medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2023-102-7-653-657znogcamedlit-3266Research ArticleГИГИЕНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫENVIRONMENTAL HYGIENEФрагментация ДНК как биоиндикатор воздействия дыма торфяных пожаровDNA fragmentation as a bioindicator of peat fires’ smoke exposurehttps://orcid.org/0000-0002-9406-5424ТютринаВера АлександровнаTyutrinaVera A.

Канд. фарм. наук, науч. сотр. лаб. биомоделирования и трансляционной медицины ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований», 665826, Ангарск.

e-mail: tyutrina.v.a@yandex.ru

MD, PhD, researcher at the laboratory of biomodeling and translational medicine of the East Siberian Institute of Medical and Environmental Research, Angarsk, 665826, Russian Federation.

e-mail: tyutrina.v.a@yandex.ru 

tyutrina.v.a@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1052-4601СоседоваЛариса М.SosedovaLarisa M.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8165-8052ВокинаВера А.VokinaVera A.noemail@neicon.ruФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»РоссияEast-Siberian Institute of Medical and Ecological ResearchRussian Federation2023310820231027653657Copyright © Тютрина В.А., Соседова Л.М., Вокина В.А., 20232023Тютрина В.А., Соседова Л.М., Вокина В.А.Tyutrina V.A., Sosedova L.M., Vokina V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/3266Введение

Введение. Известно, что воздействие продуктов горения органических веществ на организм сопровождается накоплением повреждений ДНК, что может привести к возникновению мутаций и патологических изменений клетки и всего организма. Распространённость и масштабность торфяных пожаров обусловили необходимость изучения последствий для подвергавшихся дымовой экспозиции организмов и их потомства.

Материалы и методы

Материалы и методы. С помощью экспериментального биомоделирования воспроизводили условия реального задымления торфяным дымом в течение 40 мин с концентрацией СО 99 ± 2,5 мг/м3. Генотоксичность дыма торфяного пожара после его воздействия на самцов белых крыс оценивали по возникновению ДНК-повреждений в клетках крови методом ДНК-комет в щелочном варианте. В первой части эксперимента животных подвергали непосредственному воздействию дыма торфяного пожара, во второй части исследовали их половозрелое потомство обоего пола для определения повреждений ДНК в клетках крови.

Результаты

Результаты. Установлено, что самцы родительского поколения и потомства оказались устойчивы к влиянию компонентов дыма, что подтверждено отсутствием статистической значимости по показателю «% ДНК в хвосте кометы» по сравнению с контролем. В то же время у самок полученного поколения выявлено статистически значимое повышение повреждённости ДНК клеток крови по сравнению с контрольной группой.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование ограничено изучением фрагментации ДНК после однократного 40-минутного воздействия торфяного дыма на самцов белых крыс и их интактное потомство.

Заключение

Заключение. Полученные в настоящем исследовании данные свидетельствуют о том, что повреждения структуры ДНК у потомства крыс-самцов, экспонированных торфяным дымом, содержащим СО в концентрации 99 ± 2,5 мг/м3, можно рассматривать как биоиндикатор генотоксического воздействия, индуцируемого в последующем поколении.

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБНУ ВСИМЭИ (протокол № 32/19 от 10.09.2019 г.), проведено в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS N 123), директивой Европейского парламента и Совета Европейского союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей.

Участие авторов

Участие авторов: Тютрина В.А. — поиск литературы, проведение эксперимента, написание, статистическая обработка, оформление статьи; Соседова Л.М. — концепция, написание, обсуждение актуальности и результатов; Вокина В.А. — концепция, проведение эксперимента, статистическая обработка, оформление статьи. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Работа выполнена по плану НИР в рамках государственного задания, а также в рамках гранта № 075-15-2020-787 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение крупного научного проекта по приоритетным направлениям научно-технологического развития (проект «Фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории»).

