Фтор в организме человека и его обмен - гигиенические проблемы фторирования питьевой воды
Глава II
Фтор в организме человека и его обмен
Сведения об обмене и межорганном распределении любого микроэлемента являются необходимой основой для суждения о его физиологическом действии в зависимости от условий поступления в организм (суточная доза, режим и длительность поступления и др.). Для представления об обмене фтора требуются сведения о всасывании, ассимиляции тканями и выведение его из организма [263].
1. Всасывание фтора в пищеварительном тракте
Резорбция фтора в пищеварительном тракте [37, 160, 245] зависит от: 1) типа фторсодержащего соединения (неорганическое, органическое и др.), его агрегатного состояния, растворимости и диссоциации- 2) количества поступающего фтора- 3) вида и количества сопровождающих (с водой или пищей) соединений- 4) особенностей питания- 5) физиологического состояния организма, возраста.
Хорошо растворимые неорганические соединения фтора быстро всасываются, частично еще в полости рта, но в основном в желудке (30—40%- желудочный сок способствует растворению многих фторсодержащих соединений) и кишечнике (60—70%). В зависимости от условий максимальный подъем уровня фтора в крови наблюдается через 1—3 ч после введения per os. Скорость всасывания зависит и от дозы фтора. Так, если было введено в растворе 0,2 мг фтора (в виде NaF), то через 1 ч резорбировалось 50%, через 1ч — 70%, через l ч — 85%, а при введении 1 мг через 1 ч резорбировалось лишь 29%.
Большинство авторов считают, что в основе механизма всасывания фтора лежат обычные процессы диффузии (через мембраны желудочной и кишечной стенок), скорость которой определяется градиентом концентрации фтора: пищеварительный тракт—кровь. Действительно, при повышении уровня фтора в крови (большая доза, двусторонняя нефрэктомия) резорбция его в кишечнике замедляется. С другой стороны, имеются работы, свидетельствующие о том, что нельзя абсолютизировать значение диффузии.
По-видимому, неорганические соединения всасываются в основном неизмененными, а часть органических— лишь после расщепления в пищеварительном тракте. Резорбция фтора зависит от растворимости соединений: чем выше растворимость, тем больше процент резорбции (костная мука —37—54%, CaF2— 62%, криолит — 77%, фтор пищи — 80%, NaF—96%). Если же соединения фтора поступают в растворенном виде, то по резорбции фтора они мало различаются между собой: раствор криолита-—93%, CaF2 — 96%, NaF-—97%. Интересно, что физиологически инертные комплексные соединения фтора с ковалентной связью (KPF6, KBrF и др.) всасываются даже быстрее, чем физиологически активные фториды, и выделяются с мочой, не изменяясь и не задерживаясь в организме. Поскольку природные вода являются сильно разбавленными растворами, резорбция содержащегося в них фтора происходит на 90—97%. Вагнер установил, что Са—до 200 мг/л, Mg — до 160, Fe — до 20, Р04 —до 80 мг/л в отдельности не влияют на резорбцию фтора, ио при совместном поступлении снижают ее. Присутствие в пище или воде больших количеств кальция, магния, алюминия вследствие образования с фтором малорастворимых соединений ухудшает усвоение фтора, а наличие РО4, Fe, SO42-, Мо улучшает его.
Фтор пищи всасывается медленнее и хуже, чем фтор воды, примерно на 20%. Даже фтор жидких продуктов (молоко и др.) усваивается на 5—10~% меньше, чем воды, и медленнее. Даже если добавить раствор NaF к пище, то всасывание его снизится на 15—20%, а иногда и на 30%.
II. 2. Содержание фтора в крови
Из пищеварительного тракта фтор поступает в кровь. В гомеостатическом механизме, ответственном за поддержание определенного уровня фтора в крови, первостепенная роль принадлежит костям, депонирующим фтор, и почкам (а отчасти и коже), выделяющим его.
