Загрязнение атмосферного воздуха как фактор риска болезней системы кровообращения | Герман С.В., Балакаева А.В.

Введение

Впервые драматические последствия воздействия резкого увеличения загрязнения воздуха зарегистрированы в Бельгии в долине Меза (1930 г.), а затем в Лондоне (1952 г.) [1, 2]. Наблюдался рост числа тяжелых заболеваний, общей смертности и смертности, главным образом, от респираторных заболеваний. Лишь через 4 десятилетия исследование в Великобритании подтвердило связь между воздействием загрязнения воздуха и неблагоприятными последствиями для здоровья [1, 3]. Главной причиной смертности были не респираторные, а сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Наряду с этим была отмечена опасность для здоровья не столько газообразных загрязнителей, сколько твердых взвешенных частиц (particular matter — РМ). PM в большей мере задерживаются в легочных альвеолах, что приводит к более выраженным системным эффектам.

В последующем многочисленные исследования, проведенные во многих странах, представили доказательства связи между загрязнением воздуха, как кратковременным, так и длительным, и общей смертностью, сердечно-сосудистой смертностью, сердечно-сосудистой заболеваемостью, частотой госпитализаций [4–8]. Получена также информация о том, что уменьшение выбросов в атмосферу сопровождалось заметным снижением показателей заболеваемости и смертности от ССЗ [8, 9].

До настоящего времени возможные последствия воздействия загрязнителей недооценены. В работе Y. Wei et al. [7] показаны ассоциации увеличения концентрации в воздухе PM с размером частиц от 2,5 до 0,1 мкм_{не только с респираторными заболеваниями, ССЗ, но и с септицемией, электролитными нарушениями, острой почечной недостаточностью, кишечной непроходимостью при отсутствии грыжи. Вновь выявленные эффекты поллютантов требуют подтверждения. Все последствия атмосферных загрязнителей отмечены при их концентрации ниже нормы ВОЗ и при ее малом увеличении. Обнаружена связь загрязненного воздуха с заболеваемостью сахарным диабетом, болезнью Паркинсона [10, 11],
нарушениями микробиома [12].}

Многочисленные исследования подтверждают роль воздушного загрязнения в увеличении сердечно-сосудистой заболеваемости [5, 13, 14]. Хотя риск развития ССЗ при загрязнении воздуха ниже, чем при наличии традиционных рисков (артериальная гипертензия, сахарный диабет, гиперхолестеринемия), воздействие этого фактора наблюдается почти повсеместно, поэтому значение его велико.

Эпидемиологические, клинические и экспериментальные исследования, в основном зарубежных авторов, продемонстрировали существенную связь между воздействием PM и ССЗ, включая тромбофлебит, тромбоэмболию [15–17]. Имеется немало отечественных работ, посвященных изучению особенностей загрязнения атмо-сферного воздуха в отдельных регионах России, и лишь единичными отечественными исследователями изучалась связь воздушных поллютантов с заболеваниями сердца и сосудов [18, 19]. Осведомленность практикующих врачей в России о рисках развития ССЗ, связанных с атмо-сферным загрязнением, остается невысокой.

Влияние поллютантов на сердечно-сосудистую систему

Загрязнение воздуха является сложной динамичной смесью газообразных и твердых компонентов, каждый из которых может оказывать пагубное воздействие на здоровье человека. Наибольший неблагоприятный эффект связан не с летучими органическими веществами и газами (окисью углерода (CO), диоксидом азота (NO₂), диоксидом серы (SO₂), озоном (O₃)), а с РМ, которые могут адсорбировать различные соединения. В зависимости от размера выделяют крупные частицы — диаметром 10–2,5 мкм (РМ₁₀), мелкие — от <2,5 до 0,1 мкм (PM_2,5) и ультрадисперсные — <0,1 мкм (PM_0,1). PM_2,5, имеющие бóльшую реактивную поверхность, чем крупные частицы, могут переносить бóльшее количество загрязнителей, включая токсические, и обладают более высокой способностью проникать в легочные альвеолы и кровоток.

