ТОКСИЧЕСКОЕ И КАНЦЕРОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА: ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

TOXIC AND CARCINOGENIC IMPACT OF HEAVY METALS ON THE HUMAN BODY: A LITERATURE REVIEW

Anastasia Makedonskaya

student, Faculty of Preventive Medicine and Medical Biochemistry, Northern State Medical University,

Russia, Arkhangelsk

Tatyana Korelskaya

scientific supervisor, candidate of Sciences in Chemistry, associate professor of Department of General and Bioorganic Chemistry, Northern Medical State University,

Russia, Arkhangelsk

АННОТАЦИЯ

В связи с развитием промышленности возрастает актуальность проблемы токсического воздействия тяжёлых металлов (ТМ) на окружающую среду и человека. Свинец, мышьяк, ртуть, кадмий, хром, медь и др. способны аккумулироваться в организме и вызывать различные заболевания. Кроме того, они также накапливаются в тканях растений и животных, которые являются пищей для человека. Сравнение механизмов действия показывает, что эти металлы вызывают токсичность схожими путями, включая выработку активных форм кислорода (АФК), инактивацию ферментов и окислительный стресс. В связи с этим, возникает необходимость принимать меры по защите окружающей среды от загрязнения тяжёлыми металлами: использование более экологически чистых технологий, повышение осведомлённости общества о вредности тяжёлых металлов и стимулирование разработок новых методов очистки и утилизации данных веществ.

В ходе изучения исследовательских работ о влиянии ТМ для данного обзора были использованы базы данных Science Direct, Google Scholar*(По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред.) и Web of Science с использованием терминов.

ABSTRACT

In connection with the development of industry, the relevance of the problem of the toxic effects of heavy metals (HM) on the environment and humans is increasing. Lead, arsenic, mercury, cadmium, chromium, copper, etc. can accumulate in the body and cause various diseases. In addition, they also accumulate in the tissues of plants and animals, which are food for humans. Comparison of mechanisms of action shows that these metals cause toxicity through similar pathways, including the production of reactive oxygen species (ROS), enzyme inactivation, and oxidative stress. In this regard, there is a need to take measures to protect the environment from pollution by heavy metals: the use of more environmentally friendly technologies, increasing public awareness of the harmfulness of heavy metals and stimulating the development of new methods for the purification and disposal of these substances.

The Science Direct, Google Scholar*(По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред.), and Web of Science terminology databases were used to review research papers on the impact of HM for this review.

Ключевые слова: тяжёлые металлы, воздействие на человека, токсичность, канцерогенность.

Keywords: Heavy metals, human exposure, toxicity, сarcinogenicity.

ВВЕДЕНИЕ

Тяжелые металлы (ТМ) представляют собой элементы с большим атомным весом и плотностью, превышающей плотность воды в 5 раз. К ТМ относятся: сурьма, теллур, висмут, олово, таллий, золото, мышьяк, церий, галлий, кадмий, хром, кобальт, медь, железо, свинец, ртуть, марганец, никель, платина, серебро, уран, ванадий и цинк [1].

Зарегистрированные источники тяжелых металлов в окружающей среде включают геогенные, промышленные, сельскохозяйственные, фармацевтические, бытовые сточные воды и атмосферные источники. Хотя ТМ представляют собой элементы естественного происхождения и встречаются повсеместно, большая часть загрязнения окружающей среды и воздействия на организм человека является результатом антропогенной деятельности.  Промышленные источники включают обработку металлов на нефтеперерабатывающих заводах, сжигание угля на электростанциях, сжигание нефти, атомные электростанции и линии высокого напряжения, заводы по производству пластмасс, текстиля, микроэлектроники, бумажную промышленность и т.д. [10].

ТМ подразделяются в зависимости от их функции в биологических системах на незаменимые и заменимые. Длительное воздействие избыточного количества незаменимых или заменимых ТМ контактным, алиментарным и ингаляционным путями может привести к развитию физиологических, морфологических нарушений или генетических мутаций [2]. Уровень токсичности ТМ зависит от количества и продолжительности времени воздействия на организм. В организме человека ТМ транспортируются и распределяются в клетках, связываясь с белками, нуклеиновыми кислотами, разрушая их и нарушая клеточные функции. Механизмы токсичности для данным металлов схожи: образование связей с сульфгидрильными группами и образование АФК, ослабление антиоксидантной защиты, инактивацию ферментов и окислительный стресс. Воздействие ТМ в основном связано с раком кожи, печени, простаты, легких, мочевого пузыря, щитовидной железы и почек, а также вызывает злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта [4].

