Особенности иммунной регуляции и генетического полиморфизма у городского населения в условиях экспозиции тяжелыми металлами
Автор: Долгих Олег Владимирович, Старкова Ксения Геннадьевна, Аликина Инга Николаевна, Челакова Юлия Александровна, Гусельников Максим Анатольевич, Никоношина Наталья Алексеевна, Кривцов Александр Владимирович, Мазунина Алена Александровна
Журнал: Вестник Пермского университета. Серия: Биология @vestnik-psu-bio
Рубрика: Клиническая иммунология, аллергология
Статья в выпуске: 1, 2019 года.
Бесплатный доступ
Результаты исследования иммунной регуляции у городского населения, экспонированного тяжелыми металлами, показали возрастание продукции сывороточных иммуноглобулинов IgM и IgA относительно уровней в группе сравнения в 1.16 и 1.29 раза соответственно, повышение специфической сенсибилизации по концентрации антител IgG к алюминию и свинцу у 69.4% обследованного контингента при сравнении с референтными значениями, специфических антител IgE к марганцу в 1.63 раза и IgE к хрому в 2.6 раза относительно группы сравнения. Выявлено превышение референтных значений по уровню регуляторных CD4+CD25+CD127--лимфоцитов, также достоверное в 2.62-3.13 раза относительно показателей группы сравнения, возрастание содержания провоспалительных иммунных медиаторов IL-1бета и IL-8 в 4.45 и 1.47 раза соответственно относительно группы сравнения. Повышение индивидуальной генетической вариабельности у обследованного населения связано с увеличением частоты минорного аллеля по генам детоксикации и иммунной регуляции CYP1A1, CPOX, FOXP3 в 1.27, 1.33, 1.8 раза соответственно относительно группы сравнения с возрастанием встречаемости гетерозиготного варианта генотипа, а также появлением мутантного генотипа TLR4 у 8% наблюдаемой группы населения. Выявленные особенности могут применяться в качестве маркерных иммуногенетических показателей, ассоциированных с контаминацией биосред химическими факторами в условиях специфического воздействия среды обитания.
Иммунная регуляция, генетический полиморфизм, алюминий, тяжелые металлы
Короткий адрес: https://sciup.org/147227069
IDR: 147227069 | DOI: 10.17072/1994-9952-2019-1-90-95
Текст научной статьи Особенности иммунной регуляции и генетического полиморфизма у городского населения в условиях экспозиции тяжелыми металлами
2011; Долгих и др., 2014; Tanabe et al., 2015; Зайцева, Долгих, Дианова, 2016].
Металлы относятся к распространенным компонентам химического воздействия, которые обладают способностью оказывать иммунотоксические, канцерогенные и мутагенные эффекты на функции иммунокомпетентных клеток, а также выступать сенсибилизирующими факторами, определяя формирование патологических изменений состояния здоровья и развития иммуноопосредованных аллергических, аутоиммунных или пролиферативных заболеваний [Lehmann, Sack, Lehmann, 2011; Zhu et al., 2014; Старкова и др., 2017].
Цель работы – исследование особенностей показателей иммунной регуляции и генетического полиморфизма у городского населения, проживающего в условиях воздействия тяжелыми металлами.
Материалы и методы исследований
Обследовали взрослое население в возрасте 25– 35 лет, постоянно проживающее в крупном промышленном центре (г. Ачинск Красноярского края) при техногенном загрязнении воздушной среды тяжелыми металлами. Группу наблюдения составили 37 чел., которые постоянно проживают в зоне влияния промышленных объектов, а группу сравнения – 20 чел., жители «условно чистого» района (г. Сосновоборск Красноярского края), Группы были сопоставимы по полу, возрасту и соматической заболеваемости.
