Zdrowe płuca, głupcze

Powietrze w przestrzeni miejskiej ma znacznie bardziej złożony skład chemiczny niż nam się wydaje. Złożoność ta wynika z obecności w powietrzu obok jego głównych składników – tlenu i azotu, stałych lub ciekłych cząstek pyłów zawieszonych, którym towarzyszą organiczne lub nieorganiczne zanieczyszczenia gazowe. Pod wpływem promieniowania słonecznego składniki tak złożonej mieszaniny wchodzą ze sobą w nieustanne interakcje, co dodatkowo komplikuje sytuację. Procesy te sprawiają, że dolne warstwy atmosfery ziemskiej są „toksycznym koktajlem”, który wpływa na nasze życie i samopoczucie w miejscach, w których mieszkamy. Najnowsze badania przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk we współpracy z partnerami zagranicznymi wyjaśniają wpływ dominujących produktów spalania biomasy tj. 4-nitro­katecholu i lewoglukozanu, na zachowanie komórek nabłonkowych ludzkich płuc, które stanowią pierwszą linię obrony między krwiobiegiem a szkodliwymi związkami obecnymi w powietrzu. Praca ta sygnalizuje pilną potrzebę rozszerzenia metodyki pomiarów jakości powietrza w Polsce i innych krajach Unii Europejskiej poprzez włączenie monitorowania stężeń kluczowych markerów spalania biomasy, tj. 4-nitrokatecholu i lewoglukozanu w pyle zawieszonym, szczególnie we frakcji respirabilnej PM2,5. Dlaczego? Badania jednoznacznie dowiodły cytotoksyczności tych związków i ich niszczycielskiej siły na mitochondria ludzkich komórek płuc.

Nasze płuca są w niebezpieczeństwie i to nie żart. Jest naprawdę źle… Wynika to wdychania powietrza zawierającego toksyczne związki organiczne osadzone w pyłach zawieszonych, określanych także jako cząstki aerozolu, które są wszechobecne w dolnych warstwach atmosfery, szczególnie nad obszarami zurbanizowanymi. Ważnymi źródłami cząstek aerozolu są procesy geologiczne, aktywność wulkaniczna, aktywność mórz i oceanów, ale także procesy spalania, w tym –wypalania obszarów zielonych oraz pożary, które poważnie niszczą ziemskie ekosystemy w regionach dotkniętych suszą.

Co zdumiewające, w składzie aerozolu atmosferycznego dominują cząstki będące wynikiem złożonych procesów chemicznych, których substratami są lotne związki organiczne dostające się do atmosfery w wyniku aktywności flory i fauny, a także –  działalności człowieka. Te lotne substancje o małych masach cząsteczkowych odgrywają kluczową rolę w systemach samoobrony roślin, komunikacji między roślinami, zwierzętami i wegetacji, ale co ważne, mogą być także uwalniane w wyniku działań człowieka, takich jak spalanie biomasy w celu ogrzewania gospodarstw domowych lub spalanie bioodpadów. Gdy wszystkie te związki dostaną się do dolnych warstw atmosfery, wstępują niemal natychmiast w złożone sieci reakcji z ozonem, wolnymi rodnikami i innymi zanieczyszczeniami gazowymi, takimi jak tlenki azotu i siarki (NOx, SO2) i... tutaj zaczyna się cała historia. Cząstki stałe o niewielkich rozmiarach nawet poniżej stu nanometrów występujące w dolnej atmosferze, takie jak pyły mineralne, ziarna skał, szczątki roślin i pozostałości bakterii, służą jako podłoże, na którym związki lotne ulegają kondensacji się. Jest to początek wzrostu cząstek aerozolu organicznego. Warto podkreślić, że powstałe w ten sposób cienkie warstwy związków ulegają dalszym reakcjom chemicznym, w wyniku których powstają szkodliwe cząsteczki aerozolu. Przez co wdychając zanieczyszczone powietrze narażamy zdrowie, a w szczególności płuca.

Na szczęście ludzkie komórki są selektywne i rozwinęły biochemiczne mechanizmy obronne, aby pokonać małych intruzów. Aktywują one enzymy, które zmieniają ładunek na powierzchni tychże intruzów chemicznych (zwanych ksenobiotykami) poprzez procesy utleniania, ostatecznie rozkładając je na mniej szkodliwe produkty, takie jak dwutlenek węgla i woda. Jednak im mniejszy jest rozmiar cząstek wnikających do organizmu, tym łatwiej mogą one przedostawać się do innych tkanek, powodując stany zapalne i procesy stresu oksydacyjnego niekorzystnie działając na nasze zdrowie. Kompleksowe badanie prowadzone przez zespół badawczy z IChF PAN (dr Faria Khan, dr Karina Kwapiszewska, dr Krzysztof Rudziński i prof. Rafał Szmigielski) we współpracy z University of North Carolina at Chapel Hill (prof. Jason Surratt) i Príncipe Felipe Research Center w Hiszpanii (dr Alicia M. Romero, dr Domingo Gil-Casanova) miały na celu zrozumienie, czy cząstki aerozolu pochodzące ze spalania biomasy wpływają na stan ludzkich komórek płuc, a jeśli tak – to jakie niosą zagrożenie dla zdrowia człowieka. Innymi słowy, naukowcy spojrzeli  na problem od strony komórki nabłonka płucnego: czy produkty spalania biomasy są dla nich toksyczne, a jeśli tak, to jakie są objawy i jakich konsekwencji na poziomie biochemicznym należy oczekiwać?

