CC BY
2714. Murray C.J.L. et al. // Adult Health in the developing word / R. Feachem. et al. Washington: World
bank, 1993. P. 67—91.
15. Murray C.J.L., Lopes A.D, Kristofer J.L. // Global Burden of Disease and Injury. Vol. 1. Cambridge: Harvard School of Public Health, 1996.
Поступила 22.03.10
УДК 613.6.001.53
В.А. Кирьяков, Н.А. Павловская, А.В. Сухова
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ИНФОРМАТИВНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ БИОМАРКЕРОВ В МЕДИЦИНЕ ТРУДА (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
ФГУН «Федеральный научный центр гигиены им.Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора, Москва
Рассмотрено значение и возможности применения лабораторных показателей в медицине труда и профпатологии для диагностики профессиональных заболеваний. Проведена оценка требований и методических подходов к выбору наиболее информативных диагностически значимых лабораторных биомаркеров и разработке их комплексов. Приведены примеры выбора информативных биомаркеров при воздействии различных вредных факторов производственной среды и конкретные комплексы для выявления вредного воздействия угольной пыли, вибрации, химических факторов, заболеваний кожных покровов.
Ключевые слова: биомаркеры, диагностика, информативность, пыль, вибрация, свинец, никель.
V.A. Kiryakov, NA. Pavlovskaya, A.V Soukhova. Criteria for informative laboratory biomarkers selection in occupational medicine (analytic literature review). The authors considered importance and possibilities of using laboratory values in occupational medicine and pathology for diagnosis of occupational diseases. Evaluation covered requirements and methodic approaches to selection of the most informative diagnostically reliable laboratory biomarkers and to elaboration of their complexes. The article covers examples of selecting informative biomarkers in exposure to various occupational hazards and specific complexes to identify harm caused by coal dust, vibration, chemical factors, skin diseases.
Key words: biomarkers, diagnosis, informativeness, dust, vibration, lead, nickel.
Лабораторные методы в настоящее время широко используются для диагностики как общих, так и профессиональных заболеваний, а также для выявления неблагоприятного воздействия на организм вредных факторов окружающей среды. Большое значение приобретают вопросы ранней диагностики, так как своевременное выявление предболезни позволяет предотвратить или существенно замедлить развитие заболевания. Однако диагностическое значение различных лабораторных показателей неодинаково, поэтому все чаще встает вопрос о выборе наиболее оптимальных информативных показателей, которые могут быть использованы как биомаркеры (БМ) возникновения и развития болезни [7—9, 11].
Термин БМ по определению отчета Международных экспертов ВОЗ характеризует почти любое измерение, отражающее взаимодействие между биологической системой и потенциальной опасностью (физической, химической или биологической). БМ обычно используются как
индикаторы состояния здоровья или риска развития заболевания. Измеряемый ответ может быть функциональным, физиологическим, биохимическим или на клеточном уровне. В клиниках БМ используют для подтверждения диагноза, оценки эффективности лечения, прогнозирования развития заболевания и др.[19].
В медицине труда, экологии, профпатологии БМ применяются для раннего выявления негативного действия вредных факторов на организм, гигиенического нормирования, разработки стратегии лечения и оценки остаточных явлений в организме после прекращения контакта с вредными факторами.
В настоящее время БМ подразделяют на три группы: БМ воздействия, эффекта и чувствительности. БМ воздействия отражают поступление в организм чужеродных веществ. БМ эффекта отражают те изменения в организме, которые происходят при воздействии вредных факторов и могут быть связаны с заболеванием
или предшествовать ему. БМ чувствительности являются индикаторами того, что человек чувствителен к воздействию того или иного вредного фактора. Особое внимание при этом уделяется генетической чувствительности.
За последние годы вопросам выбора информативных критериев уделяется большое внимание [2, 6—8, 10, 17], разрабатываются комплексы диагностически значимых лабораторных биомаркеров для выявления заболеваний. В то же время в профпатологии вопросы установления диагностических характеристик лабораторных БМ нуждаются в дальнейшей разработке, а имеющиеся материалы в обобщении и анализе.
