ІНДУКЦІЯ ОКИСНОГО СТРЕСУ ЯК ЕЛЕМЕНТ ТОКСИЧНОСТІ КАДМІЮ

Островська С. С., Писаревська І. А., Дєєв В. В., Баклунов В. В., Стрижак О. В., Кравченко М. К., Великодна О. В.

ОГЛЯДИ ЛІТЕРАТУРИ

Наукова стаття

Резюме. Кадмій (Cd) – важкий метал, ксенобіотик, що представляє серйозну проблему для охорони здоров’я через його кумулятивну токсичність. Забруднені Cd сільськогосподарські угіддя і продукти харчування є головним джерелом улучення його в харчові ланцюги. Джерелом хронічного впливу Cd є також паління тютюну. Cd уражає печінку, легені, нирки, гонади й інші органи. Він зв’язаний з розвитком раку і класифікований Міжнародним агентством по дослідженню раку (ІARC) як канцероген для людини категорії І. Завдяки сучасним технологіям доведено, що основним молекулярним механізмом, що лежить в основі політропної токсичності Cd, є індукція окисного стресу (ОС), який відіграє вирішальну роль у патогенезі токсичності не тільки в людей, але також у тварин, риб і в рослин. В огляді сумуются сучасні погляди на роль Cd в індукції ОС і модифікації ряду біомолекул, у тому числі при деяких захворюваннях. ОС веде до серйозного окисного ушкодження макромолекул, у першу чергу в мітохондріях (МТ), де він порушує перенос електронів по електронно-транспортному ланцюзі. Токсичність Cd зв’язана зі збільшенням появи активних форм кисню (АФК) саме на рівні електронно-транспортного ланцюга МТ, що являють собою ключові внутрішньоклітинні мішені його токсичності. Іншим важливим механізмом, за допомогою якого Cd викликає ОС є виснаження внутрішньоклітинного глутатіону. Він присутній у всіх субклітинних компартментах, бере участь в хелатуванні ксенобіотиків, знижуючи їхню токсичність. Виснаження глутатіону підсилює Cd-індуковану токсичність в органах. Перекисне окиснення ліпідів являє собою наслідок викликаного Cd ОС і корелює з рівнями його впливу, викликаючи некроз тканин в багатьох органах. Виявлено різні епігенетичні зміни в клітках ссавців при дії Cd, що підсилює патогенні ризики розвитку раку. Показано, що зміни експресії генів, зв’язаних із продукцією АФК, під час хронічного впливу менш значні в порівнянні з гострим отруєнням Cd. У той же час в клітинах при хронічній дії Cd, з’являється стійкість до апоптозу, що призводить до проліферації ушкоджених кліток з окисними порушеннями ДНК і сприяє розвиткові раку. Таким чином, хронічний вплив Cd з низьким його вмістом, в основному, у харчових продуктах, підвищує ризик збільшення Cd-індукованих онкологічних захворювань.

кадмій, токсична дія, окисний стрес.

