Аэрогенная экспозиция никелем и фенолом и особенности иммунного ответа, опосредованного иммуноглобулинами класса Е и G

Наблюдаемые в последние 20 лет высокий уровень урбанизации, существенные темпы индустриализации и глобальный рост населения, в значительной степени обусловливающие антропогенное загрязнение окружающей среды, повышают риск развития аллергопатологии [1]. По данным Всемирной организации по аллергии (WAO), аллергические заболевания диагностированы у 30–40 % населения мира. По статистическим наблюдениям аллергией страдают в большей мере дети и лица молодого возраста [2].

Гиперчувствительность к химическим веществам техногенного происхождения при их ингаляционном поступлении в организм является достаточно распространенным нарушением в работе иммунной системы. Так, показано гаптен-ассоциированное повышение концентрации антител класса G к фенолсодержащим аддуктам у детей дошкольного возраста и обучающихся различных классов, ассоциированное с избыточным содержанием фенола в крови [3, 4]. В условиях аэрогенной экспозиции

Зайцева Нина Владимировна – академик РАН, доктор медицинских наук, профессор, научный руководитель (e-mail: ; тел.: 8 (342) 237-25-34; ORCID: .

Долгих Олег Владимирович – доктор медицинских наук, заведующий отделом иммунобиологических методов диагностики (e-mail: ; тел.: 8 (342) 236-39-30; ORCID: .

Дианова Дина Гумяровна – доктор медицинских наук, старший научный сотрудник отдела иммунобиологических методов диагностики (e-mail: ; тел.: 8 (342) 236-39-30; ORCID: .

фенолом и формальдегидом обнаруживаются только специфические IgE к формальдегиду [5]. Однако выявлена прямая зависимость между повышением концентрации бисфенола С (BPS) в организме и специфическим IgE к BPS у женщин с бронхиальной астмой [6]. По сравнению с мужчинами, женщины и дети в большей степени подвержены воздействию фенола и его производных [7]. Показана способность фенола вызывать девиацию иммунного ответа в сторону Th2, установлена тропность к арилуглеводородным и эстрогеновым рецепторам [3]. Ряд авторов диагностировали нарушения со стороны респираторного тракта (одышка, хрипы) у детей дошкольного возраста, обусловленные экспозицией фенола, однако связи с возникновением бронхиальной астмы не выявили [8]. В то же время другие исследователи обнаружили зависимость между развитием бронхиальной астмы и фенолом, поступающим ингаляционным путем, у взрослых пациентов [9]. Отмечено, что системное воздействие фенола детерминирует нарушение репродуктивной функции [10], развитие метаболического синдрома [11]. Фенол с высокой степенью вероятности способен откладываться в жировой ткани, которая запускает процесс воспаления через гиперпродукцию цитокинов, в итоге совокупность данных эффектов увеличивает риск развития аллергии. Показано, что частота высокопозитивного IgE - ответа на аэроаллергены в 3 раза выше у пациентов с ожирением [6]. Независимо от способа поступления, максимальные значения многих фенольных соединений обнаруживаются в моче, более низкие концентрации – в сыворотке крови, грудном молоке, что объясняется максимальным выведением фенолов через почки [6]. Фенол имеет относительно короткий период полувыведения. Однако устойчивое воздействие в определенной степени предполагает относительно одинаковое содержание фенолсодержащих соединений в биосредах в течение длительного времени, что допускает однократную оценку уровня фенола в организме [6]. Переходные металлы – железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), кобальт (Co), марганец (Mn) и никель (Ni) – относятся к жизненно необходимым микроэлементам и входят в состав многих ферментов, участвующих в фундаментальных биологических процессах. Показано влияние никеля на показатели врожденного и адаптивного иммунитета при формировании ответа на пищевой аллерген, аэроаллерген [12]. Доказана способность никеля изменять метаболизм других металлов [13]. Также никель является адъювантом для других металлов [13]. Проникновение никеля через дыхательные пути вызывает фиброз легких, рак трахеи, гортани и легких, воспалительные неинфекционные заболевания органов бронхолегочной системы, сердечно-сосудистую патологию, поражения почек, дисфункцию иммунной системы, обусловливает его отложение в головном и спинном мозге, легочной ткани и сердечной мышце [12–14]. Ряд исследователей утверждают, что ингаляционное поступление никеля служит причиной развития астмы и риноконъюнктивита, вместе с тем другими авторами не установлено такой связи. Однако отмечено, что распространенность бронхиальной астмы коррелировала с возрастом и увеличивалась во время полового созревания [14]. В период ранней взрослости (20–40 лет) распространенность никель-ассоциированной сенсибилизации является максимальной, а затем отмечается снижение данного показателя. Установленная тенденция объясняется снижением гиперреактивности иммунной системы с возрастом. Аллергия на никель чаще встречается у женщин, чем у мужчин (15,7–22,9 и 4,3–6,65 % соответственно) [13]. Никель обладает высоким аллергенным потенциалом, в ряде случаев выступает в качестве иммунотоксического и канцерогенного агента [13]. Аллергический контактный дерматит на никель развивается у 10–20 % населения [15]. Повышение в биосредах (сыворотка крови, бронхиальный секрет) концентрации IL-6, IFN-γ и TNF-α, IL-2 отмечено в условиях контаминации никелем [16]. Проникновение никеля в организм через кожу или дыхательную систему вызывает развитие аллергической реакции I типа и IV типа, опосредованной реагинами и аллерген-специфическими Т-лимфоцитами [17]. Однако механизмы возникновения аллергической реакции очень сложны, и точные механизмы аллергии на никель остаются до конца не выясненными [14]. Ряд авторов утверждают, что только никель и хром из переходных металлов являются аллергенами [18–20]. Никель и марганец могут входить в состав взвешенных частиц, последние имеют пористую поверхность и электростатические свойства, вследствие чего происходит их взаимодействие с аэроаллергенами и развитие специфической иммунной реакции [16, 21–23]. В экспериментальных моделях in vitro и in vivo установлено, что марганец и никель повышают экспрессию HLA - молекулы II класса, CD86-антигена, CD23-антигена и продукцию Тh2-цитокинов, обусловливающих интенсификацию процесса сенсибилизации и аллергического воспаления [24, 25].

