Токсикология лунной пыли в аспекте возможной профессиональной патологии космонавтов — участников экспедиции на Луну

Введение. Лунная пыль представляет новый для отечественной космической медицины потенциально опасный фактор, с которым неизбежно столкнутся космонавты — участники лунных экспедиций при осуществлении своей профессиональной деятельности. Актуальным является всестороннее изучение токсичности и опасности лунной пыли, её классификация в качестве профессионального вредного и(или) опасного производственного фактора, характеристика и оценка вероятности развития профессиональной патологии при остром, подостром и хроническом воздействии. Решение этих задач позволит обосновать соответствующие лечебно-профилактические мероприятия, осуществление которых необходимо как в условиях лунных экспедиций, так и после возвращения из них.

Цель исследования — на основе всестороннего анализа современных представлений о биологических эффектах и токсичности лунного грунта оценить возможность развития у космонавтов профессионально обусловленных заболеваний, связанных с действием лунной пыли.

Материалы и методы. В работе обобщены отечественные и зарубежные литературные данные о токсикологии лунной пыли, включая общую токсичность, пульмонотоксичность, местное раздражающее действие, специфические виды токсичности, биодоступность и кинетику частиц лунной пыли в организме. Проанализированы профпатологические аспекты токсикологии лунной пыли.

Результаты. Выдвинуто предположение о ранжированности органов-мишеней, которые наиболее уязвимы как в плане развития ближайших последствий контакта с лунной пылью, так и в отношении отставленных по времени и отдалённых последствий такого воздействия. По итогам анализа литературных данных о токсикологии лунной пыли сделано предварительное заключение о том, что качестве возможных ближайших и отставленных эффектов случайного или сверхнормативного воздействия лунной пыли могут рассматриваться аллергические реакции, раздражение глаз, слизистых носоглотки, дыхательных путей, нарушения внешнего дыхания, умственной и физической работоспособности, а также снижение радиорезистентности организма. В качестве потенциальной отдалённой патологии, связанной с действием лунной пыли на организм космонавтов — участников лунных экспедиций, могут рассматриваться фиброзные изменения в лёгких, пневмокониоз, силикосиликатоз, лёгочной канцерогенез и нейродегенеративные заболевания. Механизмы и закономерности развития долгосрочных последствий воздействия лунной пыли на организм нуждаются в изучении.

Выводы. Исследования по токсиколого-гигиеническому нормированию должны лежать в основе разработки комплекса санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий по обеспечению безопасности участников экспедиции на Луну при контактах с лунной пылью. Это позволит установить для лунной пыли официальный статус вредного и(или) опасного производственного химического фактора, а также определить и классифицировать обусловленные контактами с лунной пылью профессиональные заболевания.

1. Scully R.R., Meyers V.E. Risk of adverse health and performance effects of celestial dust exposure. NASA; 2015. https://api.semanticscholar.org/CorpusID:129034338

2. Turci F., Corazzari I., Alberto G., Martra G., Fubini B. Free radical chemistry as a means to evaluate lunar dust health hazard in view of future missions to the Moon. Astrobiology. 2015; 15(5): 371-380. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25946080 https://doi.org/10.1089/ast.2014.1216

3. Hendrix D.A., Hurowitz J.A., Glotch T.D., Schoonen M.A. Olivine Dissolution in Simulated Lung and Gastric Fluid as an Analog to the Behavior of Lunar Particulate Matter Inside the Human Respiratory and Gastrointestinal Systems. Geohealth. 2021; 5(11): e2021GH000491. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34849441 https://doi.org/10.1029/2021GH000491

4. Gaier J.R. The effects of lunar dust on EVA systems during the Apollo missions. 2007.

5. Wagner S.A. The apollo experience: lessons learned for constellation lunar dust management. NASA Technical Publication TP-2006-213726. Washington, DC: National Aeronautics and Space Administration; 2006. https://www.researchgate.net/publication/237390468

6. Khan-Mayberry N. The lunar environment: Determining the health effects of exposure to moon dusts. Acta Astronautica. 2008; 63: 1006-1014. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.03.015

7. Слюта Е.Н. Физико-механические свойства лунного грунта (обзор). Астрономический вестник. 2014; 48(5): 358-382.

