medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2024-103-9-1050-1055dvveitmedlit-4367Research ArticleПРОФИЛАКТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕPREVENTIVE TOXICOLOGY AND HYGIENIC STANDARTIZATIONМетодические подходы к созданию биологической модели задымления при ландшафтных пожарахMethodological approaches to the creation of a biological model of smoke in landscape fireshttps://orcid.org/0000-0003-1052-4601СоседоваЛариса МихайловнаSosedovaLarisa M.

Доктор мед. наук, профессор, зав. лаб. биомоделирования и трансляционной медицины ФГБНУ ВСИМЭИ, 665826, Ангарск, Россия

e-mail: sosedlar@mail.ru

MD, PhD, DSci., professor, head of the Laboratory of biomodelling and translation medicine of the East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research, Angarsk, 665827, Russian Federation

e-mail: sosedlar@mail.ru

sosedlar@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8165-8052ВокинаВера АлександровнаVokinaVera A.

Канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. биомоделирования и трансляционной медицины ФГБНУ ВСИМЭИ, 665827, Ангарск, Россия

e-mail: vokina.vera@gmail.com

MD, PhD, researcher of the Laboratory of biomodelling and translation medicine of the East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research, Angarsk, 665827, Russian Federation

e-mail: vokina.vera@gmail.com

vokina.vera@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2536-1550РукавишниковВиктор СтепановичRukavishnikovViktor S.

Научный руководитель ФГБНУ ВСИМЭИ, 665827, Ангарск, Россия

e-mail: rvs_2010@mail.ru

Scientific supervisor of the East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research, Angarsk, 665827, Russian Federation

e-mail: rvs_2010@mail.ru

rvs_2010@mail.ruФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»РоссияEast-Siberian Institute of Medical and Ecological ResearchRussian Federation202416102024103910501055Copyright © Соседова Л.М., Вокина В.А., Рукавишников В.С., 20242024Соседова Л.М., Вокина В.А., Рукавишников В.С.Sosedova L.M., Vokina V.A., Rukavishnikov V.S.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/4367Введение

Введение. Длительная задымлённость от ландшафтных пожаров вызывает различные нарушения состояния здоровья. В первую очередь поражаются дыхательная система, сердечно-сосудистая и нервная. Для обоснования безопасных уровней воздействия дыма ландшафтных пожаров необходимо создание адекватной биологической модели задымления, близкой к натурным условиям.

Цель исследования — разработать и апробировать методические подходы к созданию биологической модели задымления при ландшафтных пожарах для обоснования безопасных уровней воздействия.

Материалы и методы

Материалы и методы. Используя разработанную биологическую модель, изучали воздействие дыма ландшафтного пожара на белых крыс. Оценивали функциональное состояние ЦНС по показателям поведения и результатам электроэнцефалографии (ЭЭГ), проводили морфологическое исследование коры головного мозга и семенников, а также обследовали потомство сразу после рождения и в половозрелом возрасте.

Результаты

Результаты. Изучен биологический ответ организма белых крыс, подвергавшихся ингаляционному воздействию дыма ландшафтных пожаров в различных по длительности режимах. Выявлены основные критериальные показатели нарушения здоровья со стороны центральной нервной и репродуктивной систем животных.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование ограничено отсутствием данных о репродуктивной токсичности дыма ландшафтных пожаров и безопасных уровнях его воздействия на ЦНС.

Заключение

Заключение. Апробация разработанной методики позволила выявить экспозиционную нагрузку оксида углерода и мелкодисперсных взвешенных частиц размером менее 2,5 мкм (РМ2,5), при которой изменения нервной и репродуктивной систем являются минимальными. Предложена методика расчёта безопасных уровней воздействия для центральной нервной и репродуктивной систем, а также по критерию влияния на потомство. Разработан алгоритм изучения влияния дыма ландшафтных пожаров на организм.

Соблюдение этических стандартов. Экспериментальные исследования получили положительное заключение локального этического комитета ФГБНУ ВСИМЭИ (протокол № 32 от 10.01.2023 г.), все манипуляции с животными осуществлялись в соответствии с директивой Европейского парламента и Совета Европейского союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей, Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS N 123).

Участие авторов

Участие авторов: Соседова Л.М. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование; Вокина В.А. — сбор материала и обработка данных, написание текста, статистический анализ, редактирование; Рукавишников В.С. — руководство, редактирование. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований, предусмотренных государственным заданием, а также в рамках гранта № 075-15-2020-787 Минобрнауки России.

Поступила

Поступила: 04.06.2024 / Поступила после доработки: 15.08.2024 / Принята к печати: 23.09.2024 / Опубликована: 16.10.2024

Introduction

Introduction. Long-term smoke from landscape fires causes various health problems, primarily affecting the respiratory, cardiovascular, and nervous systems. To substantiate safe levels of exposure to smoke from landscape fires, it is necessary to create an adequate biological model for smoke that is close to natural conditions.

The aim of the study is to develop and test methodological approaches to creating a biological model for smoke during landscape fires to substantiate safe levels of exposure.

Materials and methods

Materials and methods. Using the developed biological model, we studied the effects of smoke from landscape fires on white rats. We assessed the functional state of the central nervous system based on rat behaviour and EEG examination results, conducted a morphological study of the cerebral cortex and testes of white rats, and examined the offspring immediately after birth and at puberty.

Results

Results. We studied the biological response of white rats exposed to inhalation smoke from landscape fires for different durations. The main criterion indicators of health disorders in the central nervous and reproductive systems of animals were identified.

Limitations

Limitations. The study is limited by the lack of data on safe levels of exposure to smoke from landscape fires on the central nervous system and reproductive toxicity.

Conclusion

Conclusion. Testing of the developed method allowed identifying the exposure load of carbon monoxide and ultrafine particles PM2.5, at which changes in the nervous and reproductive systems are minimal. A method for calculating safe levels of exposure for the central nervous and reproductive systems, as well as for the effect on offspring, is proposed. An algorithm for conducting research in studying the effect of smoke from landscape fires on the body has been developed.

Compliance with ethical standards. A positive conclusion was received from the local ethics committee of the Federal State Budgetary Scientific Institution VSIMEI for conducting experimental studies (Protocol No. 32 dated 10.01.2023); all manipulations with animals were carried out in accordance with Directive of the European Parliament and of the Council of the European Union 2010/63/EC of 22.09.2010 on the protection of animals used for scientific purposes and the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals used for Experimental and other Scientific Purposes (ETS N 123).

Contribution

Contribution: Sosedova L.M. — concept and design of the study, writing the text, editing; Vokina V.A. — collection of material and data processing, writing the text, statistical analysis, editing; Rukavishnikov V.S. — management, editing. 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.

Acknowledgments

Acknowledgments. The work was carried out in accordance with the scientific research plan provided for by the state assignment, as well as within the framework of grant No. 075-15-2020-787 of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation.

Received

Received: June 4, 2024 / Accepted: September 23, 2024 / Published: October 16, 2024

