Информативность спектроскопии волос при изучении микроэлементных нарушений в организме человека

Информативность спектроскопии волос при изучении микроэлементных нарушений в организме человека

Гресь Н.А.1, Юрага Т.М.1, Романюк А.Г.1, Хамад Саид1, Сокол В.П.2

1Белорусская медицинская академия последипломного образования, Минск 2Институт физико-органической химии НАН Беларуси, Минск

Gres NA1, Juraha TM.1, Romanyuk A.G.1, Hamad Said1, Sokol V.P.2

Belarusian Medical Academy of Post-Graduate Education, Minsk 2Institute for Physical and Organic Chemistry, Minsk

The information content of spectroscopy of hair by investigation of disorder of minor elements in human organism.

Резюме. На примере обследования 56 больных мочекаменной болезнью изучено содержание кальция в сыворотке крови и волосах методом атомно-эмиссионной спектрометрии. Получен значительный диапазон индивидуальных колебаний содержания этого макроэлемента в волосах, что подтверждает информативность использования данного биосубстрата для оценки уровня депонирования кальция в организме конкретного человека. В сыворотке крови содержание кальция стабильно у всех обследованных, поскольку находится под жестким контролем гомеостатических механизмов.

Ключевые слова: макроэлементы, биосубстраты, волосы, сыворотка крови, кальций, атомно-эмиссионная спектрометрия.

Summary. A parallel study of calcium in serum and hair by the atomic emission spectrometry has conducted on the example of a survey of 56

patients with urolithiasis. A considerable range of the individual vibration of the macronutrient's content in the hair has been got, which confirms the

informativeness of the usage of this biosubstrates to assess the level of deposit of calcium in the body of every person. At the same time all tested

people have the stable content in the serum because of it is under strict control of homeostatic mechanisms.

Keywords: major mineral elements, biosubstrates, hair, blood serum, calcium, atomic emission spectrometry.

Изучение уровня обеспеченности индивидуума микроэлементами (МЭ) востребовано при многих видах патологии, особенно имеющих массовую распространенность (мочекаменная болезнь, остеопороз, кариес, патология щитовидной железы и др.).

Информативность результатов оценки обеспеченности организма микроэлементами зависит от правильного выбора метода исследования. Помимо биохимического анализа, широко используются высокочувствительные спектроскопические методы, такие как атомно-абсорб-ционная спектрофотометрия; плазменная атомно-эмиссионная спектрометрия; плазменная масс-спектрометрия. Они дают возможность определить химические элементы, находящиеся в биосубстратах человека в очень низких концентрациях.

Ответственный момент - правильный выбор биосубстрата. Именно в данном вопросе остается нерешенным ряд методологических аспектов. Изменения баланса химических элементов в организме человека отражаются на элементном составе внутренних органов и тканей. Однако, несмотря на высокую информативность для клинической диагностики, применение биоптатов внутренних органов в массовых обследованиях эле-

ментного статуса невозможно по этическим, техническим и другим причинам. Химические элементы аккумулируются и в более доступных для исследования биосубстратах: клетках крови, моче, волосах, ногтях.

Для изучения элементного статуса необходимо иметь представление о том, в какой ткани и в какой форме изучаемый элемент находится в максимальном количестве, поскольку депонирование химических эссенциальных элементов тесно связано с их биохимическими функциями [2, 9]. В таблице представлены данные об информативности определения химических элементов в различных биосубстратах.

Использование крови для анализа является общепризнанным в медицинской практике. Ориентация на волосы как информативный биосубстрат некоторыми исследователями оспаривается. Выбор субстрата для исследования, в первую очередь, должны определять:

- биологическая роль химического элемента (жизненно необходимый или токсичный),

- метаболизм химического элемента в организме человека,

- цели и задачи исследования.

Например, уровень микроэлементов

токсического действия в крови, ввиду

чужеродности для организма, случаен и жесткой регуляции не подлежит. Так, при проведении биомониторинга повышенная нагрузка свинцом с риском негативного его воздействия на состояние здоровья оценивается, помимо содержания в волосах, по уровню в крови (анализ капиллярной крови на приборе Lead Care при массовых исследованиях).

