zurniimtpeМедицина труда и промышленная экологияRussian Journal of Occupational Health and Industrial Ecology1026-94282618-8945FSBSI “Izmerov Research Institute of Occupational Health”10.31089/1026-9428-2025-65-4-265-270fdyiudzurniimtpe-3775Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESОценка нейротоксического эффекта продуктов термодеструкции торфа в условиях экспериментального моделированияAssessing neurotoxity of peat thermal degradation products in experimental modelinghttps://orcid.org/0000-0002-8165-8052ВокинаВера АлександровнаVokinaVera A.

Старший научный сотрудник лаборатории биомоделирования и трансляционной медицины, канд. биол. наук

e-mail: vokina.vera@gmail.com

Senior Researcher, Laboratory of Biomodeling and Translational Medicine, Cand. of Sci. (Biol.)

e-mail: vokina.vera@gmail.com

vokina.vera@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1052-4601СоседоваЛариса МихайловнаSosedovaLarisa M.

Заведующий лабораторией биомоделирования и трансляционной медицины, д-р мед. наук, профессор

e-mail: sosedlar@mail.ru

Head of the Laboratory of Biomodeling and Translational Medicine, Dr. of Sci. (Med.), Professor

e-mail: sosedlar@mail.ru

sosedlar@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2536-1550РукавишниковВиктор СтепановичRukavishnikovViktor S.

Научный руководитель, д-р мед. наук, профессор, член-корр. РАН

e-mail: rvs_2010@mail.ru

Scientific Director, Dr. of Sci. (Med.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

e-mail: rvs_2010@mail.ru

rvs_2010@mail.ruФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»РоссияEast-Siberian Institute of Medical and Ecological ResearchRussian Federation202510052025654265270Copyright © Вокина В.А., Соседова Л.М., Рукавишников В.С., 20252025Вокина В.А., Соседова Л.М., Рукавишников В.С.Vokina V.A., Sosedova L.M., Rukavishnikov V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-irioh.ru/jour/article/view/3775Введение

Введение. В настоящее время проблема природных пожаров приобретает глобальный масштаб, причём в условиях изменения климата прогнозируется их дальнейшее увеличение. Постоянное возрастание масштабов природных пожаров и продолжительные ежегодные задымления обширных территорий диктуют необходимость изучения механизмов токсичности продуктов горения, в том числе оценки их нейротоксического действия.

Цель исследования — оценка влияния острой интоксикации торфяным дымом на показатели функционального состояния ЦНС белых крыс.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследования выполнены на 20 белых беспородных крысах самцах, подвергавшихся воздействию торфяного дыма в течение 4-х часов. Через сутки после окончания экспозиции проводили обследование животных с применением тестов «открытое поле» и «водный лабиринт Морриса», а также оценивали показатели ЭЭГ.

Результаты

Результаты. Воздействие торфяного дыма в течение 4-х часов сопровождалось выраженным угнетением двигательной и исследовательской активности белых крыс, о чем свидетельствовало уменьшение пройденного пути и снижение площади исследуемой арены по сравнению с показателями группы контроля. По результатам электроэнцефалографии выявлено статистически значимое снижение средней амплитуды ЭЭГ в левом и правом полушариях на 23% и 20% и снижение средней мощности сигнала в диапазоне θ-частот на 10–11%, α-ритма и β1-ритма — на 22–27%.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Исследование ограничено изучением показателей поведения и электроэнцефалографии у самцов белых крыс, подвергавшихся воздействию торфяного дыма в течение 4-х часов.

