Analiza współwystępowania chromu z wybranymi pierwiastkami w zatrzymanych zębach mądrości

Transkrypt

1 Czas. Stomatol., 2008, 61, 1, Polish Dental Society Analiza współwystępowania chromu z wybranymi pierwiastkami w zatrzymanych zębach mądrości The study of co-occurrence of chromium with selected elements in impacted wisdom teeth Agnieszka Fischer 1, Danuta Wiechuła 1, Piotr Malara 2, Jerzy Kwapuliński 1, Tomasz Fischer 1, Jolanta Łazarczyk-Henke 1 Z Katedry i Zakładu Toksykologii ŚUM 1 Kierownik: prof. dr hab. n. przyr. J. Kwapuliński Z Katedry i Kliniki Chirurgii Szczękowo-Twarzowej ŚUM 2 Kierownik: prof. dr hab. n. med. J. Drugacz Summary Introduction: The presence of chromium in the human body is mainly associated with its supply in the diet. In cases of occupational exposure and also residence in the areas with elevated levels of Cr in the air its absorption through the lungs may be higher than through the alimentary tract. Aim of the study: To determine the chromium (and other selected elements like Fe, B, Co, Cu, Zn, Se, Mo, Ba) content in mineralized dental tissues of impacted teeth in population exposed to elevated levels of chromium in the air. Material and methods: Impacted wisdom teeth were used to determine the level of exposure to chromium compounds. ICP-OES technique was applied to measure the content and co-occurrence of chromium, iron, boron, cobalt, copper, zinc, selenium, molybdenum and barium. Results: The content of examined elements in unerupted impacted teeth was: 0.27±0.11 µgcr/ g, ±18.15 µgzn/g, 45.18±16.54 µgb/g, 8.55±3.31 µgfe/g, 3.93±1.75 µgba/g 0.77±0.25 µgse/g, 0.67±0.33 µgcu/g, 0.27±0.11 µgcr/g, 0.14±0.05 µgmo/g, 0.14±0.05 µgco/g. Conclusion: Lower Cr content in impacted wisdom teeth than in erupted permanent ones suggests that the main source of chromium in embedded teeth is blood circulation. The changes in chromium concentration in hydroxyapatites of impacted wisdom teeth are mainly related to the changes in Fe, B, Cr, Co, Se and Mo content. KEYWORDS: chromium, impacted tooth, co-occurrence Streszczenie Wstęp: obecność chromu w organizmie ludzkim jest głównie związana z dietą. Jednakże przy narażeniu zawodowym, a także na obszarach o podwyższonej zawartości chromu w powietrzu, jego wchłanianie przez płuca może być większe niż z przewodu pokarmowego. Cel pracy: oznaczono zawartość chromu oraz wybranych pierwiastków (Fe, B, Co, Cu, Zn, Se, Mo, Ba) w zmineralizowanych tkankach zębów zatrzymanych u osób zamieszkujących tereny o podwyższonej zawartości chromu w powietrzu. Materiał i metody: do oceny narażenia na związki chromu wykorzystano zatrzymane zęby mądrości. W badaniach techniką ICP-OES oznaczono zwartość i współwystępowanie chromu, żelaza, boru, kobaltu, miedzi, cynku, selenu, molibdenu i baru. Wyniki: zawartość badanych pierwiastków w zębach zatrzymanych wynosiła: 0,27±0,11 µgcr/ g, 131,12±18,15 µgzn/g, 45,18±16,54 µgb/g, 8,55±3,31 µgfe/g, 3,93±1,75 µgba/g 0,77±0,25 µgse/g, 0,67±0,33 µgcu/g, 0,27±0,11 µgcr/g, 0,14±0,05 µg Mo/g, 0,14±0,05 µgco/g. Podsumowanie: mniejsza zawartość chromu w zębach zatrzymanych niż w wyrzniętych zębach stałych potwierdza, że źródłem obecności tego pierwiastka w zębach zatrzymanych jest krwioobieg. Zmiany zawartości chromu w hydroksyapatytach zębów zatrzymanych zależą głównie od zmian zawartości Fe, B, Cr, Co, Se i Mo. HASŁA INDEKSOWE: chrom, ząb zatrzymany, współwystępowanie 48

