Особенности патогенетических механизмов развития негативных эффектов у детей в условиях аэрогенного воздействия металлов: количественная оценка причинно-следственных связей

Введение

Аэрогенное воздействие химических веществ, содержащихся в промышленных выбросах, является ведущим фактором формирования ассоциированной неинфекционной заболеваемости у детей [1, 2]. Минимальная толщина аэрогематического барьера и значительная площадь контакта в лёгочной паренхиме детей обеспечивают мгновенную диффузию газов и мелкодисперсных аэрозолей в альвеолярной зоне респираторного тракта [3]. Интенсивная транслокация поллютантов в системный кровоток в обход первичного метаболизма в печени определяет по сравнению с пероральным поступлением специфику токсикокинетики и обусловливает высокие пиковые концентрации веществ в биологических средах [4].

Особую опасность представляют металлургические и алюминиевые выбросы токсичных металлов (например, марганца, хрома, никеля, меди и алюминия). Исследования подтверждают достоверную связь между экспозицией оксидами металлов и многими респираторными, неврологическими и эндокринными нарушениями [5, 6]. Современный гигиенический анализ требует цифровизации причинно-следственных связей для точной верификации аэрогенной экспозиции и её негативных эффектов. В мировой практике биомаркёрами экспозиции традиционно служат концентрации химических веществ в биологических средах (прежде всего в цельной крови и моче [7, 8]) – показатели, недостаточно адаптированные для детей 4–7 лет. При этом реперные уровни и ассоциированные с ними негативные эффекты практически не определены. Данная возрастная группа наиболее уязвима из-за высокой минутной вентиляцией лёгких на единицу массы тела и незрелости биологических барьеров. При этом важным аспектом является анализ половых различий в детской популяции, предопределяющих разную степень восприимчивости к токсикантам [9].

Цель настоящего исследования – выявление особенностей патогенетических механизмов развития негативных эффектов у детей в условиях аэрогенного воздействия металлов (на примере оксидов марганца, меди, никеля, хрома и алюминия) на основе количественной оценки причинно-следственных связей.

Оцифрованные причинно-следственные связи необходимы для выявления этиологии неинфекционных болезней при аэрогенном воздействии химических веществ. Полученные результаты востребованы в санитарно-эпидемиологических оценках для предотвращения вредного влияния на человека химического фактора среды обитания. Выявление особенностей патогенеза позволяет повысить адресность индивидуальной и групповой профилактики с учётом половых различий.

Материалы и методы

Применён метод каскадного моделирования для количественного описания детерминированной цепочки: «концентрация металла в атмосферном воздухе – ингаляционная доза – концентрация в биосреде – донозологическое отклонение или состоявшаяся патология». Транзиторный переход экспозиции из внешней среды в организм рассчитан поэтапно. На первом этапе выполнен расчёт экспозиционной дозы в соответствии с Руководством по оценке риска¹ для количественной характеристики аэрогенной нагрузки на организм детей. Второй этап предусматривал оцифровку зависимостей «экспозиционная доза – концентрация вещества в биосреде (кровь, моча)» для математического доказательства связи и обоснования биомаркёров экспозиции. На третьем этапе фокус исследования смещён в сторону верификации негативных эффектов на повышенное содержание биомаркёров экспозиции в биосредах путём анализа донозологических отклонений биохимических, иммунологических показателей от физиологической нормы и вероятность развития клинических форм болезней (в соответствии с МКБ-10). Построенные модели «биомаркёр экспозиции – биомаркёр негативного эффекта» замкнули сквозную детерминированную цепочку и позволили количественно установить реперные уровни металлов в биосредах, инициирующие развитие негативных эффектов у детей. За реперную концентрацию принимали расчётный уровень металла в крови или моче, соответствующий верхней 95%-й доверительной границе модели отношения шансов (OR), равного 1, при котором отклонение маркёра эффекта от нормы в группе наблюдения относительно группы сравнения статистически значимо (р ≤ 0,05)¹^,².

