В процессе хозяйственной деятельности в объекты среды обитания поступает широкий спектр химических соединений, потенциально опасных для здоровья человека. Их длительное и постоянное воздействие, в том числе комбинированное, является ведущим фактором риска развития неблагоприятных последствий. Предприятия металлургического комплекса дополнительно отрицательно влияют на промышленно развитые территории городов, в первую очередь вследствие поступления пыле-газовых смесей в объекты среды обитания. Такие эмиссии характеризуются сложным химическим составом и возможным синергическим взаимодействием на фоне их аддитивных эффектов, что усиливает отрицательное влияние на человека [1].

Технологические процессы алюминиевого производства являются источником одновременной эмиссии в атмосферный воздух трех специфических компонентов — оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена. Данные химические вещества обладают выраженной политропностью токсического действия на организм человека с преимущественным поражением дыхательной, нервной, костно-мышечной и иммунной систем. Это обусловливает дополнительные медико-демографические потери, выражающиеся в росте ассоциированной заболеваемости и снижении продолжительности жизни. У экспонированного населения регистрируют многочисленные негативные эффекты со стороны здоровья, связанные с воздействием указанных аэрополлютантов [2]. Обозначенная гигиеническая проблема актуализирует разработку и внедрение таргетных технологий и программ адресных медико-профилактических мер индивидуального и группового уровня, направленных на снижение риска для здоровья, ассоциированного с аэрогенным воздействием оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена [3].

В этой связи особое внимание уделяют проактивному выявлению и углубленному анализу рисков, связанных с воздействием аэрополлютантов, а также повышению предиктивного потенциала методов ранней диагностики и профилактики негативных эффектов [3, 4]. Для обеспечения высокой достоверности и объективности результатов необходимы развитие и внедрение современных биотехнологий [5]. В настоящее время среди омиксных технологий ведущую роль играют протеомные исследования, являющиеся ключевыми для изучения физиологических и патологических процессов на клеточно-молекулярном уровне. Характеристика изменений белкового состава биосред (плазмы, сыворотки, мочи и т. д.) позволяет спрогнозировать негативные последствия на начальных этапах их формирования, до развития симптомов повреждений на клеточно-тканевом или органно-системном уровнях [6].

Следовательно, для углубления предиктивного потенциала биомаркерной диагностики требуется детальное понимание молекулярных механизмов токсичности химических веществ, в том числе таких оксидативно-стрессорных аэрополлютантов, как оксид алюминия, гидрофторид и бенз(а)пирен. Приоритетное значение приобретает изучение нарушений внутриклеточных сигнальных путей, запускающих каскад реакций окислительного стресса и митохондриальной цитотоксичности. Именно эти сдвиги лежат в основе политропного оксидативно-стрессорного действия изучаемых аэрополлютантов.

Целью работы было систематизировать и проанализировать литературные данные о комбинированном воздействии оксидативно-стрессорных аэрополлютантов на структурно-зависимые молекулярные механизмы модификации протеомного профиля.

Материалы и методы

Предметом обзора являлись публикации, размещенные в научных электронных библиотеках (базах данных eLIBRARY, PubMed, Google Scholar, Web of Science, Scopus) и содержащие сведения об исследованиях клеточно-молекулярных и ассоциированных с ними системных нарушений в организме человека в условиях комбинированного воздействия оксидативно-стрессорных аэрополлютантов на примере оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена. Поиск источников информации осуществляли по ключевым словам «белки-мишени», «алюминий», «фтор», «бенз(а)пирен», «молекулярные механизмы», «протеомный профиль», «окислительный стресс», «негативные эффекты». Критерии включения источника в обзор: результаты оригинальных исследований и обзоров, временной охват 2015−2026 гг. (более ранние работы добавляли при необходимости). Критерии исключения: отсутствие доступа к полному тексту, нерелевантность тематике исследования, тезисы конференций, а также работы, не содержащие сведений об исследованиях клеточно-молекулярных и ассоциированных с ними системных нарушений в организме человека в условиях воздействия оксидативно-стрессорных аэрополлютантов. В результате анализа из 206 литературных источников отобрали 33 публикации, которые легли в основу настоящего обзора.