8. Кустов В.В., Белкин В.И., Кругликов Г.Г. Биологические эффекты лунного грунта. Проблемы космической биологии. Т. 61. Л.: Наука, Ленинградское отделение; 1989.

9. Papike J.J., Simon S.B., Laul J.K. Lunar regolith: chemistry, mineralogy, petrology. Geophysics Reviews. 1982; 20(4): 761-826. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00761

10. Викторов С.В., Чесноков В.И. Химия лунного грунта. М.: Знание; 1978.

11. Мохов А.В., Карташов П.М., Богатиков О.А. Луна под микроскопом. Новые данные по минералогии Луны. М.: Наука; 2007.

12. Wentworth S.J., Keller L.P., McKay D.S., Morris R.V. Space weathering on the moon: patina on Apollo 17 samples 75075 and 76015. Meteor Planet Sci. 1999; 34: 593-603.

13. Park J., Liu Y., Kihm K.D., Taylor L.A. Characterization of lunar dust for toxicological studies. I: Particle size distribution. J Aerosp Eng. 2008; 21: 266-271. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0893-1321(2008)21:4(266)

14. Кустов В.В., Белкин В.И., Бугарь К.П., Жаров В.В. Исследование биологического действия лунного грунта при его интратрахеальном введении. Космические исследования. 1980; 18(6): 947-949.

15. Бацура Ю.Д., Кругликов Г.Г., Арутюнов В.Д. Морфология экспериментального пневмокониоза, развивающегося под действием лунного грунта. Бюлл. экспер. биологии и медицины. 1981; 9: 7-12.

16. Sun Y., Liu J.G., Zheng Y.C., Xiao C.-L., Wan B., Guo L. et al. Research on rat's pulmonary acute injury induced by lunar soil simulant. J Chin Med Assoc. 2018; 81: 133-140. https://doi.org/10.1016/j.jcma.2016.10.016

17. Величковский Б.Т. Фиброгенные пыли. Особенности строения и механизма действия. Горький: Волго-Вятское книжное изд-во; 1980.

18. Wallace W.T., Phillips C.J., Jeevarajan A.S., Chen B., Taylor L.A. Nanophase iron enhanced chemical reactivity of ground lunar soil. Earth and Planetary Science Letters. 2010; 295(3-4): 571-577. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.04.042

19. Wallace W.T., Taylor L.A., Liu Y., Cooper B.L., McKay D.S., Chen B., Jeevarajan A.S. Lunar dust and lunar simulant activation and monitoring. Meteorit Planet Sci. 2009; 44: 961-970. https://doi.org/10.1111/j.1945-5100.2009.tb00781.x

20. Lam C.-W., James J.T., Balis J., Cowper S., Balis J., Muro-Cacho C. Pulmonary toxicity of simulated lunar and Martian dusts in mice: I. Histopathology 7 and 90 days after intratracheal instillation. Inhal Toxicol. 2002; 14: 901-916. https://doi.org/10.1080/08958370290084683

21. Lam C.-W., James J.T., Latch J.N., Hamilton R.F. Jr., Holian A. Pulmonary toxicity of simulated lunar and Martian dusts in mice: II. Biomarkers of acute responses after intratracheal instillation. Inhal Toxicol. 2002; 14: 917-928. https://doi.org/10.1080/08958370290084692

22. Latch J.N., Hamilton R.F. Jr., Holian A., James J.T., Lam C.-W. Toxicity of lunar and martian dust simulants to alveolar macrophages isolated from human volunteers. Inhal Toxicol. 2008; 20: 157-165. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18236230 https://doi.org/10.1080/08958370701821219

23. Linnarsson D., Carpenter J., Fubini B., Gerde P., Karlsson L.L., Loftus D. et al. Toxicity of lunar dust. Planet. Space Sci. 2012; 74: 57-71. https://doi.org/10.1016/j.pss.2012.05.023

24. McKay D., Cooper B., Taylor L., James J., Thomas Keprta K., Pieters, C. et al. Physicochemical properties of respirable size lunar dust. Acta Astronautica. 2015; 107: 163-176. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2014.10.032

25. Jabbal S., Poli G., Lipworth B. Does size really matter?: Relationship of particle size to lung deposition and exhaled fraction. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 2017; 139(6): 2013-2014. https://doi.org/10.1016/j.jaci.2016.11.036 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28087325

