Эко-бюллетень ИнЭкААрхив№ 1 (84) > НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Стабильные изотопы как маркер для определения биологического возраста человека и степени загрязнения окружающей среды

МИХАЙЛОВА Л. П.,
ФРИДМАН Ю. М.,
ИГНАТОВИЧ Н. В.,
Научный Центр Клинической и Экспериментальной Медицины СО РАМН

Активное освоение Сибири и Крайнего Севера, развитие промышленности, разработка природных месторождений приводит к возникновению ряда проблем экологического характера, которые связаны с загрязнением среды, с утяжелением условий существования человека в этих регионах и вследствие этого потерей здоровья.

Исследование воздействия неблагоприятных факторов внешней среды на организм человека, особенно в промышленных зонах, проводится в основном клиническими, биохимическими и морфологическими методами. Исследования же на молекулярном уровне позволяют получить информацию на уровне молекулярно-адаптивной регуляторной функции.

Систематическое изучение биологического круговорота веществ и его роли в развитии биосферы начато довольно давно (В. И. Вернадский, 1926; Э. М. Галимов, 1981). Уникальным инструментом для изучения в живом веществе биологических циклов оказался метод стабильных изотопов.

Ядро каждого химического элемента, как известно, имеет постоянное число протонов (например, водород - 1, кислород - 8, сера - 16, углерод - 6), но в большинстве химических элементов в таблице Д. И. Менделеева обнаружено разное количество нейтронов.

Такие атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов, называют изотопами. Соответственно, изотопы одного и того же элемента различаются по массе, например, изотоп S34 на 4 нейтрона тяжелее изотопа S32. Природное распространение их также различно: S32= 95,1 %, S34 = 0,74 % , естественное распространение изотопов углерода С12= 98,89 %, С13= 1,11 % (из таблиц Кларка).

Представление о биологическом фракционировании изотопов углерода в живом организме вытекает из современного понимания механизмов метаболических реакций цикла Кребса.

Фракционирование является очень чувствительным индикатором к изменениям химического окружения, количеству и силе связей в молекуле, ее химическому потенциалу, температуре, при которой протекает реакция.

Биологическое фракционирование стабильных изотопов заключается в том, что в живых организмах наблюдается обогащение изотопом углерода (С13) по отношению к содержанию этого изотопа в углекислом газе вдыхаемого воздуха. Появление его связано с так называемым нормальным кинетическим изотопным эффектом, в соотношении с которым скорость химических реакций возрастает при участии более легких атомов. В ферментативных биохимических реакциях могут возникнуть также термодинамические изотопные эффекты, с которыми связано накопление тяжелых изотопов при увеличении энергии химической связи.

Под изотопным составом понимают относительную распространенность изотопов данного элемента, выраженную обычно в виде отношения мало распространенного изотопа к наиболее распространенному Д/Н С1213, S32/S34, O16/O18 и т. д.

На основе явления биологического фракционирования стабильных изотопов углерода, кислорода и серы нами предлагается методика получения количественной характеристики степени загрязнения окружающей среды и ее воздействия на организм человека путем масс-спектрометрического определения соотношения изотопов углерода и серы в организме человека. Это позволяет оценить экологическое состояние окружающей среды и здоровье человека в норме и патологии (атеросклероз, гипертоническая болезнь, катаракта и др.). Степень биологического фракционирования стабильных изотопов предлагается рассматривать в качестве биологического маркера состояния здоровья человека и степени загрязнения окружающей среды.

В результате технической деятельности человека в зонах наибольшего экологического напряжения имеет место смещение изотопного состава воздуха, почвы, воды и, как следствие этого, изменение изотопного состава в продуктах питания (Галимов Э. М., 1987).

Полученные результаты показали (Казначеев В. П, Ржавин А. Ф., 1987 ), что патологические процессы (атеросклероз, катаракта, СКВ, ССД) действительно характеризуются накоплением легкого изотопа, свидетельствующим об отклонении от равновесия, присущего биосистеме в норме. Таким образом, имеется очевидное несоответствие между современными представлениями о жизни как неравновесном процессе по данным изотопии. Такое несоответствие может указывать на глубокое отличие ферментативных процессов в живом организме при адаптивном напряжении.

Возникает вопрос: «Является ли наблюдаемый эффект изотопической трансмутации следствием процессов естественного старения человеческих тканей или в результате нарастающего относительного дефицита фракций углерода С13?».