Таким образом, распространенность аллергических заболеваний и зависимость их динамики от интенсивности антропогенного воздействия на окружающую среду, наблюдаемые в последние десятилетия, подтверждают необходимость поиска и применения усовершенствованных диагностических методологических подходов для своевременной идентификации степени чувствительности к загрязнителям окружающей среды у различных возрастных групп населения. Разработанные подходы в последующем обеспечат эффективность лечебно-профилактических мероприятий и снизят риск развития аллергической реакции на антропогенные факторы, в том числе и на техногенные химические факторы.

Цель исследования – выполнить оценку формирования IgЕ-опосредованного и IgG-опосредованного специфического иммунного ответа на по- ступление в организм ингаляционным путем низкомолекулярных химических соединений (на примере никеля и фенола).

Материалы и методы. Медико-биологические исследования выполнены согласно требованиям, изложенным в Хельсинкской декларации ВМА (1964, 2013), при наличии индивидуального письменного информированного согласия на обследование и обработку персональных данных. Всего, включая группы сравнения, обследовано 304 взрослых (30–45 лет) и детей (от 3 до 7 лет), проживающих на различных по антропогенной нагрузке территориях Восточной Сибири. Критерии включения в исследование: проживание не менее пяти лет на исследуемых территориях, отсутствие острых инфекционных заболеваний не менее чем за две недели до начала исследования. Критерий исключения: участие в другом исследовании. Группы наблюдения – дети ( n = 99) и взрослые ( n = 57), проживающие в жилой застройке в зоне влияния аэрогенной экспозиции выбросов предприятия цветной металлургии: фенол, никель (территория наблюдения). Группы сравнения – дети ( n = 95) и взрослые ( n = 53), проживающие в условиях отсутствия аэрогенного воздействия данных химических соединений (территория сравнения). Сопоставление результатов отобранных проб с нормативами качества атмосферного воздуха выявило: на территории наблюдения концентрация никеля составила 0,03 ПДК сс , фенола – 0,68 ПДК сс ; на территории сравнения – никеля – 0,02 ПДК сс , фенола – 0,22 ПДК сс . Химический анализ крови у детей включал количественное определение содержания фенола методом газовой хроматографии в соответствии с МУК 4.1.2102-4.1.2116-064¹ на капиллярном газовом хроматографе «Кристалл 2000» (ЗАО СКБ «Хроматэк», Россия). Измерение содержания никеля в биосредах (кровь) выполнено методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ISP-MS) на масс-спектрометре Agilent 7500сх в соответствии с МУК 4.1.3230-14². Оценку содержания фенола и никеля в биосредах групп наблюдения детского и взрослого населения выполняли относительно показателей, установленных в соответствующих группах сравнения.

