Отдалённые последствия воздействия дыма лесных пожаров на центральную нервную систему белых крыс в условиях экспериментального моделирования

Введение. Ежегодное повышение температуры воздуха является одной из причин возникновения масштабных разрушительных пожаров во всём мире. Последствия негативного воздействия загрязнения воздуха в период лесных пожаров на дыхательную и сердечно-сосудистую системы достаточно широко изучены. При этом недостаточно внимания уделяется влиянию дыма лесных пожаров на работу центральной нервной системы.

Цель исследования — изучить морфофункциональное состояние центральной нервной системы белых крыс-самцов при длительном воздействии дыма лесного пожара.

Материалы и методы. Исследование проведено на 60 беспородных белых половозрелых крысах-самцах массой 200–220 граммов. Животных опытной группы (n=30) подвергали ежедневному ингаляционному воздействию дыма на протяжении 4 недель по 4 часа в день, 5 дней в неделю. Крысам контрольной группы (n=30) в камеру подавался чистый воздух. Обследование экспонированных дымом животных проводили в два этапа. На первом этапе оценивали морфофункциональное состояние центральной нервной системы экспериментальных животных через 24 часа после окончания экспозиции. На втором этапе — через 60 дней после воздействия (отдалённый период). Обследование включало в себя анализ показателей поведения и когнитивных способностей животных, а также гистологию и морфометрию ткани сенсомоторной коры головного мозга.

Результаты. Анализ результатов исследуемых показателей свидетельствует о снижении у экспонированных дымом животных двигательной и исследовательской активности, а также нарушении способности к навигационному научению и пространственной памяти. В структуре ткани сенсомоторной коры головного мозга обнаружены множественные очаги нейронофагии, увеличение количества дегенеративно изменённых нейронов, образование глиальных узелков и расширение периваскулярных пространств. При этом результаты обследования в отдалённом периоде свидетельствовали об отсутствии полного восстановления выявленных нарушений.

Выводы. Результаты экспериментального моделирования выявили причинно-следственные связи между воздействием дыма лесного пожара и нарушением показателей морфофункционального состояния центральной нервной системы.

Этика. Исследование проведено с соблюдением правил гуманного отношения к животным в соответствии с Хельсинкской декларацией Всемирной медицинской ассоциации о гуманном отношении к животным (редакция — октябрь 2008 г.), согласно требованиям Европейской конвенции о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS № 123), директивы Европейского парламента и Совета Европейского Союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей. На проведение экспериментов было получено разрешение Локального этического комитета ФГБНУ ВСИМЭИ (протокол № 32/19 от 10.05.2019).

Участие авторов:
Андреева Е.С — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных, написание текста, редактирование;
Новиков М.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных;
Титов Е.А. — концепция и дизайн исследования, сбор и обработка данных.

Благодарности. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории биомоделирования и трансляционной медицины и лаборатории аналитической экотоксикологии и биомониторинга ФГБНУ ВСИМЭИ за помощь в проведении исследования.

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

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дата поступления: 20.11.2023 / Дата принятия к печати: 10.12.2023 / Дата публикации: 29.12.2023

1. Romanello M., McGushin A., Napoli C.D., Drummond P., Hughes N., Jamart L., et al. The 2021 report of the Lancet Countdown on health and climate change: code red for a healthy future. 2021; 398: 1619–1662. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)01787-6

2. Johnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et. al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120: 695–701.

3. Banes C.J. Firefighters' cardiovascular risk behaviors. Workplace Health Safety. 2014; 62(1): 2734. https://doi.org/10.1177/216507991406200

4. Burgess J.L., Nanson C.J., Bolstad-Johnson D.M., Gerkin R., Hysong T.A., Lantz R.C., et al. Adverse respiratory effects following overhaul in firefighters. J. Occup. Environ. Med. 2001; 43(5): 467–473.

5. Lee D.J., Koru-Sengul T., Hernandez M.N., Caban-Martinez A.J., McClure L.A., Mackinnon J.A., et al. Cancer risk among career male and female Florida firefighters: evidence from the Florida firefighter Cancer registry (1981-2014). Am J Ind Med. 2020; 63(4): 285–299. https://doi.org/10.1002/ajim.23086

6. Swiston J.R., Davidson W., Attridge S., Li G.T., Brauer M., van Eeden S.F. Wood smoke exposure induces a pulmonary and systemic inflammatory response in firefighters. European Respiratory Journal. 2008; 32: 129–138. https://doi.org/10.1183/09031936.00097707

7. Neitzel R., Naeher L., Paulsen M., Dunn K., Stock A., Simpson C.D. Biological monitoring of smoke exposure among wildland firefighters: A pilot study comparing urinary methoxyphenols with personal exposures to carbon monoxide, particular matter, and levoglucosan. J. Expo. Sci. Environ. Epidemiol. 2009; 19: 349–358. https://doi.org/10.1038/jes.2008.21

8. Reisen F., Hansen D., Meyer C.P. Exposure to bushfire smoke during prescribed burns and wildfires: firefighters’ exposure risks and options. Environ. Int. 2011; 37: 314–321.