Поступила

Поступила: 10.05.2023 / Принята к печати: 07.06.2023 / Опубликована: 30.08.2023

Introduction

Introduction. The impact of combustion products of organic substances on the body is known to be accompanied by the accumulation of DNA damage, which can lead to mutations and pathological changes in the cell and the whole organism. The prevalence and scale of this phenomenon poses an important task for studying the consequences that occur in smoke-exposed organisms and their offspring.

Materials and methods

Materials and methods. The conditions of real peat smoke were reproduced for 40 minutes with a CO concentration of 99±2.5 mg/m3 with using of experimental bio modelling. The genotoxicity of peat fire smoke after exposure to male white rats was assessed by the occurrence of DNA damage in blood cells using the DNA comet method in the alkaline version. In the first part of the experiment, males were directly exposed to the smoke of a peat fire; in the second part — their sexually mature offspring of both sexes were examined for the occurrence of DNA damage in blood cells.

Results

Results. The males of the parental generation and offspring were found to be resistant to the effects of smoke components, which was confirmed by the absence of statistical significance in terms of «% DNA in the comet tail» compared with the control. At the same time, females of the received generation showed a statistically significant increase in blood cell DNA damage compared to the control group.

Limitations

Limitations. The study was limited to the study of DNA fragmentation after a single 40-minute exposure to peat smoke in male white rats and their intact offspring.

Conclusion

Conclusion. The data obtained in this investigation indicate that damage to the DNA structure in the offspring of male rats exposed to peat smoke containing CO at a concentration of 99±2.5 mg/m3 can be considered as a bioindicator of genotoxic effects induced in the next generation.

Compliance with ethical standards. The study was approved by the local Ethics Committee of the East Siberian Institute of Medical and Environmental Research (Protocol of the LC of the FSBI VSIMEI No. 32/19 of 09/10/2019), conducted in accordance with the European Convention for the Protection of Vertebrates Used for Experiments or Other Scientific Purposes (ETS N 123), directive of the European Parliament and the Council Of the European Union 2010/63/EC of 22.09.2010 on the protection of animals used for scientific purposes.

Contribution

Contribution:Tyutrina V.A. — literature search, experiment, writing, statistical processing, article design; Sosedova L.M. — concept, writing, discussion of relevance and results, responsibility for the integrity of all parts of the article; Vokina V.A. — concept, experiment, statistical processing, article design. All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgment

Acknowledgment. The work was carried out according to the research plan within the framework of the state task and supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, the grant No. 075-15-2020-787 for implementation of Major scientific projects on priority areas of scientific and technological development (the project «Fundamentals, methods and technologies for digital monitoring and forecasting of the environmental situation on the Baikal natural territory»).

