Medycyna środowiskowa – rola biomarkerów podatności

Kolarzyk
Probl
HigE,Epidemiol
Jankowska2008,
J. Medycyna
89(2): 195-198
środowiskowa – rola biomarkerów podatności
195
Medycyna środowiskowa – rola biomarkerów podatności
Environmental medicine – importance of biomarkers of susceptibility
EMILIA KOLARZYK, JOANNA JANKOWSKA
Zakład Higieny i Ekologii, Uniwersytet Jagielloński, Collegium Medicum, Kraków
Wyzwaniem dla medycyny środowiskowej jest udzielenie odpowiedzi
na pytanie: dlaczego potencjalnie toksyczny ksenobiotyk jest
niebezpieczny dla zdrowia tylko poszczególnych członków eksponowanej
populacji? Dla wyjaśnienia tego zjawiska konieczne jest poszukiwanie i
określanie biomarkerów wrażliwości. W celu oszacowania ryzyka
zagrożenia zdrowia konieczne jest również określenie biomarkerów
ekspozycji podczas przeprowadzania monitoringu biologicznego.
Współczesnym osiągnięciem możliwości diagnostycznych jest oznaczanie
3 hydroksy-B(a)P w moczu, który jest uznany za obiektywny miernik
kancerogennej frakcji metabolitów benzo(a)pirenu. Pomiar tego
metabolitu ma bardzo duże znaczenie w identyfikowaniu podatnych
osób oraz w prewencji rozwoju nowotworowej choroby płuc. Studenci
muszą rozumieć związek przyczynowo-skutkowy między czynnikami
środowiskowymi i stanem zdrowia człowieka.
The challenge of environmental medicine is to give the answer to the
question: why potentially harmful xenobiotic is dangerous only for
some of the members of exposed population? In order to explain such
phenomena, the biomarkers of susceptibility must be determined. For
health risks assessment, it is also necessary to estimate the biomarkers
of exposure using biological monitoring. The present achievement of
diagnostic possibilities is determination of 3OH-BaP in urine as the
metabolite of the carcinogenic benzo(a)pyrene. The estimation of this
metabolite is important for identifying susceptible persons and for
prevention of lung cancer development. Modern students must
understand relationship between environmental factors and human
health.
Key words: environmental exposure, xenobiotic, benzo(a)pyrene,
individual susceptibility
Słowa kluczowe: ekspozycja środowiskowa, ksenobiotyk, benzo(a)piren,
wrażliwość osobnicza
© Probl Hig Epidemiol 2008, 89(2): 195-198
Adres do korespondencji / Address for correspondence
www.phie.pl
Prof. dr hab. Emilia Kolarzyk
Zakład Higieny i Ekologii UJ CM
ul. Kopernika 7, 31-034 Kraków
telefax: (0-12) 422-37-20, e-mail: [email protected]
Nadesłano: 11.03.2008
Zakwalifikowano do druku: 27.05.2008
Etiologia chorób środowiskowych jest zazwyczaj
wieloczynnikowa, a udział poszczególnych czynników trudny do zhierarchizowania.
Kluczowym zadaniem dla medycyny ekologicznej jest udzielenie odpowiedzi na pytanie: dlaczego
identyczne stężeniu ksenobiotyku i identyczna długość okresu ekspozycji prowadzi u części eksponowanych osób do zaburzeń funkcjonowania ustroju
(na poziomie metabolicznym, tkankowym, narządowym lub ogólnoustrojowym), podczas gdy u innych
osób do takich uszkodzeń nie dochodzi? Dobrym
przykładem takiego dualizmu jest ustrojowa odpowiedź na środowiskowe działanie benzo(a)pirenu
[1].
praca wygłoszona na Konferencji „DOSKONALENIE NAUCZANIA
W MEDYCYNIE PREWENCYJNEJ / IMPROVEMENT OF TEACHING
IN PREVENTIVE MEDICINE” w Gródku n/Dunajcem w dniach
6-8 marca 2008
Benzo(a)piren jest kancerogenem chemicznym
należącym do grupy kancerogenów pośrednich (prekancerogenów) [2]. Aktywnym kancerogenem staje się po przekształceniu w endogennych przedziałach organizmu do aktywnej formy o właściwościach
elektrofilnych, mających zdolność tworzenia wiązań
kowalencyjnych z DNA lub RNA [1]. W reakcjach
pierwszej fazy procesów biotransformacji ulega on
w każdym ustroju przekształceniu (przy udziale monooksygenaz) w związek pośredni – benzo(a)pireno7,8-dihydrodiol. Związek ten w reakcjach metabolicznych drugiej fazy u większości osób ulega detoksykacji i powstaje wówczas nieszkodliwy metabolit benzo(a)pireno-7,8-dihydriolo-glukoronid, wydalany z ustroju głównie z żółcią, a częściowo z moczem. Jednak u części osób szlak metaboliczny może
przebiegać z endogenną aktywacją i powstają wówczas pochodne epoksydowe (ryc. 1).
