Последствия загрязнения воздуха: твердые частицы, физиология и болезни

Девять из 10 человек дышат воздухом, который не соответствует пределам загрязнения, установленным Всемирной организации здравоохранения. Загрязнители воздуха включают газы и твердые частицы и в совокупности являются причиной примерно 8 миллионов ежегодных смертей в мире. Твердые частицы являются наиболее опасной формой загрязнения воздуха, вызывая воспалительные и окислительные повреждения тканей. Для эффективной профилактики и лечения заболеваний необходимо более глубокое понимание физиологического воздействия твердых частиц последствия загрязнения воздуха.

Твердые частицы

Твердые частицы (ТЧ) представляют собой твердые соединения, взвешенные в воздухе, которые достаточно малы и могут проникать в легкие человека при дыхании. ТЧ классифицируются по диаметру частиц (измеряется в мкм): ТЧ_0.1, ТЧ_2.5 и ТЧ₁₀, а концентрация в окружающей среде обычно определяется как мкг / м3. Некоторые ТЧ имеют естественное происхождение (лесные пожары, пыль, морские брызги, аэрозоли и т.д.), но антропогенные ТЧ (сжигание дизельного топлива, угля и биомассы, выбросы металлургических заводов и т.д.) являются наиболее опасными для здоровья.

Высокие концентрации в атмосфере антропогенных ТЧ, а также токсичные и окислительные химические свойства делают их непропорционально опасными. Элементарные и сложные химические соединения ТЧ разнообразны. На форму поверхности, химический состав и заряд частиц влияет источник выбросов и условия окружающей среды. Химический состав ТЧ может изменяться в результате реакций с другими, находящимися в воздухе ТЧ, и подвергаться окислительному воздействию озона и низкого уровня pH окружающей среды.

В пробах воздуха, как правило, выявляется от 50 (и выше) видов ТЧ_2.5, среди которых (приблизительное значение):

• 28% органического углерода;
• 26% сульфата;
• 12% нитрата;
• 11% аммиака;
• 5% элементарного углерода;
• 1% кремния;
• 1% натрия.

Остальные компоненты включают:

• щелочные металлы (K, Cs и Rb);
• щелочноземельные металлы (Ca, B, Mg и Sr);
• переходные металлы (Fe, Zn, Hf, Ta, V, Cd, Ti, Ag, Cu, Ir, M, Mn, Au, Mg, Hg, W, Sc, Cr, Nb, Zr, Ni, Y и Co);
• основные металлы (Al, Sn, In, Pb и Ga); 
• полуметаллы (Sb);
• неметаллы (P и Se);
• галогены (Cl и Br);
• лантаноиды (Ce, La, Eu, Tb, Sm и As).

Внушительный список химических элементов.

Воздействие твердых частиц

При вдыхании ТЧ большего диаметра (> ТЧ₁₀) ограничивается верхними дыхательными путями, в то время как частицы меньшего размера (<ТЧ_2,5) могут попасть в альвеолы легких. ТЧ_2.5 также могут проникать через эндотелий дыхательных путей, затем попасть в капилляры и системный кровоток. Из крови ТЧ_2.5 может снова перемещаться по эндотелию и попадать во многие внелегочные органы.

В дополнение к воздействию при вдыхании, твердые частицы могут попасть в кровоток через обонятельный эпителий и через желудочно-кишечный тракт при проглатывании. ТЧ может повреждать слои эндотелиальных клеток, а также пересекать их, ТЧ_2.5 нарушают межклеточные плотные соединения эпителия носа и снижают трансэпителиальную резистентность.

Исследование на людях с использованием наночастиц золота в качестве инертного посредника для ТЧ показало, что частицы попадают в кровоток уже через 6 ч после вдыхания. Наночастицы также были обнаружены в печени и в атеросклеротических бляшках аорты, в крови, моче участников исследования в течение 3 месяцев. У людей ТЧ обнаруживаются во многих органах, включая печень, почки, головной мозг.

