CC BY
58
[гиена и санитария 5/2012
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2012 УДК 614.72:616-07
Л. В. Хрипач, С. М. Новиков, И. Е. Зыкова, В. Н. Федосеева, E. В. Железняк, Т Д. Князева, З. И. Коганова,
А. К. Маковецкая, И. Ф. Волкова*, С. А. Скворцов*, И. В. Воинова, Т Л. Ревазова, Н. В. Солнцева, О. В. Миславский
АПРОБАЦИЯ СИСТЕМЫ БИОХИМИЧЕСКИХ И ИММУНОЛОГИЧЕСКИХ
показателей состояния здоровья населения у обследованных жителей Москвы, подвергающихся воздействию загрязнений атмосферного воздуха
ФГБУ НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина Минздравсоцразвития России, Москва; *ФБУЗ Центр гигиены и эпидемиологии в городе Москве
В обследованиях жителей Москвы (здоровых и имеющих аллергические заболевания) проведен анализ влияния восьми контролируемых загрязнений атмосферного воздуха на разработанную систему биохимических и иммунологических показателей состояния организма. Найдены достоверные биомаркеры эффекта формальдегида, взвешенных веществ и окиси углерода. Обсуждены возможные механизмы выявленных эффектов, в том числе с использованием современных представлений об эндогенном образовании и биологическом действии окиси углерода и двуокиси серы.
Ключевые слова: атмосферный воздух, биомаркеры эффекта, люминолзависимая хемилюминесценция, гемоглобин, f-N-ацетилглюкозаминидаза, у-интерферон, специфические IgE, газообразные вторичные мессенджеры
L. V. Khripach1, S. M. Novikov1, I. E. Zykova1, V. N. Fedoseeva1, E. V. Zheleznyak1, T. D. Knyazeva1, Z. I. Koganova1, A. K. Makovetskaya1, I. F.Volkova2, S. A. Skvortsov2, I. V. Voinova1, T. L. Revazova1, N. V.Solntseva1, O. V.Mislavsky1 — TESTING OF THE SYSTEM OF BIOCHEMICAL AND IMMUNOLOGICAL INDICES OF THE STATE OF POPULATION HEALTH IN THE SURVEY OF RESIDENTS OF MOSCOW, EXPOSED TO AMBIENT AIR POLLUTION
1Federal State Budgetary Institution "A. N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Health" of the Ministry of Healthcare and Social Development, Moscow, Russian Federation; 2Federal budgetary institution of health "Center OfHygiene And Epidemiology In Moscow"
New biomarkers of effect of some controlled ambient air pollutants (formaldehyde, carbon monoxide and TSP) were found in two surveys of Moscow residents (apparently healthy and outpatients with allergic diseases) with a help of screening system of biochemical and immunological parameters. Possible mechanisms of the effects, including interference of atmospheric carbon monoxide and sulfur dioxide with corresponding endogenous second messengers, are discussed
Key words: ambient air, biomarkers of effect, luminol-enhanced chemiluminescence, hemoglobin, beta-N-acetylglu-cosaminidase, IFN-gamma, food-specific IgE, gaseous second messengers
За последнее десятилетие значительно увеличилось количество отечественных и зарубежных исследований, направленных на разработку подходов к созданию молекулярно-эпидемиологических моделей воздействия факторов окружающей среды с использованием биомаркеров эффекта - различных медико-биологических показателей состояния здоровья населения [1, 3, 6, 8, 9, 15, 19,
Хрипач Л. В. - д-р биол. наук, зав. лаб. биохимии с группой иммунологии ([email protected]); Новиков С. М. - д-р мед. наук, проф., вед. науч. сотр. лаб. оценки риска и ущербов здоровью населения (novikserg46@mailru); Зыкова И. Е. - д-р мед. наук, зав. лаб. эколого-зависимой патологии; Федосеева В. Н. - д-р биол. наук, проф., ст. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Железняк Е. В. - мл. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Князева Т. Д. - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Коганова З. И. - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Маковецкая А. К. - канд. мед. наук, ст. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Воинова И. В. - мл. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Ревазова Т. Л. - мл. науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Солнцева Н. В. - вед. инженер лаб. биохимии с группой иммунологии; Миславский О. В. - канд. фарм. наук, науч. сотр. лаб. биохимии с группой иммунологии; Волко-ваИ. Ф. - зав. отд. социально-гигиенического мониторинга; Скворцов С. А. - канд. мед. наук, сотр. отд. социально-гигиенического мониторинга.