26. Li M., Thompson K.K., Nissen J.C., Hendrix D.А., Hurowitz J.A., Tsirka S.E. Lunar soil simulants alter macrophage survival and function. Journal of Applied Toxicology. 2019; 39(10): 1413-1423. https://doi.org/10.1002/jat.3827 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31319435

27. Sun Y., Liu J.G., Zheng Y.C., Li X., Zhou B., Lv Z. Mechanisms involved in inflammatory pulmonary fibrosis induced by lunar dust simulant in rats. Environmental Toxicology. 2019; 34(2): 131-140. https://doi.org/10.1002/tox.22665

28. James J.T., Lam C.-W., Santana P., Scully R.R. Estimate of safe human exposure levels for lunar dust based on comparative benchmark dose modeling. Inhal Toxicol. 2013; 25: 243-56. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23614726 https://doi.org/10.3109/08958378.2013.777821

29. Scully R.R., Lam C.-W., James J.T. Estimating safe human exposure levels for lunar dust using benchmark dose modeling of data from inhalation studies in rats. Inhal Toxicol. 2013; 25(14): 785-793. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24304305 https://doi.org/10.3109/08958378.2013.849315

30. Lam C.-W., Scully R.R., Zhang Y., Renne R.A., Hunter R.L., McCluskey R.A. et al. Toxicity of lunar dust assessed in inhalation exposed rats. Inhal Toxicol. 2013; 25(12): 661-678. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24102467 https://doi.org/10.3109/08958378.2013.833660

31. James J.T., Lam C.-W., Scully R.R., Meyers V.E., McCoy J. Lunar dust toxicity: Final report. NASA, 2014. https://clck.ru/bmsBY

32. Sun Y., Zhang L., Liu J., Zhang X., Su Y., Yin Q. et al. Effects of lunar dust simulant on cardiac function and fibrosis in rats. Toxicol Res (Camb). 2019; 8(4): 499-508. https://doi.org/10.1039/c8tx00329g

33. Meyers V.E., Garcia H.D., Monds K., Cooper B.L., James J.T. Ocular toxicity of authentic lunar dust. BMC Ophthalmology. 2012; 12: 26-33. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22817808 https://doi.org/10.1186/1471-2415-12-26

34. Bos P.M., Gosens I., Geraets L., Delmaar C., Cassee F.R. Pulmonary toxicity in rats following inhalation exposure to poorly soluble particles: The issue of impaired clearance and the relevance for human health hazard and risk assessment. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2019; 109. 104498. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31604110 https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2019.104498

35. Kreyling W.G., Semmler-Behnke M., Takenaka S., Moller W. Differences in the biokinetics of inhaled nano-versus micrometer-sized particles. Acc Chem Res. 2012; 46: 714-722. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22980029 https://doi.org/10.1021/ar300043r

36. Mikawa M., Kato H., Okumura M., Narazaki M., Kanazawa Y., Miwa N. et al. Paramagnetic water-soluble metallofullerenes having the highest relaxivity for MRI contrast agents. Bioconjug Chem. 2001; 12: 510-514. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11459454 https://doi.org/10.1021/bc000136m

37. Qingnuan L., Yan X., Xiaodong Z., Ruili L., Quiqui D., Xiaoguang S. et al. Preparation of (99m)Tc-C(60)(OH)(x) and its biodistribution studies. Nucl Med Biol. 2002; 29: 707-710. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12234597 https://doi.org/10.1016/s0969-8051(02)00313-x

38. Oberdörster G., Sharp Z., Atudorei V., Elder A., Gelein R., Kreyling W. et al. Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain. Inhal Toxicol. 2004; 16: 437-445. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15204759 https://doi.org/10.1080/08958370490439597

39. Wang H., Wang J., Deng X., Sun H., Shi Z., Gu Z. et al. Biodistribution of carbon single-wall carbon nanotubes in mice. J Nanosci Nanotechnol. 2004; 4: 1019-1024. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15656196 https://doi.org/10.1166/jnn.2004.146

40. Xia T., Kovochich M., Liong M., Zink J.I., Nel A.E. Cationic polystyrene nanosphere toxicity depends on cell-specific endocytic and mitochondrial injury pathways. ACS Nano. 2008; 2: 85-96. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19206551 https://doi.org/10.1021/nn700256c

