CC BY
34
© Коллектив авторов, 1994 УДК 616-006.6-055.5:615.274-08
Л. Н. Пылев, Н. М. Стадникова, Е. В. Клейменова,
Е. П. Гранкина, М. А. Кибисова
СОСТАВ АСБЕСТОВОЙ ПЫЛИ И ПЛЕВРАЛЬНЫЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗ У КРЫС
НИИ канцерогенеза
В условиях производства и в быту загрязняющие воздух аэрозоли, твердые, газообразные и жидкие, обычно многокомпонентны и непостоянны по составу. Концентрация их составляющих также может колебаться. Хорошо известно, что биологическая активность отдельных загрязнителей далеко не всегда суммируется при их сочетанном действии на организм: возможно как торможение, так и потенцирование эффекта.
Курящие рабочие асбестовых производств во много раз чаще заболевают раком легких, чем некурящие, или курящие, но не имеющие контакта с асбестом [7]. Введение в легкие экспериментальных животных табачного дыма, бенз(а)пирена вместе с порошком угля, гематитом, двуокисью кремния или асбестом ведет к резкому усилению канцерогенеза по сравнению с опытами, где животным инсталлировали только бенз(а)пирен или асбест. Двуокись кремния, гематит и уголь опухолей легких не вызывали [1—3, 6].
В натурных условиях в пыли асбеста содержатся неволокнистые компоненты, наиболее частыми из них являются частицы породы, кварца и различные углеродсодержащие частицы.
Возможно, поступающие во вторичные полости тела асбестовые волокна предварительно освобождаются от имеющихся на их поверхности примесей, которые, в частности, растворяются в тканевой жидкости вместе с выщелачиванием поверхностного магния. По-видимому, на ме-зотелий плевры и брюшины действуют уже «очистившиеся» волокна, а другие пылевые компоненты отсутствуют.
Результаты многочисленных экспериментов с введением животным в полость плевры и брюшины различных асбестсодержащих пылей не противоречат сказанному, поскольку в большинстве случаев эти пыли специально готовились. Помимо волокон асбеста, основным их компонентом являлись частицы породы.
Целью нашей работы было изучить возможное влияние на плевральный асбестовый канцерогенез у крыс углеродсодержащей пыли и пыли двуокиси кремния, вводимых в различных сочетаниях с асбестом. Мы предполагали, что частицы угля и кремнезема, вводимые вместе с асбестом или до него, затруднят выведение волокон асбеста из полости плевры крыс, вступая с ним в конкурентные отношения при взаимодействии с макрофагами или просто закупорив пути оттока лимфы, т.е. пути выведения асбеста. Вследствие этого увеличиваются время пребывания асбеста в полости плевры, его действующая доза и как результирующая — контакт с клетками-мишенями (мезотелием). Все это, по нашему предположению, приведет к усилению плеврального канцерогенеза. Хотя механизм асбестового бластомогенеза в общем неизвестен, зависимость доза—время—эффект присущи и ему [5].
Материалы и методы. Опыты поставлены на крысах Вистар с ис-ходной массой тела около 100 г. Взвесь пыли в 0,5 мл изотонического раствора натрия хлорида вводили в правую плевральную полость жи-
L. N. Pylev, N. M. Stadnikova, E. V. Kleimenova,
E. P. Grankina, M. A. Kibisova
ASBESTOS DUST COMPOSITION AND PLEURAL CARCINOGENESIS IN RATS
Research Institute of Carcinogenesis
Industrial and domestic aerosoles, solid, gaseous and liquid contaminating agents are usually multicomponent and unstable in composition. Concentration of their components may also vary. It is well known that biological activity of individual contaminants is not always summed up in their combined action on the body: the effect may be inhibited or potentiated.
Smoking workers of asbestos production plants develop lung cancer much more frequently than non-smokers or smokers not exposed to asbestos [7]. Exposure of experimental animal lungs to tobacco smoke, benz(a)pyrene together with coal powder, hematite, silicon dioxide or asbestos leads to a sharp increase in carcinogenesis as compared to experiments in which the animals are instilled with benz(a)pyrene or asbestos only. Silicon dioxide, hematite or coal do not induce lung tumors [1—3,6].
Under natural conditions asbestos dust contains non-fibrous components, most often consisting of particles of rock, quartz and various carbon-containing fragments.
It may be supposed that asbestos fiber loses contaminants from its surface before getting in the body’s secondary cavities, the contaminants are resolved in tissue fluid together with lixiviation of surface magnesium. Further we may suppose that pleural and peritoneal mesothelium is exposed to «clean» fiber free from other dust components.
