Исследование биологического действия электромагнитных полей стандартов сотовой связи 2-5G на некоторые показатели оксидативного стресса у животных: эффекты воздействия и последействия

В связи с развитием промышленных технологий, систем связи и коммуникаций в последние более чем полувека естественный электромагнитный фон Земли дополнился создаваемыми техническими средствами – электромагнитными полями (ЭМП) антропогенного происхождения. Результаты проведённого анализа показывают, что наибольший значимый вклад в возрастание электромагнитного фона вносят системы беспроводной мобильной связи, благодаря чему уровень ЭМП в набольшей степени повысился в области частот от 0,8 до 12 ГГц, который соответствует диапазону работы действующих стандартов сотовой связи 2G-5G [1]. Следствием этого явилось значительное увеличение числа лиц, которые систематически подвергаются воздействию антропогенного ЭМП, причём не только в производственных условиях, но и в быту. Вследствие этого возросла актуальность проблемы обеспечения электромагнитной безопасности человека, связанной с ростом количества источников ЭМП и расширением контингента лиц, подвергающихся хроническому воздействию этого физического фактора.

Результаты многочисленных эпидемиологических и экспериментальных исследований свидетельствуют, что модификация естественного электромагнитного фона среды обитания

Перов С.Ю.* – зав. лаб., д.б.н.; Лифанова Р.З. – мл. науч. сотр. ФГБНУ «НИИ МТ».

человека техногенными источниками может оказаться фактором риска и неблагоприятно сказаться на состоянии его здоровья [2, 3]. Развёртывание сетей сотовой связи пятого поколения (5G), на фоне эксплуатации действующих систем различных предыдущих стандартов, приводит к необходимости проведения лабораторных медико-биологических исследований, которые более точно воспроизводят реалистичные условия воздействия ЭМП нескольких частот от базовых станций сотовой связи [4]. Следует обратить внимание на тот факт, что в предыдущих лабораторных экспериментах в подавляющем большинстве использовалось только моночастотное облучение, что не соответствует реальным условиям, когда воздействие ЭМП от базовых станций сотовой связи имеет многочастотный характер [5].

Формирование окисидативного стресса, как результат нарушения способности окислительно-восстановительной защитной системы избегать развития свободнорадикальных процессов в тканях организма, в последнее время рассматривается как один из механизмов биоэффектов электромагнитных факторов окружающей среды [6, 7]. Избыточное образование свободных радикалов под влиянием ЭМП, сопровождающееся перекисным повреждением липидов, протекает с последующим накоплением в органах и тканях продуктов окисления, в том числе диеновых конъюгатов (ДК) и кетодиенов (КД), которые служат биомаркерами окисидативного стресса [8]. С целью поддержания окислительно-восстановительного гомеостаза в ответ на превалирование окислительных процессов повышается активность антиоксидантной защиты, состоящей из многих ферментативных компонентов, одним из которых является каталаза. Таким образом, баланс между составляющими антиоксидантной защиты и продуктами окисления липидов может служить показателем оценки состояния оксидативного стресса.

Приведённые выше результаты анализа публикаций позволяют сформулировать цель исследований, которая заключалась в оценке влияния месячного облучения ЭМП, имитирующего многочастотное воздействие от систем сотовой связи стандартов 2-5G на некоторые показатели оксидативного стресса в крови крыс и состояние последействия.

Материалы и методы

В исследованиях в качестве объектов было использовано 72 крысы линии Wistar с массой на начало эксперимента 267±32 г. Животные содержались в стандартных условиях вивария в контролируемых условиях окружающей среды (18-20 °С, относительная влажность воздуха 30-70%). Световой режим комбинированный (естественный/искусственный) составлял по 12 ч в сутки, крысы в течение всего эксперимента имели доступ к воде и корму ad libitum. Все животные были случайным образом разделены на 3 равные группы, которые содержались в клетках по 12 крыс в каждой. Животных первой и второй групп подвергали круглосуточному 24-часовому облучению, а третья группа (параллельный контроль) – минимальному электромагнитному воздействию. В процессе экспозиции радиопрозрачные клетки с крысами размещали в зоне облучения на деревянных стеллажах на расстоянии 3 м от антенн источников ЭМП. Экспериментальное исследование по оценке биологических эффектов ЭМП было одобрено локальным этическим комитетом ФГБНУ «НИИ МТ». Животных первой и второй групп подвергали в лабораторном стенде многочастному облучению при плотности потока энергии (ППЭ) 500 мкВт/см2 ЭМП с имитацией режимов работы базовых станций сотовой связи. В первой группе (2-4G) крыс облучали ЭМП, создаваемым базовыми станциями стандартов DCS1800 (2G), UMTS2100 (3G), LTE (4G) c центральными частотами 1,8; 2,1 и 2,6 ГГц, во второй (5G) – в соответствии со стандартом 5GNR/IMT-2020 (5G) с центральными частотами 3,5; 28 и 37 ГГц. Контроль величин ППЭ в зоне облучения животных ЭМП проводился измерителями электромагнитных полей Narda NBM-550 (Narda AG, Германия) и Narda SRМ-3006 (Narda AG, Германия). Животные третьей контрольной группы находились в отдельном помещении в идентичных условиях, кроме воздействия ЭМП.