Ponieważ skład chemiczny cząstek pochodzących ze spalania biomasy jest złożony, każdy produkt spalania biomasy wykazuje pewną toksyczność dla procesów komórkowych, począwszy od zaburzenia procesu oddychania komórkowego po szlaki metaboliczne, co zależy stężenia i czasu ekspozycji. W oparciu o wcześniejsze badania autorów badania, skład aerozolu spalania biomasy jest zdecydowanie zdominowany przez dwa produkty końcowe - lewoglukozan i 4-nitrokatechnol. Spalanie biomasy jest procesem, w którym polimery na bazie polisacharydów ulegają degradacji termicznej (pirolizie), prowadzącej zarówno do polihydroksylowanych pochodnych, jak i związków aromatycznych. Lewoglukozan – jako bezwodnik glukozy, jest produktem pirolizy naturalnych polimerów cukrowych, w tym – celulozy, w których łańcuch rozpada się, a uwolnione jednostki monomerów łatwo ulegają odwodnieniu. Z kolei 4-nitrokatechol jest związkiem fenolowym pochodzącym z pirolizy składników biomasy (celulozy i hemicelulozy) w obecności tlenków azotu, które tworzą się in situ w wysokiej temperaturze. W rezultacie uwalniane tlenki azotu modyfikują strukturę katecholu, powodując powstawanie 4-nitrokatecholu.

Celem naukowców z IChF PAN i zagranicznych współpracowników było określenie, w jaki sposób lewoglukozan i 4-nitrokatechol wpływają na komórki nabłonka oskrzeli BEAS-2B hodowanych z ludzkich komórek nabłonka płuc i linii komórkowych gruczolakoraka nabłonka pęcherzyków płucnych, takich jak A549, dla których cykle oddychania przebiegają odmiennie niż w komórkach nierakowych poprzez tzw. efekt Warburga. Ich odkrycia potwierdziły, że ekspozycja na 4-nitrokatechol wyraźnie zaburza gradient stężenia jonów wodorowych H+ pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną błoną mitochondrialną, wpływając tym samym na biosyntezę wysokoenergetycznych cząsteczek ATP warunkujących funkcjonowanie komórki. Naukowcy wykazali, że obecność 4-nitro­katecholu w cytoplazmie wywołuje reakcje stresu oksydacyjnego, indukuje hipoksję i zaburza potencjał błony mitochondrialnej. W rezultacie komórki zaczynają zachowywać się zupełnie inaczej w obecności 4-nitrokatecholu i lewoglukozanu w cytoplazmie, procesy oddychania komórkowego są zakłócone. Z kolei zaburzone oddychanie otwiera drzwi do apoptozy komórek.

„Emisje aerozolu pochodzącego ze spalania biomasy (BBA) są jednym z największych źródeł drobnego aerozolu węglowego w troposferze i drugim co do wielkości źródłem śladowych gazów organicznych na świecie. Wdychanie, spożycie lub bezpośredni kontakt z organicznymi substancjami lotnymi uwalnianymi podczas spalania biomasy może powodować ostre i/lub przewlekłe narażenie i stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia, w tym wzrost reaktywnych form tlenu (ROS), mutagenezę, uszkodzenie DNA, nadwrażliwość oraz systematyczne lub zlokalizowane (płucne) reakcje zapalne” – mówi prof. Rafał Szmigielski z IChF PAN.

Badając wpływ obu produktów spalania biomasy, 4-nitrokatechol miał bardzo niską wartość stężenia hamującego (IC50). Wyjaśnia to zwiększoną cytotoksyczność i nagromadzenie reaktywnych form tlenu (ROS) w narażonych komórkach. Efekt ten może być spowodowany wyższą kwasowością 4-nitrokatechnolu. Niemniej jednak, lewoglukozan również przyspiesza deformację błony komórkowej, ale z inną szybkością. Badania wyraźnie pokazują toksyczność obu produktów spalania biomasy zarówno w liniach komórkowych BEAS-2B, jak i A549. Nie jest to obojętne dla ludzi, ponieważ te związki organiczne powodują silną dysfunkcję komórek prowadzącą do ich śmierci. Aby oszacować skalę procesów komórkowych, techniki fluorescencyjne w połączeniu z testami biochemicznymi pozwoliły ocenić, co faktycznie dzieje się w mitochondriach pod wpływem ekspozycji komórki na wspomniane produkty spalania biomasy. Apoptoza wystąpiła zarówno w komórkach zdrowych, jak i nowotworowych w ciągu zaledwie kilku godzin po ekspozycji na lewoglukozan, wykazując taką samą toksyczność przy nieco wyższych dawkach niż 4-nitrokatechol.

