Analiza wpływu wybranych pierwiastków na funkcjonowanie tkanki kostnej

Kość jako element narządu ruchu stanowi bogate źródło do prowadzenia badań związanych z fizjologią i patologią. Ortopedia upodobała sobie badanie kości pod kątem patologii, przede wszystkim związanych z zaburzeniem właściwej osi konstrukcyjnej oraz zaburzeń funkcji motorycznych. Kości jednak są także prężnie działającym, żywym elementem istotnie wpływającym na metabolizm całego organizmu. Wpływu na nie możemy dopatrywać się w praktycznie wszystkich elementach środowiska, począwszy od żywienia, na składzie powietrza kończąc. Często przedmiotem badań są skomplikowane związki chemiczne, jakoby zapominając, że podstawowe ich elementy budulcowe – atomy poszczególnych pierwiastków – mogą wywierać istotny wpływ na funkcjonowanie organizmu. Badania pokazują, że suplementacja wapnia wpływa na zmniejszenie ryzyka wystąpienia złamań osteoporetycznych. Szczególnie z poziomem wapnia interferuje fosfor, którego spożycie powinno być ściśle kontrolowane ze względu na ryzyko zakwaszenia organizmu. Niektóre pierwiastki takie jak cynk, selen, mogą zaburzać wchłanianie szkodliwych związków, a ich suplementacja wydaje się być szczególnie korzystna i interesująca. Pierwiastkiem, którego zastosowanie wywołuje duże emocje jest także fluor – którego związki mimo zastosowania w stomatologii, mogą wywoływać toksyczny wpływ na kości. Pierwiastkiem, którego pochodne ze względu na zanieczyszczenie środowiska powszechnie nas otacza jest tak że kadm, który wywołuje zdecydowanie negatywny wpływ nie tylko na tkankę kostną, ale także wiele innych tkanek i narządów. Niniejszy artykuł jest próbą podsumowania dostępnej wiedzy na temat pierwiastków budujących tkankę kostną oraz wpływających na jej metabolizm pozytywnie lub negatywnie.

Kości (ang. bones, łac. ossea) stanowią bierną część narządu ruchu. Stwierdzenie „bierna część”, jest tu mylące, ponieważ tkanka kostna jest bardzo aktywna metabolicznie. Spełnia nie tylko ważną funkcje mechaniczną, ale również uczestniczy w regulacji gospodarki wapniowo-fosforanowej oraz kwasowo-zasadowej. Podstawową jednostką budowy kości jest blaszka kostna, a zasadniczo tkanka kostna składa się z istoty międzykomórkowej i komórek (osteocytów, osteoblastów, osteoklastów oraz prekursorowych komórek osteogennych). Istota międzykomórkowa składa się z części organicznej (stanowiącej 30- 35% suchej masy), którą budują głównie włókna kolagenowe, proteoglikany, niektóre lipidy i białka oraz z części nieorganicznej (65-70% suchej masy) zbudowanej głównie z fosforanu wapnia, przyjmującego bardziej złożone formy pod postacią hydroksyapatytu. Wapń i fosfor stanowią jedne z głównych makroelementów organizmu ludzkiego. Należy jednak pamiętać, że wiele rzadziej występujących w organizmie ludzkim pierwiastków może bardzo istotnie wpływać na metabolizm tkanki kostnej. Wymieniane tutaj są zwłaszcza takie mikroelementy jak fluor oraz cynk. Metale ciężkie, takie jak kadm, może wpływać szkodliwie. Należy wspomnieć, że istotny wpływ na pogorszenie jakości tkanki kostnej w postaci zaburzeń budowy beleczkowej obserwować możemy u chorych na chorobę trzewną, a dieta bezglutenowa może działać osteoprotekcyjnie. Poniżej umieszczona została charakterystyka pierwiastków biorących udział w budowie tkanki kostnej. Spośród nich wapń i fosfor należą do makroelementów, cynk, fluor i selen do mikroelementów. Kadm zaś jest pierwiastkiem, którego związki są toksyczne.