2 2008, 61, 1 Współwystępowanie chromu w zębach zatrzymanych Wstęp Obecność chromu w organizmie ludzkim jest głównie związana z dietą. Chrom w żywności występuje w postaci prostych związków lub kompleksów z innymi substancjami. Najwięcej chromu zawiera żywność o dużej zawartości białka zwierzęcego i roślinnego. Przykładowo zawartość chromu w warzywach waha się w granicach µg/kg, w ziarnach i zbożach µg/kg, zaś w mięsie i rybach µg/kg [4]. Przy narażeniu zawodowym, a także na obszarach o podwyższonej zawartości chromu w powietrzu, jego wchłanianie przez płuca może być większe niż z przewodu pokarmowego [6, 21]. Związki chromu, zarówno Cr +6 jak i Cr +3, w głównej mierze pochodzą z emisji pyłów elektrownianych oraz z zakładów przetwórstwa rud metali kolorowych, które zlokalizowane są na terenie woj. śląskiego. Udział wyemitowanych drobnodyspersyjnych pyłów szacuje się na 70%. Najwięcej związków chromu zawierają pyły o srednicy < 10 µm. Toksyczność badanych metali przedstawia się następująco: Cu +2 > Cr +6 > Cr +3 > Zn +2 [13]. Pierwiastki te wiążą się z grupami sulfhydrylowymi enzymów oraz z grupami karboksylowymi aminokwasów, a także podlegają jonowej wymianie w strukturze hydroksyapatytów zębów zatrzymanych. Większe znaczenie fizjologiczne i toksyczne mają związki Cr +6 w porównaniu z Cr +3, które są wchłaniane drogą pokarmową stosunkowo słabo. Rozmieszczenie chromu w organizmie jest znacznie zróżnicowane, co prawdopodobnie należy wiązać z mniejszą przepuszczalnością błon biologicznych dla chromu trójwartościowego w porównaniu z sześciowartościowym i szybką redukcją chromu sześciowartościowego z równoczesnym wiązaniem powstającego chromu trójwartościowego z makrocząsteczkami [2, 8, 15]. Kinetyka chromu jest złożona. Proces jego wydalania trwa od 13 minut do 192 dni [12, 14]. Te fakty powodują, że tkanki, które nie mają bezpośredniego kontaktu ze związkami chromu dostarczanymi do organizmu poprzez układ oddechowy mogą służyć do oceny narażenia na chrom. W każdym przypadku podkreśla się związek zawartości chromu w tkankach z zawartością tego pierwiastka w środowisku [9]. Stąd oznaczenie zawartości chromu w tkankach może mieć szczególne znaczenie na obszarach o podwyższonej i zmieniającej się zawartości chromu w środowisku. Do takich obszarów należy niewątpliwie województwo śląskie, gdzie emisja chromu w ostatnich latach zmieniała się w granicach od 4,6 do 20,6 ng/m 3 [1]. Zawartości chromu jest większa w tkankach twardych (włosy, paznokcie, zęby, kości) niż tkankach miękkich. Zawartość chromu oznaczona w żebrach wynosiła 4,87 µg/g [22]. We włosach populacji nie narażonej zawodowo zawartość chromu waha się w granicach 0,08-2,5 µg/g [3, 16, 17, 20], a w paznokciach 0,52-1,4 µg/g [18]. Do oceny narażenia na związki chromu można wykorzystać zęby zatrzymane. Są to zęby całkowicie ukształtowane, pozostające w kości żuchwy lub szczęki. W zębach zatrzymanych jedynym źródłem obecności chromu jest krew. Znaczenie tej tkanki do oceny narażenia zostało już dostrzeżone przez Malarę i wsp. [10]. Podjęcie się analizy występowania i współwystępowania chromu z wybranymi pierwiastkami determinowane było tym, że ten pierwiastek poprzez swój udział w przemianach enzymatycznych, a także metabolizmie białek i lipidów, jest niezbędny dla funkcjonowania całego organizmu. Wybór pozostałych pierwiastków do badań 49