Определение массовых концентраций химических элементов в биосредах населения проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в соответствии с МУК 4.1.3230-14 и МУК 4.1.3161-14, СТО М 25-2017 на масс-спектрометре Agilent 7500 сх (Agilent Technologies Inc., США). Показатели фагоцитоза оценивали с использованием формалинизированных эритроцитов барана, сывороточные иммуноглобулины (IgG, IgM, IgA) исследовали методом радиальной иммунодиффузии по Манчини, специфические антитела к металлам (IgG к алюминию, свинцу, ванадию; IgE к марганцу, хрому) определяли методом аллергосорбентного тестирования с ферментной меткой. Исследование популяций лимфоцитов по мембранным CD-маркерам проводили с использованием панели меченых моноклональных антител к мембранным CD-рецепторам («Becton Dickinson», США) на проточном цитометре FACSCalibur («Becton Dickinson», США) с использованием универсальной программы CellQuest.PrO, суммарно регистрировали не менее 10 000 событий. Цитокиновые медиаторы интерлейкин (IL)-1бета, IL-8 определяли с использованием тест-систем (ЗАО «Вектор-Бест», Россия) методом иммуноферментного анализа на анализаторе «Elx808IU» (США).
Статистический анализ полученных данных проводили в пакете прикладных программ Statistica 6.0 (Statsoft, США) методом вариационной статистики, рассчитывая среднее арифметическое (М) и стандартную ошибку среднего (m). Достоверность различий определяли по t-критерию Стьюдента. Модели зависимости «маркер экспозиции – маркер эффекта» выявляли методом корреляционно-регрессионного анализа на основе критерия Фишера и коэффициента детерминации (R2). Различия между группами считали достоверными при р < 0.05.
Генетический анализ проводили на основе биоматериала со слизистой оболочки ротоглотки. Выделяли ДНК сорбентным методом. Для определения генотипов использовали метод полимеразной цепной реакции в режиме реального времени на термоциклере CFX96 (Bio-Rad, США), а также метод аллельной дискриминации. Обработку данных проводили с помощью программы «Ген Эксперт» по равновесию Харди-Вайнберга на основе диагностики однонуклеотидных полиморфизмов.
Результаты и их обсуждение
Результаты химико-аналитического исследования показали присутствие контаминантов в крови обследованной группы городского населения с повышенным содержанием алюминия в 100% случаев, марганца в – 13.5% случаев, хрома в – 16.2% случаев, свинца в – 27% относительно фоновых уровней (Пермский край). При этом достоверное возрастание концентрации металлов в моче отмечено относительно показателей группы сравнения, в 2.11 раза по алюминию (группа наблюдения 0.0169±0.0064 мг/дм3, группа сравнения 0.008±0.003 мг/дм3, p < 0.05), в 1.88 раза по ванадию (группа наблюдения 0.0003±0.00004 мкг/см3, группа сравнения 0.00016±0.00006 мкг/см3, p < 0.05), а также в 1.82 раза по марганцу (группа наблюдения 0.00069±0.0003 мкг/см3, группа сравнения 0.00038±0.00009 мкг/см3), не достигшее, однако, уровня достоверности.
Проведенное клинико-лабораторное исследование выявило изменение показателей иммунной регуляции у городского населения группы наблюдения (табл. 1). Так, при сравнительном анализе с референтными уровнями показано соответствие параметров CD-иммунограммы, за исключением достоверно повышенного абсолютного и относительного количества регуляторных CD4+CD25+CD127--лимфоцитов у 68.4–100% обследованного контингента (p < 0.05), а также снижение содержания CD3+CD25+-лимфоцитов у 47.4–57.9% группы наблюдения, различия достоверны по кратностям превышения нормы (p < 0.05). Отмечено возрастание как абсолютного, так и процентного количества CD4+CD25+CD127--лимфоцитов относительно показателей группы сравнения, в сред- нем в 2.62–3.13 раза (p < 0.05).