Механизмы неблагоприятного действия вдыхаемых РМ на организм являются множественными и взаимодействующими. Поступление мелких загрязнителей в бронхолегочную систему после преодоления ее защитных механизмов (мукоцилиарного клиренса, сурфактанта, альвеолярных макрофагов и др.) может вызывать локальное воспаление, выработку цитокинов и других воспалительных медиаторов. Медиаторы воспаления, пройдя бронхоальвеолярный барьер, поступают в циркуляцию, вызывают системное воспаление. Возможна прямая транслокация наночастиц, включая токсические, в кровоток и непосредственное воздействие на отдаленные органы. J. Liliefeld et al. [20] назвали дыхательную систему «привратником» между загрязненным воздухом и человеческим телом.

Воздушные загрязнители способны привести к окислительному стрессу. Воспаление и окислительный стресс — ключевые взаимодействующие механизмы патологических эффектов в организме, прежде всего со стороны сердечно-сосудистой системы (ССС). Воспаление вызывает реакции окислительного стресса, а окислительный стресс, возникший при воздействии поллютантов, усиливает воспалительные реакции.

Воспаление в ответ на РМ сопровождается увеличением концентрации фибриногена, фактора Виллебранда, тканевого фактора, снижением фибринолитической активности плазмы. Поллютанты могут вызывать активацию тромбоцитов, повышение гематокрита. Все это способствует развитию ССЗ [21].

Стимуляция загрязнителями выработки активных форм кислорода индуцирует эндотелиальную дисфункцию, нарушение сосудистого тонуса за счет высвобождения вазоконстриктора эндотелина-1 и снижения синтеза вазодилататора оксида азота. Нарушается барьерная функция эндотелия вследствие выработки барьерных разрушителей [21–23], уменьшается количество циркулирующих эндотелиальных прогениторных клеток [24, 25].

Имеются свидетельства того, что уязвимость ССС при воздействии загрязнителей воздуха зависит от генетических вариаций. Варианты генов, связанных с воспалительным каскадом, окислительным стрессом, обработкой микроРНК (GSTM₁, GSTT₁, GSTР₁, GEMIN₄, DGCR₈), могут влиять на сердечно-сосудистые исходы как кратковременного, так и длительного воздействия загрязненного воздуха [26, 27].

Поллютанты могут действовать и опосредованно, влияя на такие общепризнанные факторы риска ССЗ, как сахарный диабет, метаболический синдром, развитие и прогрессирование артериальной гипертонии.

Загрязнители воздуха следует рассматривать как факторы риска атерогенности. Лица, подвергавшиеся их длительному воздействию, демонстрируют более частое развитие атеросклероза [28–30]. Контакт с РМ_2,5 стимулирует окисление_{циркулирующих липидов с повышением содержания в крови атерогенных липопротеинов, триглицеридов, способных проникать в субэндотелиальное пространство артерий вместе с воспалительными клетками и приводить к развитию атеросклеротических бляшек. Этому способствует снижение под влиянием загрязнителей уровней антиоксидантов в крови и липопротеинов высокой плотности с их антиоксидантной и противовоспалительной способностью, нарушение барьерной функции эндотелия [22, 31] и увеличение уровней молекул межклеточной (ICAM-1) и сосудистой (VCAM-1) адгезии [32]. Эрозия или разрыв бляшки является триггером для тромбоза, который может вызвать окклюзию артерии и привести к инфаркту миокарда, инсульту.}

При кратковременном (до 7 дней) воздействии средних концентраций PM (PM₁₀ – 20 мкг/м³; PM_2,5 – 7 мкг/м³) в ряде исследований подобных изменений не наблюдалось [33].

