Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) является значимой проблемой современного здравоохранения. Прогрессирующее ремоделирование бронхолегочной системы при ХОБЛ приводит к нарушению функции, преждевременной стойкой утрате трудоспособности и высокой смертности больных [1]. В настоящее время ХОБЛ – это ведущая причина смерти от болезней органов дыхания [2]. Так как ХОБЛ – гетерогенное заболевание, то перспективным направлением оптимизации терапевтической стратегии является фенотипирование, или выделение групп, однородных по патогенезу, клинико-функциональным особенностям и прогнозу [3]. Факторы окружающей среды – ингалируемые повреждающие частицы и газы – являются доказанными причинами развития ХОБЛ и одновременно влияют на клинико-патогенетические особенности. Результатом взаимодействия внешних агентов и легких как барьерного органа является развитие персистирующего воспаления, что составляет основу патогенеза заболевания [2, 4–6].

ХОБЛ в условиях воздействия промышленных аэрозолей отличается от ХОБЛ у курильщиков табака. При этом профессиональная ХОБЛ также гетерогенна, а фенотипы зависят от биологических свойств различных компонентов промышленных аэрозолей [7]. Многие аэрозоли содержат частицы наноразмерного диапазона, менее 0,1 мкм в одном из размеров. Наночастицы характеризуются высокой проникающей способностью, индуцируют процессы воспаления, оксидативного стресса, фиброобразования [8, 9], что определяет их участие в развитии фенотипов ХОБЛ. Актуальность изучения фенотипов и поиска биомаркеров ХОБЛ от воздействия аэрозолей с наночастицами определяется необходимостью прогнозирования динамики клинико-функциональных особенностей и клинически значимых исходов заболевания. Кроме того, параметры воспаления при ХОБЛ, связанные с воздействием наночастиц, могут быть использованы в качестве маркера наличия данного фактора на рабочем месте, что требуется для разработки мероприятий по управлению риском здоровью.

Цель исследования: установить перспективные молекулярные маркеры ХОБЛ в условиях воздействия аэрозолей с наночастицами.

Материал и методы исследования

Анализ химико-гигиенических исследований наночастиц в воздухе рабочей зоны на предприятии машиностроения (код ОКВЭД 30.30.32) проведен сотрудниками Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт неорганической химии им. А.В. Николаева» проф., д.т.н. А.И. Сапрыкиным и к.х.н. А.Р. Цыганковой. Отбор проб воздуха проводили электрическим аспиратором ПУ-4Э, пробу пропускали через поглотительный раствор, далее выполняли физико-химические исследования полученного раствора. Общий химический (элементный) состав частиц определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (спектрометр высокого разрешения iCAP-6500, «Thermo Scientific»). Размеры частиц подтверждали методом сканирующей электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионным анализом (сканирующий электронный микроскоп Zeiss EVO MA 15 фирмы «Karl Zeiss», увеличение в 2000–8000 раз). Концентрация наночастиц в воздухе рабочей зоны составила от 5 до 625 нг/л. По преобладающему химическому составу наночастиц были выделены две группы аэрозолей – содержащие преимущественно наночастицы металлов (алюминия, железа, хрома) или наночастицы кремния.

Для оценки концентраций аэрозолей без учета размерных фракций были проанализированы санитарно-гигиенические характеристики условий труда предприятия, составленные экспертами отдела надзора по гигиене труда, коммунальной гигиене Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Новосибирской области при проведении экспертиз связи заболевания с профессией.

Проведено одноцентровое когортное одномоментное исследование больных ХОБЛ, занятых на данных рабочих местах: в условиях воздействия преимущественно аэрозолей с наночастицами металлов (n=36), кремния (n=34), и больных ХОБЛ – курильщиков табака без профессиональных рисков здоровью (n=70). Контрольная группа – условно здоровые лица (n=70).

Набор участников исследования осуществляли на основании следующих критериев включения: письменное информированное согласие на участие; в основные группы – диагноз ХОБЛ, установленный согласно спирографическому критерию (отношение объема форсированного выдоха за первую секунду (ОФВ1) к форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) после ингаляции бронхолитика менее 0,7), возраст 45–65 лет; в подгруппы ХОБЛ от воздействия промышленных аэрозолей – документированный контакт на рабочем месте с промышленным аэрозолем, с превышением ПДК основных компонентов более чем в 3 раза и наличием наночастиц, обусловленным особенностями технологических процессов; стаж работы в вышеперечисленных условиях не менее 10 лет; в группу ХОБЛ табакокурения – курильщики в течение более чем 10 лет, индекс пачка-лет более 10 при отсутствии риска профзаболеваний; в контрольную группу – отсутствие острых заболеваний, хронических заболеваний в стадии декомпенсации, травм на момент исследования, отсутствие профессиональных рисков здоровью. Критериями невключения были: другие виды курения; другие, кроме ХОБЛ, заболевания бронхолегочной системы, за исключением простого хронического бронхита; состояния, кроме ХОБЛ, сопровождающиеся эозинофилией; ожирение; аутоиммунные заболевания и активные очаги хронической инфекции; ВИЧ-инфекция; злокачественные новообразования; сердечная, почечная, печеночная недостаточность в стадии декомпенсации.