ОБСУЖДЕНИЕ

Мышьяк (As²⁺)

Одним из механизмов токсического действия мышьяка является нарушение клеточного дыхания за счет ингибирования различных митохондриальных ферментов и разобщения окислительного фосфорилирования. Токсичность мышьяка также обусловлена ​​его способностью взаимодействовать с сульфгидрильными группами белков, ферментов и замещать фосфор в различных биохимических реакциях. Мышьяк in vitrо инактивирует дигидролипоилдегидрогеназу и тиолазу, тем самым вызывая ингибирование окисления пирувата и бета-окисления жирных кислот [9].

Длительное воздействие мышьяка приводит к стимуляции канцерогенеза. Соединения мышьяка вызывают повреждение ДНК, ингибируют репарацию ДНК и вызывают хромосомные аберрации, обмен сестринскими хроматидами и образование микроядер в клетках человека и гипометилирование ДНК, что может влиять на клеточные сигнальные пути (например, сигнальный путь р53).  Мышьяк и соединения мышьяка цитотоксичны и индуцируют морфологические трансформации клеток C3H10T1/2 мыши и клеток BALB/3T3 [10].

Ртуть (Hg²⁺)

Молекулярные механизмы токсичности ртути основаны на ее химической активности и биологических особенностях, которые связаны с окислительным стрессом, в результате чего ртуть демонстрирует механизмы реакционной способности сульфгидрила. Попадая в клетку ртуть образует ковалентные связи с цистеиновыми остатками белков и истощают клеточные антиоксиданты [1].

В организме при нормальном метаболизме выработка АФК происходит в митохондриях. Известно, что ртуть увеличивает выработку АФК, вызывая дефекты окислительного фосфорилирования и транспорта электронов на стадии убихинон-цитохром b5. Посредством ускорения скорости переноса электронов в цепи дыхательных ферментов ртуть вызывает преждевременное отщепление электронов молекулярному кислороду, что вызывает увеличение образования АФК. Окислительный стресс также влияет на гомеостаз кальция. Связь между воздействием ртути и канцерогенезом весьма противоречива, однако многие исследования in vitro показывают, что в результате воздействия ртути на клетки происходит повреждение ДНК [11].

Свинец (Pb²⁺)

Накопление свинца оказывает влияние на репродуктивную систему, такое как снижение количества сперматозоидов у мужчин и самопроизвольные аборты у женщин. Острое воздействие свинца вызывает повреждение головного мозга, почек и желудочно-кишечные заболевания, тогда как хроническое воздействие может оказывать неблагоприятное воздействие на кровь, центральную нервную и сердечно-сосудистую системы, почки и метаболизм витамина D.

Одним из основных механизмов токсического действия свинца, является способность свинца ингибировать или имитировать действие кальция и взаимодействовать с белками, например, когда в костную ткань вместо кальция включается свинец. Свинец связывается с сульфгидрильными и амидными группами ферментов, изменяя их конфигурацию и снижая их активность. Также интоксикация свинцом вызывает повреждение клеток, опосредованное образованием АФК [3].

Свинец является потенциальным канцерогеном, вызывая опухоли почек у крыс и мышей и рассматривается как вероятный канцероген для человека. Также известно, что воздействие свинца вызывает генные мутации и обмены сестринских хроматид, морфологические трансформации в клетках. Исследования in vitro и in vivo показали, что соединения свинца вызывают генетические повреждения посредством различных косвенных механизмов, включая ингибирование синтеза и восстановления ДНК, окислительное повреждение и взаимодействие с ДНК-связывающими белками и белками-супрессорами опухолей [7].

Хром (Cr²⁺)

Хром проникает во многие типы клеток и в физиологических условиях может восстанавливаться перекисью водорода, глутатион-редуктазой, аскорбиновой кислотой с образованием реакционноспособных промежуточных продуктов, включая Cr(V), Cr(IV), тиилрадикалы, гидроксильные радикалы и, в конечном счете, Cr(III). Любой из этих видов может атаковать ДНК, белки и мембранные липиды, тем самым нарушая целостность и функции клеток.

Хром оказывает негативное воздействие на эпителиальные клетки бронхов, потенциально через аберрантную модуляцию белков, связанных с апоптозом, цитоскелетных белков и белков, связанных с энергетическим метаболизмом. Существуют исследования, свидетельствующие о возникновении рака органов дыхания у работников, профессионально подвергающихся воздействию соединений, содержащих Cr(VI). Хром (VI) цитотоксичен и способен вызывать повреждающие ДНК эффекты, такие как хромосомные аномалии, разрывы цепей ДНК, фрагментация ДНК и окислительный стресс [8].

Кадмий (Cd²⁺)

Воздействие кадмия на эндотелий сосудов стимулирует высвобождение антитромболитических веществ, что приводит к выработке различных индикаторов воспаления. Кадмий воздействует на пролиферацию и метастазирование рака простаты и базальных опухолей молочной железы. Также при накоплении кадмия в проксимальных канальцах происходит разрушение нефронов. Кадмий может замещать цинк в некоторых дегидрогенизирующих ферментах, что структурно переводит фермент в неактивную форму.