О состоянии, в котором находится фтор плазмы, мнения разноречивы. Одно несомненно, что часть фтора (по разным данным, от 15 до 50%) находится в ионизированном состоянии, а другая часть связана с альбуминами- полагают, что Са играет роль медиатора, связующего их. Venkateswarlu [286] показал, что в крови человека фторальбумина значительно больше, чем у животных- он может содержать до 50—55% фтора плазмы. По [160], 75—90% F плазмы легко диализируется.
Большинство современных исследователей полагают, что концентрация фтора в крови людей из 0,1—0,3- населенных пунктов колеблется в пределах 0,03— 0,15 мг/л, но авторы, использовавшие газохроматографический метод, приводят более низкие величины: 0,025—0,06мг/л [140]. Если человеку перорально вводилось одномоментно 2 мг F (в виде NaF), то через 30 мин концентрация фтора в крови достигала максимума (0,35 мг/л), а через 8 ч уменьшилась до 0,06мг/л. Если же 2 мг F вводились в 4 приема по 0,5 мг с интервалами 3—4 ч (имитация водопотребления), то концентрация фтора даже после четвертого приема не превышала 0,085 мг/л (Р. Д. Габович). В Индии у лиц с тяжелым флюорозом скелета находили фтора в крови от 0,8 до 3,2 мг/л, в среднем 1,5 мг/л, а у лиц с флюорозом скелета и выраженными неврологическими расстройствами-—в среднем 2 мг/л. Имеется мнение [251], что биологически значимые нарушения активности ферментов в организме человека начинаются лишь после того, как концентрация фтора в крови достигает 0,3 мг/л (критическая величина).
II. 3. Содержание фтора в мягких тканях
Из крови фтор диффундирует в интерстициальную жидкость до приблизительного уравнения концентрации между ними. Проникновение фтора через гематоэнцефалический барьер затруднено, ввиду чего в спинномозговой жидкости концентрация фтора примерно в 2 раза меньше, чем в крови. F из межтканевой жидкости быстро диффундирует через оболочки клеток в интрацеллюлярную среду, где обнаруживается в двух состояниях: 1) ионизированном, мобильном, способном к обмену и диффузии, в этом состоянии F меньше, чем в крови, 2) иенонизированном, связанном, слабомобильном. Отношение количества неионизированного фтора (а оно, по-видимому, тем больше, чем больше в клетке Са) к ионизированному определяет величину депонирования F в ткани. При снижении концентрации F в крови начинается обратный процесс диффузии его из ткани в кровь.
Из данных, приведенных в табл. 5, видно, что наименьшие концентрации фтора (0,5—1 мг/кг) определяют в мягких тканях, значительно большие — в коже и эпидермальных образованиях (3—50 мг/кг) и максимальные— в твердых тканях (200 и более мг/кг). Из мягких тканей исключением являются стенки аорты, обычно содержащие до 0,5—2 мг/кг, а при обызвествлении— до 40 мг/кг и более (см. табл. 5). При хроническом флюорозе концентрация фтора в мягких тканях возрастает очень медленно и незначительно. Нельзя пройти мимо того, что приведенные в табл. 5 величины получены исследователями еще в 50—60-х годах и на небольшом материале. Ввиду этого желательно повторение подобных исследований в больших масштабах и с использованием новейших аналитических приемов.
II. 4. Содержание фтора в костях
Неорганическая часть кости и зубов представляет собой гидроксилапатит Са5[Р04]3[0Н], в котором ион
OН- может in vivo обмениваться на ион НСОз или F. В последнем случае образуется фторапатит, поэтому фактически неорганическая часть костей и зубов состоит из смеси (в различных пропорциях) гидроксил- и фторапатита.
В минеральной фракции костей и зубов фтор включается в кристаллическую решетку, а частично локализуется на поверхности кристаллов. Включение фтора в кристаллы может происходить еще при отложении минеральной фазы на белковую матрицу (при построении кристалла), а также путем гетероионного обмена уже после того, как кристаллы сформированы.