Для характеристики фенотипов ХОБЛ выполнены комплексное исследование функции внешнего дыхания (спирография с пробой с бронхолитиком (спирограф МАС2-С, «Белинтелмед», Республика Беларусь) [10], бодиплетизмография, исследование диффузионной способности легких по монооксиду углерода методом одиночного вдоха (бодиплетизмограф PowerCube Body, Shiller, Германия)), эхокардиография с тканевым допплером (ультразвуковой сканер Mindray DC-N3, Шэньчжэнь Майндрэй Био-Медикал Электроникс Ко, Лтд, КНР).

Исследованы субпопуляции моноцитов крови методом проточной лазерной двухцветной цитофлуориметрии (аппарат NovoCyte, Agilent, США). Методом твердофазного иммуноферментного анализа (фοтοметр «EхреrtРlus» фирмы «ASYS HITECH» (Австрия), стандартная длина волны измерения 450 нм, наборы фирм-производителей) определяли концентрации в сыворотке крови интерлейкина-1β (IL1-β), интерлейкина-5 (IL-5), С-реактивного белка (СРБ), фактора роста фибробластов-2 (FGF-2), трансформирующего фактора роста-β1 (TGF-β1), N-терминального пропептида проколлагена 3-го типа (PIIINP), матриксных металлопротеиназ 1 (MMP-1) и 9 (MMP-9), растворимой сосудистой молекулы адгезии-1 (sVCAM 1).

Статистическая обработка данных проведена при помощи программ SPSS 26 и Statistica 9.0. Уровень значимости для отклонения нулевой гипотезы – р<0,05 при сравнении двух групп и для оценки результатов регрессионного анализа, р<0,01 при сравнении четырех групп с учетом поправки Бонферрони. Нормальное распределение данных определяли методом Колмогорова–Смирнова. При нормальном распределении непрерывных переменных данные представлены в виде средней и стандартного отклонения (m±SD), при распределении, отличном от нормального, – в виде медианы (Ме) и межквартильного интервала (Q2; Q3). Результаты, описанные ординальными и номинальными переменными, представлены в виде долей или процентов. Сравнение групп по непрерывным переменным проводили при помощи критерия Крускалла–Уоллиса, по ординальным и номинальным – критерия χ2.

Взаимосвязи оценивали методом линейного регрессионного анализа. Для исключения вмешивающихся факторов в модели включали следующие параметры: ОФВ1; если независимой переменной была массовая концентрация наночастиц металлов – среднесменные и максимальные разовые концентрации марганца, максимальные разовые концентрации дижелеза триоксида, если независимой переменной была массовая концентрация наночастиц кремния – максимальные разовые и среднесменные концентрации кремнийсодержащей пыли, если независимыми переменными были стандартные параметры промышленных аэрозолей – массовые концентрации соответствующих наночастиц. Операционные характеристики исследуемых клеточно-молекулярных маркеров (чувствительность и специфичность) рассчитывали по формулам: ДЧ = ИП / (ИП + ЛП), где ДЧ – диагностическая чувствительность маркера, ИП – число истинно позитивных результатов, ЛП – число ложнопозитивных результатов в исследуемой выборке; ДС = ИО / (ИО + ЛО), где ДС – диагностическая специфичность маркера, ИО – число истинно отрицательных результатов, ЛО – число ложноотрицательных результатов.

Результаты исследования и их обсуждение

Основные характеристики исследуемых больных представлены в таблице 1. Группы не различались по полу, возрасту, курильщики – по интенсивности курения, группы ХОБЛ в условиях воздействия производственных факторов – по доле курящих, стажу.

Таблица 1

Основные характеристики больных

Изучение распределения субпопуляций моноцитов периферической крови показало, что частота «классических» CD14+CD16-клеток была наибольшей при ХОБЛ в условиях воздействия аэрозолей с наночастицами металлов – 95,4% (90,1%; 97,4%), р=0,001, «неклассических» CD14DimCD16+ при ПХОБЛ от воздействия аэрозолей с наночастицами кремния – 21,1% (16,1%; 22,8%), р=0,002.