Клеточно-молекулярные нарушения в организме человека в условиях воздействия оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена

Для изучения молекулярных механизмов воздействия химических веществ широко используют протеомные исследования, позволяющие выявлять таргетные точки инициации негативных эффектов на начальных уровнях их организации [7]. Полученные сведения играют ведущую роль в полном картировании неблагоприятных ключевых событий, что дает возможность своевременно определять точки расхождения между гомеостатическим равновесием и развивающимся патологическим процессом [8]. Выявление подобных переходов позволяет углубить фундаментальное понимание молекулярных механизмов отрицательного действия химических веществ, в том числе оксидативно-стрессорных аэрополлютантов (оксида алюминия, гидрофторида, бенз(а)пирена) [7, 8].

Алюминий (Al) присутствует в организме человека, однако не выполняет каких-либо известных биологических функций. В организме ионы Al³⁺, как и другие катионы металлов, взаимодействуют с карбоксильными и фосфатными группами макромолекул (белков, ДНК и РНК), а также с низкомолекулярными лигандами, нарушая их структуру и функцию. Возможные молекулярно-клеточные механизмы токсичности, индуцированные ионами алюминия, — это окислительный стресс, цитотоксичность, генотоксичность, провоспалительные эффекты, дисфункция белков и ферментов, метаболические нарушения, деструкция мембран и микротрубочек, а также некроз и апоптоз. Его токсические эффекты реализуются в основном через выраженную прооксидантную активность, которая приводит к развитию окислительного стресса, сопровождающегося атакой свободными радикалами и окислительной модификацией клеточных белков и липидов [9]. Он способен ингибировать активность ключевых антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза и глутатионпероксидаза, тем самым ослабляя естественную защиту организма и усиливая окислительное повреждение [10].

Воздействие ионов алюминия на гепатоциты проявляется угнетением выработки АТФ, ингибированием гликолиза, нарушением функции цикла трикарбоновых кислот. В результате этого происходит активация перекисного окисления липидов и окислительной модификации белков с последующим метаболическим сдвигом в сторону липогенеза в тканях. При этом блокируются основные пути продукции АТФ, а метаболические потоки перенаправляются на синтез жиров, что служит маркером выраженной митохондриальной дисфункции. Возникающий энергетический дефицит повышает уязвимость клетки к окислительному повреждению и запускает механизмы ее гибели [11]. Особого внимания заслуживает апоптотический каскад, ассоциированный с cJun N-терминальной киназой (JNK). Его активация запускает программу клеточной гибели, что объясняет способность ионов алюминия индуцировать апоптоз [12].

Помимо прямого цитотоксического и проапоптотического действия ионы алюминия обладают способностью индуцировать воспалительный ответ. При этом отмечены повышение уровня провоспалительных цитокинов IL-1β и ФНО-α, увеличение экспрессии гена TNF-α и макрофагального воспалительного белка MIP-1α. Ключевым звеном, связывающим эти эффекты, выступает окислительный стресс, который активирует сигнальные пути воспаления. Это привлекает лейкоциты к месту повреждения, после чего происходит секреция цитокинов и хемокинов. Поэтому алюминий способен запускать хронические малоинтенсивные воспалительные процессы, которые лежат в основе повреждения тканей и служат патогенетическим звеном развития негативных эффектов [13].

Токсичность фтора связана с его высокой химической и биологической активностью. Исследования с применением радиоактивных изотопов показали, что распределение данного элемента в тканях зависит от градиента рН, при этом его уровень на 10−50% ниже, чем в плазме крови. Быстрее достигаются равновесные концентрации между плазмой и хорошо васкуляризированными органами, такими как сердце, легкие и печень [14]

Влияние ионов фтора на физиологические функции и клеточный метаболизм определяется типом клеток и зависит от его содержания в организме и продолжительности воздействия. В костной ткани и зубах в микромолярных концентрациях ионы фтора стимулируют пролиферацию, тогда как миллимолярные концентрации ингибируют ее и индуцируют апоптоз, что свидетельствует о дозозависимом характере его эффектов [15]. Ионы фтора способны усиливать синтез супероксидных анион-радикалов в митохондриях остеобластов, одновременно подавляя утилизацию кислорода клетками. При этом снижается синтез супероксиддисмутазы, каталазы и глутатионпероксидазы. Такой дисбаланс приводит к накоплению свободных радикалов, развитию окислительного стресса и повреждению клеточных структур [16].