Было сделано предположение, что длительное действие повреждающих факторов, вызывающих физико-химические механизмы нарушения адаптационно-регуляторных функций на уровне организма найдут свое отражение в биологическом фракционировании стабильных изотопов углерода как при естественном старении организма, так и действии повреждающих факторов - гелиогеофизических, природного газа месторождений и таких, как длительное действие низких температур и т. д.

Результаты исследований, проводимых нами, показали. что у людей, проживающих как на Крайнем Севере (Надым, Ямбург), так и в средней полосе (Магнитогорск, Астрахань), работающих на газовых промыслах и на предприятиях тяжелой металлургии в условиях высокой загазованности, и (или) изменением температурных режимов, имело место систематическое снижение содержания изотопа С13 (Михайлова Л. П., Ржавин А. Ф., 1995), по сравнению с нормой (эталоном).

Цель работы:

Получить методом масс-спектрометрии количественную характеристику биологического фракционирования стабильных изотопов у человека, оценить состояние здоровья человека в норме и патологии, включая раннее старение, по изменению соотношения легких и тяжелых изотопов углерода и серы в тканях человека по возрастной шкале, стажу работы и месту проживания, под воздействием окружающей среды, в неблагоприятных экологических условиях.

Объектом исследования являлся человек, предметом исследования - уникальные, как инструмент для изучения живого вещества, биохимические циклы стабильных изотопов углерода, серы.

По-видимому, в нормальных условиях существования человека наблюдаемый эффект изотопического фракционирования является следствием старения человеческих тканей, а в тяжелых экологических условиях - нарастающий относительный дефицит тяжелых фракций углерода может быть показателем биологического времени и появления раннего старения организма.

Работы Галимова Э. М., Варшавского Я. М., 1989 , Ржавина А. Ф., 1988, и полученные нами данные (1995-96) дают основание предполагать, что такие физические процессы, как старение, предболезнь и т. д., будут протекать быстрее, т. е. биологический возраст будет опережать паспортный, что должно отразиться на фракционировании стабильных изотопов углерода, серы в тканях организма человека.

В норме, с увеличением паспортного возраста человека возрастает атеросклеротическое поражение организма, при этом масс-спектрометрическое определение отмечает незначительное плавное снижение содержания изотопа С12 в образцах ногтей. Для получения возрастного распределения биологического фракционирования были проведены измерения 20 образцов ногтей от людей в возрасте от 5 до 70 лет. В интервале величины С13 от -20,1 промилле до 23,5 промилле была получена плавная кривая фракционирования изотопов углерода в зависимости от возраста, которая в дальнейшем использовалась как контроль. Таким образом, кривая фракционирования изотопов углерода С13, полученная масс-спектрометрически из образцов ногтя человека, может являться интегральным показателем энергетической напряженности всех обменных процессов (выражающихся в скорости реакций, участвующих масс, химическом потенциале и т. д.) в организме человека.

Для исследования использовался материал тканей ногтя людей исследуемых групп. Ногтевую полоску 1х2 мм отсекали ножницами у людей без видимой грибковой патологии, после чего следовала длительная схема простого промывания образцов с применением ДТА, спирта, акустической обработки и вакуумной сушки. Нативный образец массой 0,1 г помещали в циркуляционный реактор для окисления в чистом кислороде. Полученный диоксид углерода криогенно очищали от посторонних примесей и подавали в масс-спектрометр для анализа.

Изотопный состав определяли по общепринятой методике на масс-спектрометре фирмы Finnigan MAT-DELTA. Содержание С13 определяли по лабораторному стандарту Д-1, С13=25, точность определения 0,01.

Были проведены исследования в г. Надыме, пос. Ямбург и на о. Диксон, г. Новосибирске.

Для определения биологического возраста людей, работающих в условиях Крайнего Севера, нами были сформированы 3 группы из жителей г. Надыма и работников Надым Газпрома.

Первая группа - молодые призывники 18 лет - 8 человек.

Вторая группа - медработники в возрасте от 46 до 60 лет - 20 человек.

Третья - работники Надым Газпрома в возрасте от 36 до 45 лет - 23 человека.

В группы выбирались люди, не имеющие явных признаков хронических патологий. У каждого отстригались ногти на руках, пакеты с ногтями шифровались, по слепому методу проводился изотопный анализ по углероду.

