Особенности биохимических и цитоморфологических изменений при ингаляционном воздействии полиметаллической городской пыли

Среди факторов окружающей среды в настоящее время пыль, или мелкодисперсная аэрозоль, приобрела исключительно широкое распространение [1].

С ее воздействием человек сталкивается постоянно — в быту, на улице, в производственных условиях. Существуют несомненные доказательства возможности влияния ксенобиотиков на различ­ные функции человека [2].

Подробные доказательства являются запоздалыми, что заставляет обращаться к эксперимен­тальным данным на животных. Получение экспериментальных данных позволило бы получить дан­ные о токсогенезе химических соединений, его многостадийности, отвечающие на вопросы об опас­ных и допустимых уровнях воздействия этих веществ на человека.

Основой научно-прикладных исследований в современной гигиене и медицинской экологии в связи с изучением воздействия факторов окружающей среды на общественное здоровье является сис­темный анализ, опирающийся на методологию оценки риска здоровью населения.

Факторы риска — это условия окружающей среды, существенно повышающие риск возникнове­ния заболеваний.

Данные исследований, анализа и оценки состояния здоровья населения показывают, что на большинстве территорий сформировался тип здоровья населения, который в сравнении с развитыми странами характеризуется пониженной среднеожидаемой продолжительностью жизни, повышенной заболеваемостью и смертностью в трудоспособном возрасте от сердечно-сосудистых и онкологиче­ских заболеваний, несчастных случаев, отравлений, травм, убийств и самоубийств, сверхсмертностью мужчин трудоспособного возраста, повышенной младенческой смертностью, повышенной заболе­ваемостью и смертностью от болезней органов дыхания, пищеварения, ослаблением иммунного ста­туса населения вследствие загрязнения окружающей среды, нарастанием алкоголизации населения, аллергизации детей и подростков.

Наряду с критериями здоровья населения в системе социально-гигиенического мониторинга ре­гиона значительное место занимают маркерные показатели качества окружающей среды. Их целесо­образно разделить на две основные группы.

Гигиеническая оценка каждой группы критериев позволяет проследить закономерности форми­рования причинно-следственных связей в системе «среда — здоровье населения».

В настоящее время установлено, что глобальное загрязнение атмосферного воздуха сопровожда­ется ухудшением состояния здоровья населения. Вместе с тем проблема количественной оценки влияния этих загрязнений еще окончательно не решена. Причем негативное влияние атмосферного загрязнения прослеживается во всех природных средах, так как основная масса загрязнений выпадает на поверхность земли (твердые вещества) либо вымывается из атмосферы с помощью осадков.

Статистически достоверная зависимость заболеваемости населения от загрязнения атмосферного воздуха установлена для заболеваний бронхитами, пневмониями, эмфиземой легких, бронхиальной астмой, для острых респираторных заболеваний. Загрязнения атмосферного воздуха влияют на рези­стентность организма, что проявляется в росте инфекционных заболеваний. Так, течение респиратор­ных заболеваний у детей, проживающих в загрязненных районах, в 2-2,5 раза длиннее.

В наибольшей степени загрязнение атмосферного воздуха сказывается на показателях здоровья в урбанизированных центрах.

Несмотря на большой фактический материал, накопленный гигиенистами по оценке влияния техногенного загрязнения среды на здоровье населения, методическая основа выявления и реабили­тации отрицательного воздействия экологической обстановки на человека продолжает оставаться еще весьма слабой. Делается попытка выявления и оценка доклинических изменений в организме человека при воздействии малых уровней техногенного загрязнения среды его обитания. Имеющиеся данные явно показывают, что при проведении реабилитационных мероприятий в условиях промыш­ленного загрязнения окружающей среды они могут являться основными критериями гигиенического мониторинга за здоровьем населения в техногенных зонах. При этом особое значение придается док­линическим изменениям в организме человека как критериям, обосновывающим медико-биологические и санитарно-профилактические мероприятия.

