных крыс развилась жировая дистрофия. К 120-м суткам в печени были выявлены признаки некроза: в центре долек присутствовали разные по площади очаги аутолитического распада клеток и жиробелковый детрит, по периферии долек располагались гепатоциты в состоянии жировой дистрофии.

 

Рис. 3. Печень: А — контроль; Б — 60-е сутки, гидропическая дистрофия печени; В — 90-е сутки, полнокровие синусоидных капилляров и жировая дистрофия гепатоцитов; Г — 120-е сутки, очаговая гиперемия внутридольковых синусоидных капилляров, признаки аутолиза и некроза гепатоцитов. Окраска гематоксилином и эозином. Микрофотография. Окуляр ×10, объектив ×40

 

Несмотря на то обстоятельство, что в нашем эксперименте подопытные животные получали медно-цинковую руду перорально, воспалительные изменения возникли не только в органах желудочно-кишечного тракта, но и в лёгочной ткани (рис. 4). На 30-е сутки эксперимента в лёгких зарегистрированы скопление лимфоидных клеток и застой крови в капиллярах, окружающих альвеолы, а интерстициальная соединительная ткань была инфильтрирована нейтрофилами и макрофагами. К 60-м суткам хронического воздействия медно-цинковой колчеданной руды в лёгочной ткани на фоне воспалительных явлений появились признаки бронхопневмонии. На 90-е сутки в значительной части лёгочной ткани развились отёк и клеточная инфильтрация стенок бронхиол и альвеолярного пространства. Все перечисленные признаки воспалительного процесса в лёгких присутствовали и на 120-е сутки эксперимента.

 

Рис. 4. Лёгкие: А — контроль; Б — 30-е сутки, очаговая инфильтрация лейкоцитами интерстициальной ткани; В — 60-е сутки, десквамация эпителия бронхов, инфильтрация их стенок лимфоцитами; Г — 120-е сутки, выраженная инфильтрация интерстициальной ткани и кровеносных сосудов лимфоцитами и макрофагами. Окраска гематоксилином и эозином. Микрофотография. Окуляр ×10, объектив ×40

 

Анализ гистоморфологического строения почки уже на 30-е сутки интоксикации компонентами медно-цинковой колчеданной руды выявил наличие воспалительного процесса в ткани, окружающей канальцы нефрона (рис. 5). К 60-м суткам эксперимента у крыс развился тубулоинтерстициальный нефрит с очаговой инфильтрацией интерстициальной ткани. В последующие дни выраженность деструктивных процессов в почках подопытных животных нарастала. К 120-м суткам на гистологических срезах были выявлены изменения микроциркуляторного русла (венозная гиперемия с последующим увеличением проницаемости стенок капилляров, усиленная экссудация плазмы крови, миграция лейкоцитов в периваскулярную зону), а также множественная очаговая лейкоцитарная инфильтрация интерстициальной ткани. Таким образом, хроническая интоксикация медно-цинковой колчеданной рудой привела к развитию выраженного тубулоинтерстициального нефрита и тубулопатии с признаками хронического пиелонефрита.

 

Рис. 5. Почки: А — контроль; Б — 30-е сутки, венозная гиперемия в зоне почечных канальцев; В 60-е сутки, коллоидоподобное содержимое в канальцах нефрона почек; Г — 120-е сутки, цилиндры в почечных канальцах. Окраска гематоксилином и эозином. Микрофотография. Окуляр ×10, объектив ×40

 

Обсуждение. Полученные нами данные свидетельствуют о выраженном токсическом действии компонентов медно-цинковой колчеданной руды на организм млекопитающих. Помимо меди, цинка и серы, руда содержит свинец, селен, теллур, кадмий, никель, кобальт, мышьяк, сурьму, таллий и барий. Тяжёлые металлы и их соединения проникают в организм через воздух, воду, пищу, накапливаются в нём и оказывают токсическое воздействие на разные органы и ткани.

Показано, что при хроническом введении компонентов руды у экспериментальных животных нарушаются функции эндокринной системы: снижается уровень тестостерона, йодсодержащих гормонов щитовидной железы и паратгормона, увеличивается синтез глюкокортикоидов [8]. На клеточном уровне под влиянием цинка, свинца, кадмия происходит активация перекисного окисления липидов, изменяется проницаемость мембран, снижаются адгезивные способности клеток, тормозятся процессы пролиферации и дифференцировки гемопоэтических клеток, клеток печени и костной ткани [1, 9, 10, 13–15].

Гистоморфологические изменения, описанные в нашем исследовании, являются результатом неспецифического повреждающего действия компонентов медно-цинковой колчеданной руды, вызывающего, по всей видимости, признаки системного воспалительного ответа в различных тканях.

Отдельного внимания заслуживает обнаруженный нами феномен инфильтрации лимфоидными клетками паренхиматозных органов и слизистых оболочек при хронической интоксикации животных медно-цинковой колчеданной рудой. Известно, что лимфоциты не только защищают организм от чужеродных антигенов, но и регулируют морфогенез, поддерживая механизмы обновления тканей в физиологических условиях и запуская при необходимости резервную программу репаративной регенерации [16, 17].

Выводы

1. Длительное пероральное введение крысам тяжёлых металлов в составе медно-цинковой колчеданной руды привело к выраженным воспалительным и дегенеративным изменениям в лёгочной ткани, органах желудочно-кишечного тракта и почках.
2. Интоксикация медно-цинковой колчеданной рудой вызывает выраженную лимфоцитарную тканевую реакцию.

 

Участие авторов. З.К.Р. — проведение эксперимента, анализ полученных результатов, написание и оформление статьи; К.А.Ф. — руководитель исследования; К.Ф.А. и Ф.М.Я. — морфологическое исследование, описание гистологических препаратов и приготовление микрофотографий.
Источник финансирования. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по представленной статье.

About the authors

K R Ziyakayeva

Bashkir State Medical University

Author for correspondence.
Email: klazia@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, Russia

A F Kayumova

Bashkir State Medical University

Email: klazia@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, Russia

F A Kayumov

Bashkir State Medical University

Email: klazia@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, Russia

M Ya Fazlyakhmetova

Bashkir State Medical University

Email: klazia@yandex.ru
Russian Federation, Ufa, Russia

References

Supplementary files