HARMONIZATION OF HEAVY METAL METABOLISM IN JAW ALVEOLAR BONE AND TEETH ENAMEL OF RATS UNDER THE EFFECT OF ?-LIPOIC ACID

In the research with the help of atomic absorption spectrometry the concentration of heavy metals (Fe, Zn, Pb, Cu, Mn, Cr) in jaw alveolar bone and teeth enamel of rats and peculiarities of their accumulation under effect of ?-lipoic acid were determined. It was proved that intake of ?-lipoic acid simultaneously with heavy metal salts leads to harmonization of metal accumulation balance in tissues. ?-lipoic acid increased the content of Cu, Mn and Cr in bone tissue, Cu and Mn in enamel, the concentration of which decrease under effect of heavy metalsand decreased the content of Zn, Pb and Fe had accumulating in these tissues in oversize volume.

Keywords: salt of heavy metals, alveolar bone, teethenamel, ?-lipoic acid.

Foreword. In different spheres of life a man contacts with a great number of chemical elements which, influencing an organism for a long time in light dose and weak concentration, can   accumulate in tissues and give noci-influence. One of the ecologically destructive factors influencing human’s health is heavy metals (HM). As V.A. Isidorov (1999) wrote, phrase “heavy metals” is understood as synonym to “toxic metals” by most of people, but some metals are vital (essential) for life organisms [3]. That is why, in our opinion, there is an objective necessity to concentrate in some detail on characteristics of chemical elements from this group.

More the 40 chemical elements of Mendeleev periodic system with atomic mass over 50 atomic units are referred to heavy metals. In certain concentration (as microelements) they take an active part in biological process, being a part of many enzymes [9]. V.V. Gnidenko and his co-authors (2011) said about heavy metals: “Not all heavy metals are toxic, as cuprum, zinc, cobalt, mangan that are called microelements and have important biological meaning in the life of haematothermal, plants and microorganisms. That is why microelements and heavy metals are terms referring to one and the same elements, depending on their content in environment. It is true to use term “heavy metal” talking about hazard concentration of these elements, and to use term “microelements” when they are in weak concentration” [2].

Negative influence of single metal on an organism is more or less examined. Influence of heavy metals combination on a human body is the least examined issue. But it is known that different combination of chemical elements, their complicated interreacting, can have different influence in the result of summation effect, synergism and antagonism between them. During our examination it was established that after getting into the rats’ bodies the excess of heavy metals (Fe, Zn, Pb, Cu, Mn, Cr) combination not the ordinary accumulation of metals in alveolar bone and teeth enamel is observed, but their selective accumulation. In other words, the concentration of one HV in mineralized tissues increased, and vice versa there was a deficit of other salts in comparison with reference group [6, 7, 12].

To correct abnormality caused by HM, a range of medication was offered which provide antioxidative effect. Among a great variety of this medication that can level down or reduce effect of HM intoxication, alpha lipoic acid (?-lipoic acid, ALA) has a special place. Our examination shows that ALA can give osteo-protection effect, reducing resorption of alveolar bone and sealing it, balances prooxidant-antioxidant system. [5, 13]. It has positive effect in treatment of heavy metals intoxicating. ALA is able to form other chelate bonds with metal ions and, thus, contributes to detoxication [14, 15].

Data about effect of ?-lipoic acid on HM metabolism in bone tissue and teeth enamel was not found. That is why the goal of the research was to study peculiarities of HM (Cu, Cr, Mn, Zn, Pb, Fe) accumulation in these tissues under excessive intake of salt combination under the effect of ?-lipoic acid.