Механизмы заболевания

Считается, что загрязнение воздуха и изменение климата являются коллективной угрозой № 1. Загрязнение воздуха является причиной 9% всех смертей людей в мировом масштабе, и из них 58% – от ишемической болезни сердца и цереброваскулярных заболеваний, 18% – от хронической обструктивной болезни легких и острых инфекций нижних дыхательных путей, 6% – от рака легких. Причины смерти в оставшихся 18% являются смешанными.

Не все ТЧ одинаково токсичны, при этом патофизиологические механизмы варьируются в зависимости от вида твердых частиц.

ТЧ являются мутагенными, могут вызывать окислительное повреждение, активировать воспалительные сигнальные каскады и вызывать гибель клеток. В токсикологических исследованиях изучались различные окислительные и воспалительные эффекты ТЧ (включая сажу, аммиак, нитраты и сульфаты) и другого происхождения. Распространенным антропогенным источником ТЧ является неполное сгорание дизельного топлива, бензина, угля и биомассы. Следовое содержание металлов вносит значительный вклад в окислительный потенциал ТЧ.

Окислительные эффекты ТЧ могут повреждать митохондрии, эндоплазматический ретикулум и ДНК, могут быть канцерогенными (раковыми) и активировать сигнальные пути гибели клеток. Внутри клеток твердые частицы на основе железа могут подавлять активность супероксиддисмутазы и глутатионпероксидазы, вызывая ферроптоз (некротическая гибель клетки окислительного характера).

Воспалительные, окислительные и токсические механизмы являются основными эффекторами повреждения клеток, вызванного твердыми частицами. Тканеспецифическая патофизиология является важным фактором, определяющим исходы для здоровья.

Респираторные заболевания

Легкие являются основным местом патофизиологий, вызванных твердыми частицами, и лучше всего характеризуются с точки зрения последствий воздействия ТЧ. При увеличении ТЧ₁₀ в окружающей среде (на каждые 10 мкг / м³) увеличивается смертность от респираторных заболеваний на 0,58%, в то время как такое же увеличение ТЧ_2,5 связано с увеличением госпитализации с респираторными заболеваниями на 2%.

Исследования показали, что воздействие ТЧ на человека связано с многочисленными респираторными заболеваниями, включая хроническую обструктивную болезнь легких, астму, интерстициальное поражение легких и рак легких. У пациентов с идиопатическим легочным фиброзом воздействие ТЧ коррелирует со снижением форсированной жизненной емкости легких.

Сердечно-сосудистые заболевания

Загрязнение воздуха связано с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний и смертностью, связанной с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Воздействие PM_2,5 связано с более высоким риском:

• сердечного приступа;
• сердечной недостаточности;
• ишемической болезни сердца;
• инсульта;
• атеросклероза;
• аритмии;
• гипертонии;
• преэклампсии (мультисистемная патология второй половины срока беременности);
• гипертензии новорожденных.

Загрязнение воздуха повышает риск сердечно-сосудистой смертности особенно для людей с уже существующими сердечно-легочными заболеваниями. У взрослых влияние воздействия ТЧ связано с повышенным систолическим артериальным и пульсовым давлением, в то время как у детей оно связано с повышенным средним давлением в легочной артерии и повышенной концентрацией эндотелина-1 в плазме. Эндотелин-1 является эндогенным атерогенным сосудосуживающим средством и может способствовать индуцированному ТЧ накоплению атеросклеротических бляшек.

Многоэтническое исследование атеросклероза (MESA) показало, что кратковременное воздействие ТЧ_2,5 связано с уменьшением вазодилатации и сужения сосудов, было выяснено, что твердые частицы могут нарушать функцию эндотелия. Анализ той же группы MESA выявил корреляцию между воздействием ТЧ черного углерода и ремоделированием легочных сосудов. Здесь изменения объема сосудов, свидетельствующие о повышенном кровяном давлении, были сопоставимы с эффектом от курения сигарет в течение более 15 лет. Было обнаружено, что воздействие ТЧ усугубляет прогрессирование атеросклеротических бляшек высокого риска, дестабилизацию бляшек и кальцификацию коронарных артерий. Воздействие ТЧ также связано с фибрилляцией предсердий и снижением вариабельности сердечного ритма, причем позднее это усугубляется уже существующим диабетом.