Wapń

Pierwiastek zaliczany do berylowców. Jego zawartość w ciele człowieka oceniana jest na ok. 1,7% masy ciała. W 99% znajduje się w istocie międzykomórkowej tkanki kostnej, a tylko 1% rozmieszczone jest w płynach ustrojowych lub innych tkankach (tu głównie w postaci zjonizowanej). Wapń wiąże się z białkami osocza, głównie albuminą. Dzienne zapotrzebowanie na ten pierwiastek wynosi ok. 1 g, a pokrywane jest ono głównie poprzez źródła pokarmowe (przetwory mleczne, rośliny strączkowe), zaś wchłanianie odbywa się przy współudziale witaminy D. Wydalanie w 80% odbywa się drogą jelitową, w 20% drogą nerkową.
Wapń odgrywa wiele ważnych funkcji: inicjuje skurcz mięśnia poprzez wiązanie się z kalmoduliną i troponiną C, stanowi wtórny przekaźnik w przewodnictwie nerwowym, bierze udział w krzepnięciu krwi i uwalnianiu hormonów z komórek gruczołowych. Funkcjonowanie wapnia jest ściśle powiązane z witaminą D. Suplementacja wapnia powoduje wzrost gęstości mineralnej kości oraz zmniejszenie ilości złamań pozakręgowych.

Analiza obejmująca 29 badań, opublikowanych w latach 1978–2006 ukazała, że efekt zmniejszonego ryzyka złamań był większy w badaniach, w których pacjenci przyjęli >=80% dawek suplementu w porównaniu z badaniami, w których odsetek ten był mniejszy. Dość istotną rolę protekcyjną przed mobilizacją puli mineralnej wapnia może odgrywać jego suplementacja u matek karmiących piersią, zaś już po 6 miesiącach suplementacji wapnia u młodych aktywnych fizycznie mężczyzn obserwowano zwiększenie grubości warstwy korowej kości. Badanie prowadzone na kurach pokazało, że suplementacja wapnia wraz z witaminą K wywołuje wzrost powierzchni szpikowej.

Fosfor

Zawartość tego pierwiastka w organizmie ludzkim oceniana jest na ok. 1% masy ciała, zaś dzienne zapotrzebowanie wynosi ok. 1,2 g. Fosfor przyswajalny jest poprzez przewód pokarmowy, wchłanianie podlega wpływowi parathormonu i kalcytriolu, zaś usuwany jest drogą nerkową. Jest to pierwiastek niezbędny do syntezy ATP, bierze udział w tworzeniu wiązań estrowych i bezwodnikowych, jest ważnym substratem do syntezy nukleotydów.

Zidentyfikowano całe spektrum zaburzeń wynikających z zaburzeń metabolizmu tego pierwiastka, towarzyszącym zwłaszcza chorobom nerek, takich jak zespół Fanconiego, a także mutacjom czynnika wzrostu fibroblastów FGF-23 oraz wpływie obecności guzów mezenchymalnych. Również zbyt duża suplementacja witaminy D może nasilać objawy hipofosfatemii. Zaburzenia wynikające z niedoboru lub zaburzeń metabolizmu fosforu mogą istonie wpływać na zaburzenia mineralizacji tkanki kostnej, pogarszając jej jakość. Drugą stroną medalu jest bardzo bogata zawartość związków fosforowych w żywności, m.in. w jajach, orzeszkach ziemnych, rybach, a także serach. Ich obecność współistnieje z obecnością nadmiarowych jonów wodorowych, co z kolei wpływa na gospodarkę kwasowo-zasaadową, pośrednio doprowadzając do zakwaszenia organizmu, wywołując zaburzenia metabolizmu witaminy D oraz indukując wytrącanie się nierozpuszczalnych osadów.

U szczurów karmionych pożywieniem z dużym stężeniem związków fosforowych obserwowano w surowicy wzrost poziomów hormonów przytarczyc, stężeń markerów obrotu kostnego, receptora aktywatora ekspresji mRNA ligandu NF-kB w kości udowej, stężenia wapnia i fosforu w nerkach, oraz zmniejszenie aktywności N-acetylo-β-D- glukozaminidazy i wydalanie β2-mikroglobuliny z moczem. Dodatkowo zaobserwowano zmniejszenie zawartości składników mineralnych i gęstości mineralnej kości udowej i piszczeli.

Cynk

To pierwiastek, który jest kofaktorem wielu enzymów, głównie metaloprotein. Dzienne zapotrzebowanie na ten pierwiastek oscyluje ok. 10 mg. Transportowany jest w osoczu krwi połączony z albuminą, zaś w komórkach magazynowany jest pod postacią metaliotoneiny, która może wiązać także inne pierwiastki (miedź, kadm, bizmut) i pełni funkcje ochronne wobec organizmu przed szkodliwymi jonami metali ciężkich. Cynk wydala się głównie drogą jelitową, zaś w małej ilości (0,2-0,5 mg/dobę) także drogą nerkową i z potem. Szczególnie wysokie stężenie cynku obserwuje się w płynie nasiennym (1 mg/ml).