Выбор информативных БМ в профпатологии основывается на тех задачах, которые встают перед лабораторной диагностикой в этой отрасли медицины [6, 7, 10, 11]. Важнейшей задачей лабораторной диагностики в профпатологии является профилактика заболеваний, вызванных воздействием вредных факторов.
При выборе биомаркера предпочтение отдается наиболее специфичным показателям. Доля лиц, у которых уровень БМ выходит за границы нормы, должна быть достаточно высока (более 50 %), то есть информативный БМ должен характеризоваться высокой диагностической чувствительностью (ДЧ).
ДЧ = ^^)х100, где Q — число рабочих в группе, у которых уровень показателя достоверно отличается от нормы; Z — общее число обследованных рабочих в группе, подвергающихся воздействию вредного фактора в тех же условиях.
Необходимо также принимать во внимание и экономические характеристики: стоимость и доступность реактивов и приборов, время, требуемое для определения, способы отбора проб и подготовки материалов к анализу, возможность и длительность сохранения аналита в пробе, возможность транспортировки отобранных образцов.
Исследования, проведенные в клинике ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана, позволили выделить основные методологические подходы, которые можно использовать для установления диагностических характеристик лабораторных показателей. Информация о диагностических характеристиках лабораторного показателя может быть получена путем изучения изменения уровней показателей и доли лиц с измененным уровнем от дозы вещества («доза — эффект» и «доза — ответ»), от выраженности воздействия или тяжести заболевания («выраженность воздействия — эффект» и «выраженность воздействия — ответ»); от стажа работы («стаж работы — эффект» и «стаж работы — ответ»).
Изучение зависимости «выраженность воздействия — эффект» и «выраженность воздействия — ответ» было использовано для получения диагностических характеристик лабораторных показателей при воздействии угольной пыли, вибрации, вибрации в сочетании с никелем, заболеваниях кожных покровов [1, 3—5,
12—14, 16, 18].
При этом рабочих, подвергающихся воздействию вредного фактора(ов), классифицируют по степени выраженности воздействия. Обычно выделяют следующие группы: 1-я — контактных практически здоровых рабочих, 2-я — рабочих с подозрением на заболевание, 3-я — больных рабочих с легкой и 4-я — выраженной стадиями заболевания. Все рабочие обследуются врачами-специалистами и у всех проводят исследование биологических сред с применением заранее выбранного на основании данных литературы комплекса лабораторных методов.
Так, при выборе информативных биомаркеров для выявления вредного воздействия угольной пыли обследованные шахтеры были подразделены на группы: практически здоровые стажи-рованные шахтеры, больные с антракосиликозом 1 стадии, больные с антракосиликозом 2 стадии, больные с хроническим пылевым бронхитом. Для исследования были избраны тесты, характеризующие процессы окислительного метаболизма (активность каталазы сыворотки крови, малоновый диальдегид, церулоплазмин, коэффициент хемилюминесценции лейкоцитов (Кхл)), показатели клеточного и гуморального иммунитета (Тл, Вл., Ол, IgM, IgA, IgG), показатели функционального состояния нейтрофилов (тест-НСТ, активность кислой фосфатазы), показатели, характеризующие воспалительные и воспалительно-деструктивные процессы (С-реактивный белок, гаптоглобин, общий белок, белковые фракции, фибриноген). Кроме этого проводили общий анализ крови.
При действии угольной пыли у стажиро-ванных шахтеров происходят изменения иммуноглобулинов ^А, IgM, IgG, субпопуляций лимфоцитов и тестов окислительного метаболизма (каталаза, малоновый диальдегид, церу-лоплазмин, Кхл). Среди практически здоровых шахтеров частота встречаемости лиц с измененными уровнями этих показателей достигает 70 %. В то же время уровни показателей белкового обмена, острого и хронического воспалительного и воспалительно-деструктивного процессов, свертывающей системы, метаболизма соединительной ткани изменяются у небольшого числа рабочих, контактирующих с пылью.
