Аннотация результатов, полученных в 2020 году
С помощью метода конденсации паров металла в газе синтезированы нанопорошки железа, меди и бинарные порошки системы Fe-Cu с концентрацией меди около 10% и около 30%. Было использовано 4 режима синтеза, что позволило получить наборы порошков с разным размером частиц. Измерена удельная поверхность всех порошков, определен средний размер. Проведен рентгеноструктурный анализ, установлен фазовый состав порошков. Исследовано влияние отжигов в вакууме и водороде на структуру и фазовый состав композитных порошков Fe-Cu. Проведено сравнительное исследование реакционной способности нанопорошков Fe-Cu нанопорошка железа по отношению к растворению в 0,01-0,001 молярной соляной кислоте. Установлено, что при наличии меди железо растворяется в таком растворе кислоты в 2-3 раза быстрее, чем железо без добавления меди. Предложена экспериментальная модель - животные (дойные коровы симментальской породы в возрасте 5-6 лет) с феноменом «нагруженного метаболизма», у которых коэффициент суммарной токсической нагрузки был высоким (Кtox=5.73 (5.12-6.62)) относительно исследуемой выборки. При проведении корреляционного анализа химических элементов с показателями общего клинического и биохимического анализа крови установлено, что наибольшее количество взаимосвязей было выявлено для Mg, I, Mn, B и Sn. Меньшее количество взаимосвязей было выявлено для Co, Cd, Pb и P. Множественный регрессионный анализ продемонстрировал значимую связь между уровнем микроэлементов и минералов в волосах и сыворотке крови и молочной продуктивностью. Высокие уровни основных минералов (Mg, Ca, P) и микроэлементов (Co, Mn, Se, Zn) в сыворотке крови и/или волосах связаны с повышением удоя молока. В свою очередь, более высокое содержание Cu в сыворотке крови и волосах связано со снижением молочной продуктивности у молочных коров за счет прооксидантного и общего токсического действия повышенного уровня Cu. При определении химических форм меди и цинка (Speciation анализ) в сыворотке крови у животных с феноменом «нагруженного метаболизма» выявлено снижение содержания общего количества цинка и изменениями распределения молекулярных форм цинка в сыворотке крови. У животных в состоянии нагруженного метаболизма наблюдалось низкое содержание фракции альбумина – главного транспортного белка сыворотки крови (на 7 %). Для этой группы было характерно низкое содержание цитратной фракции цинка, являющейся одной из транспортных форм, и ά2Макроглобулина (тетрамер). Животные с феноменом нагруженного метаболизма отличались более высоким содержанием фракции ά2Макроглобулина (димер) (на 8 %). При изучении биохимии меди наблюдалась четкая тенденция к более высокому её содержанию в группе животных в состоянии нагруженного метаболизма. Значимые различия изученных форм меди заключались в дисбалансе, изомеров главного протеина α2 глобулиновой фракции плазмы крови - α2макроглобулина. Тетрамер-димерное соотношение α2макроглобулина у животных с нагруженным метаболизмом характеризовалось меньшим содержанием тетрамеров на фоне большего содержания фракции димеров. Полученные результаты Speciation анализа демонстрируют негативное влияние состояния нагруженного метаболизма на минеральный обмен. В рамках реализации проекта сформирована база данных динамики уровня МРТ сигнала на Т2*-взвешенных изображениях в селезенке, печени, кишечнике, почках и мозге самцов линии Balb/c через 12, 24, 48 часов после внутривенного и внутрижелудочного введения наночастиц Fe (две реплики). Установлено, что вне зависимости от типа введения или исследуемого органа, реплики вызывают различные изменения в уровне МРТ сигнала в ткани. Вне зависимости от типа введения в печени и селезенке сигнал на Т2*-взвешенных изображениях менялся значительней, чем в мозге. При внутрижелудочном введении (не зависимо от вида наночастиц) мы наблюдали достоверно более значительные изменения МРТ сигнала в ЖКТ по сравнению с животными, которым те же наночастицы вводили внутривенно. Вне зависимости от образца или типа введения достоверного накопления железных частиц в почках в течение 2 суток после предъявления зафиксировать не удалось. Тогда как в кишечнике мы наблюдали значительные изменения МРТ сигнала как для внутрижелудочного так и для внутривенного введения двух образцов наночастиц. При сравнении внутрижелудочного и внутривенного введений железных наночастиц мы зафиксировали отличия в паттернах их распределения по организму мыши. Так при внутрижелудочном введении в мозге, относительно печени, накапливалось достоверно больше частиц железа, чем при внутривенном. В результате проведенных исследований показаны различия, во-первых, между двумя образцами железных наночастиц по скорости и интенсивности их накопления в тканях мыши вне зависимости от способа их введения, во-вторых, по паттернам распределения по