Роль фтора как микроэлемента - гигиенические проблемы фторирования питьевой воды
Глава III
Физиологическая роль фтора как микроэлемента
Фтор относится к микроэлементам, о физиологической роли и жизненно важном значении которых единого мнения нет. Противоречивые взгляды объясняются, во-первых, отсутствием общепризнанных критериев для причисления микроэлемента к числу физиологически необходимых, эссенциальных, пищевых веществ, во-вторых, методическими трудностями, стоящими на пути подобных исследований. Мы имеем в виду создание полноценного во всех отношениях пищевого рациона при полном отсутствии в нем изучаемого микроэлемента.
Большинство биологов, физиологов, биохимиков и гигиенистов причисляют к числу биоэлементов те элементы, которые требуются организму для пластических целей, оптимального течения жизненных процессов, а также для функции воспроизводства и недостаток которых приводит к количественным или качественным нарушениям жизнедеятельности, понижению адаптивных возможностей, специфическим или неспецифическим заболеваниям, ускорению процессов старения, нарушению генеративной функции и т. д. При добавлении к рациону определенного количества дефицитного микроэлемента возникающие нарушения ликвидируются. Но существует и мнение, причисляющее к числу биоэлементов лишь жизненно необходимые вещества.
В свете изложенного рассмотрим данные о физиологической роли фтора.
Если придерживаться биогеохимического учения акад. В, И. Вернадского, широкое распространение столь химически активного элемента в неживой природе, пище и воде, растительных и животных организмах, а также в тканях человеческого тела уже само по себе говорит о том, что фтор за миллионы лет эволюции жизни на Земле должен был приобрести определенную физиологическую роль. Излагаемые факты во многом подтверждают эту аксиому.
1. Физиологическое значение фтора для твердых тканей организма
Поскольку более 99% содержащегося в организме фтора находится в твердых тканях, это и определило главное направление поисков его физиологического значения.
Фтор обладает высоким сродством к твердым тканям благодаря своей способности вступать в химическую связь с фосфатами кальция. Мы уже упоминали, что радикалы ОН и С02 апатитов костей и зубов могут замещаться фтором- при этом образуются фтор-апатиты — соединения, более устойчивые к действию физических и химических факторов и придающие эти свойства биологическим структурам, в которые они включены. Кристаллы фторапатита изоморфны кристаллам гидроксиапатита, поэтому замена части последних не вызывает геометрических изменений и каких-либо морфологических нарушений в костях и зубах. Кстати, великолепные зубы акулы состоят преимущественно из фторапатита. Поскольку фтор придает своим соединениям особую стабильность и устойчивость, было высказано предположение о том, что определенные количества его необходимы организму для оптимальной структуры зубов и костей.
В отношении зубов эта гипотеза уже давно подтвердилась. Употребление воды, содержащей около 1 мг/л F (при этом взрослый человек получает в сутки с пищей и водой около 2,0—3,0 мг фтора), в 2—4 раза снижает заболеваемость кариесом. Поступление определенных количеств фтора необходимо для образования резистентной к кариесу эмали. Кроме того, фтор оказывает благоприятное влияние на форму и внешний вид зубов (зубы красивее по форме и цвету), на сроки прорезывания и расположение зубов в зубном ряду, частоту и выраженность поражения периодонта- зубы реже поражаются гипоплазиями эмали [37, 160]. Противокариозная роль фтора доказана как клинико-эпидемиологическими исследованиями в городах с разной KF-, так и в экспериментах на животных (детальное описание см. в главе IV). В итоге многие считают, что одного только признания значения фтора для зубочелюстной системы вполне достаточно, чтобы причислить его к биоэлементам.