Naukowcy jednoznacznie wskazują na potrzebę udoskonalenia metod oceny jakości powietrza w celu uzyskania wymiernego wpływu na zdrowie ludzi. Konieczne jest nie tylko monitorowanie poziomów stężeń „grubszych” cząstek aerozolu w powietrzu, takich jak frakcje PM10 pyłów, ale przede wszystkim – frakcji respirabilnej PM2,5 pyłów zawierających związki organiczne pochodzące ze spalania biomasy, takich jak 4-nitro­katechol. Podkreślają, że związek ten jest bardzo ważnym markerem skutków zdrowotnych, a jego monitorowanie jest kluczowe.

Wyniki przedstawione przez naukowców dostarczają informacji na temat stałego pomiaru poziomu 4-nitrokatecholu w powietrzu jako wskaźnika skali problemu zanieczyszczenia powietrza i zmniejszenia narażenia społeczeństwa na ten związek. Zaprezentowana praca ta jest nie tylko wskazówką, ale również ostrzeżeniem dla osób zarządzających systemem monitoringu jakości powietrza. Bez szybkich zmian w ocenie zawartości niektórych związków chemicznych we wdychanym powietrzu problem zwiększonej zachorowalności na choroby cywilizacyjne z pewnością nie zniknie. Wprowadzenie monitoringu 4-nitro­katecholu w powietrzu jest krokiem naprzód w ochronie zdrowia na świecie.

„Nasze odkrycia są ważne z punktu widzenia atmosfery, ponieważ ostre narażenie na aerozole spalania biomasy (BBA) w przypadku przypadkowych emisji, takich jak pożary na dużą skalę i spalanie drewna, może narazić populacje ludzkie na wyższe niż normalne stężenia BBA. W związku z tym, monitorowanie stężeń 4-nitrokatecholu w pierwotnych i wtórnych regionach dotkniętych BBA jest uzasadnione w celu oszacowania ostrych skutków narażenia w płucach. Ogólnie rzecz biorąc, obecnie badane markery emisji BBA oszacowano jako bardziej toksyczne niż inne systemy zanieczyszczenia powietrza” – zauważa prof. Rafał Szmigielski, podkreślając znaczenie klasyfikacji 4-nitrokatecholu jako ważnego biomarkera w ochronie zdrowia.

Oprócz kierowania zespołem badawczym w IChF PAN, prof. Rafał Szmigielski jest również nauczycielem akademickim na Uniwersytecie Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie (UKSW), gdzie intensywnie kształci przyszłe pokolenia w zakresie chemii, biochemii, zanieczyszczeń powietrza i negatywnego wpływu cząstek aerozolu na zdrowie człowieka. Podkreśla również znaczenie interdyscyplinarności w prowadzeniu udanych badań w dziedzinie chemii atmosfery. Dr Faria Khan była głównym badaczem w projekcie. Wyniki uzyskane podczas badania stanowiły kluczową część jej pracy doktorskiej, którą obroniła z wyróżnieniem 24 stycznia 2022 roku. Od tego czasu, w ramach badań podoktorskich, kontynuuje ambitne problemy toksykologii środowiska i zanieczyszczenia powietrza na Uniwersytecie Heriot-Watt w Szkocji w Wielkiej Brytanii (2022-2023) oraz w Harvard T.H. Chan School of Public Health w Bostonie w stanie Massachusetts w USA (2023-obecnie).

KONTAKT:

Dr Faria Khan
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Phone: +1-339-224-1972
e-mail: fariakhan89@gmail.com, fkhan@hsph.harvard.edu 

Prof. Dr hab. Rafał Szmigielski
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Phone: +48 22 343 3402
e-mail: rszmigielski@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:

“Evidence for cytotoxicity and mitochondrial dysfunction in human lung cells exposed to biomass burning aerosol constituents: Levoglucosan and 4-nitrocatechol”

Faria Khan, Karina Kwapiszewska, Alicia M. Romero, Krzysztof Rudzinski, Domingo Gil-Casanova, Jason D. Surratt, Rafal Szmigielski

Environmental Pollution 363, 2024, 125173

https://doi.org/10.1016/j.envpol.2024.125173