Оценка нейротоксического эффекта продуктов термодеструкции торфа в условиях экспериментального моделирования

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

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 РМ_2,5 — 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 (РМ_2,5). Несмотря на то, что содержание СО в воздухе затравочных камер было близко к предельно-допустимому уровню в воздухе рабочей зоны, в совокупности с РМ_2,5 и другими газами дымовой фракции, вероятно возникновение потенцирования токсического эффекта.

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

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

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

1. Franzi 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.2011.09.003

2. Williams 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.2012.10.017

3. Cleland 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/EHP10498

4. Wen J., Burke M. Lower test scores from wildfire smoke exposure. Nat Sustain. 2022; 5: 947–955. https://doi.org/10.1038/s41893-022-00956-y

5. Schuller 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/10.1177/2516865720954873

6. Farugia 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-201388

7. Scieszka 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/kfab147

8. Scieszka 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-y

9. Вокина 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.

10. 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.2008.01.024

11. Зайцева 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.

12. 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.2024.109975

13. Blake 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.2009.03.047

14. Othman 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.2012.08.0214

15. Hargrove 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/10.1080/08958378.2019.1654046

16. Kim 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/s00204-019-02450-5

17. Kim 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/EHP2200

18. Ji 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.2022.153456

19. Ji 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.2319595121

20. Wilson 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.0011565

21. Olvera-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.2003.10.003

22. McNaughton 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