Вовлеченность эссенциальных микроэлементов в патогенез заболеваний щитовидной железы: диагностические маркеры и аналитические методы определения

ОБОСНОВАНИЕ

Актуальность изучения фундаментальных возможных общих механизмов, лежащих в основе йододефицитных (ЙДЗ) и аутоиммунных заболеваний щитовидной железы (АИЗ ЩЖ), ассоциированных с различной обеспеченностью эссенциальными микроэлементами, очевидна. Взаимосвязь между тиреоидной патологией и нутриентными дефицитами изучают уже длительное время. За много лет предложены различные методы определения микроэлементов в различных биологических средах. Выбор оптимального метода является крайне важным и позволяет лучше понять механизмы развития и оценить прогноз йододефицитных и аутоиммунных тиреопатий как у конкретного человека, так и в популяции в целом [1–4].

Крупномасштабные исследования свидетельствуют о том, что ситуация с обеспеченностью населения разных стран различными витаминами и микроэлементами достаточно неоднозначная. Среди здоровых женщин репродуктивного возраста только 5% обеспечены всеми витаминами и микроэлементами. В мире около 1/3 населения испытывают дефицит одного или нескольких микронутриентов, чаще всего йода (I), железа (Fe), цинка (Zn), витамина А и фолиевой кислоты. В России, как и в странах Западной Европы, ситуация с реальной обеспеченностью населения микронутриентами практически одинакова. По результатам многочисленных исследований выявлены множественные ассоциации между микронутриентными дефицитами и различными коморбидными патологиями, включающими заболевания щитовидной железы (ЩЖ) [2][4][5].

Ключевая роль в синтезе и метаболизме тиреоидных гормонов принадлежит йоду (I), селену (Se) и цинку (Zn). В исследованиях последних лет приводятся и данные об их участии в процессах аутоиммунитета. Не исключено, что дефицит этих микроэлементов приводит не только к формированию диффузного и узлового зоба и развитию гипотиреоза, но является триггером синтеза и(или) действия антитиреоидных аутоантител. Изучение роли сочетанного дефицита микроэлементов в развитии заболеваний ЩЖ представляется актуальной проблемой. Однако ни один из описанных феноменов не имеет четких научных доказательств, возможно, по причине существенных различий в методах определения эссенциальных микроэлементов, приводящих к несопоставимым между собой результатам.

Йод — важнейший микроэлемент, необходимый для синтеза гормонов щитовидной железы, которые регулируют метаболические процессы в большинстве клеток и играют ведущую роль в росте и развитии организма человека. ЙДЗ являются глобальной проблемой для многих стран мира, целесообразность их профилактики прежде всего связана с предотвращением нарушения формирования головного мозга на этапе эмбрионального развития и снижением заболеваемости тиреопатиями в любом возрасте. Экскреция I с мочой — основной эпидемиологический показатель, характеризующий обеспеченность I населения; является главным критерием оценки тяжести йодного дефицита [6]. Суточная потребность человека в I составляет 150 мкг для взрослых и подростков, 250 мкг для беременных и кормящих женщин [6–8].

Селен — один из важных и наиболее изучаемых в настоящее время микроэлементов. Выполняет свои биохимические функции в составе селенсодержащих белков. К основным белкам, локализующимся в больших количествах в ЩЖ, относятся ферменты — глутатионпероксидаза (GPX), дейодиназа (ID), тиоредоксинредуктаза (TXNRD), селенопротеины (SELENOP, SELENON, SELENOS). Они участвуют во многих разнообразных биологических процессах, включая синтез ДНК, антиоксидантную защиту, метаболизм гормонов ЩЖ, иммунные реакции и т.д.

