CC BY
13СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Измерое Николай Федотович (Izmerov N.F.);
науч. рук. ФГБНУ «НИИ МТ», проф., академик РАН. E-mail: [email protected]. Бухтиярое Игорь Валентинович (Bukhtiyarov IV.);
дир. ФГБНУ «НИИ МТ», д-р мед. наук, проф. E-mail: [email protected].
Прокопенко Людмила Викторовна (Ргокорепко ЬУ.);
зам. дир. по науч. работе ФГБНУ «НИИ МТ», д-р мед. наук, проф. Е-та^: [email protected]. Шиган Евгений Евгеньевич (Shígan Е.Е.);
зам. дир. по орг. работе и межд. сотр. ФГБНУ «НИИ МТ», канд. мед. наук. Е-таД: [email protected].
УДК 575.224. 23:613.6:622
В.И. Минина1,2, Ю.Е. Кулемин1,2, Т.А. Толочко2, А.В. Мейер2, Я.А. Савченко1, В.П. Волобаев2, Н.И. Гафаров3,
Н.И. Панев3, М.В. Семенихина4
ГЕНОТОКСИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ У ШАХТЕРОВ
КУЗБАССА
'ФГБУН Институт экологии человека СО РАН, пр. Ленинградский, д. 10, г. Кемерово, Россия, 650065 2ФГБУ ВПО Кемеровский государственный университет, биологический факультет, кафедра генетики, ул. Красная, д. 6,
г. Кемерово, Россия, 650043
3ФГБУН «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний»
Сибирского отделения РАМН, ул. Кутузова, д. 23, г. Новокузнецк, Россия, 654041 4ФГБ ЛПУ «Научно-клинический центр охраны здоровья шахтеров», 7 микрорайон, д. 9, г. Ленинск-Кузнецкий,
Кемеровская обл., Россия, 6525097
Изучены хромосомные аберрации (ХА) в лимфоцитах крови 100 шахтеров угольных шахт Кузнецкого угольного бассейна, имеющих «подземный» стаж работы не менее 15 лет. В качестве групп сравнения были использованы данные цитогенетического анализа, выполненного в группе стажированных рабочих Кемеровской теплоэлектростанции, контактирующих с угольной пылью (n=104) и в контрольной группе здоровых мужчин, близкого возраста, жителей г. Кемерово, никогда профессионально не контактировавших с производственными мутагенами (n=194). У шахтеров была зарегистрирована наибольшая частота встречаемости клеток со структурными повреждениями хромосом — 5,37%. У работников теплоэлектростанций данный показатель был значимо ниже, чем у шахтеров (4,23%; р<0,01), но также превышал результаты, полученные в контроле (1,07%; р<0,0001). Анализ качественного спектра нарушений структуры хромосом позволил установить, что у шахтеров повышена частота встречаемости аберраций как хромосомного, так и хроматидного типов. Отличия в частоте ХА между шахтерами и рабочими электростанции складываются преимущественно за счет аберраций хромосомного типа. Это указывает на значимый вклад факторов как химической, так и лучевой природы в хромосомный мутагенез у шахтеров.
Ключевые слова: хромосомные аберрации, генотоксические эффекты, угольная пыль, шахтеры, теплоэлектростанции.