Повышенный уровень ТЧ₂₁ в сосудах способен вызвать развитие атеросклероза, причины которого включают воспаление, нарушение гемодинамики и нарушение липидного обмена. Многочисленные модели показали, что воздействие ТЧ_2,5 стимулирует высвобождение эндотелием воспалительных цитокинов и молекул адгезии, способствует инфильтрации макрофагов, дисфункции гладкомышечных клеток сосудов и образованию бляшек.

Заболевание почек

Почки человека фильтруют примерно 180 л крови каждый день и уязвимы воздействию ТЧ. У людей воздействие PM_2,5 связано с:

• ускоренным снижением скорости клубочковой фильтрации;
• снижением функции клубочков во время беременности;
• повышением риска хронической болезни почек;
• терминальной стадии почечной недостаточности;
• почечной недостаточности и смертности от хронической болезни почек.

Исследования на людях также показали, что воздействие ТЧ_2,5 положительно коррелирует с риском альбуминурии – маркером клубочковой дисфункции. Сравнение почечных биомаркеров у сварщиков и офисных работников показало, что у сварщиков, подвергшихся воздействию гораздо более высоких уровней ТЧ_2,5, чем у офисных работников, были повышены плазменные маркеры повреждения почечных канальцев, липокалин, связанный с желатиназой нейтрофильных клеток.

Другое исследование, изучающее возможность повреждения канальцев у людей, показало, что увеличение экспозиции ТЧ_2,5 на 10 мкг / м³ связано с увеличением числа госпитализаций с нефритом. Воздействие ТЧ_2,5 связано с повышенным риском неблагоприятных исходов после трансплантации почки, включая острое отторжение, отказ трансплантата и смерть.

Исследование, специально изучавшее влияние ТЧ на результаты после трансплантации, показало, что увеличение ТЧ_2,5 на 10 мкг / м³ коррелирует с увеличением вероятности отказа трансплантата в 1,31 раза, увеличением вероятности задержки функции трансплантата в 1,59 раза и увеличением в 1,15 раза общей смертности в течение 1 года после операции. Также было обнаружено, что воздействие ТЧ вызывает гистопатологическое повреждение легких, повышает среднее артериальное давление, увеличивает объем мочи и потребление воды.

Эндокринные заболевания

Известное воздействие сигаретного дыма на репродуктивные гормоны и гормоны щитовидной железы указывает на риски, связанные с воздействием ТЧ. Сигаретный дым является фактором риска развития гипотиреоза и повышенным уровнем кортизола в плазме, альдостерона, надпочечниковых андрогенов, влияет на женскую фертильность, увеличивая глобулин, связывающий стероидные гормоны, и уменьшая количество циркулирующих свободных эстрогенов. Несколько видов ТЧ были идентифицированы как химические вещества, разрушающие эндокринную систему.

У людей воздействие ТЧ связано с резистентностью к инсулину, повышенным уровнем циркулирующих адипокинов, гипотиреозом и (смешанными) эстрогенными эффектами. Гормоны щитовидной железы трийодтиронин (Т3) и тироксин (Т4) регулируют скорость метаболизма, тонус сердечно-сосудистой системы и способствуют росту во время внутриутробного развития и ранней жизни. У людей воздействие ТЧ связано со снижением уровня Т4 в плазме как у беременных женщин, так и у новорожденных, а также с врожденным гипотиреозом и снижением веса младенца при рождении.

Сажа, аммиак, органические вещества и нитратные частицы ТЧ, по-видимому, наиболее тесно связаны с дисфункцией щитовидной железы. Для гомеостаза глюкозы требуется эффективная передача сигналов инсулина, а резистентность к инсулину тесно связана с ожирением и является фактором риска возникновения диабета 2 типа. Воздействие ТЧ связано с резистентностью к инсулину и неалкогольной жировой болезнью печени, вызванной окислительным стрессом и дислипидемией.

Вместе эти исследования подчеркивают связь между загрязнением воздуха и метаболическими заболеваниями, включая диабет. Было показано, что из более чем 106 химических веществ, которым подвергаются работники газовой и нефтедобывающей промышленности, 21 оказывает эстрогенное, андрогенное и / или стероидогенное действие. Некоторые химические вещества, определенные как влияющие на эндокринную функцию, включают бензол, толуол, этилбензолксилол, ртуть, полихлорированные дибензодиоксины (ПБДД) и несколько полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).

 Атмосферными источниками ПАУ являются выбросы транспортных средств, сжигание биомассы и угля. Низкомолекулярные ПАУ находятся в газовой фазе, тогда как высокомолекулярные ПАУ связаны с поверхностью твердых частиц. ПАУ классифицируются как соединения, разрушающие эндокринную систему, и было обнаружено, что они как увеличивают, так и уменьшают экспрессию и функцию мРНК-рецептора эстрогена. Было показано, что эстрогенная дисфункция воздействует как непосредственно на рецепторы эстрогена, так и косвенно, через передачу сигналов арилуглеводородных рецепторов (AhR).

Полихлорированные дибензодиоксины также оказывают эндокринное воздействие с помощью AHR и доклинических экспериментов было показано, что AhR-опосредованные эффекты воздействия диоксинов включают потерю веса, токсичность для репродуктивной системы и развития, онкогенез и дисфункцию иммунной системы. ТЧ содержат много металлических элементов, некоторые из которых препятствуют передаче эстрогенных сигналов, имитируя эндогенные эстрогены. Металлоэстрогены включают алюминий, селен, сурьму, мышьяк (арсенит, naaso2), барий, кадмий, хром, кобальт, медь, свинец, ртуть, никель, олово и ванадий (ванадат, V2o5).

Ожирение и диабет

У людей связь между воздействием ТЧ_2,5 и ожирением зависит от возраста, пола и социально-экономической демографической ситуации. Все больше фактических данных указывает на то, что воздействие ТЧ_2,5 является фактором риска снижения массы скелетных мышц, ожирения, диабета и гипертонии. Длительное воздействие ТЧ связано с высоким риском развития диабета 2 типа. Повышенная заболеваемость диабетом 2 типа с поправкой на возраст, индекс массы тела (ИМТ) и социально-экономический статус. Воздействие ТЧ связано с более высокими уровнями циркулирующего фактора комплемента 3 (комплекс защитных белков), и женщины с повышенным уровнем C3c в плазме крови более восприимчивы к диабету, чем женщины с низким уровнем C3c. Воздействие ТЧ_2,5 связано с более быстрым снижением чувствительности к инсулину в детстве и более высоким ИМТ к 18 годам. Связь между воздействием ТЧ и гипертонией больше у детей с избыточным весом и ожирением.

Желудочно-кишечные заболевания

После первоначального вдоха большинство крупных частиц задерживается в верхних дыхательных путях или в проводящих нижних дыхательных путях, таких как трахея и более крупные бронхи. Частицы меньшего размера, особенно те, средний диаметр которых меньше 2,5 мкм (ТЧ2,5), могут достигать бронхиол и альвеолярных пространств, где они фагоцитозируются альвеолярными макрофагами.

Частицы, изолированные в макрофагах и, непосредственно, в слое слизи в нижних дыхательных путях, впоследствии транспортируются в ротоглотку, а затем проглатываются в желудочно-кишечный тракт. Кроме того, ТЧ также могут попадать в организм непосредственно при употреблении пищи и воды, загрязненных ТЧ. Было подсчитано, что человек проглатывает примерно 1012-1014 частиц в день. В совокупности желудочно-кишечный тракт может подвергаться воздействию значительных количеств ТЧ через эти прямые и косвенные пути воздействия.

Воздействие ТЧ повышает проницаемость кишечника. Обработка эпителиальных клеток кишечника твердыми частицами вызывает повышенную выработку митохондриальных активных форм кислорода (АФК), высвобождение воспалительных цитокинов и индуцированный апоптоз колоноцитов.

Нежелательные последствия ТЧ для здоровья желудочно-кишечного тракта могут не ограничиваться его воздействием на эпителий желудочно-кишечного тракта. Когда ТЧ попадает в желудочно-кишечный тракт, они вступают в контакт не только с эпителиальными и иммунными клетками ЖКТ, но и с более чем 1014 микробами, обитающими там. Все больше данных свидетельствуют о том, что изменения в составе и разнообразии кишечной микробиоты могут играть определенную роль в развитии заболеваний желудочно-кишечного тракта, таких как ВЗК, а также других воспалительных заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Как токсичный агент окружающей среды, который может попасть в желудочно-кишечный тракт прямо или косвенно, ТЧ все чаще признаются как фактор, способствующий развитию заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Неврологические заболевания

Повышенная концентрация твердых частиц в окружающей среде положительно коррелирует с заболеваемостью:

• болезнью Альцгеймера [БА];
• Паркинсона [БП];
• рассеянным склерозом [РС];
• деменцией;
• расстройствами аутистического спектра [Рас].

Длительное воздействие ТЧ_2,5 значительно увеличивает скорректированный по возрасту риск смертности и госпитализации по поводу перечисленных болезней.  Одно исследование показало, что существует самая сильная корреляция между ТЧ_2.5 и болезнью Альцгеймера. Оно также показало, что у людей, живущих в пределах 50 метров от главной дороги, на 12% больше шансов диагностировать деменцию. Воздействие ТЧ_2,5 связано с более быстрым снижением усвоения нового и немедленного запоминания, а также с обнаруженной при МРТ атрофией серого вещества в областях мозга, уязвимых к патологии болезни Альцгеймера. 

Было исследовано влияние воздействия конкретных ТЧ (включая сажу, органические вещества, нитраты, сульфаты, морскую соль и почву) на частоту первичной госпитализации с болезнью Паркинсона. Это исследование показало, что с каждым увеличением стандартного отклонения в ТЧ нитратов или органических веществ риск госпитализации увеличивается в 1,06 раза.

ТЧ_0,1 может проникать через гематоэнцефалический барьер и вызывать воспалительное и окислительное повреждение тканей, а также активацию микроглии. Глутаматергическая эксайтотоксичность является распространенной конечной точкой для патофизиологии, вызванной острым ТЧ в центральной нервной системе. ТЧ был обнаружен в нейронах, глии, эндотелии, эпендимных клетках сосудистого сплетения, спинномозговой жидкости, эпителии носа и обонятельном эпителии людей, подвергшихся воздействию ТЧ. Было обнаружено, что ТЧ_2.5 снижает экспрессию нервной системой белков плотного соединения (zonula occludens 1 и 2). Это исследование показало, что нарушенный гематоэнцефалический барьер проницаем для инфильтрации макрофагами, а ткани нервной системы подвержены глутаматергической эксайтотоксичности, вызванной производным макрофагов глутаматом.

Заболевания, связанные с развитием и гестацией

ТЧ_2.5 был обнаружен на эмбриональной стороне плаценты. Учитывая способность ТЧ преодолевать эндотелиальные барьеры, возможно, что во время беременности ТЧ влияют на беременность на уровне матери, плода и плаценты. Плацента имеет решающее значение для развития плода, а ее дисфункция может привести к преэклампсии, гестационному диабету, задержке роста плода, тромботической васкулопатии плода, врожденным порокам сердца, уменьшению размера, веса при рождении, преждевременным родам и младенческой смертности. Патофизиологические механизмы вызванного ТЧ повреждения плаценты могут включать окислительный стресс, воспаление, коагуляцию и эндотелиальную дисфункцию.

Нарушение целостности барьера в эпителиальных клетках носа

Воздействие ТЧ_2,5 может привести к потере барьерной функции в эпителии носа человека за счет снижения экспрессии белков TJ и увеличения выделения провоспалительных цитокинов. Это указывает на важный механизм восприимчивости к риниту и риносинуситу в районах с высоким уровнем загрязнения ТЧ_2,5.

Эпидемиологические исследования предполагают, что воздействие возрастающего количества твердых частиц (ТЧ) в окружающей среде связано с увеличением заболеваний дыхательных путей, при этом исследование показало, что переносимые по воздуху ТЧ могут непосредственно вызывать повреждение эпителиальных клеток дыхательных путей. Дисфункциональный эпителиальный барьер может усиливать поглощение или воздействие на более глубокие ткани чужеродных патогенов, раздражителей, загрязняющих веществ и аллергены, могут приводить к более высокой активации субэпителиальных клеток, таких как иммунные клетки. Таким образом, хроническое воздействие переносимых по воздуху ТЧ может потенциально предрасполагать к хроническому воспалительному заболеванию слизистой оболочки путем нарушения барьерной функции дыхательных путей.

Дифференциальная токсичность мелкодисперсных частиц

Мелкие частицы в окружающей атмосфере представляют значительный исследовательский интерес из-за их воздействия на изменение климата и пагубного воздействия на здоровье человека. Эти частицы непосредственно выбрасываются из различных источников и образуются в результате превращения вторичных продуктов атмосферного окисления SO2, noxи углеводородов в частицы. Эпидемиологические и токсикологические исследования во всем мире показали сильную связь между воздействием мелких частиц и неблагоприятными последствиями для здоровья (например, респираторными заболеваниями, раком легких, сердечно-сосудистыми заболеваниями и преждевременной смертностью).

ВОЗ установила руководящие принципы для твердых частиц, основанные на массовой концентрации твердых частиц менее 2,5 мкм (ТЧ_2,5). Однако риски для здоровья, связанные с ТЧ_2.5, не полностью учитываются при массе ТЧ_2.5, и не все мелкие частицы могут быть одинаково токсичными.

Из-за множества источников и путей образования окружающий ТЧ_2.5 имеет различные размеры, формы, поверхностные заряды, химический состав поверхности и химический состав, что приводит к различным последствиям для здоровья среди типов частиц. Даже разные ТЧ_2.5 при одинаковых массовых концентрациях могут оказывать различное воздействие на здоровье человека.

Мелкие твердые частицы образуются из различных источников горения и источников, не связанных с горением, которые являются основой ТЧ_2.5.

Источники сгорания включают дизельный, бензиновый двигатель, сжигание биомассы и сжигание угля.

К несгораемым источникам относятся: дорожная пыль, аэрозоли от морских брызг, сульфат аммония, нитрат аммония и вторичные органические аэрозоли (SOA), образующиеся в результате фотоокисления толуола, 1,3,5-триметилбензола (TMB), изопрена и α-пинена в присутствии NOx в условиях естественного солнечного света.

Выводы

Разработка инженерных наноматериалов растет в геометрической прогрессии, несмотря на опасения по поводу их потенциального сходства с частицами окружающей среды, которые связаны со значительной заболеваемостью и смертностью. Обнаруживаются механизмы, с помощью которых вдыхание частиц может вызвать острые сердечно-сосудистые и другие осложнения. Перемещение вдыхаемых твердых частиц в системный кровоток и накопление в очагах сосудистого воспаления обеспечивает прямой механизм, который может объяснить связь между частицами окружающей среды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, другими патологиями.

ТЧ связаны с вредными последствиями для здоровья человека. В дополнение к прямому воздействию на дыхательную систему, взвешенные в воздухе частицы могут пересекать эндотелиальные барьеры, попадать в кровоток и накапливаться во многих системах органов.

Список литературы:

1. Пак М., Джу Хс, Ли К., Чан М., Ким С.Д., Ким И. и др. Дифференциальная токсичность мелкодисперсных твердых частиц из различных источников. Научный сотрудник (2018).
2. Гарсия Г.Дж., Шретер Д.Д., Кимбелл Дж.С. Обонятельное отложение вдыхаемых наночастиц у людей. Ингаляционная токсикология.(2015).
3. Mutlu EA, Comba IY, Cho T, Engen PA, Yazici C, Soberanes S, et al.. Inhalational exposure to particulate matter air pollution alters the composition of the gut microbiome. Environ Pollut.(2018).
4. Shah A. S.; Lee K. K.; McAllister D. A.; Hunter A.; Nair H.; Whiteley W.; Langrish J. P.; Newby D. E.; Mills N. L. Short term exposure to air pollution and stroke: systematic review and meta-analysis. BMJ. 2015.
5. Peters A.; Dockery D. W.; Muller J. E.; Mittleman M. A. Increased particulate air pollution and the triggering of myocardial infarction. Circulation 2001.