Подходы к идентификации маркеров воздействия окружающей среды и питания на организм дошкольников

Введение. Растущий интерес в области экспосомики позволяет использовать целостный подход к обнаружению этиологических факторов заболеваний и дает преимущество по сравнению с традиционными подходами [1][2]. Результаты эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что проживание в неблагоприятных условиях окружающей среды, повышенной экспозиции к химическим веществам и соединениям приводят к нарушению регуляторных и адаптивных систем организма, вызывая воспалительный, сенсибилизирующий, цитотоксический, генотоксический и другие эффекты [3][4]. Однако ответ организма человека на негативное воздействие окружающей среды может быть неодинаковым, а фенотипы людей могут быть адаптивными или неадаптивными. Адаптации к окружающей среде способствуют многие нутриенты, участвующие в метаболизме ксенобиотиков, а также являясь лигандами различных транскрипционных факторов, они оказывают противовоспалительное и антиоксидантное действия [5][6].

Роль питания в адаптивных и неадаптивных процессах требует дальнейшего изучения для улучшения понимания механицизма взаимосвязей между пищевой модуляцией экологических токсинов и восприимчивостью к развитию заболеваний [7][8].

Цель исследования – идентификация маркеров воздействия на организм детей окружающей среды и питания с учетом взаимных влияний.

Методы исследования. Сравнительная оценка маркеров воздействия на организм детей окружающей среды и питания была проведена в дошкольных организациях (ДОУ) двух территорий Свердловской области. В качестве основной территории был выбран г. Нижний Тагил, который, по данным Государственного доклада¹ (далее – Государственный доклад), отнесен к территории с крайне неблагоприятной санитарно-эпидемиологической обстановкой. ДОУ (основная группа) расположено в зоне высокого суммарного канцерогенного риска (2,5 × 10⁻⁴ – 7,7 × 10⁻⁴) и превышения гигиенических нормативов бензола в 1,5 ПДКсс.²

Город Красноуфимск, где санитарно-эпидемиологическая обстановка была более благоприятная (при ранжировании территорий Свердловской области по интегральному показателю) выбран как территория сравнения. По данным Роспотребнадзора, за последние 3 года в г. Красноуфимск средняя концентрация металлов в почве и воде не превышала предельно допустимых концентраций, источники выбросов тяжелых металлов в атмосферный воздух за последние 5 лет не оценивались.

В исследования были включены 98 детей основной группы в возрасте 3–7 лет (4,8 ± 0,1), из них 66,7 % мальчиков и 33,2 % девочек. В группе сравнения – 99 детей в возрасте 3–7 лет (4,7 ± 0,1), из них 53,8 % мальчиков, 46,2 % девочек. Родители всех детей дали добровольное информированное согласие на обследование. Всем детям определена массовая концентрация 19 металлов в цельной крови (Al, As, Ba, Ti, Cd, Cr, Cu, Hg, Mg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, St, V, W, Zn). Полученные данные сравнивались с референтными значениями³. Цитогенетические показатели исследованы с целью оценки воздействия окружающей среды на ядра клеток и процессы пролиферации⁴. Оценку медиаторов воспаления и аллергических реакций было принято проводить по количеству циркулирующих в крови цитокинов (IL-1, IL-4), способность организма к детоксикации – по ферменту II фазы детоксикации глутатион-S-трансферазе методом иммуноферментного анализа с применением коммерческих тест-систем, результаты анализировали по референтным значениям, указанным в литературных источниках⁵. Обработка и анализ данных цикличного двухнедельного меню ДОУ и питание вне ДОУ проводилось с помощью компьютерной программы «Система расчетов для общественного питания»⁶. Данные по продуктовому набору и пищевой ценности меню сравнивались с нормами, установленными требованиями санитарного законодательства и методических рекомендаций⁷. Питание детей вне ДОУ оценивалось по анкетным данным полуколичественным частотным методом с помощью программного продукта Института питания ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии»⁸. Использованы современные методы определения циркулирующих метаболитов, связанных с питанием [9][10]. Для этого методом случайных чисел из двух ДОУ выбрано по 30 детей в возрасте 3–7 лет, из них 49,8 % мальчиков и 50,2 % девочек, у которых была проведена оценка содержания органических кислот в моче (n = 60) для выявления маркеров воздействия окружающей среды, нарушения метаболизма макро- и микронутриентов. В соответствии с требованиями стандарта проведена подготовка к сбору мочи, исследования проводились методом газовой хроматографии и масс-спектрометрии [11]. Морфофункциональный статус оценен по росто-весовым показателям, анализ проводился с помощью региональных оценочных таблиц⁹ [12]. Для статистической обработки данных использован пакет Microsoft Excel и программа IBM SPSS Statistics 20. Анализ независимых и связанных выборок проведен непараметрическим методом Манна – Уитни, χ² Пирсона для сравнения различий между категориальными переменными. Связь между параметрами считалась значимой при уровне р < 0,05. Анализ парных корреляционных связей для переменных проведен с помощью коэффициента корреляции Спирмена.

Результаты. По результатам оценки экспозиции к тяжелым металлам двух включенных в исследования территорий выявлено, что у дошкольников основной группы содержание металлов в крови достоверно выше (р < 0,001), чем у детей группы сравнения, а именно: титана на 36,2 мкг/л, кадмия на 1,1 мкг/л, марганца в 2,5 раза, свинца на 15,4 мкг/л, олова на 13,1 мкг/л, алюминия в 3,9 раза, вольфрама на 217 %. В то же время у детей группы сравнения концентрации мышьяка, меди и ртути на 20,8, 21,2 и 70,5 % больше чем в основной группе (р < 0,001) соответственно.

Оценка цитогенетических нарушений среди обследованных дошкольников показала, что наибольшее количество детей, имеющих цитогенетические повреждения клеток буккального эпителия, наблюдается в основной группе (73,6 %), а клеток с микроядрами и ядрами атипичной формы – в группе сравнения (84,8 %). У детей основной группы отмечаются больше протрузий (10,70 ± 0,10 ‰ против 0,84 ± 0,1 ‰), показателей деструкции ядра клеток по кариорексису (8,63 ± 0,67 ‰ против 5,09 ± 0,46 ‰), чем у группы сравнения. В буккальном эпителии группы сравнения чаще встречаются ранняя деструкция ядра (93,55 ± 2,68 ‰ против 69,60 ± 1,55 ‰), кариопикноз (93,82 ± 3,07 ‰ против 55,67 ± 1,17 ‰) и апоптозные тела (3,15 ± 0,58 ‰ против 0,87 ± 0,12 ‰). Корреляционный анализ показал прямую слабую зависимость: концентрации мышьяка в крови детей с наличием ядер атипичной формы (r = 0,34, p < 0,01); марганца с количеством апоптозных тел (r = 0,46, p < 0,01), кариопикнозом (r = 0,38, p < 0,01) и ядер атипичной формы (r = 0,31, p < 0,05); никеля с наличием кариопикноза (r = 0,52, p < 0,01); свинца – с двух-, многоядерными клетками (r = 0,39, p < 0,01).

При оценке медиаторов воспалительной и аллергической реакции – интерлейкин-1 (IL-1) и интерлейкин-4 (IL-4) установлено, что содержание IL-1 у детей группы сравнения достоверно (р < 0,001) превышало показатели детей основной группы в 2,8 раза (0,47 ± 0,08 против 0,17 ± 0,043), а значения IL-4 достоверно (р < 0,001) выше на 42 % у детей основной группы (0,78 ± 0,047 против 0,55 ± 0,05 ). Выявлена прямая слабая зависимость между уровнем содержания в крови IL-1 (r = 0,223, р = 0,000) и меди, а также содержания IL-4 и концентрацией алюминия (r = 0,287, р < 0,01), кадмия (r = 0,264, р < 0,01), марганца (r = 0,261, р < 0,01).

У детей основной группы содержание фермента глутатион-S-трансферазы выше в 1,6 раза, чем у детей группы сравнения. Результатами корреляционного анализа выявлено наличие положительных связей между содержанием фермента глутатион-S-трансферазы и содержанием в крови у детей алюминия (r = 0,256, р = 0,001), титана (r = 0,319, р = 0,000), кадмия (r = 0,229, р = 0,002), марганца (r = 0,280, р = 0,000), свинца (r = 0,153, р = 0,049).

Оценка питания детей по двухнедельному цикличному меню ДОУ показала, что в меню двух ДОУ были низкие значения по молочным продуктам – в среднем на 11,5 %. Мясных продуктов было недостаточно в группе сравнения, где не выполнена норма почти в 2 раза, по рыбе на 29,2 %, по овощам и фруктам на 25 %. В то же время у детей в ДОУ группы сравнения было избыточно продуктов, содержащих свободные сахара, в среднем в 2 раза. В соответствии с нерациональным продуктовым набором меню ДОУ группы сравнения имело недостаточный уровень содержания необходимых для нормального метаболизма макронутриентов: белков на 1,7 %, жиров растительного происхождения на 22 %, ПНЖК на 1,9 %, пищевых волокон на 10,9 %, а также микронутриентов витамина С на 44,2 %, В₁ на 15 %, кальция на 38,8 %, магния на 5,1 %. У детей основной группы выявлен недостаток витамина С на 21,5 %, витамина В₁ – на 36,6 %, кальция – на 50,1 %, магния – на 11,8 %. Количество детей с дефицитом железа и витамина А в группе сравнения больше на 35 % (р = 0,002), а витамина С – на 21 % (р = 0,002). Наибольшее количество корреляционных связей (r = –3,1...–5,3; р < 0,05) концентрации макро- и микронутриентов (общий жир, ПНЖК, моно- и дисахариды, общие углеводы, пищевые волокна, витамины А, В1, РР, С, минералы Na, K, Mg, Fe) отмечается с концентрацией 3-гидрокси-3-метилглутаровой кислоты (ГМК), метаболита катаболизма L-лейцина (при низких значениях) и маркера достаточности коэнзима Q10 (при завышенных значениях)¹⁰. Различий между группами сравнения не выявлено. Однако количество детей, имеющих низкие значения (ГМК) в моче, в группе сравнения больше, чем у детей основной группы, – 36,4 и 6,5 % соответственно. Отмечается прямая связь концентрации пироглутаминовой кислоты и ПНЖК, n(ω)-6 ПНЖК, n(ω)-3 ПНЖК, витамин А (r = 4,0 – 5,3; р < 0,05), обратная связь между концентрацией суммарных значений метилгиппуровых кислот и энергетической ценностью, добавленным сахаром, общими углеводами (r = –3,1...–3,3; р < 0,05), аналогично (обратная) между концентрацией пара-метилгиппуровой кислоты и крахмалом (r = –3,0; р < 0,05). Различие в маркерах углеводного обмена¹¹ выявлено по таким органическим кислотам, как пировиноградная (р = 0,02) и молочная (0,00), их значения выше у детей группы сравнения. По высоким титрам нескольких органических кислот, маркеров достаточности витаминов можно судить о дефиците витаминов В₉, В₁₂ [13][14]. Так, по формиминоглутаминовой кислоте, маркеру достаточности фолиевой кислоты, возможен дефицит у 47 % детей основной группы и у 33% детей группы сравнения, а по метилмалоновой кислоте – маркеру дефицита витамина В₁₂ – у 10 и 20 % детей основной группы и группы сравнения соответственно. У детей основной группы выявлены высокие концентрации маркеров интоксикации органическими соединениями бензольного ряда. Показатели метаболита этилбензола (миндальная кислота) выше, чем в группе сравнения, в 2,0 раза (p = 0,02), а суммарные значения метилгиппуровых кислот – метаболита ксилола – в 1,5 раза (p = 0,01) [15].

Пироглутаминовой кислоты (p = 0,00), маркера активности 2-й фазы детоксикации¹², выявлено в 1,4 раза больше у детей группы сравнения. При анализе реализованных фенотипических признаков по данным росто-весовых показателей установлен дефицит массы тела у детей основной группы – у каждого третьего ребенка (14,7 %), в т. ч. выраженный дефицит отмечен в 5,5 % наблюдений, что в 5 раз чаще, чем в основной группе (1,0 %). В то же время у детей группы сравнения повышенная масса тела выявлена у каждого пятого ребенка, а избыточная масса тела встречается почти в 3 раза чаще (11 % случаев против 3,3 %). Наблюдалась обратная сильная связь концентрации кадмия в крови с массой тела ребенка (r = –0,91; p < 0,05).

Обсуждение. В результате наших исследований показано, что в основной группе детей, проживающих на территории с высоким аэрогенным риском, содержание 6 металлов (свинца, кадмия, алюминия, марганца, олова, титана) в крови достоверно больше. При этом наибольшее количество детей, имеющих превышение референтных значений, отмечается по олову – 79,8 %, алюминию – 52,4 % и свинцу – 8,4 %. В тоже время у детей группы сравнения, проживающих в относительно благополучной по содержанию металлов окружающей среде, более высокая концентрация мышьяка, меди и ртути, но количество детей, имеющих высокие значения незначительное. Выявленная корреляционная связь между цитогенетическими показателями буккального эпителия и металлами свидетельствует о негативном влиянии факторов окружающей среды на детей двух групп сравнения, при этом цитогенетические повреждения встречаются чаще у детей основной группы, а деструкции ядра – у группы сравнения. Полученные положительные ассоциации между содержанием IL-4 и концентрацией алюминия, кадмия, марганца у детей основной группы подтверждаются литературными данными о развитии сенсибилизирующих эффектов, связанных с повышением уровня специфической чувствительности организма к металлам и медиаторов межклеточной цитокиновой регуляции [16][17].

Чувствительность организма к воздействию ксенобиотиков, идентифицированная по наличию цитогенетических повреждений клеток буккального эпителия, может указывать на потребность в поддержании функций детоксикационной и антиоксидантной систем. Так, нами показана связь высоких концентраций фермента глутатион-S-трансферазы с повышенным содержанием в крови алюминия, титана, кадмия, марганца, свинца, которые в наибольшем количестве выявлены у детей основной группы [18][19].

Рацион питания группы сравнения не обеспечен в полной мере мясными продуктами, рыбой, овощами и фруктами, при этом наблюдается избыточное потребление продуктов, содержащих свободные сахара. Недостаток необходимых для нормального метаболизма белков, жиров растительного происхождения, в том числе ПНЖК, пищевых волокон, а также витаминов B₁, PP и кальция в питании детей группы сравнения является следствием их нерационального продуктового набора меню. В рационе питания детей основной группы также отмечалось недостаточное количество растительных жиров, витамина B₁ и кальция. Нарушения баланса кальция, магния и фосфора у детей двух территорий может свидетельствовать об ухудшении биодоступности кальция, который является антагонистом многих металлов [20].

На несбалансированный рацион питания детей двух групп сравнения указывает наличие обратной связи между количеством потребляемых нутриентов (общий жир, ПНЖК, ω-6 ПНЖК, моно- и дисахариды, общие углеводы, пищевые волокна, витамины: А, В₁, Ниацин, С, минералы: Na, K, Mg, Fe) и концентрацией ГМК. Расщепление 3-гидрокси-3-метилглутарил-коэнзима А (производного ГМК) до ацетоацетата и ацетил-КоА происходит в присутствии коэнзима Q10, и в случае завышенных значений ГМК можно предположить о дефиците коэнзима Q10. Корреляционная зависимость между высокими значениями ГМК и многими нутриентами показывает, что рацион с низкими значениями макронутриентов может приводить к дефициту Коэнзима Q10, поступающего из рациона, и как следствие к митохондриальной дисфункции. Стоит отметить в группе сравнения выявлен наибольший дефицит пищевых продуктов, содержащих коэнзим Q10, что может способствовать снижению выработки энергии в митохондриях [21][22].

По маркерам углеводного обмена (пировиноградной и молочной кислот) отклонений от референсных показателей не выявлено, однако в группе сравнения они приближены к границе высоких значений. У детей группы сравнения наблюдается избыточное потребление продукции, содержащей свободные сахара (по данным продуктового набора меню ДОУ), и наибольшее количество детей, имеющих избыточную массу тела, то есть риски развития метаболических нарушений, связанных с углеводным обменом, у них выше.

На наличие интоксикации ксенобиотиками детей основной группы указывает концентрация пироглутаминовой кислоты, метилгипуровой, миндальной кислот. По высокой концентрации метилгиппуровой кислоты, выявленной у детей основной группы, можно судить об интоксикации изомерами ксилола (орто-, мета-, пара-), которые выводятся путем конъюгации с глицином, поэтому потребность в глицине для выведения ксенобиотиков у детей основной группы выше [15][23].

Высокие титры органических кислот (формиминоглутаминовая и метилмалоновая) – маркеров достаточности витаминов В₉, В₁₂ свидетельствуют об их дефиците в рационе двух групп, но больше у дошкольников основной группы [14]. Активные формы витаминов В₉ и В₁₂, метилфолат и метилкобаламин, взаимодействуют друг с другом через фолатный цикл и взаимозависимы [24], и могут поставлять метильные группы для детоксикации и метилирования [25][26]¹³[27].

В предыдущих публикациях мы показали зависимость дефицита массы тела у детей и концентрации кадмия в крови, а также некоторые клинические проявления, ассоциированные с воздействием окружающей среды на детей в г. Нижнем Тагиле [8]. В настоящих исследованиях мы также подтвердили наличие обратной связи между массой тела и концентрацией кадмия в крови, мы также выявили, что дети основной группы чаще болеют острыми заболеваниями верхних дыхательных путей, в том числе аллергоринитом.

Заключение. По результатам нашего исследования можно предположить, что сложное взаимодействие экотоксикантов и органических соединений, поступающих с пищей у детей двух исследуемых групп, дает различный ответ организма на комплексное воздействие изучаемых факторов. По содержанию в крови токсичных металлов, распространенности присутствия аберрантных клеток всех типов буккального эпителия, интерлейкинов (IL-1, IL-4), глутатион-S-трансферы, органических кислот мы идентифицировали маркеры нарушения энергетического, углеводного и витаминного обменов, интоксикации и функции детоксикации. По маркерам питания детей двух групп сравнения определяется два неадаптивных фенотипа. Детей основной группы можно отнести к низкому адаптивному метаболотипу на воздействие окружающей среды и фенотипу питания для поддержания функций детоксикации, а детей группы сравнения – к низкому адаптивному метаболотипу на воздействие окружающей среды для выработки энергии в митохондриях и противодействия воспалительным процессам. Комплекс изученных факторов с дополнительным изучением микробиоты позволит разработать дифференцированный подход к моделированию рационов питания.