V.I. Minina1'2, Yu.E. Kulemin !'2, T.A. Tolotchko2, A.V. Meyer2, Ya.A. Savtchenko1, V.P. Volobayev2, N. I. Gafarov3, N.I. Panev3, M.V. Semenichina4. Genotoxic effects of occupational environment in Kuzbass miners
'Institute of Human Ecology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 10, Leningradsky av., Kemerovo, Russia, 650065
2Kemerovo State University, Biology Faculty, Genetics Chair, 6, Krasnaya street, Kemerovo, Russia, 650043
3Federal State Budgetary Scientific Institution «Research Institute for Complex Problems of Hygiene and Occupational Diseases», 23, Kutuzova street, Novokuznetsk, Russia, 654041
4Federal State Budgetary Medical Prophylactic Institution «Scientific Clinical Center of the Miners' Health Protection», 9, district 7, Leninsk-Kuznetsky, Kemerovo region, Russia, 652509
The authors studied chromosomal aberrations in blood lymphocytes of 100 miners in coal mines of Kuznetsk coal field, with underground length of service over 15 years. Reference data were collected by cytogenetic analysis in a group of workers with long length of service in Kemerovo thermal power plant, contacting coal dust (n = 104) and in healthy
males of the same age group, residents of Kemerovo city, without occupational contact with mutagenes (n = 194). The miners appeared to have maximal frequency of structural chromosomal injuries — 5.37%. In the workers of thermal power plant, this value was considerably lower than in the miners (4,23%; p < 0,01), but not exceeding the values obtained in the reference groups (1,07%; p < 0,0001). Analysis of qualitative spectrum of chromosomal structural changes revealed that the miners have higher frequency of both chromosomal and chromatid type aberrations. Differences in chromosomal aberrations frequency between the miners and the thermal power plant workers are mostly due to chromosomal type aberrations. This points to significant role of chemical and radiation factors contribution into chromosomal mutagenesis in miners.
Key words: chromosomal aberrations, genotoxic effects, coal dust, miners, thermal power plant.
Введение. Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) признан крупнейшим угольным месторождением в мире. В Кузбассе добывается 56% российского каменного угля и до 80% коксующегося угля. Угольная отрасль занимает первое место в отраслевой структуре экономики Кемеровской области. Кузнецкие каменные угли и продукты их обогащения активно используются в различных отраслях, в том числе и в теплоэнергетике региона.
Высокая запыленность воздуха рабочей зоны (угольная пыль), присутствие вредных химических веществ (тяжелые металлы, ароматические углеводороды, оксиды азота, углерода, серы, никеля, ванадия и др.), неблагоприятный микроклимат, шум, вибрация, тяжелый физический труд являются ведущими гигиеническими проблемами как предприятий угледобычи, так и теплоэнергетики [2,4]. По мере увеличения трудового стажа воздействие этих факторов обусловливает рост общей, профессиональной и онкологической заболеваемости рабочих, что требует проведения фундаментальных исследований по изучению патогенетических механизмов и закономерностей развития профессиональной и производственно-обусловленной патологии [5].
В настоящее время активно изучаются генетические биомаркеры эффекта воздействия производственной среды на организм человека. При этом используются методы учета ДНК-комет, сестринских хроматидных обменов, микроядерный тест и другие. Признанным и широко используемым во всем мире показателем генотоксического воздействия на организм рабочих является оценка повреждений хромосом — хромосомных аберраций (ХА) в лимфоцитах крови [3,7,8]. В настоящее время установлено, что интенсивность хромосомного мутагенеза зависит от конституциональных особенностей организма, которые определяются генетическим полиморфизмом ферментов, обеспечивающих стабильность генома [6] и, конечно, от свойств мутагенного фактора, характера его воздействия. Немногочисленные исследования ХА у шахтеров угольных шахт показывают появление значительного количества повреждений хромосом в клетках крови рабочих, занятых в основных производственных операциях [9,10]. Однако степень геноток-сической опасности производственной среды может существенно варьироваться в зависимости от марки углей, конкретных технологических условий, эффек-
тивности очистки вредных для здоровья выбросов, применяемых средств индивидуальной защиты и т. п.
Целью исследования стал анализ цитогенетиче-ского статуса шахтеров Кузбасса, выполняющих основные производственные операции под землей, путем учета аберраций хромосом в лимфоцитах крови. Исследование проведено по государственному заданию Минобрнауки РФ № 2015/ 2162, на него выделен грант РФФИ №13-06-98014 р-Сибирь-а.
Материалы и методики. Всего было обследовано 398 мужчин. По этнической принадлежности — все русские. Из них — 100 шахтеров угольных шахт юга Кемеровской области (проходчики, горнорабочие очистного забоя, горные мастера; подземный стаж работы — не менее 15 лет). Для сравнения были использованы данные цитогенетического анализа 104 рабочих котельно-турбинного и топливно-турбин-ного цехов теплоэлектростанции (ТЭС) г. Кемерово (Ново-Кемеровская ТЭЦ), выполняющих основные производственные операции в условиях запыленности угольной пылью (стаж работы во вредных условиях не менее 15 лет). Сведения по гигиеническим характеристикам условий труда, собранные и предоставленные НИИ комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний (г. Новокузнецк), свидетельствуют о стабильно высоком загрязнении воздуха рабочих мест пылью и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), о наличии неблагоприятного микроклимата, высокого шума и вибрации.
