Concentration of essential chemical elements in whole blood and in paranasal sinuses mucosa is related to chronic rhinosinusitis severity in children

Cover Page

Cite item

Abstract

Objectives – to evaluate the association between essential chemical element levels in whole blood and in pathologic mucosa and chronic rhinosinusitis severity in children.

Material and methods. A total of 154 children aged from 6 to 17 years were examined. Among them, 88 children had chronic rhinosinusitis (CRS) and underwent functional endoscopic sinus surgery (FESS). The 66 healthy children were included in the control group. Life quality was assessed using SNOT-20 (Sino-Nasal Outcome Test-20). Endoscopic and computer tomography findings were evaluated using Lund – Kennedy and Lund – Mackay scales, respectively. The assessment of essential element levels in whole blood samples was performed using inductively-coupled plasma mass-spectrometry.

Results. The obtained data demonstrate that total SNOT-20 scores in CRS patients were 68% higher than in controls. At the same time, whole blood calcium, selenium, zinc, and magnesium levels were 6%, 28%, 20%, and 3% lower than the respective control values. The analysis of pathologic mucosa demonstrated that the chemical element contents were reducing in the following order: Ca > Mg = Fe > Zn > Cu> Mn > Se. However, only whole blood selenium level correlated significantly with its tissue level. In multiple regression models, the whole blood Se level was inversely associated with SNOT-20 and Lund – Mackay total scores.

Conclusion. Therefore, the obtained data allow to propose the potential role of altered calcium, magnesium, zinc and selenium metabolism in CRS progression.

Full Text

ХРС – хронический риносинусит.

ВВЕДЕНИЕ

Хронический риносинусит (ХРС) представляет собой воспалительное заболевание полости носа и околоносовых пазух. В патогенезе ХРС важную роль играют иммунный дисбаланс, нарушения мукоцилиарного клиренса, барьерной функции эпителия, а также особенности взаимодействия с микробными патогенами [1].

Эссенциальные микроэлементы играют значительную роль в формировании иммунитета. Так, цинк [2] и селен [3] необходимы для нормального развития иммунной системы и ее функционирования, тогда как их дефицит связан с широким спектром иммунопатологических реакций. В свою очередь, медь, железо и марганец, помимо участия в формировании ответных иммунных реакций, являются компонентами так называемого пищевого иммунитета (“nutritional immunity”) [4]. В этой связи в ряде исследований была продемонстрирована ассоциация между нарушением обмена химических элементов и развитием синоназальной патологии при хроническом риносинусите. В частности, отмечено, что пациенты с ХРС характеризуются снижением сывороточной концентрации меди и цинка [5]. В то же время данных, характеризующих особенности обмена эссенциальных элементов при хроническом риносинусите, а также их взаимосвязь с тяжестью синоназальной патологии, крайне недостаточно.

ЦЕЛЬ

Изучение взаимосвязи концентрации эссенциальных химических элементов в цельной крови детей с их содержанием в образцах патологически измененной слизистой оболочки околоносовых пазух и тяжестью хронического риносинусита.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Протокол исследования одобрен локальным этическим комитетом Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. Все процедуры проведены в соответствии с этическими принципами, установленными Хельсинкской декларацией от 1964 г. и ее последующими правками. Перед включением в исследование было получено письменное информированное согласие законных представителей обследуемых детей.

В исследование вошло 154 ребенка в возрасте от 6 до 17 лет, в том числе 88 детей (55 мальчиков и 33 девочки) с диагнозом хронический риносинусит, которые были подвергнуты эндоскопическим риносинусохирургическим вмешательствам, а также 66 здоровых обследуемых (46 мальчиков и 20 девочек), составивших контрольную группу. Обследование и лечение детей проводилось в СПб ГБУЗ «Детский городской многопрофильный клинический центр высоких медицинских технологий им. К.А. Раухфуса».

В исследование были включены дети, проживающие в Санкт-Петербурге в течение последних трех лет. Критериями исключения являлись: наличие острой травматической или хирургической патологии, предшествующие операции в полости носа и околоносовых пазухах, наличие металлических имплантатов.

Образцы цельной крови забирались утром натощак из локтевой вены с использованием пробирок 9-ml Vacuette tubes (Greiner Bio-One International AG, Austria).

