Фтор в організмі людини і його обмін - гігієнічні проблеми фторування питної води

глава II
Фтор в організмі людини і його обмін
Відомості про обмін та межорганную розподілі будь-якого мікроелемента є необхідною основою для судження про його фізіологічну дію в залежності від умов надходження в організм (добова доза, режим і тривалість надходження та ін.). Для уявлення про обмін фтору потрібні відомості про всмоктування, асиміляції тканинами і виведення його з організму [263].

1. 1. Всмоктування фтору в травному тракті

Резорбція фтору в травному тракті [37, 160, 245] залежить від: 1) типу фторсодержащего з`єднання (неорганічне, органічне і ін.), Його агрегатного стану, розчинності і діссоціаціі- 2) кількості надходить фтора- 3) виду і кількості супроводжуючих ( з водою або їжею) сполук-4) особливостей харчування-5) фізіологічного стану організму, віку.

Добре розчинні неорганічні сполуки фтору швидко всмоктуються, частково ще в порожнині рота, але в основному в шлунку (30-40% - шлунковий сік сприяє розчиненню багатьох фторсодержащих з`єднань) і кишечнику (60-70%). Залежно від умов максимальний підйом рівня фтору в крові спостерігається через 1-3 години після введення per os. Швидкість всмоктування залежить і від дози фтору. Так, якщо було введено в розчині 0,2 мг фтору (у вигляді NaF), то через 1 год резорбироваться 50%, через 1 год - 70%, через l ч - 85%, а при введенні 1 мг через 1 год резорбироваться лише 29 %.

Більшість авторів вважають, що в основі механізму всмоктування фтору лежать звичайні процеси дифузії (через мембрани шлункової і кишкової стінок), швидкість якої визначається градієнтом концентрації фтору: травний тракт-кров. Дійсно, при підвищенні рівня фтору в крові (велика доза, двостороння нефректомія) резорбція його в кишечнику сповільнюється. З іншого боку, є роботи, які свідчать про те, що не можна абсолютизувати значення дифузії.
Мабуть, неорганічні сполуки всмоктуються в основному незміненими, а частина органіческіх- лише після розщеплення в травному тракті. Резорбція фтору залежить від розчинності з`єднань: чим вище розчинність, тим більше відсоток резорбції (кісткове борошно -37-54%, CaF2- 62%, кріоліт - 77%, фтор їжі - 80%, NaF-96%). Якщо ж сполуки фтору надходять в розчиненому вигляді, то по розробці фтору вони мало відрізняються між собою: розчин криолита - 93%, CaF2 - 96%, NaF - 97%. Цікаво, що фізіологічно інертні комплексні сполуки фтору з ковалентним зв`язком (KPF6, KBrF і ін.) Всмоктуються навіть швидше, ніж фізіологічно активні фториди, і виділяються з сечею, що не змінюючись і не затримуючись в організмі. Оскільки природні вода є сильно розведеними розчинами, резорбція міститься в них фтору відбувається на 90-97%. Вагнер встановив, що Са-до 200 мг / л, Mg - до 160, Fe - до 20, Р04 -до 80 мг / л окремо не впливають на резорбцію фтору, в.о. при спільному надходженні знижують її. Присутність в їжі або воді великої кількості кальцію, магнію, алюмінію внаслідок утворення з фтором малорозчинних з`єднань погіршує засвоєння фтору, а наявність РО4, Fe, SO42-, Мо покращує його.
Фтор їжі всмоктується повільніше і гірше, ніж фтор води, приблизно на 20%. Навіть фтор рідких продуктів (молоко та ін.) Засвоюється на 5-10 ~% менше, ніж води, і повільніше. Навіть якщо додати розчин NaF до їжі, то всмоктування його знизиться на 15-20%, а іноді і на 30%.

II. 2. Вміст фтору в крові

З травного тракту фтор надходить в кров. У гомеостатическом механізмі, відповідальному за підтримку певного рівня фтору в крові, першорядна роль належить кістках, що депонують фтор, і ниркам (а почасти й шкірі), що виділяють його.
Про стан, в якому знаходиться фтор плазми, думки суперечливі. Одне безсумнівно, що частина фтору (за різними даними, від 15 до 50%) знаходиться в іонізованому стані, а інша частина пов`язана з альбумінамі- вважають, що Са грає роль медіатора, сполучного їх. Venkateswarlu [286] показав, що в крові людини фторальбуміна значно більше, ніж у тварин-він може містити до 50-55% фтору плазми. За [160], 75-90% F плазми легко діалізується.
Більшість сучасних дослідників вважають, що концентрація фтору в крові людей з 0,1-0,3- населених пунктів коливається в межах 0,03- 0,15 мг / л, але автори, які брали газохроматографічний метод, призводять нижчі величини: 0,025- 0,06мг / л [140]. Якщо людині перорально вводилося одномоментно 2 мг F (у вигляді NaF), то через 30 хв концентрація фтору в крові досягала максимуму (0,35 мг / л), а через 8 ч зменшилася до 0,06мг / л. Якщо ж 2 мг F вводилися в 4 прийоми по 0,5 мг з інтервалами 3-4 год (імітація водоспоживання), то концентрація фтору навіть після четвертого прийому не перевищувала 0,085 мг / л (Р. Д. Габович). В Індії в осіб з важким флюорозом скелета знаходили фтору в крові від 0,8 до 3,2 мг / л, в середньому 1,5 мг / л, а в осіб з флюорозом скелета і вираженими неврологічними розладами - в середньому 2 мг / л. Є думка [251], що біологічно значущі порушення активності ферментів в організмі людини починаються лише після того, як концентрація фтору в крові досягає 0,3 мг / л (критична величина).

II. 3. Вміст фтору в м`яких тканинах

З крові фтор дифундує в інтерстиціальну рідину до приблизного рівняння концентрації між ними. Проникнення фтору через гематоенцефалічний бар`єр утруднено, через що в спинномозковій рідині концентрація фтору приблизно в 2 рази менше, ніж в крові. F з міжтканинної рідини швидко дифундує через оболонки клітин в інтрацелюлярна середу, де виявляється в двох станах: 1) іонізованому, мобільному, здатному до обміну і дифузії, в цьому стані F менше, ніж в крові, 2) іенонізірованном, пов`язаному, слабомобільном. Відношення кількості неионизированного фтору (а воно, мабуть, тим більше, чим більше в клітці Са) до іонізованого визначає величину депонування F в тканини. При зниженні концентрації F в крові починається зворотний процес дифузії його з тканини в кров.
З даних, наведених в табл. 5, видно, що найменші концентрації фтору (0,5-1 мг / кг) визначають в м`яких тканинах, значно більші - в шкірі і епідермальних утвореннях (3-50 мг / кг) і максимальні в твердих тканинах (200 і більше мг / кг). З м`яких тканин винятком є стінки аорти, зазвичай містять до 0,5-2 мг / кг, а при обизвествленіі- до 40 мг / кг і більше (див. Табл. 5). При хронічному флюорозе концентрація фтору в м`яких тканинах зростає дуже повільно і незначно. Не можна пройти повз того, що наведені в табл. 5 величини отримані дослідниками ще в 50-60-х роках і на невеликому матеріалі. Зважаючи на це бажано повторення подібних досліджень в великих масштабах і з використанням новітніх аналітичних прийомів.

II. 4. Вміст фтору в кістках

Неорганічна частина кістки і зубів являє собою гідроксилапатит Са5 [Р04] 3 [0Н], в якому іон
OН- може in vivo обмінюватися на іон НСОз або F. У останньому випадку утворюється фторапатит, тому фактично неорганічна частина кісток і зубів складається з суміші (в різних пропорціях) гідроксіл- і фторапатита.
У мінеральної фракції кісток і зубів фтор включається в кристалічну решітку, а частково локалізується на поверхні кристалів. Включення фтору в кристали може відбуватися ще при відкладенні мінеральної фази на білкову матрицю (при побудові кристала), а також шляхом гетероіонного обміну вже після того, як кристали сформовані.

Таблиця 5
Вміст фтору (в мг / кг) в тканинах людини

Вміст фтору в кістках залежить від особливостей організму (вік, стан здоров`я та ін.) І умов існування: добового надходження фтору, тривалості надходження KF, характеру харчування, УФ-опромінення і ін. [64, 93, 135]. Фтор краще відкладається в кістках, що росте, так як в цьому випадку більше гідратація тканин, покращують кровопостачання, внаслідок малих розмірів кристалів можливий швидший внутрікристалічної і поверхневий обмін.
Вміст фтору в кістках знаходиться в лінійній залежності від концентрації F- в воді. Так, наприклад, в стегнових кістках чоловіків 30- 40 років містилося: при 0,2 мг / л F- в питній воді - 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 одному і тому ж скелеті фтором багатшими кістки з переважанням твердої речовини, наприклад: ребро-- 204 мг / кг, хребець - 213, велика гомілкова кістка - 335 мг / кг. Навіть в різних ділянках однієї й тієї ж кістки (іноді на відстані кількох міліметрів) вміст фтору значно варіює. Досліджуючи пошарово стегнову кістку від периоста до ендоста, ми знайшли в окремих ділянках 960, 430, 920, 495, 370, 690, 425 і 370 мг / кг. Більше фтору инкорпорируется в поверхневі і активно зростаючі ділянки з найкращим кровопостачанням.
З віком кістки стають багатшими фтором. Є майже лінійна залежність між віком, зображеним в логарифмічному масштабі, і кількістю фтору в кістки. Так, в 0,1-0,3 населених пунктах в стегнових кістках жителів містилося фтору: плода 3 міс.-16,3 мг / кг, плода 8 міс. - 25,7, дитини 1 року - 98, 4 років - 168,7, 10 років-210, дорослого 20 років - 310, 30 років - 385, 40 років - 440, 50 років - 520, 60 років - 605, 70 років - 660, 80 років - 680 мг / кг (Р. Д. Габович). Однак навіть при постійному надходженні фтору в організм через певний час кістки як би «насичуються» фтором (насправді 100% освіти фторапатита у людини не буває) і настає період динамічної рівноваги. На думку ряду дослідників [37, 160], «плато» настає в 50-55 років, проте наші спостереження свідчать про те, що і в старшому віці вміст фтору в кістках продовжує, хоча і дуже повільно, зростати. Якщо надходження фтору в організм зменшується і концентрація його в крові падає, то відбувається мобілізація депонованого фтору з кісток. Встановлено дві фази мобілізації фтору. Перша фаза триває близько 1 мес.- протягом цього часу порівняно швидко виводиться фтор, фіксований на поверхні кісткових кристалів. У другій фазі, коли мобілізується фтор, що знаходиться всередині кристалічної решітки, протягом приблизно 2 років виділення фтору зменшується пропорційно логарифму часу. В експериментах на тваринах показано, що вміст фтору в кістках протягом 2 років зменшується приблизно в 2 рази. З віком внаслідок зниженої швидкості обміну речовин темпи мобілізації фтору з кісток значно сповільнюються.

5. Вміст фтору в зубах

Вміст фтору в зубах представляє особливий інтерес у зв`язку з протівокаріозним дією фтору і поразкою зубів при ендемічному флюорозе. Найбільш інтенсивне включення фтору до складу зубних тканин, як і кісток, відбувається під час їх формування і мінералізації.
Після закінчення росту і мінералізації зубів емаль і дентин стають менш проникними для іонів фтору і включення (а також мобілізація) його різко сповільнюється. Одне це дозволяло висловити виправдати припущення, що противокариозное дію фтору повинно бути більш вираженим, якщо він починає надходити в організм ще під час формування і мінералізації зубів. Фтор надходить в тканини зуба гематогенно через пульпу і шляхом контакту слини (води) з поверхневими шарами емалі зубів. В 0,1-0,3-на населених пунктах вміст фтору в коронці постійних зубів дорослих осіб зазвичай коливається в межах 80-270 мг / кг, в емалі 70-130, в дентині 140-400 мг / кг (А. А. Мінх). Вміст фтору в різних ділянках емалі одного і того ж зуба значно варіює (від 50 до 560 мг / кг). Воно також варіює в зубах однієї щелепи, але приблизно однаково в симетричних зубах.
Пошарова біопсія виявила, що вміст фтору від поверхні емалі до кордону її з дентином знижується експоненціально. Так, наприклад, в одному з зубів в поверхневому шарі товщиною 30 мкм містилося фтору 600 мг / кг, на глибині 60 мкм - 270, 100 мкм -170, 150 мкм - 95, 200 мкм - 40, 400 мкм- 25, 600 мкм - 35 мг / кг. Є дані, що в поверхневому шарі емалі товщиною в 0,5-1 мкм в 0,1-населених пунктах міститься від 1000 до 4500 мг / кг фтору, а в 1-іаселенних пунктах - на 900-1000 мг більше. Вважають [160], що збагачення фторапатитом поверхневих шарів емалі відіграє винятково велику роль в збільшенні резистентності зуба до дії каріесогенних факторів. У дентині вміст фтору зменшується від пульпи до дентину-емалевої межі, наприклад, з 800 до 200 мг / кг, однак на кордоні дещо зростає. З віком вміст фтору в коронці зуба зростає. В 0,1-0,3 населених пунктах середній вміст фтору в коронці зуба становило у віці від 10 до 14 років 163 мг / кг, від 15 до 24 років - 228, від 25 до 34 років - 252, старше 35 років - 278 мг / кг.
Кількість що надходить в організм фтору надає на утримання його в зубах більший вплив, ніж вік. Так, за даними наших досліджень, в коронці зуба при концентрації фтору в питній воді 0,02-0,05 мг / л містилося його 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] вказує, що у людей з 1-міста в коронці зуба в 1,5 рази більше F, ніж в 0,1-місті. При одній і тій же концентрації F- в воді в місцевостях з жарким кліматом і збільшеним водоспоживання вміст фтору в зубах в 2-3 рази більше.
Наші дослідження показали, що вміст фтору в міліграмах на 1 кг маси в дентині приблизно в 2 рази менше, ніж в кістках того ж людини. Тому за змістом фтору в дентині видаленого зуба можна побічно судити про накопичення фтору в скелеті, що представляє великий інтерес для гігієніста і клініциста. Е. Alanen [118] спеціально вивчав вміст фтору в поверхневому шарі емалі товщиною 30 мкм. В 0,1 --0,2-населених пунктах воно склало 499 мг / кг, в 0,5-1,5-населених пунктах - 882, в 1,5-2,5-іаселеніих пунктах-1 230, а в містах , де вода фторованими (1 мг / л), - 1160 мг / кг. Тому автор вважає, що для прояву захисної дії фторпрофилактики карієсу вміст фтору в поверхневому шарі емалі не повинно бути нижче 1000-1100 мг / кг.
У молочних зубах фтору менше, ніж в постійних. З віком кількість фтору в емалі зростає, досягаючи максимуму в 6-8 років. У дентині до 6-8 років кількість фтору також зростає (збільшуючись майже в 3 рази), а потім знижується, мабуть, у зв`язку з процесами розсмоктування.

Скориставшись даними А. Раубера силу-силенну різних органів тіла, ми орієнтовно підрахували вміст фтору в організмі людини з масою тіла 56 кг, що проживає в 0,1-0,3-населеііом пункті. У кістках і зубах міститься 4025 мг фтору, в м`язах - 6.44, шкірі-12,67, жирі - 4,8, внутрішніх органах - 6,1, крові - 0,3 мг фтору (всього 4045,3 мг). Таким чином, 99,4% фтору знаходиться в твердих тканинах.

II. 6. Виведення фтору з організму

Виведення фтору з організму здійснюється головним чином з сечею, а крім того, з фекаліями, потом, з епідермальними утвореннями (злущуються епітелій, нігті, волосся), у годуючої жінки - з грудним молоком.
У справі підтримки F-гомеостазу особливу роль грають нирки- ренальний механізм чуйно (на думку ряду дослідників, феноменально чуйно) реагує на підвищення концентрації фтору в крові посиленим виведенням його. Так, при одномоментному надходженні великої дози фтору приблизно половина її відкладається в кістках, а решта швидко виводиться з сечею. З нею виділяється за 3 год 20-25% введеного фтору, за 6 год 28-32%, за 12 год 40-42%, за 24 год 60-65%. Фтор видаляється з крові шляхом фільтрації в клубочках, а швидкість екскреції пов`язана з незначною тубулярной реабсорбцией фтору (46-77%, в той час як швидкість екскреції хлору 99,5% і більше).

Вміст фтору у воді, м1 / г
Мал. 1. Залежність концентрації фтору в сечі від змісту його в питній воді.
Тому кліренс фтору в 26-230 разів перевищує кліренс хлору, a F може концентруватися в сечі по відношенню до плазми в 100 разів більше хлору. Концентрація фтору в сечі робочих фторпроізводств досягала навіть 60 мг / л і більше [26]. F. A. Smith [262] встановив, що якщо концентрація F в питній воді вище в 23 рази, то концентрація його в сечі зростає приблизно в 19 разів, а в крові всього в 3 рази.    

Виділення з сечею залежить від кількості надійшов фтору, ступеня насиченості їм скелета, віку і фізіологічного стану організму (потіння, лактація і ін.). Залежність виділення фтору з сечею від надходження добре ілюструє рис. 1, з якого, зокрема, випливає, що при правильному фторування води (близько 1 мг / л) середня концентрація фтору в сечі жителів повинна складати приблизно 1 мг / л. Оскільки з віком здатність кісткової тканини до асиміляції фтору падає, виділення його з сечею зростає. Якщо у дітей з сечею виділяється від 25 до 40% введеного фтору, то у дорослих - від 50 до 70%. З цієї ж причини у осіб у віці від 30 до 40 років вже через тиждень після початку фторування води (ФВ) вміст фтору в сечі підвищується з 0,2-0,3 до 0,7-0,8 мг / л, а до кінця 6-го тижня до 0,9-1 мг / л. У тому ж місті у дітей концентрація фтору в сечі до кінця 6-го тижня підвищилася тільки до 0,5 мг / л і лише до кінця 3-го року досягла 0,9 мг / л. Тому при контролі за фторированием води рекомендують визначати вміст фтору в сечі дорослих. За середньої концентрації фтору в сечі жителів можна прогнозувати ступінь небезпеки ендемічного флюорозу. Так, при KF 0,9-1,1 мг / л можна очікувати оптимального противокариозного ефекту, при 1,2-2 мг / л - флюорозу зубів I-II ступеня у дітей, більше 2 мг / л і більше - флюорозу зубів III -IV ступеня і легкого флюорозу скелета.
Мобілізуються з кісток фтор також виділяється з сечею. У м Бартлетом (США) після зниження концентрації фтору у водопровідній воді з 8 до 1 мг / л середня концентрація фтору в сечі жителів протягом декількох років зменшувалася з 8 до 2 мг / л. Мобілізація фтору і виділення його з сечею приблизно пропорційні логарифму депонированного в скелеті кількості фтору.

Відомості про особливості виділення фтору у страждають захворюваннями нирок поки фрагментарні і суперечливі. Мабуть, у хворих нефритом легкої або середньої тяжкості виділення фтору з сечею не порушено [141, 160]. При важких нефриті і підвищеному надходженні фтору в організм можна очікувати погіршення виділення, підвищення рівня фтору в крові і більшого відкладення в кістках [141, 160]. З огляду на велику значимість даного питання для обґрунтування безпеки фторування води, слід підкреслити актуальність глибшого вивчення цього питання. На часі також вивчення особливостей виділення фтору з сечею при деяких інших хронічних захворюваннях.
З фекаліями виводиться неусвоівшійся фтор, а також частина фтору, який виділяється з секретами травного тракту. З внутрішньовенно введеного F приблизно 5% виявляється у фекаліях. При пероральному надходженні їжі і води в фекаліях визначається від 7 до 15%, рідко до 30% введеного за добу фтору.
Виділення фтору з потім для організму має велике значення, так як при профузной потении знижується діурез і, незважаючи на збільшення концентрації фтору в сечі, загальна кількість виділяється з нею фтору зменшується. Концентрація фтору в поті вище, ніж в крові (0,1-1,8 мг / л в залежності від надходження). При профузном потении з потом виділяється від 20 до 45% надходження в організм фтору. Дослідивши зрізані нігті і волосся, ми знайшли, що протягом доби з нігтями видаляється в середньому 0,0012, а з волоссям - 0,017 мг фтору, т. Е. Нікчемні величини.