Одним из неинвазивных показателей атеросклероза служит уменьшение просвета сосудов микроциркуляторного русла сетчатки — признак, прогностически ценный в отношении сердечно-сосудистых исходов [28].

До настоящего времени обсуждается вопрос о связи маркера атеросклероза — толщины комплекса интима–медиа сонных артерий — с долгосрочным влиянием атмосферных загрязнителей. Метаанализ 4 европейских исследований не обнаружил его достоверной корреляции с 8 загрязнителями, включая РМ₁₀, РМ_2,5 и РМ₀₁ [34]. В других работах [30, 35] отмечена значимая ассоциация между воздействием повышенной концентрации РМ_2,5 и прогрессией толщины комплекса интима-медиа сонной артерии. Почти удвоенный риск развития стеноза сонных артерий, что связано с риском цереброваскулярных событий, зарегистрировали J. Newman et al. [36] при длительном увеличении концентрации РМ_2,5 на 10 мкг/м³. Уменьшение уровня РМ_2,5 приводило к снижению темпов прогрессирования утолщения внутренней оболочки сонной артерии [37].

В американском исследовании [38] изучалась связь долговременного воздействия воздушных РМ не только с увеличением толщины интима-медиа общей сонной артерии, но и с другим маркером атеросклероза — отложением кальция в коронарных артериях. Время наблюдения участников между двумя измерениями показателей составило 1 год — 8 лет. С загрязнителями изменение толщины внутренней оболочки сонной артерии оказалось не связанным, но на прогрессировании отложения кальция в коронарных артериях их присутствие достоверно сказывалось.

Выраженное влияние воздушных загрязнителей на кальцификацию коронарных артерий подтверждено и в недавнем китайском когортном исследовании (8867 участников) [39].

В работе S. Yang et al. [40] продемонстрирована ассоциация длительного загрязнения воздуха с развитием атеросклеротических бляшек в коронарных артериях, отмечено увеличение со временем их количества, размера, появление их нестабильности (нарастание фиброза, возникновение некротических ядер), что является предшественником острых коронарных событий.

Полученные результаты служат доказательством того, что длительное воздействие загрязнителей воздуха способствует прогрессированию атеросклероза и развитию ССЗ.

Загрязнители могут действовать как триггеры острых коронарных событий. Рядом авторов [16, 41] отмечено, что кратковременное воздействие РМ_2,5 (от нескольких часов до 3 дней) может привести к увеличению частоты острого инфаркта миокарда (ОИМ), особенно у пациентов с уже существующей ишемической болезнью сердца. Длительное воздействие также оказалось связано с ОИМ [5, 42]. Крупное когортное исследование показало сходные результаты и выявило связь между острыми коронарными событиями и РМ_2,5 при уровнях, не превышающих европейские предельные значения [13].

Ингаляция загрязненного воздуха нередко приводит к повышению АД [43, 44]. Гипертензивный эффект наблюдался и при кратковременном, и при длительном (более стойкий) воздействии, причем влияние длительного воздействия загрязнителей было больше выражено у пожилых людей [44].

Воздушные поллютанты воздействуют на сенсорные нервы дыхательной системы, приводя к вегетативному дисбалансу — снижению тонуса парасимпатической и повышению тонуса симпатической нервной системы. Указанные процессы могут быть активированы уже при кратковременной ингаляции загрязнителей. Отмеченный вегетативный дисбаланс является одним из факторов, обусловливающих гипертензивный эффект РМ  [34]. Кроме того, повышение АД в значительной мере связано с оксидативным стрессом и эндотелиальной дисфункцией — с ингибированием эндотелийзависимой вазодилатации и усилением вазоконстрикции, связанной с эндотелином-1 [45]. Наночастицы, поступающие непосредственно в кровоток через пенетрированные альвеолярные мембраны, могут оказывать прямое влияние на эндотелий [46]. К дисфункции эндотелия могут быть причастны провоспалительные медиаторы, в частности IL-6, IFN-α. В сосудистой дисфункции участвуют и другие механизмы, такие как нарушение экспрессии генов, регулирующих выработку антиоксидантов, и генов, регулирующих воспалительный каскад [47]. Аномальный статус метилирования ДНК, вызываемый РМ, может служить еще одним, пока малоизученным, механизмом повышения АД [48].