Эндоскопическое исследование слизистой оболочки носа и околоносовых пазух, а также получение образцов тканей в процессе выполнения функциональной риносинусохирургической операции осуществлялось с использованием оборудования Karl Storz (Karl Storz, GmbH & Co. KG, Tuttlingen, Germany). Интраоперационный материал, представляющий из себя патологически измененную слизистую оболочку околоносовых пазух, забирался щипцами Blakesley.

Для интегральной оценки эндоскопических признаков синоназальной патологии использована шкала Lund – Kennedy. Компьютерная томография (КТ) околоносовых пазух проводилась с помощью КТ-сканнера Somatom Emotion (Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany) с последующей оценкой результатов по шкале Lund – Mackay.

Эндоскопическое и томографическое исследование, а также забор образцов слизистой оболочки носа осуществлялись только у пациентов с ХРС, но не у здоровых обследуемых в связи с необоснованностью применения инвазивных методов исследования. В то же время как у пациентов, так и у здоровых обследуемых проводилась оценка качества жизни посредством опросника SNOT-20 (Sino-Nasal Outcome Test-20).

Определение содержания эссенциальных макро- (кальций, магний) и микроэлементов (медь, железо, марганец, селен, цинк) в цельной крови осуществлялось методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе NexION 300D (PerkinElmer Inc., Shelton, CT 06484, USA), оснащенном 7-портовым клапаном и ESI SC-2 DX4 автоматическим дозатором (Elemental Scientific Inc., Omaha, NE 68122, USA). Калибровка системы осуществлялась с использованием наборов Universal Data Acquisition Standards Kits (PerkinElmer Inc., Shelton, CT 06484, USA). Контроль качества проводился посредством анализа стандартных референтных образцов цельной крови ClinCheck Whole Blood Controls (RECIPE Chemicals + Instruments GmbH, Germany).

Статистический анализ полученных данных проводился с использованием программного пакета Statistica 11.0 (Statsoft, Tulsa, OK, USA). Данные представлены в виде средней арифметической величины и соответствующих значений стандартного отклонения. Групповой анализ осуществлялся с использованием U-критерия Манна – Уитни. Корреляционный анализ проводился с использованием коэффициента Пирсона (r) для оценки независимых взаимосвязей между маркерами синоназальной патологии и концентрацией химических элементов в цельной крови. Результаты всех тестов считались достоверными при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализ качества жизни детей с ХРС посредством опросника SNOT-20 выявил на 68% более высокие значения у пациентов по сравнению с контрольными обследуемыми (35,3 ± 9,6 vs 20,9 ± 1,5 балла, p < 0,001). Эндоскопическое исследование полости носа и компьютерная томография околоносовых пазух также подтвердили диагноз хронического риносинусита. При этом оценка по шкалам Lund – Mackay, Lund – Kennedy справа и слева у обследуемых пациентов составляла 8,28 ± 3,6, 4,07 ± 1,43, и 3,89 ± 1,46 соответственно.

Анализ цельной крови методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (таблица 1) продемонстрировал выраженное влияние ХРС на обмен химических элементов. В частности концентрация кальция, селена и цинка в цельной крови пациентов была ниже таковой в группе здоровых обследуемых на 6%, 28% и 20% соответственно. Снижение уровня магния в цельной крови, составляющее 3% от контрольных показателей, также являлось статистически значимым.

 

Таблица 1. Концентрация эссенциальных макро- и микроэлементов (мкг/мл) в цельной крови детей с хроническим риносинуситом и здоровых сверстников

Table 1. Concentration of essential macro- and microelements (mcg/ml) in whole blood of children with chronic rhinosinusitis and healthy peers

Элемент

Контроль

ХРС

p value

Ca

63.02 ± 6.74

59.28 ± 4.93

0.010 *

Cu

0.869 ± 0.174

0.873 ± 0.202

0.581

Fe

502.88 ± 67.11

499 ± 40.52

0.564

Mg

36.59 ± 4.47

35.49 ± 2.41

0.024 *

Mn

0.0137 ± 0.0099

0.0140 ± 0.0045

0.154

Se

0.147 ± 0.052

0.107 ± 0.025

< 0.001 *

Zn

5.79 ± 0.88

4.68 ± 0.76

< 0.001 *

Данные представлены в виде средней величины и соответствующих значений стандартного отклонения; * – достоверность отличий

при p < 0,05

 

Анализ содержания химических элементов в образцах патологически измененной слизистой оболочки околоносовых пазух снижался в следующем ряду:Ca > Mg = Fe > Zn > Cu> Mn > Se (таблица 2). В то же время стоит отметить высокую вариабельность данных показателей, превышающую 100% для уровня Cu, Ca, Mg, Fe, и Zn в исследуемых образцах.