У шахтеров среднесменная концентрация угольной пыли на рабочем месте проходчиков составила 96,6 мг/м3, у горнорабочих очистного забоя — 68,1 мг/м3, у электрослесарей — 51,2 мг/м3, у горных мастеров — 42,5 мг/м3. В то время как у рабочих ТЭС среднесменная концентрация угольной пыли в воздухе рабочих зон машинистов топливоподачи составляла 23 мг/м3, у слесарей — 11 мг/м3. Следует заметить, что во всех случаях отмечалось превышение ПДК по пыли — 4 мг/м3.
Для получения оценок фонового уровня ХА был проведен цитогенетический анализ у 194 здоровых русских мужчин, жителей г. Кемерово из числа доноров областной станции переливания крови, профессионально никогда не контактировавших с производственными мутагенами. Для проведения адекватного сравнения контрольные доноры были сгруппированы в две выборки в зависимости от возраста: контроль I
(50-60 лет) и контроль II (40-50 лет). Краткая характеристика групп, включенных в исследование, представлена в табл. 1.
Перед началом сбора данных и проведения эксперимента все обследованные заполняли анкеты и подписывали информированное согласие о проведении генетических исследований. Программа исследования была утверждена комитетами по этике Института экологии человека СО РАН и Кемеровского госуниверситета.
Материалом для исследования ХА служила цельная периферическая кровь, которую забирали из локтевой вены в асептических условиях в разовые системы типа «Вакутейнер» с гепарином. Подготовку препаратов хромосом и принципы учета ХА выполняли по стандартному протоколу в соответствии с требованиями, неоднократно описанными ранее [1,7]. Анализировали препараты при помощи микроскопа Axio Scope 2 plus (Carl Zeiss, Германия). У каждого индивида анализировали по 200 метафазных пластинок. Учитывали следующие цитогенетические показатели: доля аберрантных метафаз, число аберраций на 100 анализируемых клеток, число аберраций хроматидного типа (одиночные фрагменты, хроматидные обмены), число аберраций хромосомного типа (парные фрагменты, дицентрические и кольцевые хромосомы, атипичные моноцентрики). Ахроматические пробелы в число аберраций не включали. Результаты цитогенетического анализа заносили в электронную базу данных.
Математическую обработку результатов проводили с помощью программы « Statistica for Windows v. 8.0». При анализе различий между несколькими независимыми выборками применяли Kruskal — Wallis test.
Общая характеристика обследованных групп
Для оценки различий между двумя независимыми выборками использовали U — Mann — Whitney U test.
Результаты исследования и их обсуждение. В
результате проведенного анализа 79600 метафазных пластинок было установлено, что частота хромосомных нарушений у шахтеров была в 5,1 раза выше, чем в группах контроля и 1,3 раза выше, чем у рабочих ТЭС (табл. 2).
Рассматривая причины наблюдаемого явления, необходимо отметить вероятный вклад не только известных генотоксических агентов, таких как ПАУ тяжелые металлы, летучие органические соединения. Особое значение для предприятий угледобычи имеет воздействие угольной пыли, содержание которой в воздухе рабочих зон многократно превышает ПДК.
