Морфофункціональні зміни в матці за умов впливу солей важких металів

Abstract

Незважаючи на численні повідомлення Всесвітньої організації охорони здоров’я та інших агентств із захисту довкілля, промисловий розвиток та бурхлива урбанізація призводять до неконтрольованого забруднення навколишнього середовища важкими металами (ВМ), що супроводжується зростанням ризиків розвитку екологічно-обумовлених порушень в організмі. При цьому, все частіше контамінацію довкілля ВМ пов’язують зі зростанням загрози погіршення репродуктивного здоров’я, де одне з провідних місць відводиться патології матки. Більш того, даних щодо використання ефективних коригуючих засобів з дезінтоксикаційними та антиоксидантними властивостями для зменшення пагубного впливу ВМ на матку все ще не існує. Враховуючи актуальність даної проблематики та складність розуміння її патогенетичних ланок, представлена дисертаційна робота зосереджена на комплексному вивченні морфофункціональних особливостей матки статевозрілих щурів за умов експериментального впливу на організм суміші солей важких металів (СВМ) та оцінці ефективності застосування вітаміну Е для корекції їх дії. Для досягнення поставленої мети було використано тканини матки статевозрілих самиць щурів, які згідно експериментальної моделі вживали воду забруднену сумішшю СВМ (цинку, міді, заліза, марганцю, свинцю і хрому) упродовж 30-ти та 90-то днів. Для дослідження можливостей корекції їх впливу використовували вітамін Е. Додатково будо сформовано групу відновлення, куди увійшли тварини на 90-ту добу після відміни дії ВМ на організм з та без додавання до раціону вітаміна Е. Для детального вивчення та оцінки отриманих результатів було проведено мікроскопічний аналіз стінки матки щурів з використанням гістологічних, морфометричних, імуногістохімічних та імунофлюоресцентних методик, а також атомно абсорбційне дослідження тканин та статистичну обробку даних. Такий комплексний аналіз дозволив розширити сучасні погляди на будову матки інтактних щурів, її структурні властивості, імунопрофіль і біоелементний склад, а також інтерпретувати термін-залежні особливості порушення цих показників на тлі споживання та накопичення ВМ, а також після їх відміни. Так, у дисертаційній роботі представлене узагальнення особливостей патоморфологічних змін у матці щурів за умов надлишкового впливу на організм СВМ, опис важливих діагностичних критеріїв оцінки та прогнозування їх перебігу, а також аналізу ефективності застосування вітаміну Е для зменшення виявлених порушень. Науково-доведені результати поглиблюють розуміння варіації морфологічної та морфометричної трансформації структурних елементів органа в залежності від термінів експерименту. Так, вивчено та обґрунтовано термін-залежні гістологічні трансформації у матці щурів різного ступеню виразності та інтенсивності, які представленні гетерогенністю дистрофічних, гіперпластичних, гіпертрофічних, дегенеративно-атрофічних, дезорганзаційних, запальних та циркуляторних порушень. У той же час, аналіз гістоморфометричних параметрів вказав на виражену варіабельність динамічних змін товщини структурних елементів матки тварин як важливого індикатору змін, зумовлених дією ВМ. При цьому, різниця морфометричних показників достовірно змінювалася з пролонгацією термінів дії ВМ. Так, після 30-ти діб впливу полютантів спостерігалось (p < 0,001) потовщення стінки органа на 31,03 %, зокрема за рахунок слизової (на 37,84 %) та м’язової оболонок (на 20,54 %). Протилежно направленими виявилися зміни (p < 0,001) на 90-ту добу досліду – стоншення стінки матки на 37,99 %, за рахунок зменшення товщини ендометрію (на 40,28 %) та міометрію (на 35,28 %). Більш того, вперше описано та порівняно інтенсивність накопичення хімічних елементів на тлі експозиції сумішшю ВМ у різні терміни. Експозиція полютантами упродовж 30-ти діб супроводжувалася збільшенням (p < 0,0001) рівнів цинку на 34,11 %, міді – на 44,83 %, марганцю – на 38,68 %, заліза – на 61,95 %, свинцю – на 53,15 %, хрому – на 47,91 %. При цьому, пролонгація дослідження до 90-та діб призвела до динамічного