Assessment of immune status in children with functional respiratory system disorders, living in aerogenic aluminium exposure zone

Cover Page

Abstract


Aim. To assess the immune status in children of primary school age with functional disorders of the respiratory system, who live in the territory with location of industrial enterprise, producing aluminium.

Materials and methods. Fifty-two children aged 7–11 years with respiratory system disorders, who live in the zone of exposure of aluminium-producing enterprise were examined. Cellular differentiation marker CD127, protein Bcl-2 and TNFR receptor expression levels were identified using the method of flow cytometry. Phagocytic activity of the cells was studied using formalinized sheep erythrocytes; IgG content was determined with radial immunodiffusion method; beta2-microglobulin level – with enzyme immunoassay. Functional status of respiratory system was assessed using spirometry, rhinomanometry methods but functional reserves – with calculated Skibinskaya index.

Results. The prevalence of allergic diseases in the examined children was 2,4 times higher and allergic rhinitis was diagnosed 3,2 times more often than in the group of comparison. The prevalence of bronchial asthma, clinical signs of chronic lympho-proliferative diseases reliably exceeded the level observed in children of comparison group (29.4 %, р = 0.001). There were established the changes in immune reactivity versus the comparison group, manifested by increase in percentage of phagocyting cells, beta2-microglobulin protein, IgG, CD127, TNFR and specific IgG to aluminium by 1.1, 1.2, 1.0, 1.7, 2.5 and 1.2 times, respectively; suppression of protein

Bcl-2 expression by 2,6 times (p < 0.05) was registered.

Conclusions. Among children aged 7–11 years, who live in the territory with localized aluminium-producing enterprise, the diseases of respiratory organs with allergic component, reliably associated with aluminium compound contamination, were diagnosed more often than in children of comparison group. Immunologic study detected imbalance between humoral and cellular components of immunity: hyperproduction of specific IgG to aluminium, excess expression of proteins and beta2-microglobulin receptors, IgG, CD127, TNFR and deficit of Bcl-2.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Промышленные выбросы алюминиевых предприятий приводят к образованию в районах их размещения техногенных геохимических зон большой протяженности. Санитарная ситуация в них характеризуется как чрезвычайно напряженная. В районах размещения мощных алюминиевых производств приоритетными атмосферными загрязнениями являются алюминийсодержащие пыли сложного химического состава [1, 3]. Алюминий – токсичный элемент, способный влиять на процессы жизнедеятельности организмов. Органами-мишенями при избыточных концентрациях алюминия в организме являются нервная, костная, дыхательная и иммунная системы. Исследованиями подтверждены неблагоприятные изменения в состоянии здоровья жителей городов, где расположены предприятия алюминиевой промышленности. У детского населения в возрасте до 7 лет они проявлялись в виде патологии органов дыхания, пищеварения, нервной системы. Кроме того, зафиксирована повышенная онкологическая заболеваемость и смертность населения всех возрастных групп [2, 4]. Для выявления ранних признаков заболеваний, в патогенезе которых решающее значение имеет уровень иммунологической толерантности, необходимо использование современных диагностических иммунологических технологий с проведением объективной оценки иммунного статуса населения техногенных провинций.

Целью данного исследования является оценка иммунного статуса детей школьного возраста с функциональными нарушениями системы органов дыхания, проживающих на территории, характеризующейся аэрогенной экспозицией алюминием.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для выявления связи нарушений соматического здоровья детского населения с неблагоприятными санитарно-гигиеническими условиями на территории проживания было проведено сравнительное изучение показателей клинико-функционального состояния систем жизнеобеспечения и частоты регистрации патологии со стороны приоритетных органов (систем-мишеней) с оценкой иммунорегуляции у детей, посещающих школьные образовательные учреждения. Обследовано 93 ребенка, 52 из которых – дети, проживающие в зоне влияния предприятий по производству алюминия, имеющие функциональные нарушения со стороны дыхательной системы. Группу сравнения составили дети (n = 41), не имеющие жалоб и функциональных отклонений со стороны системы органов дыхания. Гендерный состав всех групп был представлен относительно равным процентным соотношением девочек и мальчиков. Все дети проживали на территориях исследования с рождения и посещали детские образовательные учреждения. Критерии включения детского населения в группы исследования: проживание на территории влияния промышленных предприятий и «условно чистой» территории не менее 3 лет; возраст – 7–11 лет; посещение школьного образовательного учреждения на исследуемых территориях.

Клинико-функциональное и лабораторное обследование населения проводилось по специально разработанной программе, максимально учитывающей перечень возможных факторов риска (внешнесредовых, социальных, образа жизни, наследственности и т.д.) и ориентированной на углубленное обследование морфофункционального состояния органов и систем, являющихся мишенями для внешнесредовых факторов.