The results of numerous experiments in which various asbestos-containing dusts were injected into the animal pleural and retroperitoneal cavities do not contradict the above-said because in most experiments the dusts were specially prepared and consisted mainly of rock particles and asbestos fiber.
The purpose of this investigation was to study potential effect of carbon-containing and silicon dioxide dusts on pleural asbestos-induced carcinogenesis in rats when given in various combinations with asbestos. We supposed that particles of charcoal and silicon administered together with or before asbestos would prevent or make difficult elimination of asbestos fiber from rat pleural cavity by entering into competition during interaction with macrophages or simply by stopping up routes of lymph flow out, i.e. routes of asbestos release. This would result in increase in time of the asbestos presence in the pleural cavity, its active dose and, consequently, its contact with target-cells (mesothelium). This would lead to rise in pleural carcinogenesis. Though mechanism of asbestos-induced blasto-mogenesis is unknown, there is evidence that it is characterized by dose—time—effect relationship [5]
Materials and Methods. Our experiments were set up using Vister mice with initial body weight 100 gramm. Dust suspension in 0.5 ml of saline solution was injected in the animal pleural cavity. The asbestos dust was prepared by powdering in an agate mortar of bazhenov chrysotile enriched by washing. The activated charcoal powder was prepared by triturating of commercial tablets of activated charcoal in an agate mortar. Besides the charcoal, we used silicon dioxide reference standard DC2.
Control animals received 20 mg of asbestos once (group 1).
вотных. Асбестовую пыль готовили путем растирания в агатовой ступке баженовского хризотила мокрого обогащения. Порошок активированного угля готовили путем растирания в агатовой ступке коммерческих таблеток активированного угля. Помимо угля, использовали стандартный образец порошка двуокиси кремния 0(^2,
Контрольным животным вводили однократно 20 мг асбеста (1-я группа).
С активированным углем (АУ) поставлено три эксперимента. 20 мг асбеста и 50 мг АУ в смеси вводили животным 2-й группы. Смесь готовили, тщательно растирая и перемешивая асбест и уголь в агатовой ступке.
Через неделю после введения 50 мг АУ крысам вводили в полость плевры 20 мг взвеси асбестовой пыли и через неделю они получали по 50 мг АУ четырехкратно с интервалом 7 дней (3-я группа).
Крысам 4-й группы вводили в полость плевры еженедельно пятикратно по 50 мг АУ.
С порошком кремнезема поставлено 2 опыта.
Двуокись кремния (10 мг) вводили крысам трехкратно ежемесячно, через месяц после последнего введения они получили 20 мг асбеста (5-я группа).
Контролем к этому опыту служили животные, которым в плевральную полость вводили по 10 мг пыли кремнезема трижды ежемесячно (6-я группа).
Крысам 7-й группы вводили по 0,5 мл изотонического раствора натрия хлорида 12 раз еженедельно.
Крыс наблюдали до их гибели, органы и ткани погибших обрабатывали обычными гистологическими методами и подвергали морфологическому изучению. Статистическую обработку проводили методом Стьюдента—Фишера и по у1 с поправкой Йейтса.
Результаты и их обсуждение. Анализ выживаемости животных в опытных и контрольных группах (1—4-я) показал, что во 2-й группе она была несколько лучше, чем в 1-й, а в 3-й и 4-й мало отличалась от 1-й. Результаты экспериментов представлены в таблице.
Число гемобластозов (лимфомы легких, брюшной полости и лейкозы) было практически одинаковым в группах, где вводили один асбест (11,1%) и в группах, где, помимо него, вводили АУ — 13,0, 16,3, 18,4% соответственно. В группе, где вводили изотонический раствор натрия хлорида они найдены у 17,6% крыс. Морфологическое строение этих опухолей было типичным для этого вида животных. То же можно сказать и об опухолях молочных желез. Их количество и морфологическое строение были одинаковыми в указанных группах. Число и локализация других опухолей также не выходят за рамки наблюдаемых у крыс спонтанных новообразований. В большинстве случаев это были аденомы надпочечников.
Из сказанного следует, что асбест, вводимый в полость плевры отдельно или с АУ, не влиял на спектр и количество спонтанных опухолей у крыс. Данные согласуются с результатами наших предыдущих исследований, где использовались его различные образцы.
Совершенно другие результаты получены относительно мезотелиом плевры. Они настолько разительны, что, на наш взгляд, не нуждаются даже в статистической обработке. Проведя ее, мы получили высокую степень значимости различий между числом мезотелиом в 1, 2 и 3-й группах.
