Концентрация химических элементов в сыворотке и кариозное поражение зубов у детей после проведенной противоопухолевой терапии

Список сокращений:

Ag – серебро

Al – алюминий

As – мышьяк

Au – золото

B – бор

Ba – барий

Be – бериллий

Bi – висмут

Ca – кальций

Cd – кадмий

Co – кобальт

Cr – хром

Cu – медь

F – фтор

Fe – железо

Hg – ртуть

I – йод

K – калий

Li – литий

Mg – магний

Mn – марганец

Mo – молибден

Ni – никель

P – фосфор

Pb – свинец

Pt – платина

Rb – рубидий

Sb – сурьма

Se – селен

Sn – олово

Sr – стронций

Tl – таллий

V – ванадий

W – вольфрам

Zn – цинк

Zr – цирконий

ЗНО – злокачественное новообразование

ИСП-МС – масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой

ПОТ – противоопухолевая терапия

На сегодня базисная терапия по поводу большинства злокачественных новообразований (ЗНО) предусматривает применение химиопрепаратов в комбинации с лучевой терапией. При этом именно чувствительность опухоли к противоопухолевой терапии (ПОТ) определяет перечень используемых цитостатиков в протоколах полихимиотерапии, а также назначение или отсутствие радиологических методов лечения. К сожалению, цитотоксический механизм характеризуется ограниченной селективностью, в связи с чем токсическое воздействие химиопрепаратов и облучения приводит к формированию сходных поздних эффектов ПОТ, в том числе и на твердых тканях зубов [1].

Одним из проявлений нарушений метаболического гомеостаза является нарушение содержания химических элементов – дисэлементоз. Многие макро-, микро- и ультрамикроэлементы в организме человека выполняют биорегуляторные функции, такие как защита клеток от окислительного стресса, участие в синтезе и структурной стабилизации белков, короткоцепочечных пептидов и всех видов нуклеиновых кислот [2].

Ранее было установлено, что поражение органов ротовой полости у пациентов с ЗНО после завершения ПОТ формируется вследствие токсического воздействия химиопрепаратов и терапевтического ионизирующего излучения на ткани зуба и слизистую оболочку. Особенности патогенеза поражения твердых тканей зуба во многом обусловлены его композитным составом [3]. Так, твердые ткани зуба (дентин, эмаль и цемент) имеют в составе как неорганическую (гидроксиапатит), так и органическую матрицу [4]. Химический состав эмали зуба, помимо органических веществ (3%) и воды (2%), состоит в основном из неорганических соединений (95%): кальция (Ca) и фосфора (P) в виде кристаллов гидроксиапатита и гидроксифторапатита (75%), карбонатапатита (19%), хлор­апатита (4,4%), фторапатита (0,66%) [5]. Однако их содержание может колебаться в зависимости от проявления типовых патологических процессов в зубной полости [6]. При этом химические элементы содержатся не только в неорганическом каркасе эмали, они также входят в состав металлопротеинов, регулируя на ферментном уровне процессы минерализации и деминерализации тканей зуба [7].

Известно, что цемент зуба представлен плотной минерализованной тканью, где определяющей структурой являются минерализированные коллагеновые волокна, синтезируемые цементобластами и фибробластами. Их топографический вариант определяет фиксационную и репаративную функциональность зубов, участвует в формировании гомфоза зубов [8]. Выделяют наиболее минерализованный перитубулярный дентин, содержащий незначительное количество органических веществ, и межтрубчатый дентин, минерализация которого выражена в меньшей степени. Соотношение неорганических компонентов в нем вариабельно как по морфологическим особенностям, так и по возрастным и половым признакам, что демонстрируют исследования от 2016–2017 гг. [9][10].

Многие элементы присутствуют в небольших количествах в эмали и дентине зубов человека. Хотя они необходимы в незначительных количествах, их отсутствие может нарушить здоровое развитие эмали и дентина и привести к дефектам развития зубов, а также формированию кариозного процесса. Кроме того, к поражению зубных тканей может привести и экзогенное потребление некоторых микроэлементов, их неправильный метаболизм, например при ЗНО [11]. Такая вариабельность даже на уровне физиологической нормы подразумевает, что в случае патологии разброс содержания элементного компонента может увеличиваться, что было продемонстрировано в нашей ранее опубликованной работе [12].

Существует ряд микроэлементов, способствующих развитию кариеса зубов: цинк (Zn), селен (Se), свинец (Pb), кадмий (Cd), медь (Cu), магний (Mg). Изменение содержания этих токсических и эссенциальных химических элементов, а также концентрации кариес-статических элементов (литий (Li), фтор (F), ванадий (V), стронций (Sr), молибден (Mo)), отмечено в слюне, тканях зуба, сыворотке пациентов [13]. Развитие кариозного процесса сопровождается повышением содержания в слюне марганца (Mn) и железа (Fe). В литературе имеются данные, свидетельствующие о возможном участии этих элементов в метаболизме микроорганизмов, вовлеченных в кариозный процесс [14].

Гомеостаз химических элементов является активной динамической системой и активно изучается у пациентов с различными гистологическими вариантами ЗНО. Постоянное совершенствование методов диагностики обуславливает появление новых сведений о нарушениях элементного гомеостаза у больных ЗНО. Так, дисэлементоз диагностируется у пациенток с разными стадиями рака молочной железы [15 – препринт][16]. Результаты проспективного исследования N. Ahmadi и соавт. [17] демонстрируют значительное снижение уровня Zn и Fe у пациенток с раком молочной железы после трех курсов химиотерапии адриамицином и цитоксаном. На основании полученных данных предполагается, что профилактическое назначение добавок цинка может быть полезно пациентам для снижения побочных эффектов ПОТ [17], однако следует принимать во внимание отмеченную выше способность Zn способствовать кариозному поражению.

Для острого лимфобластного лейкоза, миелолейкоза характерно не только различие по прогнозу и лечению, но и существенная разница в уровнях содержания Se [18]. У пациентов с лейкозом до начала терапии в сыворотке отмечается избыточное содержание Cu, Zn, Se [19]. После окончания ПОТ в эмали удаленных зубов у пациентов с лейкозом выявлено повышение массового содержания Mg, Zn, Cl, измененное соотношение Ca и P. В участках с аномальной эмалью у пациентов после химиотерапии концентрация Ca и P была ниже нормы [20]. Однако некоторые исследования отмечают, что, к примеру, в придатках кожи корреляционная связь между содержанием химических элементов и наличием ЗНО у пациентов не прослеживается [21], что оставляет тему дискуссионной.

Рассматривая химические элементы как мишени для диагностики, лечения и профилактики поздних токсических эффектов ПОТ, применяя методы биоэлементологии, мы можем разработать подходы к сопроводительной терапии у пациентов с ЗНО [22][23].

Целью нашей работы явилось изучение концентрации микро- и макроэлементов в сыворотке крови и корреляционных связей между ними у детей и подростков после завершения ПОТ в зависимости от наличия или отсутствия кариеса.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для участия в представленном одномоментно мретроспективном исследовании сформирована когорта из числа пациентов, госпитализированных в реабилитационный научный центр «Русское поле» в 2017–2019 гг. Возраст детей и подростков, включенных в исследование, варьировал от 4,2 до 17,6 года, медиана 11,4 года. Продолжительность ремиссии ЗНО составляла от 2,6 до 8,0 года, в среднем 3,9 ± 1,1 года. Критерии включения: наличие ремиссии острого лейкоза и лимфомы (коды заболеваний по МКБ-10: С81–84; С91, С92, С96); заключение детского стоматолога с оценкой состояния здоровья полости рта.

Исследование спланировано и согласовано в соответствии с рекомендациями экспертного совета и Комитета по этике НМИЦ ДГОИ им. Дмитрия Рогачева. Информированное согласие пациентов младше 14 лет подписано родителями или сопровождающими лицами, а подростки старше 14 лет сами оформляли согласие на участие в исследовании.

Критериями исключения являлось тяжелое соматическое или психологическое состояние пациента, препятствующее проведению исследования, и отсутствие подписанного пациентами либо их представителями информированного согласия.

Лечение гемобластозов осуществлялось по протоколам BFM-ALL, BFM-NHL, MВ-2008, MB-2015, DAL-HD-90. Перечень используемых цитостатиков в этих протоколах практически совпадает. В исследование включены 98 пациентов: 47 девочек и 51 мальчик. У 34 пациентов был диагностирован кариес различной степени тяжести (группа 1); группа сравнения (группа 2) сформирована из 64 пациентов без поражения твердых тканей зубов. Группы не различались по продолжительности ремиссии, она составила 3,7 ± 0,9 и 4,1 ± 0,3 года соответственно.