Из работ, выполненных нами ранее, следует, что с возрастом в норме идет линейное снижение концентрации тяжелого изотопа С13 от величины = -21 0/00 до -24 0/00, таким образом, отклонения от этой зависимости свидетельствует об аномальном фракционировании изотопа, вызванного ранними склеротическими и патологическими процессами.

В первой группе из 8 обследованных у 3-х уже отмечается, хотя незначительное, но отклонение в соотношении стабильных изотопов (-22,4 0/00 и -23,2 0/00), т. е. уже в подростковом возрасте необходимо провести изотопические исследования и выделить группу риска, которая должна находиться под врачебным наблюдением. Этим, видимо, и объясняется большое количество подростков 16-18 лет с юношеской гипертонией в г. Надыме.

У работников Надым Газпрома, находящихся в тяжелых климатических и физических условиях, биологический возраст не соответствует паспортному - выше, 10 человек, которые должны также быть выделены в группу риска. Те же данные были получены и у медработников медсанчасти г. Надыма (-23,4 0/00 -24,0 0/00).

Необходимо также отметить, что у работников Надым Газпрома биологический возраст несколько больше, чем у медработников, напрямую не связанных с тяжелым физическим трудом в экстремальных холодных условиях. Примерно у 19 работников необходимо срочно провести дополнительное обследование на выявление ранних склеротических процессов.

В экспериментах на Диксоне, Надыме и Ямбурге проведены масс-спектрометрические исследования (критерий биологического возраста).

На Диксоне набран материал от 70 человек. Две группы рабочих подобраны по возрасту и стажу по 25 человек (от 1 до 5 лет, и от 5 до 10 лет стажа) и одна группа населения, проживающего в г. Новосибирске, взята в качестве контроля. Материалом исследования являлись образцы тканей ногтя людей в возрасте 36-40 лет, проживающие на о. Диксон не менее 5 лет и 10 лет. Результаты исследования показали, что у людей на Крайнем Севере по сравнению с нормой (г. Новосибирск) имело место систематическое снижение изотопа С13, что особенно просматривается у лиц, проживших на Севере 10 лет. В материале, взятом от них, степень фракционирования возросла до -27,45 0/00 при норме -23,55 0/00 (т. е. -3,9 0/00)

На Ямбурге при обследовании вахтовиков взят материал (ногти) для определения биологического возраста от 16 человек, которые разделены на две возрастные группы: 1-ю составляли лица в возрасте 28-34 года, 2-ю в возрасте 35-47 лет, и 1 человек в возрасте 57 лет.

На Ямбурге в возрастной группе (28-34 г) со стажем работы до 5 лет обнаружено нарушение соотношения стабильных изотопов С1213 только у 1 человека, перенесшего болезнь Боткина.

В группе с 34 до 47 лет нарушение соотношения с уменьшением изотопа С13 у 6 человек, из них у 5-ти человек отмечается повышение артериального давления, т. е. гипертоническая болезнь.

Это все рабочие, имеющие стаж работы на газонефтяных промыслах на Крайнем Севере не менее 8 лет и до 19 лет, у 4 человека из 5-ти, больных гипертонией, отмечается раннее склерозирование и ранее старение организма.

В исследуемой группе при одном и том же паспортном возрасте величина изотопа С13 в указанном соотношении разная, идет его потеря у 4 человек, которые выделены в группу риска. По нашему мнению, здесь идут процессы раннего склерозирования, а затем нарушения биологического возраста. Такие рабочие должны получать профилактическую помощь в виде протекторов (антиоксидантов, антитоксикантов), витаминов, бальзамов и т. д., повышающих адаптивные процессы организма.

Люди, занятые в металлургической промышленности (Магнитогорск), подвержены влиянию двух основных повреждающих факторов - это перегрев организма и хроническое поглощение вдыхаемым воздухом летучих органических веществ, окислов серы, щелочи, окиси азота и др.

В нормальном здоровом организме человека имеется определенное соотношение легкого и тяжелого изотопа углерода С1213. В какой-то момент наступает дезадаптация, с ее наступлением идет потеря тяжелого изотопа С13. С этого момента организм не в состоянии поддерживать репарационные процессы, это приводит к раннему склерозу (с его различными проявлениями впоследствии), что и прослеживается в наших измерениях стабильных изотопов с явлением фракционирования в сторону С12. Чем больше стаж работающего, тем выше фракционирование в эту сторону и тем больше может быть несоответствие паспортного возраста работника его биологическому возрасту.