У больных ХОБЛ от воздействия наночастиц металлов выявлены самые высокие сывороточные уровни IL-5 – 2,6±0,5 пг/мл (в группе ХОБЛ от воздействия аэрозолей с наночастицами кремния 0,7±0,2 пг/мл, ХОБЛ табакокурения 0,8±0,2 пг/мл, в группе контроля 0,6±0,4 пг/мл, р=0,001), PIIINP – 158,4±16,2 пг/мл (93,2±9,4 пг/мл, 29,2±12,3 пг/мл и 11,4±3,3 пг/мл соответственно), ММР-9 – 342,4±32,4 пг/мл (246,8±46,8 пг/мл, 178,9±63,9 пг/мл и 156,8±26,5 пг/мл, р=0,001). При воздействии наночастиц кремния наблюдали максимальные концентрации в крови FGF-2 – 16,9±3,4 пг/мл (в группе ХОБЛ от воздействия аэрозолей с наночастицами металлов 1,9±0,1 пг/мл, ХОБЛ табакокурения 8,7±2,8 пг/мл, в группе контроля 1,4±0,2 пг/мл, р=0,001), TGF-β1 – 946,2±82,5 пг/мл (713,4±23,8 пг/мл, 732,4±79,2 пг/мл, 424,6±58,4 пг/мл) и sVCAM-1 – 48,4±8,5 пг/мл (19,8±5,4 пг/мл, 13,2±8,2пг/мл и 14,2±6,2пг/мл, р=0,001).

Методом линейного регрессионного анализа определены связи экзогенного этиологического фактора с клеточно-молекулярными особенностями ХОБЛ (табл. 2). При этом наблюдали качественные различия влияния наночастиц в зависимости от их элементного химического состава. Массовая концентрация наночастиц металлов (суммарная) была связана с долей классических (CD14+CD16-) моноцитов, концентрациями в сыворотке крови инерлейкина-5 и ММР-9. Массовая концентрация наночастиц кремния была ассоциирована с долей неклассических (CD14DimCD16+) моноцитов, сывороточными уровнями PIIINP и sVCAM-1. Указанные молекулярные факторы были связаны также со стажем работы в условиях воздействия соответствующих аэрозолей.

Таблица 2 

Связь экзогенного этиологического фактора и клеточно-молекулярных особенностей ХОБЛ

Отмечено, что доля классических (CD14+CD16-) моноцитов, сывороточные уровни инерлейкина-5 были связаны только с массовыми концентрациями наночастиц и не зависели от уровней трижелеза диоксида или марганца, измеренных без учета размерных фракций аэрозоля. На уровень ММР-9 влияли и наночастицы, и среднесменные концентрации марганца. На долю неклассических моноцитов CD14DimCD16+, сывороточные уровни PIIINP и sVCAM-1 влияли концентрации наночастиц с кремнием, но не вся кремнийсодержащая пыль. Среднесменные концентрации марганца были ассоциированы с уровнем СРБ крови, среднесменные концентрации пыли – с уровнем интерлейкина 1-β, в свою очередь не связанными с наночастицами. Таким образом, можно предположить, что частицы промышленного аэрозоля разного размера индуцируют и поддерживают различные паттерны воспаления.

Одновременно интенсивность и продолжительность воздействия наночастиц влияли на фенотип ХОБЛ (табл. 3).

Таблица 3

Связь экзогенного этиологического фактора и фенотипических характеристик ХОБЛ

Массовая концентрация наночастиц металлов была ассоциирована со значениями ОФВ1, функциональной остаточной емкости легких, наночастиц кремния – со значениями диффузионной способности легких (ДСЛсо) и среднего давления в легочной артерии (СДЛА). Характеристики, связанные с массовыми концентрациями наночастиц, были связаны и со стажем работы. Вероятно, продолжительность воздействия влияет на выраженность эффекта. Дополнительно стаж работы был связан с ДСЛсо, общей емкостью легких (ОЕЛ), долей остаточного объема в общей емкости легких (ООЛ/ОЕЛ), сопротивлением в дыхательных путях (Raw) на выдохе, СДЛА, легочным сосудистым сопротивлением (ЛСС), диаметром выносящего тракта правого желудочка, площадью правого предсердия, что можно объяснить и влиянием наночастиц, и эффектами других размерных фракций аэрозоля.

