Введение к работе
Актуальность темы и степень её разработки. Углеродная нанотрубка (УНТ) представляет собой свернутый в один или несколько слоев лист графена, который, в свою очередь, является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. В зависимости от количества структурообразующих слоев выделяют одно- и многослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ и МУНТ).
Эти наночастицы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Они чрезвычайно устойчивы к механическим нагрузкам (Peng et al., 2008), могут являться как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от формы структурообразующего листа графена, обладают хорошей теплопроводностью, способны поглощать некоторые виды электромагнитных излучений.
Спектр возможного применения этих наночастиц весьма широк – по прочностным характеристикам они превосходят сталь и кевлар, обладают высокой тепло- и электропроводностью. В мире наблюдается значительный рост предприятий, производящих и использующих готовые УНТ, a их мировой рынок достиг $192 миллионов в 2011 году. Динамика рынка дает основания предполагать рост до $527 миллионов долларов в 2016 году со среднегодовым темпом 22,4% (BCCresearch.com, 2011). В России существует несколько малых предприятий-производителей МУНТ – в Тамбове, во Владимире, Новосибирске, Казани, Калининграде, однако их количество будет увеличиваться в связи с ростом спроса на продукцию.
Волокнистая структура углеродных нанотрубок может обуславливать патогенность, свойственную минеральным волокнам (Shvedova et al., 2008, Kanno et al., 2010, Kim et al., 2012, Morimoto et al., 2013).
С другой стороны, обладая высокой удельной поверхностью и большей проникающей способностью, наночастицы гораздо более реактогенны, чем частицы микродиапазона и способны генерировать активные формы кислорода в больших количествах (Nel et al., 2006).
Вышеперечисленные обстоятельства обуславливают необходимость опережающих исследований биологических эффектов УНТ и изучения потенциально вредного для человека воздействия. Накопленные данные дают основания предположить наличие риска здоровью людей, имеющих производственный контакт с углеродными наночастицами (Shvedova et al., 2005, Donaldson et al., 2006, Poland et al., 2008, Mercer et al., 2013, Kato et al., 2013, Snyder-Talkington et al., 2013).
Остро встают вопросы оценки производственных экспозиций, выбора методов оценки состояния здоровья, проведения медицинских осмотров и предотвращения потенциально вредного воздействия на здоровье. Обычные гравиметрические методики малоприменимы для исследования аэрозолей УНТ. Проблемы с методологической базой привели к тому, что сведений о реальных производственных экспозициях крайне мало, а по российским производствам этих данных совсем нет. Относительная закрытость новой отрасли, отсутствие информации об адекватных биомаркерах ограничивают исследования медико-биологических эффектов рамками лабораторных экспериментов in vitro и in vivo.
Таким образом, актуальность исследования определяется ростом рынка МУНТ, в связи с чем увеличивается популяция лиц, подверженных производственной экспозиции; отсутствием унифицированных подходов к гигиенической оценке экспозиции к МУНТ; недостатком информации о медико-биологическом действии МУНТ на человека, что не позволяет разрабатывать эффективные профилактические программы для сохранения здоровья работников.
Цель исследования: гигиеническая оценка экспозиции к промышленным многослойным углеродным нанотрубкам с установлением медико-биологических эффектов фактических ингаляционных экспозиций.
В соответствии с целью ставились следующие задачи:
-
Гигиеническая оценка рабочих мест на предприятиях-производителях МУНТ и инструментальная оценка экспозиции к МУНТ на рабочих местах.
-
Изучение биологических эффектов легочной экспозиции к промышленным МУНТ в аспирационном эксперименте на мышах в дозах, соответствующих экспозиционному сценарию на рабочих местах.
-
Определение биологических механизмов действия промышленных МУНТ в культурах клеток макрофагов и бронхиального эпителия.
-
Оценка воздействия аэрозолей МУНТ на здоровье работников в ходе панельного исследования с применением биомаркеров, отобранных на основе предшествующего эксперимента in vivo.
-
Разработка гигиенических рекомендаций по охране здоровья лиц, занятых в производстве и применении МУНТ.
Научная новизна исследования. Изучены экспозиционные сценарии на рабочих местах предприятий-производителей МУНТ, доказано присутствие агломератов МУНТ в воздухе рабочей зоны, определены максимальные разовые и среднесменные концентрации аэрозоля МУНТ. Установлено, что нативные (неочищенные) МУНТ в дозах, релевантных реальной производственной экспозиции, вызвали развитие локального воспаления, индукцию оксидативного стресса и разрастание соединительной ткани (фиброз) в легких мышей. Выявлен профиброгенный эффект МУНТ в группе экспонированных работников. Предложены биомаркеры (TGF-, KL-6) и биологические среды (кровь, индуцированная мокрота) для осуществления медицинского наблюдения за лицами, работающими в контакте с аэрозолем МУНТ.