7. Вміст фтору в грудному молоці

Вміст фтору в материнському молоці представляє чималий інтерес, оскільки воно є єдиною їжею новонароджених. Дослідження з F показали, що в міру наростання його рівня в крові концентрація в грудному молоці також збільшувалася, але завжди залишалася меншою, ніж в крові. У 0,1-місті (добове надходження фтору 0,82 мг) ми визначили середній вміст фтору: в грудному молоці 0,09 мг / л, в сечі 0,42 мг / л, а в 4,1-місті (добове надходження 5,8 мг) відповідно 0,138 і 4,5мг / л. Таким чином, зі збільшенням надходження фтору в організм в 7 разів концентрація його в сечі збільшувалася більш ніж в 10 разів (в крові в 2-2,5 рази), а в грудному молоці-тільки в 1,5 рази. Збільшення кількості фтору в кормі корів з 5 до 50 мг підвищило його концентрацію в молоці з 0,1 мг / л тільки до 0,4 мг / л. Таким чином, новонароджений організм до певної міри захищений від токсичного впливу фтору. При штучному вигодовуванні, коли сухе молоко або поживні суміші розводяться фторированной водою, надходження фтору в організм новонародженого підвищується в 10 і більше разів. Сухе молоко містить фтору 0,5-2 мг / кг, здебільшого близько 1 мг / кг. У грудному молоці до 25% фтору пов`язано з казеїном, а велика частина решти - з альбумінами. Фтор молока всмоктується повільніше, ніж фтор води, але коефіцієнт їх засвоєння майже однаковий.

8. Обмін фтору між матір`ю і плодом

Великий інтерес до транспорту фтору через плаценту викликаний бажанням з`ясувати можливість впливу F питної води на розвиток плода, мінералізацію зубів і кісток в ембріональному періоді.
Численні дослідження, проведені на тваринах [37, 141, 160], показали, що плацента активно регулює надходження фтору в організм плоду. Вона пропускає лише до 1% від кількості фтору, введеного самці за час вагітності. Основна кількість фтору, як і в постнатальному періоді, накопичується в скелеті плода. Заслуговує на увагу експеримент, який показав, що в скелеті новонароджених щурят від самок, які вживали воду з 100 мг / л F, міститься всього в 4 рази більше фтору, ніж у скелеті щурят, народжених від самок, які вживали воду з 0,1 мг / л F -. Це пояснюється високою F-гомеостатической здатністю організму самки і бар`єрної функцією плаценти, яка, мабуть, флюктуирует в процесі вагітності. Не позбавлене інтересу, що в ідентичних умовах в організмі вагітної кролиці менше фтору, ніж у невагітної. Клінічні і біохімічні спостереження в цілому підтвердили експериментальні дані. Jsacato описав флюороз молочних зубів у дітей, матері яких до пологів вживали воду з 2 мг / л, а після пологів з 0,6-0,8 мг / л. За [190], в 0,1-місті в материнській крові містилося 0,15 мг / кг фтору, в плаценті - 0,12, в крові плоду - 0,11, в золі стегнової кістки - 50,7, в зубах - 40,8 мг / кг, а в 1-місті відповідно 0,234- 0,288- 0,175- 85,2 і 53,8 мг / кг, т. е. значно більше. Все викладене свідчить про те, що плацента є для фтору певним, але все-таки переборним бар`єром.