Заключение

Заключение. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что при однократном 4-часовом ингаляционном воздействии дыма термодеструкции торфа, содержащего основные компоненты: СО — 24 мг/м3 и РМ2,5 — 0,32 мг/­м3, происходит изменение как поведения крыс, так и показателей ЭЭГ. В формировании нейротоксичности у крыс при вдыхании дыма термодеструкции торфа значительная роль принадлежит твёрдым частицам диаметром менее 2,5 мк (РМ2,5). Несмотря на то, что содержание СО в воздухе затравочных камер было близко к предельно-допустимому уровню в воздухе рабочей зоны, в совокупности с РМ2,5 и другими газами дымовой фракции, вероятно возникновение потенцирования токсического эффекта.

Этика

Этика. Исследование проведено в соответствии с принципами, изложенными в Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях ETS N123, ГОСТ 33215-2014 и одобрено Этическим комитетом ФГБНУ ВСИМЭИ (протокол № 7 от 15 декабря 2023 г.).

Участие авторов

Участие авторов:Вокина В.А. — концепция, сбор данных, формальный анализ, создание рукописи и её редактирование, администрирование данных;Соседова Л.М. — концепция, методология, поиск литературы, написание и редактирование рукописи;Рукавишников В.С. — концепция, методология, администрирование.Все соавторы — утверждение окончательного варианта и ответственность за целостность всех частей рукописи.

Финансирование

Финансирование. Работа выполнялась по плану НИР в рамках государственного задания.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления

Дата поступления: 27.03.2025 / Дата принятия к печати: 14.04.2025 / Дата публикации: 08.05.2025

Introduction

Introduction. Currently, the problem of wildfires is acquiring a global scale, and in the conditions of climate change, their further increase is predicted. The constant increase in the scale of wildfires and long-term annual smoke pollution of vast territories dictate the need to study the mechanisms of combustion products toxicity, including the assessment of their neurotoxic effect.

The study aims to assess the effect of acute peat smoke intoxication on the indices of the functional state of the central nervous system of white rats.

Materials and methods

Materials and methods. The studies were performed on 20 white outbred male rats exposed to peat smoke for 4 hours. A day after the end of the exposure, the animals were examined using the open field and Morris water maze tests. EEG indices were also assessed.

Results

Results. Exposure to peat smoke for 4 hours was accompanied by a pronounced inhibition of the motor and exploratory activity of white rats, as evidenced by a decrease in the distance traveled and a decrease in the area of the studied arena compared to the control group. The results of electroencephalography revealed a statistically significant decrease in the average EEG amplitude in the left and right hemispheres by 23% and 20%, and a decrease in the average signal power in the θ-frequency range by 10–11%, α-rhythm and β1-rhythm — by 22-27%.

Conclusion

Conclusion. Our results indicate that a single 4-hour inhalation exposure to smoke from thermal destruction of peat containing the main components: CO — 24 mg/m3 and PM2.5 — 0.32 mg/m3 causes changes in both the rats' behavior and EEG parameters. In the formation of neurotoxicity in rats when inhaling smoke from thermal destruction of peat, the leading role belongs to solid particles with a diameter of less than 2.5 μm (PM2.5). Even though the CO content in the air of the inoculation chambers was close to the maximum permissible level in the air of the working area, in combination with PM2.5 and other gases of the smoke fraction, the occurrence of a potentiation of the toxic effect is likely.

Limitations

Limitations. The study is limited to examining behavioral and electroencephalographic parameters in male albino rats exposed to peat smoke for 4 hours.

Ethics

Ethics. The study was carried out in compliance with the principles set out in the European Convention for the Protection of Vertebrate Animals used for Experimental and other Scientific Purposes ETS N123, GOST 33215-2014 and approved by the Ethics Committee of the East Siberian Institute of Medical and Ecological Research (Protocol No. 7 dated December 15, 2023).

Contributions

Contributions:Vokina V.A. — concept, data collection, formal analysis, manuscript creation and editing, data administration;Sosedova L.M. — concept, methodology, literature search, manuscript writing and editing;Rukavishnikov V.S. — concept, methodology, administration.All co-authors — approval of the final version and responsibility for the integrity of all parts of the manuscript.

