О связи нейродегенеративных заболеваний с загрязнением воздуха взвешенными частицами
https://doi.org/10.30629/2658-7947-2022-27-4-5-15
Аннотация
Освещены современные представления о связи загрязнения атмосферного воздуха взвешенными частицами (англ. particulate matter (PM)) c риском нейродегенеративных заболеваний (НДЗ). Использованы материалы статей, индексированных в базах PubMed и РИНЦ. Рассмотрены результаты кратковременного и долговременного влияния PM на возникновение и прогрессирование НДЗ в зависимости от размера частиц, химического состава, возраста испытуемых. РМ с аэродинамическим диаметром ≤ 2,5 мкм признаны самыми опасными. Эпидемиологические, клинические и экспериментальные исследования подтвердили, что загрязнение воздуха РМ, особенно содержащими металлы, является одним из факторов риска НДЗ. Обсуждаются гипотезы патогенеза наиболее распространенных НДЗ — болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона. К сожалению, ни одна гипотеза не дает ясной характеристики роли РМ в патогенезе НДЗ, в частности на молекулярно-генетическом уровне. Систематизированные научные данные, особенно в виде формализованных описаний, способствуют более глубокому пониманию патогенеза заболевания, могут быть использованы в практической медицине для оценки риска возникновения, ранней диагностики, прогноза и повышения эффективности лечения больных с НДЗ.
Ключевые слова
Об авторах
А. Ф. Колпакова
ФБГНУ «Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий»
Россия
Россия
Колпакова Алла Федоровна — доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории моделирования геоэкологических систем (совместно с ИВЭП СОРАН)
Новосибирск
Р. Н. Шарипов
ФБГНУ «Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий»; АНООВО «Научно-технологический университет «Сириус»; ООО «БИОСОФТ.РУ»; ФГАОУВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет»
Россия
Россия
Новосибирск
Сочи
О. А. Волкова
ООО «БИОСОФТ.РУ»
Россия
Россия
Новосибирск
Список литературы
1. Bazyar J., Pourvakhshoori N., Khankeh H., Farrokhi M., Delshad V., Rajabi E. A comprehensive evaluation of the association between ambient air pollution and adverse health outcomes of major organ systems: a systematic review with a worldwide approach. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2019;26(13):12648–12661. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04874-z
2. World Health Organization: Ambient (outdoor) air quality and health. 2018. https://www.who.int/en/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health (09 Jun 2021)
3. 2021 Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimers Dement. 2021;17(3):391–460. https://doi.org/10.1002/alz.12068
4. Стефанова Н.А, Колосова Н.Г. Эволюция представлений о патогенезе болезни Альцгеймера. Вестник Московского университета. Сер. 16. Биология. 2016;(1):6–13.
5. Куликова О.И., Федорова Т.Н., Кузнецов В.И., Орлова В.С. Экзогенные факторы риска возникновения болезни Паркинсона. Экология человека. 2019;1:34–39. https://cyberleninka.ru/article/n/ekzogennye-faktory-riska-vozniknoveniya-bolezni-parkinsona
6. Tysnes O.B, Storstein A.J. Epidemiology of Parkinson’s disease. Neural Transm (Vienna). 2017;124(8):901–905. https://doi.org/10.1007/s00702-017-1686-y
7. Раздорская В.В., Воскресенская О.Н., Юдина Г.К. Болезнь Паркинсона в России: распространенность и заболеваемость (обзор). Саратовский научно-медицинский журнал. 2016;12(3):379–384. http://ssmj.ru/2016/3/379
8. Котвицкая А.А., Прокопенко А.С. Изучение показателей распространенности и заболеваемости болезнью Паркинсона в разных регионах мира. Соціальна фармація в охороні здоров’я. 2017;3(4):76–82. https://www.elibrary.ru/download/elibrary_32265598_95668313.pdf