Особый интерес представляет биологическая характеристика металлов, кумулирующихся в окружающей среде. Большинство металлов относится к числу макро- и микроэлементов. В отличие от других загрязняющих, также биологически активных веществ на уровнях «оптимальных» величин они необходимы для нормальной жизнедеятельности животных и человека и их недостаток в орга­низме приводит к серьезным патологическим состояниям. Во многих случаях при многокомпонент­ном загрязнении окружающей среды наблюдается превалирующая роль двух-трех, а иногда и более металлов, обладающих широкой зоной биологического действия, что в существенной степени опре­деляет ответ организма под их влиянием. В этом случае экологическая опасность техногенного за­грязнения среды может подтверждаться проявлением нарушений, в основе развития которых лежат первичные либо функциональные, либо структурные изменения (ферментативные реакции, накопле­ние или истощение пула субстратов, изменения в хромосомном аппарате клетки и др.). В процессе трактовки наблюдаемых эффектов возникает вопрос, каким образом провести грань между необхо­димостью и токсичностью металлов — макроэлементов в окружающей природной среде? Этому во­просу в литературе посвящено немало работ, однако все они находятся на стадии накопления факти­ческого материала. По мнению некоторых авторов, вопрос осложняется их взаимным влиянием друг на друга при попадании в организм человека или животных. Так, установлено, что изменение актив­ности некоторых металлоферментов происходит не только при достижении «критических» концен­траций металла во внешней среде, но и при изменении соотношения ингредиентов сложной смеси микроэлементов. При многокомпонентном характере загрязнения окружающей среды трудно ожи­дать специфический ответ организма не внешнее воздействие, но исходя из количественного содер­жания приоритетных загрязнителей, исключать эту компоненту нельзя. На уровне доз, значительно превышающих ПДК, сделать это легче. Однако при воздействии на организм вредного фактора малой интенсивности, а именно в дозах (концентрациях), близких к порогу действия, эта задача становится более трудно разрешимой.

Для оценки токсичности химических веществ в эксперименте и натурных условиях используется широкое тестирование, направленное на изучение иммунного статуса, нейропсихического состояния, гематологических биохимических изменений в организме животных и человека. Последним придает­ся особое значение, так как любое вещество, попадая в организм, и в целом может изменить метабо­лическую ситуацию, в том числе направленную на сохранение гомеостаза. При специфичности про­явления неблагоприятного действия химических веществ на организм человека, что приобретает зна­чение в условиях высокой степени загрязнения окружающей среды, выявление экологозависимости нарушения здоровья населения не представляет большой трудности. Это объясняется тем, что одной из особенностей такого проявления является резкое повышение уровня патологических изменений в органах-мишенях с последующим развитием определенных нозологических форм болезней. Действие фактора малой интенсивности, когда суммарное техногенное воздействие близко и лишь несколько выше порогового уровня, превалирующее значение экологического фактора как повреждающей при­чины приобретает другую направленность и сопровождается иной картиной неблагоприятных изме­нений в состоянии здоровья населения. При этом индуцируемые токсическим фактором неспецифи­ческие изменения на определенных этапах могут носить как обратимый характер, так и составлять ключевое значение в развитии той или иной патологии. Определяющим при этом является снижение неспецифической устойчивости к действию вредных факторов. Учитывая отмеченное, делается по­пытка специально направленным тестированием обеспечить доклиническую диагностику неблаго­приятных изменений в организме человека, связанных с экологической обстановкой.

При любом поступлении многих токсических веществ наблюдается изменение содержания их в организме, уровень которых зависит от введенной дозы (концентрации). Попадая в организм челове­ка и животных, химические вещества подвергаются процессам биотрансформации, могут связываться с эндогенными субстратами с образованием различных комплексов, выступать в роли аллостериче-ских регуляторов ферментативной активности и пр. В частности, некоторые металлы могут прояв­лять более токсичные свойства в связи с метаболической активацией. Известно влияние металлов на концевые аминогруппы, атомы кислорода различных белков и пептидов, SH-группы и пр. По данным достаточно обширной литературы биотрасформация неорганических соединений, в том числе мар­ганцем, является сложным процессом, захватывающим многие жизненно важные звенья обмена ве­ществ. В процессе метаболических реакций, в зависимости от функциональных особенностей (синер-низм, антагонизм и др.) низкие уровни металлов могут привести не только к накоплению, но и к де­фициту многих микроэлементов в организме, что на фоне повышенного поступления какого-либо из них может значительно изменить картину проявления неблагоприятного действия.