3 T. Fischer i in. Czas. Stomatol., (Fe, B, Co, Cu, Zn, Se, Mo, Ba) jest uzasadniony jedynie fragmentaryczną wiedzą o ich występowaniu w hydroksyapatytach zębów zatrzymanych. Ponadto zasadny jest przedmiot badań, którym są zęby zatrzymane z uwagi na to, że główną drogą pochodzenia pierwiastków w hydroksyapatytach tych zębów jest krwioobieg. Cel pracy Celem niniejszej pracy było oznaczenie zawartości chromu oraz wybranych pierwiastków, tj.: Fe, B, Co, Cu, Zn, Se, Mo, Ba w zmineralizowanych tkankach zębów zatrzymanych osób zamieszkujących tereny o podwyższonej zawartości Cr w powietrzu. Materiał i metody Zbadano 10 zatrzymanych zębów mądrości, pochodzących od osób w wieku lat, mieszkających od urodzenia na terenie miast woj. śląskiego (Katowice, Ruda Śląska, Tychy). Badane osoby w wywiadzie nie zgłaszały chorób ogólnych. Zęby zatrzymane usunięto chirurgicznie w Przyklinicznej Poradni Chirurgii Szczękowo-Twarzowej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach ze wskazań chirurgicznych. Na przeprowadzenie badań uzyskano zgodę Komisji Bioetycznej Śląskiej Akademii Medycznej w Katowicach (L. dz. NN /06). Bezpośrednio po usunięciu zęby oczyszczano z przylegających tkanek miękkich. Następnie były one dokładnie myte bieżącą wodą, płukane wodą destylowaną i suszone do stałej masy (80ºC/48h). Odważone próbki zębów mineralizowano na mokro za pomocą spektralnie czystego kwasu azotowego firmy Merck (suprapur). Równolegle, poddane identycznej procedurze analitycznej, przygotowywano próby ślepe. Zawartość chromu i innych badanych pierwiastków (żelaza, boru, kobaltu, miedzi, cynku, selenu, molibdenu i baru) w próbkach przeprowadzono techniką ICP-OES. Dokładność pomiarów spektrofotometrycznych sprawdzano za pomocą materiału referencyjnego NIST 1400 (Bone Ash) i NIST 1486 (Bone Meal). Do obliczeń statystycznych wyników zastosowano program Statistica for Windows ver. 6,1pl. Omówienie wyników i dyskusja W wykonanych badaniach, oprócz zawartości chromu w zębach zatrzymanych, określono także zawartość innych pierwiastków (żelaza, boru, kobaltu, miedzi, cynku, selenu, molibdenu i baru) oraz charakter współwystępowania badanych pierwiastków. Analiza statystyczna występowania chromu w zębach zatrzymanych wykazała, że zawartość tego pierwiastka zmieniała się od 0,13 do 0,45 µg/g (tab. 1). Była ona znacząco mniejsza od zawartości chromu oznaczonej w zębach wyrzniętych stałych mieszkańców woj. śląskiego [7, 11], co może sugerować, że znaczna część chromu zostaje włączona w strukturę zmineralizowanych tkanek zębów poprzez ich bezpośredni kontakt z powietrzem lub pokarmem zawierającym ten metal. Obserwowana zawartość chromu w sposób zróżnicowany podlega wymianie jonowej w strukturze hydroksyapatytu. Z danych z piśmiennictwa [2, 8, 15] wynika, że Cr +6 odznacza się większą zdolnością migracji do błony komórkowej, zaś we wnętrzu komórki ulega redukcji do Cr +3. Cr +3 nie ma już zdolności penetracji błon komórkowych zmineralizowanych tkanek twardych. Uwalniając elektrony może natomiast uszkadzać błonę komórkową. Toksyczne działanie Cr +3 polega także na tym, że tworzy on związki kompleksowe, 50