У больных антракосиликозом 1 стадии возрастает выраженность изменений показателей окислительного метаболизма и иммунного статуса и частота встречаемости их. Одновременно в этой группе резко возрастает частота встречаемости лиц с измененными показателями воспалительных и воспалительно-деструктивных процессов (гаптоглобин, фибриноген, белковые фракции, С- реактивный белок) и активизируются процессы фиброзообразования (оксипролин в моче).
У больных антракосиликозом 2 стадии и хроническим пылевым бронхитом с явлениями дыхательной недостаточности более интенсивно изменяются как абсолютные значения лабораторных показателей окислительного метаболизма, иммунного статуса, воспалительного и воспалительно-деструктивного процессов, фи-брозообразования, так и повышается доля лиц, у которых уровни этих показателей изменены.
Проведенные исследования послужили основанием к выбору наиболее информативных лабораторных показателей и разработке их комплексов.
Для скрининг-диагностики пылевых заболеваний органов дыхания, обусловленных воздействием угольной пыли, целесообразно использовать определение теста-НСТ, Кхл лейкоцитов и каталаза сыворотки крови.
При проведении углубленной диагностики пылевых заболеваний органов дыхания может быть использован комплекс биомаркеров, включающий определение в крови активности катала-зы, малонового диальдегида, Кхл, НСТ-теста, субпопуляций лимфоцитов, иммуноглобулинов ^А, ^М, ^С, гаптоглобина, белковых фракций, фибриногена, а также оксипролина мочи.
При интерпретации результатов целесообразно учитывать стадийность развития пылевых заболеваний органов дыхания от воздействия угольной пыли. На ранних стадиях изменяются показатели окислительного метаболизма (повышение процессов перекисного окисления липидов, дисбаланс антиоксидантного статуса), гуморального и клеточного иммунитета, повышением функциональной активности нейтрофилов. По мере прогрессирования заболевания наряду с изменениями окислительного метаболизма, иммунитета и активацией нейтрофилов появляются воспалительные, воспалительно-деструктивные и продуктивные (фиброзообразование) изменения. При заболевании антрокосиликозом и пылевым бронхитом с дыхательной недостаточностью изменения уровней почти всех БМ становятся более выраженными. При этом доля лиц с измененными уровнями показателей возрастает почти до 100%.
С целью выбора информативных биомаркеров для выявления негативного влияния на организм рабочих производственной вибрации, также были использованы зависимости «выраженность воздействия — эффект», «выраженность воздействия — ответ» [1, 5, 6, 14].
В табл. 1 представлены данные о частоте встречаемости рабочих, у которых уровни лабораторных показателей выходят за границы нормальных значений (ДЧ). Как представлено в табл. 1, значения ряда лабораторных показателей изменяются весьма интенсивно уже в доклинической стадии вибрационной болезни как у практически здоровых рабочих, так и у лиц с подозрением на вибрационную болезнь: креатин в моче, иммуноглобулины, лимфоциты, ряд показателей окислительного метаболизма, цитохимические тесты.
У больных вибрационной болезнью 1 и 2 стадии доля лиц с измененными значениями тестов возрастает. Уровни ряда показателей изменены и у части рабочих, прекративших производственный контакт с вибрацией. Диагностическая чувствительность (ДЧ) многих изученных тестов достаточно высока.
Кроме приведенных в табл. 1 данных изучали диагностические характеристики активности холинэстеразы, липидного профиля, содержания калия и натрия в сыворотке крови, однако ДЧ их оказалась менее 30 % даже при выраженных стадиях вибрационной болезни.
Полученные данные послужили основанием к выбору информативных биомаркеров, которые целесообразно использовать в диагностике вибрационной патологии.
