Изменение микробиома кишечника при хроническом воздействии на макроорганизм солей тяжелых металлов
Автор: Пантелеев С.В., Шроль О.Ю., Потатуркина-нестерова Н.И., Нестеров А.С., Нестерова А.В.
Журнал: Ульяновский медико-биологический журнал @medbio-ulsu
Рубрика: Фундаментальная биология и медицина
Статья в выпуске: 3, 2015 года.
Бесплатный доступ
Проведены исследования микробиома толстой кишки мышей при воздействии солей тяжелых металлов (сульфата меди, сульфата цинка и ацетата свинца) с питьевой водой в течение 100 сут. Показано, что хроническая интоксикация экспериментальных животных приводит к количественным и структурным изменениям микробиома кишечника, проявляющимся в подавлении роста нормофлоры (Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp.) на фоне повышения показателей частоты встречаемости и плотности колонизации представителей условно-патогенной (Klebsiella spp., Proteus spp., Enterococcus spp.) и патогенной микробиоты (Staphylococcus aureus). Наиболее значительные дисбиотические сдвиги отмечены у животных, получавших с питьевой водой соли меди и цинка. Установлено статистически значимое увеличение количества бактерий, в генотипе которых содержались гены, экспрессирующие факторы патогенности.
Рак шейки матки, эритроциты, перекисное окисление липидов, антиоксидантная система, микробиом кишечника, сульфат меди, сульфат цинка, ацетат свинца, дисбиоз, нуклеотидные последовательности генов
Короткий адрес: https://sciup.org/14113101
IDR: 14113101
Текст научной статьи Изменение микробиома кишечника при хроническом воздействии на макроорганизм солей тяжелых металлов
Введение. Тяжелые металлы являются одними из приоритетных техногенных загрязнителей и обладают выраженным токсическим влиянием на человека. Известно их тератогенное, канцерогенное и мутагенное воздействие. Уровень концентрации, оказывающий токсическое воздействие на макроорганизм, зависит от вида металла и его биологической роли. Концентрация меди более 3 мг/л может стать причиной острого нарушения функции желудочно-кишечного тракта, вызывая тошноту, рвоту, диарею. Отравление свинцом проявляется признаками поражения центральной и периферической нервной системы, кишечника, почек. Установлено, что тяжелые металлы оказывают влияние не только на физиологическое, но и на психическое состояние человека [1, 2]. Показано, что часто они попадают в организм человека с питьевой водой [6, 8].
Токсигенный эффект, как правило, обнаруживается уже при незначительном уровне содержания солей тяжелых металлов в макроорганизме. Существует необходимость выявления токсического воздействия данных веществ на ранних его стадиях. В связи с этим чрезвычайно интересным является использование в качестве маркера, чувствительного к малым дозам токсических веществ, микробиома кишечника, представляющего собой не только консорциум самих микробов определенного биотопа, но и совокупность всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют. Роль микробиома кишечника в поддержании гомеостаза организма трудно переоценить. Это подтверждают результаты многочисленных исследований в области биологии, биохимии, экологии, медицины и токсикологии [3, 4].
Цель исследования. Изучение возможности использования микробиома кишечника экспериментальных животных в качестве чувствительного маркера токсического воздействия солей цинка, свинца и меди при длительном их поступлении в тестируемый макроорганизм.
Материалы и методы. В работе использовали четыре группы белых беспородных мышей, которые в течение 100 сут получали питьевую воду, содержащую соли тяжелых металлов в количествах, соответствующих 10 предельно допустимым концентрациям (ПДК) [7]. В каждую из групп входило по 20 животных: первая группа получала раствор сульфата меди пятиводного (10 мг/л), вторая – раствор сульфата цинка семиводного (50 мг/л), третья – раствор ацетата свинца (0,3 мг/л). Четвертую группу (контрольную) составляли интактные животные, не получавшие солей тяжелых металлов.
Через 20, 40, 60, 80, 100 сут от начала эксперимента у животных определяли наличие количественных и качественных дисбио-тических изменений микробиома кишечника [5]. Видовой состав исследовали с помощью коммерческих тест-систем фирмы Lachema (Чехия) и определителя бактерий Берджи.
Для нахождения уровня патогенности условно-патогенных представителей микробиома кишечника определяли нуклеотидные последовательности генов, детерминирующих экспрессию факторов патогенности, с использованием метода полимеразной цепной реакции в реальном времени (PCR Real time).
Результаты и обсуждение. Наблюдение за экспериментальными животными выявило у мышей всех опытных групп проявления воздействия на макроорганизм солей тяжелых металлов начиная с 30–40-х сут. У животных отмечалось уменьшение подвижности, вялость, замедление скорости реакции, выпадение волос, нарушение пищеварения. У мышей первой группы наблюдалось достоверное отставание в росте и массе тела по сравнению с группой контроля (p<0,05), образование множественных участков некроза кожи, изъязвление носовой перегородки, конъюнктивит, часто заканчивающийся слепотой. У 40 % мышей, подвергшихся действию сульфата цинка, зарегистрирован отек яичек и образование рубцов на коже в области ануса.