Дефицит Se снижает способность Т4 превращаться в Т3. Недостаточное потребление данного микроэлемента с пищей влияет на развитие различной патологии ЩЖ. Для пациентов с АИЗ ЩЖ в дебюте заболевания характерны низкие концентрации Se в сыворотке крови. Дефицит Se инициирует и способствует прогрессированию болезни Грейвса и хронического аутоиммунного тиреоидита (ХАИТ), увеличивает риск развития узлового зоба, эндокринной офтальмопатии и рака щитовидной железы. Адекватное потребление Se способствует более быстрому достижению эутиреоза как при болезни Грейвса, так и при гипотиреозе в исходе ХАИТ. Нормы физиологической потребности в Se составляют: для мужчин 70 мкг/сут, для женщин — 55 мкг/сут. Биомаркерами обеспеченности Se является его уровень в сыворотке крови и активность GPX в эритроцитах [2][9][10].

Цинк — микроэлемент, участвующий во многих процессах, важнейших для эндокринной системы: синтезе и секреции инсулина, регуляции синтеза и действии гормонов ЩЖ, регуляции артериального давления. Данный микроэлемент необходим для правильного функционирования ID первого типа, для связывания T3 с рецепторами тиреоидных гормонов и играет ключевую роль во взаимодействии рецепторов тиреоидных гормонов с генами-мишенями. Zn участвует в превращении Т4 в метаболически активный Т3. Дефицит Zn подавляет синтез гормонов ЩЖ и нарушает связывание Т3 с ядерными рецепторами, что приводит к гипотиреозу. Дефицит Zn может снизить и эффективность препаратов I, назначаемых как для профилактики, так и для лечения ЙДЗ. Наряду с дефицитом других микроэлементов из-за низкого уровня Zn существенно повышается риск развития диффузного и узлового зоба. Дефицит Zn также способствует увеличению выработки антител к ткани ЩЖ, может лежать в основе аутоиммунных тиреопатий. Восполнение дефицита Zn замедляет процессы разрушения клеток ЩЖ. Физиологический уровень поступления Zn для взрослого здорового человека составляет 12 мг/сут. Биомаркером обеспеченности Zn является уровень Zn в сыворотке крови и в суточной моче. Согласно данным многих исследований, в отношении Zn важно также учитывать дополнительные маркеры обеспеченности, такие как активность SOD1, ЩФ и др. [2][3][11].

Концентрация того или иного микроэлемента в биологических средах не всегда отражает его точное содержание в организме и требует поиска дополнительных специфических индикаторов. Экскреция I с мочой на сегодняшний день является основным эпидемиологическим показателем, характеризующим обеспеченность I населения; является главным критерием оценки тяжести йодного дефицита. Определение I в крови в настоящее время производится в виде общего показателя, то есть содержание I в образце независимо от формы его связывания. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, практически не существует данных по определению I в разных фракциях сыворотки крови с целью определения влияния йодного дефицита на отдельные ее компоненты. Согласно некоторым исследованиям, для оценки обеспеченности Zn и Se является важным не только их определение в сыворотке крови и моче, но и анализ таких показателей, как ЩФ, SOD1, GPX и др. в сыворотке крови как дополнительных специфических индикаторов. Дефицит Zn и Se приводит к снижению активности SOD1, ЩФ и GPX.

SOD1 — антиоксидантный фермент, состоящий из двух субъединиц, каждая из которых имеет активный центр из атомов Zn и меди (Cu). SOD1 имеет нестабильную структуру. Стабильность структуры обеспечивается за счет атома Zn, а атом Cu действует как каталитический центр. SOD1 катализирует распад супероксидного аниона на молекулу О₂ и Н₂О₂. Нарушение метаболизма Zn отрицательно влияет на синтез и функцию системы антиоксидантной защиты, что приводит к окисидативному стрессу. При дефиците Zn снижается активность SOD1 [11].

ЩФ — изофермент, катализирующий гидролиз органических эфиров фосфорной кислоты, присутствующих во внеклеточном пространстве. Zn является одним из важных кофакторов, определяющих биологическую активность данного фермента. Активность ЩФ снижается при дефиците Zn [12].

GPX — основной селенсодержащий фермент, предотвращающий накопление в тканях свободных радикалов и обеспечивающий антиоксидантную защиту. В ЩЖ GPX присутствует в больших количествах. Экспрессия GPХ 1 типа наиболее чувствительна к концентрации Se и снижается при низких его уровнях [9][13].