организму животного внутрижелудочно и внутривенно введенных наночастиц железа вне зависимости от их типа. Исходя из полученных данных, можно заключить, что биодоступность наночастиц определяется не только физико-химические свойствами, но и последующей модификацией их в организме. В ходе исследований сформирована база данных, включающая изучение состава эндогенных потерь по 25 химическим элементам на модели лабораторных крыс линии Wistar при оценке влияния избыточного введения пищевых волокон и их дефицита на базовом полусинтетическом рационе. На основании полученных результатов показано, что избыточное введение пищевых волокон привело к достоверному снижению концентрации эссенциальных и условно-эссенциальных элементов. Cr, Cu, Fe, I, Mn, Si, Zn. Дефицит пищевых волокон вел к кумулляции Cu, Fe, I, Mn, Si и Zn. Результаты исследования микробиома кишечника крыс методом T-RFLP позволили выявить снижение числа лактобактерий в 1,2 раза, Enterococcus faecalis и Bifidobacterium и Proteus spp при дефиците пищевых волокон. Избыток пищевых волокон вел к увеличению числа E. сoli в 1,55 раза, Lactobacillus – в 1,26 раз, Enterococcus – в 1,3 раза, и уменьшению числа Proteus spp. в 1,33 раза. Полученные результаты свидетельствуют об изменении микробиального фона толстого отдела кишечника крыс под влиянием различного уровня пищевых волокон в рационе. Сформирована база данных состава эндогенных веществ (химические элементы – 25 показателей) выделяемых в ходе гомеостатирования энтеральной среды и теряемых организмом в процессе пищеварения; величина общего и обменного пула химических элементов (25 показателей) в организме; биохимический и морфологический состав крови (не менее 30 показателей); таксономический состав микрофлоры пищеварительного тракта животных при применения полусинтетических рационов сбалансированных и дефицитных по микроэлементам для цыплят-бройлеров кросса «Арбор Айкрес» с введением аналогов по пребиотическому действию – лактулозы, хитозана, балластных веществ – активированныого угля и энтеросгеля, пробиотических веществ - Bifodobacterium longum, Bacillus subtilis, как источников микроэлементов НЧ Fe, Cu

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
С помощью метода конденсации паров металла в газе синтезированы нанопорошки 57Fe, 63Cu, с использованием режима синтеза, обеспечивающего определенный размер частиц (50 нм). Измерена удельная поверхность всех порошков методом БЕТ, определен средний размер. Проведен рентгеноструктурный анализ порошка 63Cu, 57Fe с помощью рентгеновского дифрактометра высокого разрешения. Анализ ЯМР спектров показал, что нанопорошок железа не менее чем на 95% представлен изотопом 57Fe. Спектры 63Cu, 65Cu свидетельствуют об высокой степени обогащения изотопом 63Cu (больше 99 %). Установлен фазовый состав и распределение по размерам. Измерена кривая намагничивания порошка 57Fe, что позволило оценить объем железного ядра частиц. Проведено электронно-микроскопическое исследование (просвечивающая электронная микроскопия) порошков 57Fe и 63Cu. Проведение МРТ сканирования головного мозга самцов мышей SPF статуса инбредной линии Balb/c при хроническом интраперитонеальном введении хлорида кобальта и однократного внутривенного введения наночастиц Fe, при их совместном или раздельном предъявлении показало наличие межгрупповых различий. Введение наночастиц Fe с одной стороны, снизило в клетках неокортекса концентрацию глутатиона, глутамата, глюкозы, аспартата, с другой стороны, увеличило интенсивность церебрального кровотока и проницаемость гемато-ликворного барьера. При этом, предварительное многократное внутрибрюшинное введение хлорида кобальта этот эффект блокирует. Все это свидетельствует в пользу того, что введение наночастиц индуцирует окислительный стресс в клетках ЦНС, а предварительное прекондиционирование с помощью хлорида кобальта интенсифицирует работу антиоксидантной системы нейрональных и глиальных клеток, что позволяет более эффективно противостоять токсическим эффектам наночастиц железа. В эксперименте (цыплята-бройлеры) при использовании полусинтетического рациона (дефицитного и нормированного по микроэлементам) показано, что на эндогенные потери химических элементов могут влиять вещества различной природы: аналоги по пребиотическому действию (хитозан, лактулоза), пробиотики (Bacillus subtilis, Bifidobacterium longum) энтеросорбенты (энтеросгель и активированный уголь), ультрадисперсные частицы металлов (УДЧ меди и железа). Хитозан, введённый в дефицитный по микроэлементам полусинтетический рацион максимально увеличивает скорость эндогенных потерь, и способствует увеличению численности таксонов Rikenellaceae и Lachnospiraceae с одновременным снижением численности Lactobacillaceae в содержимом слепой кишки. Лактулоза же, напротив снижает скорость эндогенных потерь химических элементов, увеличивает