Received

Received: May 10, 2023 / Accepted: June 7, 2023 / Published: August 30, 2023

торфяной дымгенотоксичностьДНК-поврежденияметод ДНК-кометбелые крысыpeat smokegenotoxicityDNA damagesDNA comet assaywhite ratsReferencesKarahalil B., Karakaya A.E., Burgaz S. The micronucleus assay in exfoliated buccal cells: application to occupational exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons. Mutat. Res. 1999; 442(1): 29–35. https://doi.org/10.1016/S1383-5718(99)00055-8Karahalil B., Karakaya A.E., Burgaz S. The micronucleus assay in exfoliated buccal cells: application to occupational exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons. Mutat. Res. 1999; 442(1): 29–35. https://doi.org/10.1016/S1383-5718(99)00055-8Bojakowska I., Sokołowska G. Polycyclic aromatic hydrocarbons in materials of burned peatlands. Pol. J. Environ. Stud. 2003; 12(4): 401–8.Bojakowska I., Sokołowska G. Polycyclic aromatic hydrocarbons in materials of burned peatlands. Pol. J. Environ. Stud. 2003; 12(4): 401–8.Aguilera R., Corringham T., Gershunov A., Benmarhnia T. Wildfire smoke impacts respiratory health more than fine particles from other sources: observational evidence from Southern California. Nat. Commun. 2021; 12(1): 1493. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21708-0Aguilera R., Corringham T., Gershunov A., Benmarhnia T. Wildfire smoke impacts respiratory health more than fine particles from other sources: observational evidence from Southern California. Nat. Commun. 2021; 12(1): 1493. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21708-0Franzi L.M., Bratt J.M., Williams K.M., Last J.A. Why is particulate matter produced by wildfires toxic to lung macrophages? Toxicol. Applied Pharm. 2011; 257(2): 182–8. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.09.003Franzi L.M., Bratt J.M., Williams K.M., Last J.A. Why is particulate matter produced by wildfires toxic to lung macrophages? Toxicol. Applied Pharm. 2011; 257(2): 182–8. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.09.003Wu W., Chen Y., Cheng Y., Tang Q., Pan F., Tang N., et al. Association between ambient particulate matter exposure and semen quality in fertile men. Environ. Health. 2022; 21(1): 16. https://doi.org/10.1186/s12940-022-00831-5Wu W., Chen Y., Cheng Y., Tang Q., Pan F., Tang N., et al. Association between ambient particulate matter exposure and semen quality in fertile men. Environ. Health. 2022; 21(1): 16. https://doi.org/10.1186/s12940-022-00831-5Kinney P. Climate change, air quality, and human health. Am. J. Prev. Med. 2008; 35(5): 459–67. https://doi.org/10.1016/j.amepre.2008.08.025Kinney P. Climate change, air quality, and human health. Am. J. Prev. Med. 2008; 35(5): 459–67. https://doi.org/10.1016/j.amepre.2008.08.025Горбатова Д.М., Жанатаев А.К., Немова Е.П., Дурнев А.Д. Повреждения ДНК в клетках плацент и эмбрионов крыс, Подвергнутых воздействию торфяного дыма; антигенотоксический эффект афобазола. Экологическая генетика. 2016; 14(2): 50–6. https://doi.org/10.17816/ecogen14250-56 https://elibrary.ru/wfrwdpGorbatova D.M., Zhanataev A.K., Nemova E.P., Durnev A.D. DNA damage in placenta and embryos of rats exposed to peat smoke: Antigenotoxic effects of afobazole. Ekologicheskaya genetika. 2016; 7(6): 712–6. https://doi.org/10.1134/S2079059717060053 https://elibrary.ru/xnotbo (in Russian)WHO. WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide; 2021. Available at: https://apps.who.int/iris/handle/10665/345329WHO. WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide; 2021. Available at: https://apps.who.int/iris/handle/10665/345329Филиппов Э.В. Использование метода «ДНК-комет» для детекции и оценки степени повреждений ДНК клеток организмов растений, животных и человека, вызванных факторами окружающей среды (обзор). Наука и образование. 2014; (2): 72–8. https://elibrary.ru/sufctfFilippov E.V. Using DNA comet assay for detecting and estimating the degree of DNA damage to cells in plant, animal and human organisms caused by environmental factors. Nauka i obrazovanie. 