ZnT8 — подтип транспортера Zn, способствующий транспорту Zn из клетки в субклеточные компартменты. Экспрессируется в фолликулярных и С-клетках ЩЖ у пациентов с болезнью Грейвса и нетоксическим узловым зобом. По данным некоторых исследований, у пациентов с болезнью Грейвса выявляется высокая концентрация аутоантител к транспортеру цинка — ZnT8A. Восполнение дефицита Zn, как при гипотиреозе, так и при тиреотоксикозе, способствует менее выраженному разрушению клеток ЩЖ [5][14].

Для оценки биологических взаимовлияний, ведущих к нарушениям тиреоидной функции, требуются исследования с применением сверхточных химических методов измерения макро- и микроэлементов. Научное обоснование оптимального метода определения микроэлементов позволит разработать методику оценки обеспеченности эссенциальными микроэлементами, применимую как для эпидемиологических, так и для клинических исследований. В настоящее время, как в России, так и за рубежом, используются различные аналитические методы определения йода в моче и сыворотке крови, за последние несколько лет чаще — масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС). ИСП-МС является золотым стандартом определения микроэлементов в различных биологических субстратах. Преимуществами данного метода перед другими являются многоэлементность определения в сочетании с высокой чувствительностью. Для более чем 90% микроэлементов пределы обнаружения (LoD) ниже 1 мкг/л в водном растворе [1][15–17].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучить роль йода, селена и цинка в патогенезе йододефицитных и аутоиммунных заболеваний щитовидной железы и научно обосновать выбор биомаркеров обеспеченности и аналитических методов определения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Место и время проведения исследования

Место проведения

Исследование проведено одномоментно в рамках выездных мероприятий ГНЦ РФ ФГБУ «НМИЦ эндокринологии» Минздрава России в пяти регионах РФ: Респ. Крым (09.2020 г.), Респ. Тыва (10.2020 г.), Брянская обл. (05.2021 г.), Тульская обл. (05.2022 г.), Чеченская Респ. (06.2022 г.). Протокол исследования одобрен на заседании этического комитета ФГБУ «НМИЦ эндокринологии» Минздрава России от 25.03.2020 (протокол № 5).

Йодная обеспеченность жителей всех вышеперечисленных регионов была одинаковой и соответствовала дефициту йода легкой и средней степени тяжести [18][19].

Изучаемые популяции (одна или несколько)

1150 человек — мужчины и женщины в возрасте от 18 до 65 лет (средний возраст обследуемых составил 40±5 лет).

Критерии включения: пол: мужчины и женщины; возраст: 18 лет и старше; подписание участником исследования информированного согласия на участие в исследовании.

Критерии исключения: период беременности и лактации; наличие любых острых либо декомпенсация хронических заболеваний на момент включения в исследование; отказ пациента от участия в исследовании.

Способ формирования выборки из изучаемой популяции (или нескольких выборок из нескольких изучаемых популяций)

Сплошной способ формирования выборки.

Дизайн исследования

Одномоментное сравнительное исследование.

Методы

У обследуемых проведен сбор анамнеза, осмотр врача-эндокринолога, пальпация ЩЖ, забор крови для оценки уровня ТТГ, АТ-ТПО, I, Se, Zn, SOD1, ZnT8A; выполнено ультразвуковое исследование щитовидной железы (УЗИ ЩЖ).

Уровни I, Se и Zn в сыворотке крови оценены методом ИСП-МС. Анализ проведен на масс-спектрометре Agilent 8900 ICP-MS Triple Quad. В части образцов сыворотки крови (n=57) уровень йода с предварительно экстрагированными из нее производными тироксина и трийодтиронина оценен методом ИСП-МС.

Уровни ТТГ и АТ-ТПО в сыворотке крови оценены методом хемилюминесцентного иммуноанализа на автоматическом анализаторе Architect i2000 (Abbott).

Уровни SOD1 и ZnT8A определены с помощью коммерческих иммуноферментных наборов:

-антитела к транспортеру цинка (ZnT8A) (BIOVENDOR LABORATORY MEDICINE, INC., Чешская республика);

-супероксиддисмутаза 1 (Cu/ZnSOD) (BENDER MEDSYSTEMS GMBH, Австрия).