9. Xu X., Ha S.U., Basnet R. A review of epidemiological research on adverse neurological effects of exposure to ambient air pollution. Front. Public Health. 2016;4:157. https://doi.org/10.3389/fpubh.2016.00157
10. Heusinkveld H.J., Wahle T., Campbell A., Westerink R.H.S., Tran L., Johnston H. et al. Neurodegenerative and neurological disorders by small inhaled particles. Neurotoxicology. 2016;56:94–106. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2016.07.007
11. Fu P., Guo X., Cheung F.M.H., Yung K.K.L. The association between PM 2.5 exposure and neurological disorders: A systematic review and meta-analysis. Sci. Total Environ. 2019;655:1240–1248. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.218
12. Jantzen K., Møller P., Karottki D.G., Olsen Y., Bekö G., Clausen G. et al. Exposure to ultrafine particles, intracellular production of reactive oxygen species in leukocytes and altered levels of endothelial progenitor cells. Toxicology. 2016;359–360:11–18. https://doi.org/10.1016/j.tox.2016.06.007
13. Traboulsi H., Guerrina N., Iu M, Maysinger D., Ariya P., Baglole C.J. Inhaled pollutants: The molecular scene behind respiratory and systemic diseases associated with ultrafine particulate matter. Int. J. Mol. Sci. 2017;18(2):243. https://doi.org/10.3390/ijms18020243
14. Jia Y.Y., Wang Q., Liu T. Toxicity research of PM2.5 compositions in vitro. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017;14(3):232. https://doi.org/10.3390/ijerph14030232
15. Катола В.М., Комогорцева В.Е. Пыль: источники образования, ее общая характеристика, пылевые заболевания (краткий обзор). Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2018;(67):111–116. https://doi.org/10.12737/article_5a9f2eaf492cf9.67393066
16. Liu L., Urch B., Szyszkowicz M., Evans G., Speck M., Van Huang A. et al. Metals and oxidative potential in urban particulate matter influence systemic inflammatory and neural biomarkers: A controlled exposure study. Environ. Int. 2018;121(2):1331–1340. https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.10.055
17. Calderón-Garcidueñas L., Leray E., Heydarpour P., TorresJardón R., Reis J. Air pollution, a rising environmental risk factor for cognition, neuroinflammation and neurodegeneration: The clinical impact on children and beyond. Rev. Neurol. (Paris). 2016;172(1):69–80. https://doi.org/10.1016/j.neurol.2015.10.008
18. Tsai T.L., Lin Y.T., Hwang B.F., Nakayama S.F., Tsai C.H., Sun X.L. et al. Fine particulate matter is a potential determinant of Alzheimer’s disease: A systemic review and meta-analysis. Environ. Res. 2019;177:108638. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.108638
19. Chen J.C., Wang X., Wellenius G.A., Serre M.L., Driscoll I., Casanova R. Ambient air pollution. Ann. Neurol. 2015;78(3):466–476. doi:10.1002/ana.24460
20. Power M.C., Lamichhane A.P., Liao D., Xu X., Jack C.R., Gottesman R.F. et al. The association of long-term exposure to particulate matter air pollution with brain MRI findings: the ARIC study. Environ. Health Perspect. 2018;126(2):027009. https://doi.org/10.1289/EHP2152
21. Hedges D.W., Erickson L.D., Kunzelman J., Brown B.L, Gale S.D. Association between exposure to air pollution and hippocampal volume in adults in the UK Biobank. Neurotoxicology. 2019;74:108–120. https://doi.org/10.1016/j.neuro.2019.06.005
22. Hedges D.W., Erickson L.D., Gale S.D., Anderson J.E., Brown B.L. Association between exposure to air pollution and thalamus volume in adults: A cross-sectional study. PLoS One. 2020;15(3):e0230829. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0230829
23. Shou Y., Huang Y., Zhu X., Liu C., Hu Y., Wang H. A review of the possible associations between ambient PM2.5 exposures and the development of Alzheimer’s disease. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2019;174:344–352. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2019.02.086