зростання (p < 0,0001) акумуляції відповідних показників до 49,34 % для цинку, 61,08 % для міді, 63,6 % для марганцю, 86,26 % для заліза, 88,11 % для свинцю та 73,09 % для хрому. Окрім високих показників прийнятності тканини органа щурів до акумуляції ВМ на 30-ту добу експерименту (на 52,74 %, p < 0,0001), було також помічено тенденцію до зменшення інтенсивності їх акумуляції з пролонгацією дослідження до 90-то діб (на 74,46 %, p < 0,0001). Більш того, відбувається зміна порядку акумулятивного потенціалу хімічних елементів в тканині матки: Fe > Pb > Cr > Cu > Mn > Zn на 30-ту добу та Pb > Fe > Cr > Mn > Cu > Zn на 90-ту добу. Вивчено особливості порушення експресії естрогенових (ЕР) та прогестеронових (ПР) рецепторів, молекул клітинної адгезії раково ембріонального антигену 1 (МКА-РЕА1), білків теплового шоку 90α (Hsp90α) та супероксиддисмутази 1 (СОД1) як потенційних маркерів діагностики, що поглиблює розуміння перебігу порушень у матці щурів за умов впливу ВМ та дає можливість прогнозувати інтенсивність та ступінь відновлення після їх відміни у реадаптаційний період. Так, імунний профіль паренхіматозних та стромальних компонентів матки щурів супроводжується виразним порушенням експресії обраних біомаркерів, а їх імунореактивність залежить від терміну експерименту. Встановлено, що зміни експресії даних білків не є однонаправленими та з пролонгацією експериментального впливу ВМ можуть характеризуватися як їх інтенсифікацією, так і супресією. При цьому, лише деякі показники мають тенденцію до стабілізації у відновний період. Вперше було проведено порівняльну характеристику ефективності використання вітаміну Е на морфологічні, морфометричні, імуногістохімічні, імунофлюресцентні та спектрофотометричні показники матки щурів під час модельованого впливу ВМ. Деталізовано дані про особливості зменшення та уповільнення інтенсивності і глибини патоморфологічних процесів у всі терміни дослідження, а також статистично доведено й описано роль вітаміну Е у забезпеченні резистенції матки для протидії накопичення ВМ. На основі отриманих результатів, рекомендується розглядати застосування вітаміну Е у дозі 9,1 мг/кг як ефективного засобу для зменшення акумулятивного потенціалу хімічних елементів і зниження пов’язаних з ними патологічних змін у стінці матки для розроблення експериментальних детоксикаційних протоколів і нівелювання дії ВМ (або інших токсикантів з схожим механізмом дії) на організм тварин. Встановлено та сформовано концепцію розуміння відновних механізмів у матці щурів на 90-ту добу після відміни дії ВМ на організм, а також за умов застосування вітаміну Е у період реадаптації. Так, у відновний період було виявлено тенденцію до поступового зменшення виразності патоморфологічних змін у матці, тенденції до покращення експресії ЕР, ПР, Hsp90α, МКА-РЕА1 та СОД1, поступового зниження рівнів ВМ у тканині органа і стабілізації товщини його стінки. При цьому, інтенсивність і швидкість відновлення значно відрізнялись та переважали у тварин, яким проводилась корекція вітаміном Е. Статистично доведено кореляційну залежність патологічних морфологічних, морфометричних, імуногістохімічних та імунофлюоресцентних індикаторів від показників акумуляції хімічних елементів та терміну їх експозиції на організм. Результати дисертаційного дослідження значно розширюють уявлення щодо особливостей діагностики перебігу та прогнозування виразності змін у різні терміни спостереження за умов негативного впливу ВМ на матку щурів. Розроблена та запатентована у співавторстві корисна модель автостейнеру з високими експлуатаційними можливостями програмного забезпечення може бути рекомендована до використання для одночасного забарвлення великої кількості предметних скелець з біологічними зразками за обраним протоколом для різних гістологічних та гістохімічних технік у наукових та діагностичних дослідженнях. Матеріали даної роботи мають цінність для поглиблення знань при підготовці фахівців з медицини, біології, ветеринарії та екології за тематикою екологічно-обумовлених патологій органів репродуктивної системи.