Funding

Funding. The study was carried out according to the research plan within the framework of the state assignment.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Received

Received: 27.03.2025 / Accepted: 14.04.2025 / Published: 08.05.2025

торфяной дымкрысынервная системаэлектроэнцефалографияповедениеpeat smokeratsnervous systemelectroencephalographybehaviorReferencesFranzi L.M., Bratt J.M., Williams K.M., Last J.A. Why is particulate matter produced by wildfires toxic to lung macrophages? Toxicol. Appl. Pharmacol. 2011; 257: 182–188. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.09.003Franzi L.M., Bratt J.M., Williams K.M., Last J.A. Why is particulate matter produced by wildfires toxic to lung macrophages? Toxicol. Appl. Pharmacol. 2011; 257: 182–188. https://doi.org/10.1016/j.taap.2011.09.003Williams K.M., Franzi L.M., Last J.A. Cell-specific oxidative stress and cytotoxicity after wildfire coarse particulate matter instillation into mouse lung. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2013; 266: 48–55. https://doi.org/10.1016/j.taap.2012.10.017Williams K.M., Franzi L.M., Last J.A. Cell-specific oxidative stress and cytotoxicity after wildfire coarse particulate matter instillation into mouse lung. Toxicol. Appl. Pharmacol. 2013; 266: 48–55. https://doi.org/10.1016/j.taap.2012.10.017Cleland S.E., Wyatt L.H., Wei L., Paul N., Serre M.L., West J.J. et al. Short-term exposure to wildfire smoke and PM2.5 and cognitive performance in a brain-training game: a longitudinal study of us adults. Environmental health perspectives. 2022; 130(6): 067005. https://doi.org/10.1289/EHP10498Cleland S.E., Wyatt L.H., Wei L., Paul N., Serre M.L., West J.J. et al. Short-term exposure to wildfire smoke and PM2.5 and cognitive performance in a brain-training game: a longitudinal study of us adults. Environmental health perspectives. 2022; 130(6): 067005. https://doi.org/10.1289/EHP10498Wen J., Burke M. Lower test scores from wildfire smoke exposure. Nat Sustain. 2022; 5: 947–955. https://doi.org/10.1038/s41893-022-00956-yWen J., Burke M. Lower test scores from wildfire smoke exposure. Nat Sustain. 2022; 5: 947–955. https://doi.org/10.1038/s41893-022-00956-ySchuller A., Montrose L. Influence of woodsmoke exposure on molecular mechanisms underlying alzheimer's disease: existing literature and gaps in our understanding. Epigenet Insights. 2020; 13: 2516865720954873. https://doi.org/10.1177/2516865720954873Schuller A., Montrose L. Influence of woodsmoke exposure on molecular mechanisms underlying alzheimer's disease: existing literature and gaps in our understanding. Epigenet Insights. 2020; 13: 2516865720954873. https://doi.org/10.1177/2516865720954873Farugia T.L., Cuni-Lopez C., White A.R. Potential impacts of extreme heat and bushfires on dementia. J Alzheimers Dis. 2021; 79(3): 969–978. https://doi.org/10.3233/JAD-201388Farugia T.L., Cuni-Lopez C., White A.R. Potential impacts of extreme heat and bushfires on dementia. J Alzheimers Dis. 2021; 79(3): 969–978. https://doi.org/10.3233/JAD-201388Scieszka D., Hunter R., Begay J., Bitsui M., Lin Y., Galewsky J. et al. Neuroinflammatory and neurometabolomic consequences from inhaled wildfire smoke-derived particulate matter in the Western United States. Toxicol Sci. Off. J. Soc. Toxicol. 2022; 186: 149–162. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfab147Scieszka D., Hunter R., Begay J., Bitsui M., Lin Y., Galewsky J. et al. Neuroinflammatory and neurometabolomic consequences from inhaled wildfire smoke-derived particulate matter in the Western United States. Toxicol Sci. Off. J. Soc. Toxicol. 2022; 186: 149–162. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfab147Scieszka D., Jin Y., Noor S., Barr E., Garcia M., Begay J. et al. Biomass smoke inhalation promotes neuroinflammatory and metabolomic temporal changes in the hippocampus of female mice. J. Neuroinflammation. 2023; 20(1): 192. https://doi.org/10.1186/s12974-023-02874-yScieszka D., Jin Y., Noor S., Barr E., Garcia M., Begay J. et al. Biomass smoke inhalation promotes neuroinflammatory and metabolomic temporal changes in the hippocampus of female mice. J. Neuroinflammation. 2023; 20(1): 192. https://doi.org/10.1186/s12974-023-02874-yВокина В.А., Андреева Е.С., Новиков М.А., Соседова Л.М. Устройство для моделирования интоксикации у мелких лабораторных животных продуктами горения биомассы.: пат. 2269312 Рос. Федерация: МПК51 А 61 В 17/00; № 2004121631/14. Патент РФ № 213283U1. 2022.Vokina V.A., Andreeva E.S., Novikov M.A., Sosedova L.M. Device for modeling intoxication in small laboratory animals with biomass combustion products. Patent No 213283U1; 2022 (in Russian).Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of special preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Meth. 2008; 170: 345–351. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of special preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Meth. 2008; 170: 345–351. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Зайцева Н.В., Землянова М.А., Кольдибекова Ю.В., Пескова Е.В. Некоторые аспекты развития нейротоксических эффектов при воздействии нейротропных химических веществ. Экология человека. 2020; 3: 47–53.Zajceva N.V., Zemljanova M.A., Kol'dibekova Ju.V., Peskova E.V. Development оf Neurotoxic Effects оf Neurotrophic Chemicals. Human Ecology. 2020; 3: 47–53 (in Russian).Xu P., Liu B., Chen H., Wang H., Guo X., Yuan J. PAHs as environmental pollutants and their neurotoxic effects. Comp. Biochem. Physiol. C. Toxicol. Pharmacol. 2024; 283: 109975. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2024.109975Xu P., Liu B., Chen H., Wang H., Guo X., Yuan J. PAHs as environmental pollutants and their neurotoxic effects. Comp. Biochem. Physiol. C. Toxicol. Pharmacol. 2024; 283: 109975. https://doi.org/10.1016/j.cbpc.2024.109975Blake D., Hinwood A.L., Horwitz P. Peat fires and air quality: Volatile organic compounds and particulates. Chemosphere. 2009; 76: 419–423. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2009.03.047Blake D., Hinwood A.L., Horwitz P. Peat fires and air quality: Volatile organic compounds and particulates. Chemosphere. 2009; 76: 419–423. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2009.03.047Othman M., Latif M.T. Dust and Gas Emissions from Small-Scale Peat Combustion. Aerosol and Air Quality Res. 2013; 13: 1045–1059. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.08.0214Othman M., Latif M.T. Dust and Gas Emissions from Small-Scale Peat Combustion. Aerosol and Air Quality Res. 2013; 13: 1045–1059. https://doi.org/10.4209/aaqr.2012.08.0214Hargrove M.M., Kim Y.H., King C., Wood C.E., Gilmour M.I., Dye J.A. et al. Smoldering and flaming biomass wood smoke inhibit respiratory responses in mice. Inhal Toxicol. 2019; 31(6): 236–247. https://doi.org/10.1080/08958378.2019.1654046Hargrove M.M., Kim Y.H., King C., Wood C.E., Gilmour M.I., Dye J.A. et al. Smoldering and flaming biomass wood smoke inhibit respiratory responses in mice. Inhal Toxicol. 2019; 31(6): 236–247. https://doi.org/10.1080/08958378.2019.1654046Kim Y.H., King C., Krantz T., Hargrove M.M., George I.J., McGee J. et al. The role of fuel type and combustion phase on the toxicity of biomass smoke following inhalation exposure in mice. Archives of toxicology. 