УЗИ ЩЖ проведено в соответствии с рекомендациями ВОЗ с использованием портативного ультразвукового аппарата LOGIQe (China) с мультичастотным линейным датчиком 10–15 МГц в положении лежа. Объем ЩЖ будет рассчитываться по формуле:

Vщж = [(Шпр. × Дпр. × Тпр.) + (Шл. × Дл. × Тл.)] × 0,479,

где Vщж — объем щитовидной железы;

Шпр. — ширина правой доли щитовидной железы;

Шл. — ширина левой доли щитовидной железы;

Дпр. — длина правой доли щитовидной железы;

Дл. — длина левой доли щитовидной железы;

Тпр. — толщина правой доли щитовидной железы;

Тл. — толщина левой доли щитовидной железы.

Статистический анализ

Статистический анализ проведен с помощью программ Excel 2013 (Microsoft, USA), Statistica v.12 (Statsoft, USA).

Этическая экспертиза

Протокол исследования одобрен на заседании этического комитета ФГБУ «НМИЦ эндокринологии» Минздрава России от 25 марта 2020 г. (протокол № 5).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Определение уровня йода в сыворотке крови

Медианная концентрация I в сыворотке крови составила 60,68 мкг/л (n=1150) без существенной разницы между полами, что соответствует целевым значениям (рис. 1, рис. 2, табл. 1). У 2% (n=23) выявлен уровень I в сыворотке крови менее 30 мкг/л (рис. 1). В части полученных образцов (n=57) у 19% было выявлено пониженное содержание I в липофильной фракции — менее 10% от общего. Для этих образцов были проведены дополнительные исследования ТТГ, общих и свободных фракций Т₃ и Т₄. В результате все показатели укладывались в пределы нормальных значений, что свидетельствует об отсутствии влияния на функцию ЩЖ снижения содержания I в липофильной фракции.

Проведен сравнительный анализ результатов определения I в моче церий-арсенитным методом и методом ИСП-МС (таблица 2).

Результаты исследования концентрации I в моче методом ИСП-MС свидетельствуют о низконормальных значениях в общей сплошной выборке по регионам. Нами подтверждено, что церий-арсенитный метод исследования I в моче в целом сопоставим с методом ИСП-МС.

Медиана концентрации Se в сыворотке крови составила 83,38 мкг/л (таблица 1), что соответствует референсным значениям. Уровень Se в сыворотке крови менее 40 мкг/л выявлен у 2,2% обследуемых. Из 1150 человек сформировано две группы: 1) с уровнем Se в сыворотке крови менее 100 мкг/л; 2) с уровнем Se в сыворотке крови более 100 мкг/л (таблица 3). При сравнении сформированных групп выяснилось, что в группе с низконормальными показателями Se частота встречаемости аутоиммунной патологии на 5% выше, чем в группе сравнения. Полученные данные подтверждают важнейшую биологическую роль Se, связанную с антиоксидантной защитой. Не исключено, что посредством антиоксидантного воздействия возможно предотвращение воспалительной активности при АИЗ ЩЖ.

В нашем исследовании 60,3% взрослого населения имели уровень Zn менее 1000 мкг/л (Брянская и Тульская обл., Чеченская Респ.) (таблица 1, рис. 3). Медианная концентрация Zn в сыворотке крови составила 632,9 мкг/л (таблица 1). Полученные результаты могут быть обусловлены особенностями питания населения регионов, содержанием микроэлементов в почве и воде по каждому региону (например, в Брянской обл., по данным исследования V.Yu. Berezkin и соавт., содержание йода в поверхностных водах низкое и составляет 6,76 мкг/л [20]). Важно отметить, что некоторые тяжелые металлы потенциально могут влиять на метаболизм Zn.

Не выявлено взаимосвязи между содержанием в сыворотке крови Zn и ZnT8A, ЩФ и SOD1, в т.ч. в сопоставлении полученных данных у носителей АТ-ТПО и в группе сравнения (таблица 4).