Но физиологическая роль фтора не исчерпывается пластической функцией. Концентрируясь у ростковых участков зубов и костей, фтор оказывает стимулирующее влияние на их формирование путем воздействия и на органическую матрицу, и на процесс ее минерализации. Лишь в последние годы выявилось, что те концентрации фтора, которые имеются в костной ткани, усиливают инкорпорацию вновь синтезируемого коллагена и замедляют резорбцию матрицы [219]. L. Michaelis (1935) одним из первых высказал предположение, что фтор способствует связыванию тканями фосфата кальция, являясь биокатализатором процесса минерализации. Он предложил применять большие дозы фтора (0,5—1 мг на 1 кг. массы тела в сутки в течение многих месяцев) с терапевтической целью при остеопорозе, остеомаляции и других заболеваниях, протекающих с нарушением минерализации костей, что и в настоящее время используется для лечения сенильного, «гепаринового» и «кортикоидного» остеопороза. Кстати, следует отметить, что длительное (до 2 лет) применение столь больших доз фтора не вызывает выраженных явлений фторинтоксикации.
Развивая эти идеи, И. Г. Лукомский [81], Р. Д. Габович с соавт. [39], R. Odell, I. Kay [цнт. по 37] и др. показали, что фтор ускоряет репаративные процессы при экспериментальных переломах костей. Наблюдения Р. Д. Габовича и П. Н. Майструка [82], а также ряда американских исследователей [161] свидетельствуют о том, что в I -городах у детей реже встречаются случаи задержки окостенения и остеопороза костей, чем в 0,1-городах.
Если в ранние годы жизни фтор необходим для лучшей и своевременной минерализации зубов и костей, то в старшем возрасте он нужен для сохранения минерализации костей и предупреждения сенильного остеопороза, который нередко приводит к перелому шейки бедренной кости и повреждению позвонков. Рентгенологические исследования в Северной Дакоте (США) показали, что в 0,15—0,3-городах среди женщин в 2 раза чаще наблюдаются случаи старческого остеопороза и в 4 раза чаще повреждения позвонков, чем в населенных пунктах с высокой KF- (2,4—5,8 мг/л). Это объясняют тем, что фтор в определенных дозах тормозит резорбтивную фазу перестройки кости и стимулирует кальцификацию. Поэтому делались попытки включить в диету космонавтов NaF, чтобы предупредить потерю кальция скелетом в условиях невесомости и гиподинамии. Интересно и то, что в 0,15—0,3-го- родах примерно в 2 раза чаще наблюдались случаи кальцификации аорты. Не исключено, что фтор, стабилизируя кость, предупреждает вымывание из нее кальция и отложение его в аорте- другие авторы объясняют это взаимодействием фтора и магния [160]. Фтор в определенных дозах оказывает благоприятное влияние на минерализацию костной ткани как при экспериментальном рахите, так и при гипервитаминозе D [37, 167]. Механизмы влияния фтора на процесс минерализации пока еще не раскрыты [101,146]. В последние годы все больше внимания уделяют изучению воздействия фтора на процессы кристаллизации минеральных веществ в твердых тканях организма [277]. Выявилось, что в юной кости отношение Са/Р не соответствует, как считалось, гидроксил апатиту (имеется «дефицит кальция»)- предполагают наличие в них октакальций фосфата. Лишь постепенно «дефицит кальция» уменьшается и кость приобретает более прочную структуру из гидроксил- и фтор-апатита.
По данным Neveseli (1968), образование гидроксил-апатитовой структуры in vivo невозможно при отсутствии определенных количеств фтора, входящего в ядра кристаллизации или другим образом воздействующего на их образование. Действительно, в опытах in vitro фтор в невысоких концентрациях (0,14 мг/л) стимулирует минерализацию коллагена, в особенности при недостатке кальция. Установлено, что в присутствии фтора образуются более крупные кристаллы апатита, в которых на единицу объема приходится меньше ионов карбоната и особенно цитрата, а они то и ускоряют процессы резорбции минеральных солей. Доказано, что сила водородных связей между протеином органической матрицы и минеральной субстанцией возрастает при замене гидроксила фтором.