Таблица 1
Особенности иммунной регуляции у городского населения в условиях экспозиции тяжелыми металлами
Показатель |
Референтный интервал |
Группа наблюдения |
Группа сравнения |
CD3+CD4+-лимфоциты, 109/дм3 |
0.41-1.59 |
0.964±0.173 |
0.811±0.183 |
CD3+CD4+-лимфоциты, % |
31-60 |
48.684±4.046 |
44.0±6.288 |
CD3+CD8+-лимфоциты, 109/дм3 |
0.19-1.14 |
0.466±0.082 |
0.545±0.164 |
CD3+CD8+-лимфоциты, % |
13-41 |
23.842±2.627 |
28.64±5.920 |
CD3+CD25+-лимфоциты, 109/дм3 |
0.19-0.56 |
0.216±0.063 |
0.193±0.062 |
CD3+CD25+-лимфоциты, % |
13-24 |
10.526±3.142 |
10.46±3.128 |
CD4+CD25+CD127--лимфоциты, 109/дм3 |
0.015-0.040 |
0.075±0.025*/** |
0.024±0.009 |
CD4+CD25+CD127--лимфоциты, % |
0.8-1.2 |
3.599±0.852*/** |
1.374±0.619 |
CD3+CD95+-лимфоциты, 109/дм3 |
0.63-0.93 |
0.812±0.113 |
0.62±0.20 |
CD3+CD95+-лимфоциты, % |
39-49 |
43.632±6.568 |
34.18±8.072 |
Абсолютный фагоцитоз, 109/л |
0.964-2.988 |
1.771±0.281 |
1.96±0.375 |
Процент фагоцитоза, % |
35-60 |
39.0±4.257 |
42.60±5.747 |
Фагоцитарное число, у.е. |
0.8-1.2 |
0.758±0.131 |
0.865±0.162 |
Фагоцитарный индекс, у.е. |
1.5-2.0 |
1.894±0.162 |
1.995±0.145 |
IgG, г/л |
10-18 |
12.932±0.747 |
11.95±0.817 |
IgM, г/л |
1.1-2.5 |
1.581±0.127* |
1.361±0.125 |
IgА, г/л |
1.1-3.0 |
2.666±0.275* |
2.072±0.386 |
IgE специфический к марганцу, МЕ/мл |
0-1.21 |
0.312±0.068* |
0.191±0.041 |
IgE специфический к хрому, МЕ/мл |
0-1.01 |
0.302±0.082* |
0.116±0.039 |
IgG специфический к алюминию, у.е. |
0-0.1 |
0.222±0.054** |
0.163±0.055 |
IgG специфический к ванадию, у.е. |
0-0.38 |
0.210±0.049 |
0.208±0.073 |
IgG специфический к свинцу, у.е. |
0-0.1 |
0.203±0.048** |
0.172±0.051 |
IL-1бета, пг/мл |
0-11 |
2.994±1.822* |
0.673±0.263 |
IL-8, пг/мл |
0-10 |
7.071±1.443* |
4.818±1.853 |
Примечание. * – разница достоверна относительно группы сравнения (p<0.05); ** – разница достоверна относи- тельно референтного интерала (p < 0.05).
Использование математического моделирования и методического приема оценки отношения шансов изменения иммунологических тестов при возрастании концентрации контаминантов в биологических средах показало достоверное повышение количества CD3+CD4+-лимфоцитов при увеличении содержания марганца и хрома в крови (R2 = 0.92–0.94; p < 0.05), CD3+CD8+- и CD3+CD95+-лимфоцитов при увеличении уровня алюминия в моче (R2 = 0.26–0.79; p < 0.05), CD4+CD25+CD127--лимфоцитов при увеличении концентрации хрома в крови (R2 = 0.14; p < 0.05).
Показатели фагоцитарной активности достоверно не отличались от установленной физиологической нормы, однако повышаются шансы возрастания «абсолютного фагоцитоза» и «фагоцитарного индекса» при увеличении содержания марганца в крови и алюминия в моче (R2 = 0.24–0.79; p < 0.05).
Выявлено изменение содержания сывороточных иммуноглобулинов с преимущественным повышением уровня IgА у 36.1% обследованных и снижением IgM у 13.5% группы наблюдения по сравнению с возрастной нормой, различия достоверны по кратностям превышения нормы (p < 0.05).