Для подтверждения гипотезы о влиянии воздействия повреждающих факторов на фракционирование изотопов углерода была обследована группа людей, работающих более 10 лет на калибровочном заводе г. Магнитогорска и сформированы 3 возрастные группы и одна контрольная из неработающих в горячем цехе (см. табл.):

  • неработающие в цехе (контроль), N=5
  • работающие в цехе 5 лет, N=7
  • работающие в цехе 10 лет, N=7
  • работающие в цехе более 10 лет, N=7

Каждый полученный результат сравнивался с возрастным контролем людей, не связанных с профвредностью. Установлено, что при одном и том же паспортном возрасте величина биологического фракционирования у людей, занятых в цехах, выше от нормы на 1,8 0/00; с увеличением стажа работы эта величина растет.

Таблица
№№
групп
Паспортный возрастВеличина фракционирования Т (0/00)
контр. группаисслед. группа
1.30-3920,120,3
2.30-3920,121,8
3.42-4822,825,7
4.51-5423,529,4

Использование метода масс-спектрометрии биологического фракционирования изотопов как маркера загрязнения окружающей среды

В условиях экономических взаимоотношений между предприятиями и государственными службами охраны окружающей среды и здоровья населения возникают проблемы идентификации и определения степени воздействия промышленных производств на экологию. Безальтернативным методом маркерного количественного определения внедрения техногенных факторов (в виде выбросов технической пыли, газов, стоков) в экосистему и организм является масс-спектрометрический метод идентификации изотопного состава. Сравнение изотопного состава промышленного выброса и наличие техногенных продуктов в организме, почве, растениях дает точный ответ на вопрос «Кто виноват?» и возможность определения степени вины в конкретных суммах.

На основе явления биологического фракционирования стабильных изотопов углерода и серы нами предлагается методика получения количественной характеристики степени загрязнения окружающей среды. Целью работы являлось изучение влияния выбросов промышленных предприятий на окружающую среду - почву, фауну, флору.

Нами проведены исследования по выявлению изотопа S32 как маркера загрязнения окружающей среды, находящегося в промышленных выбросах определенных производств (газовые промыслы Астрахани, металлургической промышленности Магнитогорска, Надыма, Диксона).

При изучении доступной литературы практически не было встречено данных по стабильным изотопам серы в органах теплокровных животных. Актуальность подобной работы, на наш взгляд, определяется ее экологической направленностью.

В животных и растениях сера встречается преимущественно в восстановленной форме в виде остатков сероводорода, в составе серосодержащих аминокислот и их производных, трипептида глутатиона и других. В окисленном состоянии в виде сульфат-иона содержится в мукополисахаридах, таупине, эфиросерных соединениях.

Сера, в основном, находится во всех живых организмах в виде стабильного изотопа S32, а изотоп S34, находящийся в клетках и тканях организма, составляет менее 1 % от общей серы. Общее ее количество в тканях животных и растений сильно варьирует - от десятых долей процента до 9 % в пересчете на сухую массу.

Исследования проводились на Астраханском газовом месторождении, для которого характерно содержание в газе большого количества изотопа S34, что явилось основанием для использования его в качестве маркера. Исследовали содержание изотопов в тканях печени и почек белых крыс как в норме (Астраханский заповедник), так и находившихся в условиях серосодержащей атмосферы газоперерабатывающего завода, а также в г. Астрахани.

Проведенные исследования показывают, что у крыс, находящихся в атмосфере завода, произошло утяжеление по изотопу S34 содержащейся серы в печени и почках за счет техногенной компоненты S=6,5 %, по сравнению с нормой S=5,5 % . В образцах печени животных в группах Астраханского заповедника и города изотопного сдвига не обнаружено.

При исследовании почвы в районе Астраханского заповедника и г. Астрахани, по изотопу S34 были получены результаты, которые четко показали зону воздействия выбросов завода на расстоянии 16 км в сторону Астрахани. Был выдан соответствующий протокол, в котором указано, что газоконденсатный комбинат не имеет никакого отношения к загрязнению окружающей среды г. Астрахани, т. к. отстоит от него на 60 км, но загрязняет окружающую среду нескольких поселков (по розе ветров), находящихся в указанной 16-ти километровой зоне.

Проведенные исследования по определению содержания вышеуказанных изотопов серы в растениях 17 видов, взятых вокруг завода на расстоянии 6 км от завода, показали наличие изотопа S34 в 11 видах, что указывает на загрязнение почвы.

В печени и почках суслика, находившегося в 16-ти километровой зоне выброса, также обнаружено наличие этого изотопа.

При исследовании почвы и растений по маркеру углерода С1213 на Ямбурге мы обнаружили увеличение легкого изотопа С12 в растениях (органике), по сравнению с растениями, взятыми в Новосибирске, а в почве произошло разделение пробы на песок и почву. В почве легкого изотопа углерода С12 больше 35,5 %, чем в песке - 25,8 %, а в почве г. Новосибирска - 22 %.

Заключение

Разработанный метод определения критериев биологического возраста по соотношению стабильных изотопов углерода дает возможность решения вопросов состояния здоровья человека, а вместе с тем и вопроса трудоустройства, решения вопросов трудорезервов, проведения профилактических, терапевтических и организационных мероприятий. Метод дает интегральную характеристику по типу адаптационной способности организма человека при неблагоприятном воздействии окружающей среды и позволяет дифференцировать нозологические формы заболеваний адаптивного напряжения (гипертоническая болезнь, склероз и т. д.), соответственно назначать корректирующую терапию посредством подбора протекторов.

В современной социально-гигиенической ситуации, сложившейся в стране, и неспособности нашей медицины охватывать большие группы населения полноценным профосмотром, особенно в отдаленных районах со слабо развитой инфраструктурой, важна разработка таких методов диагностики ранних патологических отклонений в организме человека, с помощью которых ее можно проводить быстро и эффективно, что позволило бы своевременно и более экономично оказывать корректирующее воздействие на население этих районов.

По-видимому, в нормальных условиях существования человека наблюдаемый эффект изотопического фракционирования является следствием естественных процессов старения человеческих тканей. В тяжелых экологических условиях нарастающий относительный дефицит тяжелых фракций углерода может быть первопричиной изменения биологического времени и появления раннего старения организма.

Метод биологического (метаболического) фракционирования стабильных изотопов углерода, серы оказался уникальным инструментом для изучения живых организмов, поскольку обеспечивает необходимой информацией биологов и экологов, помогает дифференцировать антропогенные нагрузки.

Стабильные изотопы нашли широкое применение в медицине, контроле качества продуктов и даже криминалистике.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Галимов Э. М., Генералов В. Н., Богачева М. П., Ширинский В. Г. Исследования распределения изотопов углерода в биогенных соединениях.- М., 1981.- С. 189-203.
  2. Галимов Э. М. Природа биологического фракционирования изотопов.- М., Наука, 1987.- С. 246.
  3. Казначеев В.П.,Ржавин А.Ф. Фракционирование изотопов углерода в тканях человека при атеросклерозе.- Журн. «Бюлл. Эксперим. Биологии», 1987, № 9.- С. 295.
  4. Варшавский Я. М. Термодинамическая и кинетическая особенность химических реакций изотопного обмена. Т.XXVI , вып., 13, 1989, Успехи химии Галимов Э.М. Геохимия углерода // Природа (Москва), 1993, № 3.- С. 9-13.
  5. Ржавин А. Ф., Михайлова Л. П. Определение биологического возраста по соотношению стабильных изотопов углерода у человека в различных экологических условиях Крайнего Севера. 2-я Межд. научно-практ. конф. «Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых и нефтяных месторождений в Арктических регионах».- Надым, 1995.
  6. Ржавин А. Ф., Михайлова Л. П., Игнатович Н. В. Оценка степени биологического фракционирования изотопов как количественный маркер воздействия окружающей среды на организм человека и показатель патологических нарушений. - Бюллетень. Сибирского. Отделения РАМН. - 1996. - № 1.
  7. Михайлова Л. П., Фридман Ю. М. Оценка степени биологического фракционирования изотопов как количественный маркер воздействия окружающей среды на организм человека и показатель патологических нарушений. Науч.-практ. конф. «О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири».- Новосибирск, 1996.
  8. Михайлова Л. П., Фридман Ю. М., Игнатович Н. В. Assessment of influence degree of environmental ecological factors on a human according to a biological fractionation marker of stable carbon and sulphus isotopes 10-th International Congress on Circumpolar Health., Anchorage, Alaska, U.S-A., May 9- 24, 1996.
 
ПОИСК ПО САЙТУ
© 2001-2017 ООО «ИнЭкА-консалтинг»
Контакты ИнЭкА:
+7 3843 720575
720579
720580
ineca@ineca.ru
создание сайтов