Известно, что на ранних стадиях развития интоксикации, вызванных техногенным фактором, адаптационные процессы, в общем и целом, помогают организму справиться с химической нагруз­кой, однако впоследствии могут возникать различные состояния, свидетельствующие об их неэффек­тивности. При этом процессы детоксикации и биотрасформации могут быть не всегда целесообразны, сопровождаться замыканием «порочных кругов» в различных метаболических звеньях и приводить к патологическим проявлениям. Клеточные и гуморальные механизмы адаптации организма к химиче­скому фактору имеют свое значение на всех стадиях развития интоксикации, в связи с чем оценка состояния здоровья человека в условиях реальной химической нагрузки сопряжена с определенными трудностями и требует углубленного изучения. Вместе с тем является очевидным, что адаптационные возможности организма на биохимическом уровне к изменению среды его обитания ограничены и в значительной степени определяются глубиной конфликта между эндо- и экзогенными средами.

Многими авторами показано, что в техногенных зонах, где определяющее значение в загрязне­ние окружающей среды вносят металлы, наряду с повышением уровня заболеваемости среди детей и взрослого населения хроническими неспецифическими заболеваниями легких, аллергическими, сис­темными заболеваниями легких, аллергическими, системными заболеваниями сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, отмечается рост заболеваний, связанных с нарушением об­мена веществ. Однако эпидемиологические данные не позволяют оперативно контролировать изме­нения в состоянии здоровья, особенно в случаях, когда проявления неблагоприятного действия тех­ногенного фактора на клиническом уровне не выявляется. Это может быть достигнуто лабораторной диагностикой, которая может использоваться как самостоятельный способ и как дополнение к эпи­демиологической разработке при оценке влияния химического фактора малой интенсивности. Повы­шение уровня полигенной патологии, как уже отмечалось ранее, является результатом снижения не­специфической устойчивости, в том числе нарушения равновесия метаболических процессов. Так, предлагается выявлять донозологические изменения в организме путем изучения зависимости пред-патологических и патологических реакций от содержания воздействующих химических веществ, в частности металлов, в организме и окружающей среде. Количественные зависимости предлагается изучать с помощь компьютерных тест-систем с использованием возможностей математического мо­делирования. Тем не менее предлагаемые тест-системы не отвечают на вопросы, связанные с биоло­гическими закономерностями, которые происходят в организме человека под влиянием техногенного фактора. Для решения таких задач, по мнению многих авторов, необходимо проводить специальные исследования.

Применительно к городской и рудничной пыли следует отметить, что несмотря на наличие раз­личных по степени токсичности металлов с установленными гигиеническими нормативами, по имеющимся данным достаточно сложно рассчитать объективную гигиеническую его опасность. В особом внимании профилактической токсикологии нуждаются химические агенты с отдаленными последствиями. Продолжающийся рост заболеваемости репродуктивной функции среди населения является свидетельством недостаточной эффективности мероприятий по первичной профилактике этой патологии, в связи с чем к числу первоочередных задач следует отнести предотвращение или ограничение контакта населения с такого рода соединениями.

Вместе с тем необходима информация о механизмах, которые способствуют возникновению экопатологии, проявляющиеся как осложнение общей патологии. Металлы, входящие в состав пыли, вызывают политропный эффект, т.е. обладают высокой биоактивностью к жизненно важным органам и системам, с чем связана их способность накапливаться в организме [3,4].

В эксперименте изучалось влияние низких концентраций городской пыли респирабельной фрак­ции на уровне ПДК. Крысы-самцы подвергались динамическому ингаляционному напылению в за­травочных камерах в течение 4 месяцев. Результаты исследования показали, что в бронхолегочном лаваже (БАЛ) снижается уровень спонтанной окислительной модификации белков (ОМБ) на 60 % и возрастает содержание металл-катализируемого окисления белков.

Причем основное количество образовавшихся динитрофенилгидрозонов относится к альдегидо-и кетопроизводным основных характеров, уровень которых возрастал: в 1,6 раза альдегиддинитрофе-нилгидрозона основного (АДНФГ-О) и в 3 раза кетондинитрофенилгидрозона основного (КДНФГ-О). Выявлено увеличение уровня металл-катализируемых белков за счет активации кетондинитрофенил-гидрозона нейтрального (КДНФГ-Н) в 4,8 раза. При этом отмечается повышение количества нейтро-филов (НЛ) в 5,8 раза и его дегенерированных форм в 6,6 раза. Количество разрушенных альвеоляр­ных макрофагов возрастает в 2,2 раза, тогда как количество его нормальных форм снижено в 2,2 раза. Наблюдается увеличение дегенерированных цилиндрических клеток в 6,2 раза по сравнению с кон­тролем.