В 1-й группе опухоли плевры выявлены у 16 (35,5%) из 45 крыс. Это примерно такое же количество, какое мы получили при однократном введении крысам в плевральную полость 20 мг асбестовой пыли [4]. При введении смеси асбеста с АУ мезотелиомы найдены всего у 3 (6,5%) крыс из 46. В таком же количестве они обнаружены и в 3-й группе (7,0%). С одним АУ опухолей плевры не найдено. Не обнаружены они и при введении одного изотонического раствора натрия хлорида.
There were three experiments with activated charcoal (AC).
A mixture of asbestos, 20 mg, and AC, 50 mg, was administered to animals of group 2. The mixture was prepared by thorough grinding and mixing asbestos and charcoal in an agate mortar.
A week after administration of 50 mg of AC the rats received 20 mg of asbestos dust suspension in the pleural cavity and starting from the next week they received 4 injections of AC at 50 mg at a 7-day interval (group 3).
Rats of group 4 received 5 weekly administrations of 50 mg of AC.
There were two experiments with silica powder.
Silicon dioxide (10 mg) was given to the rats monthly 3 times, a month after the last administration the animals received 20 mg of asbestos (group 5).
The controls received 3.monthly 10 mg doses of silica (group 6).
Rats of group 7 were given 12 weekly doses of saline solution 0.5 ml.
The rats were monitored till death, organs and tissues of the dead rats were processed by common histologies techniques and studied morphologically. The statistical analysis was performed according to Student— Fisher’s /-test, and chi-squared techniques with Yates correction.
Results and Discussion. Analysis of survival in the test and control groups (1-4) showed a somewhat better survival in group 2 as compared to group 1, while in groups 3 and 4 it was about similar to that in group 1. The experimental results are summarazied in the table.
The number of hemoblastoses (pleural and abdominal lymphomas and leukemias) was about the same in the groups receiving asbestos alone (11.1%) and those also receiving AC—13.0%, 16.3% and 18.4%, respectively. In the saline solution group the disease occurred in 17.6% of the rats. The tumor morphology was typical for rats. The same may be said about breast tumors. Their occurrence and morphology were similar in the groups specified. The frequency and sites of tumor incidence were characteristic of spontaneous neoplasms in rats. Most of the tumors were adrenal adenomas.
As follows from the above-said asbestos administered with or without AC to the rat pleural cavity did not influence the spectrum or frequency of occurrence of spontaneous tumors. This conclusion is in agreement with our previous findings.
The results concerning pleural mesothelioma were quite different. They were so striking that needed no statistical processing. The statistical processing showed an extremely significant difference in occurrence of mesothelioma between group 1 and groups 2 and 3. In group 1 16 (35.5%) of 45 rats developed pleural tumors. This percentage was about the same as after a single injection of asbestos dust to rat pleural cavity [4]. Administration of asbestos and AC mixture resulted in mesothelioma occurrence in 3 (6.5%) of 46 rats. The percentage was similar in test series III (7.0%). There were no pleural tumors following administration of AC alone. Either they were not detected in groups receiving saline solution.
Though their occurrence was considerably lower, mesotheliomas retained the characteristic morphological variety. Similar to group 1 they were mainly carcinoma-or sarcoma-like neoplasms.
Morphological study of tumor fragments from the pleura, lungs, parietal and diaphragmal pleura discovered a large amount of coal particles in the tumor tissue thickness, on the pleural surface and subpleurally. They were located separately or in clusters, a considerable amount of the particles being taken up by macrophages, especially in the pulmonary parenchyma. The last observation suggests the possibility of foreign particle getting both from the lungs to the pleural cavity and vica versa. There were many AC particles on the pleural surface, as well as those