 

Таблица 2. Содержание химических элементов в образцах патологически измененной слизистой оболочки околоносовых пазух (мкг/г) у детей с хроническим риносинуситом

Table 2. The content of chemical elements in samples of paranasal sinuses pathologic mucosa (mcg/g) in children with chronic rhinosinusitis

Элемент

Медиана (IQR)

Средняя±SD

Мин.

Макс.

CV %

Ca

823,5 (148 - 26470)

20,121,6 ± 38,253,9

62,4

187,519,1

190

Cu

0,909 (0,74 - 1,14)

1,504 ± 3,768

0,070

29,280

251

Fe

125 (29 - 297)

224,5 ± 298,8

7,2

1429,0

133

Mg

125,5 (71,3 - 506)

396,2 ± 564,1

33,9

2498,0

142

Mn

0,14 (0,10 - 0,21)

0,175 ± 0,134

0,030

0,730

76

Se

0,132 (0,09 - 0,17)

0,145 ± 0,092

0,007

0,480

63

Zn

12,4 (7,3 - 38,2)

24,8 ± 26,4

0,006

115,000

106

CV – коэффициент вариабельности

 

Корреляционный анализ продемонстрировал, что только содержание селена в цельной крови показало достоверно значимую ассоциацию с уровнем данного элемента в интраоперационных биоптатах слизистой оболочки околоносовых пазух (r=0.295; p=0.034).

В свете выявленных отличий информативность анализа содержания химических элементов в цельной крови в отношении определения тяжести синоназальной патологии оценивалась с помощью множественной линейной регрессии. Установлено, что содержание селена отрицательно взаимосвязано с суммарной оценкой по SNOT-20, тогда как уровень меди в образцах тканей может рассматриваться в качестве положительного предиктора увеличения SNOT-20.

Важно отметить, что данные корреляции были достоверны с учетом поправки на пол и возраст обследуемых, последний из которых также был положительно взаимосвязан с величиной SNOT-20. Содержание селена, а также кальция в цельной крови также было обратно ассоциировано с суммарной оценкой по шкале Lund – Mackay, основанной на оценке эндоскопической картины полости носа. Напротив, уровень магния характеризовался положительной ассоциацией с данным параметром на границе статистической значимости. Интересно, что оценка признаков синоназальной патологии по шкале Lund – Kennedy была в меньшей степени связана с концентрацией химических элементов в цельной крови обследуемых. Так, лишь концентрация марганца была положительно ассоциирована с выраженностью патологических явлений с правой половиной носа. В свою очередь, ни один из исследуемых химических элементов не был связан с оценкой по шкале Lund – Kennedy слева.

Суммарная предиктивная значимость моделей была достоверной для определения вариабельности SNOT-20 (модель 1), а также приближалась к границе статистической значимости для суммарной оценки по шкале Lund – Mackay (модель 2). В то же время модели, построенные на основании данных о содержании химических элементов в цельной крови пациентов, не обладали сколько-нибудь значимой предиктивной способностью в отношении оценки по шкале Lund – Kennedy с обеих сторон.

 

Таблица 3. Множественный линейный регрессионный анализ взаимосвязи между маркерами синоназальной патологии и содержанием химических элементов в цельной крови

Table 3. Multiple linear regression analysis of the correlation between markers of sinonasal pathology and the content of chemical elements in whole blood

Параметр

SNOT-20 (общее)

Lund – Mackay (общее)

Lund – Kennedy (справа)

Lund – Kennedy (слева)