4 2008, 61, 1 Współwystępowanie chromu w zębach zatrzymanych T a b e l a 1. Analiza statystyczna zawartości chromu w zębach zatrzymanych Nr próby Zawartość Cr [µg/g] 1 0,45 2 0,13 3 0,26 4 0,23 5 0,30 6 0,17 7 0,32 8 0,41 9 0, ,13 Średnia arytmetyczna 0,27 Odchylenie standardowe 0,11 Najbardziej prawdopodobny statystycznie zakres zmian 0,20-0,35 Średnia geometryczna 0,25 Mediana 0,28 Obserwowany zakres zmian 0,13-0,45 10 percentyl 0,13 90 percentyl 0,43 Skośność 0,21 Kurtoza -0,90 m.in. z DNA, wykazując działanie rakotwórcze, mutagenne, embriotoksyczne i teratogenne w całym organizmie, a w zmineralizowanych tkankach, dzięki interakcjom z innymi metalami, następuje proces wymiany jonowej. To może skutkować obniżeniem parametrów mechaniczno-wytrzymałościowych zęba. Ryc. 1. Analiza podobieństwa grupowego występowania wybranych metali w zębach zatrzymanych. Jest to możliwe, ponieważ podczas procesu mineralizacji, do tkanek zmineralizowanych zęba są inkorporowane pierwiastki niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu oraz pierwiastki szkodliwe [19]. Zawartość pozostałych badanych pierwiastków w zębach zatrzymanych można uszeregować następująco: 131,12 ± 18,15 µgzn/g, 45,18 ± 16,54 µgb/g, 8,55 ± 3,31 µgfe/g, 3,93 ± 1,75 µgba/g 0,77 ± 0,25 µgse/g, 0,67 ± 0,33 µgcu/g, 0,27 ± 0,11 µgcr/g, 0,14 ± 0,05 µgmo/g, 0,14 ± 0,05 µgco/g. Obecność dużych ilości cynku i boru w zębach zatrzymanych potwierdza analiza podobieństwa grupowego (ryc. 1). Metoda ta pozwala pogrupować badane pierwiastki występujące w zębach zatrzymanych w skupienia o podobnej zawartości w tkance. Na uzyskanym dendrogramie widać wyraźnie podobieństwo zawartości boru i cynku, tworzących odrębne skupienie. Zróżnicowanie zawartości tych dwóch pierwiastków w stosunku do pozostałych opisuje odległość euklidesowa rzędu 2,4. Pozostałe badane pierwiastki tworzą drugie skupienie, w którym można wyróżnić dwie podgrupy. Pierwszą stanowią żelazo i bar, o podobnej zawartości, wynoszącej kilka µg/g, 51

5 T. Fischer i in. Czas. Stomatol., drugą pozostałe pierwiastki, których zawartość w zmineralizowanej tkance zębów zatrzymanych wynosiła poniżej 1 µg/g. Wykorzystując interpretację 10 percentyla można uznać, że fizjologicznie uwarunkowane przeciętną dietą zawartości poszczególnych pierwiastków w zmineralizowanych tkankach zębów zatrzymanych wynoszą: 0,07 µgmo/g, 0,07 µgco/g, 0,13 µgcr/g, 0,24 µgcu/g, 0,40 µgse/g, 1,87 µgba/g, 4,24 µgfe/g, 29,79 µgb/g, 105,20 µgzn/g. Niewątpliwie, oprócz podkreślanej w piśmiennictwie roli występowania pierwiastków w diecie w stosunku do tkanek wewnętrznych, zawartość wybranych pierwiastków w dużej mierze jest stymulowana bezpośrednimi interakcjami między nimi, a także silnymi właściwościami niektórych pierwiastków do dyskryminowania innych pierwiastków. W rezultacie zawartość badanych pierwiastków, w tym zmienność występowania chromu, może być opisana bezwymiarowymi wartościami współczynnika korelacji, przy czym wartości