Биомаркеры ингаляционного воздействия наноразмерных аэрозолей

24

ЗНиСО

МАЙ №5

БИОМАРКЕРЫ ИНГАЛЯЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ

Е.В. Зибарев, М.В. Чащин, А.В. Кузьмин, С.М. Никонова, З.С. Кусраева

BIOMARKERS OF INHALATION INFLUENCE NANOSIZED AEROSOLS

E.V. Zibarev, M.V. Chashchin, A.V. Kuzmin, S.M. Nikonova, Z.S. Kusraeva ФГУН «Северо-Западный научный центр гигиены и общественного здоровья» Роспотребнадзора

В статье приводятся современные данные о биомаркерах ингаляционного воздействия наноразмерных аэрозолей. Было выделено 4 группы таких биомаркеров: биомаркеры легочного воспаления, биомаркеры системного воспаления, биомаркеры эндотелиальной и тромбоцитарной активности, биомаркеры коагуляции.

Ключевые слова: сварка и резка металлов, биомаркеры, воспаление, цитокины.

In article describes new dates about biomarkers of inhalation influence nanosized aerosols. There are distinguished 4 groups of such biomarkers: biomarkers of a pulmonary inflammation, biomarkers of a system inflammation, biomarkers endothelial and thrombocite activity, coagulation biomarkers.

Keywords: welding and cutting of metals, biomarkers, inflammation, cytokines.

Одним из самых распространенных производственных процессов, сопровождающихся образованием наноразмерного аэрозоля, является высокотемпературная сварка и резка металлов. Установлено, что в результате процессов высокотемпературной сварки и резки металлов образуется аэрозоль, состоящий более чем на 95 % из наночастиц. Оценку вредности и опасности такого наноразмерного аэрозоля можно проводить двумя методами: непрямой (гигиенический мониторинг) — определение частиц в воздухе и прямой — определение частиц в организме и метод биомаркеров [1; 5]. Исследование биомаркеров показало, что они более корректно характеризуют интенсивность воздействия наночастиц, чем определение самих наночастиц в окружающей среде или в биологических средах организма. Было выделено 4 группы таких биомаркеров, которые образуются в организме последовательно, сменяя друг друга в процессе развития воспаления, вызванного попаданием наночастиц в организм [2].

Материалы и методы. В качестве основных объектов исследования были выбраны 140 рабочих: 70 электросварщиков (основная группа) и 70 человек в качестве контрольной группы. Все исследования проводились на одном машиностроительном и двух судостроительных предприятиях г. Санкт-Петербург. Биологические образцы (кровь) отбирались у каждого рабочего из локтевой вены в 3 пластиковых вакуутайнера. В дальнейшем пробы крови доставлялись в лабораторию, где кровь центрифугировали, а в полученной сыворотке определяли концентрацию биомаркеров.

С целью подтверждения высокой экспозиции наноразмерным аэрозолем на организм

электросварщиков, параллельно, в течение двух дней, проводился гигиенический мониторинг в воздухе рабочей зоны, который предшествовал отбору крови. Отбор проб воздуха в рабочей зоне проводился с помощью индивидуального пробоотборника фирмы SKC (SKC Ltd., Dorset, UK) согласно МУ МЗ РФ «Современные методы оценки профессиональной экспозиции к воздействию вредных веществ в форме аэрозолей» № 4 от 18.12.2002. У электросварщиков было отобрано 280 проб воздуха на ультратонкие целлюлозные фильтры с размером пор 50 нм, помещенных в специальные пластиковые кассеты. Пробоотборник закреплялся на поясе электросварщика, а отбор наноразмерного аэрозоля осуществлялся из зоны дыхания. В течение смены проводился трехкратный контроль за скоростью прохождения газовоздушной смеси через фильтр. Фильтры анализировались с использованием трансмиссионного электронного микроскопа и сканирующего мобильного измерителя частиц (SMPS).

Результаты и обсуждение. Основной путь проникновения частиц наноразмерных аэрозолей в организм человека — через легкие. Потенциально все наночастицы, попадая в организм, достигают альвеол и могут оказать неблагоприятное воздействие на человека. За счет чрезвычайно малых размеров наночастиц и интенсивного кровоснабжения в альвеолах, они легко проникают в микроциркулятор-ное русло. Поэтому основными органами-мишенями при ингаляционном воздействии наноразмерных аэрозолей являются легкие, кровеносные сосуды и сердце [3]. Именно поэтому биомаркеры воздействия наночастиц определялись в крови.

МАЙ №5

ЗНчСО

25

Рис. Механизм повреждающего действия наночастиц

Для выбора основных биомаркеров ингаляционного воздействия наноразмерных аэрозолей следует подробно рассмотреть механизм повреждающего действия наночастиц. На попадание наночастиц в лёгкие организм человека отвечает защитной реакцией в виде повышения экспрессии цитокинов. Основными клетками, отвечающими за этот процесс, являются макрофаги, которые после фагоцитирования наночастиц и запускают этот процесс. Макрофаги синтезируют цитокин TNF-a, что в свою очередь является пусковым механизмом для образования TNF-a и цитокина 1Ь-6 в эпителиальных клетках лёгких. В работе доказано, что циркулирующие цитокины 1Ь-1, 1Ь-6 и TNF-a являются мощными индукторами острофазных белков (преимущественно в печени). Кроме того, эти цитокины активируют клетки эндотелия в кровеносных сосудах. Цитокины взаимодействуют с рецепторами на поверхности эндотелия [4]. В результате повышается экспрессия провоспалительных генов в клетках эндотелия (модулируемая транскрипционным фактором NF-кB), которые в свою очередь связаны с синтезом адгезивных молекул, цитокинов и хемокинов (рис.).