Известно, что пылевые частицы способны аккумулировать на своей поверхности молекулы бензо(а)пи-рена и переносить их на большие расстояния. Кроме того, частицы пыли способны стимулировать избыточное образование в клетках активных форм кислорода (АФК). Все окислительные модификации ДНК под действием АФК могут быть разделены на три группы: повреждение дезоксирибозы, повреждение оснований ДНК и появление новых ковалентных связей («сшивок»), что приводит к формированию хромосомных и генных мутаций. АФК могут вызывать образование вторичных реактивных продуктов, таких как липид-ные пероксиды, в свою очередь тоже инициирующих свободнорадикальные процессы. Повреждение генетических структур может быть опосредовано и мутагенными продуктами перекисного окисления липидов, такими как диеновые кетоны, диеновые конъюгаты, малоновый диальдегид. Кроме того, гипоксические
Таблица 1
Показатель Шахтеры Контроль I Рабочие ТЭС Контроль II
Всего обследовано мужчин 100 76 104 118
Средний возраст, лет 54,8 ± 0,4 54,2 ± 0,4 46,1 ± 0,7 43,2 ± 0,5
Стаж работы во вредных условиях, лет 28 0 25 0
Курящих /не курящих 41 /59 38/38 54/50 51 /67
Таблица 2
Удельный вес клеток с хромосомными аберрациями (%) у шахтеров Кузбасса и в группах сравнения
Количественные характеристики показателя Шахтеры (n=100) Группы сравнения
рабочие ТЭС (n=104) контроль I (n=76) контроль II (n=118)
Mean± St. err 5,37 ± 0,25* 4,23 ± 0,28 1,05 ± 0,10** 1,07 ±0,09**
Медиана 5,5 4,0 1,0 1,0
Мода 4,0 5,0 1,0 1,0
Нижний и верхний квартиль 3,0-7,5 2,0-6,0 0,50-1,50 0,5-1,5
Минимум-Максимум 1,5-11,5 0-13,0 0-4,0 0-5,0
Ассиметрия 0,12 0,55 0,98 1,41
Эксцесс -0,96 -0,04 1,12 2,80
Примечания: контроль I — здоровые мужчины старше 50 лет; контроль II — здоровые мужчины 50 и менее лет; Mean± St. err — среднее значение и его ст. ошибка. *— статистически значимое отличие от рабочих ТЭС (р<0,01), контроля I и контроля II, ** — значимое отличие от групп шахтеров и рабочих ТЭС (p<0,00001).
состояния, обусловленные пониженным содержанием кислорода в воздухе забоев и нарушением вентиляции легких, усугубляют деструктивные процессы в клетках.
Особенно высокие значения в данном исследовании были получены у шахтеров, выполняющих основные подземные производственные операции и подвергающиеся максимальному воздействию угольной пыли: проходчики — 5,89 ± 0,74%; электрослесари — 5,01 ± 0,53%; горнорабочие очистного забоя — 5,01± 0,53%, горные мастера — 4,67 ± 1,10%. Средние значения ХА, полученные у шахтеров Кузбасса, оказались близки к значениям, установленным в группе шахтеров угольных шахт Турции, выполняющих аналогичные производственные операции [9].
Частота встречаемости ХА у стажированных рабочих теплоэлектростанций была ниже, чем у шахтеров, но статистически значимо выше, чем в контроле. Наиболее опасными с точки зрения генотоксического воздействия среды были рабочие места машиниста топли-воподачи — 4,55 ± 0,24% и у электрослесарей — 3,7 ± 0,32%, где рабочие также подвергаются сверхнормативному воздействию угольной пыли и связанных с нею опасных химических факторов (хотя в сравнении с шахтерами это воздействие менее интенсивно).
Учитывая отсутствие различий частоты встречаемости ХА между группами Контроль I и Контроль II, сформированными с учетом разницы в возрасте, в дальнейшем эти группы объединили и анализировали как единую выборку.
Анализ качественного спектра нарушений структуры хромосом (табл. 3) позволил установить, что у шахтеров повышен удельный вес аберраций как хромосомного, так и хроматидного типов. Отличие в доле случаев ХА между шахтерами и рабочими ТЭС складывается преимущественно за счет аберраций хромосомного типа. У шахтеров, в отличие от рабочих ТЭС, были зарегистрированы маркерные для радиационных воздействий ХА: дицентрические хромосомы с фрагментами (0,10 ± 0,02%), кольцевые хромосомы (0,09 ± 0,01%), атипичные моноцентрики, представленные главным образом транслокациями и инверсиями (0,13± 0,03%). Это свидетельствует о том, что цито-генетические повреждения у шахтеров могут объяс-
няться кумулятивным воздействием как химических факторов (ряда химических соединений угольной пыли и газообразных выбросов), так и воздействием радиоактивных факторов.