22]. Преимуществом молекулярно-эпидемиологических моделей по сравнению с классическими эпидемиологическими является выявление ранних (донозологических) изменений состояния организма человека под влиянием факторов окружащей среды и тем самым обеспечение возможности принятия своевременных управленческих решений для предотвращения серьезных угроз здоровью населения.
В 2005-2006 гг. в НИИ ЭЧиГОС им. А. Н. Сысина, совместно с ФГУЗ Центр гигиены и эпидемиологии в г. Москве, была разработана методическая схема обследования населения Москвы с оценкой экспозиций обследованных лиц загрязнениями атмосферного воздуха по данным маршрутных постов Роспотребнадзора. Апробация этой схемы с использованием одного из показателей оксидантного статуса организма - интенсивности люминолзависимой хемилюминесценции (ЛЗХЛ) сыворотки крови - позволила найти достоверные связи данного биомаркера с содержанием формальдегида в атмосферном воздухе по месту проживания обследованных жителей города, построить соответствующие модели экспозиция-эффект и рассчитать риски нарушения оксидантного равновесия для практически здоровых жителей и жителей с рядом хронических заболеваний [8-10].
Для продолжения исследований в данном направлении была разработана скриннинговая система биохи-
30
мических и иммунологических показателей состояния организма, включавшая показатели окислительного стресса, сывороточной активности катаболических ферментов, содержания иммуноглобулинов и некоторых цитокинов, результаты апробации которой с использованием вышеописанного алгоритма оценки экспозиций жителей Москвы загрязнениями атмосферного воздуха представлены в данной статье.
Материалы и методы
Выборка здоровых жителей Москвы формировалась из сотрудников московского предприятия, проходивших плановый медосмотр, и состояла из 140 человек: мужчин - 111, женщин - 29, возраст от 20 до 63 лет (медиана 46 лет, Q25-Q75 35-52 года). Здесь и далее понятие "здоровые жители" будет использоваться условно для обозначения трудоспособных лиц, имеющих одно-два хронических заболевания в стадии устойчивой ремиссии. Согласно Государственному докладу о состоянии здоровья населения РФ, к данной категории состояния здоровья относится около 70% населения России.
Выборка жителей с аллергическими заболеваниями (бронхиальная астма, поллинозы, пищевая аллергия и т. д.) была сформирована из числа амбулаторных пациентов ГНЦ Института иммунологии ФМБА РФ и состояла из 100 человек: мужчин - 52, женщин - 48, возраст от 18 до 65 лет.
В пробах сыворотки венозной крови обследуемых лиц определяли интенсивность ЛЗХЛ, индуцированной перекисью водорода [11]; антирадикальную активность с использованием стабильного радикала 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила [12]; содержание SH-групп по образованию комплекса с дитионитробензой-ной кислотой [17]; содержание мочевой кислоты с помощью тест-наборов ЗАО "Вектор-Бест"; активность P-N-ацетилглюкозаминидазы по скорости расщепления п-нитрофенил-Ы-ацетилгюкозаминида [7]; аце-
6,00-1
5,80-
5,60-
5,40-
5,20-
5,00-
4,80-
L
о
т
?
--Д.
j ~‘0~-
$
?
4,60-
------1-----1------1-----1------1-----1-----1------1-----1------1
4,5 6,3 8,1 9,9 11,7 13,5 15,3 17,1 18,9 20,7
О 2005-2006 гг.
2008-2009 гг.
Рис. 1. Зависимость показателей оксидантного равновесия здоровых жителей Москвы от содержания в атмосферном воздухе формальдегида в обследованиях 2005-2006 г. и 2008-2009 г.