196
Probl Hig Epidemiol 2008, 89(2): 195-198
Ryc.1. Biotransformacja benzo(a)pirenu
Fig. 1. Biotransformation of benzo(a)pirene
Co najmniej 2 formy: Benzo(a)PirenDiol Epoksyd-1 (BPDE-1) oraz Benzo(a)PirenDiol Epoksyd-2
(BPDE-2) wykazują duże powinowactwo do tworzenia adduktów DNA, przy czym istnieją doniesienia
o ich zmiennej aktywności karcinogennej [3]. W metabolicznej aktywacji i detoksykacji B(a)P szczególną
rolę odgrywa kilka genów, włączając w to geny cytochromu P-450 (CYP1A1 i CYP1B1) i glutationu
S-transferazy (GST): geny GSTM1i GSTT2 [4,5,6].
Polimorfizm genetyczny tych genów może determinować wrażliwość osobniczą w odpowiedzi na środowiskowe narażenie na wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne [7]. Do tej pory nie było jednak praktycznych możliwości diagnostycznych zróżnicowania eksponowanej populacji w aspekcie indywidualnej odpowiedzi na działanie B(a)P: na tych,
dla których ekspozycja ta pozostaje bezpieczna oraz
na tych, u których istnieje niebezpieczeństwo rozwoju procesów kancerogennych, głównie raka płuc,
ale także skóry i pęcherza moczowego.
Obecnie istnieją nowe możliwości i nowe wskazania do przeprowadzania monitoringu środowiskowego i biologicznego. Grupa badaczy reprezentujących niemiecką medycynę środowiskową i medycynę pracy opracowała kompleksowe kryteria oceny:
czy ekspozycja środowiskowa na B(a)P znajduje odzwierciedlenie w obecności tego związku oraz jego
metabolitów w organizmie człowieka? Uzyskane
przez nich wyniki [8] przedstawione są w tabeli I.
Jak wynika z tabeli I, w powietrzu środowiska pracy zalecane jest monitorowanie nie tylko stężenia
benzo(a)pirenu, ale także fenantrenu i pirenu.
W monitoringu biologicznym wskazane jest oznaczanie wcześniej już polecanych biomarkerów ekspozycji takich, jak: suma stężeń mono-hydroksy-fenantrenów oraz 1 hydroksy-piren w moczu (w przeliczeniu na g kreatyniny), ale przede wszystkim nowoopracowanego biomarkeru, jakim jest 3 hydroksyB(a)P oznaczany w moczu [9, 10,11] . Metabolit ten
jest traktowany jako czuły i specyficzny biomarker
wrażliwości i co ma ogromne znaczenie praktyczne uznany jest za obiektywny miernik kancerogennej
frakcji metabolitów B(a)P [8, 12]. Ważne jest również podkreślenie, że nie stwierdzono istotnych różnic w stężeniu 3 hydroksy-B(a)P w moczu palących
papierosy i niepalących pracowników (różnicowanych poprzez oznaczenie stężenia kotyniny w moczu) [13]. Wdrożenie oznaczania stężeń tego biomarkera może mieć fundamentalne znaczenie dla
oceny zagrożenia w kierunku rozwoju choroby nowotworowej u pracowników eksponowanych na benzo(a) piren i inne WWA, głównie w stężeniach przekraczających wartość NDS [8, 14].
Należy jednak wyraźnie podkreślić, że w rozwoju chorób indukowanych czynnikami środowiska
pracy lub środowiska bytowania, odgrywają rolę nie
tylko predyspozycje genetyczne, ale także czynniki
wynikające ze stylu życia [15]. Taki przypadek stanowi rozedma płuc. Wśród czynników genetycznych
wymienia się wrodzony brak α1-antytrypsyny (dziedziczenie autosomalne dominujące – z ekspresją kodominującą) lub defekt wytwarzania w wątrobie
α1-antytrypsyny, która w płucach pełni funkcję głównej antyproteazy.