Skutkami niedoboru cynku może być w szczególności upośledzone gojenie się ran, ale także spowolniony wzrost, zaburzenia dojrzewania płciowego, zaburzenia neurologiczne pod postacią upośledzeniu smaku. Wykazano, że supelementacja cynku może wpłynąć pozytywnie na formowanie tkanki kostnej przez wpływ na białko morfogenetyczne kości (BMP) nie indukując przy tym procesów zapalnych.

Fluor

W organizmie ludzkim występuje głównie w postaci fluorku wapnia. Jego rola jest dość kontrowersyjna. Niektórzy nie uważają fluoru za biopierwiastek (brak norm stężenia w płynach ustrojowych, brak wiadomości na temat skutków niedoboru). Wzmacnia kości i zęby wbudowując się w kryształ hydroskyapatytu, zastępując w nim grupę hydroksylową. Posiada szerokie zastosowanie w stomatologii w prewencji próchnicy zębów.

Długotrwałe narażenie na wysokie stężenia fluoru powoduje zakłócenie równowagi między kościotworzeniem, a resorbcją tkanki kostnej oraz powoduję fluorozę szkieletową. Pierwiastek ten może uszkadzać kolagen typu I, który odpowiedzialny jest za stabilność tkanki kostnej i funkcje biologiczne komórek. Ponadto fluor może przyczyniać się do zmian w ultrastrukturze tkanki kostnej. Badania z udziałem szczurów wykazały, że ekspozycja na fluor prowadzi do zwiększenia ilości kości zbitej i gąbczastej, przerostu chondrocytów oraz zaburzeń ich ukształtowania oraz wzrostu stężenia beta-kateniny głównie w osteoblastach i osteoklastach.

Selen

Zainteresowanie tym pierwiastkiem gwałtownie wzrosło, gdy okazało się, że jest elementem składowym stosunkowo niedawno odkrytego aminokwasu, selenocysteiny. Jego zawartość w organizmie związana jest ze zróżnicowaną geograficznie jego zawartością w środowisku. W organizmie wchodzi w skład białek, także enzymatycznych (np. część peroksydaz), spełnia funkcje antyoksydacyjne. Zapotrzebowanie dzienne na ten pierwiastek wynosi ok. 55 µg u kobiet (rośnie w czasie ciąży i laktacji) i ok. 70 µg u mężczyzn.

Niedobór selenu koreluje z występowaniem endemicznej kardiomiopatii Keshan oraz zachorowalnością na nowotwory złośliwe. Badanie Arslana i wsp. pokazało, że dieta ketogenna stosowana u chorych na epilepsję, może już po 6 miesiącach istotnie wpłynąć na zmniejszenie stężenia selenu w surowicy. Suplementacja tego pierwiastka skorelowana z wpływem na choroby tarczycy jest obecnie przedmiotem badań. Wykazano pozytywny przyjmowania dawek suplementacyjnych na wzrost gęstości mineralnej kości.

Kadm

Kadm to pierwiastek, który stanowi duże zagrożenie dla życia i zdrowia ludzi i zwierząt. Ze względu na duże jego wykorzystanie w przemyśle (produkcja akumulatorów niklowokadmowych, barwników, stabilizatorów, tworzyw sztucznych, powłok ochronnych, sztucznych ogni, farb fluorescencyjnych), kadm odgrywa jedną z kluczowych ról spośród pierwiastków toksycznych. Długi okres półtrwania tego pierwiastka powoduje jego akumulację w środowisku i zwiększa ryzyko wchłonięcia kadmu w wysokich stężeniach. Dwie zasadnicze drogi wchłaniania tego pierwiastka, to droga oddechowa (10-40% wchłoniętej dawki) – na ekspozycję najbardziej narażeni są palacze papierosów (spalenie 1 papierosa powoduje dostanie się do organizmu 0,1-0,2 ug kadmu) oraz droga pokarmowa (ok. 6% wchłoniętej dawki) – głównie poprzez spożycie roślin (w naszym klimacie głównie ziemniaków) mięsa ryb, skorupiaków, podrobów. Wedle zaleceń WHO/FAO dopuszczalna dawka kadmu to 60-70 ug/dobę, a tolerowane spożycie to 0,4-0,5 mg/tydzień. We wchłonięciu kadmu drogą pokarmową istotną rolę wpływa spożycie wapnia, a także stężenie jonów cynku, miedzi, wapnia i żelaza. Jednocześnie wysokie stężenie kadmu wywołuje zaburzenia metabolizmu wymienionych jonów, prowadząc do osteomalacji, demineralizacji kości i osteoporozy.