В то же время содержание в крови жизненно необходимого кальция не может быть использовано в качестве индикатора его общего количества в организме [3, 9, 12]. Уровень этого макроэлемента в сыворотке рассматриваемого биосубстрата (так же как магния, фосфора, калия, натрия, обеспечивающих сохранение жизненно важных функций человека) является константой и находится под жестким влиянием систем, регулирующих гомеостаз организма и обеспечивающих стабильность химического состава крови и ее выраженные буферные свойства.

Цель исследования - изучить содержание кальция в сыворотке крови и волосах для сравнительной характеристики полученных показателей и оценки информативности используемых биосубстратов.

Материалы и методы

Группу наблюдения составили 56 человек с мочекаменной болезнью

в возрасте 33-59 лет (соотношение мужчин и женщин составило 1:1,5).

Анализ элементного состава волос. Пробоподготовка. Подготовка проб волос к анализу выполнена в соответствии с методическими рекомендациями «Порядок забора, хранения и транспортировки биосубстратов для определения химических элементов», разработанными АНО «Центр биотической медицины» [4]. Волосы (чистые, без лака, средств для укладки и т.д.) состригали на затылке непосредственно от корней в 3-5 местах ближе к шее прядью длиной до 5 см и пучком толщиной около 5 мм (короткие волосы отбирают в количестве, способном заполнить столовую ложку). Образцы волос обрабатывали ацетоном в течение 10-15 минут и трижды промывали деионизированной водой. После высушивания образцов в сушильном шкафу при температуре 60°С до воздушно-сухого состояния на аналитических весах общего назначения специального класса точности брали навеску измельченных волос массой >0,2 г и добавляли 10 мл концентрированной азотной кислоты. Дальнейшую пробоподготовку проводили в микроволновой системе MARS-5 (Cem, USA), настроенной на проведение минерализации с выдержкой в течение 5 минут при давлении 100 psi. Условия минерализации (температура, давление, время и др.) подобраны на основании стандартных методик фирмы-производителя. После окончания процесса минерализации и охлаждения содержимое автоклава количественно переносили в колбу объемом 25 мл, доводя объем раствора в колбе до метки деионизиро-ванной водой и перемешивая взбалтыванием.

Спектроскопия волос. Анализ элементного состава волос выполнен методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой на приборе VISTA PRO (Varian, USA) в лаборатории физико-химических методов исследования Института физико-органической химии НАН Беларуси.

VISTA PRO - параллельный оптический эмиссионный спектрометр на индуктивно-связанной плазме (ИСП ОЭС) с патентованным позиционно-чувствитель-ным детектором ПЗС, полихроматором с дифракционной решеткой Эшелле, кросс-дисперсной призмой из фторида кальция и мощным (40 МГц РЧ) генератором. Детектор VistaChipTM (основной компонент прибора) разработан специально для ИСП ОЭС по технологии I-MAP TM. Более 70 000 пикселей этого детек-

тора располагаются в точном соответствии с двумерным оптическим образом эшеллограммы полихроматора и обеспечивают полное покрытие спектрального диапазона 167-785 нм с точным описанием формы оптических пиков. Спектральные участки как с высокой, так и со слабой интенсивностью свечения могут регистрироваться одновременно и с низким шумом, поэтому не нужны повторные измерения и двойной обзор.

Атомно-эмиссионный спектрометр выводится на режим в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. Измерение проводится при следующих параметрах: мощность работы факела 1,0 квт; плазмообразующий поток аргона 15 л/мин; максимальный поток аргона 1,5 л/мин; поток распылителя 0,9 л/мин; количество реплик - 3; время чтения реплики - 7 секунд.

Информация о выбранных для анализа линиях эмиссии анализируемых растворов, наиболее оптимальных с точки зрения интенсивности и свободы от спектральных наложений; данные о приготовленных стандартах и условия работы спектрометра вносятся в компьютерные программы прибора. Построение калибровочных графиков, расчет концентрации анализируемых растворов, оценка статистических параметров измерения производится автоматически программным обеспечением «ICP Expert».