24. Wang W., Zhou J., Chen M., Huang X., Xie X., Li W. et al. Exposure to concentrated ambient PM 2.5 alters the composition of gut microbiota in a murine model. Part. Fibre Toxicol. 2018;15:17. https://doi.org/10.1186/s12989-018-0252-6
25. González-Maciel A., Reynoso-Robles R., Torres-Jardón R., Mukherjee P.S., Calderón-Garcidueñas L. Combustion-derived nanoparticles in key brain target cells and organelles in young urbanites: culprit hidden in plain sight in Alzheimer’s disease development. J. Alzheim. Dis. 2017;59:(1):189–208. https://doi.org/10.3233/JAD-170012
26. Kreyling W.G. Discovery of unique and ENMspecific pathophysiologic pathways: Comparison of the translocation of inhaled iridium nanoparticles from nasal epithelium versus alveolar epithelium towards the brain of rats. Toxicol. Appl. Pharmocol. 2016;299:41–46. https://doi.org/10.1016/j.taap.2016.02.004
27. Ромащенко А.В., Шарапова М.Б., Морозова К.Н., Киселева Е.В., Купер К.Э., Петровский Д.В. Роль ольфакторного транспорта в проникновении наночастиц оксида марганца из кровеносного русла в мозг. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(4):482–488. https://doi.org/10.18699/VJ19.517
28. Ilango S.D., Chen H., Hystad P., van Donkelaar A., Kwong J.C., Tu K. et al. The role of cardiovascular disease in the relationship between air pollution and incident dementia: a population-based cohort study. Int. J. Epidemiol. 2020;49(1):36–44. https://doi.org/10.1093/ije/dyz154
29. Kioumourtzoglou M.A., Schwartz J.D., Weisskopf M.G, Melly S.J., Wang Y., Dominici F., Zanobetti A. Long-term PM2.5 exposure and neurological hospital admissions in the Northeastern United States. Environ. Health Perspect. 2016;124(1):23–29. https://doi.org.10.1289/ehp.1408973
30. Lee H., Myung W., Kim D.K., Kim S.E., Kim C.T., Kim H. Short-term air pollution exposure aggravates Parkinson’s disease in a population-based cohort. Sci. Rep. 2017;7:44741. https://doi.org/10.1038/srep44741
31. Cliff R., Curran J., Hirota J.A., Brauer M., Feldman H., Carlsten C. Effect of diesel exhaust inhalation on blood markers of inflammation and neurotoxicity: a controlled, blinded crossover study. Inhal. Toxicol. 2016;28(3):145–153. https://doi.org/10.3109/08958378.2016.1145770
32. Toro R., Downward G.S., van der Mark M., Brouwer M., Huss A., Peters S. et al. Parkinson’s disease and long-term exposure to outdoor air pollution: A matched case-control study in the Netherlands. Environ. Int. 2019;129:28–34. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.04.069
33. Lawal A.O. Air particulate matter induced oxidative stress and inflammation in cardiovascular disease and atherosclerosis: The role of Nrf2 and AhR-mediated pathways. Toxicol. Lett. 2017;70:88–95. https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2017.01.017
34. Stone V., Miller M.R., Clift MJD., Elder A., Mills L., Møller P. et al. Nanomaterials versus ambient ultrafine particles: an opportunity to exchange toxicology knowledge. Environ. Health Perspect. 2017;125(10):10602. https://doi.org/10.1289/EHP424
35. Hajipour S., Farbood Y., Gharib-Naseri M.K., Goudarzi G., Rashno M., Maleki H. et al. Exposure to ambient dusty particulate matter impairs spatial memory and hippocampal LTP by increasing brain inflammation and oxidative stress in rats. Life Sci. 2020;242:117210. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2019.117210
36. Li B., Guo L., Ku T., Chen M., Li G., Sang N. PM 2.5 exposure stimulates COX-2-mediated excitatory synaptic transmission via ROS-NF-κB pathway. Chemosphere. 2018;190:124–134. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.09.098