Таким образом, результаты исследования свидетельствуют, что такой длительный стресс, как ингаляционное поступление пыли в организм значительно изменяет структуру белка, обусловленную ферментативными (ОМБ-спонтанной) и не ферментативными (МКО) металл-катализированными системами. Образовавшиеся соединения участвуют в эквивалентных сшивках между отдельными мо­лекулами, что сопровождается агрегацией белковых молекул, кроме того, возможно изменение фер­ментативной активности [5]. Показано, что при действии кислорода, который непосредственно уча­ствует в окислительной модификации белка, ингибируется активность катализы, мембраносвязанных ферментов, глутатион-пероксидазы. Перекись водорода вызывает инактивацию супероксиддисмута-зы, миелопероксидазы. Результаты анализов при исследовании сердца указали, что выявление окис­ленных форм белков происходит за счет АДНФГ — О и КДНФГ — О, содержание которых было снижено на 133 и 48 % соответственно. В печени ОМБ идет за счет АДНФГ — О, как в спонтанной металл-катализируемой системе, где происходит их снижение в среднем в 3,5 раза.

В легких содержание средних молекул (СМ) возрастало в среднем в 2 раза. Значительные их из­менения наблюдались в печени и в семенной жидкости. В печени отмечается их снижение в 3 раза, тогда как в семенной жидкости наблюдается их достоверное возрастание в 2 раза.

При исследовании клеток гипофиза отмечено снижение количества нормальных главных клеток на 47 %, повышение количества нормальных ацидофильных клеток — в 2 раза и снижение дегенери-рованных — на 77 % по сравнению с контрольной группой.

При исследовании клеток щитовидной железы отмечено повышение количества А-клеток в 2,3 раза, а дегенерированных — в 3,2 раза.

Клеточный состав мозгового вещества надпочечников состоит из хромаффиновых светлых кле­ток 1 типа, секретирующих адреналин, и темных клеток 2 типа, вырабатывающих нор-адреналин. Цитоморфологический анализ полученных данных при 4-месячной ингаляционной затравке пылью не выявил особых изменений в хромаффиновых клетках мозгового вещества надпочечников по срав­нению с аналогичными показателями контрольной группы.

При исследовании липоперекисного каскада выявлено возрастание первичных продуктов ПОЛ-КД и ДК в БАЛ в 2,8 и в 2,1 раза соответственно, возрастание активности МДА — на 44 % и каталазы — в 3 раза.

В гомогенате сердца выявлено увеличение вторичных продуктов ПОЛ. Так, МДА возрастает на 27 %. Аналогичная направленность, но более выраженная, характерна для каталазы, чья активность возрастает в 2,5 раза. В печени активность МДА возрастает на 33 %, аналогичная направленность ха­рактерна для каталазы, чья активность составляет 1,28+ 0,2 по сравнению с контролем, в контроле 0,63 + 0,06.

При исследовании головного мозга выявлено увеличение ДК и КД в среднем на 35 %. Актив­ность каталазы возрастает до 1,71 + 0,02 по сравнению с контролем — 1,03 + 0,02. В щитовидной же­лезе МДА возрастает в 1,4 раза, активность каталазы — в 2 раза. В семенной жидкости возрастает в основном КД и ДК, в 4,3 и 1,8 раза соответственно. Активность каталазы возрастает в 2 раза.

Для сыворотки крови характерна активация всех продуктов ПОЛ-КД, ДК, МДА в 3 раза, 1,7 раза, 44 % соответственно. Активность каталазы возрастает в 2 раза. Полученные результаты ПОЛ в органах и биологических жидкостях свидетельствуют об однотипных биологических изменениях, отражающих в основном компенсаторный механизм на молекулярном уровне, когда в ответ на уси­ленный процесс переоксидации возникает выраженная реакция антиоксидантной системы в виде усиленной активности каталазы.