АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РОЛИ ГРУППЫ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В СИНОВИАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ: НОРМА И ПАТОЛОГИЯ

АННОТАЦИЯ

Выявлена роль меди, цинка, железа, марганца, селена в поддержании гомеостаза в синовиальной жидкости в норме и при патологии; сформирован подход к количественной характеристике активности этих синовиальных микроэлементов через ЭДС в сравнении с ЭДС элементарных процессов (стандартных электродных потенциалов); Коррекция метаболических процессов в синовиальной жидкости возможна в результате регуляции баланса макро/микроэлементов на основе расчетов теории потенциала.

ABSTRACT

The role of copper, zinc, iron, manganese, selenium in maintaining homeostasis in the synovial fluid in normal and pathological conditions has been revealed; an approach to the quantitative characterization of the activity of these synovial microelements through the EMF in comparison with the EMF of elementary processes (standard electrode potentials) was formed; Correction of metabolic processes in synovial fluid is possible as a result of regulation of macro/microelement balance based on potential theory calculations.

Ключевые слова: микроэлементы, медь, цинк, железо, марганец, селен, комплексообразователи, микроэлементный баланс, окислительный стресс, синовиальная жидкость, артропатия.

Микроэлементный баланс является основой гомеостаза организма человека, формируя в качестве среды систему активных переменно лигандных, в том числе аква-комплексов микроэлементов, определяющих ход и направление сложных метаболических процессов. Любые нарушения микроэлементного баланса ведут к возникновению и развитию тяжелых патологий, в частности артропатий, в развитии которых немаловажную роль играет нарушение обменных процесов в тканях сустава, в частности, синовиальной жидкости. Причем, несмотря на постоянное обновление протоколов лечения, создание новых препаратов и медицинских средств, проблеме нарушения элементной структуры тканей и жидкостей организма, как одной из возможных причин патологии уделяется недостаточно внимания.

Несмотря на существование разнообразных медицинских средств, прежде всего, корректирующих метаболитов, восстанавливающих строение синовиальной жидкости, проблема артритов, артрозов и т.д. остается актуальной. Создается представление, что решение проблемы лежит в несколько иной плоскости, чем непосредственно в патологии метаболических процессов - в разнообразных нарушениях строения среды, являющейся основой течения любых химических реакций. Недостаточное внимание к особенностям строения сред биологических жидкостей организма, в частности, синовиальной требует применения современных методов исследования для формирования цельной картины ее функционирования, тем более при рассмотрении проблемы артропатий. Состояние синовиальной жидкости, как ключевого фактора функционирования сустава, определяется балансом макро/микроэлементных динамичных комплексов, в которых в качестве лигандов выступают как молекулы среды, так и различные биохимические структуры.

Вопросу микроэлементного состава синовиальной жидкости посвящено достаточное количество работ [1,2]. Тем не менее, цельной картины микроэлементного состава синовиальной жидкости пока не создано. Не менее важным вопросом является возможность подержания постоянства микроэлементного состава синовиальной жидкости при патологических состояниях.

Таким образом, целью данного исследования является формирование представлений о синовиальной жидкости, как среде, состоящей из взаимосвязанных макро/микроэлементных комплексов, регуляция баланса которых определяет ее гомеостаз; применение теории потенциалов для количественной характеристики состояния синовии, активности ее макро/микроэлементных структур на примере группы меди, цинка, марганца, железа, селена.

Реальные причины артропатий до сих пор точно не установлены, несмотря на многолетние исследования метаболических особенностей функционирования сустава в норме и патологии, что требует поиска решения проблемы на уровне макро/микроэлементных комплексов, составляющих основу строения синовиальной жидкости, их роли в инициации и направлении метаболических процессов, выявлении синергетических и антагонистических взаимодействий и формировании единой макро/микроэлементной концепции функционирования.