Изложенное, несомненно, свидетельствует о значении небольших количеств фтора в физиологии твердых тканей человеческого организма, т. е. достаточно, чтобы признать фтор биоэлементом. По данным Neveseli, фтор является 7-м биоэлементом после Си, Zn, Fe, Mn, 1, Co. Однако имеющиеся данные не позволяют еще сделать определенного вывода о жизненной необходимости фтора и характера действия различных количеств его. Лишь более фундаментальное изучение морфологии и других свойств костей, особенностей окостенения, деформаций скелета, распространения остеопороза, остеосклероза и другой патологии скелета (включая возрастные изменения) в местах с разной KF- даст возможность более уверенно ответить на эти вопросы.
2. Значение фтора для других тканей организма и некоторых физиологических функций
На следующем месте после костей и зубов по содержанию фтора находится группа тканей эктодермального происхождения: волосы, ногти, эпидермис. Еще Gotie полагал, что фтор играет роль стабилизатора и уплотнителя при вхождении в структуры этих тканей. Имеются сведения о том, что определенные количества фтора оказывают благоприятное действие на рост волос (шерсти у животных) и ногтей [162].
С 30-х годов был проведен ряд оригинальнейших по методике выполнения экспериментальных работ, авторы которых, вскармливая животных F-дефицитным кормом, планировали доказать жизненно важную роль этого микроэлемента. С этой целью изучались те интегральные функции организма, которые обычно нарушаются при дефиците в пище биоэлементов или витаминов, т. е. рост, репродукция, кроветворение. Эти работы, детально изложенные в, долго не давали четкого ответа на поставленный вопрос, и лишь в последние годы были получены более определенные результаты. Установлено [257], что снижение содержания фтора в синтетическом корме крыс до 0,04—0,4 мг/кг (в обычном корме содержится 40— 60 мг/кг) приводит к задержке роста животных. Добавление к корму фтора в количестве 1 мг/кг ускоряло рост крыс на 17%, а 2,5 мг/кг —на 30,8%. Рентгенографическими и биометрическими исследованиями было также доказано, что фтор улучшает развитие скелета. В итоге экспериментаторы признали фтор жизненно важным элементом. Показано [215, 217, 218], что употребление самками мышей корма с 0,005 мг/кг F привело во второй генерации к бесплодию мышей, а также к анемии у беременных самок и молодых крысят в период особо быстрого роста (т. е. в период вскармливания). Добавление фтора к рациону оказывало нормализующее действие. Нарушение генеративной функции у животных при фтордефицитном корме объясняют изменениями в эстральном цикле или сексуальной функции, а положительное влияние фтора на кроветворение — лучшим усвоением железа [1, 64, 93, 216]. Р. Д. Габович, Н. А. Михалюк и А. С. Касьяненко у животных, употреблявших воду с I мг/л F-, установили лучшее усвоение железа, а также повышение уровня Fe и Си в крови.
Кроме того, имеются данные, что употребление воды с 1 мг/л F- улучшает иммунобиологическую реактивность, а также показатели ряда других физиологических функций [37]. В ряде работ В. А. Книжникова показано, что определенные дозы одного фтора или фтора в сочетании с кальцием положительно влияют на устойчивость организма к радиационному поражению, вызываемому гамма-облучением или инкорпорацией Sr.
Таким образом, несмотря на фрагментарность, современная научная информация позволяет рассматривать фтор как биоэлемент. Потребность организма человека в нем составляет предположительно около 0,03 мг на 1 кг массы тела для взрослых и 0,15— 0,1 мг/кг для детей. Примерно эти количества фтора поступают в организм при употреблении воды с 1 мг/л F. Задача дальнейших научных исследований в этой области состоит в том, чтобы создать из отдельных фрагментов цельное и стройное учение о физиологической роли фтора и установить оптимальную потребность в нем на различных этапах онтогенеза.