1. Babaknejad N, Bahrami S, Moshtaghie A.A, Nayeri H, Rajabi P, Iranpour F.G, et al. Cadmium Testicular Toxicity in Male Wistar Rats: Protective Roles of Zinc and Magnesium. Biological Trace Element Research. 2018;185(1):106-115.
2. Liu Y, Xiao W, Shinde M, Field J, Templeton DM. Cadmium favors F-actin depolymerization in rat renal mesangial cells by site-specific, disulfide-based dimerization of the CAP1 protein. Archives of Toxicology. 2018;92:1049-1064. 
3. Thévenod F, Lee W.K, Toxicology of cadmium and its damage to Mammalian organs. Metal Ions in Life Sciences. 2013;11:415-490.
4. Anetor JI. Rising environmental cadmium levels in developing countries: Threat to genome stability and health. Nigerian Journal of Physiological Sciences. 2012;27:103-115.
5. Darwish WS, Chen Z, Li Y, Wu Y, Chiba H, Hui S.P, et al. Identification of cadmium-produced lipid hydroperoxides, transcriptomic changes in antioxidant enzymes, xenobiotic transporters, and pro-inflammatory markers in human breast cancer cells (MCF7) and protection with fat-soluble vitamins. Environmental Science and Pollution Research. 2020;27:1978-1990.
6. Swaddiwudhipong SW, Ruangyuttikarn W, Nishijo M, Ruiz P. Modeling cadmium exposures in low- and high-exposure areas in Thailand. Environmental Health Perspectives. 2013;121:531-536.
7. Satarug S, Garrett S.H, Sens M.A, Sens D.A. Cadmium, Environmental Exposure and Health Outcomes. Environmental Health Perspectives. 2010;118:182-190.
8. IARC Group. International Agency for Research on Cancer. Cadmium and Cadmium Compounds. Lyon, France; 2012. p. 121-145.
9. Mężyńska M, Brzóska MM. Environmental exposure to cadmium – A risk for health of the general population in industrialized countries and preventive strategies. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25:3211-3232.
10. Mężyńska M, Brzóska M.M. Review of polyphenol-rich products as potential protective and therapeutic factors against cadmium hepatotoxicity. Journal of Applied Toxicology. 2018;39:117-145.
11. Oguma HE, Kayama F. Cadmium induces anemia through interdependent progress of hemolysis, body iron accumulation, and insufficient erythropoietin production in rats. Toxicological Sciences. 2011;122(1):198-210.
12. Wang H, Matsushita MT, Abel GM, Storm DR, Xia Z. Inducible and conditional activation of ERK5 MAP Kinase rescues mice from cadmium-induced olfactory memory deficits. Neurotoxicology. 2020;81:127-136.
13. Kadiiska MB, Mason RP. Ethylene glycol generates free radical metabolites in rats: an ESR in vivo spin trapping investigation. Chemical Research in Toxicology. 2000;13:1187-1191.
14. Matovic AV, Buha DD, Bulat CZ. Insight into the oxidative stress induced by lead and/or cadmium in blood, liver and kidneys. Food and Chemical Toxicology. 2015;78:130-140.
15. Wang X, Hai C. Novel insights into redox system and the mechanism of redox regulation. Molecular Biology Reports. 2016;43:607-628.
16. Jomova K, Valko M. Advances in metal-induced oxidative stress and human disease. Toxicology. 2011;283:65-87.
17. Rani A, Kumar A, Lal A, Pant M. Cellular mechanisms of cadmium-induced toxicity: A review. International Journal of Environmental Health Research. 2014;24:378-399.
18. Andjelkovic M, Djordjevic AB, Antonijevic E, Antonijevic B, Stanic M. Toxic Effect of Acute Cadmium and Lead Exposure in Rat Blood, Liver, and Kidney. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2019;16(2):274.
19. Bhatia V, Sharma S. Role mitochondrial dysfunction, oxidative stress and autofagy in progression Alzheimer’s disease. Journal of the Neurological Sciences. 2021;421:117253.
20. Cheng CH, Ma HL, Deng YQ, Feng J, Jie YK, Guo ZX, et al. Oxidative stress, cell cycle arrest, DNA damage and apoptosis in the mud crab (Scylla paramamosain) induced by cadmium exposure Chemosphere. 2021;263:128277.
21. Sies H. Oxidative stress: a concept in redox biology and medicine. Redox Biology. 2015;4:180-183.
22. Murphy MP. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochemical Journal. 2009;417:1-13.
23. Wong HS, Benoit B, Brand MD. Mitochondrial and cytosolic sources of hydrogen peroxide in resting C2C12 myoblasts. Free Radical Biology and Medicine. 2019;130:140-150.
24. Wang S, Ren X, Hu X, Zhou L, Zhang C, Zhang M, et al. Cadmium-induced apoptosis through reactive oxygen species-mediated mitochondrial oxidative stress and the JNK signaling pathway in TM3 cells, a model of mouse Leydig cells. Toxicology and Applied Pharmacology. 2019;368:37-48.
25. Wang Y, Fang J, Leonard SS, Krishna Rao KM. Cadmium inhibits the electron transfer chain and induces Reactive Oxygen Species. Free Radical Biology and Medicine. 2004;36:1434-1443.
26. Belyaeva EA. Respiratory complex II in mitochondrial dysfunction-mediated cytotoxicity: Insight from cadmium. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2018;50:80-92.
27. Monteiro C, Ferreira de Oliveira JMP, Pinho F, Bastos V, Oliveira H, Peixoto F, et al. Biochemical and transcriptional analyses of cadmiuminduced mitochondrial dysfunction and oxidative stress in human osteoblasts. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A. 2018;81:705-717.
28. Gobe G, Crane D. Mitochondria, reactive oxygen species and cadmium toxicity in the kidney. Toxicology Letters. 2010;198(1):49-55.
29. Zhan M, Brooks C, Liu F, Sun L, Dong Z. Mitochondrial dynamics: regulatory mechanisms and emerging role in renal pathophysiology. Kidney International. 2013;83(4):568-581.
30. Sinha K, Das J, Pal PB, Sil PC. Oxidative stress: the mitochondria-dependent and mitochondria-independent pathways of apoptosis. Archives of Toxicology. 2013;87(7):1157-1180.
31. Nemmiche S. Oxidative Signaling Response to Cadmium Exposure. Toxicological Sciences. 2017;156:4-10.
32. Zhang Q, Zhang C, Ge J, Lv MW, Talukder M, Guo K, et al. Ameliorative Effects of Resveratrol against Cadmium-induced Nephrotoxicity via Modulating Nuclear Xenobiotic Receptors Response and PINK1/Parkin-mediated Mitophagy. Food and Function. 2020;11:1856-1868.
33. López E, Arce C, Oset-Gasque MJ, Cañadas S, González MP. Cadmium induces reactive oxygen species generation and lipid peroxidation in cortical neurons in culture. Free Radical Biology and Medicine. 2006;40:940-995.
34. Valko M, Rhodes CJ, Moncol J, Izakovic M, Mazur M. Free radicals, metals and antioxidants in oxidative stress-induced cancer. ChemicoBiological Interactions Journal. 2006;160:1-40.
35. Ramana KV, Srivastava S, Singhal SS. Lipid Peroxidation Products in Human Health and Disease 2019. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2019;2019:7147235.

«Вістник проблем біології і медицини» Випуск 2 (160), 2021 рік , 44-48 сторінки, код УДК 546.48:612.014.46:66.094.1:616-092(048.8)

10.29254/2077-4214-2021-2-160-44-48