Селен-протектор сперматогенеза при хронической интоксикации природным газом.

Селен является одним из эссенциальных микроэлементов [1, 12, 16], играющих важную роль в нормальном функционировании ряда органов и систем (органа зрения, поджелудочной железы, печени, сердечно-сосудистой системы и др.), в том числе и репродуктивной системы [5, 11]. Селен, кроме того, обладает защитным действием при острых и хронических интоксикациях, что известно из ряда отечественных и зарубежных работ [1, 14]. Исследований, посвященных изучению протекторных свойств селена по отношению к репродуктивной системе самцов при хронической интоксикации сероводородсодержащим природным газом, по данным отечественной и зарубежной литературы не проводилось. Хотя описан положительный эффект применения селена при субфертильности у мужчин, находившихся под длительным воздействием малых доз природного газа [3, 7], механизм действия микроэлемента остается неясным. Наши исследования [4] показывают, что при хроническом воздействии природного газа Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ) у экспериментальных животных выявляются повреждения эпидидимальных сперматозоидов и некоторые нарушения репродуктивной функции, характерные для селенодефицитного состояния [1, 9]. В условиях видимого ухудшения мужского репродуктивного здоровья [2, 8] представляется актуальным поиск путей протекции сперматогенеза от действия неблагоприятных экологических факторов. Целью нашей работы стало изучение влияния диеты богатой селеном на функциональное состояние репродуктив ной системы самцов крыс в условиях хронической интоксикации природным газом АГКМ. Материал и методы Белые беспородные 5-6-месячные крысы-самцы с массой тела 180-230 г были разделены на три группы: контрольную (К) и две опытные (1 и 2). Группа К состояла из 12 животных, которые содержались на стандартной диете и не подвергались воздействию природным газом АГКМ. Группа 1 состояла из 46 животных, получавших стандартную диету и подвергавшихся хроническому воздействию малых доз природного газа АГКМ (в течение 30 дней, ежедневное время экспозиции 4 часа, доза - 10 мг/м). Группа 2 включала в себя 47 животных, которые дополнительно к стандартной диете получали селен в виде селенита натрия (NaSeO) из расчета 350-400 мкг селена на 1 кг массы тела в сутки. Через 2 нед содержания на обогащенном селеном рационе животные подвергались воздействию природного газа АГКМ (в течение 30 дней, ежедневное время экспозиции 4 ч, доза - 10 мг/м). После окончания хронического воздействия природным газом АГКМ в течение 1 нед животные продолжали получать диету с добавлением селена, затем их переводили на обычный рацион. После прекращения хронического воздействия природного газа определяли состояние репродуктивной системы крыс-самцов. Состояние сперматогенеза и активность D-3b-гидроксистероиддегидрогеназы (D-3b ГСД) оценивали по ранее описанным методам [7]. Полученные результаты анализировались с использованием ПЭВМ Sunrise - Pentium-233ММХ. Результаты и обсуждение При изучении репродуктивного здоровья в контрольной группе были получены следующие результаты. Общее количество сперматогенных клеток в семеннике в среднем составило 5223±460 млн клеток. Из них 22,5±2,0% сперматогоний, 20,7±2,1% сперматоцитов, 21,6±2,3% сперматид, 35,2±2,7% сперматозоидов. Общее количество эпидидимальных сперматозоидов было 1438±161 млн клеток, дефективных сперматозоидов 1,2±0,2%, подвижных сперматозоидов 87,8±6,0%, мертвых сперматозоидов 4,95±0,88%. Активность ГСД составила 237,4±28,1 УЕ. Состояние сперматогенеза в 1-й группе через 7 дней после окончания хронического воздействия природного газа характеризовалось снижением общего количества сперматогенных клеток в семеннике до 730±200 млн клеток, при этом отмечено нарушение соотношения между разными типами сперматогенных клеток. На 7-й день после прекращения воздействия малых доз природного газа относительное