количество лактобацил, а также приводит к возникновению большего числа корреляционных связей по кремнию, свинцу, алюминию, кальцию и фосфору. Использование ультрадисперсных частиц, в зависимости от вида элемента влияет на метаболизм химических элементов в организме. Так, медь способствует увеличению скорости эндогенных потерь, особенно по токсичным микроэлементам, а ультрадисперсные частицы железа напротив, снижают скорость эндогенных потерь химических элементов. Анализ микробиоты содержимого слепой кишки цыплят-бройлеров на фоне применения УДЧ меди и железа показал доминирование представителей родов Bacteroides, Alistipes, Limosilactobacillus. Отмечено снижение бактерий рода Lactobacillus. Результаты следующего эксперимента по оценке влияния энтеросорбентов (энтеросгеля и активированного угля) показали, что активированный уголь максимально увеличивает скорость эндогенных потерь, и снижает число представителей нормофлоры кишечной микробиоты цыплят-бройлеров, а также вызывает отрицательные корреляционные взаимосвязям (по кальцию, кадмию, олову и ртути). Введение энтеросгеля увеличивает скорость эндогенных потерь токсичных элементов, а также уменьшает количество лактобацил. В следующей серии эксперимента при введении пробиотических препаратов в дефицитный по микроэлементам полусинтетический рацион показано, что Bacillus subtilis увеличивает скорость эндогенных потерь макроэлементов на 54,0 %, на 25,6 % эссенциальных и условно-эссенциальных элементов и на 44,4 % токсичных микроэлементов. Внесение Bifidobacterium longum привело к значимому (в 3,15 раза) снижению эндогенных потерь в опытных группах по макроэлементам. Bacillus subtilis способствует повышению численности лактобактерий в кишечнике и ведет к уменьшению условно-патогенной и патогенной микрофлоры. При анализе полученных данных, выявлены несколько элементов (B, Cо, Ni, Si) потери которых значимы при всех исследуемых веществах. Было установлено, что уровни микроэлементов в сыворотке тесно связаны с молочной продуктивностью коров. У низкопродуктивных животных выявлен высокий уровень потенциально токсичных и токсичных микроэлементов, суммарное содержание которых (Al, Cd, Hg, Pb, Sn, Sr) оказалось в 1,6 раза выше аналогичного показателя у высокопродуктивных коров. Суммарное количество эссенциальных элементов у низкопродуктивных снижено в 2,15 раза по сравнению с высокопродуктивными. Уровни Сu, V в сыворотке имеет тенденцию к увеличению у животных с низкой молочной продуктивностью, а Mn, P, Ca, Na, B имеют статистически низкий уровень. Серийный мониторинг метаболизма сывороточных микроэлементов выявил повышенный уровень меди у коров с низкой продуктивностью. Анализ видов 63Cu в сыворотке показал наличие четырех основных фракций, содержащие 2,5% (A), 15,6% (B), 75,6% (C) и 11,9% (D) от общего содержания меди. Выявленные фракции можно отнести к тетрамерным и димерным макроглобулинам, церулоплазминам, альбуминам и низкомолекулярным соединениям меди соответственно. Полученные данные демонстрируют особенности транспорта Cu у дойных коров, которые могут быть использованы для оценка диетического статуса микроэлементов. Комплексное воздействие веществ в составе поликомпонентной смеси из гепатопротекторов, мультиэнзимов, микроэлементов, позволяет влиять на общий метаболизм и продуктивность животных. Так, результатом коррекции выявленного статуса «нагруженный метаболизм» у молочных коров явилось изменения элементного состава сыворотки крови и общего метаболического профиля. Суммарное количество потенциально токсичных и токсичных микроэлементов снизилось на 20%, а эссенциальных возросло на 68% в группе низкопродуктивных коров по сравнению с результатами до коррекции. Таким образом, улучшение минерального обеспечения, а также предотвращение перегрузки медью у дойных коров, можно рассматривать как потенциальный инструмент для регулирования молочной продуктивности.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате проведенных исследований сформирована база данных, включающая оценку продуктивности, параметров обмена веществ, состояния здоровья на фоне применения новой поликомпонентной органоминеральной кормовой добавки «Si-лакт», рецептура которой и сроки скармливания были определены при реализации проекта на основе разработанных ТУ. Ростостимулирующий эффект от её использования в зависимости от сроков введения составил 10,87-18,62 %. Оценка экспрессии таргетного (SLC7A1) и референсного (GAPDH) генов в кишечнике и грудных мышцах показала наличие достоверной разницы на фоне применения органоминеральной кормовой добавки. Установлено снижение экспрессия гена SLC7A1, при этом отсутствие лактулозы в составе добавки, увеличивало экспрессию генов в эпителии тонкого кишечника в 2,77 раза. Таким образом, компоненты кормовой добавки могут выступать как индуктором, так и ингибитором экспрессии