Большинство эпидемиологических исследований при повышенном суточном уровне загрязнения атмосферного воздуха установило сокращение вариабельности сердечного ритма (ВСР) [9, 50] — маркера вегетативного дисбаланса в регуляции деятельности сердца. Наличие связи между мелкими поллютантами и снижением ВСР наблюдалось после нескольких часов, даже минут воздействия [49]. H. Tong et al. [51] зарегистрировали снижение ВСР при воздействии РМ даже у здоровых добровольцев. Единичные работы [52] не выявили такого эффекта.

Сведения о влиянии поллютантов на характер Т-волн ЭКГ и реполяризацию, свидетельствующих об изменениях миокарда, пока скудные, результаты неоднозначны [49, 50].

В многолетнем исследовании A.G. Solimini et al. [53] оценивалась связь между госпитализацией по поводу фибрилляции предсердий и воздействием различных РМ за 24 ч до возникновения аритмии. Наиболее сильная связь зарегистрирована у лиц обоего пола всех возрастных групп с РМ_2,5 и у женщин старше 75 лет с NO₂. Значимая ассоциация между аритмиями, включая фибрилляцию предсердий, и воздействием РМ подтверждена и другими авторами [54, 55]. Однако в работе [56] она была статистически незначима.

Кратковременное (1–3 сут) воздействие РМ_2,5 даже при относительно низких концентрациях при суточном уровне 11,98 [8,13; 17,44] (медиана [1-й квартиль; 3-й квартиль]) мкг/м³ связано с повышенным риском внезапной остановки сердца [17]. Сочетание с другими загрязнителями (СО, SO₂, О₃) увеличивало риск остановки сердца. Частота внезапной остановки сердца возрастала при увеличении концентрации и продолжительности экспозиции РМ_2,5. Пациенты старше 65 лет оказались более уязвимы. Сходные результаты получены и другими исследователями [8, 57].

Метаанализ 35 исследований [58] показал рост частоты госпитализации, смерти от сердечной недостаточности на 2% при увеличении концентрации РМ_2,5 на 10 мкг/м³. Наиболее выраженная связь наблюдалась в день воздействия. Снижение уровня РМ уменьшало число госпитализаций. Аналогичные результаты получены и в других
наблюдениях [5].

Группа английских авторов [59] изучала влияние пятилетнего воздействия увеличенного уровня поллютантов на кардиальную структуру и функцию у лиц без ССЗ в возрасте старше 45 лет. У субъектов наблюдалось расширение обоих желудочков, что является маркером ремоделирования, часто предшествующего развитию сердечных нарушений. Зависимость увеличения массы миокарда и конечного диастолического объема не только левого, но и правого желудочка от уровня загрязнения воздуха продемонстрировала магнитно-резонансная томография и в другом исследовании [60].

Признана связь развития инсульта с загрязнением атмосферного воздуха [61, 62], причем не столько с газообразными, сколько с твердыми загрязнителями. Ассоциация зарегистрирована и при уровнях ниже нормативных. Наряду с ключевыми факторами в развитии ССЗ, играющими роль и в развитии цереброваскулярной патологии, особенно ишемического инсульта, исследования показали, что воздействие PM_2,5 может привести к дисфункции гематоэнцефалического барьера и их поступлению в центральную нервную систему, вызывая воспалительную реакцию, связанную с церебральными заболеваниями [61].

