Изменения уровня микроэлементов в головном мозге крыс после воздействия низких доз кадмия

Кадмий является одним из распространённых токсичных элементов. Из-за большого химического сходства с кальцием, медью и цинком, он может их замещать. Пища является основным путём поступления кадмия в организм человека. Исследований по влиянию низких доз кадмия на метаболизм микроэлементов очень мало, поэтому представляет интерес изучение последствий воздействия низких уровней кадмия в тканях головного мозга.

Цель исследования — оценить накопление кадмия в головном мозге экспериментальных животных и его воздействие на уровень микроэлементов.

Животные были разделены на 4 группы (n=10): первая группа служила контролем; 2, 3 и 4 группы получали 1, 10 и 100 мкг кадмия на кг массы тела (Cd1, Cd10, Cd100), в течение 30, 60 и 90 дней соответственно. Раствор хлорида кадмия вводили ежедневно через желудочный зонд. Оценивали содержание кадмия, кальция, меди и цинка в головном мозге с помощью атомно-абсорбционного анализа.

Результаты этого исследования показали, что интоксикация хлоридом кадмия не приводило к накоплению металла в головном мозге в группе Cd1 и Cd10, а значение концентрации кадмия в группе Cd100 не зависело от времени воздействия. Статистические значимые изменения концентрации цинка и меди наблюдали через три месяца воздействия кадмия. Содержание цинка дозозависимо повышалось, а содержание меди уменьшалось.

Воздействие кадмия в течение трех месяцев в малых дозах не приводит к значительному накоплению в головном мозге, но вызывает дисбаланс эссенциальных элементов, таких как кальций, цинк и медь.

Этика. Исследование проведено в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS № 123), директивой Европейского парламента и Совета Европейского Союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей и одобрено биоэтической комиссией ФБУН «Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека».

Участие авторов:
Фазлыева А.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание текста;
Каримов Д.О. — концепция и дизайн исследования, написание текста;
Даукаев Р.А. — редактирование;
Смолянкин Д.А. — сбор и обработка данных;
Зеленковская Е.Е. — редактирование;
Курилов М.В. — сбор и обработка данных;
Мусабиров Д.Э. — сбор и обработка данных.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Финансирование. Отраслевая научно-исследовательская программа Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека на 2021–2025 гг. «Научное обоснование национальной системы обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия, управления рисками здоровью и повышения качества жизни населения России» п. 6.1.9.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления: 25.08.2023 / Дата принятия к печати: 14.11.2023 / Дата публикации: 15.12.2023

1. Gall J.E., Boyd R.S., Rajakaruna N. Transfer of heavy metals through terrestrial food webs: a review. Environ Monit Assess. 2015; 187(4): 1–21. https://doi.org/10.1007/s10661-015-4436-3

2. Wu Q., Wang L., Chen Y.W., Zhang H., Fang M., Wu Y.N. et al. Comparison of the absorption and distribution of cadmium via cadmium chloride and cadmium-contaminated rice in rats. Biomed Environ Sci. 2020; 33(2): 141–44. https://doi.org/10.3967/bes2020.019

3. Nordberg G.F., Bernard A., Diamond G.L., Duffus J.H., Illing P., Nordberg M. et al. Risk assessment of effects of cadmium on human health (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2018; 90(4): 755–808. https://doi.org/10.1515/pac-2016-0910

4. Wang B., Du Y. Cadmium and its neurotoxic effects. Oxidative medicine and cellular longevity. 2013; 2013: 12. https://doi.org/10.1155/2013/898034

5. Branca J.J.V., Morucci G., Pacini A. Cadmium-induced neurotoxicity: still much ado. Neural regeneration research. 2018; 13(11): 1879–82. https://doi.org/10.4103/1673-5374.239434

6. Montes S., Juárez-Rebollar D., Nava-Ruíz C., Sánchez-García A., Heras-Romero Y., Rios C. et al. Immunohistochemical study of Nrf2-antioxidant response element as indicator of oxidative stress induced by cadmium in developing rats. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2015; 2015: 570650. https://doi.org/10.1155/2015/570650

7. Branca J.J.V., Maresca M., Morucci G., Mello T., Becatti M., Pazzagli L., Pacini A. Effects of cadmium on ZO-1 tight junction integrity of the blood brain barrier. International journal of molecular sciences. 2019; 20(23): 6010. https://doi.org/10.3390/ijms20236010

8. Huat T.J., Camats-Perna J., Newcombe E.A., Valmas N., Kitazawa M., Medeiros R. Metal Toxicity Links to Alzheimer’s Disease and Neuroinflammation. J Mol Biol. 2019; 31(9): 1843–68. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2019.01.018