Для выявления и количественного анализа причинно-следственных связей использована деперсонифицированная база данных, включающая индивидуальные результаты углублённых медицинских обследований³ 2055 детей в возрасте 4–7 лет (период 2016–2025 гг.). Формирование базы данных осуществлялось на основе результатов сплошного поперечного обследования детей, посещающих дошкольные образовательные организации (детские сады) исследуемых территорий. В анализируемые группы вошли дети, проживающие в зонах высокой аэрогенной нагрузки оксидами приоритетных металлов вследствие влияния выбросов крупных промышленных предприятий на пяти репрезентативных территориях Красноярского края и Иркутской области. Структура исследуемых групп представлена в табл. 1.

Медицинские осмотры проводились в рамках углублённого мониторинга здоровья детского населения. Из выборки целенаправленно исключали детей, находившихся в момент обследования в остром периоде инфекционных или соматических болезней. Сбор биологического материала (кровь, моча) выполняли в утренние часы натощак в условиях медицинских кабинетов детских садов квалифицированным медицинским персоналом.

Сформированный массив включал сопряжённые индивидуальные значения дозы металлов, концентрации меди, никеля, хрома и марганца в крови, алюминия в моче, а также патогенетически связанные с экспозицией значения лабораторных показателей и диагнозы (по МКБ-10). Использование ранее полученных материалов не требовало специального заключения этического комитета. Статистический анализ и математическое моделирование выполнены с помощью линейных и логистических регрессионных моделей. Их адекватность и информативность оценивали по критерию Фишера (F) и коэффициента детерминации (R²) при р ≤ 0,05. Для исключения случайных корреляций в моделирование включали только лабораторные показатели и нозологические формы, имеющие статистически достоверные различия с группой сравнения.

Результаты

Установлена прямая дозозависимая связь между уровнем аэрогенной экспозиции металлов и их концентрациями в крови и моче (табл. 2).

Марганец и хром в крови значимы во всех пяти группах наблюдения. Аэрогенная экспозиция объясняет от 23 до 70% их общей вариабельности (R² = 0,23–0,42 для марганца, R² = 0,4–0,7 для хрома). Во всех моделях зафиксирован стабильный эндогенный фон (0,008 ≤ b₀ ≤ 0,01 мг/дм³ для марганца; 0,0007 ≤ b₀ ≤ 0,0011 мг/дм³ для хрома), сопоставимый с группами сравнения. В группах наблюдения 1 и 5 содержание марганца в крови носит пологий характер (b₁ = 63,7 и b₁ = 25 123,75 соответственно), тогда как в группе наблюдения 2 зафиксирована высокая чувствительность популяции к воздействию данного металла (b₁ = 1314,38). По хрому максимальный угловой коэффициент отмечен также в группе наблюдения 2. Свободные члены уравнений отражают стабильный фоновый уровень металлов (мг/дм³) во всех группах: 0,89 ≤ b₀ ≤ 0,95 для меди в крови; b₀ = 0,0008 мг/дм³ для никеля; 0,0007 ≤ b₀ ≤ 0,011 для хрома; 0,008 ≤ b₀ ≤ 0,01 мг/дм³ для марганца; 0,0022 ≤ b₀ ≤ 0,0028 для алюминия в моче. Содержание данных металлов в биосредах отражает специфику промышленного профиля территорий. Связь «доза – уровень в крови» для никеля верифицирована только в группе наблюдения 2 (b₁ = 25,35; R² = 0,64; р = 0,0001), для меди – в группах наблюдения 1 и 2 (901,24 ≤ b₁ ≤ 252,32; R² = 0,32–0,55; р = 0,002–0,04). Информативность алюминия как маркёра почечной экскреции аэрогенной дозы подтверждена для четырёх групп наблюдения: 1, 3, 4, 5 (5,76 ≤ b₁ ≤ 19,15; R² = 0,37–0,7; р = 0,0001–0,004). Пример зависимости содержания алюминия в моче от его уровня в атмосферном воздухе представлен на рис. 1.

Установлены реперные уровни биомаркёров экспозиции (близкие к нижним границам референтных значений⁴): в крови – хрома (0,0011 мг/дм³), марганца (0,011 мг/дм³), никеля (0,002 мг/дм³) и меди (0,912 мг/дм³), в моче – алюминия (0,0032 мг/дм³).

Анализ связей между концентрацией металлов в биосредах и изменениями лабораторных показателей позволил обосновать профиль донозологических биомаркёров негативных эффектов. Комплекс содержит показатели оксидативного стресса (рост гидроперекисей липидов и малонового диальдегида), маркёры митохондриального апоптоза (индуцируемая экспрессия белка Bax), параметры дисбаланса клеточного (повышение лимфоцитов CD16⁺56⁺ и CD19⁺) и гуморального иммунитета (специфические к металлам иммуноглобулины), показатели состояния барьерных тканей (повышение эозинофилов и индекса эозинофилии) (табл. 3).

Развитие нарушений представляет собой последовательный каскад реакций, начинающихся на молекулярно-клеточном уровне. Универсальными процессами являются инициация липопероксидации под влиянием марганца, меди, хрома в крови и алюминия в моче (R² = 0,28–0,86; 0,65 ≤ b₁ ≤ 330,76; р = 0,0001–0,003) и запуск митохондриального пути апоптоза при действии марганца и хрома в крови (R² = 0,66–0,73; 281,6 ≤ b₁ ≤ 472,77; р = 0,0001). Данные молекулярные сдвиги служат триггером системной перестройки иммунологической резистентности.

Повышенные концентрации марганца, никеля, хрома и алюминия вызывают субпопуляционный дисбаланс лимфоцитов (R² = 0,31–0,91; 22,69 ≤ b₁ ≤ 167,16; р = 0,0001–0,002) и гиперпродукцию специфических иммуноглобулинов (R² = 0,28–0,73; 12,06 ≤ b₁ ≤ 342,34; р = 0,0001–0,012). На уровне барьерных тканей избыток марганца и никеля в крови, алюминия в моче манифестирует локальной эозинофильной инфильтрацией слизистых оболочек (R² = 0,37–0,84; 14,23 ≤ b₁ ≤ 207,01; р = 0,0001). Выявлена половая специфика механизмов повреждения. У девочек патологический каскад преимущественно смещён в сторону системного иммунного ответа и нейроэндокринных нарушений. Установлено, что повышенный уровень хрома в крови вызывает угнетение тиреоидного статуса через снижение свободного Т4 (R² = 0,26–0,55; 58,2 ≤ b₁ ≤ 311,39; р = 0,0001–0,002), что ассоциировано с развитием эндокринных расстройств (R² = 0,67–0,7; 144,77 ≤ b₁ ≤ 399,85; р = 0,0001–0,001). Нейротропный вектор марганца, меди, никеля, алюминия реализуется по центральному регуляторному типу, вовлекая серотонинергическую трансмиссию (R² = 0,3–0,73; 7,86 ≤ b₁ ≤ 153,43; р = 0,0001–0,036) и гиперкортизолемию (R² = 0,66–0,7; 3,88 ≤ b₁ ≤ 55,98; р = 0,0001). Манифестация процесса проявляется в виде расстройств вегетативной нервной системы (R² = 0,39–0,7; 77,02 ≤ b₁ ≤ 301,21; р = 0,0001–0,0002).

Дисбаланс нейроэндокринной регуляции при повышенной концентрации алюминия в моче и хрома в крови усугубляет патологический вектор со стороны костной системы, что сопровождается поражением опорно-двигательного аппарата в форме деформирующих дорсопатий (R² = 0,54–0,63; 22,36 ≤ b₁ ≤ 187,1; р = 0,0001) и вальгусной деформации (R² = 0,63; b₁ = 190,37; р = 0,0001). Дополнительно у девочек медь и хром индуцируют угнетение эритропоэза со снижением общего числа эритроцитов и их среднего объёма, цветного показателя крови (R² = 0,76–0,95; 8,13 ≤ b₁ ≤ 837,57; р = 0,0001).

У мальчиков детерминированный отклик реализуется через истощение антиоксидантной защиты, интенсификацию перекисного окисления липидов и клеточный цитолиз. Под влиянием хрома, марганца и алюминия фиксируется повышение гидроперекисей липидов (R² = 0,36–0,68; 9,75 ≤ b₁ ≤ 273,81; р = 0,0001) на фоне резкого снижения АОА плазмы (R² = 0,36–0,94; 79,96 ≤ b₁ ≤ 103,19; р = 0,0001). Этот дисбаланс инициирует повреждение нейронов, что подтверждается ростом НСЕ (R² = 0,61; b₁ = 183,01; р = 0,0001) (рис. 2).

Данный процесс приводит к развитию когнитивно-речевых расстройств и нарастанию темповых задержек развития речи и языка (R² = 0,46–0,58; 41,75 ≤ b₁ ≤ 265,6; р = 0,0001) (рис. 3). Одновременно фиксируется раннее поражение барьерных тканей, что проявляется дестабилизацией тучных клеток кожи с манифестацией атопического дерматита при повышенном уровне хрома в крови (R² = 0,45–0,66; 0,61 ≤ b₁ ≤ 205,91; р = 0,0001) и алюминия в моче (R² = 0,47–0,76; 50,61 ≤ b₁ ≤ 142,35; р = 0,0001).

Кроме этого, отмечается дисбаланс липидного обмена, что характеризуется снижением ЛПВП (R² = 0,37; b₁ = 76,15; р = 0,0001) и ростом триглицеридов (R² = 0,69–0,75; 96,42 ≤ b₁ ≤ 290,26; р = 0,0001). Представленный дисбаланс выступает предвестником нарушения обмена липопротеинов (R² = 0,63; b₁ = 368,54; р = 0,0001) и жировой дегенерации печени (R² = 0,49; b₁ = 51,86; р = 0,0001). На фоне ускоренного истощения антиоксидантной защиты алюминий, марганец напрямую повреждают остеобласты, вызывая дисбаланс остеогенеза, что приводит к формированию сколиоза (R² = 0,61–0,85; 64,14 ≤ b₁ ≤ 190,78; р = 0,0001) и плоской стопы (R² = 0,90; b₁ = 89,74; р = 0,0001).

Обсуждение

Обнаруженная зависимость концентрации металлов в биосредах от их аэрогенной экспозиции, по всей видимости, отражает фундаментальные закономерности транслокации веществ, в том числе металлов, через аэрогематический барьер путём пассивной диффузии во внутреннюю среду организма [10]. Перенос ионов марганца, хрома, меди и алюминия через мембраны альвеолоцитов может реализоваться с помощью специфических транспортных белков [11]. Известно, что алюминий быстро выводится почками, поэтому его уровень в разовой порции мочи с высокой долей вероятности прямо пропорционален общему количеству вещества, попавшему в кровоток [12]. Полученные параметры зависимостей подтверждают, что определённая доля повышенной концентрации металлов в биосредах формируется за счёт ингаляционного поступления (R² = 0,23–0,7). Превышение установленных реперных концентраций металлов в крови и моче, по-видимому, способно инициировать патогенетический каскад реакций со стороны органов-мишеней. Можно предположить, что начальное звено повреждения локализовано на субклеточном уровне: оксидативный стресс и деструкция мембран, вероятно, запускают программируемую клеточную гибель через экспрессию проапоптопического белка Bax (R² = 0,66–0,73). Такое объяснение согласуется с фундаментальными общебиологическими закономерностями развития донозологических нарушений, описанными в современной литературе [13–17]. Выявленные молекулярные сдвиги, очевидно, детерминируют перестройку иммунологической резистентности детского организма, затрагивающей клеточное, гуморальное звенья и локальные тканевые барьеры [18, 19]. Субпопуляционный дисбаланс лимфоцитов (рост клеток CD16⁺56⁺ и CD19⁺), вероятно, отражает активацию врождённого иммунитета и готовность к гуморальному ответу. Гиперпродукция специфических иммуноглобулинов IgG и IgE (R² = 0,37–0,86) может свидетельствовать об индуцированной химической сенсибилизации, манифестирующей на уровне гистогематических барьеров респираторного тракта в виде местной эозинофильной реакции.

Важным результатом исследования является демонстрация возможной половой дифференциации патогенеза. У девочек вектор негативного отклика, по-видимому, смещён в сторону системного иммунного ответа и дисбаланса нейроэндокринной регуляции. Установленное постепенное угнетение тиреоидного статуса (снижение уровня свободного Т4), сопряжённое вовлечение серотонинергической трансмиссии и персистирующего подъёма кортизола позволяют предположить их последующую манифестацию в форме расстройств вегетативной нервной системы и нейроэндокринных перестроек. Подобная уязвимость эндокринной оси у лиц женского пола полностью согласуется с концепцией нейроэндокринной восприимчивости к металлам (в том числе к хрому и марганцу), которые способны выступать в роли металлэстрогенов и, вероятно, прерывать центральные регуляторные сигналы на уровне гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной оси [20]. Вполне допустимо, что вторичным следствием регуляторного сдвига становится усугубление патологии костной системы (дорсопатии и вальгусные деформации) [21]. Зафиксированное только у девочек угнетение эритропоэза (снижение числа эритроцитов, их объёма и цветного показателя) может указывать на высокую чувствительность женской гемопоэтической системы к действию хрома и меди, усугубляемую физиологически детерминированным эстрогеновым фоном [22].

У мальчиков отклик реализуется, вероятно, в основном через быстрое истощение эндогенной антиоксидантной защиты и манифестацию клеточного цитолиза, что может привести к выраженной деструкции клеточных барьеров и специфическому повреждению органов-мишеней. Свободнорадикальное повреждение нейронов (рост НСЕ) ассоциировано, по всей видимости, с задержкой речевого развития у мальчиков, что может объясняться меньшей стабильностью гематоэнцефалического барьера в препубертатный период и высокой уязвимостью развивающихся структур мозга к действию марганца и алюминия [23]. Деформация липидного обмена (снижение ЛПВП и сопряжённый рост триглицеридов), предположительно, выступает предвестником жировой дегенерации печени вследствие возможного блокирования митохондриального β-окисления жирных кислот в гепатоцитах [24]. Прямое повреждающее действие алюминия и марганца на остеобласты на фоне истощённого антиоксидантного пула способно привести к сколиозу и плоской стопе, что, вероятно, связано с более высокими темпами скелетного роста у мальчиков [25].

Ограничения исследования. К основным ограничениям настоящей работы относятся ретроспективный характер исследования и фокус исключительно на детской когорте 4–7 лет, что не позволяет выполнить прямую экстраполяцию выводов на более старшие возрастные группы. Модели учитывали ингаляционный путь поступления металлов. Оценка сопутствующего вклада алиментарного и перкутанного путей требует уточнения в последующих проспективных исследованиях.

Заключение

Результаты каскадного моделирования верифицировали роль ингаляционного пути поступления металлов, при этом биомаркёры экспозиции чётко отражают специфику состава выбросов конкретных территорий. Установлены реперные концентрации в крови хрома (0,0011 мг/дм³), марганца (0,011 мг/дм³), никеля (0,002 мг/дм³), меди (0,912 мг/дм³), а в моче – алюминия (0,0032 мг/дм³), превышение которых инициирует развитие негативных эффектов у детей. Обоснован единый профиль донозологических биомаркёров негативных эффектов, включающий показатели оксидативного стресса, митохондриального апоптоза, клеточного и гуморального иммунитета, а также критерии состояния барьерных тканей. Выявлена выраженная дифференциация траекторий патогенеза у девочек и мальчиков. У девочек преобладает дисрегуляторный (нейроэндокринный) сценарий, характеризующийся угнетением тиреоидного статуса и вегетативными расстройствами. У мальчиков реализуется цитотоксический тип повреждения с истощением антиоксидантной защиты, вызывающий когнитивно-речевые расстройства, жировую дегенерацию печени, а также прямое угнетение остеобластов, манифестирующее сколиозом и плоскостопием в период интенсивного скелетного роста. Полученные количественные параметры причинно-следственных связей служат доказательной базой для санитарно-гигиенических оценок с целью предотвращения негативного влияния химического фактора среды обитания на здоровье населения. Установленные особенности патогенеза с учётом половых различий дают возможность существенно повысить адресность и эффективность программ профилактики детей в условиях аэрогенного воздействия металлов.

¹ Р 2.1.10.3968–23.2.1.10. Состояние здоровья населения в связи с состоянием окружающей среды и условиями проживания населения. Руководство по оценке риска здоровью населения при воздействии химических веществ, загрязняющих среду обитания (утв. Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека от 06.09.2023 г.). М.: Роспотребнадзор, 2023. 302 с.

² МР 2.1.10,0062–12. Количественная оценка неканцерогенного риска при воздействии химических веществ на основе построения эволюционных моделей: Методические рекомендации. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2012. 36 с.

³ Исследования выполнены профильными специалистами, научными сотрудниками ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения».

⁴ Клиническое руководство по лабораторным тестам. Под ред. Норберта У. Тица. М.: ЮНИМЕД-пресс, 2013. 960 с.