Результаты исследования дисбиотиче-ских изменений микрофлоры толстой кишки мышей, получавших тяжелые металлы с питьевой водой, показали, что частота встречаемости дисбиотических изменений микробиома кишечника на протяжении всего эксперимента изменялась (табл. 1).
Таблица 1
Частота встречаемости дисбактериоза кишечника у экспериментальных животных, %
Группа животных |
20-е сут |
40-е сут |
60-е сут |
80-е сут |
100-е сут |
Первая (медь) |
15,1±0,2* |
30,3±2,1* |
39,8±2,7* |
69,7±3,2* |
97,2±3,7* |
Вторая (цинк) |
10,1±1,4* |
30,2±4,1* |
41,7±3,6* |
74,7±4,1* |
96,4±4,1* |
Третья (свинец) |
5,2±0,2 |
14,9±0,8* |
29,5±1,8* |
49,2±3,7* |
74,3±2,6* |
Контрольная |
5,0±0,1 |
5,3±0,2 |
5,1±0,1 |
5,3±0,2 |
5,0±0,3 |
Примечание. * – достоверность различия показателя по сравнению с группой контроля (р<0,05).
Первые дисбиотические сдвиги микробиоты кишечника мышей первой и второй групп происходили уже на 20-е сут: по сравнению с контролем частота встречаемости указанных изменений повысилась в три и два раза соответственно. В третьей группе данный показатель не увеличивался. К концу эксперимента (100-е сут) дисбиотические изменения микробиома кишечника отмечались практически у всех животных опытных групп, при этом были наименее выражены в третьей группе, однако превышая контрольные значения более чем в 14 раз.
Изучение плотности колонизации представителей микробиома кишечника также выявило изменения данного показателя при воздействии солей тяжелых металлов на организм мышей, наиболее выраженные к 100-му дню эксперимента (табл. 2).
Таблица 2
Вид микроорганизмов |
Группа животных |
|||
первая |
вторая |
третья |
контроль |
|
Bifidobacterium spp. |
5,2±0,3* |
6,8±0,6* |
8,9±0,9 |
10,1±0,6 |
Lactobacillus spp. |
4,5±0,3* |
4,7±0,5 * |
6,9±0,4* |
8,9±0,7 |
Escherichia coli |
7,9±0,6 |
8,2±0,3 |
8,1±0,3 |
8,9±0,2 |
Лактозонегативные |
4,5±0,6* |
3,8±0,9* |
1,2±0,5 |
0,3±0,1 |
Гемолитические |
3,2±0,3 |
2,8±0,3 |
0,9±0,1 |
- |
Bacteroides spp. |
6,5±0,1* |
6,9±0,2* |
7,9±0,8 |
9,6±0,4 |
Enterococcus spp. |
8,8±0,4* |
8,7±0,3* |
6,3±0,7 |
6,1±0,2 |
Proteus spp. |
3,5±0,4 |
2,7±0,4* |
2,3±0,6* |
0,8±0,1 |
Klebsiella spp. |
3,4±0,1* |
2,5±0,3* |
1,7±0,3* |
0,3±0,1 |
Staphylococcus aureus |
3,3±0,2 |
2,5±0,3 |
1,4±0,1 |
- |
S. epidermidis |
1,5±0,3 |
1,6±0,1* |
1,2±0,1 |
0,9±0,2 |
Candida spp. |
3,6±0,5* |
4,1±0,3* |
3,7±0,3* |
0,5±0,1 |
Примечание. * – достоверность различий показателя по сравнению с контролем (p<0,05).
Показатели плотности колонизации микробиоты кишечника мышей к 100-му дню эксперимента, lg, KOE/г
Уровень обсемененности нормофлорой ( Bifidobacterium spp ., Lactobacillus spp .) достоверно снижался (p<0,05). В первой и второй группах мышей, получавших с питьевой водой сульфат меди и сульфат цинка, к 100-м сут произошло снижение количества лактобактерий до lg 4,5±0,28 и lg 4,7±0,54 KOE/г соответственно (в контроле lg 8,30±0,37 KOE/г). Депрессия нормофлоры происходила на фоне расширения видового спектра патогенных (гемолитические и лактозонегативные Escherichia coli , Staphylococcus aureus ) и условнопатогенных видов ( Klebsiella spp ., Proteus spp ., Enterococcus spp .). Выявленные изменения у животных третьей группы были наименее выраженными.
При оценке изменений характера микробиома большое значение имеет выявление генов, детерминирующих экспрессию факторов патогенности условно-патогенных видов, поскольку наличие таких генов обусловлива- ет патогенный потенциал микроорганизмов. Определение нуклеотидных последовательностей генов при помощи PCR Real time выявило статистически значимое увеличение количества особей, в генотипе которых локализованы гены, экспрессирующие факторы патогенности.