Облучение проводили в течение 30 дней, после чего 12 животных из каждой группы выводили из эксперимента для получения образцов периферической крови для анализов путём декапитации. Оставшиеся крысы находились в течение 30 дней без облучения для оценки эффектов последействия и также подвергались декапитации для забора крови для анализов. Получение образцов крови у третьей (контрольной) группы также выполняли путём декапитации. Содержание в сыворотке крови ДК определяли спектрофлуориметрическим методом по коэффициентам экстинкции ( e M, мл -1 х см^-1) в максимумах поглощения против холостой пробы 233 нм ( e M=23200), КД - при 268 нм ( e M=21200) в гексановом экстракте по отношению к контрольному образцу на спектрофотометре Cary-50 (Varian, США) [9]. Активность каталазы оценивали с помощью метода, основанного на способности перекиси водорода образовывать с солями молибдена стойкий окрашенный комплекс [10].

Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью теста Шапиро-Уилка, критерия Краскела-Уоллиса, критерия Данна при визуализации результатов с помощью диаграммы размаха в программной среде R (R Foundation, Австрия). Оценку воздействия ЭМП на животных проводили по группам путём сравнения исследуемых показателей подопытных групп после 30-дневного 24-часового облучения животных с аналогичными показателями параллельных контрольных групп. Определение различий в сравниваемых экспериментальных группах осуществляли с использованием критерия Краскела-Уоллиса – непараметрического аналога дисперсионного анализа. При отсутствии различий по этому критерию делался вывод об отсутствии статистически значимых различий между сравниваемыми группами. В случае, если различие было обнаружено, проводили попарные сравнения с контрольной группой с помощью непараметрического критерия Данна. Полученные результаты представлены в виде медианы и межквартильного размаха [25-й перцентиль; 75-й перцентиль].

Результаты и обсуждение

Результаты проведённых исследований показали, что 30-дневное облучение ЭМП, создаваемое оборудованием стандартов 2-4G (частоты 1,8; 2,1 и 2,6 ГГц) и 5G (частоты 3,5; 28 и 37 ГГц), приводило к разнонаправленным изменениям содержания ДК и КД в сыворотке крови крыс по сравнению с контрольными животными (табл. 1). А именно, наблюдалось статистически значимое снижение содержания ДК в сыворотке крови крыс по сравнения с контрольными животными крысами при облучении животных ЭМП всех групп стандартов. При этом, уровень КД в сыворотке крови животных в результате экспозиции на протяжении 30 дней ЭМП этих же стандартов (2-4G и 5G) по сравнению с контрольной группой статистически достоверно не изменился. Однако, отмечалась тенденция к повышению содержания КД после воздействия в группе животных, подвергавшихся облучению ЭМП в соответствии со стандартами 2-4G при одновременном снижении в результате экспозиции частотами, характерными для стандарта 5G, по сравнению с параллельным контролем. Активность каталазы в сыворотке крови крыс после 30 дней экспозиции ЭМП стандарта 5G демонстрировала тенденцию к повышению (4,49 ± 1,86 мкмоль/л) по сравнению с контролем (3,37 ± 1,64 мкмоль/л), тогда как уровень активности фермента после воздействия частотами стандарта 2-4G практически не изменился.

Таблица 1

Содержание продуктов перекисного окисления липидов диеновых конъюгатов (ДК) и кетодиенов (КД) в сыворотке крови животных в условиях хронического 24-часового облучения ЭМП стандартов сотовой связи 2-4G и 5G при величине ППЭ 500 мкВт/см2 на протяжении 30 сут и 30 сут спустя

Примечание: * – p<0,05, ** – p<0,01 в сравнении с контрольной группой.

Анализ показателей спустя 30 дней после окончания экспозиции выявил статистически значимое снижение содержания в сыворотке крови крыс КД как эффект последействия месячного облучения животных ЭМП стандарта 2-4G, и аналогичную тенденцию для стандарта 5G, тогда как другие показатели не достигали статистической разницы по сравнению с контролем (табл. 1). Можно только отметить тенденцию к повышению уровня ДК после 30-дневного предварительного облучения крыс ЭМП стандартов 2-4G, а также отсутствие изменений в последействии при частотах, составляющих стандарт 5G. Эффект последействия достоверно не проявился в характере изменения активности каталазы в крови крыс спустя 30 дней облучения ЭМП стандартов 2-4G, однако отмечалась более выраженная тенденция к повышению при 5G – 4,23 ± 2,02 мкмоль/л (опыт), 3,39 ± 1,76 мкмоль/л (контроль).