Концентрации марганца в воздухе рабочей зоны, как и наночастиц металлов, влияли на значения ОФВ1, а также на ДСЛсо и Raw выдоха. Дижелезо триоксид был связан с такими параметрами, как ДСЛсо, Raw выдоха. Концентрации кремнийсодержащей пыли без учета размерных фракций были дополнительно связаны с ОФВ1, Raw выдоха, жизненной емкостью легких (ЖЕЛ), ООЛ/ОЕЛ.

Таким образом, в данном исследовании определены взаимосвязи воздействия наночастиц промышленных аэрозолей с особенностями воспаления и фенотипом ХОБЛ. Исходя из известных данных о функции исследованных регуляторных молекул, можно предположить, что наночастицы металлов значимо влияют на тяжесть эмфиземы (связь с ММР-9 и ФОЕ) [11], способствуют формированию эозинофильного клеточного типа воспаления (связь c интерлейкином 5) [12] и фиброобразованию через воспаление (связь с «классическими» моноцитами и PIIINР) [13, 14]. Наночастицы кремния, вероятно, влияют на фиброобразование, развитие интерстициального легочного фиброза (связь с «неклассическими» моноцитами и PIIINР и ДСЛсо, но не с ОФВ1), а также на сосудистый компонент ХОБЛ (ассоциации с sVCAM-1) [15]. Известно, что «классические» CD14+CD16- моноциты являются клетками воспаления и дифференцируются в провоспалительные М1 макрофаги, «неклассические» CD14DimCD16+ клетки участвуют в репарации и фиброобразовании и имеют высокий потенциал дифференцировки в профиброзый М2 тип макрофагов, особенно в условиях патологии [13]. Матриксная металлопротеиназа-9 участвует в протеолизе эластического каркаса легких. Увеличение концентрации данного белка нарушает баланс «протеиназы-антипротеиназы» и приводит к развитию эмфиземы [11]. Интерлейкин-5 – цитокин, обеспечивающий рекрутинг эозинофилов из костного мозга, хемотаксис в дыхательные пути, активацию и выживание [12]. N-терминальный пептид проколлагена III типа – белок, продуцируемый легочными фибробластами в процессе синтеза коллагена. Уровень PIIINP сыворотки отражает активность образования коллагена в организме, его повышенный уровень служит маркером избыточного образования интерстициальной (фиброзной) ткани [14]. Растворимая сосудистая клеточная молекула адгезии-1 – циркулирующий вариант сосудистой клеточной молекулы адгезии-1, образующийся в результате протеолитического процессинга трансмембранной молекулы. Белок эндотелиальной мембраны участвует в рекрутинге лейкоцитов из сосудистого русла в ткань при воспалении. Соответственно, уровень sVCAM-1 в крови повышается при активном вовлечении эндотелия в воспаление и его повреждении [15].

Так как «классические» моноциты и концентрация интерлейкина-5 крови были связаны с наночастицами металлов, но не с общей концентрацией металлов в аэрозоле, «неклассические» моноциты, сывороточные концентрации PIIINP и sVCAM связаны с наночастицами кремния и не зависели от общей концентрации кремнийсодержащей пыли, была проведена оценка диагностической чувствительности и специфичности данных лабораторных маркеров для диагностики ХОБЛ, развившейся в условиях воздействия аэрозолей с ненамеренными наночастицами. При значениях доли CD14+CD16-моноцитов крови 90,1–97,4% (соответствует межквартильному интервалу исследуемой когорты) и интерлейкина-5 2,1–3,1 пг/мл (соответствует ±SD исследуемой когорты) ХОБЛ сформировалась в условиях воздействия аэрозолей с наночастицами преимущественно металлов с чувствительностью 88,9% и специфичностью 81,7%, р=0,001.

При значении доли моноцитов крови CD14DimCD16+ 16,1–22,8% (соответствует межквартильному интервалу исследуемой когорты), концентрации PIIINP 83,8–102,6 пг/мл и sVCAM 39,9–56,9 пг/мл (соответствует ±SD исследуемой когорты) ХОБЛ сформировалась в условиях воздействия аэрозолей с наночастицами преимущественно кремния с чувствительностью 91,2% и специфичностью 79,2%, р=0,001.

Таким образом, данные молекулярные факторы являются перспективными маркерами диагностики ХОБЛ профессионального генеза, целесообразна дальнейшая валидация.

Заключение. Фенотип ХОБЛ был ассоциирован с химическим составом наночастиц (различался при воздействии частиц, содержащих металлы или кремний), массовой концентрацией, стажем работы. Перспективными молекулярными маркерами ХОБЛ, развившейся в условиях воздействия аэрозолей с наночастицами металлов, являются «классические» моноциты и интерлейкин-5, с наночастицами кремния – «неклассические» моноциты, PIIINP, sVCAM крови.