В таблице 5 представлена распространенность и структурная патология ЩЖ по регионам.

ОБСУЖДЕНИЕ

Целью проведенного исследования было изучение роли эссенциальных микроэлементов в патогенезе ЙДЗ и АИЗ ЩЖ и обоснование выбора биомаркеров обеспеченности и аналитических методов определения. Впервые в России проведено когортное обследование взрослого населения, проживающего в регионах с доказанным хроническим дефицитом йода тяжелой и легкой степени тяжести, но различающихся по экологическим характеристикам и обеспеченности другими микронутриентами (предшествующее радиационное загрязнение, обеспеченность Se и Zn). Впервые для элементного анализа нами применен метод ИСП-МС и проведено его сопоставление по чувствительности, специфичности с церий-арсенитным методом.

Результаты исследования позволяют подтвердить взаимосвязь между коморбидностью ЙДЗ и АИЗ ЩЖ и микронутриентными дефицитами.

Медианная концентрация I сыворотки крови отличается по регионам. Метод ИСП-МС и церий-арсенитный метод в целом сопоставимы и доказали дефицит I легкой степени тяжести во всех обследованных регионах. Однако метод ИСП-МС требует дальнейшего совершенствования ввиду технических особенностей и ограничения по объему выборки изучаемой популяции. При оценке содержания I в липофильной фракции (n=57) не обнаружено влияния снижения содержания I на функцию ЩЖ. Следует отметить, что окончательный вывод можно получить только на более широкой когорте пациентов.

В нашем исследовании не выявлено дефицита Se ни в одном из обследуемых регионов. Однако при сравнении групп с концентрацией Se в сыворотке крови менее 100 мкг/л и более 100 мкг/л в группе с низконормальной концентрацией Se частота встречаемости АИЗ ЩЖ на 5% больше. Полученные результаты позволяют подтвердить важнейшую биологическую роль селена как антиоксиданта. Селен входит в состав селенсодержащих белков, локализующихся в больших количествах в ЩЖ. Нарушения биологической функции селенсодержащих белков играют важную роль в развитии аутоиммунных заболеваний ЩЖ, а дефицит селена инициирует и способствует их прогрессированию.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о дефиците Zn у 60,3% взрослого населения. Не выявлено взаимосвязи между содержанием в сыворотке крови Zn и дополнительных маркеров обеспеченности: ZnT8A, ЩФ, SOD1, в т.ч. в сопоставлении полученных данных у носителей АТ-ТПО и в группе сравнения. Таким образом, оценивать дополнительные специфические индикаторы обеспеченности цинком не является убедительным. Тем не менее исследование данных маркеров требует более детального и углубленного изучения. Следует отметить, что в регионах с дефицитом Zn частота встречаемости АИЗ ЩЖ и узлового/многоузлового зоба в среднем на 10% выше, чем в регионах с оптимальной обеспеченностью Zn. Следовательно, обеспеченность населения Zn наряду с обеспеченностью I и другими микроэлементами напрямую связана с тиреоидной патологией.

Важно отметить, что проведение любого исследования во многом зависит от точности результатов лабораторных исследований, а также от референсных интервалов, позволяющих правильно интерпретировать полученные данные. В нашем исследовании референсные значения изучаемых показателей установлены лабораторией метаболомных исследований ГНЦ РФ ФГБУ «НМИЦ эндокринологии» Минздрава России.

Диапазон референсных значений варьирует в зависимости от исследуемой популяции пациентов и используемых тестовых систем. Различия между лабораториями могут возникать из-за особенностей используемого оборудования, химических реагентов и методик анализа. Следовательно, для большинства лабораторных исследований не существует универсально применимого эталонного значения.