9. Adetona O., Dunn K., Hall D.B. Achtemeier G., Stock A., Naeher L.P. Personal PM2,5 exposure among wildland firefighters working at prescribed forest burns in Southeastern United States. J. of Occup. and Environ. Hygiene. 2011; 8(8): 503–511. https://doi.org/10.1080/15459624.2011.595257

10. Reinhardt T.E., Broyles G. Factors affecting smoke and crystalline silica exposure among wildland firefighters. J. of Occup. and Environ. Hygiene. 2019; 16(2): 151–64. https://doi.org/10.1080/15459624.2018.1540873

11. Milton L.A., White A.R. The potential impact of bushfire smoke on brain health. Neurochemistry International. 2020; 139: 104796. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2020.104796

12. Braithwaite I., Zhang S., Kirkbride J.B., Osborn D.P., Hayes J.F. Air pollution (particulate matter) exposure and associations with depression, anxiety, bipolar, psychosis and suicide risk: a systematic review and meta-analysis. Environ Health Perspect. 2019; 127(12): 126002. https://doi.org/10.1289/EHP4595

13. Saijo Y., Ueno T., Hashimoto Y. Job stress and depressive symptoms among Japanese fire fighters. J. Nerv. Ment. Dis. 2007; 195(1): 31–40.

14. Morley J., Beauchamp G., Suyama J., Guyette F.X., Reis S.E., Callaway & David Hostler C.W. Cognitive function following treadmill exercise in thermal protective clothing. Eur. J. Appl. Physiol. 2012; 112: 1733–1740. https://doi.org/10.1007/s00421-011-2144-4

15. Вокина В.А., Андреева Е.С., Новиков М.А., Соседова Л.М. Устройство для моделирования интоксикации у мелких лабораторных животных продуктами горения биомассы: пат. 213283U1 Рос. Федерация: МПК G09B23/28; № 2022107278; 2022.

16. Domitrovich J.W., Broyles G.A., Ottmar R.D., Reinhardt T.E., Naeher L.P., Kleinman M.T., et al. Wildland fire smoke health effects on wildland firefighters and the public. Final report: Joint Fire Sciences Program. 2017.

17. Gaughan D.M., Siegel P.D., Hughes M.D., Chang C., Law B.F., Campbell C.R., et. al. Arterial stiffness, oxidative stress, and smoke exposure in wildland firefighters. Am J Ind Med. 2014; 57(7): 748–756. https://doi.org/10.1002/ajim.22331

18. Banes C.J. Firefighters' cardiovascular risk behaviors. Workplace Health Safety. 2014; 62(1): Р. 2734.

19. Timonen K.L., Vanninen E., de Hartog J., Ibald-Mulli A., Brunekreef B., Gold D.R., et al. Effects of ultrafine and fine particulate and gaseous air pollution on cardiac autonomic control in subjects with coronary artery disease: The ULTRA study. J of Exp Sci and Environ Epidemiol. 2006; 16(4): 332–341.

20. Чумаева Ю.В., Псядло Э.М., Шафран Л.М. Медико-психологическая реабилитация как система профилактики и коррекции производственно-обусловленных психосоматических нарушений пожарных-спасателей. Актуальные проблемы транспортной медицины. 2010; 19(1): 70–80.

21. Черняк Ю.И., Грассман Д.А., Шелепчиков А.А. Маркеры воздействия и эффекта диоксинов у пожарных, участвовавших в ликвидации пожара на АО «Иркутсккабель». Мед. труда и пром. экол. 2005; (12): 41–46.

22. Amendola L.U., Weary D.M. Understanding rat emotional responses to CO2. Transl. Psychiatry. 2020; 10: 253. https://doi.org/10.1038/s41398-020-00936-w

23. Lee S., Lee P., Liang H., Tang C., Chen T., Cheng T., et. al. Brain lipid profiles in the spontaneously hypertensive rat after subchronic real-world exposure to ambient fine particulate matter. Sci Total Environ. 2020; 707: 135603. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135603

24. Harris E. Wildfire exposure linked to changes in cognition and brain activity. JAMA. 2023; 329(6): 457. https://doi.org/10.1001/jama.2023.0388