Как известно, синовия во многом идентична плазме крови [3], что достигается благодаря разветвленной сети сосудов в оболочке синовиальных сумок, определяет мембранную равновесность концентраций указанных жидкостей организма при участи синовиоцитов и хондроцитов. . Белки и липиды, длинноцепочечные углеводы и протеогликаны, витамины (С, D) и микроэлементы селен, ртуть, медь, цинк, кадмий, железо, марганец, литий, натрий, калий, магний, кальций, свинец, титан, никель, олово и др., определяют основные свойства синовии, обеспечивая основной функционал синовиальной жидкости, в том числе смазывающую и регенерационную способности по отношению к трущимся хрящевым поверхностям сустава. В условиях гипоксии, гипервентиляции, сопровождающего их окислительного стресса баланс смещается в пользу одних элементов системы, угнетая концентрацию и функционал других, вызывая различные патологии, в том числе артропатии.

В данной статье будут рассмотрены медь, цинк, железо, марганец и селен как определяющие комплексообразователи, в большой степени влияющие на равновесные процессы в синовии. Избранные микроэлементы отличаются значениями ЭДС в определенной близости от нулевой отметки, что говорит об их стабилизирующей функции в составе синовиальной жидкости.

Переходя к микроэлементам, остановимся на селене (рис. 1). При заболевании артритом содержание селена в сыворотке крови зачастую снижается, что означает возрастающую потребность в нем в очагах воспаления. Селен в качестве одного из важнейших микроэлементов активно участвует в блокировке воспалительного процесса [3,4]. Как кофермент селензависимой глутатионпероксидазы [5.], устраняющей окислительные компоненты, продуцируемые метаболической сетью арахидоновой кислоты, селен связывает свободно радикальные компоненты окисления, выводя их из системы в виде комплексов, превращает гидропероксиды липидов в нерадикальные продукты, сдерживая пероксидное окисление липидов на стадии разветвления цепи. Таким образом, селен осуществляет опосредованную антиоксидантную функцию в синовиальной жидкости, являясь одним из важнейших противовоспалительных элементов что снижает выраженность симптомов при артропатиях, стабилизируя хроническое воспаление, укрепляя стенки сосудов. Антиоксидантными антагонистами селена являются S-аминокислоты: метионин и цистеин, относящиеся к незаменимым, их дисбаланс вызывает затяжные воспалительные процессы. Растущие в очагах воспаления потребности в селене восполняются только за счет внешних источников (питание, среда и т.д.). Таким образом, содержание селена в составе синовиальной жидкости и равновесной ей сыворотке крови является информативным показателем наличия и степени сложности воспалительного процесса в суставе.

Медь находится в синовиальной жидкости в основном в связанном с белками виде, высвобождаясь по мере необходимости. Являясь кофактором металлоферментов, она иммобилизует свободные радикалы, связывая их в комплексы, стимулирует выработку коллагена [3]. За счет связывания сульфгидрильных групп, изменения конформации белков, медь способна защитить синовию при внешней бактериально-вирусной инвазии, оказывая противовоспалительное действие [1]. Однако, избыточное повышение ее концентрации ведет к высвобождению реакционных гидроксильных радикалов, к разрушению клеточной мембраны и повреждению ДНК. Например, явный избыток меди сигнализирует о развитии раннего остеоартрита (рис. 1). Таким образом, медь в зависимости от состояния среды и наличия лигандов может выступать в роли как про- (в случае лигандной свободы), так и противовоспалительного (в связанном виде) компонента.