Экспериментальные результаты в ранее выполненных исследованиях влияния мультича-стотного ЭМП, создаваемого системами мобильной связи, на лабораторных животных в условиях хронического эксперимента выявили формирование оксидативного стресса, как дисбаланс между оксидантами и антиоксидантами в пользу оксидантов, что приводит к нарушению окислительно-восстановительного гомеостаза. Сформулированная концепция окислительного стресса в настоящее время используется для обозначения широкой группы разнообразных взаимосвязанных процессов, среди которых ведущую роль играет повышенная продукция активных форм кислорода и окислительное повреждение молекулярных компонентов клетки [11]. Так, облучение группы самцов крыс Sprague Dawley ЭМП с частотами сотовой связи 900; 1800 и 2100 МГц по 2 ч в день в течение 6 месяцев привело к изменению общего окси- и антиоксидантного статуса животных в сторону усиления окисидативных процессов и образования повреждений в тканях [12]. В других исследованиях самцы крыс Wistar подвергались воздействию ЭМП с аналогичными частотами – 900; 1800 и 2100 МГц при соответствующих величинах ППЭ – 11,638 мВт/м2, 11,438 мВт/м2 и 8,237 мВт/м2 по 1 ч в день, 5 дней в неделю в течение 1 месяца [13]. Облучение животных выявило частотно-зависимое изменение некоторых гематологических показателей, а также снижение содержания тканевых антиоксидантов: супероксиддисмутазы, каталазы, глута-тионредуктазы и некоторых других. В последнее время получены экспериментальные результаты, свидетельствующие, что при пренатальном облучении в течение 6; 12 и 24 ч на протяжении 20 дней беременных крыс Sprague-Dawley ЭМП частотами 900; 1800 и 2100 МГц у потомства было обнаружено повышение уровня маркеров оксидативного стресса – увеличение содержания малонового диальдегида и глутатиона в миокарде [14]. Полученные данные являются весомым аргументом в пользу целесообразности и необходимости исследования как влияния ЭМП от систем сотовой связи на репродуктивную функцию, так и последействий хронического мультича-стотного облучения.

Существующие в настоящее время представления, что ЭМП диапазона радиочастот не являются ионизирующими, основаны на том, что минимальная энергия ионизации путём разрушения межмолекулярной связи должна быть не менее 12 эВ. Однако можно полагать, что существующая общность в эффектах образования свободных радикалов и окисидативных процессов, происходящих в биологических средах, может послужить своего рода «мостиком» между двумя этими видами этих излучений. В пользу этого аргумента свидетельствует тот факт, что на протяжении веков население Земли подвергалось воздействию естественных неионизирующих и ионизирующих излучений от Солнца, космоса и эволюционировало в присутствии этих факторов [15]. В последнее время установлено, что в число загрязняющих атмосферу составляющих входят наночастицы размером от нанометров до нескольких микрометров с концентрацией до 10⁷ частиц в 1 см³ воздуха, источниками которых являются выбросы электростанций, промышленных предприятий и выхлопы двигателей автомобилей [16]. Основной путь поступления в организм наночастиц из-за их малого размера – ингаляционный, хотя нельзя исключить и возможность их попадания через желудочно-кишечный тракт. Техногенные магнитные наночастицы так же, как и частицы биогенного магнетита (Fe 3 O 4 ), присутствующие в тканях животных и человека, обладающие ферромагнитными свойствами, способны взаимодействовать с ЭМП через физический механизм, посредством которого гигагерцовое электромагнитное излучение может вызывать биологические эффекты [17, 18]. Магнетит является отличным поглотителем электромагнитного излучения на частотах между 0,5 и 10,0 ГГц посредством процесса ферромагнитного резонанса, при котором магнитная компонента электромагнитной волны вызывает прецессию магнетонов Бора вокруг внутреннего магнитного поля наночастицы [19]. Вышеназванные представления учитываются в последних разработках теоретической и экспериментальной дозиметрии ЭМП в моделях мозга, имеющих ферримагнитное содержимое и подвергающихся электромагнитному воздействию частотой 3,5 ГГц [20].

Заключение

Результаты исследования свидетельствуют о возможном нарушении равновесия концентраций прооксидантных и антиоксидантных компонентов, что является следствием активации процессов окисления. Наблюдаемые в модельных экспериментах изменения позволяют предположить, что ЭМП рассматриваемых характеристик могут вызывать оксидативный стресс, в ответ на возникновение которого повышается интенсивность работы адаптационных механизмов организма, в частности, антиоксидантной защиты. При этом, можно сделать вывод о наличии зависимости получаемого биологического эффекта от частоты, мощности и времени воздействия ЭМП. Важно отметить, что в проведённых исследованиях биологический эффект при воздействии ЭМП стандарта 5G NR IMT-2020 является неустойчивым, в отличие от последствий воздействия ЭМП стандартов 2-4G.