Materials and Methods. The study was carried out on 30 mature outbred white male rats with initial weight ranging 180-200 g during 30 days. All animals were divided into 3 groups: group I (n = 10) united reference rats that were taking potable water. Animals in group II (n = 10) were taking potable water with SHM combined: zink (ZnSO₄ x 7H₂O) - 5 mg/L, copper (CuSO₄ x 5H₂O) - 1 mg/L, iron (FeSO₄) - 10 mg/L, manganese (MnSO₄ x 5H₂O) – 0.1 mg/L, lead (Pb(NO₃)₂) – 0.1 mg/L, chrome (K₂Cr₂O₇) – 0.1 mg/L. Rats in group III beside the abovementioned SHM, were intragastrically administered with medication containing ?-lipoic acid “Alfa-Lipon” (produced by OJSC Kyiv Plant of Vitamins, Ukraine) in amount of 100 mg/kg once a day. Rats had free access to water. In 30 days under ether anaesthesia animals were decapitated, jaws were skeletonised, alveolar bones were cleaned from muscle tissue, molar teeth enamel was sheared. The further examination of HM content in tissues of samples was performed on spectrophotometer C115-01 with flame and electro-thermal atomizer.

During the experiment, the laboratory animals were kept in compliance with rules adopted by the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals used for Experimental and other Scientific Purposes (Strasbourg, 1986) and “General Ethical Rules for Experiments Using Animals”, approved by the First Bioethics National Congress (Kyiv, 2001).

Study Findings and Discussion. Our previous researches showed that under excessive intake of Fe, Zn, Pb, Cu, Mn, Cr salt combination in 2^nd group of rats such metals as Cu, Cr, Mn accumulated in alveolar bone and teeth enamel in less concentration in comparison with reference group [6, 7, 12].

Table 1, 2 shows that under simultaneous taking ALA and HM salts in 3^rd group of rats there was increasing of Cu content in alveolar bone for 717% (p=0.008) and in enamel for 62.8% (p=0.009) in comparison with 2^nd group of animals. Thus, the concentration of cuprum in the bone was for 65.1% (p=0.07) higher than in reference group, and in enamel it increased but was still lower then reference values and it was for 31.3% (p=0.4) lower than reference.

Table 1. Content of heavy metalsin enamel, mcg/g (М±m)

Table 2. Content of heavy metalsin alveolar bone of rat jaw, mcg/g (М±m)

Table 1, 2 shows that under simultaneous taking ALA and HM salts in 3^rd group of rats there was increasing of Cu content in alveolar bone for 717% (p=0.008) and in enamel for 62.8% (p=0.009) in comparison with 2^nd group of animals. Thus, the concentration of cuprum in the bone was for 65.1% (p=0.07) higher than in reference group, and in enamel it increased but was still lower then reference values and it was for 31.3% (p=0.4) lower than reference.

Under intake of HM, Cr as well as Cu accumulated in bone and enamel in less volume in comparison with values of 1^st group. Under ALA effect the level of its accumulation in bone increased for 35.6% (p=0.2), but there was the decreasing of its content for 21.1% (p=0.4) in enamel in comparison with 2^nd group. But Cr concentration in bone did not reach the value of reference group, it was lower for 26.4% (p=0.3), and for 45.5% (p=0.01) lower in enamel.

Accumulation of Mn in tissues under excess intake of HM salts decreased. ?-lipoic acid caused increasing of its level in bone tissue for 24.2% (р=0.4) and in enamel for 32,7% (р=0.2). But content of this element under effect of ALA also was lower for 36.5% (р=0.2) in bone and for 1.4% (р=0.8) in enamel than reference values.

We established that Zn, Pb, Fe under their excess intake in the form of Fe, Zn, Pb, Cu, Mn, Cr salt combination accumulated in alveolar bone and teeth enamel in larger quantities in comparison with reference values [6, 7, 12].

ALA intake contributed to decrease of Zn in alveolar bone for 21,2% (р=08) and enamel for 57% (р=0.04). Nevertheless, its concentration exceeded the value of reference group. It was higher for 37,2% (р=0.07) in bone and for 243% (р=0.01) in enamel.

ALA intake contributed to decrease of  Pb in alveolar bone for 90.5% (р=0.0008) and enamel for 64.4% (р=0.009) in comparison with 2^nd group of animals. But its concentration exceeded the value of reference group for 192% (р=0.09) in bone and for 85.7% (р=0.1) in enamel.

ALA caused complex effect on accumulation of Fe. Its concentration decreased for 66.6% (р=0.03) in bone and for 45.0% (р=0.04) in enamel. This complex effect was in the fact that the decrease was so expressed, that there was the further decrease of element concentration in comparison with reference group for 26.2% (р=0.5) in bone and for 9.4% (р=0.6) in enamel.