Таблица 5
Содержание фтора (в мг/кг) в тканях человека
Содержание фтора в костях зависит от особенностей организма (возраст, состояние здоровья и др.) и условий существования: суточного поступления фтора, длительности поступления KF, характера питания, УФ-облучения и др. [64, 93, 135]. Фтор лучше откладывается в костях растущего организма, так как в этом случае больше гидратация тканей, лучше кровоснабжение, вследствие малых размеров кристаллов возможен более быстрый внутрикристаллический и поверхностный обмен.
Содержание фтора в костях находится в линейной зависимости от концентрации F- в воде. Так, например, в бедренных костях мужчин 30- 40 лет содержалось: при 0,2 мг/л F- в питьевой воде — 326 мг/кг, при 1мг/л—810, при 1,5 мг/л — 980, при 2,2 мг/л — 1530, при 3,2 мг/л — 2440, при 4,1 мг/л — 3160, при 9 мг/л — 5700 мг/кг (Р. Д. Габович).
В одном и том же скелете фтором богаче кости с преобладанием твердого вещества, например: ребро-— 204 мг/кг, позвонок — 213, большая берцовая кость — 335 мг/кг. Даже в разных участках одной и той же кости (иногда на расстоянии нескольких миллиметров) содержание фтора значительно варьирует. Исследуя послойно бедренную кость от периоста до эндоста, мы нашли в отдельных участках 960, 430, 920, 495, 370, 690, 425 и 370 мг/кг. Больше фтора инкорпорируется в поверхностные и активно растущие участки с лучшим кровоснабжением.
С возрастом кости становятся богаче фтором. Имеется почти линейная зависимость между возрастом, изображенным в логарифмическом масштабе, и количеством фтора в кости. Так, в 0,1—0,3 населенных пунктах в бедренных костях жителей содержалось фтора: плода 3 мес.—16,3 мг/кг, плода 8 мес. — 25,7, ребенка 1 года — 98, 4 лет-—168,7, 10 лет—210, взрослого 20 лет — 310, 30 лет — 385, 40 лет — 440, 50 лет — 520, 60 лет — 605, 70 лет — 660, 80 лет — 680 мг/кг (Р. Д. Габович). Однако даже при постоянном поступлении фтора в организм через определенное время кости как бы «насыщаются» фтором (на самом деле 100% образования фторапатита у человека не бывает) и наступает период динамического равновесия. По мнению ряда исследователей [37, 160], «плато» наступает в 50—55 лет, однако наши наблюдения свидетельствуют о том, что и в старшем возрасте содержание фтора в костях продолжает, хотя и очень медленно, возрастать. Если поступление фтора в организм уменьшается и концентрация его в крови падает, то происходит мобилизация депонированного фтора из костей. Установлены две фазы мобилизации фтора. Первая фаза длится около 1 мес.- в течение этого времени сравнительно быстро выводится фтор, фиксированный на поверхности костных кристаллов. Во второй фазе, когда мобилизуется фтор, находящийся внутри кристаллической решетки, в течение примерно 2 лет выделение фтора уменьшается пропорционально логарифму времени. В экспериментах на животных показано, что содержание фтора в костях в течение 2 лет уменьшается примерно в 2 раза. С возрастом вследствие пониженной скорости обмена веществ темпы мобилизации фтора из костей значительно замедляются.
5. Содержание фтора в зубах
Содержание фтора в зубах представляет особый интерес в связи с противокариозным действием фтора и поражением зубов при эндемическом флюорозе. Наиболее интенсивное включение фтора в состав зубных тканей, как и костей, происходит во время их формирования и минерализации.
По окончании роста и минерализации зубов эмаль и дентин становятся менее проницаемыми для ионов фтора и включение (а также мобилизация) его резко замедляется. Одно это позволяло высказать оправдавшееся предположение, что противокариозное действие фтора должно быть более выраженным, если он начинает поступать в организм еще во время формирования и минерализации зубов. Фтор поступает в ткани зуба гематогенно через пульпу и путем контакта слюны (воды) с поверхностными слоями эмали зубов. В 0,1—0,3-на селенных пунктах содержание фтора в коронке постоянных зубов взрослых лиц обычно колеблется в пределах 80—270 мг/кг, в эмали 70—130, в дентине 140—400 мг/кг (А. А. Минх). Содержание фтора в различных участках эмали одного и того же зуба значительно варьирует (от 50 до 560 мг/кг). Оно также варьирует в зубах одной челюсти, но примерно одинаково в симметричных зубах.