Wchłanianie kadmu to proces wieloetapowy. Najwięcej kadmu wchłania się w dwunastnicy, początkowo akumulując się w enterocytach, następnie podlega redystrybucji dzięki przenośnikom DMT1 i MTP1, oraz hZTL1, ZNT1 (transportery jonów cynkowych). Część ulega wchłonięciu wraz z grupami tiolowymi glutationu i cysteiny. W krwioobiegu kadm wiąże się z błoną erytrocytów lub hemoglobiną.

Kadm, podobnie jak molibden powoduje zakłócenie równowagi wapniowo- fosforanowej oraz zmniejszenie stężenia selenu, żelaza, miedzi i cynku w tkance kostnej, co może prowadzić do jej uszkodzeń. Badanie zawartości kadmu w preparatach kości biodrowych człowieka wykazało, że pierwiastek ten ma największe powinowactwo do kumulacji w istotach gąbczastych, natomiast najmniej w torebkach stawowych. Większe ilości kadmu w tkance kostnej posiadają mężczyźni. Ponadto wykazano, że 90-dniowa ekspozycja na kadm prowadzi do znacznego zmniejszenia gestości tkanki kostnej. Badania przeprowadzone z udziałem ciężarnych szczurzyc wykazały, że pojedyncza dawka kadmu podana w czasie ciąży może doprowadzić do deformacji czaszki, kręgów oraz kończyn. Doustne podawanie 30 mg CdCl2/L dorosłym samcom szczurów przez okres 90 dni spowodowało zwiększenie masy kości udowych oraz zmiany w budowie histologicznej części zbitej kości udowych – zwężenie kanałów naczyniowych oraz rozwój wczesnych zmian osteoporotycznych w porównaniu do grupy kontrolnej.

Przewlekła ekspozycja na kadm jest w stanie doprowadzić do rozwoju zmian osteoporotycznych kości i zwiększenia ryzyka złamań. Badania naukowe wskazały, że polifenole zawarte w jagodach aronii wywierają ochronny wpływ na tkankę kostną samic szczurów i zapobiegają jej uszkodzeniom indukowanym przez kadm. Polifenole mogą wykazywać podobny efekt w odniesieniu do tkanki kostnej ludzi, dlatego też należy przeprowadzić dalsze badania nad profilaktycznym stosowaniem ich w prewencji uszkodzeń wywoływanych przez ten pierwiastek. Okazalo się, że suplementacja cynku chroni przed stresem oksydacyjnym uszkadzającym DNA, białka i utleniającym lipidy w kościach wywoływanym przez kadm. Ponadto cynk zapobiega zwiększeniu stężenia sRANKL i spadku stężenia osteoprotegryny w surowicy i kościach.

Podsumowując, możemy dojść do kilku wniosków: 1) Suplementacja wapnia powinna być zalecana, opcjonalnie w połączeniu z witaminą D, ponieważ zmniejsza ona ryzyko złamań osteoporetycznych i zwiększa gęstość mineralną kości. 2) Spożycie związków fosforowych powinno być ściśle kontrolowane, ze względu na łatwą interferencję poziomów tego pierwiastka na procesy metaboliczne i mineralizację kośćca. 3) Suplementacja mikroelementów, takich jak cynk czy selen jest korzystna, jednak wymaga dalszych badań. Może ona także zaburzać wchłanianie pierwiastków szkodliwych takich jak kadm. 4) Fluor jest pierwiastkiem, którego związki mimo niewątpliwych pożytecznych zastosowań w stomatologii, winny być dalej badane w celu oceny bezpieczeństwa ich stosowania. 5) Kadm wpływa toksycznie na kości wieloaspektowo. Istotne są działania prowadzące do zmniejszenia jego stężenia w środowisku, szczególnie interesujący wydaje się wpływ polifenoli zawartych w aronii (powinno to być przedmiotem intensywnych badań). Prowadzone badania wpływu związków poszczególnych pierwiastków winny być prowadzone wieloaspektowo, tak by zauważać wzajemne interferencje pomiędzy poszczególnymi działaniami tych związków, sygnalizując wpływy synergistyczne i antagonistyczne.

Źródło:
Dawid Łabądź, Justyna Skolarczyk, Joanna Pekar, Barbara Nieradko-Iwanicka, Analiza wpływu wybranych pierwiastków na funkcjonowanie tkanki kostnej, Journal of Education, Health and Sport, 2017;7(4):202-209.

To również może Cię zainteresować: