Оценка влияния состава микрочастиц атмосферного воздуха на окислительно-восстановительный гомеостаз альвеолярных макрофагов

Введение. Компоненты и размерность твёрдых взвешенных частиц (ТВЧ) атмосферного воздуха различаются для территорий и зависят от источников генерации.

Цель работы — оценить связь качественного и дисперсного состава ТВЧ атмосферного воздуха с окислительными и антиоксидантными процессами в альвеолярных макрофагах.

Материалы и методы. Смоделировано воздействие реального поликомпонентного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха двух различных по техногенному прессингу территорий на альвеолярные макрофаги (АМ) крыс линии Вистар. Корреляционные связи между характеристиками АМ и загрязнения рассчитаны с помощью коэффициента корреляции Спирмена.

Результаты. Выделен превалирующий вклад качественных характеристик ТВЧ, при увеличении доли мелкодисперсных частиц усиливается влияние дисперсного состава. Частицы металлов вызвали окислительное повреждение липидов с образованием необратимых продуктов, со стороны антиоксидантной системы (АОС) наблюдалась выраженная компенсаторная ответная реакция. Минеральные компоненты оказывали необратимые окислительные повреждения липидных и белковых структур, вызывая интенсификацию образования тиоредоксина. Наибольшее патогенное воздействие, выявленное для частиц сажи, характеризовалось окислительным повреждением липидов, белков, нуклеиновых кислот. Напряжение функционирования АОС сопровождалось увеличением образования окисленного глутатиона и тиоредоксина, осуществляющего восстановление белков и ДНК.

Ограничения исследования. Ограничением является то, что исследование выявило ответную реакцию АМ на конкретной территории.

Заключение. Выявленные тенденции характеризуют структуру воздействия состава ТВЧ атмосферного воздуха города на АМ. Исследование позволило выделить наиболее чувствительные критерии отклика АМ при контакте с ТВЧ воздушной среды (тиоредоксин, протеин-карбонил, 8-гидрокси-2›-деоксигуанозин).

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено Этическим комитетом Владивостокского филиала ДНЦ ФПД — НИИМКВЛ, 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:
Барскова Л.С. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала;
Виткина Т.И. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка материала;
Веремчук Л.В. — статистическая обработка;
Гвозденко Т.А. — сбор данных литературы, ответственность за целостность всех частей статьи. 
Все соавторы — написание текста, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи.

Благодарность. Авторы выражают благодарность к.б.н., доц. Н.Е. Зюмченко; к.б.н., доц. Н.П. Токмаковой; д.б.н., профессору РАН, члену-корреспонденту РАО К.С. Голохвасту.

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

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила: 30.05.2022 / Принята к печати: 04.08.2022 / Опубликована: 30.09.2022

1. Veremchuk L.V., Vitkina T.I., Barskova L.S., Gvozdenko T.A., Mineeva E.E. Estimation of the size distribution of suspended particulate matters in the urban atmospheric surface layer and its influence on bronchopulmonary pathology. Atmosphere. 2021; 12(8): 1010. https://doi.org/10.3390/atmos12081010

2. Kim K.H., Kabir E., Kabir S. A review on the human health impact of airborne particulate matter. Environ.Int. 2015; 74: 136-43. https://doi.org/10.1016/j.envint.2014.10.005

3. Adams K., Greenbaum D.S., Shaikh R., van Erp Annemoon M., Russell A.G. Particulate matter components, sources, and health: Systematic approaches to testing effects. J. Air Waste Manag. Assoc. 2015; 65(5): 544-58. https://doi.org/10.1080/10962247.2014.1001884

4. Cooper D.M., Loxham M. Particulate matter and the airway epithelium: the special case of the underground. Eur. Respir. Rev. 2019; 28(153): 190066. https://doi.org/10.1183/16000617.0066-2019

5. Виткина Т.И., Барскова Л.С., Зюмченко Н.Е., Токмакова Н.П., Гвозденко Т.А., Голохваст К.С. Баланс глутатионзависимых процессов в альвеолярных макрофагах крыс линии Wistar при воздействии твёрдых взвешенных частиц атмосферного воздуха. Гигиена и санитария. 2020; 99(2): 200-5. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2020-99-2-200-205

6. Gangwar R.S., Bevan G.H., Palanivel R., Das L., Rajagopalan S. Oxidative stress pathways of air pollution mediated toxicity: Recent insights. Redox Biol. 2020; 34: 101545. https://doi.org/10.1016/j.redox.2020.101545

7. Целуйко С.С., Зиновьев С.В., Огородникова Т.Л. Микрометод культивирования альвеолярных макрофагов - новый способ диагностики бронхиальной астмы. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2001; (9): 15-6.

8. Виткина Т.И., Голохваст К.С., Барскова Л.С., Зюмченко Н.Е., Токмакова Н.П., Гвозденко Т.А. Методологические подходы к экспериментальному исследованию воздействия микроразмерных взвесей атмосферного воздуха. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2019; 73: 80-6. https://doi.org/10.36604/1998-5029-2019-73-80-86

9. Barskova L.S., Vitkina T.I., Gvozdenko T.A., Veremchuk L.V., Golokhvast K.S. Assessment of air pollution by small-sized suspended particulate matter in urbanized territories with various technogenic load (on the example of Vladivostok, Russia).Russ. Open Med. J. 2019; 8(3): 0304. https://doi.org/10.15275/rusomj.2019.0304

10. Барскова Л.С., Виткина Т.И., Янькова В.И. Метод отбора и анализа проб атмосферного воздуха для определения фракционного состава твердых взвешенных частиц микроразмерного ряда. В кн.: Материалы Международного Форума Научного совета Российской Федерации по экологии человека и гигиене окружающей среды «Экологические проблемы современности: выявление и предупреждение неблагоприятного воздействия антропогенно детерминированных факторов и климатических изменений на окружающую среду и здоровье населения». М.; 2017: 43-4.