9. Zhang T., Gao X., Luo X., Li L., Ma M., Zhu Y. et al. The effects of long-term exposure to low doses of cadmium on the health of the next generation of mice. Chem Biol Interact. 2019; 312: 108792. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2019.108792

10. Satarug S., Gobe G.C., Ujjin P., Vesey D.A. A Comparison of the Nephrotoxicity of Low Doses of Cadmium and Lead. Toxics. 2020; 8(1): 18. https://doi.org/10.3390/toxics8010018

11. Shur P.Z., Fokin V.A., Novoselov V.G. On the issue of assessing the permissible daily intake of cadmium with food. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya. 2015; 12(273): 30–2 (in Russian).

12. Agnihotri S.K., Agrawal U., Ghosh I. Brain most susceptible to cadmium induced oxidative stress in mice. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2015; 30: 184–93. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2014.12.008

13. Méndez-Armenta M., Ríos C. Cadmium neurotoxicity. Environmental Toxicology and Pharmacology. 2007; 23(3): 350–8. https://doi.org/10.1016/j.etap.2006.11.009

14. Oboh G., Adebayo A.A., Ademosun A.O., Olowokere O.G. Rutin restores neurobehavioral deficits via alterations in cadmium bioavailability in the brain of rats exposed to cadmium. Neurotoxicology. 2020; 77: 12–9. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2019.12.008

15. Huat T.J., Camats-Perna J., Newcombe E.A., Valmas N., Kitazawa M., Medeiros R. Metal toxicity links to Alzheimer’s disease and neuroinflammation. Journal of molecular biology. 2019; 431(9): 1843–68. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2019.01.018

16. Mazzocco J.C., Jagadapillai R., Gozal E., Kong M., Xu Q., Barne G.N., Freedman J.H. Disruption of essential metal homeostasis in the brain by cadmium and high-fat diet. Toxicology reports. 2020; 7: 1164–9. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2020.08.005

17. Gerhardsson L., Englyst V., Lundström N.G., Sandberg S., Nordberg G. Cadmium, copper and zinc in tissues of deceased copper smelter workers. Journal of trace elements in medicine and biology. 2002; 16(4): 261–6. https://doi.org/10.1016/S0946-672X(02)80055-4

18. Madsen E., Gitlin J.D. Copper and iron disorders of the brain. Annu. Rev. Neurosci. 2007; 30, 317–37. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.30.051606.094232

19. Bandmann O., Weiss K.H., Kaler S.G. Wilson’s disease and other neurological copper disorders. The Lancet Neurology. 2015; 14(1): 103–13. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(14)70190-5

20. Vallee B.L., Auld D.S. Zinc coordination, function, and structure of zinc enzymes and other proteins. Biochemistry. 1990; 29(24): 5647–59.

21. Braga M.M., Dick T., de Oliveira D.L., Scopel-Guerra A., Mussulini B.H.M., Souza D.O. et al . Evaluation of zinc effect on cadmium action in lipid peroxidation and metallothionein levels in the brain. Toxicol Rep. 2015; 2: 858–63. https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2015.05.014

22. Skalny A.V., Mazaletskaya A.L., Ajsuvakova O.P., Bjørklund G., Skalnaya M.G., Chao J.C. et al. Serum zinc, copper, zinc-to-copper ratio, and other essential elements and minerals in children with attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2020; 58: 126445. https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2019.126445

23. Bulat Z., Đukić-Ćosić, D., Antonijević B., Bulat P., Vujanović D., Buha A et al. Effect of magnesium supplementation on the distribution patterns of zinc, copper, and magnesium in rabbits exposed to prolonged cadmium intoxication. The Scientific World Journal. 2012; 2012. https://doi.org/10.1100/2012/572514

24. Yuan Y., Jiang C.Y., Xu H., Sun Y., Hu F.F., Bian J.C et al. Cadmium-induced apoptosis in primary rat cerebral cortical neurons culture is mediated by a calcium signaling pathway. PLoS One. 2013; 8(5): e64330. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0064330

25. Frazier H.N., Maimaiti S., Anderson K.L., Brewer L.D., Gant J.C., Porter N.M. et al. Calcium’s role as nuanced modulator of cellular physiology in the brain. Biochemical and biophysical research communications. 2017; 483(4): 981–7. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2016.08.105

26. Chen Z., Shi K., Kuang W., Huang L. Exploration of the optimal strategy for dietary calcium intervention against the toxicity of liver and kidney induced by cadmium in mice: An in vivo diet intervention study. PLoS One. 2021; 16(5): e0250885. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0250885