Послойная биопсия выявила, что содержание фтора от поверхности эмали к границе ее с дентином снижается экспоненциально. Так, например, в одном из зубов в поверхностном слое толщиной 30 мкм содержалось фтора 600 мг/кг, на глубине 60 мкм — 270, 100 мкм —170, 150 мкм — 95, 200 мкм — 40, 400 мкм— 25, 600 мкм — 35 мг/кг. Имеются данные, что в поверхностном слое эмали толщиной в 0,5—1 мкм в 0,1-населенных пунктах содержится от 1000 до 4500 мг/кг фтора, а в 1-иаселенных пунктах — на 900—1000 мг больше. Полагают [160], что обогащение фторапатитом поверхностных слоев эмали играет исключительно большую роль в увеличении резистентности зуба к действию кариесогенных факторов. В дентине содержание фтора уменьшается от пульпы к дентино-эмалевой границе, например, с 800 до 200 мг/кг, однако на границе несколько возрастает. С возрастом содержание фтора в коронке зуба растет. В 0,1—0,3 населенных пунктах среднее содержание фтора в коронке зуба составляло в возрасте от 10 до 14 лет 163 мг/кг, от 15 до 24 лет — 228, от 25 до 34 лет — 252, старше 35 лет — 278 мг/кг.
Количество поступающего в организм фтора оказывает на содержание его в зубах большее влияние, чем возраст. Так, по данным наших исследований, в коронке зуба при концентрации фтора в питьевой воде 0,02—0,05 мг/л содержалось его 57—100 мг/кг, при 0,09—0,3 мг/л 99—400, при 1,2 мг/л 220—680, при 2—2,5 мг/л 320—1750, при 4,2 мг/л 810— 1900 мг/кг. Е. Alanen [118] указывает, что у людей из 1-города в коронке зуба в 1,5 раза больше F, чем в 0,1-городе. При одной и той же концентрации F- в воде в местностях с жарким климатом и увеличенным водопотреблением содержание фтора в зубах в 2—3 раза больше.
Наши исследования показали, что содержание фтора в миллиграммах на 1 кг массы в дентине примерно в 2 раза меньше, чем в костях того же человека. Поэтому по содержанию фтора в дентине удаленного зуба можно косвенно судить о накоплении фтора в скелете, что представляет большой интерес для гигиениста и клинициста. Е. Alanen [118] специально изучал содержание фтора в поверхностном слое эмали толщиной 30 мкм. В 0,1 -—0,2-населенных пунктах оно составило 499 мг/кг, в 0,5—1,5-населенных пунктах — 882, в 1,5—2,5-иаселениых пунктах—1230, а в городах, где вода фторировалась (1 мг/л),—1160 мг/кг. Поэтому автор считает, что для проявления защитного действия фторпрофилактики кариеса содержание фтора в поверхностном слое эмали не должно быть ниже 1000—1100 мг/кг.
В молочных зубах фтора меньше, чем в постоянных. С возрастом количество фтора в эмали растет, достигая максимума в 6—8 лет. В дентине до 6—8 лет количество фтора также растет (увеличиваясь почти в 3 раза), а затем снижается, по-видимому, в связи с процессами рассасывания.
Воспользовавшись данными А. Раубера о массе различных органов тела, мы ориентировочно подсчитали содержание фтора в организме человека с массой тела 56 кг, проживающего в 0,1—0,3-населеииом пункте. В костях и зубах содержится 4025 мг фтора, в мышцах — 6.44, коже—12,67, жире — 4,8, внутренних органах — 6,1, крови — 0,3 мг фтора (всего 4045,3 мг). Таким образом, 99,4% фтора находится в твердых тканях.
II. 6. Выведение фтора из организма
Выведение фтора из организма осуществляется главным образом с мочой, а кроме того, с фекалиями, потом, с эпидермальными образованиями (слущивающийся эпителий, ногти, волосы), у кормящей женщины — с грудным молоком.
В деле поддержания F-гомеостаза особую роль играют почки- ренальный механизм чутко (по мнению ряда исследователей, феноменально чутко) реагирует на повышение концентрации фтора в крови усиленным выведением его. Так, при одномоментном поступлении большой дозы фтора примерно половина ее откладывается в костях, а остальное количество быстро выводится с мочой. С ней выделяется за 3 ч 20—25% введенного фтора, за 6 ч 28—32%, за 12 ч 40—42%, за 24 ч 60—65%. Фтор удаляется из крови путем фильтрации в клубочках, а скорость экскреции связана с незначительной тубулярной реабсорбцией фтора (46—77%, в то время как скорость экскреции хлора 99,5% и более).
Содержание фтора в воде,м1/г
Рис. 1. Зависимость концентрации фтора в моче от содержания его в питьевой воде.
Поэтому клиренс фтора в 26—230 раз превышает клиренс хлора, a F может концентрироваться в моче по отношению к плазме в 100 раз больше хлора. Концентрация фтора в моче рабочих фторпроизводств достигала даже 60 мг/л и более [26]. F. A. Smith [262] установил, что если концентрация F в питьевой воде выше в 23 раза, то концентрация его в моче возрастает примерно в 19 раз, а в крови всего в 3 раза.
Выделение с мочой зависит от количества поступившего фтора, степени насыщенности им скелета, возраста и физиологического состояния организма (потение, лактация и др.). Зависимость выделения фтора с мочой от поступления хорошо иллюстрирует рис. 1, из которого, в частности, следует, что при правильном фторировании воды (около 1 мг/л) средняя концентрация фтора в моче жителей должна составлять примерно 1 мг/л. Поскольку с возрастом способность костной ткани к ассимиляции фтора падает, выделение его с мочой возрастает. Если у детей с мочой выделяется от 25 до 40% введенного фтора, то у взрослых — от 50 до 70%. По этой же причине у лиц в возрасте от 30 до 40 лет уже через неделю после начала фторирования воды (ФВ) содержание фтора в моче повышается с 0,2—0,3 до 0,7—0,8 мг/л, а к концу 6-й недели до 0,9—1 мг/л. В том же городе у детей концентрация фтора в моче к концу 6-й недели повысилась только до 0,5 мг/л и лишь к концу 3-го года достигла 0,9 мг/л. Поэтому при контроле за фторированием воды рекомендуют определять содержание фтора в моче взрослых. По средней концентрации фтора в моче жителей можно прогнозировать степень опасности эндемического флюороза. Так, при KF 0,9—1,1 мг/л можно ожидать оптимального противокариозного эффекта, при 1,2—2 мг/л — флюороза зубов I—II степени у детей, более 2 мг/л и более — флюороза зубов III—IV степени и легкого флюороза скелета.
Мобилизуемый из костей фтор также выделяется с мочой. В г. Бартлете (США) после снижения концентрации фтора в водопроводной воде с 8 до 1 мг/л средняя концентрация фтора в моче жителей в течение нескольких лет уменьшалась с 8 до 2 мг/л. Мобилизация фтора и выделение его с мочой примерно пропорциональны логарифму депонированного в скелете количества фтора.
Сведения об особенностях выделения фтора у страдающих заболеваниями почек пока фрагментарны и противоречивы. По-видимому, у больных нефритом легкой или средней тяжести выделение фтора с мочой не нарушено [141, 160]. При тяжелых нефритах и повышенном поступлении фтора в организм можно ожидать ухудшения выделения, повышения уровня фтора в крови и большего отложения в костях [141, 160]. Учитывая большую значимость рассматриваемого вопроса для обоснования безопасности фторирования воды, следует подчеркнуть актуальность более глубокого изучения этого вопроса. Актуально также изучение особенностей выделения фтора с мочой при некоторых других хронических заболеваниях.
