Эколого-генетическое обоснование защиты генома при профессиональном воздействии никеля с помощью аскорбиновой кислоты

Актуальность проблемы.

В ходе развития научно-технического прогресса человечество преобразует окружающую его среду обитания и ощущает ответную реакцию техногенной среды, которая выражается в негативном воздействии на здоровье и самочувствие. На пороге XXI столетия последствия деятельности человека зачастую приобретают черты необратимых изменений окружающей среды (ОС) как на локальном и региональном, так и глобальном уровнях. Недостаточность научно-обоснованной информации о последствиях таких изменений для здоровья и отсутствие единого антропоэкосистемного подхода к проблемам сохранения популяционного здоровья создают реальную угрозу выживания человечества.

На сегодня наиболее серьезными и сложными вопросами, стоящими перед исследователями, представляются отдаленные последствия воздействия химических и физических факторов ОС. Одним из междисциплинарных направлений, занимающихся изучением этих вопросов, является экологическая генетика [Рычков, 1991; Пузырев, 1997]. По определению, предложенному С.Г. Инге-Вечтомовым, «экологическая генетика — это область знания, исследующая взаимовлияние генетических процессов и экологических отношений» (1998). Среди ее наиболее актуальных и одновременно крайне сложных проблем — защита наследственных структур от хронического воздействия антропогенных мутагенных факторов, являющихся в большинстве также и канцерогенами, на ранних доклинических стадиях. В связи с этим в последние десятилетия особое значение придается исследованиям процессов антимутагенеза [Засухина и др., 1989;2002; Дурнев, Середенин, 1998; Odin, 1997; Rauscher et al., 1998 и др.]. Генетические методы имеют первостепенное значение при проведении оценки риска факторов ОС для здоровья человека. В этих целях наиболее эффективными на сегодня признаны цитогенетические показатели.

Пристальное внимание ученых сосредоточено на изучении генетических последствий и путей защиты организма человека при воздействии тяжелых металлов. Тяжелые металлы представляют наибольшую опасность для здоровья населения не только по причине интенсивного повсеместного загрязнения различных ОС, но и из-за разнообразия вызываемых цитои генотоксических эффектов [Бигалиев, 1986; Бочков, Чеботарев, 1989; Бочков, Катасова, 1994 и др.]. Рабочие горно-металлургических предприятий и население, проживающее вблизи от заводов, представляют многочисленную группу риска, подверженных хроническому воздействию высоких и низких концентраций целого ряда тяжелых металлов и их соединений в сочетании с другими неблагоприятными факторами [Проблемы., 1984; Перминова, 1988, 1995; Domenz et al., 1996].

Горно-металлургический комплекс и, в частности, производство никеля играют главенствующую роль в экономике Мурманской области. По расчетам специалистов запасы сырья могут обеспечить успешное развитие предприятий по производству никеля на Кольском полуострове как минимум в течение 20−25 лет [Блатов, 2000]. В многочисленных работах сотрудников Института проблем промышленной экологии Севера Кольского Научного Центра РАН показано значение горно-металлургического профиля промышленности Кольского региона в проблемах загрязнения окружающей среды и негативного влияния на здоровье населения [Перминова и др., 1997; Кашулин и др. 1999; Калабин, 2000 и др.] (см. приложение 1). Предприятия по производству никеля занимают одно из первых мест в России по уровню профессиональной заболеваемости и показателям загрязненности воздуха рабочих зон вредными веществами и пылью среди промышленных предприятий. Рабочие предприятий по пирометаллургической переработке сульфидных медно-никелевых руд, а также население, проживающее вблизи от предприятия, представляют группу повышенного риска для здоровья, хронически подвергающуюся воздействию высоких доз никеля и оксидов серы [Перминова и др., 1979;1997; Odland et al., 1997 и др.].

По общепринятой классификации, разработанной Международным агентством по изучению рака (IARC), никель отнесен к канцерогенам группы 1, т. е. к безусловным канцерогенам для человека [IARC Monographs., 1990]. Исследования мутагенеза и канцерогенеза никеля, выполненные в России и за рубежом, объясняют возможные механизмы его генотоксического действия, и, тем не менее, многое в этом вопросе остается неясным [Kawanishi et al., 1994; Costa, 2002; Kasprzak, 2002 и др.]. Немало экспериментальных сведений накоплено о разнонаправленных генотоксических эффектах никеля [Nieboer, 1992; Costa, 1995; Kasprzak, 2002 и др.]. В то же время результаты «цитогенетического биомониторинга в группах рабочих никелевой промышленности представлены не так широко [Nieboer et al., 1984; Senft et al., 1992; Jelmert et al., 1995; Odland et al., 2000]. Кроме того, до сих пор остается практически неизученным вопрос о возможных путях защиты генома от мутагенного влияния никеля, как при высокодозовой профессиональной экспозиции, так и при низкодозовом воздействии на население. Интересы исследователей в последние годы сосредоточены на поиске оптимальных уровней потребления витаминов и минералов для повышения генетической стабильности ДНК, а также восстановления ее повреждений, вызванных различными мутагенными факторами ОС.

Ames, 2001; Fenech, Ferguson, 2001 и др.]. Вопросы изучения уровней жизненно-необходимых микронутриентов в рационах питания особенно актуальны в районах Крайнего Севера и других регионах с экстремальными природными условиями.

Известно, что одним из основных механизмов генотоксического действия никеля, как и многих других металлов с переменной валентностью, является образование свободных радикалов [Costa et al., 1994; Huang et al., 1994; Kasprzak, 2002 и др.]. Поэтому для снижения неблагоприятных последствий действия никеля на ДНК нами был использован аналог природного антимутагена — аскорбиновая кислота (АК).

На протяжении последнего десятилетия при изучении мутагенеза и канцерогенеза, обусловленных конкретным физическим или химическим агентом, и подборе адекватного антимутагена, многими исследователями подчеркивается необходимость учитывать степень вариабельности показателей индивидуальной чувствительности как по отношению к основному мутагенному фактору, так и к антимутагену [Спицын, 1991; Kelsey et al., 1995; Landi et al., 1996 и др.]. Тем не менее, в этом направлении, опирающемся на достижения в области изучения популяционного генетического полиморфизма, по-прежнему, остается много «белых пятен», связанных со сложностью, дороговизной и недостаточной развитостью методов изучения проблем выше упомянутого уровня.

Настоящая работа посвящена проблеме поиска и изучения эффективных средств защиты генома рабочих производства чернового никеля и населения, проживающего вблизи от предприятия.

Цель и задачи исследования

.

Целью настоящего исследования явилась оценка уровней повреждения клеток человека соединениями никеля in vitro и in vivo и антимутагенной активности АК в группе рабочих плавильного производства чернового никеля с учетом факторов, модифицирующих цитогенетический показатель индивидуальной чувствительности к генотоксическому действию соединений никеля и к защитным эффектам АК.

В связи с поставленной целью были определены следующие задачи:

1. Определение уровней структурных изменений хромосом и репарации ДНК в лимфоцитах рабочих, контактирующих с соединениями никеля, до и после приема АК.

2. Изучение распределения цитогенетического показателя индивидуальной чувствительности к соединениям никеля и АК и его взаимосвязи с уровнем содержания никеля в организме, со стажем работы и стилем жизни.

3. Экспериментальная оценка способности соединений никеля к формированию адаптивного ответа (АО) в соматических клетках человека in vitro.

Научная новизна исследования.

• Впервые проведены комплексные исследования по изучению генетических эффектов соединений никеля на основе параллельного определения структурных изменений хромосом и уровней содержания никеля в организме рабочих плавильного производства чернового никеля на Европейском Севере. Установлен достоверно повышенный уровень структурных изменений хромосом (р<0,01), который в целом по группе не зависел ни от содержания никеля в организме, ни от стажа работы. Курение усиливало генотоксические эффекты никеля в лимфоцитах рабочих.

• Выявлена высокая степень вариабельности цитогенетического показателя в лимфоцитах рабочих при хроническом воздействии высоких концентраций соединений никеля как до, так и после курса приема АК, причем в большей степени индивидуальные различия проявлялись в группе плавильщиков в сравнении с рабочими вспомогательных профессий.

• Доказано, что прием АК по 1 г в сут. в течение месяца сопровождался достоверным снижением уровня цитогенетических изменений хромосом в лимфоцитах рабочих пирометаллургического производства никеля (р<0,01).

• Впервые установлено, что в условиях in vitro NiS04 обладал способностью формировать перекрестный АО по отношению к повреждающему воздействию этого мутагена, у-радиации и 4-нитрохинолин-1-оксида (4НХО).

Научно-практическая значимость работы.

— Результаты исследований могут быть использованы при профессиональном отборе и профориентации рабочих по признаку чувствительности к соединениям никеля, а также при ежегодных профилактических обследованиях рабочих, занятых в процессе пирометаллургической переработки сульфидных медно-никелевых руд, для регистрации возможных генетических неблагоприятных изменений.

— Полученные результаты доказали состоятельность представленного в работе методического подхода при выборе и оценке эффективности путей и средств защиты генома в группах риска при профессиональной экспозиции к никелю.

— Показана высокая эффективность АК в снижении уровней цитогенетических повреждений в лимфоцитах рабочих плавильного цеха производства чернового никеля: курс приема АК в дозе 1г/сут. в течение месяцачто может быть использовано для разработки мероприятий по профилактике нежелательных генетических последствий воздействия соединений никеля в группах риска.

— Наличие АО в клетках человека при низкодозовом воздействии никеля, установленного in vitro, дает основание предполагать формирование неспецифически повышенной резистентности организма к повреждающему действию некоторых химических соединений и радиации на популяционном уровне и требует продолжения исследований в этом направлении.

Объем и структура диссертации.

Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 17 рисунков и 8 приложений. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, 3-х глав результатов собственных исследований, их обсуждения, выводов и списка литературы. Библиографический указатель включает 78 отечественных и 187 иностранных источников.

выводы.

1. На основании эколого-генетической оценки последствий воздействия соединений никеля показана их генотоксическая активность для рабочих в условиях производства чернового никеля: обнаружены повышенные уровни микроядер и ингибирование репаративного синтеза ДНК в лимфоцитах.

2. Установлено достоверное превышение содержания никеля в волосах рабочих основных профессий плавильного цеха в сравнении с рабочими вспомогательных профессий в 2,3 раза (р=0,01).

3. Оценка индивидуальной чувствительности к соединениям никеля выявила высокую степень вариабельности цитогенетического показателя в лимфоцитах плавильщиков в зависимости от содержания никеля в волосах и курения, усиливавшего генотоксическое действие никеля.

4. Прием аскорбиновой кислоты (1г/сут в течение месяца) сопровождался достоверным снижением числа микроядер на 30% (р<0,01) и тенденцией к стимуляции репаративного синтеза ДНК (на 18%) в лимфоцитах, что может быть использовано медицинскими учреждениями для разработки профилактических мероприятий с применением аскорбиновой кислоты, как эффективного антимутагена в различных группах риска, экспонированных соединениями никеля.

5. Индивидуальная чувствительность к витамину С проявлялась в разнонаправленных эффектах: от выраженного снижения числа микроядер в лимфоцитах рабочих (на 60%) до отсутствия сдвигов после курса приема аскорбиновой кислоты.

6. Впервые в условиях in vitro доказано, что предобработка низкими концентрациями сульфата никеля формировала перекрестный адаптивный ответ в соматических клетках человека к последующему воздействию повреждающих концентраций NiS04 и у-радиации.

7. При разработке и проведении защитных и реабилитационных мероприятий в группах высокого профессионального риска производства чернового никеля необходим цитогенетический мониторинг, позволяющий диагностировать повышенную чувствительность генома рабочих к генотоксическому действию соединений никеля.