Do rozedmy płuc może jednak dochodzić nawet
przy prawidłowym poziomie α1-antytrypsyny, gdy
Tabela I. Monitoring środowiskowy i biologiczny benzo(a)pirenu i innych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych [wg 8]
Table I. Environmental and biological monitoring of benzo(a)pirene and other polycyclic aromatic hydrocarbons [by 8]
Monitoring środowiskowy
Monitoring biologiczny
Pracownicy przemysłu
B aP
(μg/m 3)
Fenantren
(μg/m3 )
Piren
(μg/m3)
3-OH-BaP
ng/g kreatyn
S-OH-Fen
μg/g kreatyn
1-OH-Pir
μg/g kreatyn
n
199
199
199
223
225
225
Poniżej detekcji (LOD)
35
0
14
3
0
1
Zakres
Średnia
<LOD - 44.30
2.73
0.14 -298.28
21.41
<LOD -560.52
8.48
<LOD- 19.53
1.74
0.67- 313.41
23.97
<LOD - 279.63
11.84
Mediana
0.62
6.61
1.44
0.78
12.65
6.05
3-OH-BaP-3 hydroksy-B(a)P w moczu
S-OH-Fen - suma stężeń mono-hydroksy-fenantrenów w moczu
1-OH-Pir - 1 hydroksy-piren
Kolarzyk E, Jankowska J. Medycyna środowiskowa – rola biomarkerów podatności
towarzyszą temu zaburzenia równowagi oksydacyjno-antyoksydacyjnej, będące skutkiem inhalacji egzogennych oksydantów [16]. Inhalacja taka ma miejsce podczas palenia papierosów. Wolne rodniki tlenowe (rodnik hydroksylowy, nadtlenek wodoru,
anion ponadtlenkowy) zawarte w dymie papierosowym doprowadzają do uwalniania elastazy neutrofilowej, której destrukcyjne działanie w stosunku do
tkanki śródmiąższowej płuc może prowadzić do rozedmy międzyzrazikowej. Fakt, że u części palaczy
nie dochodzi do rozwoju rozedmy płuc jest determinowany funkcjonalną wydolnością α1-antytrypsyny,
która unieczynnia elastazę, poprzez nieodwracalne
wiązanie z metioniną, umieszczoną w czynnej pozycji 358. Sytuacja jednak ulega radykalnej zmianie, gdy
palacz tytoniu jest dodatkowo narażony na środowiskową ekspozycję oksydantów pochodzących z zanieczyszczeń przemysłowych lub motoryzacyjnych. Pod
wpływem zawartych w tych zanieczyszczeniach tlenków azotu oraz ozonu, szczególnie przy stężeniach
przekraczających NDS, dochodzi do utlenienia metioniny 358. Doprowadza to do utraty biologicznych
właściwości α 1-antytrypsyny, która traci wówczas
zdolność unieczynniania elastazy.
Za pomocą metod inżynierii genetycznej [17]
można uzyskać α1-antytrypsynę oporną na utlenianie poprzez zastąpienie metioniny w pozycji 358
przez walinę. Ten zmodyfikowany genetycznie enzym
nie ulega utlenianiu, a jednocześnie zachowuje swoje właściwości antyproteolityczne. Z całą pewnością
nie można jednak obecnie uznać tej metody za powszechnie dostępną w profilaktyce rozedmy płuc. Dla
ludzi żyjących w antropogennie zmienionym środowisku oraz narażonych na zanieczyszczenia powietrza w miejscu pracy, najbardziej skutecznym sposobem ograniczenia egzogennych czynników prowadzących do rozwoju rozedmy płuc pozostaje nadal
ograniczenie zarówno biernej jak i czynnej ekspozycji na dym tytoniowy. Istnieją dowody, iż w pewnym
stopniu również prawidłowe odżywianie może odgrywać protekcyjną rolę, m.in. poprzez zapewnienie
właściwego poziomu witamin antyoksydacyjnych tj.
C, D, E w codziennym żywieniu. Spełniają one
ochronną rolę przed nadmiarem wolnych rodników
197
tlenowych i sprzyjają utrzymaniu równowagi oksydacyjno-antyoksydacyjnej. Jednak teza ta nie została
dotychczas wystarczająco rozstrzygnięta w oparciu
o dowody doświadczalne.
Podsumowanie
1. Współczesne osiągnięcia medycyny ekologicznej
powinny stymulować zmianę w podejściu do prewencji oraz diagnostyki chorób o etiologii środowiskowej. Dobrym przykładem jest omawiany w obecnym opracowaniu bezo(a)piren. Badania wstępne ludzi, którzy będą eksponowani
na działanie benzo(a)pirenu i innych wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych
w miejscu pracy, obejmują badanie ogólnolekarskie, zdjęcie rtg klatki piersiowej, morfologię krwi
i OB. Identyczny zestaw diagnostyczny wykonywany jest w trakcie badań okresowych, które
w przypadku przekroczenia NDS dla WWA są
wykonywane z reguły co 3 lata. Wprowadzenie
do praktyki diagnostycznej obowiązku oznaczania 3 hydroksy-B(a)P w moczu pracowników
pozwoliłoby na zidentyfikowanie tych osób,
u których karcinogenna frakcja metabolitów
B(a)P przekracza dopuszczalne stężenie biologiczne, a w konsekwencji może doprowadzić do
rozwoju choroby nowotworowej.