2019; 93(6): 1501–1513. https://doi.org/10.1007/s00204-019-02450-5Kim Y.H., King C., Krantz T., Hargrove M.M., George I.J., McGee J. et al. The role of fuel type and combustion phase on the toxicity of biomass smoke following inhalation exposure in mice. Archives of toxicology. 2019; 93(6): 1501–1513. https://doi.org/10.1007/s00204-019-02450-5Kim Y.H., Warren S.H., Krantz Q.T., King C., Jaskot R., Preston W.T. et al. Mutagenicity and lung toxicity of smoldering vs. flaming emissions from various biomass fuels: implications for health effects from wildland fires. Environmental health perspectives. 2018; 126(1): 017011. https://doi.org/10.1289/EHP2200Kim Y.H., Warren S.H., Krantz Q.T., King C., Jaskot R., Preston W.T. et al. Mutagenicity and lung toxicity of smoldering vs. flaming emissions from various biomass fuels: implications for health effects from wildland fires. Environmental health perspectives. 2018; 126(1): 017011. https://doi.org/10.1289/EHP2200Ji X., Liu R., Guo J., Li Y., Cheng W., Pang Y. et al. Olfactory bulb microglia activation mediated neuronal death in real-ambient particulate matter exposure mice with depression-like behaviors. Sci. Total Environ. 2022; 821: 153456. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153456Ji X., Liu R., Guo J., Li Y., Cheng W., Pang Y. et al. Olfactory bulb microglia activation mediated neuronal death in real-ambient particulate matter exposure mice with depression-like behaviors. Sci. Total Environ. 2022; 821: 153456. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153456Ji S., Guo Y., Yan W., Wei F., Ding J., Hong W. et al. PM2.5 exposure contributes to anxiety and depression-like behaviors via phenyl-containing compounds interfering with dopamine receptor. Proc. Natl. Acad Sci USA. 2024; 121(21): e2319595121. https://doi.org/10.1073/pnas.2319595121Ji S., Guo Y., Yan W., Wei F., Ding J., Hong W. et al. PM2.5 exposure contributes to anxiety and depression-like behaviors via phenyl-containing compounds interfering with dopamine receptor. Proc. Natl. Acad Sci USA. 2024; 121(21): e2319595121. https://doi.org/10.1073/pnas.2319595121Wilson M.R., O’Dea K.P., Dorr A.D., Yamamoto H., Goddard M.E., Takata M. Efficacy and safety of inhaled carbon monoxide during pulmonary inflammation in mice. PloS One. 2010; 5(7): e11565. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0011565Wilson M.R., O’Dea K.P., Dorr A.D., Yamamoto H., Goddard M.E., Takata M. Efficacy and safety of inhaled carbon monoxide during pulmonary inflammation in mice. PloS One. 2010; 5(7): e11565. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0011565Olvera-Cortés M.E., Guevara M., González-Burgos I. Increase of the hippocampal theta activity in the Morris water maze reflects learning rather than motor activity. Brain Res. Bull. 2004; 62: 379–384. https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2003.10.003Olvera-Cortés M.E., Guevara M., González-Burgos I. Increase of the hippocampal theta activity in the Morris water maze reflects learning rather than motor activity. Brain Res. Bull. 2004; 62: 379–384. https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2003.10.003McNaughton N., Ruan M., Woodnorth M.A. Restoring theta-like rhythmicity in rats restores initial learning in the Morris water maze. Hippocampus. 2006; 16: 1102–1110. https://doi.org/1002/hipo.20235McNaughton N., Ruan M., Woodnorth M.A. Restoring theta-like rhythmicity in rats restores initial learning in the Morris water maze. Hippocampus. 2006; 16: 1102–1110. https://doi.org/1002/hipo.20235

The authors declare that there are no conflicts of interest present.