В комплекс информативных методов для раннего доклинического выявления воздействия вибрации на организм рабочих целесообразно включить: общий анализ крови с оценкой объема эритроцитов и уровня гемоглобина, определение активности каталазы, супероксиддисмутазы, миелопероксидазы, кислой и щелочной фосфата-зы, содержания малонового альдегида, иммуноглобулинов ^А, ^М, ^С, а также содержание креатина в моче.
Для проведения периодических медосмотров и скрининг-диагностики можно применить комплекс простых высокочувствительных БМ, определяемых в капиллярной крови: общий анализ крови с оценкой объема эритроцитов и гемоглобина, цитохимическое определение мие-лопероксидазы, кислой и щелочной фосфатазы нейтрофилов, содержание креатина в моче.
В том случае, если при оценке воздействия можно достаточно корректно оценить дозу, то
для установления диагностических характеристик лабораторных показателей используют изучение зависимости эффекта и ответа от дозы вещества или вредного фактора. При этом необходимо изучение воздействия не менее трех разных до-зовых нагрузок. Наименьшая доза обычно избирается на уровне ПДК или ПДУ, вторая доза — примерно в 5 и более раз выше и третья — в 10 и более раз выше.
В качестве примера можно привести выбор информативных БМ для диагностики воздействия свинца на организм человека и развития хронической свинцовой интоксикации [9, 16]. Для этих целей были обследованы рабочие трех предприятий с различными уровнями свинца в воздухе рабочей зоны: работники типографии, где концентрация свинца в воздухе была на уровне 0,01 мг/м3, рабочие металлургического
Т а б л и ц а 1
Диагностическая чувствительность лабораторных показателей при действии вибрации на организм рабочих
Показатель Доклиническая стадия вибрационной болезни Вибрационная болезнь, 1 стадии Вибрационная болезнь, 2 стадии Остаточные явления вибрационной болезни
Креатин мочи ТТ ТТТ ТТ Т
Креатин крови ТТ ТТТ ТТТ Т
Медь крови — ТТ Т —
Каталаза ТШ ТШ т —
Супероксиддисмутаза ^^^ —
Малоновый диальдегид ТТ ТТ ТТ —
Церулоплазмин — ТТТ Т —
Миелопероксидаза ^ и ^^^ —
Кислая фосфатаза Т ТТ ТТТ —
Щелочная фосфатаза Т ТТ ТТТ —
1«А ТТТ ТТТ ТТТ ТТТ
ТТ ТТТ ТТТ ТТТ
^м и ^^^ ^^^
Гемоглобин Т ТТ ТТТ —
Лимфоциты ТТ Т ТТ Т
Объем эр. ш т ТТТТ —
Т а б л и ц а 2
Изменение уровней лабораторных показателей при разных концентрациях свинца в крови
Показатель* Концентрация свинца в крови, мкг/ дл
< 10 10,0—19,9 20,0—29,9 30,0—39,9 40,0—49,9 50,0 и более
АЛК-Дэр — i ii ii iii iiii
ЭР5Ыэр — t tt ttt ttt -
ППЭр — t tt tt ttt tttt
ZnРР — — — t ttt ttt
АЛКм — — t tt ttt ttt
КПм — — — — t tt
РТ крови — — t tt ttt tttt
БЗЭ — — — — t tt
Гемоглобин — — — — t tt
* Примечание: АЛК-Д — дегидратаза-дельта-аминолевулиновой кислоты; ЭР5Ыэр — эритроцитарная пири-мидиннуклеотидаза; ППЭр — протопорфирины эритроцитов; ZnPP — цинкпротопорфирин; АЛКм — дельта-аминолевулиновая кислота мочи; КПм — копропорфирин мочи, РТ — ретикулоциты; БЗЭ — базофильнозернистые эритроциты.
Примечание: Т, ТТ, ТТТ, ТТТТ — значение показателя повышается у < 25, 25—49, 50—74, 75 %; ^^^^ — значение показателя снижается у < 25, 25—49, 50—74, 75—100 % рабочих шахтеров.
завода с концентрацией свинца в воздухе около 0,1—0,3 мг/м3 и рабочие аккумуляторного завода , где концентрация свинца в воздухе достигала 1—3 мг/м3.