2014; (2): 72–8. https://elibrary.ru/sufctf (in Russian)Дурнев А.Д., Жанатаев А.К., Анисина Е.А., Сиднева Е.С., Никитина В.А., Оганесянц Л.А. и др. Применение метода щелочного гель-электрофореза изолированных клеток для оценки генотоксических свойств природных и синтетических соединений: Методические рекомендации. М.; 2006. https://elibrary.ru/sevvqtDurnev A.D., Zhanataev A.K., Anisina E.A., Sidneva E.S., Nikitina V.A., Oganesyants L.A., et al. The use of the method of alkaline gel-electrophoresis of isolated cells to assess the genotoxic properties of natural and synthetic compounds. [Primenenie metoda shchelochnogo gel’-elektroforeza izolirovannykh kletok dlya otsenki genotoksicheskikh svoistv prirodnykh i sinteticheskikh soedinenii: metod. rekomendatsii: utv. Moscow; 2006. https://elibrary.ru/sevvqt (In Russian)Дурнев А.Д., Меркулов В.А., Жанатаев А.К., Никитина В.А., Воронина Е.С., Середенин С.Б. Методические рекомендации по оценке ДНК-повреждений методом щелочного гель-электрофореза отдельных клеток в фармакологических исследованиях. В кн.: Руководство по проведению доклинических исследований лекарственных средств. Часть 1. М.: Гриф и К; 2012: 115–28. https://elibrary.ru/wxwgpvDurnev A.D., Merkulov V.A., Zhanataev A.K., Nikitina V.A., Voronina E.S., Seredenin S.B. Metodicheskie rekomendatsii po otsenke DNK-povrezhdenii metodom shchelochnogo gel’elektroforeza otdel’nykh kletok v farmakologicheskikh issledovaniyakh. Guidance on Preclinical Evaluation of Medicines. Part 1. M.: Grif i K; 2012: 115–128. https://elibrary.ru/wxwgpv (In Russian)Ларионов А.В., Волобаев В.П., Сердюкова Е.С. Изучение показателей ДНК-комет у здоровых доноров в условиях различных радиационных параметров жилых помещений. Современные проблемы науки и образования. 2017; (6): 261. https://elibrary.ru/ynxzhyLarionov A.V., Volobaev V.P., Serdyukova E.S. The study of the parameters of DNA comets in healthy donors under different residential radiation parameters. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2017; (6): 261. https://elibrary.ru/ynxzhy (in Russian)Добрых В.А., Захарычева Т.А. Дым лесных пожаров и здоровье. Хабаровск; 2009.Dobrykh V.A., Zakharycheva T.A. Wildfire Smoke and Health [Dym lesnykh pozharov i zdorov’e]. Khabarovsk; 2009. (in Russian)Dubick M.A., Carden S.C., Jordan B.S., Langlinais P.C., Mozingo D.W. Indices of antioxidant status in rats subjected to wood smoke inhalation and for thermal injury. Toxicology. 2002; 176(1–2): 145–57. https://doi.org/10.1016/s0300-483x(02)00132-4Dubick M.A., Carden S.C., Jordan B.S., Langlinais P.C., Mozingo D.W. Indices of antioxidant status in rats subjected to wood smoke inhalation and for thermal injury. Toxicology. 2002; 176(1–2): 145–57. https://doi.org/10.1016/s0300-483x(02)00132-4Tesfaigzi Y., Singh S.P., Foster J.Е., Kubutko J., Barr E.B., Fine P.M., et al. Health effects of subchronic exposure to low levels of wood smoke in rats. Toxicol. Sci. 2002; 65(1): 115–25. https://doi.org/10.1093/toxsci/65.1.115Tesfaigzi Y., Singh S.P., Foster J.Е., Kubutko J., Barr E.B., Fine P.M., et al. Health effects of subchronic exposure to low levels of wood smoke in rats. Toxicol. Sci. 2002; 65(1): 115–25. https://doi.org/10.1093/toxsci/65.1.115Thompson L.C., Kim Y.H., Martin B.L., Ledbetter A.D., Dye J.A., Hazari M.S., et al. Pulmonary exposure to peat smoke extracts in rats decreases expiratory time and increases left heart end systolic volume. Inhal. Toxicol. 2018; 30(11–12): 439–47. https://doi.org/10.1080/08958378.2018.1551443Thompson L.C., Kim Y.H., Martin B.L., Ledbetter A.D., Dye J.A., Hazari M.S., et al. Pulmonary exposure to peat smoke extracts in rats decreases expiratory time and increases left heart end systolic volume. Inhal. Toxicol. 2018; 30(11–12): 439–47. https://doi.org/10.1080/08958378.2018.1551443Вокина В.А., Капустина Е.А., Новиков М.А., Андреева Е.С. Нарушение репродуктивного потенциала самцов белых крыс при воздействии дыма природного пожара. Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2021; (1): 70–6. https://doi.org/10.17072/1994-9952-2021-1-70-76 https://elibrary.ru/zwdrggVokina V.A., Kapustina E.A., Novikov M.A., Andreeva E.S. Reproductive potential of male rats in the experimental model of wildfire. Vestnik Permskogo universiteta. Seriya: Biologiya. 2021; (1): 70–6. https://doi.org/10.17072/1994-9952-2021-1-70-76 https://elibrary.ru/zwdrgg (in Russian)Heßelbach K., Kim G.J., Flemming S., Häupl T., Bonin M., Dornhof R., et al. Epigenetics. Disease relevant modifications of the methylome and transcriptome by particulate matter (PM2.5) from biomass combustion. Epigenetics. 2017; 12(9): 779–92. https://doi.org/10.1080/15592294.2017.1356555Heßelbach K., Kim G.J., Flemming S., Häupl T., Bonin M., Dornhof R., et al. Epigenetics. Disease relevant modifications of the methylome and transcriptome by particulate matter (PM2.5) from biomass combustion. Epigenetics. 2017; 12(9): 779–92. https://doi.org/10.1080/15592294.2017.1356555Schuller A., Montrose L. Influence of woodsmoke exposure on molecular mechanisms underlying Alzheimer’s disease: existing literature and gaps in our understanding. Epigenet. Insights. 2020; 13: 1–10. https://doi.org/10.1177/2516865720954873Schuller A., Montrose L. Influence of woodsmoke exposure on molecular mechanisms underlying Alzheimer’s disease: existing literature and gaps in our understanding. Epigenet. Insights. 2020; 13: 1–10. https://doi.org/10.1177/2516865720954873Schuller A., Bellini C., Jenkins T.G., Eden M., Matz J., Oakes J., et al. Simulated wildfire smoke significantly alters sperm DNA methylation patterns in a murine model. Toxics. 2021; 9(9): 199. https://doi.org/10.3390/toxics9090199Schuller A., Bellini C., Jenkins T.G., Eden M., Matz J., Oakes J., et al. Simulated wildfire smoke significantly alters sperm DNA methylation patterns in a murine model. Toxics. 2021; 9(9): 199. https://doi.org/10.3390/toxics9090199Koehler C., Ginzkey C., Friehs G., Hackenberg S., Froelich K., Scherzed A., et al. Ex vivo toxicity of nitrogen dioxide in human nasal epithelium at the WHO defined 1-h limit value. Toxycol. Letters. 2011; 207(1): 89–95. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2011.08.004Koehler C., Ginzkey C., Friehs G., Hackenberg S., Froelich K., Scherzed A., et al. Ex vivo toxicity of nitrogen dioxide in human nasal epithelium at the WHO defined 1-h limit value. Toxycol. Letters. 2011; 207(1): 89–95. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2011.08.004ВОЗ. Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха, касающиеся твердых частиц, озона, двуокиси азота и двуокиси серы: глобальные обновленные данные 2005: краткое изложение оценки риска; 2006. Доступно: https://apps.who.int/iris/handle/10665/87502WHO. WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide: global update 2005: summary of risk assessment; 2006. Available at: https://apps.who.int/iris/handle/10665/69477Görsdorf S., Appel K.E., Engeholm C., Obe G. Niltrogen dioxide induces DNA single-strand breaks in cultured Chinese hamster cells. Carcinogenesis. 1990; 11(1): 37–41. https://doi.org/10.1093/carcin/11.1.37Görsdorf S., Appel K.E., Engeholm C., Obe G. Niltrogen dioxide induces DNA single-strand breaks in cultured Chinese hamster cells. Carcinogenesis. 1990; 11(1): 37–41. https://doi.org/10.1093/carcin/11.1.37Uren N., Yuksel S., Önal Y. Genotoxic effects of sulfur dioxide in human lymphocytes. Toxicol. Ind. Health. 2012; 30(4): 311–5. https://doi.org/10.1177/0748233712457441Uren N., Yuksel S., Önal Y. Genotoxic effects of sulfur dioxide in human lymphocytes. Toxicol. Ind. Health. 2012; 30(4): 311–5. https://doi.org/10.1177/0748233712457441Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа; 1989.Inge-Vechtomov S.G. Genetics with the Basics of Selection [Genetika s osnovami selektsii]. Moscow: Vysshaya shkola; 1989. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.