dodatnie wskazują na synergizm, zaś wartości ujemne na zachodzący antagonizm. Na rycinie 2, na poziomie prawdopodobieństwa p 0,05, przedstawiono wyniki współwystępowania chromu z pozostałymi badanymi pierwiastkami (Fe, B, Co, Cu, Zn, Se, Mo i Ba) w zębach zatrzymanych. Charakterystycznym dla tego zestawienia pierwiastków są występujące wprost proporcjonalne zmiany zawartości chromu ze zmianą zawartości pozostałych badanych pierwiastków. Zaznaczyć należy, że charakter tych współzależności określają bardzo wysokie wartości współczynnika korelacji (od 0,53 w przypadku Zn do 1,00 w przypadku Se i Mo). Wyniki analizy korelacyjnej wskazują, że przede wszystkim zawartość Fe, B, Cr, Co, Se i Mo ma duże znaczenie w kształtowaniu się zawartości chromu w składzie mineralnym hydroksyapaytytów zębów zatrzymanych. Istotny wpływ Zn i Fe na zmiany zawartości chromu w kościach ludzkich potwierdziły także badania Kuo i wsp. [5]. Najsłabsze powinowactwo chemiczne spośród wszystkich badanych pierwiastków w kształtowaniu się zawartości chromu posiada bar. Współczynnik korelacji Ba z Cr (0,04) wskazuje, że ten pierwiastek wywiera marginalny wpływ na kształtowanie się zawartości chromu w strukturze hydroksyapatytu. Podsumowując wyniki wykonanych analiz można uznać, że zmineralizowane tkanki zębów zatrzymanych nie tylko zawierają określone ilości poszczególnych pierwiastków, lecz także dostarczają informacji o długotrwałych zmianach w ich występowaniu, jako rezultat stałej podaży pierwiastków poprzez krew. Wnioski Ryc. 2. Współwystępowanie chromu z wybranymi metalami w zębach zatrzymanych. 1. Wyniki analizy korelacyjnej wskazują, że przede wszystkim zawartość Fe, B, Co, Se i Mo mają istotne znaczenie w kształtowaniu się zawartości chromu w składzie mineralnym hydroksyapaytytów zębów zatrzymanych. 52

6 2008, 61, 1 Współwystępowanie chromu w zębach zatrzymanych 2. Współczynnik korelacji Ba z Cr (0,04) wskazuje, że pierwiastek ten wywiera bardzo mały wpływ na kształtowanie się zawartości chromu w strukturze hydroksyapatytu zębów zatrzymanych. Piśmiennictwo 1. Air pollution in Katowice voivodeship in W.S.S.E. Katowice: 2002, Błasiak J, Kowalik J: A comparison of the in vitro genotoxicity of tri and hexavalent chromium. Mutat Res 2000, 469, 1: Caroli S, Stacchini A, Coni E, Petrucci F: The assessment for reference values of elements in human biological tissues and fluids. Syst Crit Rev Analyt Chem 1994, 24: EPA: Health assessment document for chromium. Research Triangle Park, NC: Environmental Assessment and Criteria Office, U.S. Environmental Protection Agency EPA: 600/ F. 5. Kuo W H, Kuo S M, Chou C H, Lee T C: Determination of 14 element in Taiwanese bones. Sci Total Environ 2000, 255: Kuykendall J R, Kerger B D, Jarvi E J, Corbett G E, Paustenbach D J: Measurement of DNA-protein cross-links in human leukocytes following acute ingestion of chromium in drinking water. Carcinogenesis 1996, 17, 9: Kwapuliński J, Malara P, Fischer A, Wiechuła D: The teeth as the bioindicators of environmental exposure to chromium. Pol J Environ Stud 2004, 13, Suppl IV: Mancuso T F: Chromium as an industrial carcinogen: Part II. Chromium in human tissues. Am J Ind Med 1997, 31, 2: Malara P, Kwapuliński