Особенности обмена химических элементов в организме животных при внутримышечном введении наночастиц элементарного железа

УДК 636.085:577.17

Особенности обмена химических элементов в организме животных при внутримышечном введении наночастиц элементарного железа

Е.А. Сизова

ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» И.С.Мирошников ГНУ Всероссийский НИИ мясного скотоводства

Аннотация. В статье представлены экспериментальные данные, описывающие влияние на минеральный обмен в организме животных внутримышечных инъекций наночастиц элементарного железа с размером частиц 80±2 нм. Инъекции железа сопровождаются повышением содержания в печени лабораторных животных (крыс) токсичных микроэлементов. Содержание концентрации эссенциальных и условно-эссенциальных элементов изменятся селективно.

Summary. The article comprises experimental data describing influence of intramuscular introduction of elemental iron nanoparticles sized 80±2 nm on mineral metabolism in organism of animals. Iron injections are followed by increasing content of toxic microelements in liver of laboratory animals (rats). Concentration of essential and conditionally essential elements changes selectively.

Ключевые слова: микроэлементы, наночастицы, эссенциальные, условно-эссенциальные, элементарное железо.

Key words: microelements, nanoparticles, essential, conditionally essential, elemental iron.

Объективно оценивая перспективы дальнейшего развития рынка препаратов-микроэлементов, можно сделать вывод о том, что наметившаяся тенденция по замене минеральных солей микроэлементов как их источников в рационе животных на органические соединения в последние 5-10 лет получила дальнейшее развитие [1, 2, 3]. Это хорошо заметно по наращиванию производства и широкой практике использования органических соединений микроэлементов с аминокислотами [4], белками в составе препаратов дрожжей [5, 6], морских водорослей [7, 8, 9] и др.

Между тем по мере накопления знаний о биологических эффектах высокодисперсных частиц элементарных металлов и их соединений становится очевидным, что последние вполне способны стать альтернативой органических форм [10, 11].

Это определяется как значительно меньшей токсичностью наночастиц с размером близкими к 100 нм, [12], так и более высокой биодоступностью для организма животного [13].

Подтверждением перспективности наноформ микроэлементов является значительное число исследований по использованию наночастиц металлов в животноводстве с целью повышения продуктивности крупного рогатого скота, сельскохозяйственной птицы [14, 15], объектов аквакультуры [16, 17, 18] и т.д.

В этой связи определённый интерес представляют исследования, направленные на дальнейшее изучение биологических свойств наночастиц металлов, в т. ч. по способности воздействовать на обмен других элементов.

Важность этой информации определяется перспективностью методов создания искусственных депо микроэлементов в организме сельскохозяйственных животных, в т. ч. мясного скота с целью длительной коррекции элементозов.

Материалы и методы

В ходе исследования изучены аспекты морфологической реорганизации и концентрации химических элементов в печени животных при внутримышечном введении лиозоля наночастиц железа с размерами гранул 80±2 нм. Наночастицы, покрытые оксидной пленкой (Fe3O4), синтезировали методом высокотемпературной конденсации на установке Миген.

Лабораторные исследования проведены на базе экспериментально-биологической клиники (вивария) Оренбургского государственного университета на белых крысах - самцах линии Wistar массой 190±8 г (n=30), находящихся в общевиварийном рационе кормления. Животным внутримышечно вводили водную суспензию наночастиц железа в бедренную группу мышц с периодичностью 1 раз в неделю в дозе 2,0 мг/кг массы животного.

Водные лиозоли наночастиц железа изготавливали по технологии, включающей следующие этапы: приготовление точной навески нанопорошка, перенесение нанопорошка в воду, последовательное диспергирование суспензии нанопорошка на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-2Т в режиме: трёхкратное диспергирование по 1 мин. с перерывом 3 мин. Отбор проб проводили через 7 и 14 суток после 1 -й инъекции, 7 суток - после 2 инъекции. В контрольную группу входили животные, которым внутримышечно вводили изотонический раствор в том же объеме, что и опытным животным.

Для морфологического исследования извлекали печень. Парафиновые гистологические срезы окрашивали гематоксилином и эозином для выявления железа с получением берлинской лазури по Перлсу в модификации по Лизону и Бантингу и реакции с альциановым синим, который связывается только с неорганическим железом.

Все манипуляции осуществлялись в соответствии с правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных (Приказ № 755 от 12.08.1977 МЗ СССР).

Определение концентрации химических элементов (25 наименований) в печени осуществляли в лаборатории АНО «Центр биотической медицины» г. Москва (аттестат аккредитации ГСЭН^и.ЦОА. 311, регистрационный номер в Государственном реестре РОСС RU. 0001.513118) с использованием атомно-эмиссионных и масс-спектрометрических методов.

Статистическую обработку полученных данных проводили c использованием пакета программ «Statistica 5,5 for Windows» и программного пакета «MS Excel 2000».

Результаты и их обсуждения

В ходе исследований после первой инъекции элементарного железа в печени опытных животных не обнаруживались структуры, дающие положительную реакцию Перлса. Впервые лишь на 14 сутки исследования обнаруживаются единичные клетки Купфера, дающие положительную реакцию. В цитоплазме клеток Купфера опытной группы экспериментальных животных наблюдается аморфное окрашивание экзогенного железа.

Система гомеостатического регулирования уровня железа эффективно справляется с поступающими наночастицами, и через 7 суток после второго и третьего введения наноразмерных частиц наличие железа в печени не обнаруживается.

По сравнению с контролем в опытной группе животных положительная реакция Перлса обнаруживается в макрофагах соединительной ткани портальных трактов и единичных гепатоцитах.

По результатам изучения элементов морфологической структуры органа можно сделать выводы, что в печени при введении используемой дозы наночастиц железа и разной кратности введения значимых структурных изменений не обнаружено. Лишь единичные клетки Купфера и гепатоциты в ходе исследования дают положительную реакцию на выявление в них железа. Клетки Купфера - это специализированные макрофаги печени, основной их функцией является захват и переработка старых нефункциональных клеток крови. При этом разрушаются молекулы гемоглобина, их глобиновые цепи повторно утилизируются, а гем расщепляется на железо и билирубин.

Одним из наиболее информативных показателей минерального состава является описание концентрации химических элементов в органе.

Однократное введение наночастиц железа приводит к уменьшению концентрации эссенциаль-ных и условно-эссенциальных микроэлементов. Так, содержание железа в печени животных опытной группы по сравнению с контролем снизилось на 29,2%. Аналогичная тенденция отмечена для макроэлементов, их концентрация понижается для Mg, P и K на 21,8, 18,6 и 15,8% соответственно. Относительно токсических элементов отметим резкое снижение алюминия и, вместе с тем, повышение олова (рис. 1).

Как следует из полученных результатов, система гомеостатического регулирования уровня минеральных элементов в организме животных справляется с увеличенной нагрузкой металла на организм, что отражается на сохранении уровня элементов в печени животных (рис.2).

Введение наночастиц сопровождалось дальнейшим снижением общего пула в печени макроэлементов. В частности, кальция на 7 сутки после первой инъекции — на 2,6%, на 7 сутки после второй инъекции - на 11,6%. Снижение калия в опытной группе по сравнению с контролем после 1 инъекции составило 15,8%. Однако после 2 инъекции, напротив, произошло увеличение концентрации на 4,1% соответственно.

Результаты проведённых исследований указывают на специфическое перераспределение эссен-циальных и условно-эссенциальных микроэлементов. Содержание мышьяка резко возросло после второй инъекции. Концентрация Со при однократном введении наночастиц понизилась на 58,5% по сравнению с контролем, при многократном введении, наоборот, произошло увеличение на 9,4 11,6 и 3,0% соответственно. Происходит снижение концентрации Cu в опытной группе после 1 инъекции — на 10%.

К 1 Ы и

в —

Химические элементы

Рис.1 - Разница концентрации минеральных элементов в печени опытной группы относительно контрольной на 7 сутки после первой инъекции, %

1 У 11 и У У У и и и ^

1 - " У II 1 Аз Сс1 и Мп Со 1 5г 5е V К Р М£ N3 Не Си Сг В Сп Ре РЬ N А Б \ I

Химические элементы

Рис.2 - Разница концентрации минеральных элементов печени опытной группы относительно контрольной на 7 сутки после второй инъекции, %

В печени животных всех опытных групп имело место снижение концентрации железа на величину до 30% (рис. 3).

Картина с содержанием токсичных элементов складывается не однозначно. Концентрация алюминия в опытных группах животных относительно контроля снижается после 1 и 2 инъекций на 65,9 и 45,7%, соответственно; после 3 инъекции, наоборот, происходит повышение его концентрации на 51,6%. Выраженной амплитудой колебания характеризуются Pb и Sn. После 3 инъекции понижение Pb составило 25%. Концентрация Sn после 2 инъекции понизилась на 95,3%.

Снижение концентрации Fe во всех опытных группах связано с тем, что при введении наноча-стиц в организме исследуемых животных срабатывают компенсаторные процессы, железо распределяется по кровеносному руслу, печень его не накапливает. Это подтверждает качественная реакция на железо в печени: не обнаруживаются структуры, дающие положительную реакцию Перлса.

Элементный профиль органа опытных особей относительно контроля представлен следующим образом:

Рис. 3 - Содержание железа в печени на седьмые сутки после 1-ой, 2-ой инъекций

Ж,Бп

мщиип)

V

Таким образом, в печени при внутримышечном введении наночастиц железа в дозе 2 мг/кг патологических изменений не обнаружено, положительную реакцию на выявление железа дают лишь единичные клетки Купфера и гепатоциты. При введении биотических доз наночастиц (зона биотического действия наночастиц железа лежит вплоть до 25 мг/кг массы животных) значимых структурных изменений не происходит.

При однократном введении наночастиц железа в биотических дозах в течение первых семи суток происходит обеднение печени химическими элементами, в том числе понижение содержания железа, что свидетельствует о перераспределении элементов.

Многократное введение наночастиц железа продолжает начавшееся перераспределение его в органе. Изменяется амплитуда колебания концентрации почти всех химических элементов с разным характером и степенью интенсивности.

Литература

1. Суторма О.А., Ранделин Д.А. Использование микроэлементов в органической форме при выращивание бычков на мясо // Инновационные направления в развитии сельскохозяйственного производства: материалы междунар. науч.-практ. конф. под ред. В.И. Левахина. Оренбург, 2012. С. 49-50.

2. Фисинин В., Папазян Т. Селен и воспроизводительные качества кур // Птицеводство. 2003. № 3.

С. 6-7

3. Органические формы микроэлементов в кормлении цыплят-бройлеров и кур-несушек / В.И. Фиси-нин, И.А. Егоров, Е.Н. Андрианова, С.П. Воронин // Инновационные разработки и их освоение в промышленном птицеводстве: материалы XVII междунар. конф. ВНАП. Сергиев Посад, 2012. С. 267-268.

4. Селенсосодержащая биологически активная добавка в форме аминокислот / Л.А. Маюрнико-ва, Г.А. Гореликова, М.А. Базина, М.С. Горбунчикова // Пиво и напитки. 2009. № 6. С. 26-27.

5. Зорин С.Н. Получение и физико-химическая характеристика комплексов эссенциальных микроэлементов (цинк, медь, марганец, хром) с ферментативными гидролизатами пищевых белков // Микроэлементы в медицине. 2007. Т. 8, № 1. С. 53-55.

6. Шацких Е.В., Цыганова О.С. Показатели мясной продуктивности бройлеров при использовании йодказеина // Аграрный вестник Урала. 2008. № 3. С. 45-47.

7. Селенсодержащие спирулина и фикоцианин как источники биодоступного селена / Л.В. Кравченко, О.Л. Гладких, И.В. Гмошинский, В.К. Мазо // Вопросы питания. 2008. Т. 77, № 4. С. 63-66.

8. Паньковский Г.А. Разработка научных основ технологии получения обогащенных микроэлементами в биогенной форме пищевых добавок и лечебно-профилактических препаратов на основе пивных дрожжей [обогащение селеном и йодом] // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал. 2003. № 3. С. 1202.

9. Певень В.Г. Спирулина в кормлении племенной птицы: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Сергиев Посад, 1998. 21 с.

10. Наночастицы металлов в биоэлементологии / Н.Н. Глущенко, О.А. Богословская, Т.А. Бай-тукалов, И.П. Ольховская // Микроэлементы в медицине. 2008. Т. 09, № 1-2. С. 52.

11. Влияние различных видов воздействия на физические и биологические свойства кормов с разной степенью минерализации / М.Я. Курилкина, С.А. Мирошников, Т.Н. Холодилина, А.С. Кузнецова // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2010. № 6. С. 73-75.

12. Изучение безопасности введения наночастиц меди с различными физико-химическими характеристиками в организм животных / О.А. Богословская, Е.А. Сизова, В.С. Полякова, С.А. Мирошников, И.О. Лейпунский, И.П. Ольховская, Н.Н. Глущенко // Вестник Оренбургского государственного университета. 2009. № 2. С. 124-127.

13. Переваримость рациона и баланс питательных веществ при скармливании телятам нанопо-рошков кобальта и меди / Е. Ильичев, А. Назарова, С. Полищук, В. Иноземцев // Молочное и мясное скотоводство 2011. № 5. С. 27-29.

14. Высокодисперсные порошки металлов - источники микроэлементов для сельскохозяйственной птицы / И.А. Егоров, В.П. Куренева, Н.Н. Глущенко, Л.Д. Фаткуллина, Ю.И. Федоров // Физиоло-го-биохимические основы повышения продуктивности сельскохозяйственной птицы: сб. науч. тр. Боровск, 1985. Т. 31. С. 80-88.

15. Яушева Е.В., Мирошников С.А. Исследование влияния высокодисперсных частиц металлов на гомеостаз показателей общего белка и интенсивности роста цыплят-бройлеров // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 2. С. 508.

16. Использование экструдированных кормов с добавлением наночастиц металлов в кормлении рыб / А.Е. Аринжанов, Е.П. Мирошникова, Ю.В. Килякова, А.М. Мирошников, А.В. Кудашева // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 10(146). С. 138-142.

17. Аринжанов А.Е., Мирошникова Е.П., Килякова Ю.В. Воздействие наночастиц комплекса металлов на организм карпа // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 2(40). С. 113-116.

18. Обмен химических элементов в организме карпа при использовании наночастиц кобальта и железа в корме / Е.П. Мирошникова, А.Е. Аринжанов, Н.Н. Глущенко, С.П. Василевская // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 6. С. 170-175.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда по соглашению № 14 - 16 - 00060 от 20.06.2014 г.

Сизова Елена Анатольевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры общей биологии ОГУ, 460018, г. Оренбург, просп. Победы, д. 13, сот.:8-912-344-99-07

Мирошников Иван Сергеевич, аспирант ГНУ Всероссийского НИИ мясного скотоводства, 460000, г. Оренбург, ул. 9 Января, 29