генов цыплят-бройлеров. Результаты исследования метаболизма биогенных металлов (на примере железа и меди) при однократном и многократном введении их нерадиоактивных изотопы 63Cu 57Fe в форме наночастиц показали наличие влияния как на элементный состав, так и на перераспределение нерадиоактивных изотопов данных элементов: 63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 57Fе в исследуемых биосубстратов животных (волос, головной мозг, печень). Выявлена разница между накоплением указанных изотопов при введении элементов природного изотопного состава и моноизотопов. Однократное введение железа и меди как природного изотопного состава, так и моноизотопа (57Fе, 63Сu) снижает уровень вводимых металлов в печени на величину от 8-18%, Многократное введение отзывается накоплением железа и меди. Анализ изотопного состава (63Сu, 65Сu, 54Fe, 56Fе, 57Fе, 57Fе) биосубстратов показал, что введение Fе природного изотопного состава вызывает накопление как 56Fе изотопа (разница 53 %), так и 57Fe изотопа (разница 40 %) в головном мозге. Введение моноизотопа 57Fe вызывает накопление как 56Fе изотопа (разница 30 %), так и 57Fe изотопа (разница 57%) в головном мозге. При этом, природный изотопный состав железа включает четыре стабильных изотопа: 54Fe, 56Fe, 57Fe и 58Fe, причем 91,75% приходится на 56Fe и только 2,1% на 57Fe. Таким образом, не зависимо от изотопного состава вводимого железа, при общей тенденции его накопления в головном мозге, железо накапливается за счет трех изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe. Отметим, что в печени подобной картины не наблюдается и склонностью к накоплению обладает тот изотоп, который вводился. Элементы технологии селективного управления количеством эндогенных потерь химических элементов организмом цыплят-бройлеров включают использование в кормлении веществ различного функционального назначения (пробиотики, пребиотики, энтеросорбенты), что опосредует реорганизацию кишечного микробиома, и как следствие элементного профиля организма. Оценка состояния продуктивных животных (молочное скотоводство) на основании анализа химических элементов и их металло-лигандных форм выявила достоверные изменения распределения меди и марганца по отдельным фракциям в сыворотке крови коров различного уровня продуктивности, что свидетельствует об изменении метаболизма данного элемента. При сравнении высокопродуктивных и низкопродуктивных животных, было выявлена тенденция повышения общего содержания меди у низкопродуктивных животных. Результаты линейного регрессионного анализа для установления взаимосвязи между различными медными фракциями относительно общего содержания меди в сыворотке крови коров, показали, что при концентрации меди до 0,9 мкг/мл альбуминовая фракция преобладает над церулоплазмином, а низкомолекулярные комплексы над транскупреином. Однако, при увеличении концентрации меди свыше 0,9 мкг/мл происходит сдвиг в белковых фракциях, фракция церулоплазмина начинает преобладать над фракцией альбумина, транскупреин над низкомолекулярными комплексами. Оценка коэффициентов корреляции (метод ранговых корреляций Спирмена) показала сильную положительную корреляционную связь между общим содержанием меди и транскупреином, общим содержанием меди и церулоплазмином, а также положительная связь между церулоплазмином и транскупреином. Предложено использовать соотношение церулоплазмина к общему содержанию меди, как диагностический критерий для прогнозирования продуктивности молочных коров. Показано, что на перераспределение белковых фракций меди может оказывать влияние кормовой фактор, при этом не влияя на общий уровень меди в сыворотке крови. Данное перераспределение сопровождалось снижением альбуминовой фракции на фоне увеличения церулоплазмина, что показывает их лабильность, в то время как транскупреин и низкомолекулярные формы меди не претерпевали значительных изменений. Выявленные достоверные изменения распределения меди по отдельным фракциям в сыворотке крови свидетельствует об изменении ее метаболизма. Система мониторинга состояния высокопродуктивных животных должна включать анализ фракций микроэлементов в сыворотке сельскохозяйственных животных, оценку состояния микробиома кишечника, наряду с рутинными биохимическими исследованиями, что может стать интересным инструментом в дальнейшей перспективе. На основании анализа сывороточных форм меди предложены референтные значения металло-лигандных форм меди в сыворотки крови молочного скота голштинской и красной степной породы. В сыворотки крови животные разных пород и разных регионов церулоплазмин, транскуперин и альбумин имели разные значения. Однако в целом порядок цифр схожий. Не зависимо от уровня продуктивности был оценен минеральный состав (25 химических элементов) сыворотки крови молочных коров в зависимости от периода содержания (стойловый и пастбищный).