â

p

â

p

â

p

â

p

Пол

-0,105

0,317

-0,120

0,365

-0,029

0,831

-0,099

0,468

Возраст

0,239

0,016 *

-0,088

0,477

-0,117

0,364

-0,169

0,190

Ca

-0,178

0,056

-0,249

0,037 *

-0,200

0,101

-0,123

0,309

Cu

0,299

0,003 *

0,014

0,908

-0,067

0,599

-0,119

0,353

Fe

0,054

0,624

0,146

0,300

0,033

0,821

0,006

0,966

Mg

-0,103

0,292

0,249

0,047 *

-0,045

0,726

-0,206

0,110

Mn

0,015

0,881

0,178

0,158

0,291

0,027 *

0,153

0,239

Se

-0,337

0,003 *

-0,411

0,005 *

-0,164

0,266

-0,050

0,734

Zn

-0,149

0,111

0,005

0,964

-0,066

0,591

-0,063

0,604

р модели

< 0,001 *

0,097

0,328

0,317

Данные представлены в виде коэффициента регрессии (â) и соответствующих значений р; * – взаимосвязь достоверна при p < 0,05

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследования продемонстрировали, что дети с ХРС характеризуются снижением уровня кальция, магния, селена и цинка в цельной крови. В то же время только концентрация селена в цельной крови была достоверно связана с его уровнем в тканях, а также качеством жизни пациентов и эндоскопическими признаками синоназальной патологии, что может свидетельствовать о роли локальных нарушений обмена селена непосредственно в слизистой оболочке околоносовых пазух в развитии ХРС.

Данные наблюдения частично согласуются с результатами ранее проведенных исследований, свидетельствующих о снижении уровня цинка и селена в ткани назальных полипов по сравнению со здоровыми тканями [6]. Можно предположить, что наблюдаемые взаимосвязи обусловлены ролью селена в функционировании иммунной системы и редокс-гомеостаза [3].

Экспериментальные исследования продемонстрировали, что орошение слизистой оболочки носа селенсодержащим раствором снижало проницаемость сосудистого русла, отек слизистой оболочки, а также экспрессию муцина Muc5ac в модели ЛПС-индуцированного риносинусита [7]. В свою очередь дефицит селена оказывает негативное влияние на морфологию эпителиальных клеток и способствует повышению продукции слизи, ассоциированному с индукцией экспрессии Muc5AC мРНК [8].

Ассоциация между снижением уровня цинка в организме и развитием ХРС может быть обусловлена не только его ролью в регуляции воспалительного ответа и редокс-гомеостаза, но и в функционировании мукоцилиарного клиренса [9]. Так, показано, что цинк способен повышать частоту биения цилий по кальцийзависимому механизму [10]. Соответственно дефицит цинка связан с повышением проницаемости эпителиального барьера посредством отрицательного влияния на экспрессию белков плотных контактов, что играет значительную роль в патогенезе ХРС [11].

В свою очередь как кальций, так и магний играют ключевую роль в функционировании мукоцилиарного аппарата, принимая непосредственное участие в биении цилий [12].

Интересным является факт, что концентрация марганца в цельной крови характеризовалась положительной взаимосвязью с тяжестью синоназальной патологии. Данное наблюдение может быть обусловлено индукцией снижения длины и количества цилий, а также дегенерацией эпителия слизистой оболочки носа при избыточном воздействии марганца [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, результаты настоящего исследования свидетельствуют о возможной роли нарушений обмена кальция, магния, цинка и селена в развитии и прогрессировании ХРС. Данная взаимосвязь может быть обусловлена влиянием микроэлементов на функционирование мукоцилиарного аппарата [14]. Коррекция нарушений обмена эссенциальных макро- и микроэлементов может являться одним из компонентов патогенетически-обоснованного повышения эффективности лечения хронических риносинуситов у детей.

Конфликт интересов: все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

×

About the authors

Svetlana I. Alekseenko

St. Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech; North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov; St. Petersburg Children’s municipal multi-specialty clinical center of high medical technology named after K.A. Rauhfus

Author for correspondence.
Email: svolga-lor@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3377-8711

PhD, Associate professor, Chief researcher at the Department of high-technology treatment methodology development; Associate professor of the Chair of Otorhinolaryngology; Head of the ENT department

Russian Federation, St. Petersburg

Vladimir V. Dvoryanchikov

St. Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech

Email: v.v.dvoryanchikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0925-7596

PhD, Professor, Director

Russian Federation, St. Petersburg

Anatolii V. Skalny

Sechenov First Moscow State Medical University; RUDN University

Email: skalny3@microelements.ru
ORCID iD: 0000-0001-7838-1366

PhD, Professor, Head of the Department of Medical Elementology; Head of the Laboratory of Molecular Dietetics