По оси абсцисс - среднегодовые концентрации формальдегида по месту постоянного проживания обследованных лиц в диапазоне от 3,6 до 22 мкг/м3; цифрами указаны средние значения концентраций внутри соответствующих поддиапазонов.
По оси ординат - медианы и квартальный размах интенсивности ЛЗХЛ сыворотки крови, имп/мин (десятичные логарифмы исходных значений). Линейная аппроксимация: нижняя прямая у = 5,382 - 0,0225x (R = -0,852; p = 0,002); верхняя прямая у = 5,493+0,0045x (R = -0,140; p = 0,82).
Таблица 1
Диапазоны экспозиций обследованных жителей Москвы контролируемыми загрязнениями атмосферного воздуха по данным маршрутных постов в 2005-2006 гг. и 2008-2009 гг.
Загрязнения ПДКсс, мг/м3 RfC, мг/м3 Диапозоны экспозиций, мг/м3
атмосферного воздуха Обследования 2005-2006 гг. Обследования 2008-2009 гг.
Двуокись азота 0,04 0,04 0,034-0,104 0,015-0,090
Окись углерода 3 3 0,92-4,89 0,23-2,53
Двуокись серы 0,05 0,02 0-0,053 0-0,050
Суммарные углеводороды 1,5 - 0,34-3,99 0,59-1,89
Формальдегид 0,003 0,009 0,005-0,022 0,004-0,014
Фенол 0,003 0,006 0,0008-0,0067 0-0,0046
Бензол 0,1 0,03 0-0,202 0-0,070
Взвешенные вещества 0,15 0,04 0,115-0,309 0,027-0,280
тилэстеразную активность по скорости расщепления п-нитрофенилацетата [5]; содержание в сыворотке общего IgE, подклассов IgG (G1-G4), интерлейкина-4 (ИЛ-4), у-интерферона (у-ИФН) и a-фактора некроза опухолей (a-ФНО) - методом твердофазного иммуноферментного анализа с помощью тест-наборов ЗАО "Вектор-Бест". В качестве дополнительных показателей использовались данные стандартного клинико-лабораторного обследования этих же лиц - биохимические и гематологические показатели для выборки здоровых жителей и содержание в сыворотке специфических IgE к 24 наиболее распространенным аллергенам - для выборки жителей с аллергическими заболеваниями.
Для оценки уровней загрязнения атмосферы по месту проживания обследованных лиц использовали среднегодовые концентрации восьми химических соединений (окись углерода, двуокись азота, двуокись серы, взвешенные вещества, суммарные углеводороды, бензол, фенол, формальдегид), контролируемых 46 маршрутными постами Роспотребнадзора, за год проведения обследования. Проверку равномерности распределения адресов проживания обследованных лиц по территории города и их "привязку" к ближайшему маршрутному посту производили с помощью электронной карты Москвы MosMap v. 3.1. Математический анализ результатов проводили с помощью компьютерной программы Statistica v. 7.0.
Результаты и обсуждение
Достоверные связи экспозиция-эффект в выборке здоровых жителей Москвы. За период между проведением пилотных обследований 2005-2006 гг. и двух описываемых обследований 2008-2009 гг. произошло существенное снижение содержания в атмсферном воздухе Москвы углеродсодержащих поллютантов - окиси углерода, бензола, фенола, формальдегида и суммарных углеводородов (предположительно результат оснащения муниципального автотранспорта палладийсодержащими каталитическими нейтрализаторами), в то время как снижение содержания взвешенных частиц, двуокиси азота и двуокиси серы было относительно небольшим (табл. 1).
31
[гиена и санитария 5/2012
а
б
СО, мг/м3
Рис. 2. Достоверные регрессионные зависимости экспозиция-эффект в обследовании здоровых жителей Москвы (2008- 2009 гг.). а - зависимость содержания гемоглобина (г/дл) в пробах крови от среднегодовых концентраций формальдегида (мкг/м3) по месту проживания обследованных лиц (y = 12,95+0,l3x; R=0,864; p=0,0027). б - зависимость сывороточной активности N-ацетилглюкозаминидазы (нмоль/мин/л) от среднегодовых концентраций окиси углерода (мг/м3) по месту проживания обследованных лиц (у = 23,23 - 2,94x; R= - 0,710;
p=0,022).