It is known, that main component of nonorganic part of enamel is hydroxyapatite crystals able to accumulate metals. Apatites can have a great amount of vacancies and thereby can have some ion replacements, which determine their reactivity and biological properties. As contrasted with other biominerals they have unique adaptiveness to different biological functions. Special mechanisms of charge compensation make possible molecular and ion insertions and replacements that determine properties of apatite crystal surface with relation to chemical (solvability, capacity to ion replacement, ion insertions, adsorbation and molecular insertions) and physical (surface charge of interphase energy) properties [10]. There are more than 40 elements in hydroxyapatite crystals of enamel [16]. Analysis of hydroxyapatite structure, when central Ca atom is displaced by one of the metals (Mg, Cu, Zn, Fe, Cr, Mn) ions, shows that heteroion replacement in apatite crystals influences its composition and leads to crystal deformation. The replacement is accompanied with bond distance change between oxygen and atoms of Ca in molecule of hydroxyapatite and migration of atomic groups encircling central atom of Ca [11].

It was determined, that the most quantity of biometals accumulated in bone tissue. Jaw alveolar bone is one of the main parts of tissue complex forming paradontium. Its condition determines the level of inflammatory diseases in paradontium tissues and their destruction. As some microelements take part in catalase of enzyme reactions in osteogenic cells, their lack or imbalance interrupt osteoblast and osteoclastic differentiation, processes of apatite crystallization, cell cooperation, that leads to disorders of physiological and reparative bone turnover[1].  

Bone tissue and teeth enamel are similar with chemical similarity of their nonorganic component - apatite crystals. So, normalization of biometal balance in crystals is essential for prophylaxis of chemical and physical properties damage.  ?-lipoic acid to some extent corrects imbalance in metal metabolism in mineralized tissues.

Conclusion. Intake of ?-lipoic acid simultaneously with Fe, Zn, Pb, Cu, Mn, Cr salt combination harmonizes the balance of metal accumulation in jaw alveolar bone and teeth enamel of rats. ?-lipoic acid increases the content of Cu, Mn and Cr in bone tissue, Cu and Mn in enamel, the concentration of which decrease under effect of HM; and decreases the content of Zn, Pb and Fe had accumulating in these tissues in oversize volume. ?-lipoic acid does not provide complete normalization of the said elements concentration.

References:

1. Бельская Л. В. Оптимизация методики синтеза гидроксилапатита для биомедицинских целей / Л. В. Бельская, О. А. Голованова, А. П. Солоненко // Вчені записки Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського. Серія: фізика. – 2009. – Т. 22 (61),  № 1. – С. 170–181
2. Гнеденко В. В. Современное состояние и тенденции изменения содержания тяжелых металлов в почвах Самарской области / Гнеденко В. В., Обущенко С. В. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2011. - № 10. – С. 42-44.
3. Исидоров В. А. Введение в химическую экотоксикологию : уч. пособие. – СПб : Химиздат, 1999. – 144 с.
4. Лахтін Ю. В. Зміни оптичної щільності альвеолярного відростка щелеп щурів та її корекція на тлі дії солей важких металів / Ю. В. Лахтін // Світ медицини та біології. – 2012. - № 2. – С. 117-119.
5. Лахтін Ю. В. Корекція оксидативного стресу в яснах щурів на тлі дії солей важких металів / Ю. В. Лахтін // Вісник проблем біології і медицини. – 2012. – Вип. 2, Т. 1 (92). – С. 172-174.
6. Лахтін Ю. В. Накопичення важких металів в емалі щурів при їх надмірному надходженні / Ю. В. Лахтін // Вісник проблем біології і медицини. – 2012. – Вип. 3, Т. 1 (94). – С. 142-144.
7. Лахтін Ю. В. Особливості кумуляції важких металів в альвеолярному відростку щурів при їх надмірному надходженні / Ю. В. Лахтін // Загальна патологія та патологічна фізіологія. – 2012. – Т. 7, № 1. – С. 69- 74.
8. Лахтін Ю. В. Остеопротекторні можливості альфа-ліпоєвої кислоти при дії солей важких металів / Ю. В. Лахтін // Клінічна та експериментальна патологія. – 2012. - Т. ХІ, № 2 (40). – 86-89 с.
9. Пастухова Н.Л.  Детоксикация тяжелых металлов у растений. / Н. Л. Пастухова, Е. А. Мартынова // Вісник Донецького інституту соціальної освіти. – 2007. - Т. 3.- С.20-34.
10. Chemical Diversity of Apatites / C. Rey, C. Combes, Ch. Drouet, H. Sfihi // Advances in Science and Technology. – 2006. – Vol. 49. – Р. 27-36.
11. Gutowska I. The role of bivalent metals in hydroxyapatite structures as revealed by molecular modeling with the HyperChem software / I. Gutowska, Z. Machoy, B. Machalinski // Journal of Biomedical Materials Research PartA. – 2005. - Vol. 75A. - № 4. – Р. 788–793.
12. Lakhtin Yu.V. Accumulation of heavy metals alveolar ridge on rats’ jaws during excessive inflow of heavy metals / Yu. Lakhtin // Teoretyczne i praktyczne innowacje w nauce : materialy Miedzynarodowej Naukowi-Praktycznej Konferencji (Gdansk, 28 - 30.04 2012). – Gdansk, 2012. – S. 97-98.
13. Lakhtin Yu.V. Effect of Alpha Lipoic acid on oxidative stress in rats’ gums in case of chronic intoxication with salts of heavy metals / Yu. Lakhtin // European Science and Technology : materials of the II international research and practice conference, Vol. II, (Wiesbaden, May 9th–10th, 2012). - publishing office «Bildungszentrum Rodnik e. V.». – с. Wiesbaden, Germany, 2012. – Р. 468-473.
14. Lipoic acid: a novel therapeutic approach for multiple sclerosis and other chronic inflammatory diseases of the CNS / S. Salinthone, V. Yadav, D. N. Bourdette, D. W. Carr  // Endocr Metab Immune Disord Drug Targets. - 2008. - Vol. 8, № 2. - P. 132-142.
15. Patrick L. Mercury toxicity and antioxidants: part I: role of glutathione and alpha-lipoic acid in the treatment of mercury toxicity / Lyn Patrick // Alternative Medicine Review. - 2002. - Vol. 7, № 6. - P. 456-471.
16. Sutalo J. Patologija i terapija tvrdih zubnih tkiva / J. Sutalo. – Zagreb: Naklada Zadro, 1994. – 558 S.

Comments: 11

Gryshchenko Natalya

12 / 09 / 2012 - 10:02

Standard scientific research as a step for more impotenrnt conclusion. Thank you!

Lakhtin Yuriy Vladimirovich

12 / 09 / 2012 - 10:06

Thank you for rating report.

Kozlova Olga

12 / 09 / 2012 - 09:16

Глубокоуважаемый автор!Представленная работа является актуальной и заслуживает внимания, так как имеет важное научное и практическое значение. Исследование влияния тяжелых металлов в ходе эксперимента на лабораторных животных, открывает дополнительные перспективы в профилактике и лечении заболеваний человека, обусловленных накоплением токсических химических элементов. Желаю дальнейших успехов. С уважением, О.С. Козлова.

Lakhtin Yuriy Vladimirovich

12 / 09 / 2012 - 09:48

Глубокоуважаемая госпожа О.С.Козлова! Спасибо за проявленный интерес к нашей работе, положительную ее оценку и добрые пожелания. С уважением, Лахтин Ю.В.