Для оценки концентрации химических элементов эссенциальной и токсической групп посредством масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) на приборе Nexion 300D («Perkin Elmer Inc.», США) была использована сыворотка пациентов. Работа проведена в соответствии с методическими указаниями от 2003 г. для определения химических элементов в биологических средах посредством ИСПМС¹ . Тестировалось содержание в сыворотке макроэлементов: P, калия (K), Mg, Ca и микроэлементов: золота (Au), алюминия (Al), мышьяка (As), бора (B), бериллия (Be), висмута (Bi), Cd, кобальта (Co), хрома (Cr), Cu, Fe, ртути (Hg), йода (I), Li, Mn, Mo, никеля (Ni), Pb, платины (Pt), рубидия (Rb), сурьмы (Sb), Se, олова (Sn), Sr, серебра (Ag), V, вольфрама (W), бария (Ba), Zn, циркония (Zr), таллия (Tl).

Забор крови из локтевой вены производили утром натощак с использованием пробирок «Vacutest» («Vacutest KIMA», Италия) с активатором свертывания. Сыворотку отделяли и хранили в аликвотах, замороженных при температуре –40 °С. В качестве референсных величин для сыворотки использовались данные, полученные у здоровых пациентов АНО «Центр биотической медицины» методом ИСП-МС [24].

Статистическая обработка данных

Расчеты элементного статуса пациентов обеих групп и сравнение групп осуществляли с использованием среды программной разработки Jupyter Notebook на языке Python 3.9. Базисом для реализации алгоритма стали библиотеки с открытым исходным кодом: Pandas, Pingouin, NumPy. Ссылка на репозиторий: https://github.com/coldrex2/elements_carious_tumor.git

Нормальность распределения оценивали с использованием критерия Шапиро – Уилка. Статистическую значимость межгрупповых различий оценивали с использованием непараметрического U-критерия Манна – Уитни для данных, характеризующихся отличным от нормального распределения. Также производился расчет медианы, интерквартильного размаха (ИКР, 25-й; 75-й процентили) и коэффициента ранговой корреляции Кендалла. Результаты проведенных статистических тестов считали статистически значимыми при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В сыворотке крови (табл. 1) элементный дисбаланс выражался в изменении концентрации эссенциальных (K и I) и условно эссенциальных металлов (As, B и Li). Для пациентов с кариесом по отношению к пациентам с отсутствием кариозного поражения статистически значимо повышалась концентрация K, As, I, B (p < 0,05). В то же время Li, наоборот, был повышен в группе пациентов без кариеса. Также в группе токсических элементов зафиксировано статистически значимое снижение концентрации W в группе пациентов с кариесом. При этом концентрации всех макро- и микроэлементов в обеих группах пациентов не выходили из референсных значений.

Помимо детекции уровней отдельных элементов мы измерили и рассчитали соотношение разных микро- и макроэлементов, которые показали наивысший коэффициент корреляции. Тандемы элементов, демонстрирующие наибольший коэффициент корреляции, представлены в таблице 2. Результаты показывают, что изменение корреляции некоторых тандемов нарушается в зависимости от наличия кариеса: коэффициенты корреляции статистически значимо изменяются в паре элементов Ni/Mn, Co/Fe, Mn/P, также меняется направление корреляционной связи в тандеме Be/Li.

ОБСУЖДЕНИЕ

Нормальное протекание физиологических процессов в полости рта зависит не только от местных, но и от общих факторов: функционирование эндокринной системы, иммунитета, регуляция сосудистого тонуса и микроциркуляции, состояние ферментативных и транспортных систем.

Для поддержания гомеостаза минерального состава зубов биохимические процессы в полости рта должны находиться в химическом равновесии, что при проведении ПОТ может нарушаться. Дисбаланс химических элементов в организме неблагоприятно воздействует на структурно-функциональное состояние тканей полости рта, повышает риск развития поражений твердых тканей зубов и зубочелюстных аномалий. Изменение ионного состава ротовой жидкости, омывающей зуб, приводит к изменению проницаемости эмали, а также к диспропорции процессов де- и реминерализации, следовательно, снижает кариесрезистентность.

В нашей ранее опубликованной работе у детей и подростков после ПОТ не было обнаружено в сыворотке изменений уровня K, I, As, уровни B были снижены, W не был исследован, а концентрация Li была снижена и не отличалась от результатов настоящего исследования [23].