Калибровочные графики построены с использованием стандартных растворов фирм «Fluka» и «Merck». Для расчета искомого показателя по каждому образцу в программу вводилась информация о навеске биопробы в граммах и объеме минерализата в миллилитрах. Полученные результаты представлены в перерасчете микрограммов на граммы. Показатели элементного статуса оценивались согласно разработанным референтным значениям [3, 8].

Работа с контрольным материалом, В качестве контрольного материала использован сертифицированный образец волос производства Шанхайского института ядерной физики АН КНР (Рефе-ренсный образец волос NCS ZC 81002b. Национальное бюро стандартных образцов. Пекин, Китай). Предварительная подготовка контрольного образца произведена в соответствии с сертификатом. Использована навеска массой 0,2 г. Окончательная обработка контрольного образца проведена аналогично образцам анализируемых волос. Измерения выполнены с применением калибровочной кривой, построенной по растворам

Таблица | Информативность

определения химических элементов

в крови, моче и волосах [10, 13]

Элемент Кровь Моча Волосы

As + + +

Al +

Ba +

Bi +

B +

Cd + + +

Ca + + +

Cr + +

Co +

Cu + + +

Fe +

Pb + +

Mg +

Hg + +

P +

Se +

Ag +

Sr +

Tl +

Zn + +

сравнения. В качестве растворов сравнения использованы государственные стандартные образцы (ГСО), разбавленные с таким расчетом, чтобы концентрации исследуемых растворов попали в середину калибровки.

Метод измерения оптимизировали с использованием одного из растворов сравнения, для которого известен уровень абсорбции, добиваясь совпадения измеряемого сигнала со справочной величиной. За процессом оптимизации следили в специальном окне оптимизации программного обеспечения прибора, которое позволяет настроить все существенные параметры прибора (потоки газов, высота горелки, скорость подачи образцов в атомизатор и др.).

Определение кальция, фосфора, магния в сыворотке крови. Исследование выполнено спектрофотометрическим методом [6]. Анализ проводили на современных биохимических анализаторах Dialab Autolyzer (Австрия) и Clima МС-15 (Испания) с использованием диагностических

МЕДИЦИНСКИЕ НОВОСТИ

№4^ 2013

78

Рисунок

Сравнительная характеристика показателей содержани я кальция в крови и волосах у больных МКБ мужчин и женщин

Мужчины Жэнщ*ны А: кровь, ммоль/л

Б: волосы, ммоль/л

наборов SPINREACT (Испания). Контроль качества лабораторных показателей осуществлен с использованием контрольной сыворотки «HUMATROL N» (1ермания).

Статистические критерии диагностики, При оценке элементного состава сыворотки крови, показатели которого имеют правильное распределение, использованы значения средней, стандартного отклонения и стандартной ошибки.

При исследовании элементных показателей в волосах методом спектроскопии из-за выраженного разброса индивидуальных измерений (например, для кальция в волосах минимальные значения могут разниться от максимальных в 2-10 раз) смысловая и статистическая значимость показателя средней теряется и увеличивается риск неверных заключений. В силу неправильного характера распределения элементных показателей в этом случае вместо среднего со стандартным отклонением следует отдать предпочтение использованию медианы и межквартильного интервала. Для характеристики результатов популяционных исследований используют также оценку индивидуальных показателей содержания МЭ в волосах по отношению к нижнему и верхнему биологически допустимому уровню, исходя из референтных значений.

Результаты и обсуждение

На примере сравнительной оценки значений кальция при одновременном исследовании макроэлемента в волосах и сыворотке крови у больных МКБ показан различный характер его распределения в зависимости от биосубстрата (рисунок). Интервал содержания кальция в волосах у женщин составил 8658 мкг/г (min - 255, max - 1058), у мужчин -4918 мкг/г (min - 248, max - 5166). В крови этот показатель вследствие жесткого гомеостатического контроля стабилен и соответственно равновелик как у жен-

щин - 0,50 ммоль/л (min - 2,10, max -2,60), так и у мужчин - 0,50 ммоль/л (min - 2,00, max - 2,50).