Пунктиром показан 95%-й доверительный интервал линейной аппроксимации исходных данных.
Как показано на рис. 1, при снижении верхней границы экспозиции формальдегидом с 22 до 14 мкг/м3 интенсивность ЛЗХЛ сыворотки крови уже не является достоверным биомаркером эффекта формальдегида, хотя сравниваемые выборки здоровых жителей города сформированы на предприятиях одного и того же типа,
сходны по объему (114 и 140 человек), возрасту обследуемых (медианы 48 и 46 лет) и сезону проведения обследований (середина зимы). Более чувствительным маркером загрязнения атмосферного воздуха формальдегидом оказалось адаптивное увеличение содержания в крови гемоглобина при отсутствии изменений в содержании эритроцитов (рис. 2, а). Аналогичные изменения были найдены ранее в пробах крови датских студентов под влиянием экспозиции взвешенными частицами
PM [22].
Еще одной достоверной связью экспозиция-эффект, выявленной при анализе данных обследования здоровых жителей Москвы, является обратная зависимость между среднегодовыми концентрациями окиси углерода в изучавшемся диапазоне от 0,23 до 2,53 мг/м3 и сывороточной активностью лизосомального фермента P-N-ацетилглюкозаминидазы (NAG), секретируемого нейтрофилами периферической крови (рис. 2, б). На рис. 3 представлен предполагаемый механизм данного эффекта с использованием современных представлений об образовании и биологическом действии эндогенной окиси углерода, позволяющий интерпретировать его как нарушение процессов метаболической регуляции, а именно - как подачу ложного сигнала о необходимости снизить активность фагоцитарных клеток "от имени" ге-моксигеназы. Следует отметить, что в исследованиях по международному проекту AIRGENE было найдено достоверное влияние подпороговых концентраций окиси углерода на другой маркер - содержание интерлейкина-6 в крови городских жителей, перенесших инфаркт миокарда [19]. Тем не менее нельзя исключить и возможность того, что выявленная нами связь является опосредованной и относится к более токсичному компоненту выбросов автотранспорта, концентрации которого тесно связаны во времени и пространстве с концентрациями окиси углерода.
Достоверные связи экспозиция-эффект в выборке жителей Москвы с аллергическими заболеваниями. При обследовании выборки жителей с аллергическими заболеваниями выявлена достоверная связь между концентрациями у-ИФН в сыворотках и содержанием в атмосферном воздухе взвешенных частиц (см. табл. 2, рис. 4), в то время как в выборке здоровых жителей концентрации у-ИФН в сыворотках были в среднем в 3 раза более низкими и не зависели от экспозиции взвешенными частицами. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными по кратковременному ингаляционному воздействию дизельных частиц PM10, вызывавших у здоровых людей индукцию провоспалительных цитокинов, а у больных бронхиальной астмой - индукцию противовоспалительного цитокина ИЛ-10
Таблица 2
Достоверные биомаркеры влияния контролируемых загрязнений атмосферного воздуха на состояние здоровья жителей Москвы
Поллютант С, мг/м3 Биомаркер Регрессионное уравнение Относительный риск (95% ДИ) Биологический смысл
Формальдегид 0,005-0,022 Интенсивность ЛЗХЛ сыворотки у = 5,38 - 0,022x (R = -0,852; p = 0,002) 1,040 на 10 мкг/м3 (1,028-1,052) Окислительный стресс
0,003-0,012 Содержание гемоглобина у = 12,9 + 0,131x (R = 0,864; p = 0,003) 1,140 на 10 мкг/м3 (1,132-1,148) Адаптивное усиление транспорта кислорода
Взвешенные вещества 0,066-0,280 Содержание у-интерферона* у = 1,13 + 18,17x (R = 0,791; p = 0,01) 1,125 на 10 мкг/м3 (1,101-1,149) Дисбаланс цитокинов
Окись углерода 0,23-2,53 Активность p-N-ацетил-глюкозаминидазы у = 23,2 - 2,94x (R = -0,710; p = 0,02) 1,066 на 1 мг/м3 (1,061-1,071) Снижение функциональной активности нейтрофилов
Примечание * - у жителей с аллергическими заболеваниями
32
Рис. 3. Предполагаемый механизм влияния содержащейся в атмосферном воздухе окиси углерода на функциональную активность нейтрофилов в крови жителей Москвы.