Особое значение для патогенеза токсического действия фтора имеет митохондриальная цитотоксичность, приводящая к падению трансмембранного потенциала и формированию гигантских пор в наружной мембране [17]. Следствием таких изменений становятся набухание митохондриального матрикса, разрыв наружной мембраны и высвобождение цитохрома C из межмембранного пространства в цитозоль. Это приводит к угнетению дыхательной цепи и подавлению синтеза АТФ, что, в свою очередь, усиливает генерацию АФК, при этом активируется окислительное повреждение. Кроме того, нарушение барьерных свойств мембраны под влиянием ионов фтора индуцирует апоптоз в различных тканях [14, 18].

Длительное воздействие соединений фтора является значимым фактором риска развития кардиометаболических нарушений, включая артериальную гипертензию и дислипидемию [19]. Фтор способен вызывать изменения концентрации гормонов, регулирующих функцию щитовидной железы (ТТГ, Т₃ и Т₄). Динамика их уровня носит сложный, разнонаправленный характер и определяется продолжительностью экспозиции. Поскольку тиреоидные гормоны являются ключевыми регуляторами окислительно-восстановительных процессов и основного обмена, их дисбаланс нарушает энергетический метаболизм, что вносит существенный вклад в развитие системных патологий и снижает адаптационные резервы организма [20].

Бенз(а)пирен является одним из наиболее изученных представителей полициклических ароматических углеводородов, что обусловлено его цитотоксическими и мутагенными свойствами. Липофильная природа данного соединения способствует накоплению и длительному депонированию вещества в жировой ткани. Метаболическая активация преимущественно осуществляется в печени, где содержится наибольшая концентрация ферментов для его биотрансформации. В ходе этого процесса образуются реакционноспособные интермедиаты, ковалентно связывающиеся с ДНК, белками и липидами, что инициирует каскад внутриклеточных повреждений [21]. Бенз(а)пирен и его метаболиты вызывают транскрипционную репрессию генов MSH2, MSH6 и EXO1, участвующих в системе репарации ДНК. Снижение ее эффективности способствует поддержанию фенотипа старения, ассоциированного с накоплением окислительных повреждений [22].

Помимо прямого генотоксического действия бенз(а)пирен индуцирует окислительный стресс, нарушает регуляцию клеточной пролиферации и вмешивается в функционирование ключевых сигнальных путей [22]. Это приводит к перестройкам в профиле экспрессии генов, последствия которых в полной мере реализуются на уровне протеома. Воздействие токсиканта вызывает комплексные изменения, в том числе ремоделирование цитоскелета, активацию протеолитических систем и нарушения в сигнальных путях MAPK [23]. Исследования подтверждают дозозависимый характер клеточных ответов на различные концентрации бенз(а)пирена, что обусловлено сложными многоуровневыми перестройками сигнальных каскадов, включая посттранскрипционные, посттрансляционные и эпигенетические механизмы регуляции [24].

Известные механизмы комбинированной токсичности оксида алюминия, бенз(а)пирена и гидрофторида

Оценка комбинированного действия химических веществ, одновременно присутствующих в объектах среды обитания, представляет собой одну из основных проблем современной гигиены и токсикологии. В реальных условиях аэрогенной экспозиции человек подвергается не изолированному, а комбинированному воздействию широкого спектра химических веществ при их одновременном присутствии. При этом могут наблюдаться новые эффекты, которые не регистрируются при наличии аддитивного эффекта воздействия отдельных компонентов. Изучение закономерностей совместного действия нескольких веществ, анализ и характеристика их комбинированной токсичности лежат в основе методологических подходов к оценке связанных с этим рисков для здоровья населения, ассоциированных с многокомпонентным химическим загрязнением среды обитания [25].

Комбинированное воздействие бенз(а)пирена и оксида алюминия на организм человека представляет особую опасность для здоровья. Наиболее уязвимой к данному воздействию является нервная система. Бенз(а)пирен способен вызывать прямое повреждение нервных клеток и нейровоспаление, в то время как алюминий признан нейротоксикантом, способным накапливаться в тканях головного мозга и вызывать нарушения различной степени выраженности — от когнитивных до нейродегенеративных [26, 27]. Экспериментальные данные демонстрируют, что при их комбинированном воздействии наблюдаются классические признаки апоптоза нейронов — пикнотическая ядерная мембрана с конденсированным хроматином, расположенным по периферии, формирование межклеточных щелей и появление апоптотических телец. Выраженность данных изменений при комбинированном действии превышает таковую при изолированном действии каждого из них, что свидетельствует о синергическом типе комбинированной токсичности для центральной нервной системы [28].

При одновременном поступлении в организм алюминий и фтор вступают во взаимодействие и образуют устойчивые комплексы AlF₃ и AlF₄^-. Благодаря структурному сходству в организме они могут действовать аналогично фосфатным группам, что позволяет им свободно проникать через биологические барьеры в различных органах и тканях и активно вмешиваться в ключевые процессы. При этом их стабильность и биодоступность зависят от величины рН и концентрации исходных элементов [29]. Наиболее явно данный механизм проявляется при воздействии на костную ткань, что подтверждено рядом экспериментов in vitro. При культивировании клеток остеобластов в среде, содержащей NaF и AlCl_3, выявлен синергический эффект данных соединений. Их действие усиливало экспрессию ключевых факторов транскрипции Runx2 и Osterix, отвечающих за ранний остеогенез и последующую минерализацию костей [30]. Наряду с прямым воздействием на остеобласты комбинированное действие алюминия и фтора оказывает значительное влияние на процессы костной резорбции. На первичной культуре макрофагов костного мозга показано, что AlF₄^- выступает в роли активатора G-белков, запуская внутриклеточные сигнальные каскады, способные усиливать RANKL-опосредованный остеокластогенез. Поскольку RANKL представляет собой ключевой цитокин, стимулирующий процесс образования и активности остеокластов, его гиперэкспрессия под действием AlF₄^- приводит к усилению костной резорбции и потере костной массы [29, 31].

В доступной литературе сведения о характере комбинированного действия фтора и бенз(а)пирена ограничены. Результаты квантово-химического моделирования свидетельствуют о том, что фторзамещение дестабилизирует ключевые промежуточные продукты (карбокатионы), образующиеся в процессе метаболической активации бенз(а)пирена. Данный молекулярный механизм позволяет обосновать наблюдаемое снижение его канцерогенного потенциала при воздействии соединений фтора [32].

Информация о комбинированном действии повышенных концентраций алюминия, фтора и бенз(а)пирена в организме на молекулярные мишени практически отсутствует в доступной литературе. Тем не менее, теоретический анализ с учетом вышеупомянутых молекулярных механизмов каждого из трех аэрополлютантов позволяет предположить наличие аддитивного синергического эффекта, реализуемого через инициацию системного окислительного стресса. Подобное взаимодействие веществ может приводить к глубокой модификации внутриклеточных структур, деструкции ключевых белков и нарушению целостности клетки, что определяет высокий риск формирования повреждений тканей органов и систем впоследствии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ литературных данных показал, что токсические эффекты оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена в первую очередь реализуются через инициацию окислительного стресса. На молекулярно-клеточном уровне ионы алюминия ингибируют антиоксидантные ферменты и индуцируют митохондриальную дисфункцию. В свою очередь, ионы фтора усиливают продукцию активных форм кислорода и нарушают работу дыхательной цепи. Бенз(а)пирен способен образовывать реакционноспособные метаболиты и блокировать репарацию неспаренных оснований ДНК. При этом комбинированное действие данных веществ в организме имеет синергический характер, что указывает на усиление негативных эффектов относительно изолированного действия.

Использование современных протеомных исследований позволяет выявлять ранние негативные эффекты и связанные с ними патологические процессы, что расширяет возможности прогнозирования и профилактики риска развития неблагоприятных последствий. Аналитическое обобщение имеющихся данных на примере оксида алюминия, гидрофторида и бенз(а)пирена обосновывает необходимость дальнейшего углубленного изучения молекулярных механизмов токсического действия аэрополлютантов. Оно позволит внедрить интегративные подходы к оценке риска для здоровья населения, проживающего в условиях аэрогенного комбинированного загрязнения химическими веществами.