Despite the numerous reports of the World Health Organization and other environmental protection agencies, industrial development and rapid urbanization lead to uncontrolled pollution of the environment with heavy metals (HMs), which is accompanied by an increase in the risks of developing environmentally caused disorders in the body. Simultaneously, environmental pollution with HMs is increasingly associated with the growing threat of deterioration of reproductive health, where one of the leading places is assigned to uterus pathology. Moreover, there is still no data on using effective corrective means with detoxification and antioxidant properties to reduce the harmful effects of HMs on the uterus. Given the relevance of this issue and the complexity of understanding its pathogenetic links, the presented thesis focuses on a comprehensive study of the morphofunctional peculiarities of the uterus in sexually mature rats under the conditions of experimental exposure to a mixture of heavy metal salts (HMSs), as well as assessing the effectiveness of using vitamin E to correct their effects. To achieve the goal, uterine tissues of sexually mature female rats were used, which, according to the experimental model, consumed water contaminated with a mixture of HMSs (zinc, copper, iron, manganese, lead, and chromium) for 30th and 90th days. Synchronously, vitamin E was utilized to study potential corrective effects. Furthermore, a recovery group was established, comprising animals examined on the 90th day after discontinuing the exposure to HMs, both with and without the inclusion of vitamin E in their diet. For a detailed study and evaluation of the obtained results, a microscopic analysis of the uterine walls of rats was conducted using histological, morphometric, immunohistochemical, and immunofluorescent techniques, as well as an atomic absorption study of tissues and statistical data processing were carried out. Such a comprehensive analysis made it possible to expand modern views on the structure of the uterus of intact rats, its structural properties, immune profile, and bioelemental composition, as well as to interpret the term-dependent features of the violation of these indicators against the background of consumption and accumulation of HMs, as well as after their cancellation. Therefore, the thesis presents a generalization of the features of the pathomorphological changes in the uterus of rats under the conditions of excessive exposure to the body of HMSs, the search for critical diagnostic criteria for evaluating and predicting their course, as well as an analysis of the effectiveness of vitamin E used to reduce the identified disorders. Scientifically proven results deepen the understanding of the variation of the morphological and morphometric transformation of the structural elements of the organ depending on the terms of the experiment. Hence, term-dependent histological changes in the uterus of rats of various grades of expressiveness and intensity, which are represented by the heterogeneity of dystrophic, hyperplastic, hypertrophic, degenerative-atrophic, disorganizational, inflammatory and circulatory disorders, were studied and substantiated. At the same time, the analysis of histomorphometric parameters indicated the pronounced variability of dynamic changes in the thickness of structural elements of the uterus of animals as critical disorder indicators caused by the effect of HMs. Concurrently, the difference in morphometric indicators reliably changed with the prolongation of the term of HMs action. Thus, after 30ty days of exposure to pollutants, a thickening of the organ wall by 31.03 % was observed (p < 0.001), in particular, due to the mucous (by 37.84 %) and muscular membranes (by 20.54 %). The changes (p < 0.001) on the 90th day of the experiment turned out to be in the opposite direction - thinning of the uterine wall by 37.99 %, due to a decrease in the thickness of the endometrium (by 40.28 %) and myometrium (by 35.28 %). Moreover, for the first time, the intensity of the accumulation of chemical elements against the background of exposure to a mixture of HMs at different times has been described and compared. Exposure to pollutants for 30ty days was accompanied by an increase (p < 0.0001) in the levels of zinc by 34.11 %, copper by 44.83 %, manganese by 38.68 %, iron by 61.95 %, lead by 53.15 %, chromium – by 47.91 %. At the same time, the extension of the study to 90ty days led to a dynamic growth (p < 