37. Chen X., Liu S., Zhang W., Wu C., Liu H, Zhang F. et al. Nrf2 deficiency exacerbates PM2.5 -induced olfactory bulb injury. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2018;505(4):1154–1160. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2018.10.057
38. Fagundes L.S, Fleck A.S., Zanchi A.C., Saldiva P.H., Rhoden C.R. Direct contact with particulate matter increases oxidative stress in different brain structures. Inhal. Toxicol. 2015;27(10):462–467. https://doi.org/10.3109/08958378.2015.1060278
39. Коваленко В.Р., Хабарова Е.А., Рзаев Д.А., Медведев С.П. Клеточные модели, геномные технологии и клиническая практика: синтез знаний для исследования механизмов, диагностики и терапии болезни Паркинсона. Гены и клетки. 2017;12(2):11–28. https://doi.org/10.23868/201707012
40. Andrade-Oliva M.D., Aztatzi-Aguilar O.G., García-Sierra F., De Vizcaya-Ruiz A., Arias-Montaño J.A. Effect of in vivo exposure to ambient fine particles (PM 2.5) on the density of dopamine D 2-like receptors and dopamine-induced [35S]-GTPγS binding in rat prefrontal cortex and striatum membranes. Environ. Toxicol. Pharmacol. 2018;60:58–65. https://doi.org/10.1016/j.etap.2018.04.001
41. Wang L., Wei L.Y., Ding R., Feng Y., Li D., Li C. et al. Predisposition to Alzheimer’s and age-related brain pathologies by PM2.5 exposure: perspective on the roles of oxidative stress and TRPM2 channel. Front. Physiol. 2020;11:155. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.00155
42. Wei H., Feng Y., Liang F., Cheng W., Wu X., Zhou R., Wang Y. Role of oxidative stress and DNA hydroxymethylation in the neurotoxicity of fine particulate matter. Toxicology. 2017;380:94–103. https://doi.org/10.1016/j.tox.2017.01.017
43. Wang B.R., Shi J.Q., Ge N.N., Ou Z., Tian Y.Y., Jiang T. et al. PM2.5 exposure aggravates oligomeric amyloid beta-induced neuronal injury and promotes NLRP3 inflammasome activation in an in vitro model of Alzheimer’s disease. J. Neuroinflammation. 2018;15(1):132. https://doi.org/10.1186/s12974-018-1178-5
44. López González I., Garcia-Esparcia P., Llorens F., Ferrer I. Genetic and transcriptomic profiles of inflammation in neurodegenerative diseases: Alzheimer, Parkinson, Creutzfeldt-Jakob and tauopathies. Int. J. Mol. Sci. 2016;17(2):206. https://doi.org/10.3390/ijms17020206
45. Kulick E.R., Elkind MSV., Boehme A.K., Joyce N.R., Schupf N., Kaufman J.D. et al. Long-term exposure to ambient air pollution, APOE-ε4 status, and cognitive decline in a cohort of older adults in northern Manhattan. Environ. Int. 2020;136:105440. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.105440
46. Литвиненко И.В., Емелин А.Ю., Лобзин В.Ю., Колмакова К.А., Наумов К.М., Лупанов И.А. и др. Амилоидная гипотеза болезни Альцгеймера: прошлое и настоящее, надежды и разочарования. Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2019;11(3):4–10. https://doi.org/10.14412/2074-2711-2019-3-4-10
47. Kilian J., Kitazawa M. The emerging risk of exposure to air pollution on cognitive decline and Alzheimer’s disease — Evidence from epidemiological and animal studies. Biomed. J. 2018;41(3):141–162. https://doi.org/10.1016/j.bj.2018.06.00
48. Mortamais M., Pujol J., Martínez-Vilavella G., Fenoll R., Reynes C., Sabatier R. et al. Effects of prenatal exposure to particulate matter air pollution on corpus callosum and behavioral problems in children. Environ. Res. 2019;178:108734. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.108734
49. Sunyer J., Dadvand P. Prenatal brain development as a target for urban air pollution. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 2019;125(Suppl.3):81–88. https://doi.org/10.1111/bcpt.13226