[23], поскольку известно, что ИЛ-10 и измерявшийся нами у-ИФН относятся к сигнальным молекулам, обладающим способностью к смягчению острой воспалительной реакции на повреждение [13].
Кроме того, было найдено двукратное увеличение содержания в сыворотке специфических IgE-антител к пищевым аллергенам у людей, проживающих в районах Москвы с наиболее низкими концентрациями двуокиси серы в воздухе (рис. 5) - предположительно результат недостатка эндогенной двуокиси серы у носителей "медленного" генотипа фенилаланин-4-гидроксилазы (ФАГК), преобладающего среди лиц с пищевой аллергией [14, 21]. ФАГК - фермент, широко известный по своей основной реакции (превращению фенилаланина в тирозин); резкое снижение его активности в результате однонуклеотидных замен в ряде локусов соответствующего гена PAH вызывает наследственное аутосомно-рецессивное заболевание - фенилкетонурию. Относительно недавно выяснилось, что этот же фермент катализирует реакции окисления SH-содержащих аминокислот (цистеина и метионина) до соответствующих сульфоксидов, которые в свою очередь служат источником образования эндогенной двуокиси серы, обладающей биологической активностью, в частности влияющей на тонус гладких мышц [16, 18]. Поэтому не исключено, что преобладание среди лиц с пищевой аллергией носителей более медленных полиморфных вариантов ФАГК ("низких сульфоксидаторов" по терминологии нагрузочных тестов) приводит к тому, что в их организме обра-
зуется недостаточно эндогенной двуокиси серы, что может сделать их зависимыми от поступления низких концентраций данного вещества из атмосферного воздуха.
Заключение
Таким образом, использованный подход позволил найти достоверные биомаркеры эффекта формальдегида и взвешенных веществ, содержание которых в атмосферном воздухе Москвы значительно превышало существующие нормативы, и окиси углерода в подпороговом диапазоне концентраций (табл. 2). Уровень IgE-антител к пищевым аллергенам в таблицу не включен, поскольку понятие биомаркера относится к линейным или по крайней мере монотонным связям экспозиция-эффект, в то время как выявленный нами эффект двуокиси серы скачкообразный.
Кроме того, результаты проведенных исследований привлекают внимание к проблемам изучения биологического действия окислов азота, углерода и серы, которые в настоящее время существуют как бы в двух параллельных мирах (рис. 6). В гигиене это типичные загрязнения атмосферного воздуха, в современной молекулярной биологии - биологически активные эндогенные метаболиты (вторичные мессенджеры). Не исключено, что низкие концентрации этих химических соединений в ат-
10
8
© 4
R = 0,791
р=0,01
н
-*•-4
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
Взвешенные частицы, мкг/м3
Рис. 4. Влияние содержания в атмосферном воздухе взвешенных частиц на концентрацию у-ИФН (пг/мл) в сыворотках жителей Москвы с аллергическими заболеваниями. 33
Рис. 5..Зависимость суммарного содержания специфических IgE-антител к пищевым аллергенам (в баллах, соответствующих классам скарификационных кожных проб) в сыворотках 66 жителей Москвы с аллергическими заболеваниями от концентрации двуокиси серы в атмосферном воздухе по месту постоянного проживания.
33
[гиена и санитария 5/2012
Рис. 6. Схема внутриклеточного образования окиси азота, окиси углерода и двуокиси серы, играющих в организме роль регуляторных молекул (вторичных мессенджеров).