Кроме того, у обследованного населения показано достоверное повышение продукции IgM и IgA относительно уровней в группе сравнения в 1.16 и 1.29 раза соответственно (p < 0.05). Анализ шансов повышения показателей гуморального иммунитета при изменении содержания контаминантов в биологических средах выявил возрастание концентрации IgG и IgA при увеличении уровня свинца и алюминия в крови (R2 = 0.92–0.94; p < 0.05) и алюминия в моче (R2 = 0.20–0.30; p < 0.05).
Одновременно показано возрастание уровня специфической сенсибилизации по концентрации специфических антител IgG к алюминию и свинцу у 69.4% обследованного контингента при сравнении с референтными значениями (p < 0.05). Также выявлено повышение уровня специфических антител IgE к марганцу и хрому относительно значений группы сравнения в 1.63 и 2.6 раза соответственно (p < 0.05).
Исследование параметров цитокиновой иммунной регуляции не выявило достоверных отклонений от референтного диапазона, при этом показано возрастание содержания провоспалительных факторов IL-1бета и IL-8 в 4.45 и 1.47 раза соответственно относительно группы сравнения (p < 0.05). Увеличиваются шансы повышения концентрации IL-8 при возрастании уровня алюминия в моче (R2 = 0.68; p < 0.05).
Таким образом, выявлены существенные изменения показателей иммунной регуляции у городского населения, проживающего в условиях экспозиции тяжелыми металлами, которые развиваются на фоне негативных тенденций, связанных с особенностями генетического полиморфизма у обследованной группы населения (табл. 2). Так, по генам ферментов детоксикации отмечено повышение частоты мутантных аллелей цитохрома Р-450 CYP1A1 в 1.27 раза и копропорфириноген-оксидазы CPOX в 1.33 раза относительно группы сравнения, определяемое увеличением распространенности гетерозиготного варианта генотипа. Кроме того, показано возрастание частоты минорного генотипа цинк-металлопептидазы ZMP_STE24 в 1.6 раза (8 против 5% в группе
Таблица 2
Особенности генетического полиморфизма с распределением частот генотипов у городского населения, экспонированного тяжелыми металлами
Ген |
CYP1A1 (rs1048943) |
CPOX (rs1131857) |
ZMP_STE24 (rs2076697) |
MTHFR (rs1801131) |
FOXP3 (rs3761547) |
TLR4 (rs1927911) |
||||||
Ю НН 03 5 к й cd ® И п л |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
A/A |
43 |
A/A |
57 |
T/T |
84 |
A/A |
41 |
T/T |
84 |
A/A |
51 |
|
A/G |
57 |
A/C |
38 |
T/C |
8 |
A/C |
51 |
T/C |
14 |
A/G |
41 |
|
G/G |
0 |
C/C |
5 |
C/C |
8 |
C/C |
8 |
C/C |
3 |
G/G |
8 |
|
A |
72 |
А |
76 |
Т |
88 |
А |
66 |
Т |
91 |
A |
72 |
|
G |
28 |
С |
24 |
С |
12 |
С |
34 |
С |
9 |
G |
28 |
|
S
м сЗ о cd п |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
Генотип/ аллель |
% |
A/A |
55 |
A/A |
70 |
T/T |
85 |
A/A |
55 |
T/T |
90 |
A/A |
70 |
|
A/G |
45 |
A/C |
25 |
T/C |
10 |
A/C |
35 |
T/C |
0 |
A/G |
30 |
|
G/G |
0 |
C/C |
5 |
C/C |
5 |
C/C |
10 |
C/C |
10 |
G/G |
0 |
|
A |
78 |
А |
82 |
Т |
90 |
А |
73 |
Т |
95 |
A |
85 |
|
G |
22 |
С |
18 |
С |
10 |
С |
27 |
С |
5 |
G |
15 |
Результаты опубликованных исследований показывают способность металлов воздействовать на систему иммунной регуляции, определяя как активирующие, так и иммуноингибирующие эффекты на функции иммунокомпетентных клеток и связанных с ними медиаторов [Ohsawa, 2009; Засорин, Курмангалиев, Ермуханова, 2012; McKee, Fontenot, 2016]. В настоящей работе выявлено преимущественно стимулирующее влияние металлов на показатели иммунной реактивности, что может быть связано с мобилизацией регуляторных систем организма, обеспечивающих адаптационный потенциал в условиях дестабилизации среды обитания.