J: Środowiskowe uwarunkowania występowania metali w zębach. Med Środ 2004, 7, 2: Malara P, Kwapuliński J, Drugacz J, Malara B: Wpływ palenia papierosów na charakter współwystępowania kadmu i cynku w zatrzymanych zębach mądrości. Przegl Lek 2005, 62, 10: Nowak B, Chmielnicka J: Relationship of lead and cadmium to essential elements in hair, teeth and nails of environmentally exposed people. Ecotoxicol Environ Saf 2000, 46, 3: O Flaherty E J, Kerger B D, Hays S M, Paustenbach D J: A Physiologically Based Model for the Ingestion of Chromium (III) and Chromium (VI) by Humans. Toxicol Sci 2001, 60, 2: Pacyna J M: Elektrownie jądrowe jako źródło skażenia środowiska metalami i radionuklidami. Prace Naukowe Instytutu Inżynierii Ochrony Środowiska, Politechnika Wrocławska. Wrocław 1980, 47, str Preuss H G, Anderson R A: Chromium update: examining recent literature Curr Opin Clin Nutr Metab Care 1998, 1, 6: Sobański L, Sprzęczka-Niedolaz M, Łebek G: Rola chromu w życiu człowieka. Bromat Chem Toxicol 2007, 40, 2: Sukumar A, Subramanian R: Elements in hair and nails of resides from village adjacent to New Delhi. Influence of place of occupation and smoking habits. Biol Trace Elem Res 1992, 34, 1: Takagi Y, Matsuda S, Imai S, Ohmori Y, Masuda T, Vinson J A, Mehra M C, Puri B K, Kaniewski A: Trace elements in human hair: An international comparison. Bull Environ Contam Toxicol 1986, 36: Takagi Y, Matsuda S, Imai S, Ohmori Y, Masuda T, Vinson J A, Mehra M C, Puri B K, Kaniewski A: Survey of trace elements in human nails: An international comparison. Bull Environ Contam Toxicol 1988, 41, 5: Wakamura M, Kandori K, Ishikawa T: Surface composition of calcium hydroxyapatite modified with metal ions. Collid Surface A 1998, 142, 1: Wiechuła D, Kwapuliński J, Loska K, Orczyk- Froncz H, Szołtysik E: Zawartość pierwiast- 53

7 T. Fischer i in. Czas. Stomatol., ków we włosach łonowych mężczyzn w wybranych stanach chorobowych. Brom Chem Toksykol 2007, 40, 2: Wiegand H J, Ottenwalder H, Bolt H M: Bioavailability and metabolism of hexavalent chromium compounds. Toxicol Environ Chem 1987, 14: Yoshinaga J, Suzuki T: Sex and age related variation in elemental concentration of contemporary Japanese ribs. Sci Total Environ 1989, 79, 3: Otrzymano: dnia 10.XII.2007 r. Adres autorów: Sosnowiec, ul. Jagiellońska 4 Tel.: afischer@slam.katowice.pl K O M U N I K A T Zarząd Sekcji Periodontologii Polskiego Towarzystwa Stomatologicznego zaprasza do udziału w Międzynarodowej Konferencji Naukowej pt: Środowisko a stan jamy ustnej. Postępy w diagnostyce i leczeniu chorób przyzębia i błony śluzowej jamy ustnej, która odbędzie się w Hotelu Gołębiewski w Białymstoku w dniach Przedstawione zostaną m.in. następujące zagadnienia: rola czynnika infekcyjnego w etiologii chorób przyzębia, diagnostyka chorób przyzębia, zintegrowana opieka stomatologiczna nad pacjentem z chorobą przyzębia i wybrane schorzenia błony śluzowej jamy ustnej. Bliższe informacje na temat konferencji można uzyskać w Zakładzie Stomatologii Zachowawczej AMB, ul. M. Skłodowskiej-Curie 24a, Białystok, tel./fax , stomzach@amb.edu.pl oraz na stronie internetowej www. portalpts.pl. Prof. dr hab. Wanda Stokowska Otrzymano: dnia 15.I.2008 r. 54