Важным источником радиационного фона на угольных шахтах является радон, выделяющийся из горных пород. Он способен при длительном воздействии вызывать развитие онкологических заболеваний органов дыхания и кровообращения. Альфа-частицы этого радиоактивного газа способны аккумулироваться на поверхности микрочастиц угольной пыли и таким образом транспортироваться в дыхательные пути. Исследование, к сожалению, не располагает сведениями о радиационном фоне в рабочих зонах шахтеров. Проведение в дальнейшем сопоставления между радиологическими и цитогенетическими характеристиками представляется обоснованным и целесообразным.
В данном исследовании удалось минимизировать влияние на результаты цитогенетического анализа таких факторов как: пол (все мужчины) влияние возраста и стажа (опытная группа и группы сравнения значимо по возрасту и стажу не различаются). Вместе с тем нельзя исключить возможность влияния других конфаундеров.
В качестве одного из важных факторов, способных влиять на показатели хромосомного мутагенеза у человека рассматривают курение, т. к. табачный дым содержит в себе признанные генотоксиканты: ПАУ М-нитрозоамины, ароматические амины, альдегиды [11]. У обследованных курящих шахтеров отмечалось повышение частоты аберраций хромосомного типа (1,95 ± 0,13% — у курящих против 1,51±0,14% — у некурящих, р=0,02). Однако даже у некурящих шахтеров нарушения подобного типа встречались чаще, чем в группах сравнения (0,58 ± 0,11%, р=0,00001 — у рабочих ТЭС и 0,26 ± 0,04% р=0,00001 — в контроле). Необходимо отметить, что в группах сравнения влияние курения на цитогенетические показатели выявлено не было.
Выводы. 1. У шахтеров, проработавших под землей 15 и более лет, частота хромосомных нарушений в лимфоцитах крови статистически значимо выше, чем в группе здоровых мужчин близкого возраста, никогда не работавших на производстве, что свидетельствует
Таблица 3
Основные типы хромосомных аберраций (%) в изученных группах
Типы хромосомных аберраций Шахтеры (n=100) Рабочие ТЭС (n=104) Контроль (n=194)
Mean± St. err Ме Мт-Max Mean± St. err Ме Мт-Max Mean± St. err Ме Мт-Max
Аберрации хроматидного типа 3,79 ± 0,21 4,00 0,50-8,50 3,67 ± 0,26 3,50 0-13,0 0,73 ± 0,06* 0,50 0-5,50
Аберрации хромосомного типа 1,69 ± 0,10** 1,50 0-4,50 0,55 ± 0,08 0 0-3,0 0,31 ± 0,04* 0 0-3,50
Примечания: Ме — медиана; Min-Max — минимальное — максимальное значение; Mean± St. err — среднее значение и его ошибка; * — статистически значимо отличаются от значения аналогичного показателя в группе шахтеров и рабочих ТЭС (р <0, 0001); ** — статистически значимо отличаются от значения аналогичного показателя в группах рабочих ТЭС и Контроле (р <0, 0001).
о генотоксическом характере воздействия производственной среды на рабочих угольных шахт. 2. У шахтеров по сравнению с рабочими ТЭС выявлено повышение частоты аберраций хромосом преимущественно за счет аберраций хромосомного типа. 3. Показано, что повышение частоты аберраций хромосомного типа особенно выражено у курящих шахтеров, что свидетельствует о кумулятивном эффекте курения и воздействия производственных генотоксикантов на генетический аппарат рабочих, занятых под землей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (см. REFERENCES пп. 8-11)
1. Бочков Н.П., Чеботарев А.Н. Наследственность человека и мутагены внешней среды. — М.: «Медицина», 1989.
2. Гафаров В.В. Захаренков, Н.И. Панев и др. // Мед. труда. — 2010. — № 3. — С. 37-40.
3. Жумабекова Г.С., Аманбекова А.У., Ибраева Л.К., Ажиме-това Г.Н. // Мед. труда. — 2014. — № 8. — С. 18-22.
4. Захаренков В.В., Кислицына В.В. // Междунар. журн. прикладных и фундаментальных исследований. — 2014. — № 1-2. — С. 168-170.