ландшафтные пожарыбиологическая моделькрысынервная системарепродуктивный потенциалэкспозиционная дозабезопасный уровеньlandscape firesbiological modelratsnervous systemreproductive potentialexposure dosesafe levelReferencesAbdo M., Ward I., O’Dell K., Ford B., Pierce J.R., Fischer E.V., et al. Impact of wildfire smoke on adverse pregnancy outcomes in Colorado, 2007–2015. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(19): 3720. https://doi.org/10.3390/ijerph16193720Abdo M., Ward I., O’Dell K., Ford B., Pierce J.R., Fischer E.V., et al. Impact of wildfire smoke on adverse pregnancy outcomes in Colorado, 2007–2015. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(19): 3720. https://doi.org/10.3390/ijerph16193720Holm S.M., Miller M.D., Balmes J.R. Health effects of wildfire smoke in children and public health tools: a narrative review. J. Expo. Sci. Environ. Epidemiol. 2021; 31(1): 1–20. https://doi.org/10.1038/s41370-020-00267-4Holm S.M., Miller M.D., Balmes J.R. Health effects of wildfire smoke in children and public health tools: a narrative review. J. Expo. Sci. Environ. Epidemiol. 2021; 31(1): 1–20. https://doi.org/10.1038/s41370-020-00267-4Akintunde J.K., Abioye J.B., Ebinama O.N. Potential protective effects of naringin on oculo-pulmonary injury induced by PM10 (wood smoke) exposure by modulation of oxidative damage and acetylcholine esterase activity in a rat model. Curr. Ther. Res. Clin. Exp. 2020; 92: 100586. https://doi.org/10.1016/j.curtheres.2020.100586Akintunde J.K., Abioye J.B., Ebinama O.N. Potential protective effects of naringin on oculo-pulmonary injury induced by PM10 (wood smoke) exposure by modulation of oxidative damage and acetylcholine esterase activity in a rat model. Curr. Ther. Res. Clin. Exp. 2020; 92: 100586. https://doi.org/10.1016/j.curtheres.2020.100586Yang R.Q., Guo P.F., Ma Z., Chang C., Meng Q.N., Gao Y., et al. Effects of simvastatin on iNOS and caspase‑3 levels and oxidative stress following smoke inhalation injury. Mol. Med. Rep. 2020; 22(4): 3405–17. https://doi.org/10.3892/mmr.2020.11413Yang R.Q., Guo P.F., Ma Z., Chang C., Meng Q.N., Gao Y., et al. Effects of simvastatin on iNOS and caspase‑3 levels and oxidative stress following smoke inhalation injury. Mol. Med. Rep. 2020; 22(4): 3405–17. https://doi.org/10.3892/mmr.2020.11413Leiphrakpam P.D., Weber H.R., Ogun T., Buesing K.L. Rat model of smoke inhalation-induced acute lung injury. BMJ Open Respir. Res. 2021; 8(1): e000879. https://doi.org/10.1136/bmjresp-2021-000879Leiphrakpam P.D., Weber H.R., Ogun T., Buesing K.L. Rat model of smoke inhalation-induced acute lung injury. BMJ Open Respir. Res. 2021; 8(1): e000879. https://doi.org/10.1136/bmjresp-2021-000879Singh D., Tassew D.D., Nelson J., Chalbot M.G., Kavouras I.G., Tesfaigzi Y., et al. Physicochemical and toxicological properties of wood smoke particulate matter as a function of wood species and combustion condition. J. Hazard. Mater. 2023; 441: 129874. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129874Singh D., Tassew D.D., Nelson J., Chalbot M.G., Kavouras I.G., Tesfaigzi Y., et al. Physicochemical and toxicological properties of wood smoke particulate matter as a function of wood species and combustion condition. J. Hazard. Mater. 2023; 441: 129874. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129874Szramowiat-Sala K., Korzeniewska A., Sornek K., Marczak M., Wieronska F., Berent K., et al. The properties of particulate matter generated during wood combustion in in-use stoves. Fuel. 2019; 253: 792–801. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.026Szramowiat-Sala K., Korzeniewska A., Sornek K., Marczak M., Wieronska F., Berent K., et al. The properties of particulate matter generated during wood combustion in in-use stoves. Fuel. 2019; 253: 792–801. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.05.026Вокина В.А., Андреева Е.С., Новиков М.А., Соседова Л.М. Устройство для моделирования интоксикации у мелких лабораторных животных продуктами горения биомассы. Патент РФ № 2022107278; 2022.Vokina V.A., Andreeva E.S., Novikov M.A., Sosedova L.M. A device for simulating intoxication in small laboratory animals by biomass combustion products. Patent RF № 2022107278; 2022. (in Russian)Лемешевская Е.П., Куренкова Г.В., Жукова Е.В. Профессиональный риск здоровью работников промышленных предприятий. Иркутск; 2016. https://elibrary.ru/ikagtyLemeshevskaya E.P., Kurenkova G.V., Zhukova E.V. Occupational Health Risk of Industrial Workers [Professional’nyi risk zdorov’yu rabotnikov promyshlennykh predpriyatii]. Irkutsk; 2016. https://elibrary.ru/ikagty (in Russian)Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of spatial preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Methods. 2008; 170(2): 345–51. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of spatial preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Methods. 2008; 170(2): 345–51. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Хоцкин Н.В., Куликов В.А., Завьялов Е.Л., Фурсенко Д.В., Куликов А.В. Проведение и автоматизация теста «водный лабиринт Морриса» в условиях SPF-вивария. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2015; 19(4): 388–93. https://doi.org/10.18699/VJ15.049 https://elibrary.ru/vhrppjKhotskin N.V., Kulikov V.A., Zavyalov E.L., Fursenko D.V., Kulikov A.V. Conducting and automating the water Morris maze test in SPF conditions. Vavilovskii zhurnal genetiki i selektsii. 2015; 19(4): 388–93. https://doi.org/10.18699/VJ15.049 https://elibrary.ru/vhrppj (in Russian)Вокина В.А., Соседова Л.М., Новиков М.А., Андреева Е.С., Титов Е.А., Рукавишников В.С. и др. Эффекты действия суточной экспозиции торфяного задымления на репродуктивную и нервную системы самцов белых крыс. Гигиена и санитария. 2023; 102(7): 648–52. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-7-648-652 https://elibrary.ru/ykwiqsVokina V.A., Sosedova L.M., Novikov M.A., Andreeva E.S., Titov E.A., Rukavishnikov V.S., et al. Effects of daily exposure to peat smoke on the reproductive and nervous systems in male white rats. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2023; 102(7): 648–52. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-7-648-652 https://elibrary.ru/ykwiqs (in Russian)Асташкин Е.И., Ачкасов Е.Е., Афонин К.В., Берзин И.А., Бескова Т.Б., Болотских Л.А. и др. Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских исследованиях. М.: Профиль-2С; 2010. https://elibrary.ru/uaocknAstashkin E.I., Achkasov E.E., Afonin K.V., Berzin I.A., Beskova T.B., Bolotskikh L.A., et al. Guide to Laboratory Animals and Alternative Models in Biomedical Research [Rukovodstvo po laboratornym zhivotnym i al’ternativnym modelyam v biomeditsinskikh issledovaniyakh]. Moscow: Profil’-2S; 2010. https://elibrary.ru/uaockn (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://iris.who.int/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://iris.who.int/handle/10665/345329National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 281, Carbon Monoxide. Available at: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Carbon-MonoxideNational Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 281, Carbon Monoxide. Available at: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Carbon-Monoxide

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