Практическая и научная значимость результатов исследования
По результатам исследования разработаны «Методические рекомендации по контролю содержания УНТ в воздухе рабочей зоны» (утверждены Научным Советом РАМН 45 по медико-экологическим проблемам здоровья работающих в 2013 г).
Результаты исследования способствуют выполнению актуальной гигиенической задачи сохранения здоровья трудоспособного населения и могут быть использованы для планирования, подготовки и проведения гигиенических, токсикологических экспериментов, а также эпидемиологических исследований среди работников предприятий, имеющих контакт с МУНТ.
Внедрение результатов исследования
На предприятии ООО «Нанотехцентр», г.Тамбов внедрена система контроля содержания МУНТ в воздухе рабочей зоны и биомониторинга работников. (акт внедрения от 18.09.2013).
Результаты исследования используются в учебном процессе на кафедрах общей гигиены и гигиены, медицины труда ГБОУ ВПО «Казанский ГМУ» Минздрава России (акты внедрения от 6.09.2013 и от 23.10.2013).
Личный вклад автора. Автором составлен план исследования, проанализированы литературные источники по проблеме, проведена гигиеническая оценка и отобраны пробы воздуха на рабочих местах предприятий-производителей МУНТ. Термооптический анализ и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) проводились в лаборатории Национального института охраны и медицины труда (г.Цинциннати, США). Автором самостоятельно выполнены эксперименты in vivo и in vitro, проведено анкетирование работников предприятий-производителей, организован отбор биологических проб, выполнены ИФА и проточная флоуцитометрия образцов, проведен статистический анализ в среде R.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на VIII Всероссийском конгрессе «Профессия и здоровье» (25-27 ноября 2009 г., г.Москва), Республиканской научно-практической конференции «Идель» (24-26 февраля 2010 г., г.Казань), XV-XVIII Всероссийских научно-практических конференциях «Молодые ученые в медицине» (г.Казань, 2010-2013), XI международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (8–9 декабря 2010 года, г. Казань), Международной конференции Nanomaterials and Worker Health: Medical Surveillance, Exposure Registries, and Epidemiologic Research. (21-23 Июля 2010 г., г.Кистоун США), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Связь заболеваний с профессией» (19-20 мая 2011 г., г.Казань), 5-й международной конференции «NanoEHS 2011» (9-12 августа 2011 г., г.Бостон, США), 51-й конференции Американского Общества Токсикологов «SOT 2012 Meeting» (11-15 марта 2012 г., г.Сан-Франциско, США), 6-й Международной конференции по нанотоксикологии «Nanotoxicology 2012» (4–7 сентября, Пекин, Китай), Международном конгрессе по безопасности искусственных наночастиц «SENN2012» (28-31 октября 2012 г., г.Хельсинки, Финляндия), IV Международном Казанском инновационном нанотехнологическом форуме NANOTECH‘2012 (27-29 ноября 2012 г.), II Международной школе-конференции «ANNT 2013» (15-19 августа 2013 г., г.Листвянка, Иркутская область), Российской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы медицинской биохимии и клинической лабораторной диагностики» (23-26 сентября 2013 г., г.Казань)
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 27 рисунков, 1 схему и состоит из введения, литературного обзора, методов исследования, результатов исследований и их обсуждения, выводов, практических рекомендаций и внедрения, списка литературы, содержащего 142 источника (в том числе 22 отечественных и 120 зарубежных авторов), 4 приложений.
Положения, выносимые на защиту:
-
МУНТ обнаруживаются в воздухе рабочих зон предприятия-производителя на основных этапах технологического процесса и в нерабочее время. Максимальная разовая концентрация МУНТ в воздухе рабочей зоны достигает 157,77 мкг/м3. Рассчитанные индивидуальные средневзвешенные концентрации респирабельной фракции – 4,58-6,96 мкг/м3.
-
Легочная экспозиция к МУНТ может повышать риск развития фиброгенных эффектов у человека.
-
Выявлены биомаркеры, которые могут быть использованы для оценки токсических эффектов МУНТ при легочной экспозиции у человека: TGF-b в сыворотке крови, KL-6 в индуцированной мокроте. Оценка цитокинового профиля (IL-1 и цитокины группы Th2) в различных биологических средах (кровь, индуцированная мокрота) является перспективным направлением дальнейших исследований.
![Вопросы гигиены труда и состояния здоровья рабочих медеплавильного производства и оценка риска здоровью населения, проживающего в районе его размещения [Электронный ресурс]](/i/i/4299/183416.png "Вопросы гигиены труда и состояния здоровья рабочих медеплавильного производства и оценка риска здоровью населения, проживающего в районе его размещения [Электронный ресурс] Михайлов Андрей Николаевич")