Выбор информативных лабораторных показателей при действии свинца был основан на анализе материалов, характеризующих его воздействие в зависимости от концентрации элемента в крови и воздухе [6, 9].
Из табл. 2 следует, что уже при концентрации свинца в крови 10—20 мкг/дл снижается активность АЛК-Д и повышается ЭР5Ыэр и уровень ППЭр. При повышении концентрации металла до 20—30 мкг/дл и более изменения в крови нарастают, и одновременно возрастает частота встречаемости обследованных лиц, у которых уровни ряда лабораторных тестов изменены.
Анализ полученных результатов позволил выбрать наиболее ранние, характеризующиеся высокой ДЧ и патогномоничные показатели. Из приведенных данных видно, что к наиболее ранним показателям относятся АЛК-Дэр, ППЭ и ЭР5Ы, а так же РТкр, АЛКм. ДЧ этих показателей и абсолютные значения изменяются по мере повышения концентрации свинца в крови, что позволяет заключить, что они связаны с негативным воздействием металла. ДЧ этих показателей при высоких концентрациях свинца в крови более 70 %.
Изменение активности АЛК-Дэр начинается очень рано и связано с патогенезом свинцовой интоксикации. Тест высоко специфичен, а при использовании некоторых модификаций методики ее определения ДЧ теста может достигать почти 100 %. При обследовании рабочих на предприятиях тестирование на содержание АЛК-Дэр не применяют из-за ее очень высокой чувствительности, а используют менее чувствительные показатели. Определение АЛК-Дэр является хорошим БМ при экологических исследованиях и в клинике при диагностике свинцовой интоксикации.
Проведенный анализ материалов позволил выбрать наиболее информативные БМ для раннего выявления вредного воздействия свинца на организм человека и разработать диагностический комплекс, в который в настоящее время входят: свинец в моче или крови, АЛКм, РТкр, БЗЭ, гемоглобин и эритроциты крови. В качестве дополнительного критерия предлагается использовать определение активности АЛК-Д в эритроцитах, при отсутствии изменений активности которой можно утверждать, что какого-либо вредного воздействия свинца не имеется.
Для установления диагностических характеристик лабораторных показателей при действии гидроаэрозоля никеля было проведено изучение изменения уровней лабораторных показателей и частоты встречаемости рабочих с измененными значениями биомаркеров [4, 12, 15, 16].
Данные, характеризующие интенсивность и направленность изменений лабораторных показателей в крови рабочих гальванического производства в зависимости от стажа, представлены в табл. 3.
Из полученных данных следует, что уровни целого ряда лабораторных показателей у рабочих изменяются уже при стаже менее 10 лет. Интенсивно изменяются уровни цитохимических показателей. Установлено достоверное повышение активности кислой и щелочной фосфатаз ней-трофилов крови при одновременном снижении миелопероксидазы нейтрофилов. С высокой степенью достоверности увеличивается содержание НСТ-теста, повышается активность каталазы сыворотки крови, содержание церулоплазмина, малонового диальдегида и гаптоглобина. У большинства рабочих гальванического предприятия отмечается повышенное содержание никеля в моче (в 3 — 4 раза выше нормы). Изменение
Т а б л и ц а 3
Частота встречаемости рабочих гальванического производства, у которых уровни лабораторных показателей выходят за границы нормы
Характер и интенсивность
Показатель изменений
Стаж Стаж
до 10 лет более 10 лет
Гаптоглобин tt ТТТ
Каталаза сыв. ttt ТТ
Каталаза эрит. t ТТТ
Малоновый диальдегид tt ТТ
НСТ-тест ttt ТТТТ
Миелопероксидаза ^^^ ^^^
Кислая фосфатаза tttt ТТТТ
Щелочная фосфатаза ttt ТТТТ
РТМЛ tt ТТТ
В-лимфоциты ttt ТТТ
^м tt/^ ТТТ
t/W ^^^
1вС tt/^ Тенденция
Эозинофилы tt ТТ
Никель мочи ttt ТТТ
Примечание: Т, ТТ, tt, tttt — значение показа-
^^^^ — значение показателя снижается у < 25,
25—49, 50—74, 75—100 % рабочих.