0.0001) of the accumulation of the relevant indicators to 49.34 % for zinc, 61.08 % for copper, 63.6 % for manganese, 86.26 % for iron, 88.11 % for lead and 73.09 % for chromium. In addition to the high rates of acceptability of the tissue of the rat organ to the accumulation of HMs on the 30th day of the experiment (on 52.74 %, p < 0.0001), there was a tendency to reduce the intensity of their stockpiling with the prolongation of the study up to 90th days (on 74.46 %, p < 0.0001). Moreover, there is a change in the order of the accumulative potential of chemical elements in the uterine tissue: Fe > Pb > Cr > Cu > Mn > Zn on the 30th day and Pb > Fe > Cr > Mn > Cu > Zn on the 90th day. The peculiarities of impaired expression of estrogen (ER) and progesterone (PR) receptors, carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1), heat shock proteins 90α (Hsp90α) and superoxide dismutase 1 (SOD1) were studied as potential diagnostic markers, which deepens the understanding of the course of disorders in the rats' uterus under the HMs impact and makes it possible to predict the intensity and grades of recovery after their cancellation in the readaptation period. Thus, the immune profile of the parenchymal and stromal components of the rats' uterus is accompanied by a distinct violation of the expression of selected biomarkers, and their immunoreactivity depends on the duration of the experiment. It was established that the changes in the expression of these proteins were not unidirectional and could be characterized by both their intensification and suppression with the prolongation of the experimental influence of HMs. Moreover, only some indicators tend to stabilize during the recovery period. For the first time, a comparative characteristic of the effectiveness of vitamin E using on morphological, morphometric, immunohistochemical, immunofluorescent, and spectrophotometric indicators of the rats` uterus during simulated influence of HMs was carried out. The data on the peculiarities of reducing and slowing down the intensity and depth of pathomorphological processes in all terms of the study were detailed, and the role of vitamin E was statistically proven and described in providing the resistance of the uterus to counteract the accumulation of HMs. Based on the obtained results, it is recommended to consider the vitamin E using in a dose of 9.1 mg/kg as an effective means for reducing the accumulative potential of chemical elements and decreasing the pathological changes associated with them in the uterine wall for developing experimental detoxification protocols and leveling the HMs effect (or other toxicants with a similar mechanism of action) on the animals. The concept of understanding the recovery mechanisms in the uterus of rats on the 90th day after the cancellation of the action of HMs on the body, as well as under the conditions of the vitamin E used during the readaptation period, was established and formed. Thus, during the recovery period, a tendency to a gradual decrease in the expressiveness of pathomorphological changes in the uterus, the tendency to improve the expression of ER, PR, Hsp90α, CEACAM1 and SOD1, a gradual decrease in the levels of HMs in the organ` tissue and stabilization of its wall thickness was revealed. At the same time, the intensity and speed of recovery differed significantly and prevailed in animals that underwent correction with vitamin E. The correlational dependence of pathological morphological, morphometric, immunohistochemical and immunofluorescent indicators on indicators of accumulation of chemical elements and the term of their exposure to the body was statistically proven. The results of the thesis significantly expand the understanding of the peculiarities of diagnosing the course and prediction of the expressiveness of changes in different terms of observation under the conditions of the negative impact of HMs on the rats uterus. The co-created and patented useful autostainer model with high operational capabilities of the software can be recommended for the simultaneous staining of many slides with biological samples according to the selected protocol for various histological and histochemical techniques in scientific and diagnostic studies. The materials of this work are valuable for deepening knowledge in the training of specialists in medicine, biology, veterinary medicine, and ecology on the subject of environmentally-induced pathologies of the organs of the reproductive system.