С фекалиями выводится неусвоившийся фтор, а также часть фтора, выделяемого с секретами пищеварительного тракта. Из внутривенно введенного F примерно 5% обнаруживается в фекалиях. При пероральном поступлении пищи и воды в фекалиях определяется от 7 до 15%, редко до 30% введенного за сутки фтора.
Выделение фтора с потом для организма весьма существенно, так как при профузной потении снижается диурез и, несмотря на увеличение концентрации фтора в моче, общее количество выделяемого с ней фтора уменьшается. Концентрация фтора в поте выше, чем в крови (0,1—1,8 мг/л в зависимости от поступления). При профузном потении с потом выделяется от 20 до 45% поступившего в организм фтора. Исследовав срезаемые ногти и волосы, мы нашли, что в течение суток с ногтями удаляется в среднем 0,0012, а с волосами — 0,017 мг фтора, т. е. ничтожные величины.
7. Содержание фтора в грудном молоке
Содержание фтора в материнском молоке представляет немалый интерес, поскольку оно является единственной пищей новорожденных. Исследования с F показали, что по мере нарастания его уровня в крови концентрация в грудном молоке также увеличивалась, но всегда оставалась меньшей, чем в крови. В 0,1-городе (суточное поступление фтора 0,82 мг) мы определили среднее содержание фтора: в грудном молоке 0,09 мг/л, в моче 0,42 мг/л, а в 4,1-городе (суточное поступление 5,8 мг) соответственно 0,138 и 4,5мг/л. Таким образом, с увеличением поступления фтора в организм в 7 раз концентрация его в моче увеличивалась более чем в 10 раз (в крови в 2—2,5 раза), а в грудном молоке—только в 1,5 раза. Увеличение количества фтора в корме коров с 5 до 50 мг повысило его концентрацию в молоке с 0,1 мг/л только до 0,4 мг/л. Таким образом, новорожденный организм в известной степени защищен от токсического воздействия фтора. При искусственном вскармливании, когда сухое молоко или питательные смеси разводятся фторированной водой, поступление фтора в организм новорожденного повышается в 10 и более раз. Сухое молоко содержит фтора 0,5—2 мг/кг, большей частью около 1 мг/кг. В грудном молоке до 25% фтора связано с казеином, а большая часть остального — с альбуминами. Фтор молока всасывается медленнее, чем фтор воды, но коэффициент их усвоения почти одинаков.
8. Обмен фтора между матерью и плодом
Большой интерес к транспорту фтора через плаценту вызван желанием выяснить возможность воздействия F питьевой воды на развитие плода, минерализацию зубов и костей в эмбриональном периоде.
Многочисленные исследования, проведенные на животных [37, 141, 160], показали, что плацента активно регулирует поступление фтора в организм плода. Она пропускает лишь до 1 % от количества фтора, введенного самке за время беременности. Основное количество фтора, как и в постнатальном периоде, накапливается в скелете плода. Заслуживает внимания эксперимент, показавший, что в скелете новорожденных крысят от самок, употреблявших воду со 100 мг/л F, содержится всего в 4 раза больше фтора, чем в скелете крысят, рожденных от самок, употреблявших воду с 0,1 мг/л F-. Это объясняется высокой F-гомеостатической способностью организма самки и барьерной функцией плаценты, которая, по-видимому, флюктуирует в процессе беременности. Не лишено интереса, что в идентичных условиях в организме беременной крольчихи меньше фтора, чем у небеременной. Клинические и биохимические наблюдения в целом подтвердили экспериментальные данные. Jsacato описал флюороз молочных зубов у детей, матери которых до родов употребляли воду с 2 мг/л , а после родов с 0,6—0,8 мг/л. По [190], в 0,1-городе в материнской крови содержалось 0,15 мг/кг фтора, в плаценте — 0,12, в крови плода — 0,11, в золе бедренной кости — 50,7, в зубах — 40,8 мг/кг, а в 1-городе соответственно 0,234- 0,288- 0,175- 85,2 и 53,8 мг/кг, т. е. значительно больше. Все изложенное свидетельствует о том, что плацента является для фтора определенным, но все же преодолимым барьером.