мосферном воздухе влияют на метаболические реакции, регулируемые соответствующими эндогенными аналогами, с помощью механизмов, не имеющих ничего общего с реализующимися при среднесмертельных концентрациях.
Литер атур а
1. Боев В. M., Красиков С. И., Лейзерман В. Г. и др. //
Гиг. и сан. - 2007 - № 1. - С. 21-25.
2. Загоскин П. П. // Нижегород. мед. журн. - 2008. -№ 3. - С. 103-112.
3. Зайцева Н. В., Шур П. З., Кирьянов Д. А. и др. // Гиг. и сан. - 2008. - № 6. - С. 64-67.
4. Коржов В. И., Видмаченко А. В., Коржов М. В.
// Журн. АМН Украши. - 2010. - Т. 16, № 1. -
С.23-37.
5. Методические указания к оценке биохимических, морфологических, иммунологических и физиологических показателей ранних изменений функциональных реакций человека при воздействии факторов окружающей среды / Под ред. Г. И. Сидоренко,
Р. В. Меркурьевой. - М.; Пермь, 1986. - С. 32-33.
6. Научно-методические аспекты обеспечения гигиенической безопасности населения в условиях воздействия химических факторов / Онищенко Г. Г, Рахманин Ю. А., Зайцева Н. В. и др. - М.: Мед. книга, 2004.
7. Покровский А. А., Кравченко Л. В., Тутельян В. А. // Биохимия. - 1971. - Т 36, № 4. - С. 690-696.
8. Хрипач Л. В., Князева Т. Д., Скворцова Н. С. и др. // Гиг. и сан. -2006. - № 5. - С. 37-41.
9. Хрипач Л. В., Князева Т. Д., Скворцова Н. С. и др. // Гиг. и сан. - 2007. - № 5. - С. 65-67.
10. Хрипач Л. В., Титова Е. В., Новиков С. М. // Молекул. мед. -2010. - № 4. - С. 25-31.
11. Шестаков В. А., Бойчевская Н. О., Шерстнев М. П. // Вопр. мед. химии. - 1979. - № 2. - С. 132-137.
12. Abuin E., Lissi E., OrtizP., Henriquez C. // Bol. Soc. Chil. Quim.
- 2002. - Vol. 47, N 2. - P. 145-149.
13. BarnesP. J., Lim S. // Mol. Med. Today. - 1998. - Vol. 4, N 10. -P. 452-458.
14. Boonyapiwat B., Panaretou B., Forbes B. et al. // J. Pharm. Pharmacol. - 2009. - Vol. 61, N 1. - P. 63-67.
15. DelfinoR. J., StaimerN., Tjoa T. et al. // Environ. Health Perspect.
- 2010. - Vol. 118, N 6. - P. 756-762.
16. Du S. X., Jin H. F., Bu D. F. et al. // Acta Pharmacol. Sin. - 2008.
- Vol. 29, N 8. - P. 923-930.
17. Ellman G. L. // Arch. Biochem. - 1959. - Vol. 82. - P. 70-77.
18. LiX., BazerF. W., GaoH. et al. //Amino Acids. - 2009. - Vol. 37, N 1. - P. 65-78.
19. Ljungman P., Bellander T., Schneider A. et al. // Environ. Health Perspect. - 2009. - Vol. 117, № 9. - P. 1373-1379.
20. Otterbein L. E., Bach F. H., Alam J. et al. // Nat. Med. - 2000. -Vol. 6, N 4. - P. 422-428.
21. Scadding G. K., Ayesh R., Brostoff J. et al. // Br. Med. J. - 1988.
- Vol. 297, N 6641. - P. 105-107.
22. Sorensen M., Daneshvar B., Hansen M. et al. // Environ. Health Perspect. - 2003. - Vol. 111, № 2. - P161-165.
23. Stenfors N., Nordenhall C., Salvi S. S. et al. // Eur. Respir. J. -2004. - Vol. 23, N 1. - P. 82-86.
24. Wu L., Wang R. // Pharmacol. Rev. - 2005. - Vol. 57, N 4. - P. 585-630.
Поступила 20.02.12
34