Ее функциональный антагонист в синовиальной жидкости цинк инактивирует свободные радикалы благодаря встраиванию в структуру медь-зависимой супероксиддисмутазы в качестве активного центра, способствует переходу супероксидного радикала в перекись водорода и кислород. активирует переход витамина D в активную форму, способную взаимодействовать с клеточными рецепторами [6]. Также данный микроэлемент способствует формированию металлотионеина – белка, имеющего в своем составе большое количество цистеина, за счет чего эти белки связывают многие микроэлементы в синовиальной жидкости при их избытке. цинк, снижает уровень цитокинов, оказывая противовоспалительное действие [7], стабилизируя состояние синовиальной жидкости. Таким образом, цинк ограждает сустав от интоксикации и окислительного стресса, способствуя поддержанию здоровой синовии и сохранению хрящевой ткани [8] Уменьшение содержания цинка ведет к отекам суставов. В свою очередь цинк в виде солей-сульфатов снижает отек с одновременным относительным снижением концентрации меди [9]. При избыточной концентрации цинка в синовии, он проникает в хондроциты с помощью белка ZIP8, способствуя разрушению хрящевой ткани изнутри. Поэтому при артропатиях наблюдается заметное уменьшение цинка в синовиальной жидкости (рис. 1).

Железо выступает как необходимый структурный элемент для синтеза коллагена. Этот микроэлемент централизован в энзиме пролингидроксилазы, которая является катализатором в реакции образования гидроксипролина и гидроксилизина, также необходимых для синтеза коллагена [10]. В этой реакции активно исключительно двухвалентное железо, поэтому для поддержания его восстановленной формы требуется присутствие витамина С. При его недостатке продукты гидроксилирования формируют рыхлый коллаген, не способный выполнять свои базовые функции. Железо, аналогично меди, марганцу и другим микроэлементам, в зависимости от наличия или отсутствия связей с белком-переносчиком (трансферрином) и белком-накопителем (ферритином) и, соответственно, от концентрации, может как разрушать активные формы кислорода, так и индуцировать перекисное окисление липидов [11,12]. При возникновении воспаления белок-переносчик устремляется по кровотоку к очагу и высвобождает трехвалентное железо, которое, являясь кофактором каталазы, расщепляет перекиснокислый водород, обеспечивая защиту тканей от оксидативного стресса. Однако при сильном воспалении без восполнения запасов железа активность каталазы снижается и начинают расщепляться глубокие запасы ферритина [13], накопленные в синовиальной жидкости для формирования коллагена и ферроксидазы (церулоплазмина), связывающие Fe²⁺. Двухвалентное железо в свободном виде имеет обратный эффект трехвалентному и лишь усиливает влияние активных форм кислорода. Как следствие разрушаются мембраны и ДНК клеток и происходит ферроптоз [14]. Из-за гемосидероза синовиоциты перестают нормально функционировать, провоцируя остеоартрит. В качестве компенсатора процесса перехода железа из двухвалентного в трехвалентное при оксидативном стрессе в синовиальной жидкости присутствуют хелаторы Fe³⁺ [15]. В их роли могут выступать те же белки (ферритин, трансферрин, супероксиддисмутаза, церулоплазмин, ферроксидаза), а также мочевая кислота (в виде уратов), что практически беспрепятственно «ломает» компенсаторную систему воспаления в суставе [16] и угнетает работу синовиоцитов, выводит из строя один из катализаторов синтеза коллагена, придающего синовиальной жидкости определенную вязкость, из-за чего плотность меняется, а коэффициент трения уменьшается, что приводит к разжижению синовиальной жидкости и потере выполняемых ею функций.

Марганец – участвует в формировании коллагена как катализатор присоединения серина к глюкозамингликанам в ходе синтеза мукополисахаридов хряща. Также марганец выступает активатором ферментов-трансфераз, которые, в свою очередь, участвуют в образовании самих гликозаминогликанов [1,3]. Этими ферментами являются гликозилтрансфераза и ксилозилтрансфераза. Гликозилтрансфераза участвует в синтезе полисахаридных цепей протеогликанов – компонентов матрикса хондроцитов. Ксилозилтрансфераза – переносчик ксилозы, которая непосредственно связывает белок с полисахаридом (гликозаминогликаном) в хрящевой ткани. В процессе перекисного окисления кислорода марганец внутри супероксиддисмутазы выступает в роли восстановителя. Супероксиддисмутаза подавляет возникающий окислительный стресс, поскольку данный фермент является единственным способным к удалению излишков кислорода из клеток. В небольших концентрациях (рис. 1), будучи неотъемлемой частью ферментного антиоксиданта, и в форме диоксида марганец (в норме синовиальная жидкость имеет слабощелочной рН) работает как антиоксидант, ограждая ткани от окислительного стресса. Однако при повышении концентрации, а также, в степенях окисления +4, +6 и +7 данный микроэлемент становится синергистом прооксидантных свойств синовиальной жидкости.