Опухоли, обнаруженные у крыс Вистар при внутриплевральном введении асбеста с АУ и кремнеземом Tumors induced in Vistar rats by intrapleural administration of asbestos in combination with AC and silica
Количетство животных с опухолями Средний латентный период
Груп- па Условия опыта Пол Всего живот- Эффективное число мезотелиомы плевры гемобластозы опухоли молочных прочие
жи- ных животных возникно-
вот- вения
ных абс. % асб. % абс. % абс. % мезоте- лиом, мес
1-я Асбест 20 мг Asbestos 20 mg Самки Females 22 21 9 42,8±10,8 3 14,3+7,6 3 14,3±7,6 2 9,5±6,4
Самцы Males 26 24 7 29,2±9,3 2 8,3±5,6 — — 1 4,2±4,2 20,7
Beer o... Total 48 45 16 35,5±7,1 5 11,1±4,7 — — 3 6,7±3,7
2-я Асбест 20 мг + 50 мг АУ (смесь) Asbestos 20 mg + AC 50 mg (mixture) Самки Females Самцы Males 25 29 21 25 2 1 9,5±6,4 4,0±4,0 3 3 14,3+7,6 12,0±5,5 4 19,0±8,6 5 2 23,8+9,3 8.0+5,4 24,2
Beer o. .. 54 46 3 6,5±3,6 6 13,0+5,0 — — 7 15,2±5,3
Total
3-я АУ 50 мг, через неделю 20 мг Самки Females 26 21 3 14,3±7,6 3 14,3±7,6 4 19,0+8,6 2 9,5±6,4
асбеста, через неделю 50 мг АУх4 Самцы Males 26 22 0 — 4 18,2+8,2 — — 1 4,5±4,5 18,9
еженедельно АС 50 mg, asbestos Beer o... 52 43 3 7,0±3,9 7 16,3+5,6 — — 3 7,0±3,9
20 mg a week later and 4 weekly injections of AC at 50 mg starting a week later Total
4-я АУ 50 мг x 5 Самки 23 18 — — 3 16,7±8,8 3 16,7±8,8 1 5,5±5,5
еженедельно AC at 50 mg weekly 5 times Females Самцы Males 26 20 — — 4 20,0±8,9 — — 1 5,0±5,0 —
Beer o... 49 38 — — 7 18,4±6,3 — — 2 5,3+3,6
Total
5-я Кремнезем 10 мг x 3 ежеме- Самки Females 28 25 0 — 3 12,0+6,5 3 12,0±6,5 1 4,0+4,0
сячно, через месяц 20 мг асбеста Silica 3 monthly injections at 10 mg, asbestos 20 mg at a month interval Самцы Males Beer o... Total 27 55 23 48 1 1 4,3±4,3 2,1±2,1 4 7 17,4+7,9 14,6±5,1 — — 1 2 4,3±4,3 4,2+4,2 19,0
6-я Кремнезем 10 мг x 3 ежеме- Самки Females 26 26 — — 4 15,4+7,1 5 19,2±7,7 1 3,8+3,8
сячно Silica 3 monthly injections at 10 mg Самцы Males Beer o... 33 59 30 56 5 9 16,7±6,8 16,1±4,9 0 1 1,8±1,8
Total
7-я Изотонический Самки 18 17 — — 5 29,4±11,0 4 23,5± 10,3 3 17,6±9,2
раствор натрия хлорида 0,5 мл х 12 еженедельно Saline solution at 0.5 ml 12 weekly Females Самцы Males Всего... 18 36 17 34 — — 1 6 5,9+5,9 17,6±6,5 — — 2 5 11,8+7,8 14,7±6,1 —
injections Total
Ani- mal group Total No. of rats Effective No. of rats No. % No. % No. % No. %
Experimental conditions Sex pleural mesotheliomas hemoblastomas breast tumors others mesothe- lioma latency
Тumor-bearing rats
Возникая в значительно меньшем количестве, мезо-телиомы сохранили присущее им морфологическое разнообразие и были, как и в 1-й группе, карциномо- и саркомоподобными. Опухолей смешанного строения во 2-й и 3-й группах мы не выявили.
При морфологическом изучении кусочков опухолей плевры, легких, париетальной и диафрагмальной плевры отмечалось большое число частичек угля в толще опухолевой ткани, на поверхности плевры и подплеврально. Они располагались отдельно или в виде скоплений, значительная их часть была поглощена макрофагами, особенно в легочной паренхиме. Последнее свидетельствует о возможности попадания инородных частиц не только из легких в плевральную полость, но и наоборот. Много частичек АУ было видно и на поверхности плевры, а также поглощенных мезотелием. Кроме того, их можно было видеть в паренхиме печени и даже почек. Эти наблюдения указывают на циркуляцию по организму веществ, выводимых из полости плевры. Склеротических процессов вокруг частиц угля в 4-й группе крыс не выявлено, во 2-й и 3-й группах они также практически отсутствовали. Даже в поздние сроки наблюдения в асбестовых гранулемах было много соединительнотканных и гигантских клеток, а коллагеновых волокон было очень мало в отличие от изменений, наблюдаемых у крыс 1-й группы, где асбестовые гранулемы имели типичное строение. Уже в первые месяцы эксперимента наблюдались выраженные процессы коллагенообразования, а в поздние сроки — гиалинизация гранулем. Очевидно, наличие в плевральной полости крыс частиц АУ препятствовало развитию плевральной формы асбестоза.