Knyazyeva Maryna

12 / 09 / 2012 - 00:09

Следует отметить, что представленная работа содержит несколько интересных для исследователя аспектов. Прежде всего- это постановка вопроса- накопление "тяжелых" металлов в тканях пародонта и в костях- это хорошо или плохо? Большинство научных работ, в названии которых фигурирует термин "тяжелые металлы", свидетельствует о том, что накопление их либо вызывает патологию, либо является ее признаком. Мы практически не задумываемся над тем, что эти самые тяжелые металлы входят в состав микроэлементов. Во -вторых,- особое внимание к проблеме взаимоотношений эмали и костной ткани. Борьба с пародонтозом, который можно, по-видимому отнести к числу болезней цивилизации, пока не увенчалась успехом. Возможно изучение указанных взаимоотношений позволит приблизиться к успеху. В-третьих, эмпирически найденное соединение (липоевая кислота), которое нормализует соотношение изученных металлов в тканях зуба. Возможно полученный результат связан с тем, что липоевая кислота выполняет роль кофермента в работе пируватдегидрогеназного комплекса, катализирующего окислительное декарбоксилирование пирувата- процесса, связанного со многими окислительно-восстановительными реакциями, в которых "тяжелые металлы" выполняют роль кофакторов. И нормализуются в тканях зуба именно эти химические реакции, которые нарушены при развитии пародонтоза. В-четвертых,- это трудоемкий эксперимент на животных. По-видимому, тяжело собрать эмаль с зуба крысы в количестве, необходимом для исследования. Мне кажется, что работа может иметь продолжение в плане дальнейшего исследования особенностей метаболизма тканей, входящих в состав пародонта, поскольку считается со времен корифея биохимии соединительной ткани Л.И.Слуцкого,что костная и хрящевая ткани не являются метаболически инертными и активно участвуют в биохимических реакциях организма. .

Lakhtin Yuriy Vladimirovich

12 / 09 / 2012 - 09:41

Глубокоуважаемая Марина Владиславовна, большое спасибо за столь обстоятельное рассмотрение и рецензию нашей работы. Вы правы, отношение к "тяжелым металлам" (ТМ) не всегда однозначное. Прежде всего это касается, как Вы отметили, их накопления - хорошо или плохо. С одной стороны, некоторые специалисты подразумевают, что ТМ - токсические элементы и вызывают соответственное негативное действие, другие говорят о ТМ как об эссенциальных микроэлементах. В монографии "Роль и место тяжелых металлов в развитии стоматологической патологии" (Ю.В. Лахтин, 2012) автор в качестве эпиграфа к ней привел высказывание Парацельса "Alle Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist", которое в литературной обработке звучит.. "... каждое лекарство - яд, каждый яд - лекарство, все дело в дозе..". Как раз доза ТМ и определяет их как токсикантов или как биометаллов. Ваш комментарий, в качестве обсуждения доклада, инициировал дополнительный, новый взгляд автора на некоторые проблемные моменты в патогенезе стоматологических заболеваний под влиянием ТМ. Еще раз спасибо Вам. С уважением, Лахтин Ю.В.

Moyseyenko Valentyna Oleksiivna

12 / 07 / 2012 - 16:59

Работа актуальна, изложена на высоком научном уровне. И хотя вы рассматриваете роль зубной эмали как части организма, но я думаю, что это очень важная часть. от которой зависит качество работы всего организма в целом. Успехов Вам. С уважением, проф. Мойсеенко Валентина Алексеевна.

Lakhtin Yuriy Vladimirovich

12 / 07 / 2012 - 17:05

Спасибо Вам, Валентина Алексеевна, за принятие этой проблемы и оценку результатов исследования. Всех Вам благ. С уважением, Ю. Лахтин.

Chiglintsev Alexander

12 / 06 / 2012 - 08:03

Исследованию органоминеральных агрегатов, в частности зубов, и их металлического составляющего, посвящено множество работ (Т.Л. Пилат, 1984, 1988; Н.Г. Коротких с соавт., 2002; О.Л. Пихур с соавт, 2005), работа расширяет наши представления в этой области.

Lakhtin Yuriy Vladimirovich

12 / 06 / 2012 - 21:40

Глубокоуважаемый Александр Юльевич! Спасибо за оценку представленного доклада. Хоть Вы и не задавали вопрос, но хочется несколько указать на детали исследования. В работе мы показали не столько характер накопления тяжелых металлов в эмали при избыточном поступлении их, сколько влияние альфа-липоевой кислоты на особенности накопления ТМ в эмали зубов. С уважением, Лахтин Ю.В.

Belous Tatyana

12 / 05 / 2012 - 17:58

Perfect!