Таким образом, наблюдаем регуляторную функцию системы макро/микроэлементных комплексов по поддержанию постоянства среды организма и стабилизации основных метаболических процессов в синовии [17]. На диаграмме (рис.1) наглядно показаны нарушения баланса микроэлементов селена, цинка, меди, железа и марганца в синовиальной жидкости в условиях патологии при артропатиях в сравнении с нормальными метаболическими процессами. Исходя из схемы можно смело судить об парных корреляциях между марганцем, селеном и цинком, против железа и меди. Развитие патологического состояния в синовиальной жидкости связано с существенным ростом содержания железа при небольшом росте содержания меди на фоне существенного снижении содержания, марганца и небольшого, селена и цинка. Таким образом, формируется представление о конкретных микроэлементных балансовых нарушениях, как исходной причине возникновения метаболических патологий, в частности, артропатий. Очевидно, что формирование антагонистических и синергетических групп носит временный, относительный характер и определяется динамикой среды. В свою очередь, группы проявляют про/антиоксидантные свойства, способные при нарушении макро/микроэлементных балансов провоцировать патологию вплоть до оксидативного стресса или развития гипоксии, что определяет направление развития метаболических процессов. Учитывая, что наибольшую стабильность биологические системы, в частности синовиальная жидкость, проявляют при суммарной электродвижущей силе близкой к нулю, очевидно, (рис.2), что из группы Se, Mn, Zn, Cu, Fe наиболее стабилизирующим будет баланс Se ÷ Cu, при участии Mn.

Рисунок 1. Изменение концентрации Se, Mn, Zn, Fe, Cu в синовиальной жидкости в норме и при артропатии

Рисунок 2. Соотношение содержания элемента в синовии и расчётного электродного потенциала по уравнению Нернста

О электродвижущей силе близкой к нулю для процессов превращения железа и цинка в синовии в норме экспериментальных данных не получено, что позволяет говорить о наличии существенного динамизма в балансе железо/цинк и необходимости контроля, прежде всего за этими элементами (из избранной группы) для купирования патологических ситуаций.

Существенная роль группы микроэлементов - цинка, меди, железа, марганца, селена в поддержании метаболического гомеостаза в составе синовиальной жидкости основана на их комплексообразующей и окислительно – восстановительной активности. Характеристика состояния синовии может быть дана через суммарную ЭДС в сопоставлении с ЭДС элементарных процессов (стандартных электродных потенциалов), коррекция метаболических процессов в синовиальной жидкости возможна в результате регуляции макро/микроэлементного баланса.

Список литературы:

