ОЦІНКА ВПЛИВУ КАДМІЮ НА РОЗВИТОК КІСТКОВО-ХРЯЩОВОЇ ПАТОЛОГІЇ ТА РОЛЬ СУКЦИНАТІВ В КОРЕКЦІЇ Cd-ІНДУКОВАНОЇ ЦИТОТОКСИЧНОСТІ

Нефьодова О. О., Шевченко О. С., Гальперін О. І., Шевченко І. В., Башта І. Г., Баклунов В. В.

ОГЛЯДИ ЛІТЕРАТУРИ

Наукова стаття

Резюме. Контамінація навколишнього середовища з кожним роком стає все більш серйозною проблемою для людства. Одними з найнебезпечніших, тривало діючих і стійких полютантів є важкі метали, найбільш поширені техногенні асоціації яких представлені солями ртуті, кадмію та свинцю. Однією з основних «мішеней» негативного впливу кадмію є кісткова тканина. Центральною ланкою патогенезу Cd-індукованої остеотоксичності вважають порушення балансу між процесами кісткового ремоделювання, регуляція якого відбувається під впливом системних і локальних чинників. При цьому системні фактори (кальцитріол, соматотропний гормон, інсулін, тиреоїдні гормони тощо) підтримують постійний обмін кальцію, фосфору, магнію з кістки в позаклітинну рідину і навпаки, а локальні (інсуліноподібний фактор росту, фактор росту фібробластів, простагландин Е2 тощо) є медіаторами відповіді на механічне навантаження. Вважається, що непрямий механізм Cd-індукованої остеотоксичності опосередковується розвитком ниркової недостатності, асоційованої з посиленням ренальної екскреції кальцію та фосфору, пригніченням продукції активних метаболітів вітаміну D, а також ослабленням абсорбції кальцію в травному каналі. Прямий механізм передбачає безпосередній вплив токсиканта, що викликає порушення функціонування клітин кісткової тканини і спричиняє посилену резорбцію кістки та ослаблення її кальцифікації. Провідним механізмом, який лежить в основі Cd-індукованої цитотоксичності, є окислювальний стрес. Сукцинати виявляють інгібуючу дію на перекисне окислення ліпідів у мітохондріях, гальмують ФАД-індукований перенос електронів до кисню в мітохондріальному дихальному комплексі II, що значно зменшує продукцію супероксиду та Н2 О2 , та пригнічують генерацію АФК, порушуючи перенос електронів через комплекс ІІ до пулу убіхінонів. Сприяючи відновленню балансу активності про- та антиоксидантних систем, пригніченню надмірного генерування АФК та ослабленню процесів ПОЛ, сукцинати потенційно можуть нівелювати або ж значно ослабити прояви Cd-індукованої токсичності.