Уровень IgG специфического к фенолу, уровень IgE специфического к никелю определены аллергосорбентным методом, IgE общего – методом имму- ноферментного анализа на анализаторе ELx808IU (BioTek, США).

В качестве критерия нормальности распределения признаков в группах обследуемых использовали критерий Колмогорова – Смирнова. Для описания данных, имеющих нормальное распределение, использовали среднее арифметическое значение ( М ) и среднее арифметическое ( m ). Для проверки нулевых гипотез о равенстве средних значений между двумя независимыми группами с нормальным распределением применялся двухвыборочный критерий Стьюдента. Сравнение выборочных данных с референтными значениями выполнено с использованием одновыборочного критерия Вилкоксона. Для прогнозирования вероятности нарушения механизмов иммунного ответа использовали простой логистический регрессионный анализ. Для оценки связи исследуемых ответов с воздействием факторов рассчитывали отношение шансов ( OR ) и 95%-ный доверительный интервал для отношения шансов. Уровень значимости, на котором проводилась проверка нулевых гипотез, принимался равным 0,05. Статистический анализ данных осуществляли с помощью программы Statistica 6.0 (StatSoft, США).

Результаты и их обсуждение. Обнаружено, что среднесуточная доза аэрогенной экспозиции у детей группы наблюдения никелем составила 0,7·10^-6 мг/(кг·день), фенолом – 9,3·10^-6 мг/(кг·день) и группы сравнения – никелем – 0,4·10^-6 мг/(кг·день), фенолом – 3,0·10^-6 мг/ (кг·день). Установлено, что у взрослых группы наблюдения среднесуточная доза аэрогенной экспозиции никелем составляет 3,5·10^-6 мг/(кг·день), фенолом – 5,0·10^-5 мг/ (кг·день), а группы сравнения – никелем – 2,3·10^-6 мг/(кг·день), фенолом – 1,62·10^-5 мг/(кг·день)³. Очевидно, в группах наблюдения среднесуточное поступление никеля и фенола в среднем в 1,5 и 3,1 раза соответственно превышает аналогичные значения, выявленные в группах сравнения.

При выполнении химико-аналитических исследований установлено, что содержание никеля в крови детей группы наблюдения (0,1173 ± 0,0065 мг/дм³) и взрослых группы наблюдения (0,1125 ± 0,0098 мг/дм³) не имеет статистически значимых различий с результатами, идентифицированными в соответствующих группах сравнения (0,1143 ± 0,0069 мг/дм³; р = 0,751 и 0,1088 ± 0,0065 мг/дм³; р = 0,753). Доля проб крови с завышенным

Профиль специфической сенсибилизации в группах сравнения и группах наблюдения

Обследуемые Группа сравнения Группа наблюдения р IgE общий, МЕ/см3 (% проб выше референтного интервала) РИ 0–9,99, МЕ/см3 Дети 75,375 ± 17,567 (38,3) 87,767 ± 25,64 (43,3) 0,445 Взрослые 88,125 ± 27,137 (18,9) 88,943 ± 55,982 (11,8) 0,977 IgE спец. к никелю, МЕ/см3 (% проб выше референтного интервала) РИ 0–1,55, МЕ/см3 Дети 0,387 ± 0,146 (2,1) 1,014 ± 0,349 (16,5) 0,002 Взрослые 0,465 ± 0,215 (8,6) 1,340 ± 0,703 (22,0) 0,021 IgG спец. к фенолу, усл. ед. (% проб выше референтного интервала) РИ 0–0,13, усл. ед. Дети 0,049 ± 0,054 (8,7) 0,139 ± 0,069 (36,2) 0,046 Взрослые 0,126 ± 0,086 (32,0) 0,300 ± 0,188 (62,5) 0,091 содержанием никеля относительно значений, установленных в группах сравнения, в группах наблюдения составила по 50 %. Обнаружено, что в биосредах детей (0,0732 ± 0,0158 мг/дм3) и взрослых (0,0490 ± 0,008 мг/дм3) групп наблюдения статистически значимо (р = 0,026–0,048) в 2 раза повышен уровень фенола по сравнению с величинами, зафиксированными в соответствующих группах сравнения (0,0379 ± 0,0083 мг/дм3; р = 0,026 и 0,0249 ± 0,0099 мг/дм3; р = 0,048). Доля проб с избыточным содержанием фенола в крови по отношению к значениям группы сравнения у лиц обеих групп наблюдения составила по 75,0 %.