1. The effect of trace elements on the development of osteoarthritis/Guoyun Li, Tao Cheng, Xuefeng Yu //Frontis in Medicine. – 2021. – Т.8. – С. 1-13.
2. The relationship between the content of trace elements and the development of arthritis in U.S. adults: NHANES 2013–2016 / G. Tong, C. Wu, C. Xu, G. Su // J "Microelements in Medicine and Biology". – 2023. – Т.76. – URL: 10.1016/j.jtemb.2022.127122
3. Trace elements in blood serum and osteoarthritis: meta-analysis and study by the Mendelian randomization method / H. Wang, M. Yu, C. Su, C. Zhao [et al.] // Journal "Trace Elements in Medicine and Biology". – 2024. – Т.86. – URL: 10.1016/j.jtemb.2024.127520
4. The effect of selenium supplements on inflammatory markers and joint symptoms in patients with rheumatoid arthritis: a meta-analysis and a systematic review. Manyu, Sh. Xu, S. Ti, Sh. Dong [et al.]//Journal "Microelements in medicine and Biology"– 2025. – Т.91. – URL: https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2025.127695
5. Флохе, Л., Бригелиус-Флохе Селенопротеины семейства глутатионпероксидазы /В: Хэтфилд, Д., Берри, М., Гладышев, В. (ред.). – Селен. Спрингер, Нью-Йорк, 2011. – С. 167-180
6. Hall, S.K. Zinc signals in inflammation / S.K. Hall, D.L. Knoll, edited by T. Fukada, T. Kambe //Springer Nature Singapore Pte Ltd.: Singapore. – 2019. – С. 279–304. – URL: https://doi.org/10.1007/978-981-15-0557-7_14
7. Feedback between inflammation and zinc absorption. /P. Bonaventure, A. Lambu, F. Albared, P. Miosse // PLoS ONE. – 2016. – №11. – URL: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0147146
8. Цинк и кадмий в этиологии и патогенезе остеоартрита и ревматоидного артрита – URL: https://www.mdpi.com/2072-6643/13/1/53
9. Zhou, J. Genetically determined levels of copper and zinc circulating in the blood are associated with osteoarthritis, but not with rheumatoid arthritis / J. Zhou // Osteoarthritis. The cartilage., – 2021. – URL: https://doi.org/10.1016/j.joca.2021.02.564
10. Jin, C., The synovial membrane is a sensitive tissue for detecting the negative effects of systemic iron overload in osteoarthritis: identification and confirmation of two potential targets/ C. Jin, H. Zhang, H., L. Bai [et al.]// Journal of Translational Medicine 21. – 2023. – № 661. – С. 1-15
11. Амоша, Д.Н. Особенности метаболизма железа у больных ревматоидным артритом/Д.Н. Амоша // Донецк: Избранные вопросы кардиологии, ревматологии и нефрологии. – 2025.
12.  Суржикова, Г.С. Особенности метаболизма железа у больных с анемическим синдромом при ревматоидном артрите / С.А. Клочкова-Абельянц // Медицина в Кузбассе. – 2025. – №1. – С. 9-13
13. Кенниш, Л. Возрастное повышение уровня ферритина и мутация HFE C282Y как факторы риска развития симптоматического остеоартрита коленного сустава у мужчин: лонгитюдное когортное исследование /Кенниш, Л., Аттур, М., О, К., Краснокутский, С., Сэмюэлс, Д., [и др.]// BMC Скелетно-мышечный аппарат. – 2014. – URL: 10.1186/1471-2474-15-8.
14. Hirshhorn, T. The development of the concept of ferroptosis / T. Hirshhorn, B.R. Stockwell // Free Radic. Biol. Med. – 2019. – №133. – С.130–143. – URL: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.09.043
15. Dzhomova, K. The importance of iron chelation in oxidative stress caused by free radicals and human diseases. Dzhomova, M. Valko //PabMed. – 2011. – №31 – 3460–3473. – URL: 10.2174/138161211798072463
16. Kell, D.B. Improper behavior of iron: inadequate chelation of iron as the main cause of the development of vascular and other progressive inflammatory and degenerative diseases / D.B. Kell // BMC Med Genomics. – 2009. – №2. – URL: https://doi.org/10.1186/1755-8794-2-2/
17. Башура, А. М. Содержание остеоассоциированных микроэлементов в синовиальной жидкости при деформирующих заболеваниях суставов / А. М. Башура, И. В. Коктыш, В. Т. Коктыш // Здоровье и окружающая среда : Сборник материалов международной научно-практической конференции, Минск, 19–20 ноября 2020 года / Редколлегия: С.И. Сычик (гл. ред.) [и др.]. – Минск: Белорусский государственный университет, 2021. – С. 52-53. – EDN XFSMML.