Фрагментация ДНК как биоиндикатор воздействия дыма торфяных пожаров

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

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

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

1. Karahalil 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)00055-8

2. Bojakowska I., Sokołowska G. Polycyclic aromatic hydrocarbons in materials of burned peatlands. Pol. J. Environ. Stud. 2003; 12(4): 401–8.

3. 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/s41467-021-21708-0

4. Franzi 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.2011.09.003

5. Wu 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/s12940-022-00831-5

6. Kinney P. Climate change, air quality, and human health. Am. J. Prev. Med. 2008; 35(5): 459–67. https://doi.org/10.1016/j.amepre.2008.08.025

7. Горбатова 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/wfrwdp

8. 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/10665/345329

9. Филиппов 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/sufctf

10. 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/sevvqt

11. 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/wxwgpv

12. 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/ynxzhy

13. Добрых В.А., Захарычева Т.А. Дым лесных пожаров и здоровье. Хабаровск; 2009.

14. 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)00132-4

15. Tesfaigzi 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/65.1.115

16. Thompson 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/10.1080/08958378.2018.1551443

17. Вокина 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/zwdrgg

18. 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/10.1080/15592294.2017.1356555

19. Schuller 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/10.1177/2516865720954873

20. Schuller 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/toxics9090199

21. Koehler 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.2011.08.004

22. ВОЗ. 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/10665/87502

23. Görsdorf 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/11.1.37

24. Uren N., Yuksel S., Önal Y. Genotoxic effects of sulfur dioxide in human lymphocytes. Toxicol. Ind. Health. 2012; 30(4): 311–5. https://doi.org/10.1177/0748233712457441

25. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа; 1989.