50. Klocke C., Allen J.L., Sobolewski M., Mayer-Pröschel M., Blum J.L., Lauterstein D. et al. Neuropathological consequences of gestational exposure to concentrated ambient fine and ultrafine particles in the mouse. Toxicol. Sci. 2017;156(2):492–508. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfx010
51. Zhang T., Zheng X., Wang X., Zhao H., Wang T., Zhang H. et al. Maternal exposure to PM 2.5 during pregnancy induces impaired development of cerebral cortex in mice offspring. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(1):257. https://doi.org/10.3390/ijms19010257
52. Zheng X., Wang X., Wang T., Zhang H., Wu H., Zhang C. et al. Gestational exposure to particulate matter 2.5 (PM2.5) leads to spatial memory dysfunction and neurodevelopmental impairment in hippocampus of mice offspring. Front. Neurosci. 2019;12:1000. https://doi.org/10.3389/fnins.2018.01000
53. Kulas J.A., Hettwer J.V., Sohrabi M., Melvin J.E., Manocha G.D., Puig K.L. et al. In utero exposure to fine particulate matter results in an altered neuroimmune phenotype in adult mice. Environ. Pollut. 2018;241:279–288. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.05.047
54. Calderón-Garcidueñas L., Reynoso-Robles R., Vargas-Martínez J., Maqueo-Chew A.G., Pérez-Guillé B., Mukherjee P.S. et al. Prefrontal white matter pathology in air pollution exposed Mexico City young urbanites and their potential impact on neurovascular unit dysfunction and the development of Alzheimer’s disease. Environ. Res. 2016;146:404–417. https://doi.org/10.1016/j.envres.2015.12.031
55. González-Maciel A., Reynoso-Robles R., Torres-Jardón R., Mukherjee P.S., Calderón-Garcidueñas L. Combustion-derived nanoparticles in key brain target cells and organelles in young urbanites: culprit hidden in plain sight in Alzheimer’s disease development. J. Alzheim. Dis. 2017;59(1):189–208. https://doi.org/10.3233/JAD-170012
56. Коберская Н.Н. Роль митохондриальной дисфункции при болезни Альцгеймера. Медицинский совет. 2019;12:34–40. https://doi.org/10.21518/2079-701X-2019-12-34-40
57. Wang Y., Zhang M., Li Z., Yue J., Xu M., Zhang Y. et al. Fine particulate matter induces mitochondrial dysfunction and oxidative stress in human SH-SY5Y cells. Chemosphere. 2019;218:577–588. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.11.149
58. Gao R., Ku T., Ji X., Zhang Y., Li G., Sang N. Abnormal energy metabolism and tau phosphorylation in the brains of middleaged mice in response to atmospheric PM 2.5 exposure. J. Environ. Sci. (China). 2017;62:145–153. https://doi.org/10.1016/j.jes.2017.06.037
59. Зуев В.А. Иммунологическая теория патогенеза болезни Альцгеймера: факты и гипотезы. Современные проблемы науки и образования. 2019;4. https://doi.org/10.17513/spno.28961
60. Kolpakov F., Akberdin I., Kashapov T., Kiselev L., Kolmykov S., Kondrakhin Y. et al. BioUML: an integrated environment for systems biology and collaborative analysis of biomedical data. Nucleic Acids Res. 2019;47(W1):W225–W233. https://doi.org/10.1093/nar/gkz440
Рецензия
При поддержке: Работа поддержана проектом ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр информационных и вычислительных технологий» № 0316-2018-0002.
Для цитирования:
Колпакова А.Ф., Шарипов Р.Н., Волкова О.А. О связи нейродегенеративных заболеваний с загрязнением воздуха взвешенными частицами. Российский неврологический журнал. 2022;27(4):5-15. https://doi.org/10.30629/2658-7947-2022-27-4-5-15
For citation:
Kolpakova A.F., Sharipov R.N., Volkova O.A. Оn the relationship of neurodergenerative diseases with air pollution by particulate matter. Russian neurological journal. 2022;27(4):5-15. (In Russ.) https://doi.org/10.30629/2658-7947-2022-27-4-5-15
Просмотров: 149
Послать статью по эл. почте 