Concentration of essential chemical elements in whole blood and in paranasal sinuses mucosa is related to chronic rhinosinusitis severity in children
- Authors: Alekseenko S.I.1,2,3, Dvoryanchikov V.V.1, Skalny A.V.4,5, Anikin I.A.1,3, Isachenko V.S.6, Tinkov A.A.4,5
-
Affiliations:
- 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
- Sechenov First Moscow State Medical University
- RUDN University
- Military Medical Academy named after S.M. Kirov
- Issue: Vol 6, No 4 (2021)
- Pages: 9-13
- Section: ENT Disorders
- URL: https://innoscience.ru/2500-1388/article/view/89448
- DOI: https://doi.org/10.35693/2500-1388-2021-6-4-9-13
- ID: 89448
Cite item
Full Text
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.
Keywords
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. PetersburgVladimir 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. PetersburgAnatolii 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, MoscowIgor 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. PetersburgVadim 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. PetersburgAleksei 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, MoscowReferences
- 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
- Wessels I, Maywald M, Rink L. Zinc as a Gatekeeper of Immune Function. Nutrients. 2017;9(12):1286. doi: 10.3390/nu9121286
- Avery JC, Hoffmann PR. Selenium, Selenoproteins, and Immunity. Nutrients. 2018;10(9):1203. doi: 10.3390/nu10091203
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Price ME, Sisson JH. Redox regulation of motile cilia in airway disease. Redox Biol. 2019;27:101146. doi: 10.1016/j.redox.2019.101146
- 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.
- 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