То есть основное отличие показателей элементного состава при спектрометрии волос и анализе крови заключается в том, что содержание в волосах микроэлементов (в частности, кальция, а также магния, фосфора, калия, натрия) имеет большой диапазон колебаний с выходом индивидуальных показателей за пределы нормы. В то же время в сыворотке крови практически все индивидуальные величины рассматриваемых элементных показателей находятся в диапазоне нормальных значений.

Таким образом, жидкие биосреды (кровь, моча), несмотря на традиционность их использования, не могут отражать общий элементный статус организма при изучении обеспеченности его такими микроэлементами, как, например, кальций, магний, фосфор, калий, натрий. Наиболее информативным, неинвазивным и широкодоступным лабораторным тестом, характеризующим общий уровень макроэлементов в организме, является определение МЭ в волосах. По данным многочисленных исследований, химический состав волос коррелирует с элементным профилем внутренней среды человека [3, 5].

Выводы:

1. При оценке общего уровня обеспеченности организма человека кальцием (а также такими макроэлементами, как магний, калий, натрий и фосфор) более высокая информативность спектрометрического исследования волос по сравнению с использованием других биосубстратов (кровь, моча) определяется следующим:

- уровень этих химических элементов в волосах не подвергается суточным колебаниям, связанным с текущим посту-

плением МЭ с пищей, что наблюдается в крови и моче;

- содержание химических элементов в волосах отражает ретроспективно их потребление в прошлом, соизмеримое со скоростью роста и длиной волос, что позволяет дать характеристику общего элементного статуса организма, формирующегося в течение значительного промежутка времени (месяцы, годы);

- МЭ концентрируются в волосах, чем обеспечивается большая надежность исследования их следовых количеств в организме;

- содержание МЭ в волосах не изменяется при длительном хранении;

- между концентрацией МЭ в волосах и содержанием в плазме крови имеет место прямая взаимосвязь.

2. Недостатки метода исследования МЭ в волосах:

- уровень МЭ в волосах может зависеть от состава используемых для мытья волос средств (так, некоторые шампуни против перхоти содержат селен);

- содержание некоторых МЭ подвержено влиянию цвета волос (например, в темных волосах больше железа, никеля, меди и цинка).

Влияние этих факторов можно вычленить в каждом конкретном случае при сборе анамнеза. Следует учитывать, что волосы - одна из самых устойчивых к действию случайных факторов внешней среды структур не только кожного покрова, но и всего организма, уступая в этом только зубам: белки, поперечно сшитые S-S-мостиками и е-(гамма-глутамил)-лизиновыми сшивками, обеспечивают клеткам волос и эпидермиса характерную химическую устойчивость [1].

3. С нашей точки зрения, при оценке баланса в организме человека макро- и микроэлементов выбор биосубстрата определяется поставленными задачами. Использование волос по сравнению с другими биосредами более достоверно позволит оценить:

- уровень общей обеспеченности организма человека эссенциальными химическими элементами;

- степень нагрузки токсичными металлами;

- половые различия элементного баланса макро- и микроэлементов Ca, Mg, K, Na, Cu, Fe;

- характер метаболических связей биоэлементов по коэффициенту соотношений элементов-синергистов и элементов-антагонистов: Ca/1? Ca/K, Ca/Al, Mg/Al, Ca/Pb, Zn/Cd, Fe/Cu [3, 11];

- наличие категорий обследованных с микроэлементозами дефицита и токсическими гипермикроэлементозами для формирования клинических групп риска (состояние предболезни) и выделения больных.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Адаскевич В.П, Мяделец О.Д., Тихоновская И.В. Алопеция. - М., 2000. - 187 с.

2. Любченко П.Н., Ревич Б.А., Левченко И.И. и др. Скрининговые методы для выявления групп повышенного риска среди рабочих, контактирующих с

токсичными химическими элементами: Метод. рекомендации. Утв. МЗ СССР 28.11.1988. - М., 1989. -24 с.

3. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. - М., 2004. - 215 с.

4. Скальный А.В. // Микроэлементы в медицине. -М., 2003. - Т.4, вып.1. - С.7-11.

5. Сусликов В.Л. Геохимическая экология болезней. Атомовиты. - М., 2000. - Т.2. - 672 с.

6. Тиц Н. Клиническое руководство по лабораторным тестам. - М., 2003. - 941 с.

7. Anke M, Rish M. Haaranalyze und Spurenelement Status. - Jena: Gustav Fischer Verlag, 1979. - 267 p.

8. Bertram H.P. Spurenelemente: Analytyk, toxikologische und medianis^ klinische Bedeutung. -Munchen, Wien, Baltimore, Urban und Schwarzenberg, 1992. - 228 s.

9. Burgerstein L, Zimmermann M, Schurgast H, Burgerstein U.P. Burgersteins Handbuch Nährstoffe. 10 Auflage. - Stuttgart: Karl F Haug Verlag, 2002. - 512 s.

10. Krause C, Chutsch M, Henke M. et al. // Umweltsurvey. - 1989. - Vol.1(5).

11. Krupka K, Puczkowski S. Badanie pierwiastkow wtosow. Laboratorium pierwiastkow nieznacznej ilosti. - Lodz, 2004. - 41 p.

12. Passwater R.A., Cranton E.M. Trace elements, hair analysis and nutrition. - New Canaan: Keats Publ., Inc, 1993. - 384 p.

13. Sabbioni E, Minoia C, Pietra R. et al. // J. Sci. Total Environ. - 1992. - Vol.120. - P.49-62.

Поступила 14.02.2012 г.

ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ

«Медицинские новости» № 4 (223) 2013 г. Рецензируемый научно-практический информационно-аналитический журнал. Свидетельство о регистрации № 965 выдано Министерством информации Республики Беларусь 9 июля 2010 года. Периодичность - 1 раз в месяц

Учредитель

Частное издательское

унитарное предприятие «ЮпокомИнфоМед».

Юридический адрес:

220018, г. Минск, ул. Якубовского, 70-5.

УНП 191350993

Редакция

Шарабчиев Юрий Талетович

Третьякова Ирина Георгиевна

Марковка С.Н., Пручковская О.Н.

Колоницкая О.М.

Вашкевич С.В.

Адрес для переписки:

220030, Минск, пл. Свободы, 23-35.

Тел.: (+375-17) 226-03-95, (+375-17) 327-07-54 (гл. редактор), моб. (029) 695-94-19 (Velcom). Факс: (+375-17) 226-00-31.

Е-mail: redakcia@tut.by www.mednovosti.by

Для сведения

Рукописи рецензируются независимыми специалистами

C информацией «К сведению авторов» можно ознакомиться на сайте www. mednovosti.by

Ответственность за достоверность и интерпретацию предоставленной информации несут авторы. Редакция оставляет за собой право по своему усмотрению размещать полные тексты публикуемых статей на сайте редакции www.mednovosti.by и в электронных базах данных (на сайтах) своих партнеров

Перепечатка материалов только с разрешения редакции. Рукописи не возвращаются

Электронная версия журнала доступна на сайте научной электронной библиотеки eLIBRARY.ru

Подписано в печать 16.04.2013 г. Формат 60х84 1/8. Гарнитура Helvetica Narrow. Уч.-изд. л. 11,52 . Заказ 1048 . Тираж 1035 экз.

Тираж распространения, включая электронную подписку, 1600 экз.

Посещаемость журнала на сайте mednovosti.by в марте 2013 г составила 203 000

Цена свободная.

Подписка: по каталогу РУП «Белпочта» индексы: 74954 (инд.), 749542 (вед.); по каталогу ОАО «Агентство Роспечать» индекс: 74954

Типография ООО «Поликрафт» Лицензия №02330/0494199 от 03.04.09 Минск, ул. Кнорина, 50