11. Голохваст К.С., Паничев А.М., Гульков А.Н., Чайка В.В. Способ приготовления стандартных образцов аэрозолей. Патент РФ № 2525427C2; 2012.

12. Valavanidis A., Fiotakis K., Vlachogianni T. Airborne particulate matter and human health: Toxicological assessment and importance of size and composition of particles for oxidative damage and carcinogenic mechanisms. J. Environ. Sci. Health. Part C Environ. Carcinog. Ecotoxicol. Rev. 2008; 26(4): 339-62. https://doi.org/10.1080/10590500802494538

13. Ilgren E.B., Breña M.O., Larragoitia J.C., Navarrete G.L., Breña A.F., Krauss E., et al. A reconnaissance study of a potential emerging Mexican mesothelioma epidemic due to fibrous zeolite exposure. Indoor Built Environ. 2008; 17(6): 496-515. https://doi.org/10.1177/1420326X08096610

14. Leinardi R., Pavan C., Yedavally H., Tomatis M., Salvati A., Turci F. Cytotoxicity of fractured quartz on THP-1 human macrophages: role of the membranolytic activity of quartz and phagolysosome destabilization. Arch. Toxicol. 2020; 94(9): 2981-95. https://doi.org/10.1007/s00204-020-02819-x

15. Viegas S., Caetano L.A., Korkalainen M., Faria T., Pacífico C., Carolino E., et al. Cytotoxic and inflammatory potential of air samples from occupational settings with exposure to organic dust. Toxics. 2017; 5(1): 8. https://doi.org/10.3390/toxics5010008

16. Chen G., Feng Q., Wang J. Mini-review of microplastics in the atmosphere and their risks to humans. Sci. Total Environ. 2020; 703: 135504. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135504

17. Xu M., Halimu G., Zhang Q., Song Y., Fu X., Li Y., et al.Internalization and toxicity: A preliminary study of effects of nanoplastic particles on human lung epithelial cell. Sci. Total Environ. 2019; 694: 133794. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.133794

18. Голохваст К.С. Атмосферные взвеси городов Дальнего Востока. Владивосток; 2013

19. Styszko K., Samek L, Szramowiat K., Korzeniewska A., Kubisty K., Rakoczy-Lelek R., et al. Oxidative potential of PM10 and PM2.5 collected at high air pollution site related to chemical composition: Krakow case study. Air Qual. Atmos. Health 2017; 10(9): 1123-37. https://doi.org/10.1007/s11869-017-0499-3

20. Hamad S.H., Schauer J.J., Antkiewicz D.S., Shafer M.M., Kadhim A.K. ROS production and gene expression in alveolar macrophages exposed to PM2.5 from Baghdad, Iraq: Seasonal trends and impact of chemical composition. Sci. Total Environ. 2016; 543(Pt. A): 739-45. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.11.065

21. Pardo M., Porat Z., Rudich A., Schauer J.J., Rudich Y. Repeated exposures to roadside particulate matter extracts suppresses pulmonary defense mechanisms, resulting in lipid and protein oxidative damage. Environ. Pollut. 2015; 210: 227-37. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.12.009

22. Веремчук Л.В., Минеева Е.Е., Виткина Т.И. Выбор функциональных методов исследования органов дыхания в оценке риска воздействия городской среды на пациентов с хронической обструктивной болезнью легких. Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2018; 68: 23-8. https://doi.org/10.12737/article_5b189048ed62b6.15603461

23. Liang C.S., Duan F.K., He K.B., Ma Y.L. Review on recent progress in observations, source identifications and countermeasures of PM2.5. Environ.Int. 2016; 86: 150-70. https://doi.org/10.1016/j.envint.2015.10.016

24. Totlandsda A.I., Øvrevik J., Cochran R.E., Herseth J.I., Bolling A.K., Lag M., et al. The occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives and the proinflammatory potential of fractionated extracts of diesel exhaust and wood smoke particles. J. Environ. Sci. Health Part A Tox. Hazard. Subst. Environ. Eng. 2014; 49(4): 383-96. https://doi.org/10.1080/10934529.2014.854586

25. Robinson D.L.Composition and oxidative potential of PM2.5 pollution and health. J. Thorac. Dis. 2017; 9(3): 444-7. https://doi.org/10.21037/jtd.2017.03.92

26. Krall J.R., Mulholland J.A., Russell A.G., Balachandran S., Winquist A., Tolbert P.E., et al. Associations between source-specific fine particulate matter and emergency department visits for respiratory disease in four U.S. Cities. Environ. Health Perspect. 2017; 125(1): 97-103. https://doi.org/10.1289/EHP271

27. Landsiedel R., Ma-Hock L., Haussmann H.J., Van R.B., Kayser M., Wiench K. Inhalation studies for the safety assessment of nanomaterials: status quo and the way forward. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotech. 2012; 4(4): 399-413. https://doi.org/10.1002/wnan.1173

28. Noël A., Xiao R., Perveen Z., Zaman H.M., Rouse R.L., Paulsen D.B., et al. Incomplete lung recovery following sub-acute inhalation of combustion-derived ultrafine particles in mice. Part. Fibre Toxicol. 2016; 13: 10. https://doi.org/10.1186/s12989-016-0122-z

29. Hamad S.H., Schauer J.J., Antkiewicz D.S., Shafer M.M., Kadhim A.K. ROS production and gene expression in alveolar macrophages exposed to PM2.5 from Baghdad, Iraq: Seasonal trends and impact of chemical composition. Sci. Total Environ. 2016; 543(Pt. A): 739-45. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.11.065