5. Измеров Н.Ф., Бухтияров И.В., Прокопенко Л.В., Кузьмина Л.П. //Мед. труда. — 2013. — № 6. — С. 7-12.
6. Измеров Н.Ф., Кузьмина Л.П.,. Коляскина М.М,. Лазараш-вили Н.А. // Гиг. и сан. — 2011. — № 5. — С. 10-14.
7. Минина В.И., Ларин С.А., Мун С.А. и др. // Мед. труда. — 2006. — 11. — С. 19-25.
REFERENCES
1. Bochkov N.P., Chebotarev A.N. Human heredity and environmental mutagens. Moscow: «Meditsina», 1989 (in Russian)
2. Gafarov VV. Zakharenkov, N.I. Panev et al. // Industr. med. — 2010. — 3. — Р. 37-40 (in Russian).
3. Zhumabekova G.S., Amanbekova A.U., Ibraeva L.K., Azhimetova G.N. // Industr. med. — 2014. — 8. — Р. 18-22 (in Russian).
4. Zakharenkov VV., Kislitsyna VV. Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamental'nykh issledovaniy. — 2014. — 1-2. — Р. 168-170 (in Russian).
5. Izmerov N.F., Bukhtiyarov IV., Prokopenko LV., Kuz'mina L.P. // Industr. med. — 2013. Р. — 7-12 (in Russian).
6. Izmerov N.F., Kuz'mina L.P.,. Kolyaskina M.M,. Lazarashvili N.A. // Gig. i san. — 2011. — 5. — Р. 10-14 (in Russian).
7. Minina V.I., Larin S.A., Mun S.A. et al. // Industr. med. — 2006. — 11. — P. 19-25 (in Russian).
S. Ada A.O., Demiroglu C., Yilmazer M., Suzen H.S. et al. // Arh. Hig. Rada Toksikol. — 2013. — v. 64 (3). — P. 359-369.
9. Donbak L., Rencuzogullari E, Yavuz A, TopaktasM. // Mutat Res. — 2005. — v. 5SS (2) . — P. S2-7.
10. Santa Maria S.R., Arana M. and Ramirez O. // Genetics and Molecular Biology. — 2007. — v. 30 (4) . — P. 1135-113S.
11. Taíolí E. // Carcinogenesis. — 200S. — v. 29 (S) . — P. 1467-1474.
Поступила 18.03.2015
CВEДEНИЯ ОБ AВTOPAX
Минина Bарвара Ивановна (Minina V.I.);
зав. лаб. цитогенетики ФГБУН ИЭЧ СО PA^ доц. каф. генетики ФГБУ ВПО КемГУ канд. биол. наук, доц. E-mail: [email protected]. Кулемин Юрий Евгеньевич (Kulemin Yu. E.);
инж. ИЭЧ СО PA^ асп. каф. генетики КемГУ. E-mail: [email protected]. Толочко Татьяна Aндреевна (Tolotchko T.A.);
ст. преп. каф. генетики КемГУ. E-mail: [email protected]. Мейер Ллина Buкторовна (Meyer AV.);
асс. каф. генетики КемГУ, канд. биол. наук. E-mail: shapo [email protected]. Савченко Яна Aлекcандровна (Savtchenko Ya.A.);
мл. науч. сотр. лаб. цитогенетики ИЭЧ СО PA^ E-mail: [email protected]. Bолобаев Bалентuн Павлович (Volobayev V.P.);
асп. каф. генетики КемГУ. E-mail: kitsuneoni42@gmail. com. Гафаров Михаил Исмаилович (Gafarov N. I.);
рук. лаб. популяционной генетики ФГБУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний» Сиб. отд. PAМН, канд. биол. наук. E-mail: [email protected]. Панев Николай Иванович (Panev N.I.);
рук. отд. мед. труда ФГБУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем гигиены и профессиональных заболеваний» Сиб. отд. PAМН, канд. мед. наук. E-mail: [email protected]. Семенихина Мария Buкторовна (Semenichina MV.);
врач лаб. ФГБ ЛПУ «Научно-клинический центр охраны здоровья шахтеров». E-mail: sva@gnkc. kuzbass. net.