Заключение
Проведенное исследование особенностей показателей иммунной регуляции у городского населения, проживающего на промышленно развитой территории в условиях экспозиции тяжелыми металлами, выявило активацию регуляторных CD4+CD25+CD127--лимфоцитов, повышение продукции сывороточных иммуноглобулинов IgM и IgA, возрастание уровня специфических антител к сравнения). В то же время выявлено изменение соотношения генотипов по генам иммунной регуляции, в частности, повышение частоты мутантного аллеля транскрипционного фактора FOXP3 до 9%, в 1.8 раза относительно группы сравнения, а также вариантного аллеля метилентетрагидрофолат-редуктазы MTHFR на уровне 34 против 27% в группе сравнения, связанные с возрастанием встречаемости, в первую очередь, гетерозиготного генотипа. Отмечено появление минорного вариантного генотипа по гену толл-подобного рецептора TLR4 с частотой 8% в группе наблюдения при его отсутствии в группе сравнения с увеличением распространенности мутантного аллеля в 1.87 раза относительно группы сравнения.
марганцу, хрому, алюминию, свинцу, изменение продукции цитокиновых медиаторов IL-1бета и IL-8. Выявленные изменения иммунной реактивности развиваются на фоне повышения индивидуальной генетической вариабельности у обследованной группы населения с преимущественным повышением частоты минорного аллеля по генам детоксикации и иммунной регуляции CYP1A1, CPOX, FOXP3 и TLR4. Полученные результаты позволяют определить иммунные и генетические маркеры состояния здоровья населения в условиях специфического воздействия среды обитания тяжелыми металлами.
Список литературы Особенности иммунной регуляции и генетического полиморфизма у городского населения в условиях экспозиции тяжелыми металлами
- Долгих О.В. и др. Гены и медиаторы как маркеры нарушений иммунного ответа у детей в условиях контаминации биосред тяжелыми металлами // Здоровье населения и среда обитания. 2014. № 12. С. 27-29.
- Зайцева Н.В., Долгих О.В., Дианова Д.Г. Особенности иммунологических и генетических нарушений человека в условиях дестабилизации среды обитания. Пермь: Изд-во Перм. политехн. ун-та, 2016. 300 c.
- Засорин Б.В., Курмангалиев О.М., Ермуханова Л.С. Особенности иммунного статуса у населения урбанизированных территорий с повышенным содержанием тяжелых металлов // Гигиена и санитария. 2012. № 3. С. 17-19.
- Старкова К.Г. и др. Изменение иммунных регуляторных показателей у детского населения в условиях промышленного загрязнения металлами // Российский иммунологический журнал. 2017. Т. 11(20), № 3. С. 512-514.
- Duramad P., Holland N.T. Biomarkers of immunotoxicity for environmental and public health research // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2011. Vol. 8(5). P. 1388-1401.
- Lehmann I., Sack U., Lehmann J. Metal ions affecting the immune system // Metal Ions in Life Sciences. 2011. Vol. 8. P. 157-185.
- McKee A.S., Fontenot A.P. Interplay of innate and adaptive immunity in metal-induced hypersensitivity // Current Opinion in Immunology. 2016. Vol. 42. P. 25-30.
- Ohsawa M. Heavy metal-induced immunotoxicity and its mechanisms // Yakugaku Zasshi. 2009. Vol. 129(3). P. 305-319.
- Tanabe T. et al. Immune system reaction against environmental pollutants // Nihon Eiseigaku Zasshi. 2015. Vol. 70(2). P. 115-119.
- Zhu Y. et al. Immunotoxicity of aluminum // Chemosphere. 2014. Vol. 104. Р. 1-6.