2. Obowiązkiem dydaktycznym jest nauczenie studentów umiejętności interprofesjonalnego oraz
interdyscyplinarnego podejścia do prewencji
oraz diagnostyki chorób indukowanych czynnikami środowiska. Muszą być oni świadomi, że
konieczna jest współpraca z inżynierem środowiskowym oraz diagnostą laboratoryjnym oraz
że wymagane jest holistyczne spojrzenie na pacjenta, z uwzględnieniem warunków pracy
i mieszkania oraz jego zachowań pro- i antyzdrowotnych. Konieczne jest również zwrócenie
uwagi na daleko posuniętą zmienność odpowiedzi biologicznej i bardzo zróżnicowane reakcje
osobnicze na działanie ksenobiotyków, stąd istnieje konieczność daleko posuniętej indywidualizacji w ocenie skutków zdrowotnych przy identycznych warunkach ekspozycji środowiskowej.
Piśmiennictwo / References
1. Sapota A. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2002,
2(32): 179-208.
2. ***World Health Organization, International Agency for
Research on Cancer, IARC Monographs on the evaluation
of carcinogenic risks to humans, tobacco smoke and involuntary smoking summary of data reported and evaluation. 2002, vol. 83.
3. Armstrong B, Hutchinson E, Unwin J et al. Lung cancer
risk after exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons:
a review and meta-analysis. Environ Health Perspect 2004;
112: 970-978.
4. Wang S, Jedrychowski W, Perera F P et al. Assessment of
interactions between PAH exposure and genetic polymorphisms on PAH-DNA adducts in African American,
Dominican, and Caucasian mothers and newborns. Cancer
Epidemiol Biomarkers Prev 2008; 17(2): 405-413.
198
5. Xiong P, Hu Z, Li C et al. In vitro benzo[a]pyrene diol
epoxide-induced DNA damage and chromosomal aberrations in primary lymphocytes, smoking, and risk of squamous cell carcinoma of the head and neck. Int J Cancer
2007 ; 121(12):2735-2740.
6. Alexandrov K, Cascorbi I, Rojas M et al. CYP1A1 and
GSTM1 genotypes affect benzo[a]pyrene DNA adducts
in smokers' lung: comparison with aromatic/hydrophobic
adduct formation. Carcinogenesis 2002; 23 (12):19691977.
7. Rubin H. Synergistic mechanisms in carcinogenesis by polycyclic aromatic hydrocarbons and by tobacco smoke: a
bio-historical perspective with updates. Carcinogenesis
2001; 22(12):1903-1930.
8. Förster K, Preuss R, Roßbach B, Brüning T, Angerer , Simon P. 3-hdroxybenzo[a]pyrene in the urine of workers
with occupational exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons in different industries. Occupational and Environmental Medicine 2008;65:224-229.
9. Lafontaine M, Gendre C, Morele Y et al. Excretion of urinary 1-hydroxypyrene in relation to the penetration routes of polycyclic aromatic hydrocarbons. Polycycl Aromat
Comp 2002; 22: 579-588.
10. Gündel J, Schaller KH, Angerer J. Occupational exposure
to polycyclic aromatic hydrocarbons in a fireproof stone
producing plant: biological monitoring of 1-hydroxypyrene, 1-, 2-, 3- and 4-hydroxyphenanthrene, 3-hydroxybenz(a)anthracene and 3-hydroxybenzo(a)pyrene. Int Arch
Occup Environ Health 2000;73: 270-274.
Probl Hig Epidemiol 2008, 89(2): 195-198
11. Marczynski B, Preuss R, Mensing T et al. Genotoxic risk
assessment in white blood cells of occupationally exposed
workers before and after alteration of the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) profile in the production material: comparison with PAH air and urinary metabolite levels. Int Arch Occup Environ Health 2005 ;78: 97-108.
12. Simon P, Lafontaine M, Delsaut P et al. Trace determination of urinary 3-hydroxybenzo[a]pyrene by automated
column-switching high-performance liquid chromatography. J Chromatogr B Biomed Sci Appl 2000; 748: 337-348.
13. Lafontaine M, Gendre C, Delsaut P et al. Urinary 3-hydroxybenzo[a]pyrene as a biomarker of exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons: an approach for determining a biological limit value. Polycycl Aromat Comp
2004;24: 441-450.
14. Lafontaine M, Champmartin C, Simon P et al. 3-Hydroxybenzo[a]pyrene in the urine of smokers and non-smokers. Toxicol Lett 2006; 162: 181-185.
15. Kolarzyk E (red): Wybrane problemy higieny i ekologii
człowieka. Wyd. UJ, Kraków 2008.
16. Starek A. Toksykologia narządowa. PZWL, Warszawa
2006.
17. Bielecki S (red). Raport „Perspektywy i kierunki rozwoju
biotechnologii w Polsce do 2013 r.”. Biotechnologia, Monografie, 2006, nr 3.