уровней иммуноглобулинов ^А, ^М, ^С носит разнонаправленный характер особенно у мало-стажированных рабочих.
На основании этих исследований предложен комплекс БМ для выявления негативного действия низких уровней гидроаэрозоля никеля.
Таким образом, к настоящему времени разработаны диагностические комплексы информативных лабораторных БМ для выявления негативного действия угольной пыли, вибрации, некоторых химических веществ (свинец, никель). Показаны возможности избранных БМ и их комплексов при выявлении негативного воздействия вредных факторов.
В результате проведения корреляционного анализа можно сделать заключение о связи заболевания с дозой вещества, а, следовательно, и с патогенезом заболевания, вызванного воздействием конкретного вредного фактора.
Также возможно получение информации о том, как рано начинают изменяться уровни БМ при определенной концентрации вещества или дозе воздействия, значения их ДЧ в зависимости от стажа работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антошина ЛИ. // Мед. труда. 2009. № 2. С. 32—37.
2. Вычислительные методы анализа и распознавания патологических процессов / Е.В. Гублер. Л.: Медицина,
1978. С. 166—190.
3. Ибраева Л.К., Узбеков В.А. // Мед. труда. 2006. № 4. С. 28—30.
4. Кирьяков В.А., Павловская НА., Яцына И.В. и др. / / Материалы 2-го Международного симпозиума.
Томск, 2000. С. 241.
5. Кирьяков В.А., Сааркоппель Л.М., Сухова А.В. / / Сб.: Вопросы обеспечения санэпидблагополучия на-
селения в Центральных регионах России. Воронеж, 2002.
С. 231—233.
6. Лабораторная диагностика / В.А. Капцов, Н.А. Павловская, Б.Т. Величковский и др. М.: «Реинфор»,
2005. С. 11—16.
7. Меньшиков В.В. // Клин. лаб. диагностика. 1996. № 5. С. 4—12.
8. Меньшиков В.В. // Там же. 1996. № 5. С. 49—
52.
9. Методы исследования в профпатологии: Руководство для врачей / Под ред. О.Г. Архиповой. М.: Медицина, 1988. С. 163—186.
10. Павловская Н.А., Данилова Н.И. // Клин. лаб. диагностика. 2001. № 12. С. 49—51.
11. Павловская Н.А., Данилова Н.И. // Сб.: Актуальные вопросы профзаболеваний. М., 1995. С. 63—66.
12. Павловская Н.А., Данилова Н.И., Антошина Л.И. // Сб.: Гигиена на рубеже XXI в. Воронеж, 2000. С. 27—30.
13. Павловская Н.А., Данилова Н.И., Рушкевич О.П. // Гиг. и сан. 1990. № 5. С. 28—31.
14. Павловская Н.А., Кирьяков В.А., Антошина Л.И., Сухова А.В. // Вестн. РАМН. 2005. № 3. С. 36—39.
15. Павловская Н.А., Устюшин Б.В., Антошина Л.И. / Мед. труда. 2003. № 11. С. 23—27.
16. Свинец, ртуть, никель: ранняя диагностика токсического действия на организм / Н.А. Павловская, В.А. Кирьяков, С.И. Савельев и др. Липецк: «Инфол», 2002.
С. 81—107.
17. Справочник по клинико-биохимическим исследованиям и лабораторной диагностике / В.С. Камышников.
М.: МЕДпрессинформ, 2004. С. 644—650, 688—690.
18. Яцына И.В., Красавина Е.К., Коробеева Е.Н. и др.// Вестн. РАМН. 2005. № 3. С. 36—39.
19. Biomarkers and Risk Assesment Concepts and Principles. Environmental Health Criteria 155. Geneva:
WHO, 1993.
Поступила 15.06.10