содержание сперматогоний в семеннике составило 15,1±1,5%, сперматоцитов - 27,4±2,3%, сперматид - 35,9±3,2%, сперматозоидов - 21,6±2,3%. Анализ состояния сперматогенеза после воздействия природного газа на фоне диеты с повышенным содержанием селена показал менее выраженное уменьшение общего количества сперматогенных клеток в семеннике (до 1250±190 млн клеток). Восстановление общего количества сперматогенных клеток во 2-й группе происходило относительно более быстро (14-й день - 2436±268 млн клеток, 21-й день - 5150±450 млн клеток), чем в 1-й группе (14-й день - 1905±310 млн клеток, 21-й день - 3392±367 млн клеток, 28-й день - 5386±516 млн клеток) (табл. 2). Нормальное соотношение между разными типами сперматогенных клеток восстанавливалось во 2-й группе к 21 дню после окончания воздействия природного газа, то есть примерно на 14 дней раньше, чем в 1-й группе. При исследовании эпидидимиса на 7 день после окончания воздействия природного газа не обнаружено достоверного снижения общего количества сперматозоидов во 2-й группе (табл. 3) по сравнению с нормой (табл. 1). Изучение морфофункционального состояния эпидидимальных сперматозоидов во 2-й группе показало увеличение процентного содержания сперматозоидов с дефектами (головки с поломанными хвостами), снижение подвижности, увеличение процентного содержания мертвых сперматозоидов. На 7-й день после окончания хронического воздействия природного газа во 2-й группе относительное содержание дефективных сперматозоидов составляло 15,4±1,8%, подвижных сперматозоидов 22,2±2,2%, а мертвых сперматозоидов 51,4±5,3%. Нормализация рассматриваемых параметров завершалась в разные сроки. Быстрее всего восстанавливалось во 2-й группе нормальное процентное содержание живых сперматозоидов (21-й день - 6,8±1,4% мертвых сперматозоидов), затем восстанавливалась подвижность (28-й день - 81,1±7,9%) и, наконец, морфологические характеристики (35-й день - 1,4±0,2% дефективных сперматозоидов). В целом показатели состояния эпидидимальных сперматозоидов были лучше во 2-й группе по сравнению с 1-й группой (табл. 3). Таблица 1. Показатели репродуктивной функции интактных крыс-самцов (контрольная группа) Таблица 2. Состояние сперматогенеза у крыс после отравления природным газом Примечание. Здесь и в табл. 3-4:1 - группа животных (беспородных белых крыс-самцов), которые содержались на стандартной диете и подвергались хроническому воздействию малых доз природного газа. 2 - группа животных (беспородных белых крыс-самцов), которые содержались на диете с повышенным содержанием селена и подвергались хроническому воздействию малых доз природного газа. Оценка тестостеронпродуцирующей функции семенников крыс из 2-й группы показала снижение активности ГСД в семенниках на 7-й день после окончания воздействия природного газа до 113,3±17,2 УЕ. Затем у самцов 2-й группы активность ГСД постепенно восстанавливалась до нормы (14-й день - 180,6±31,4 УЕ, 21-й день - 224,2±24,5 УЕ). Сходная динамика восстановления активности ГСД наблюдалась и у животных из 1-й группы (14-й день - 170,2±18,3 УЕ, 21-й день - 211,4±22,3 УЕ) (табл. 4). Можно констатировать наличие у селена свойств, защищающих сперматогенез при хроническом воздействии природного газа. По сравнению с крысами, получавшими обычный рацион (группа 1), снижение общего количества сперматогенных клеток в семенниках животных, получавших рацион, богатый селеном (группа 2), было менее выражено. Восстановление общего количества сперматогенных клеток завершалось раньше у животных из 2-й группы (на 21-й день после окончания затравки), чем у животных из 1-й группы (на 28-й день после окончания затравки). Также быстрее восстанавливалось нормальное соотношение между различными типами сперматогенных клеток - на 35-й день у самцов на обычной диете и на 28-й день у крыс, получавших селен (табл. 2). Достоверного снижения общего количества сперматозоидов в придатке семенника крыс из 2-й группы