Заключение. Таким образом, при воздействии на макроорганизм солей меди, цинка и свинца выявлены количественные и структурные изменения микробиома кишечника экспериментальных животных, проявляющиеся в подавлении роста нормофлоры на фоне повышения показателей частоты встречаемости и плотности колонизации представителей условно-патогенной и патогенной микробиоты. Наиболее значительные дисбиотические сдвиги отмечены у животных, получавших с питьевой водой соли меди и цинка.
Токсичные вещества, попадающие в же- лудочно-кишечный тракт, в первую очередь нарушают равновесие в сообществе населяющих его микроорганизмов, именно они принимают на себя первый удар токсиканта. Проведенные исследования показали, что длительное поступление меди и цинка с питьевой водой в концентрации 10 ПДК приводит к подавлению нормофлоры и размножению условно-патогенных и патогенных микроорганизмов в составе микробиома толстого кишечника белой мыши и, как следствие, к развитию дисбактериоза. Наиболее выраженные дисбиотические изменения выявлены у животных, получавших с питьевой водой ионы меди. У них наблюдался заметный дисбаланс в ассоциациях условнопатогенной микрофлоры, снижение уровня облигатной микробиоты (бифидобактерий и лактобактерий) и появление условно-патогенных и патогенных видов микроорганизмов, отсутствующих в контроле.
Проведенными исследованиями показано статистически значимое увеличение количества особей, в генотипе которых содержатся гены, экспрессирующие факторы патогенности. Это свидетельствует о повышении патогенного потенциала кишечной микробиоты в результате хронического воздействия на макроорганизм солей тяжелых металлов.
-
1. Бингам Ф. Т. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Ф. Т. Бингам, М. Коста, Э. Эйхенберг ; пер. с англ. под ред. Х. Зигель, А. Зигель. – М. : Мир, 1993. – 368 с.
-
2. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I–IV групп / под ред. В. А. Филова. – Л. : Химия, 1988. – 512 с.
-
3. Звягинцева Т. Д. Дисбактериоз кишечника: клиническое значение и перспективы лечения / Т. Д. Звягинцева, Е. И. Сергиенко // Экспериментальная клиническая гастроэнтерология. – 2003. – № 3. – С. 70–74.
-
4. Новые подходы к диагностике кишечного дисбиоза у пациентов с псориатической болезнью / Н. Г. Гумаюнова [и др.] // Вестн. Российского ун-та дружбы народов. Сер. Медицина. – 2009. – № 2. – С. 93–97.
-
5. ОСТ 91500.11.0004–2003. Дисбактериоз кишечника. Протокол ведения больных. – М. : Минздрав России, 2003. – С. 5–21.
-
6. Оценка качества водопроводной воды г. Димитровграда / О. В. Фокеева [и др.] // Вода. Химия и экология. – 2012. – № 11. – С. 99–101.
-
7. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. – М. : Минздрав России, 2002. – С. 15–17.
-
8. Содержание тяжелых металлов в воде наблюдательных скважин полигона захоронения отходов / И. В. Турецкая [и др.] // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 7. – С. 75–76.
THE MODIFICATION OF THE INTESTINE MICROBIOMEAFTER CHRONIC INFLUENCE OF HEAVY METAL COMPOUNDS ON MACROORGANISM
S.V. Panteleev, O.J. Shrol, N.I. Potaturkina-Nesterova, A.S. Nesterov, A.V. Nesterova
Ulyanovsk State University
Список литературы Изменение микробиома кишечника при хроническом воздействии на макроорганизм солей тяжелых металлов
- Бингам Ф. Т. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов/Ф. Т. Бингам, М. Коста, Э. Эйхенберг; пер. с англ. под ред. Х. Зигель, А. Зигель. -М.: Мир, 1993. -368 с.
- Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп/под ред. В. А. Филова. -Л.: Химия, 1988. -512 с.
- Звягинцева Т. Д. Дисбактериоз кишечника: клиническое значение и перспективы лечения/Т. Д. Звягинцева, Е. И. Сергиенко//Экспериментальная клиническая гастроэнтерология. -2003. -№ 3. -С. 70-74.
- Новые подходы к диагностике кишечного дисбиоза у пациентов с псориатической болезнью/Н. Г. Гумаюнова //Вестн. Российского ун-та дружбы народов. Сер. Медицина. -2009. -№ 2. -С. 93-97.
- ОСТ 91500.11.0004-2003. Дисбактериоз кишечника. Протокол ведения больных. -М.: Минздрав России, 2003. -С. 5-21.
- Оценка качества водопроводной воды г. Димитровграда/О. В. Фокеева //Вода. Химия и экология. -2012. -№ 11. -С. 99-101.
- СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. -М.: Минздрав России, 2002. -С. 15-17.
- Содержание тяжелых металлов в воде наблюдательных скважин полигона захоронения отходов/И. В. Турецкая //Современные наукоемкие технологии. -2010. -№ 7. -С. 75-76.