Russian Federation, Moscow

Igor A. Anikin

St. Petersburg Research Institute of Ear, Throat, Nose and Speech; St. Petersburg Children’s municipal multi-specialty clinical center of high medical technology named after K.A. Rauhfus

Email: dr-anikin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2977-2656

PhD, Professor; Head of the Department of high-technology treatment methodology development

Russian Federation, St. Petersburg

Vadim S. Isachenko

Military Medical Academy named after S.M. Kirov

Email: lor_vma@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9090-0413

PhD, Associate professor of the Chair of Otorhinolaryngology

Russian Federation, St. Petersburg

Aleksei A. Tinkov

Sechenov First Moscow State Medical University; RUDN University

Email: tinkov.a.a@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0348-6192

PhD, Associate professor, Department of Medical Elementology; Chief researcher at the Laboratory of Molecular Dietetics

Russian Federation, Moscow

References

  1. London NR Jr, Lane AP. Innate immunity and chronic rhinosinusitis: What we have learned from animal models. Laryngoscope Investigative Otolaryngology. 2016;1(3):49-56. doi: 10.1002/lio2.21
  2. Wessels I, Maywald M, Rink L. Zinc as a Gatekeeper of Immune Function. Nutrients. 2017;9(12):1286. doi: 10.3390/nu9121286
  3. Avery JC, Hoffmann PR. Selenium, Selenoproteins, and Immunity. Nutrients. 2018;10(9):1203. doi: 10.3390/nu10091203
  4. Healy C, Munoz-Wolf N, Strydom J, et al. Nutritional immunity: the impact of metals on lung immune cells and the airway microbiome during chronic respiratory disease. Respiratory Research. 2021;22(1):133. doi: 10.1186/s12931-021-01722-y
  5. Unal M, Tamer L, Pata YS, Kilic S, et al. Serum levels of antioxidant vitamins, copper, zinc and magnesium in children with chronic rhinosinusitis. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology. 2004;18(2):189-92. doi: 10.1016/j.jtemb.2004.07.005
  6. Okur E, Gul A, Kilinc M, Kilic MA, et al. Trace elements in nasal polyps. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 2013;270(8):2245-8. doi: 10.1007/s00405-012-2319-6
  7. Kim DH, Yeo SW. Effects of normal saline and selenium-enriched hot spring water on experimentally induced rhinosinusitis in rats. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology. 2013;77(1):117-22. doi: 10.1016/j.ijporl.2012.10.008
  8. Jaspers I, Zhang W, Brighton LE, et al. Selenium deficiency alters epithelial cell morphology and responses to influenza. Free Radical Biology and Medicine. 2007;42(12):1826-37. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2007.03.017
  9. Suzuki M, Suzuki T, Watanabe M, et al. Role of intracellular zinc in molecular and cellular function in allergic inflammatory diseases. Allergology International. 2021;70(2):190-200. doi: 10.1016/j.alit.2020.09.007
  10. Woodworth BA, Zhang S, Tamashiro E, et al. Zinc increases ciliary beat frequency in a calcium-dependent manner. American Journal of Rhinology & Allergy. 2010;24(1):6-10. doi: 10.2500/ajra.2010.24.3379
  11. Roscioli E, Jersmann HP, Lester S, et al. Zinc deficiency as a codeterminant for airway epithelial barrier dysfunction in an ex vivo model of COPD. International Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. 2017;12:3503-3510. doi: 10.2147/COPD.S149589
  12. Price ME, Sisson JH. Redox regulation of motile cilia in airway disease. Redox Biol. 2019;27:101146. doi: 10.1016/j.redox.2019.101146
  13. Deveci E, Yorgancilar E, Ekinci C, et al. Effects of manganese ethylene-bis-dithiocarbamate (maneb) on rat nasal respiratory mucosa. Acta Medica Mediterranea. 2013;29:875-878.
  14. Alekseenko SI, Skalny AV, Ajsuvakova OP, et al. Mucociliary transport as a link between chronic rhinosinusitis and trace element dysbalance. Medical Hypotheses. 2019;127:5-10. doi: 10.1016/j.mehy.2019.03.007

Supplementary files

There are no supplementary files to display.


Copyright (c) 2021 Alekseenko S.I., Dvoryanchikov V.V., Skalny A.V., Anikin I.A., Isachenko V.S., Tinkov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies