Эколого-генетическое обоснование защиты генома при профессиональном воздействии никеля с помощью аскорбиновой кислоты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Перминова, Елена Владимировна

• Перминова, Елена Владимировна
• кандидат биологических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Перминова, Елена Владимировна

Введение.

Глава 1. Экогенетические аспекты изучения последствий загрязнения окружающей среды соединениями никеля и путей защиты генома человека.

1.1. Значение современной методологии оценки риска воздействия химических мутагенов на человека для защиты здоровья населения.

1.1.1. Критерии оценки генетических последствий воздействия химических факторов загрязнения окружающей среды.

1.1.1.1. Структурные изменения хромосом при индуцированном химическими веществами мутагенезе.

1.1.1.2. Значение репаративного синтеза ДНК в механизмах защиты генома от индуцированного химическими веществами мутагенеза.

1.2. Оценка генетических последствий воздействия соединений никеля на клетки человека и животных.

1.2.1. Роль физико-химических свойств соединений никеля в процессах мутагенеза и канцерогенеза в биологических системах.

1.2.2. Цитогенетические эффекты в лимфоцитах людей, контактирующих с соединениями никеля в условиях никелевого производства.

1.2.3. Модификация генотоксических эффектов соединений никеля при комбинированном и сочетанном действии с мутагенными факторами окружающей среды.

1.3. Применение антимутагенов как подход к защите генома человека от неблагоприятных последствий загрязнения окружающей среды мутагенами.

1.3.1. Классификация антимутагенов.

1.3.2. Аскорбиновая кислота как антиоксидант и модификатор мутагенной активности химических соединений.

Глава 2. Объекты и субъекты, материалы и методы исследований.

2.1. Объекты и субъекты исследований.

2.2. Исследуемые вещества.

2.3. Методы исследований.

2.3.1. Определение спонтанного уровня сестринских хроматидных обменов и скорости прохождения генерации.

2.3.2. Микроядерный тест.

2.3.3. Определение репаративного синтеза ДНК методом сцинтилляционной радиометрии.

2.3.4. Определение выживаемости клеток методом прижизненного окрашивания раствором трипанового синего.

2.3.5. Определение формирования разрывов ДНК методом щелочной элюции.

2.3.6. Анализ проб волос на содержание никеля.

2.3.7. Математическая обработка результатов.

Глава 3. Результаты цитогенетического мониторинга в группах рабочих предприятия по пирометаллургической переработке сульфидных медноникелевых руд.

3.1 Краткая характеристика заболеваемости и смертности населения Мурманской области, Печенгского района и г.Апатиты (контрольная группа).

3.2. Оценка уровней структурных изменений хромосом в лимфоцитах рабочих.

3.3. Характеристика репаративного синтеза ДНК в лимфоцитах рабочих.

3.4. Индивидуальный ответ на воздействие соединений никеля в зависимости от уровней содержания никеля в волосах.

Глава 4. Оценка эффективности аскорбиновой кислоты в снижении неблагоприятных генетических эффектов в лимфоцитах рабочих производства никеля.

4.1. Оценка изменений уровня структурных перестроек хромосом в лимфоцитах рабочих после курса приема аскорбиновой кислоты.

4.2. Характеристика динамики показателя репаративного синтеза ДНК в лимфоцитах рабочих при воздействии аскорбиновой кислоты.

Глава 5. Экспериментальное изучение in vitro адаптивного ответа в клетках человека, предобработанных сульфатом никеля или у-радиацией, при воздействии их высоких доз.

5.1. Кинетика выживаемости клеток человека, предобработанных низкими дозами сульфата никеля или у-радиации, к повреждающим дозам этих же мутагенов.

5.2. Изучение способности низких концентраций сульфата никеля повышать устойчивость клеток человека к у-радиации по критерию формирования разрывов ДНК.

5.3. Стимуляция репаративного синтеза ДНК сульфатом никеля по отношению к повреждающей концентрации 4НХО.

Обсуждение результатов. р. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 цито- и 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 1г 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 месяца; что 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.

Заключение диссертации по теме «Экология», Перминова, Елена Владимировна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Перминова, Елена Владимировна, 2003 год

1. Алекперов У.К. Антимутагенез: Теоретические и практические основы. М.: Наука, 1984. - 104 с.

2. Антиоксиданты и адаптация / Сб. науч. трудов. Под ред. Соколовского. Л.: ЛСГМИ, 1984. - 64 с.

3. Артамонова Е.Ю., Синелыцикова Т.А., Засухина Г.Д. Различия в антимутагенной активности витаминных препаратов в клетках человека при воздействии мутагенов различной природы // Генетика. 1994. - Т.ЗО. - №11. - С. 1556-1557.

4. Бенко В., Гейст Т., Арбетова Д., Дхармадикари Д.М., Свандова Е. Биологический мониторинг загрязнения окружающей среды и экспозиции человека некоторым микроэлементам // Журн. гигиены, эпидемиологи, микробиологии и иммунологии. -1986.-Т.ЗО.-№ 1.-С. 1-10.

5. Берштейн Л.М., Онкоэндокринология курения. СПб.: Наука, 1995. - 127 с.

6. Бигалиев А.Б. Генетические эффекты ионов металлов. Алма-Ата: Наука, 1986. - 136 с.

7. Благой Ю.П. Взаимодействие ДНК с биологически активными веществами (ионами металлов, красителями, лекарствами) // Соросовский образ, ж. 1998. - № 10. - С. 18-24.

8. Блатов И.А. Кольская горно-металлургическая компания. Цветные металлы. 2000. -№4.-С. 9-12.

9. Бобылева Л.А. Модификация аскорбиновой кислотой генотоксических эффеетов соединений молибдена в условиях эксперимента и производства: Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 1992. - 21 с.

10. Бобылева Л.А., Чопикашвили Л.В., Алехина Н.И., Засухина Г.Д. Модификация аскорбиновой кислотой спонтанного и индуцированного уровней ХА и СХО в лимфоцитах рабочих, контактирующих с солями молибдена//Генетика. 1993. - Т. 29. -№3.-С. 430-434.

11. Бочков Н.П., Чеботарев А.Н. Наследственность человека и мутагены внешней среды. -М.: Медицина, 1989. 272 с.

12. Бочков Н.П., Катасова Л.Д. Группы повышенного риска среди населения в условиях загрязнения окружающей среды // Мутагены и канцерогены окружающей среды и наследственность человека. Сб. докладов. М., 1994. - Ч.И. - С. 234-267.

13. Васильева И.М. Чекова В.В., Львова Г.Н., Кусаинова К.А., Чопикашвили Л.В., Засухина Г.Д. Стимуляция репарации ДНК у рабочих, контактирующих с хлористым14.