Практически аналогичные результаты по почти полному торможению у крыс плеврального асбестового канцерогенеза получены нами и в опыте с кремнеземом (см. табл.). При введении асбеста после трехкратной инъекции в полость плевры крыс порошка двуокиси кремния (5-я группа) обнаружена только одна мезотелиома (2,1 %), в то время как в 1-й группе — в 35,5% случаев.
Число гемобластозов, опухолей молочных желез и прочих опухолей было такое же, как и в остальных группах.
Введение кремнезема привело к развитию у крыс си-ликотических процессов в полости плевры и региональных лимфоузлах. Они имели строение, как при типичном силикозе. Отдельные силикотические узелки встречались и в паренхиме легких. У крыс 5-й группы, помимо си-ликотических бляшек на плевре, встречались также типичного строения асбестовые гранулемы и бляшки.
Причины столь яркого тормозящего эффекта асбестового плеврального канцерогенеза введением в полость плевры крыс кремнезема и АУ совершенно неясны. Выживаемость животных во всех группах существенно не различалась. Одинаково было и число спонтанных опухолей.
Одним из наиболее вероятных предположений является повреждающее действие на мезотелий частиц угля и кремнезема. Уменьшение числа клеток-мишеней для асбеста ведет соответственно к уменьшению и числа возникающих опухолей. Косвенным доказательством (хотя мы и не проводили изучение серийных срезов) является практическое отсутствие предмезотелиомных изменений в плевре у крыс 2, 3 и 5-й групп.
Таким образом, в проведенных экспериментах введение в полость плевры крыс порошка АУ и кремнезема почти полностью ингибировало асбестовый плевральный канцерогенез.
taken up by the mésothélium. They could be seen in the parenchyma of the liver and even kidneys. These findings suggest that substances released from the pleural cavity circulate in the body. There were no sclerotic processes around charcoal particles in group 4 rats, and they were practically absent in groups 2 and 3. Even at long-term follow-up there were many connective tissue and giant cells in the asbestos granulomas, while the amount of collagen fiber was very low unlike in group 1, where the asbestos granulomas had typical structure. Already within the first months of the experiment we observed marked processes of collagen formation, and granuloma hyalinization. It seems that the presence of AC in the rat pleural cavity prevented development of pleural form of asbestosis.
Practically similar results as concerns next to complete inhibition of pleural asbestos-induced carcinogenesis in rats were obtained in our experiments with silica (see the table). Administration of asbestos following 3 intrapleural injections of silicon dioxide powder (group 5) resulted in occurrence of one (2.1%) mesothelioma only versus 35.5% in group 1.
The occurrence of hemoblastomas, tumors of the breast and other sites was about the same as in the rest of the groups.
Administration of silica led to development of silicotic processes in the rat pleural cavity and regional lymph nodes. Their structure was typical for silicosis. There were solitary silicotic nodules in the pulmonary parenchyma. Rats of group 5 besides silicotic plaques on the pleura developed asbestos granulomas and plaques of typical structure.
Causes of such a marked inhibiting effect of silica and AC intrapleural administration on asbestos-induced pleural carcinogenesis in rats are absolutely unclear. The animal survival was similar in all the groups, as well as occurrence of spontaneous tumors.
Damaging effect of charcoal and silica particles on mésothélium seems to be the most probable supposition. The increase in number of asbestos target cells leads to a considerable decrease in tumor occurrence. The absence of premesothelial changes in the rat pleura in groups 2, 3 and 5 is indirect evidence of this supposition (though we did not perform study of serial sections).
Thus, intrapleural injection of AC and silica powders inhibited almost completely asbestos-induced pleural carcinogenesis in rats.
ЛИТЕРА ТУРА/REFERENCES
1. Пылев Jl. ff. I! Бюл. экспер. биол. — 1961. — № 11. — С. 99—102.
2. Пылев Л. Н. // Вопр. онкол. — 1972. — Т. 18, № 6. — С. 40-^5.
3. Пылев Л. Н. // Гиг. труда. — 1980. — № 4. — С. 33—36.
4. Пылев Л. H., Кулагина Т. Ф. I/ Вопр. онкол. — 1976. —Т. 22, № 2. — С. 63—68.
5. Пылев Л. H., Курляндский Б. А., Невзорова Н. И., Кулагина. Т. Ф. // Гиг. труда— 1990. —Ns 5. —С. 35—39.
6. Saffiotti Ü., Montesano R., Sellakumar A. R. et al. // Cancer Res. — Vol. 32, N 5.— P. 1073—1081.
7. Selikoff I. J., Hammond E. C., Churg J. /I J. Amer. Med. Ass. — 1968, —Vol. 204, N 2.— P. 106—112.
Поступила 06.10.92 / Submitted 06.10.92