Острое отравление кадмием может вызвать эрозию желудочно-кишечного тракта, повреждение легких, печени и почек. Хроническое воздействие кадмия оказывает депрессивное воздействие на уровни норадреналина, серотонина и ацетилхолина. Исследования на грызунах показали, что хроническое вдыхание кадмия вызывает аденокарциному легких. Он также может вызывать пролиферативные поражения предстательной железы.

Хотя механизмы токсичности кадмия плохо изучены, предполагается, что кадмий вызывает повреждение клеток за счет генерации АФК, что вызывает одноцепочечные повреждения ДНК и нарушает синтез нуклеиновых кислот и белков. Также кадмий связывается с белками, снижает репарацию ДНК, активирует деградацию белков, повышает уровень цитокинов и протоонкогенов, таких как c- fos, c- jun и c- myc и индуцирует экспрессию нескольких генов, включая металлотионеины, гемоксигеназы, глутатионтрансферазы, белки теплового шока, белков острой фазы и ДНК-полимеразу β [5,7].

Медь (Cu²⁺)

Накопление меди вызывает мутации и агрегацию митохондриального белка, что приводит к снижению активности первичного антиоксидантного фермента и увеличению продукции токсичных АФК. Также установлена ​​корреляция между повышением концентрации меди и фиброзом в тканях почек. Присутствие Cu²⁺ оказывает пагубное влияние на мужскую репродуктивную систему, приводя к уменьшению количества и подвижности сперматозоидов. Присутствие меди влияет на поддержание гомеостаза важнейших элементов, таких как кальций, железо и марганец, которые связаны с индукцией окислительного стресса, что может привести к развитию нейродегенеративных нарушений [6].

ВЫВОДЫ

Анализ опубликованных данных показывает, что ТМ, такие как мышьяк, кадмий, хром, медь, свинец и ртуть, встречаются повсеместно в природе. Однако антропогенное воздействие вносит значительный вклад в загрязнение окружающей среды ТМ, которые могут аккумулироваться в организме человека, наносят существенный вред большинству органов и систем. В основном они вызывают окислительный стресс в клетках, что приводит к увеличению количества АФК, а также к снижению уровня антиоксидантов, что посредством различных механизмов приводит к гибели клеток и канцерогенезу. В связи с чем, возникает необходимость принимать меры по защите окружающей среды от загрязнения ТМ путем использования более экологически чистых технологий, повышения осведомлённости населения о вредности тяжёлых металлов и стимулировании разработок новых методов очистки и утилизации данных веществ.

Список литературы:

1. Брудар, И. В. Влияние токсичности тяжелых металлов на здоровье человека / И. В. Брудар, А. А. Савинова // Актуальные научные исследования в современном мире. – 2021. – № 12-11(80). – С. 14-19.
2. Abd Elnabi MK, Elkaliny NE, Elyazied MM, Azab SH, Elkhalifa SA, Elmasry S, Mouhamed MS, Shalamesh EM, Alhorieny NA, Abd Elaty AE. Toxicity of Heavy Metals and Recent Advances in Their Removal: A Review. Toxics. 2023 Jul 3;11(7):580.
3. Flora S. J. S., Flora G., Saxena G. Environmental occurrence, health effects and management of lead poisoning. Lead Chemistry, Analytical Aspects, Environmental Impacts and Health Effects //Elsevier Publication; Amsterdam, The Netherlands. – 2006. – С. 158-228.
4. Fu Z, Xi S. The effects of heavy metals on human metabolism. Toxicol Mech Methods. 2020 Mar;30(3):167-176.
5. Genchi G, Sinicropi MS, Lauria G, Carocci A, Catalano A. The Effects of Cadmium Toxicity. Int J Environ Res Public Health. 2020 May 26;17(11):3782.
6. Kahlson MA, Dixon SJ. Copper-induced cell death. Science. 2022 Mar 18;375(6586):1231-1232.
7. Parida L, Patel TN. Systemic impact of heavy metals and their role in cancer development: a review. Environ Monit Assess. 2023 May 30;195(6):766.
8. Pavesi T, Moreira JC. Mechanisms and individuality in chromium toxicity in humans. J Appl Toxicol. 2020 Sep;40(9):1183-1197.
9. Rehman K, Fatima F, Waheed I, Akash MSH. Prevalence of exposure of heavy metals and their impact on health consequences. J Cell Biochem. 2018 Jan;119(1):157-184.
10. Tchounwou PB, Yedjou CG, Patlolla AK, Sutton DJ. Heavy metal toxicity and the environment. Exp Suppl. 2012; 101: 133-164.
11. Valko M, Rhodes CJ, Moncol J, Izakovic M, Mazur M. Free radicals, metals and antioxidants in oxidative stress-induced cancer. Chem Biol Interact. 2006 Mar 10;160(1):1-40.