Сравнительная характеристика профиля специфической сенсибилизации выявила в сыворотке крови детей и взрослых групп наблюдения статистически значимое ( p = 0,002–0,021) повышение – в среднем в 2,6 раза – содержания IgE специфического к никелю по отношению к результатам, полученным в соответствующих группах сравнения. Оценка IgG-опосредованной реакции продемонстрировала, что у детей, экспонированных фенолом, статистически значимо ( р = 0,046) в 2,8 раза увеличен уровень специфических IgG-антител к фенолу относительно значений, установленных у неэкспонированных детей (таблица). У взрослых пациентов группы наблюдения статистически значимо ( р <  0,05) в 2,3 раза повышено среднегрупповое содержание IgG специфического к фенолу по сравнению с верхней границей референтного предела.

Доля проб с повышенной концентрацией антител класса G к фенолсодержащим аддуктам и антител класса Е к никельсодержащим аддуктам, по сравнению с референтными значениями, в сыворотке крови детей группы наблюдения составила 36,2 и 16,5 % соответственно против 8,7 и 2,1 % в группе сравнения (кратность превышения 4,2 и 7,9 раза соответственно). У взрослых группы наблюдения содержание IgG специфического к фенолу и IgE специфического к никелю относительно референтного предела повышено в 62,5 и 22,0 % проб соответственно против 32,0 и 8,6 % в группе сравнения (кратность превышения 2,0 и 2,6 раза соответственно). Оценка отношения шансов продемонстрировала связь гаптенной нагруз- ки (никель) с повышением уровня IgE специфического к никелю у детей группы наблюдения (OR = 8,96; 95 % ДИ = 2,00–40,15) и у взрослых группы наблюдения (OR = 3,12; 95 % ДИ = 1,10–9,40).

На основе построения математических моделей логистической регрессии установлена статистически значимая вероятностная причинно-следственная связь между повышением в крови детей никеля и специфических IgE-антител к никелю ( b 0 = -5,53; b 1 = 28,44; R² = 0,87; F = 468,58; р < 0,001).

Очевидно, что хроническое воздействие фенола и никеля в дозах, не превышающих ПДК (0,03–0,68 ПДК сс ), способствует формированию у детского и взрослого населения иммунологически опосредованного повышения чувствительности организма к экзогенным химическим факторам (гаптенам). Установлено, что относительно взрослых у детей, проживающих в зоне возможного влияния приоритетных аэрогенных химических факторов, наблюдаются более выраженная IgE-опосредованная сенсибилизация к никелю и значительная интенсификация продукции иммуноглобулина G специфического к фенолу.

Устойчивое проникновение низкомолекулярных соединений (НМХС) воздушной среды через дыхательные пути детерминирует их накопление в различных биологических средах организма, что очень часто ассоциировано с развитием гиперчувствительности. При нормальных физиологических условиях клетки адаптивной иммунной системы адекватно распознают и удаляют антигены (гаптены). Однако чрезмерная реакция иммунной системы на обычно безвредные вещества может сопровождаться аллергией и воспалительной реакцией. Перманентный воспалительный процесс возникает в местах многократного воздействия аллергенов. Хроническое аллергическое воспаление связано с ремоделированием тканей и существенными изменениями в барьерной функции пораженного эпителия, что повышает риск инфицирования. Тучные клетки, Т-клетки, эозинофилы, базофилы, нейтрофилы, моноциты / макрофаги, тромбоциты, NK-клетки и Th-2 цитокины являются основными участниками, ответственными за развитие хронического аллергического воспаления. Свойством функционирования иммунной системы у детей является Th2-девиация иммунного ответа, характеризующегося усилением продукции аллерген-специфических IgE и эозинофильным воспалением, а также активация факторов врожденного иммунитета, пролонгирующих воспалительную реакцию [2]. Особенностью иммунной системы у взрослых является способность адаптивной иммунной системы ограничивать активность врожденной иммунной системы для минимизации иммунопатологического повреждения тканей.