не было выявлено вообще, в отличие от крыс из 1-й группы. Кроме того, у крыс 2-й группы было значительно меньше процентное содержание сперматозоидов с дефектами, выше относительное содержание подвижных эпидидимальных сперматозоидов, чем у крыс 1-й группы (табл. 3). Изучение соотношения различных клеточных типов в семенниках на 7-й день после окончания воздействия природного газа у крыс 1-й группы, получавших обычную диету, позволило выявить нарушение восполнения пула сперматогоний А, торможение процесса дифференцировки сперматид в сперматозоиды, а также нарушение процесса перехода сперматогоний в сперматоциты. Соотношение сперматогоний, сперматоцитов, сперматид и сперматозоидов в семеннике у крыс, получавших богатый селеном рацион (группа 2), свидетельствует только о нарушении восполнения пула сперматогоний А и о нарушении процесса перехода сперматогоний в сперматоциты. Восстановление нормального соотношения различных типов сперматогенных клеток в семенниках у крыс 1-й группы и 2-й группы начиналось к 14-му дню с восстановления процесса перехода сперматогоний в сперматоциты. Нарушение этого процесса связано, вероятно, со снижением активности фермента ГСД, а так как содержание селена в пищевом рационе практически не влияет на активность ГСД, то и начало восстановления нормального соотношения различных типов сперматогенных клеток у животных, получавших диету, богатую селеном, и получавших обычный рацион происходило в одни и те же сроки. К 21-му дню во 2-й группе завершался процесс восстановления относительного содержания сперматогоний (за счет стабильного пула сперматогоний типа А) и их количество достигало нормы. Полное восстановление соотношения между сперматогенными клетками во 2-й группе заканчивалось уже к 21-28-му дню, в то время как в 1-й группе этот процесс завершался лишь к 35-му дню (табл. 2). Таблица 3. Состояние эпидидимальных сперматозоидов у крыс после отравления природным газом Таблица 4. Активность D-3b-гидроксистероиддегидрогеназы (в усл. ед.) у крыс после отравления АГКМ Механизм защитного действия селена, возможно, связан с его большим сходством с серой. Селен и сера относятся к p-элементам VI группы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Их атомы имеют большее сродство между собой, чем с другими элементами подгруппы кислорода. Например, радиус атома кислорода 0,045 нм, серы - 0,081 нм, селена - 0,092 нм, теллура - 0,11 нм, полония - 0,12 нм; энергия ионизации атома кислорода равна 1314 кДж/моль, серы - 1000 кДж/моль, селена - 941 кДж/моль, теллура - 869 кДж/моль, полония - 813 кДж/моль. Также атомы селена и серы имеют сходную конфигурацию наружных электронных оболочек, энергию связи, сродство к электронам. Это позволяет им замещать друг друга в различных химических соединениях [1, 5]. Однако в биологических системах свойства серы и селена значительно различаются [1, 6]. Механизм протекторного действия селена проявляется в снижении относительного содержания дефективных и в увеличении относительного содержания подвижных эпидидимальных сперматозоидов. Известно, что в хвосте сперматозоидов крыс содержится ассоциированный с митохондриальной мембраной селенопептид с Mr = 17 000 кД (открыт в 1978 г. H.I. Calvin [10]), который имеет важное структурное значение при сборке хвоста сперматозоидов [9]. Увеличение относительного содержания сперматозоидов с дефектом (обломанный хвост), характерным для селенодефицитного состояния, и снижение относительного содержания подвижных сперматозоидов после хронической интоксикации сероводородсодержащим природным газом у крыс из 1-й группы, получавших обычную диету (табл. 3), объясняется, на наш взгляд, замещением серой (в условиях ее избыточного поступления в составе природного газа) селена в селенопептиде. При этом функциональная роль селенопептида нарушается. Соответственно, у крыс 2-й группы, содержавшихся на богатом селеном рационе, селен более успешно конкурирует с