Наночастицы из горящего угля повреждают лёгкие мышей, указывая на токсичность для людей

Учёные из Virginia Tech обнаружили, что мельчайшие частицы необычного и высокотоксичного оксида титана, содержащиеся в угольном смоге и золе, могут вызывать повреждение лёгких у мышей после однократного воздействия, а долгосрочные повреждения возникают всего за шесть недель.

Исследование возглавлял профессор Ирвинг Кой Аллен из Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine при участии коллег из Virginia Tech, Университета Колорадо, Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, Университета Восточной Каролины и Восточно-китайского педагогического университета в Шанхае. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Immunology.

Они основаны на открытии 2017 года геоучёного Virginia Tech Майкла Хошеллы: сжигание угля — когда дым не улавливается современными фильтрами на электростанциях США — выбрасывает в атмосферу мельчайшие частицы, известные как наночастицы субоксида титана. Их находили в золе, собранной на улицах, тротуарах, в прудах и заливах возле городов США и Китая.

В лабораторных условиях на моделях мышей эти наночастицы размером до 100 нанометров попадали в лёгкие при вдыхании. Внутри лёгких они встречались с макрофагами — защитными клетками, которые захватывают и удаляют инородные материалы. Обычно эти клетки защищают лёгкие от патогенов, но против данных наночастиц макрофаги оказались бессильны.

«Они не могут разрушить наночастицы титана, поэтому клетки начинают умирать, и этот процесс привлекает новые макрофаги. Формируется петля обратной связи: каждый новый цикл умирающих клеток концентрируется вокруг наночастиц», — пояснил Аллен. «Эти умирающие клетки с наночастицами начинают формировать отложения в лёгких, которые вызывают проблемы. Мы наблюдаем негативное влияние на функцию лёгких, и в итоге они перестают работать правильно».

По словам Аллена, «поразительным открытием» стало обнаружение негативных эффектов уже после однократного воздействия токсичных наночастиц. Долгосрочные повреждения от отложений могут проявиться всего за шесть недель, что вызывает обеспокоенность для сильно загрязнённых городов. «Мы поняли, что человек, живущий рядом с электростанцией или другим источником сжигания угля, будет подвергаться не разовой дозе, а ежедневному воздействию», — отметил он. «Мы также не увидели очистки лёгких через неделю — эти частицы остаются там надолго».

Повреждённые лёгкие могут повысить восприимчивость к вирусным или бактериальным инфекциям и усугубить симптомы астмы или хронической обструктивной болезни лёгких (ХОБЛ).

Однако точное влияние этих токсичных наночастиц на людей, других животных, растительность и водные системы неизвестно и требует дальнейшего изучения международными исследователями.

«Лёгкие мыши и человека функционально схожи, но анатомически различаются. Хотя проведённые исследования обычно используются для моделирования заболеваний дыхательных путей у людей, для полного понимания влияния наночастиц на человека необходимы более прямые клинические данные», — добавил Аллен.

Наночастицы субоксида титана (так называемые фазы Магнели) ранее считались редкими, но исследование Хошеллы 2017 года (Nature Communications) показало, что они широко распространены в мире из-за сжигания угля.

Почти весь уголь содержит небольшие количества минералов рутила или анатаза — относительно инертных природных оксидов титана. При сжигании они превращаются в субоксид титана. Наночастицы становятся воздушными, если на электростанции нет высокотехнологичных фильтров (как в США). В странах без строгих норм они могут распространяться воздушными потоками локально, регионально и даже глобально.

Ранние исследования биотоксичности на эмбрионах рыб данио показали негативное биологическое воздействие наночастиц, указывая на потенциальный вред для людей. Теперь, с данным исследованием, вероятность токсичности для человека стала значительно выше. «Проблема в том, что нет простого или практичного способа предотвратить образование этих наночастиц при сжигании угля», — отметил Хошелла.

Его команда случайно обнаружила наночастицы субоксида титана, изучая последствия разлива угольной золы в реке Дэн (Северная Каролина) в 2014 году. Позже они воспроизвели их в лабораторных условиях при сжигании угля.

Этот потенциальный риск для здоровья дополняет данные ВОЗ: более 3,3 млн преждевременных смертей в год во всём мире связаны с загрязнением воздуха, а только в Китае — 1,6 млн ежегодно из-за сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний.

Возникают вопросы: поглощаются ли наночастицы через глаза или кожу? Могут ли они попасть в растительность (включая пищу) через почву? Каковы последствия для желудочно-кишечного тракта? Содержатся ли они в питьевой воде? Если у мыши повреждения возникают за шесть недель, что это значит для людей, дышащих таким воздухом?

Аллен призывает перейти к исследованиям, сфокусированным на человеке.

«Мы идентифицировали уникальный загрязнитель в окружающей среде и показали потенциальную опасность для здоровья людей. Это даёт нам биомаркер для более пристального мониторинга», — сказал он. «Мы должны начать внимательнее изучать эти частицы, осознавая опасность этих наночастиц».

Этот путь, хотя и очевидный, может быть непростым с этической или политической точки зрения. Учёные не могут подвергать людей воздействию угольного смога или золы. Вероятный сценарий — изучение частиц в ткани человеческих лёгких из биопсий и клинических образцов. Однако многие клиницисты в странах наибольшего риска неохотно участвуют в таких усилиях, возможно, из-за чувствительности вопросов качества воздуха в этих странах.