контамінація довкілля, кадмій, остеотоксичність, окислювальний стрес, сукцинати

1. Verkhovna Rada Ukrayiny. Pro Osnovni zasady (stratehiiu) derzhavnoi ekolohichnoi polityky Ukrainy na period do 2030 roku [Internet]. Kyyiv: Verkhovna Rada Ukrayiny; 2019 Lyutyy 28. Dostupno: https://zakon.rada. gov.ua/laws/show/2697-19. [in Ukrainian].
2. Kalashnyk OM. Ekolohichna bezpeka yak skladova derzhavnoi polityky Ukrainy: poniatiino-terminolohichnyi aspekt. Demokratychne vriaduvannia. 2018;21:12-19. Dostupno: http://nbuv.gov.ua/UJRN/DeVr_2018_21_4. [in Ukrainian].
3. Landrigan PJ, Fuller R. Pollution, health and development: the need for a new paradigm. Rev Environ Health. 2016;31(1):121-4.
4. Siddique HMA, Kiani AK. Industrial pollution and human health: evidence from middle-income countries. Environ Sci Pollut Res Int. 2020;27(11):12439-48.
5. Landrigan PJ, Fuller R, Acosta NJR, Adeyi O, Arnold R, Basu NN, et al. The Lancet Commission on pollution and health. Lancet. 2018;391(10119):462-512.
6. Romaniuk AM, Sikora VV, Lyndina YuM, Lyndin MS. Poshyrenist vazhkykh metaliv u navkolyshnomu seredovyshchi ta yikh rol u zhyttiediialnosti orhanizmu (ohliad literatury). Bukovynskyi medychnyi visnyk. 2017;2(1):163-8. [in Ukrainian].
7. Lee WK, Thévenod F. Cell organelles as targets of mammalian cadmium toxicity. Arch Toxicol. 2020;94(4):1017-49.
8. Rahman Z, Singh VP. The relative impact of toxic heavy metals (THMs) (arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr)(VI), mercury (Hg), and lead (Pb)) on the total environment: an overview. Environ Monit Assess. 2019;191(7):419.
9. Alekseenko VA, Alekseenko AV. Khimicheskie ehlementy v geokhimicheskikh sistemakh. Klarki pochv selitebnykh landshaftov. Rostov-naDonu: Izdatel’stvo Yuzhnogo federal’nogo universiteta; 2013. 380 s. [in Russian].
10. Genchi G, Sinicropi MS, Lauria G, Carocci A, Catalano A. The Effects of Cadmium Toxicity. Int J Environ Res Public Health. 2020;17(11):3782.
11. Zhang W, Liu Y, Liu Y, Liang B, Zhou H, Li Y, et al. An Assessment of Dietary Exposure to Cadmium in Residents of Guangzhou, China. Int J Environ Res Public Health. 2018;15(3):556.
12. World Health Organization. Evaluation of certain food additives and contaminants. Eightieth report of the Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives. World Health Organ Tech Rep Ser. 2016;995:1-114.
13. Fedorenko VI. Obgruntuvannia dopustymykh dobovykh doz svyntsiu i kadmiiu v dobovykh ratsionakh kharchuvannia. Medychni perspektyvy. 2019;24(1):73-80. [in Ukrainian].
14. Rodríguez J, Mandalunis PM. Effect of cadmium on bone tissue in growing animals. Exp Toxicol Pathol. 2016;68(7):391-7.
15. Gu J, Li S, Wang G, Zhang X, Yuan Y, Liu X, et al. Cadmium Toxicity on Chondrocytes and the Palliative Effects of 1α, 25-Dihydroxy Vitamin D3 in White Leghorns Chicken’s Embryo. Front Vet Sci. 2021;8:637369.
16. Rodríguez J, Mandalunis PM. A Review of Metal Exposure and Its Effects on Bone Health. J Toxicol. 2018;2018:4854152.
17. Aganov DS, Tyrenko VV, Cygan EN, Toporkov MM, Bologov SG. Rol’ citokinovoj sistemy RANKL/RANK/OPG v regulyacii mineral’nogo obmena kostnoj tkani. Geny i kletki. 2014;9(4):50-2. [in Russian].
18. Udagawa N, Koide M, Nakamura M, Nakamichi Y, Yamashita T, Uehara S, et al. Osteoclast differentiation by RANKL and OPG signaling pathways. J Bone Miner Metab. 2021;39(1):19-26.
19. Nishijo M, Nakagawa H, Suwazono Y, Nogawa K, Kido T. Causes of death in patients with Itai-itai disease suffering from severe chronic cadmium poisoning: a nested case-control analysis of a follow-up study in Japan. BMJ Open. 2017;7(7):e015694.
20. Nishijo M, Nagakawa H, Morikawa Y, Tabata M, Miura K, Kawano S, et al. Clinical courses and prognosis of itai-itai disease patients induced by chronic cadmium exposure. In: Llobet JM, editors. Proceedings of the 4th International Symposium on Metal Ions in Biology and Medicine. Metal Ions in Biology and Medicine; 1996; Barcelona, Spain. Paris: John Libbey Eurotext; 1996. p. 608-10.
21. Kasuya M. Recent epidemiological studies on itai-itai disease as a chronic cadmium poisoning in Japan. Water Sci Technol. 2000;42(7.8):147-54.
22. Honda R, Tawara K, Nishijo M, Nakagawa H, Tanebe K, Saito S. Cadmium exposure and trace elements in human breast milk. Toxicology. 2003;186(3):255-9.
23. Youness ER, Mohammed NA, Morsy FA. Cadmium impact and osteoporosis: mechanism of action. Toxicol Mech Methods. 2012;22(7):560-7.
24. Jain RB. Co-exposures to toxic metals cadmium, lead, and mercury and their impact on unhealthy kidney function. Environ Sci Pollut Res Int. 2019;26(29):30112-30118.
25. Wang C, Nie G, Zhuang Y, Hu R, Wu H, Xing C, et al. Inhibition of autophagy enhances cadmium-induced apoptosis in duck renal tubular epithelial cells. Ecotoxicol Environ Saf. 2020;205:111188.
26. Nogawa K, Tsuritani I, Kido T, Honda R, Ishizaki M, Yamada Y. Serum vitamin D metabolites in cadmium-exposed persons with renal damage. Int Arch Occup Environ Health. 1990;62(3):189-93.