41. Величковский Б.Т., Кругликов Г.Г. Дискуссионные вопросы о влиянии частиц нанометрового диапазона на органы дыхания. Пульмонология. 2011; 3: 5-8. https://doi.org/10.18093/0869-0189-2011-0-3-5-8

42. Scheuring R.A., Jones J.A., Novak J.D., Polk J.D., Gillis D.B., Schmid J. et al. The Apollo Medical Operations Project: recommendations to improve crew health and performance for future exploration missions and lunar surface operations. Acta Astronaut. 2008; 63: 980-987. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2007.12.065

43. Yauk C., Polyzos A., Rowan Carroll A., Somers C.M., Godschalk R.W., Van Schooten F.J. et al. Germ-line mutations, DNA damage, and global hypermethylation in mice exposed to particulate air pollution in an urban/industrial location. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2008; 105(2): 605-610. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18195365 https://doi.org/10.1073/pnas.0705896105

44. Hendrix D.A., Port S.T., Hurowitz J.A., Schoonen M.A. Measurement of OH* generation by pulverized minerals using Electron Spin Resonance spectroscopy and implications for the reactivity of planetary regolith. Geohealth. 2019; 3(1): 28-42. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32159020 https://doi.org/10.1029/2018gh000175

45. Roos W.P., Kaina B. DNA damage induced cell death: from specific DNA lesions to the DNA damage response and apoptosis. Cancer Letters. 2013; 332(2): 237-248. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22261329 https://doi.org/10.1016/j.canlet.2012.01.007

46. Roos W.P., Thomas A.D., Kaina B. DNA damage and the balance between survival and death in cancer biology. Nature Reviews. Cancer. 2016; 16(1): 20-33. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26678314 https://doi.org/10.1038/nrc.2015.2

47. Хавинсон В.Х., Баринов В.А., Арутюнян А.В., Малинин В.В. Свободнорадикальное окисление и старение. СПб.: Наука; 2003.

48. Cha M.Y., Kim D.K., Mook-Jung I. The role of mitochondrial DNA mutation on neurodegenerative diseases. Experimental &Molecular Medicine. 2015; 47. https://doi.org/10.1038/emm.2014.122

49. Caston R., Luc K., Hendrix D., Hurowitz J.A., Demple B. Assessing toxicity and nuclear and mitochondrial DNA damage caused by exposure of mammalian cells to Lunar regolith simulants. Geohealth. 2018; 2(4): 139-148. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32159013 https://doi.org/10.1002/2017GH000125

50. Oberdörster G., Oberdörster E., Oberdörster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles. Environmental Health Perspectives. 2005; 113(7): 823-839. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16002369 https://doi.org/10.1289/ehp.7339

51. Hopkins L.E., Patchin E.S., Chiu P.L., Brandenberger C., Smiley J.S., Pinkerton K.E. Nose-to-brain transport of aerosolised quantum dots following acute exposure. Nanotoxicology. 2014; 8(8): 885-893. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24040866 https://doi.org/10.3109/17435390.2013.842267

52. Takeda K., Suzuki K.I., Ishihara A., Kubo-Irie M., Fujimoto R., Tabata M. et al. Nanoparticles transferred from pregnant mice to their offspring can damage the genital and cranial nerve systems. J Health Sci. 2009; 55: 95-102. https://doi.org/10.1248/jhs.55.95

53. Krisanova N., Kasatkina L., Sivko R., Borysov A., Nazarova A., Slenzka K. et al. Neurotoxic Potential of Lunar and Martian Dust: Influence on Em, Proton Gradient, Active Transport, and Binding of Glutamate in Rat Brain Nerve Terminals. Astrobiology. 2013; 13: 679-692. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23919751 https://doi.org/10.1089/ast.2012.0950

54. Campbell A., Oldham M., Becaria A., Bondy S.C., Meacher D., Sioutas C. et al. Particulate matter in polluted air may increasebiomarkers of inflammation in mouse brain. Neurotoxicology. 2005; 26(1): 133-140. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2004.08.003

55. Ушаков И.Б. Космос. Радиация. Человек (Радиационный барьер в межпланетных полетах). М.: Научная книга; 2021.