Сопоставление с другими публикациями

Сравнивая полученные нами результаты с другими подобными исследованиями, необходимо отметить, что в странах Европы, США, Китае и др. на протяжении многих лет изучается взаимосвязь дефицита микроэлементов и заболеваний ЩЖ [2][21–26]. Наряду с дефицитом других микроэлементов, низкие уровни Zn и Se повышают риск развития узлового зоба, увеличивают выработку антител к ткани ЩЖ, инициируют и способствуют прогрессированию ХАИТ и болезни Грейвса. Многие исследования демонстрируют преимущества ежедневного поступления с пищей Se и Zn в лечении АИЗ ЩЖ и узлового зоба [2][21–26]. В большинстве рекомендаций относительно ежедневного перорального приема микроэлементов взрослыми старше 18 лет Se составляет от 50 до 70 мкг/день, Zn — 8–15 мг/день.

Клиническая значимость результатов

Клиническая значимость полученных нами результатов состоит в разработке методики определения эссенциальных микроэлементов в сыворотке крови и моче как для эпидемиологических, так и для клинических исследований; уточнении лабораторных критериев для выявления ассоциированных с патологией щитовидной железы влияний дефицитов эссенциальных микроэлементов. В дальнейшем предложенные методы и диагностические критерии будут включены в соответствующие клинические рекомендации и программы по профилактике и мониторингу заболеваний щитовидной железы.

Ограничения исследования

Ограничением нашего исследования является недостаточно широкий охват населения регионов РФ. Тем не менее, по нашему мнению, выборка достаточно репрезентативна с учетом предшествующих обследований. Не проводилось определение содержания GPX1, как дополнительного маркера дефицита Se. Нами не учитывалось возможное влияние ряда других эссенциальных микроэлементов на полученные результаты.

Направления дальнейших исследований

В дальнейшем планируется расширение выборки для липофильной фракции, ZnT8A.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование обеспеченности эссенциальными микроэлементами населения регионов РФ, имеющих высокую распространенность заболеваний щитовидной железы, доказало взаимосвязь между содержанием и метаболизмом I, Se, Zn и риском развития йододефицитных и аутоиммунных заболеваний щитовидной железы. Более половины взрослого населения регионов РФ — 60,3% — имеют дефицит Zn. Частота встречаемости аутоиммунных заболеваний ЩЖ и узлового/многоузлового зоба у данной части населения выше на 10%. В группе с низконормальными показателями Se частота встречаемости аутоиммунной патологии щитовидной железы также выше на 5%, чем в группе сравнения. Используемый нами метод ИСП-МС позволил предложить собственные референсные значения I, Se, Zn. При исследовании йода в моче метод ИСП-МС сопоставим с церий-арсенитным методом по чувствительности и специфичности, но требует дальнейшего совершенствования ввиду технических особенностей и ограничения по объему выборки изучаемой популяции. Определение дополнительных маркеров дефицита цинка (ZnT8A, ЩФ, SOD1) не дало убедительных доказательств целесообразности их определения в рутинной практике.

Несмотря на большое количество проведенных, подобно нашему, исследований, как в России, так и в зарубежных странах и широкое понимание важности эссенциальных микроэлементов в питании населения, конкретные знания среди клиницистов остаются ограниченными. Для большинства микроэлементов нет четкого понятия «дефицит», «недостаточность», не разработаны методики определения и системы мониторинга, отсутствуют меры профилактики и методы лечения заболеваний, связанных с микронутриентными дефицитами. Таким образом, необходима разработка новых и дополнение существующих клинических рекомендаций и программ по профилактике, мониторингу и лечению заболеваний щитовидной железы с акцентом на ключевые эссенциальные микроэлементы.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источники финансирования. Исследование проведено при финансировании РНФ (проект №22-15-00135 «Научное обоснование, разработка и внедрение новых технологий диагностики коморбидных йододефицитных и аутоиммунных заболеваний щитовидной железы, в том числе с использованием возможностей искусственного интеллекта»).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Участие авторов. Концепция и дизайн исследования — Трошина Е.А., Платонова Н.М., Иоутси В.А., Смолин Е.С., Никанкина Л.В., Зураева З.Т.; сбор и обработка материала, статистическая обработка, написание текста — Сенюшкина Е.С.; редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи — все авторы. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией, выразили согласие нести ответственность за все аспекты работы, подразумевающую надлежащее изучение и решение вопросов, связанных с точностью или добросовестностью любой части работы.