27. Suljević D, Islamagić E, Čorbić A, Fočak M, Filipić F. Chronic cadmium exposure in Japanese quails perturbs serum biochemical parameters and enzyme activity. Drug Chem Toxicol. 2020;43(1):37-42.
28. Nishijo M, Nambunmee K, Suvagandha D, Swaddiwudhipong W, Ruangyuttikarn W, Nishino Y. Gender-Specific Impact of Cadmium Exposure on Bone Metabolism in Older People Living in a Cadmium-Polluted Area in Thailand. Int J Environ Res Public Health. 2017;14(4):401.
29. Brzóska MM. Low-level chronic exposure to cadmium enhances the risk of long bone fractures: a study on a female rat model of human lifetime exposure. J Appl Toxicol. 2012;32(1):34-44.
30. García-Mendoza D, Han B, van den Berg HJHJ, van den Brink NW. Cell-specific immune-modulation of cadmium on murine macrophages and mast cell lines in vitro. J Appl Toxicol. 2019;39(7):992-1001.
31. Ma Y, Ran D, Zhao H, Song R, Zou H, Gu J, et al. Cadmium exposure triggers osteoporosis in duck via P2X7/PI3K/AKT-mediated osteoblast and osteoclast differentiation. Sci Total Environ. 2021;750:141638.
32. Oliveira H, Monteiro C, Pinho F, Pinho S, Ferreira de Oliveira JM, Santos C. Cadmium-induced genotoxicity in human osteoblast-like cells. Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2014;775.776:38-47.
33. Hu KH, Li WX, Sun MY, Zhang SB, Fan CX, Wu Q, et al. Cadmium Induced Apoptosis in MG63 Cells by Increasing ROS, Activation of p38 MAPK and Inhibition of ERK 1/2 Pathways. Cell Physiol Biochem. 2015;36(2):642-54.
34. Unsal V, Dalkıran T, Çiçek M, Kölükçü E. The Role of Natural Antioxidants Against Reactive Oxygen Species Produced by Cadmium Toxicity: A Review. Adv Pharm Bull. 2020;10(2):184-202.
35. Chen P, Bornhorst J, Diana Neely M, Avila DS. Mechanisms and Disease Pathogenesis Underlying Metal-Induced Oxidative Stress. Oxid Med Cell Longev. 2018;2018:7612172.
36. Dan Dunn J, Alvarez LA, Zhang X, Soldati T. Reactive oxygen species and mitochondria: A nexus of cellular homeostasis. Redox Biol. 2015;6:472-85.
37. Zhao RZ, Jiang S, Zhang L, Yu ZB. Mitochondrial electron transport chain, ROS generation and uncoupling (Review). Int J Mol Med. 2019;44(1):3-15.
38. Yankovskaya V, Horsefield R, Törnroth S, Luna-Chavez C, Miyoshi H, Léger C, et al. Architecture of succinate dehydrogenase and reactive oxygen species generation. Science. 2003;299(5607):700-4.
39. Hervouet E, Simonnet H, Godinot C. Mitochondria and reactive oxygen species in renal cancer. Biochimie. 2007;89(9):1080-8.
40. Dröse S. Differential effects of complex II on mitochondrial ROS production and their relation to cardioprotective pre- and postconditioning. Biochim Biophys Acta. 2013;1827(5):578-87.
41. Kluckova K, Sticha M, Cerny J, Mracek T, Dong L, Drahota Z, et al. Ubiquinone-binding site mutagenesis reveals the role of mitochondrial complex II in cell death initiation. Cell Death Dis. 2015;6(5):e1749.
42. Narabayashi H, Takeshige K, Minakami S. Alteration of inner-membrane components and damage to electron-transfer activities of bovine heart submitochondrial particles induced by NADPH-dependent lipid peroxidation. Biochem J. 1982;202:97-105.
43. Bindoli A, Cavallini L, Jocelyn P. Mitochondrial lipid peroxidation by cumene hydroperoxide and its prevention by succinate. Biochim Biophys Acta. 1982;681(3):496-503.
44. Sharmila P, Kumari PK, Singh K, Prasad NV, Pardha-Saradhi P. Cadmium toxicity-induced proline accumulation is coupled to iron depletion. Protoplasma. 2017;254(2):763-70.
45. Cavallini L, Valente M, Bindoli A. Comparison of cumene hydroperoxide- and NADPH/Fe3+/ADP-induced lipid peroxidation in heart and liver submitochondrial particles. Mechanisms of protection by succinate. Biochim Biophys Acta. 1984;795(3):466-72.
46. Tretter L, Adam-Vizi V. Inhibition of Krebs cycle enzymes by hydrogen peroxide: A key role of [alpha]-ketoglutarate dehydrogenase in limiting NADH production under oxidative stress. J Neurosci. 2000;20(24):8972-9.
47. Tretter L, Szabados G, Andó A, Horváth I. Effect of succinate on mitochondrial lipid peroxidation. 2. The protective effect of succinate against functional and structural changes induced by lipid peroxidation. J Bioenerg Biomembr. 1987;19(1):31-44.
48. Quinlan CL, Orr AL, Perevoshchikova IV, Treberg JR, Ackrell BA, Brand MD. Mitochondrial complex II can generate reactive oxygen species at high rates in both the forward and reverse reactions. J Biol Chem. 2012;287(32):27255-64.
49. Shahmardanova SA, Gulevskaya ON, Hananashvili YaA, Zelenskaya AV, Nefedov DA, Galenko-Yaroshevskiy P. Preparatyi yantarnoy i fumarovoy kislot kak sredstva profilaktiki i terapii razlichnyih zabolevaniy. Zhurnal fundamentalnoy meditsinyi i biologii. 2016;3:16-30. [in Russian].
50. Tretter L, Patocs A, Chinopoulos C. Succinate, an intermediate in metabolism, signal transduction, ROS, hypoxia, and tumorigenesis. Biochim Biophys Acta. 2016;1857(8):1086-1101. DOI: 10.1016/j.bbabio.2016.03. 012.

«Вістник проблем біології і медицини» Випуск 2 (160), 2021 рік , 34-39 сторінки, код УДК 616.71-018.3:546.48:612.014.46]-085:661.743.2

10.29254/2077-4214-2021-2-160-34-39