В представленном исследовании W снижался, а As, B, K, I повышались в пределах референсных значений в группе пациентов с подтвержденным кариозным поражением зубной ткани, в связи с этим можно сделать вывод, что эти элементы так или иначе ассоциированы с развитием кариеса и их повышение в сыворотке не следует объяснять действием цитостатиков в рамках долгосрочных последствий ПОТ.

Полученные нами низкие уровни Li вполне согласуются с литературными данными, что этот элемент обладает кариес-статическими свойствами [25], поскольку он был статистически значимо снижен (хотя и оставался в пределах референсных значений) в группе пациентов с кариесом, что, по всей видимости, может быть связано с поздними эффектами ПОТ. Что касается W, в литературе его концентрации в сыворотке и возможные ассоциации с кариозным поражением не описаны.

Помимо этого, основополагающим фактором развития кариеса считается соотношение Ca/P [26], которое и опосредует процессы деминерализации и резорбции матрикса зубной ткани [27]. В нашем исследовании статистически значимых изменений концентрации Ca и P не зафиксировано, впрочем, как и других химических элементов, важных для гистологической композиции эмали и дентина, предположительно принимающих участие в процессах образования кариеса: Mg, Cd, Cl, Zn, Se.

Однако нами было выявлено изменение других пар элементов, соотношение которых изменяется после ПОТ у пациентов с кариесом: Ni/Mn, Co/Fe, Be/Li, Mn/P, в этих тандемах присутствуют элементы, влияние которых на патогенез кариеса является неоспоримым: с доказанными кариес-статическими свойствами, как Li и P, либо же сомнительным, но требующим большего внимания: Mn, Fe, Ni, Co [28]. Кроме того, соотношение элементов может являться более точным коррелятом того или иного заболевания, чем их отдельные концентрации.

Это может стать направлением для дальнейших исследований, рассматривающих элементный статус в фокусе ПОТ и ее побочных эффектов, поскольку функциональный синергизм или антагонизм разных элементов может быть изменен в зависимости от их концентрации. Также интересным представляется дальнейшее изучение элементного статуса в других биосубстратах, например в волосах или ногтях, потому что это может помочь оценить более отсроченные изменения минерального обмена. Стоит в дальнейшем рассмотреть особенности профилактики дисэлементозов в рамках сопроводительной терапии при лечении детей с гемобластозами, чтобы предотвратить прогрессию кариозного процесса полости рта.

Наше исследование имеет ограничения ввиду небольшой численности изученной когорты, мы не учитывали половые различия в общей выборке пациентов, сегрегирование по возрасту и продолжительности ремиссии. Помимо этого, пациенты имели разные сроки завершения ПОТ, что также затрудняет интерпретацию полученных данных. В рамках исследования не был проанализирован элементный состав сыворотки у пациентов непосредственно до проведения ПОТ, что должно быть учтено в последующих исследованиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оценка содержания химических элементов в сыворотке крови у детей, получавших терапию по поводу ЗНО и находившихся в ремиссии, выявила ассоциацию между кариозным поражением зубной ткани с повышением концентрации некоторых эссенциальных (K, I), условно эссенциальных элементов (As, B), снижением концентрации Li и W, а также изменением соотношения прочих, влияющих на процесс развития кариеса элементов (Ni/Mn, Co/Fe, Mn/P), и направления корреляционной связи в тандеме Be/Li. Таким образом, токсическое воздействие ПОТ, возможно, оказывает потенциальное негативное воздействие на ткани полости рта вследствие индуцированного дисэлементоза. Необходимы дальнейшие исследования для определения связи между ПОТ и развитием дисэлементоза с целью определения целесообразности лечебных и профилактических мер.

ВКЛАД АВТОРОВ

Е.В. Жуковская, А.В. Скальный внесли основной вклад в разработку концепции и дизайна исследования, руководили процессом написания, редактирования и статистической обработки статьи. Ю.А. Обухов выполнил сбор клинических данных. С.А. Савко, Ю.А. Обухов, А.Ф. Карелин, А.П. Гончаров, Ю.В. Жернов внесли равнозначный вклад в поиск литературных источников, написание и редактирование текста, статистическую обработку. Все авторы одобрили окончательный вариант статьи и готовы взять на себя ответственность за все аспекты представленной публикации