Ответ организма на НМХС, которые не распознаются TCR или антителом, ассоциирован с формированием гаптен-белкового конъюгата. Гаптенизация является обязательной для взаимодействия низкомолекулярных химических соединений с адаптивной иммунной системой. Очевидно, сенсибилизацию на НМХС можно рассматривать как чрезмерный адаптивный иммунный ответ на гаптен [13]. Механизмы развития гиперреактивности к органическим соединениям и металлам характеризуются существенными различиями. При сенсибилизации к органическим химическим веществам (имеющим в составе фенильное ядро) формирование гаптен-белкового конъюгата обусловлено ковалентной связью. Ионы металлов (в частности, никель) создают пространственно четко определенные координационные связи по донорноакцепторному механизму. Именно специфические координационные комплексы облегчают (обеспечивают) распознавание чужеродного агента и запуск иммунного ответа, завершающегося приобретением гиперчувствительности к никелю [23]. Возможна перекрестная реактивность между переходными металлами, так как ион одного металла может быть заменен ионом другого металла с одинаковым зарядом и сходными свойствами [13]. Включение в антигенную детерминанту ряда металлов (никель, марганец, хром, кобальт) белка-носителя служит основой для образования новой гаптенной детерминанты, что также объясняет возникновение перекрестных реакций на данные металлы.

Сшивка аллергена и IgE с Fc-эпсилон-рецеп-тором 1 (FcεRI) необходима для индуцирования дегрануляции тучных клеток. CD23+-рецептор (FcεRII), экспрессируемый на В- и Т-лимфоцитах и антигенпрезентирующих клетках, контролирует иммунный ответ, регулирует гомеостаз IgE, отвечает за транспорт реагинов через эпителий дыхательных путей и кишечника [24, 25]. Связывание CD23+-рецептора на В-клетках, с одной стороны, предотвращает активацию эффекторных клеток, с другой стороны, облегчает презентацию путем доставки антигена к дендритным клеткам. Установлено, что FcεRI связывает свободный IgE, инициируя аллергическое воспаление, а FcεRII, рецептор с низким сродством к IgE, в большей степени связывает иммунный комплекс «IgE – аллерген» (IgE – IC) [24]. Растворимый CD23 (sCD23) имеет несколько типов, но все связывают IgE. Считается, что sCD23 стимулируют или ингибируют синтез IgE в зависимости от условий процесса олигомеризации [26]. Следует отметить, что эпителий респираторного тракта и кишечника является основным участником развития аллергического воспаления [27]. Эпителиальные клетки напрямую активируют антигенпрезентирующие клетки и опосредованно врожденные лимфоидные клетки 2 типа (ILC2). Аллерген вызывает Th-2-поляризацию иммунного ответа с гиперпродукцией аллергенспецифического IgE и ILC2. Показана роль ILC2 в развитии аллергической реакции, тканевой репарации. Повреждение эпителия на фоне Th-2 смещения цитокинового профиля способствует переключению синтеза IgM на IgE [27]. Уровень специфического IgE в сыворотке крови может сохраняться длительное время после прекращения воздействия аллергена. Реагиновые реакции опосредуют инициацию воспаления и гиперреактивность бронхов. Высказано предположение о возможной регулирующей роли IgE. Показано, что избыток неспецифического IgE способен ингибировать индуцированную аллергеном дегрануляцию тучных клеток и базофилов в коже [26]. Полагают, что индукция специфических антител IgG, которые перекрестно реагируют с аллергенами и ингибируют их связывание с IgE из-за конкуренции эпитопов, предупреждает аллергическое воспаление [27]. Доказана роль арилуглеводородного рецептора в продукции антител всех изотипов и в переключении их различных классов (IgG – IgE), а также изотипов IgG в плазматической клетке [4]. Очевидно, результаты исследования согласуются с ранее полученными сведениями других авторов о возможности развития избыточного иммунного ответа на низкодозовое воздействие НМХС, а также подтверждают риск развития аллергопатологии у населения, пребывающего в условиях экспозиции техногенных химических факторов.

Выводы. В группах наблюдения диапазон среднесуточных доз аэрогенной экспозиции никеля и фенола составил для детей 0,7·10^-6 – 9,3·10^-6, для взрослых – 3,5·10^-6 – 5,0·10^-5 мг/(кг·день), что превышает аналогичные значения, выявленные в группах сравнения, в 1,5–3,0 раза. Сравнительная характеристика профиля сенсибилизации детского и взрослого населения, проживающего в условиях экспозиции никелем и фенолом в малых дозах, продемонстрировала особенности развития повышенной чувствительности к гаптенам, характеризующиеся формированием IgЕ-опосредованной реакцией на никель и IgG-опосредованной реакцией на фенол. Результаты, представленные в настоящем исследовании, позволяют рекомендовать к использованию IgE и IgG в качестве критериев выявления предрасположенности к развитию аллергических состояний у взрослых и детей, проживающих в условиях хронической низкодозовой экспозиции никелем и фенолом, обладающими аллергенным потенциалом.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.