серой (в условиях хронической интоксикации природным газом) за место в селенопептиде и вследствие этого значительно уменьшается относительное содержание дефективных сперматозоидов и улучшаются двигательные характеристики эпидидимальных сперматозоидов (табл. 3). Описанная схема не может охватывать все аспекты возможного механизма защитного действия селена на эпидидимальные сперматозоиды при интоксикации природным газом. Вероятно, протекторным механизмом действия селена объясняется и уменьшение гибели сперматогоний в семенниках крыс 2-й группы (по сравнению с крысами 1-й группы) после хронической интоксикации природным газом. Так как известно, что дефицит селена приводит к гибели сперматогоний. Мембраностабилизирующие свойства селена (что имеет важное значение для реализации оплодотворяющей способности сперматозоидов [15]) и его участие (посредством селенсодержащих и селензависимых ферментов [13]) в метаболизме и элиминации ксенобиотиков также могут снижать гонадотоксическое действие природного газа. Таким образом, в ходе проведенного исследования выявлено наличие у селена свойств, защищающих сперматогенез в условиях хронического воздействия сероводородсодержащим природным газом. Показана эффективность методов молекулярного изучения репродуктивной функции для оценки влияния и раскрытия биохимических процессов при токсическом и протекторном действии химических веществ. Полученные данные и ранее проведенные наблюдения [7] позволяют рекомендовать применение селена с профилактической и лечебной целью при хроническом воздействии малых доз природного газа. Д.Л. Луцкий, А.А. Николаев, М.В. Ушакова Кафедра общей и биоорганической химии Астраханской государственной медицинской академии Литература 1. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология. М 1991. 2. Корякин М.В., Акопян А.С. Структурный анализ причин мужского бесплодия. В кн.: Молекулярные исследования мужской субфертильности. Под ред. А.А. Николаева. Астрахань 2000; 19-41. 3. Луцкий Д.Л. Иммунохимическая и биохимическая характеристика спермоплазмы субфертильных мужчин: Автореф. дис. …... канд. мед. наук. М 2000. 4. Луцкий Д.Л., Николаев А.А., Гончарова Л.А., Ушакова М.В. Влияние на фертильность хронической интоксикации сероводородсодержащим газом. Пробл репрод 2000; 6: 4: 19-23. 5. Москалев Ю.И. Минеральный обмен. М 1985. 6. Николаев А.А. Биохимическое и иммунохимическое изучение белков семенной плазмы человека: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М 1994. 7. Николаев А.А., Луцкий Д.Л., Ложкина Л.В. и др. Применение селена для коррекции субфертильности у мужчин. Урология 1999; 4: 29-32. 8. Тиктинский О.Л., Михайличенко В.В. Андрология. Ст-Петербург 1999. 9. Behne D., Weiler H., Kyriakopolos A. Effects of selenium deficiency on testicular morphology and function in rats. J Reprod Fertil 1996; 106: 2: 291-297. 10. Calvin H.I. Selective incorporation of selenium-75 into a polypeptide of the rat sperm tail (1). J Exp Zool 1978; 204: 3: 445-452. 11. Hansen J.C., Deguchi Y. Selenium and fertility in animals and man. Acta Vet Scand 1996; 37: 1: 19-30. 12. Levander O.A. Considerations in the design of selenium bioavailability studies. Ann Rev Nutr 1987; 7: 227-250. 13. Omu A.E., Fernandes S., Mohammed A., Khan Z. Contribution of metal ions to enzymatic antioxidant activity in human seminal plasma: Superoxide dismutase and Glutathione peroxidase. In book: Molecular investigation of male subfertility. Ed. A.A. Nikolaev. Astrakhan 2000; 58-77. 14. Parizek J., Ostadalova I. The protective effect of small amounts of selenite in sublimate intoxication. Experientia 1967; 23: 2: 142-143. 15. Von der Kall G., Beschmann H., Zimmer G., Ochsendorf F.R. Decreased membrane fluidity in spermatozoa of infertile men. In book: Molecular investigation of male subfertility. Ed. A.A. Nikolaev. Astrakhan 2000; 77-100. 16. WHO. Selenium. Environmental Health Criteria 58. Geneva 1987.