Существует ограниченная и противоречивая информация о роли воздушных поллютантов в развитии геморрагических мозговых событий, которые встречаются чаще у жителей Китая и Японии. Исследования, проведенные в Великобритании, Америке, Канаде, не выявили зависимости геморрагического инсульта от воздушных загрязнителей [63]. В работе Y. Qian et al. [64] отмечена ассоциация между поллютантами воздуха и частотой и фатальным исходом геморрагического инсульта. Многие китайские и японские исследователи [62, 64] считают загрязнители воздуха потенциальными факторами, способствующими развитию инсульта, включая геморрагический.

Патофизиологические механизмы развития геморрагического инсульта при воздействии РМ — вазоконстрикция, артериальная гипертензия, эндотелиальная дисфункция, повышающая уязвимость мозговых сосудов к разрыву. Избыточный вес и возраст старше 65 лет увеличивали риск заболеваемости и смертности [62–64].

Заключение

Всемирной организацией здравоохранения признано, что среди глобальных факторов риска здоровью воздушные поллютанты являются ведущей экологической причиной смертности и потери ожидаемых лет жизни, главным образом, способствуя развитию ССЗ. Многочисленные исследования убедительно продемонстрировали связь воздушного загрязнения с артериальной гипертензией, ОИМ, ХСН, внезапной смертью. Остаются недоказанными окончательно его аритмогенные эффекты.

Загрязнение воздуха влияет на основные биологические процессы, приводящие к ССЗ. Необходимо учитывать возможность пагубного действия загрязняющих веществ на ССС даже при коротких сроках их присутствия в атмо-
сферном воздухе. В дни сильного загрязнения воздуха еще до развития осложнений следует использовать методы контроля сердечно-сосудистой патологии. Целесообразно выявление наиболее уязвимых лиц к развитию ССЗ, связанному с воздействием загрязнителей воздуха, и проведение профилактики.

Сведения об авторах:

Герман Серафима Вениаминовна — д.м.н., ведущий научный сотрудник лаборатории экологии человека и общественного здоровья ФГБУ «ЦСП» ФМБА России; 119121, Россия, г. Москва, ул. Погодинская, д. 10, стр. 1; ORCID iD 0000-0002-1628-199X.

Балакаева Алиса Викторовна — к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории экологии человека и общественного здоровья ФГБУ «ЦСП» ФМБА России; 119121, Россия, г. Москва, ул. Погодинская, д. 10, стр. 1; ORCID iD 0000-0003-4217-4300.

Контактная информация: Балакаева Алиса Викторовна, e-mail: ABalakaeva@cspmz.ru.

Прозрачность финансовой деятельности: исследование проведено в рамках НИР «Анализ влияния загрязнения окружающей среды на продолжительность жизни и структуру причин смерти населения», выполненных по государственному заданию ФГБУ «ЦСП» ФМБА России в период с 2018 по 2020 г.

Конфликт интересов отсутствует.

Статья поступила 24.09.2020.

Поступила после рецензирования 19.10.2020.

Принята в печать 11.11.2020.

About the authors:

Serafima V. German — Dr. Sc. (Med.), leading researcher of the Laboratory of Human Ecology and Public Health, Centre for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks of the Federal Medical Biological Agency; 10/1, Pogodinskaya str., Moscow, 119121, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-1628-199X.

Alisa V. Balakaeva — C. Sc. (Biol.), senior researcher of the Laboratory of Human Ecology and Public Health, Centre for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks of the Federal Medical Biological Agency; 10/1, Pogodinskaya str., Moscow, 119121, Russian Federation; ORCID iD 0000-0003-4217-4300.

Contact information: Alisa V. Balakaeva, e-mail: ABalakaeva@cspmz.ru.

Financial Disclosure: this study was conducted as part of the research work “Analysis of the effects of environmental pollution on life duration and causes of death” (State Target of the Centre for Strategic Planning and Management of Biomedical Health Risks of the Federal Medical Biological Agency, 2018–2020).

There is no conflict of interests.

Received 24.09.2020.

Revised 19.10.2020.

Accepted 11.11.2020.