Половозрастные особенности биомаркеров экспозиции и негативных эффектов у детей с заболеваниями органов дыхания и коморбидных им состояний, ассоциированных с аэрогенной комбинированной экспозицией химическими факторами

Введение. Согласно мнению экспертов Всемирной организации здравоохранения, основным инструментом при оценке нарушений состояния здоровья населения, связанных с воздействием химических факторов риска, является применение системы биомаркеров экспозиции и эффекта [1]. Биомаркером экспозиции может выступать количественное содержание экзогенного токсиканта или его метаболита в биологических образцах (например, кровь, моча), являющееся специфическим и позволяющее подтвердить факт экспозиции конкретного химического фактора на организм человека¹[2–6]. Применение биомаркеров экспозиции в зонах влияния различных видов промышленных производств дает возможность выполнять приоритизацию химических веществ в зависимости от действующих факторов экспозиции [7] и выявлять группы повышенного риска [8][9]. Биомаркеры негативного эффекта отражают количественные изменения биохимических, физиологических или других параметров организма. С помощью маркеров эффекта на основе установленных причинно-следственных связей в системе «экспозиция – маркер экспозиции – маркер негативного эффекта – негативный ответ (заболевание)» оценивается действие факторов экспозиции на здоровье человека [2][8][10].

Повышение точности оценок экспозиционной химической нагрузки на население при комбинированном воздействии с помощью биомаркеров экспозиции и установление фактического нарушения здоровья на основе биомаркеров негативных эффектов в настоящее время является высокоактуальным для задач повышения эффективности мер, направленных на минимизацию негативных последствий в виде риск-реализованных заболеваний [11–13]. Для выявления субпопуляций, потенциально наиболее чувствительных к воздействию химической экспозиции, характеристики внутренних и внешних факторов, обуславливающих неоднородность профилей химического воздействия, целесообразно учитывать половозрастные особенности обследуемых лиц [14][15]. Исследование содержания химических веществ (металлов, ароматических углеводородов) у подверженного населения в ряде стран позволило выявить различия в экспозиционной нагрузке между возрастными группами [16]. Самая младшая возрастная группа имела значительно более низкую экспозицию, чем старшая, что свидетельствует об увеличении уровня биоаккумуляции химических веществ с возрастом. Это приводит к снижению гомеостатических резервов и систем организма, отвечающих за элиминацию токсикантов [16, 17]. Воздействие химических веществ зависеть от гендерных различий, обуславливающих особенности гомеостаза, например наличие жировых отложений, степень аккумулированных химических веществ в тканях, гормональный фон. Отличительные свойства оказывают влияние на скорость абсорбции, метаболизма, накопления и/или токсиканта [14][18]. Повышенная чувствительность отдельных субпопуляций обуславливает существенное влияние на степень подверженности экспозиционной нагрузки. Наиболее чувствительными к действию химических веществ являются новорожденные и дети, лица пожилого возраста, беременные и кормящие женщины¹ [19][20]. Дети младшего возраста (4–7 лет), по сравнению с подростками и взрослыми, в силу анатомо-физиологических особенностей более чувствительны к действию токсикантов. Это обусловлено их повышенной частотой дыхания и скоростью желудочно-кишечной абсорбции, незрелостью системы детоксикационных ферментов и относительно меньшей скоростью экскреции токсикантов [21].

Вместе с тем в настоящее время практически отсутствуют научные данные о маркерах экспозиции и негативных эффектов у чувствительных контингентов, учитывающие определенные половые и возрастные различия при конкретных видах функциональных нарушений и заболеваний, ассоциированных с аэрогенной химической нагрузкой. Анализ материалов, представленных в источниках научной информации, позволил выявить в качестве первоочередной мишени токсического действия большинства химических веществ органы дыхания [10][22][23–25]. Подтверждением этого является повышенная до 3,0 раза распространенность заболеваний органов дыхания у детей, проживающих на территориях с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха, относительно среднероссийских показателей². В ряде исследований установлено, что развитие заболеваний органов дыхания в условиях аэрогенной химической экспозиции чаще сочетается с формированием коморбидных им состояний со стороны органов пищеварения [22][23]. Механизм патогенеза связан с усилением окислительной модификации белков эпителиальных клеток и последующим дисбалансом оксидантно-антиоксидантных процессов³ [26–28]. Развитие IgE-зависимых и запуск воспалительных реакций, инициированных окислительными процессами, сопровождается высвобождением медиаторов воспаления, что, в свою очередь, приводит к повреждению механизмов транспорта веществ через мембраны гепатоцитов и клеточных органелл с дальнейшим развитием активации цитолиза [29][30].

Система биомаркеров, обоснованная с учетом детальных половозрастных характеристик, может быть предложена в качестве практического информационно-аналитического инструмента для повышения эффективности научно-методического обеспечения деятельности специалистов службы Роспотребнадзора в части проведения гигиенических оценок и экспертиз при установлении причин и выявления условий возникновения и распространения риск-ассоциированных неинфекционных заболеваний; оценки эффективности медико-профилактических и других регулирующих мер4 [1].

Цель исследования – установление биомаркеров экспозиции и негативных эффектов с учетом пола и возраста у детей с заболеваниями органов дыхания и коморбидных им состояний в условиях аэрогенной комбинированной экспозиции химическими факторами.

Материалы и методы. Объектом исследований являлись обоснованная система биомаркеров экспозиции и негативных эффектов, классифицирующие критерии (пол, возраст, органы и системы-мишени, негативные эффекты), комбинированное аэрогенное воздействие химических веществ.

Анализ и систематизация маркеров экспозиции и негативных эффектов у детей с учетом пола и возраста выполнены на примере риск-реализованных заболеваний органов дыхания и коморбидных им состояний со стороны органов пищеварения, ассоциированных с аэрогенным воздействием химических факторов риска.

Для установления половозрастных особенностей биомаркеров экспозиции и негативных эффектов использовали информационную базу данных, содержащую индивидуальные результаты ранее (в 2021–2022 гг.) проведенных ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» углубленных медико-биологических исследований детей 4–7 лет (164 человека)⁵ с доказанными риск-реализованными заболеваниями органов дыхания и коморбидных им состояний со стороны органов пищеварения в условиях аэрогенного комбинированного воздействия химических факторов. Информационная база5 содержала следующие индивидуальные параметры, систематизированные по дате: возраст, пол, вес; величина аэрогенной экспозиции изучаемых химических факторов; концентрация в крови и моче химических веществ, для которых установлена достоверная связь с химическими факторами экспозиции (маркеры экспозиции), значения биохимических и иммунологических показателей негативных эффектов, для которых установлена достоверная связь с маркерами экспозиции (маркеры негативных эффектов); диагнозы (по МКБ-10)⁶ заболеваний органов дыхания и коморбидных им состояний со стороны органов пищеварения, которые обоснованы как риск-реализованные на основе системы последовательных причинно-следственных связей «химический фактор экспозиции – маркер экспозиции – маркер негативного эффекта – заболевание».

В качестве биомаркеров экспозиции обосновано 6 веществ: в крови повышенные относительно референтных значений уровни марганца, никеля, о-ксилола, бенз(а)пирена, формальдегида; в моче – алюминия; биомаркерами негативных эффектов – 8 показателей: повышенный (относительно физиологической нормы) уровень эозинофилов, нейтрофилов в назальном секрете; повышенное содержание иммуноглобулина Е (IgE) общего, иммуноглобулина G (IgG) специфического к алюминию в сыворотке крови; повышенный уровень малонового диальдегида (МДА) в плазме крови, глутаматдегидрогеназы, аспартатаминотрансферазы (АСАТ) в сыворотке крови; сниженный уровень общей антиоксидантной активности (АОА) плазмы крови.

Классификационную дифференциацию маркеров экспозиции и негативных эффектов выполнили по показателям: пол (мальчики, девочки), возраст (4–5, 6–7 лет), органы и системы-мишени воздействия, риск-реализованные заболевания органов дыхания: хронический ринит (J31.0), хроническая болезнь миндалин и аденоидов (J35.9), астма с преобладанием аллергического компонента (J45.0), хронический тонзиллит (J35.0), аллергический ринит (J30.3), хронический синусит (J32.9); и коморбидные им состояния: диспепсия (K30), болезнь желчевыводящих путей (K83.8, K83.9).

Статистическую значимость различий переменных (р) между сравниваемыми половозрастными независимыми выборками определяли по U-критерию Манна – Уитни (U ≤ 988) при заданной значимости р ≤ 0,05⁷. Статистическую обработку данных осуществляли с помощью пакета программ Statistica 10.

Результаты. Длительная аэрогенная комбинированная экспозиция одновременно оксидами марганца (в среднем 6,21 . 10^–5 мг/(кг . день)), никеля (в среднем 2,0 . 10^–4 мг/(кг . день)), алюминия (в среднем 7,0 . 10^–4 мг/(кг . день)), бенз(а)пиреном (в среднем 6,7 . 10^–6 мг/(кг . день)), формальдегидом (в среднем 1,9 . 10^–2 мг/(кг . день)), о-ксилолом (в среднем 1,8 . 10^–3 мг/(кг . день)) обуславливает в биосредах детей повышенные уровни маркеров экспозиции относительно референтных значений, различающиеся в зависимости от пола и возраста (табл. 1).

Анализ полученных результатов позволил установить, что у мальчиков 6–7 лет в крови идентифицированы бенз(а)пирен, о-ксилол, являющиеся истинными ксенобиотиками, повышенный в 1,4 раза уровень никеля. У мальчиков 4–5 и 6–7 лет в крови выявлен повышенный до 1,4 раза уровень марганца, до 3,4 раза уровень формальдегида, в моче – до 1,6 раза уровень алюминия. В крови девочек 4–5 и 6–7 лет идентифицированы бенз(а)пирен и о-ксилол, а также установлены повышенные до 1,5 раза уровни марганца, никеля и формальдегида.

Оценка содержания маркеров экспозиции в биосредах детей между разными возрастными группами позволила выявить ряд особенностей. У детей к 6–7 годам наблюдается повышение уровней химических веществ в биосредах с максимальным содержанием в крови у мальчиков марганца, никеля, бенз(а)пирена, о-ксилола (р = 0,0001–0,042), у девочек – никеля, бенз(а)пирена, формальдегида (р = 0,012–0,043). Обращает на себя внимание повышенный уровень в крови хрома и формальдегида, в моче алюминия у мальчиков 4–5 лет относительно 6–7 лет (р = 0,0001–0,010). Не меняется с возрастом у девочек содержание в крови марганца, о-ксилола, в моче алюминия.

Сравнительный анализ изменения содержания маркеров экспозиции в биосредах у мальчиков разного возраста относительно девочек и наоборот позволил установить, что у мальчиков 4–5 лет по сравнению с девочками выявлено повышенное в 1,8–4,0 раза содержание в крови хрома и формальдегида; в моче – алюминия и фторид-иона (р = 0,0002-0,005). У девочек 4–5 лет и 6–7 лет по сравнению с мальчиками установлено повышенное до 3,8 раза содержание в крови бенз(а)пирена (р = 0,0001–0,0003).

В целом у мальчиков установлены более низкие ориентировочные максимально недействующие концентрации в крови марганца и никеля в 4–5 лет, бенз(а)пирена в 6–7 лет по сравнению с девочками обеих возрастных групп. У девочек наблюдаются более низкие ориентировочные максимально недействующие концентрации в моче алюминия в 4–5 лет, в крови формальдегида и о-ксилола в 6–7 лет относительно мальчиков обеих возрастных групп.

Исследование и оценка уровней цитологических и биохимических показателей у детей в зависимости от пола и возраста позволил установить ряд особенностей, представленных в табл. 2.

У мальчиков и девочек с возрастом нарастает спектр и степень выраженности измененных относительно физиологической нормы показателей и спектр самих негативных эффектов. У мальчиков в 4–5 лет развивается местная (повышенный в 1,6 раза уровень нейтрофилов в назальном секрете) и специфическая сенсибилизация (повышенный в 4,0 раза IgG специфический к алюминию в сыворотке крови), сопровождающаяся активацией цитолиза гепатоцитов (повышенные в 1,4–1,8 раза уровни глутаматдегидрогеназы и АСАТ в сыворотке крови) и усилением оксидантных процессов (повышенный в 1,2 раза уровень МДА плазмы крови). К 6–7 годам расширяется спектр показателей местной (повышенный в 1,5 раза уровень эозинофилов в назальном секрете) и общей сенсибилизации (повышенный в 2,8 раза уровень IgE общего в сыворотке крови) на фоне истощения антиоксидантной защиты (сниженное 1,2 раза содержание общей АОА плазмы крови). У девочек в 4–5 лет наблюдается общая (повышенное в 1,9 раза содержание IgE в сыворотке крови) и специфическая сенсибилизация (повышенный в 2,3 раза уровень IgG специфического к алюминию в сыворотке крови) с активацией цитолиза гепатоцитов (повышение в 1,4 раза глутаматдегидрогеназы в сыворотке крови).

Сравнительный анализ изменения уровней маркеров негативных эффектов в биосредах у мальчиков разного возраста относительно девочек позволил установить, что в 4–5 лет наблюдаются достоверно повышенные уровни эозинофилов, нейтрофилов в назальном секрете, IgG специфического к алюминию, глутаматдегидрогеназы и АСАТ в сыворотке крови (р = 0,0001–0,012); в 6–7 лет – повышенное содержание эозинофилов и нейтрофилов в назальном секрете, IgE общего в сыворотке крови (р = 0,0001–0,009). У девочек 4–5 лет относительно мальчиков выявлено лишь достоверное снижения общей АОА плазмы крови (р = 0,021).

В целом у мальчиков в 4–5 и в 6–7 лет установлены повышенные уровни эозинофилов в назальном секрете, не выявленные у девочек в данных возрастных категориях. У мальчиков 6–7 лет относительно девочек обеих возрастных групп установлены более низкие до 1,7 раза уровни IgG специфического к алюминию, АСАТ в сыворотке крови и МДА плазмы крови. У девочек по сравнению с мальчиками обеих возрастных групп установлены в 4–5 лет более низкие до 2,8 раза уровни IgE общего в сыворотке крови и антиоксидантной активности плазмы крови; в 6–7 лет – низкие до 6,2 раза уровни нейтрофилов в назальном секрете и глутаматдегидрогеназы в крови.

Обсуждение. Представленные результаты исследований показывают, что хроническое аэрогенное комбинированное воздействие оксидами марганца, никеля и алюминия, бенз(а)пиреном, формальдегидом и о-ксилолом обуславливает повышенные (до 3,4 раза) относительно референтных значений уровни маркеров экспозиции в биосредах экспонированных детей с градацией по полу и возрасту.

Сравнительный анализ результатов ориентировочных максимально недействующих концентраций маркеров экспозиции позволяет прогнозировать у детей более раннее развитие негативных эффектов со стороны органов дыхания в условиях экспозиции оксидами марганца и никеля у мальчиков и оксидом алюминия – у девочек 4–5 лет; бенз(а)пиреном – у мальчиков, формальдегидом и о-ксилолом – у девочек 6–7 лет.

Оценка уровней маркеров экспозиции у детей в зависимости от пола и возраста позволила установить наиболее информативные возрастные периоды для исследования содержания в биосредах химических веществ. У мальчиков таким возрастным периодом для исследования содержания в крови формальдегида и в моче алюминия является возраст 4–5 лет; для исследования уровней в крови марганца, никеля, бенз(а)пирена, о-ксилола – 6–7 лет. У девочек для оценки содержания в крови никеля, бенз(а)пирена, формальдегида является возраст 6–7 лет.

Установленные результаты сравнительной оценки уровней маркеров негативных эффектов позволяют прогнозировать в условиях химической аэрогенной экспозиции у мальчиков в 4–5 лет более раннее относительно девочек развитие местной сенсибилизации и формирование к 6–7 годам специфической сенсибилизации на фоне индукции системных окислительных процессов; у девочек в 4–5 лет относительно мальчиков – развитие общей сенсибилизации, сопровождающейся истощением антиоксидантной защиты, и усиление к 6–7 годам процесса цитолиза гепатоцитов.

В проведенном исследовании не исключается вероятность изменения изучаемых биохимических показателей, связанных с возможным влиянием иных химических факторов, образа жизни, не изученных в данной работе.

Установленные особенности системы биомаркеров экспозиции и негативных эффектов с учетом пола и возраста могут служить критериальной основой выбора приоритетов для объективизации и повышения точности гигиенических оценок, повышения эффективности предиктивных технологий диагностики, прогнозирования и реализации профилактики рисков здоровью чувствительных к химическому аэрогенному воздействию субпопуляций.

Выводы

1. Систематизация биомаркеров экспозиции и негативных эффектов по уровням детализации характеристик (пол, возраст, органы и системы-мишени) позволила обосновать наиболее информативные возрастные периоды для исследования содержания химических веществ в биосредах у детей с заболеваниями органов дыхания и коморбидных им состояний со стороны органов пищеварения.

2. Информативным возрастным периодом у мальчиков для исследования уровней в крови формальдегида и в моче алюминия является возраст 4–5 лет; для оценки содержания в крови марганца, никеля, бенз(а)пирена и о-ксилола – 6–7 лет.

3. Информативным возрастным периодом у девочек для исследования содержания в крови никеля, бенз(а)пирена, формальдегида является возраст 6–7 лет.

4. В условиях химической аэрогенной комбинированной экспозиции у мальчиков в 4–5 лет прогнозируется более раннее относительно девочек развитие местной сенсибилизации и формирование к 6–7 годам специфической сенсибилизации на фоне индукции системных окислительных процессов; у девочек в 4–5 лет относительно мальчиков – развитие общей сенсибилизации и истощение антиоксидантной защиты с усилением к 6–7 годам процесса цитолиза гепатоцитов.

5. Общими закономерностями изменения уровней маркеров экспозиции и негативных эффектов у детей (мальчиков и девочек) с возрастом (к 6–7 годам) в ответ на длительное хроническое аэрогенное воздействие химических факторов является повышение уровней химических веществ в биосредах относительно референтных значений, нарастание спектра, выраженности и распространенности изменений относительно физиологической нормы биомаркеров негативных эффектов (развитие местной, общей и специфической сенсибилизации), нарастание спектра негативных эффектов (усиление активности цитолиза гепатоцитов, индукция окислительных процессов, истощение общей антиоксидантной активности).