Те же провоспалительные цитокины, а также некоторые другие факторы являются важными индукторами повышенной экспрессии тканевого фактора (фактора III), к примеру, в макрофагах, моноцитах или клетках эндотелия. Экспрессия тканевого фактора, единственного важнейшего индуктора той части системы коагуляции крови, которая носит название «внешняя система», влияет на про-коагуляционную активность, как известно, возникающую при воспалении.

Результатом активации эндотелиальных клеток, по существу, является прилипание тромбоцитов и моноцитов к поверхности эндотелия. Оттуда моноциты через эндотелий проникают в интиму кровеносных сосудов (в

клетки, расположенные в глубине сосуда). Там под воздействием холестерина (окисленные ЛПНП) они превращаются в макрофаги. Макрофаги фагоцитируют окисленные ЛПНП и становятся так называемыми пенистыми клетками. Если этот процесс будет продолжаться, мышечные клетки средней оболочки кровеносных сосудов будут расти, результатом чего станет возникновение жировых полосок. Это первая стадия развития атеросклероза. Поскольку новым клеткам требуется больше кислорода, усилится васкуляризация прилегающей ткани. Под воздействием других атерогенных факторов этот процесс будет прогрессировать, и возможно также образование фиброзных бляшек. Результатом этого является разрыв таких бляшек и быстрое формирование тромбов в местах повреждений. Установлено, что активный воспалительный процесс является фактором, предрасполагающим к разрыву бляшек. В фиброзных бляшках содержится особенно большое количество тканевого фактора.

Таким образом, повреждающее действие наночастиц протекает в 4 этапа с образованием 4 групп биомаркеров:

1) легочного (местного) воспаления — белок клеток Клара и суфрактант белок D;

2) системного воспаления — фактор некроза опухолей а (TNF-a) и интерлейкин 6 (1Ь-6), С-реактивный белок , сывороточный амилоид А;

3) эндотелиальной и тромбоцитарной активности — CD40 лиганд, Р-селектин, молекула внутриклеточной адгезии первого типа (1САМ-1);

4) коагуляции — тканевый фактор (тром-бопластин), D-димер, Фрагмент протромбина 1 + 2 ^1 + 2).

Концентрации этих биомаркеров в крови у электросварщиков были достоверно выше, чем концентрации в контрольной группе. Основываясь на результатах исследования, данные показатели можно использовать для оценки профессионального риска при воздействии наноразмерных аэрозолей, а так же в рамках периодических медицинских осмотров как обязательный показатель для формирования «групп риска». На данном этапе продолжаются работы по установлению наиболее чувствительных биомаркеров, которые будут применяться в практической медицине.

Выводы

1. Патогенез ингаляционного воздействия наночастиц на организм человека связан с раз-

ЗНиСО

МАЙ №5

витием местного легочного и системного воспаления с последующим увеличением коагуляционной активности в циркуляторном русле.

2. Основными биомаркерами ингаляционного воздействия являются: биомаркеры легочного воспаления, биомаркеры системного воспаления, биомаркеры эндотелиальной и тромбоцитарной активности, биомаркеры коагуляции.

3. Использование этих биомаркеров основано на длительном изучении и понимании физиологических основ защитных реакций организма человека на попадание наночастиц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зибарев Е.В. «Оценка биомаркеров экспозиции к сварочному аэрозолю» /Зибарев Е.В., Чащин М.В., Никонова С.М., Кусраева З.С., Кузьмин А.В., ЕШ^еп D.G., 1Ьота88еп I. //Медицина труда и промышленная экология, 2010. № 4. С. 14—17.

2. Antonini J.M., Taylor M.D., Zimmer A. Т., Roberts J.R. Pulmonary responses to welding fumes: role of metal constituents. Journal Toxicology Environmental Health 2003; 67:233-249.

3. Cascio WE., Cozzi E., Hazarika S., Devlin R.B. Cardiac and vascular changes in mice after exposure to ultrafine particulate matter. Inhaled Toxicology 2007; 19(1) 67—73.

4. Blann A.D., Nadar S.K., Lip GYH. The adhesion molecule P-selectin and cardiovascular disease. 2003; 24:2166—2179.

5. Ellingsen D,G., Dubeikovskaya L.S., Dahl K, Chashchin M.V., Chashchin V.P., Zibarev E.V., Thomassen Y. Air exposure assessment and biological monitoring of manganese in welders. Journal Environmental Monitoring 2006; 8: 1078—1086.

Контактная информация:

Зибарев Евгений Владимирович, тел.: 8 (921) 953-02-73, e-mail: zibarev@sznc.ru

Contact information:

Zibarev Evgeni Vladirovich, tel.: 8 (921) 953-02-73; e-mail: zibarev@sznc.ru