Процедура оценки функционального состояния системы дыхания выполнялась методом спирометрии (спирометр Schiller PSspirometry с применением датчика SP-260; Schiller AG, Швейцария) с анализом показателей жизненной емкости легких (SVC), форсированной жизненной емкости легких (FVC), объема форсированного выдоха за первую секунду (FEV1), индекса Генслера (FEV1/FVC), форсированного экспираторного потока на уровне 25, 50 и 75 % от форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) (MEF25, MEF50, MEF75), пикового экспираторного потока (PEF) и минутного объема дыхания (MV) (для расчета должных значений использовались нормативные стандарты для детей по Knudson), а также методом риноманометрии (система риноманометрии SRE 2000 с датчиком Rhinostream; Interacoustics A/S, Дания) с исследованием скорости выдыхаемого потока слева и справа, суммарной скорости потоков слева и справа, общей суммарной скорости потоков с обеих сторон. Оценку функциональных резервов дыхательной и сердечно-сосудистой систем проводили путем расчета индекса Скибинской по формуле

((0,01 ФЖЕЛ) ЗД)/ЧСС,

где ФЖЕЛ – форсированная жизненная емкость легких, мл; ЗД – задержка дыхания на вдохе, с; ЧСС – частота сердечных сокращений, уд/мин. Интерпретация осуществлялась по критериям: менее 5 усл. ед. – очень плохой результат, 5–10 усл. ед. – плохой результат, 10–30 усл. ед. – средний результат; 30–60 усл. ед. – хороший результат; более 60 усл. ед. – отличный результат.

Лабораторное обследование включало исследование иммунного статуса – определение общего содержания лейкоцитов, относительного и абсолютного содержания лимфоцитов стандартными методами лабораторного анализа. Анализ относительного и абсолютного количества следующих субпопуляций лимфоцитов осуществляли по экспрессии соответствующих мембранных маркеров: CD4+CD127 – активированные T-лимфоциты с использованием соответствующих моноклональных антител (PerCP-Cy™5.5 Mouse Anti-Human CD127 Clone HIL-7R-M21 (RUO), Mouse IgG1, κ; BD Biosciences, США). Для анализа использовалась суспензия мононуклеарных клеток периферической крови, выделенных путем центрифугирования в градиенте плотности фиколл-верографина (ρ = 1,077 g/cm3) (Pharmacia). Окрашивание осуществляли согласно методике производителя моноклональных антител (BD Biosciences, США). Анализ проводили методом проточной цитометрии на проточном цитометре FACSCalibur фирмы Becton Dickinson с использованием соответствующих моноклональных антител Becton Dickinson с помощью универсальной программы CellQuestPrO.

Для оценки системы апоптоза исследовали внутриклеточную экспрессию белка (Bcl-2) и поверхностную экспрессию рецептора к фактору некроза опухоли α 1-го типа (TNFR1 – Tumor Necrosis Factor Receptor) методом проточной цитометрии с использованием соответствующих моноклональных антител (PE Hamster Anti-Mouse Bcl-2 Set (RUO), PE Mouse Anti-Human TNF Clone MAb11 (RUO), BD Biosciences, США).

Фагоцитарную активность клеток изучали с использованием в качестве объектов фагоцитоза формалинизированных эритроцитов барана. Содержание сывороточных иммуноглобулинов A, G, M определяли методом радиальной иммунодиффузии по Манчини по стандартной методике. В сыворотке крови определяли уровень бета2-микроглобулина методом иммуноферментного анализа с использованием коммерческого набора на анализаторе Elx808IU (BioTek, США).

Анализ информации выполнялся с помощью программы Statistica 6 и специальных программных продуктов с приложениями MS-Office. Проверка на нормальность распределения измеряемых переменных осуществлялась на основе теста Колмогорова – Смирнова. Для количественной характеристики исследуемых показателей использовали значения средней (М) и ее ошибки (m), так как случайные величины анализируемых показателей соответствовали закону нормального распределения. Достоверность различий изучаемых показателей в сравниваемых группах (Mn ± mn против Mk ± mk) устанавливали по критерию Стьюдента (t > 2, р ≤ 0,05). Моделирование зависимости «концентрация химических веществ техногенного происхождения в крови – частота регистрации класса, группы заболеваний или конкретной нозологической формы» и «концентрация химических веществ техногенного происхождения в крови – частота регистрации показателей функциональных и ультразвуковых методов исследования» выполнялось методом корреляционно-регрессионного анализа с проверкой статистических гипотез относительно параметров модели. Адекватность моделей устанавливалась с использованием однофакторного дисперсионного анализа. Во всех статистических процедурах применялся уровень значимости 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ структуры заболеваемости детей группы наблюдения болезнями органов дыхания показал, что при отсутствии достоверных различий уровень распространенности заболеваний аллергической природы (МКБ 10: J30.3, J39.8, J45.0) у обследованных был в 2,4 раза выше (14,2 % в группе наблюдения против 5,9 % в группе сравнения, р = 0,10), в 3,2 раза чаще диагностировался аллергический ринит (10,6 и 3,3 % соответственно, р = 0,22). Кроме того, у детей группы наблюдения регистрировалась бронхиальная астма (3,5 %, р = 0,30) при отсутствии аналогичной патологии у детей группы сравнения.

Более половины детей (54,0 %) группы наблюдения имели клинические признаки хронических лимфопролиферативных заболеваний (J35.0, J35.1, J35.2, J35.9), уровень распространенности которых был достоверно выше, чем у детей группы сравнения 2 (29,4 %, р = 0,001). Гипертрофия небных миндалин диагностировалась практически у каждого третьего обследованного ребенка группы наблюдения (39,8 %), в то время как данная патология встречалась лишь у 10,0 % детей группы сравнения (р = 0,001). У детей группы наблюдения в 3,5 раза чаще выявлялись хронические неспецифические воспалительные заболевания верхних дыхательных путей (J31.0, J31.2, J31.9) – 61,9 и 17,6 % соответственно (р = 0,001), при этом воспалительный процесс имел более распространенный характер – практически 2/3 детей имели признаки хронического назофарингита (61,9 против 3,3 %, р = 0,001), а хронический ринит и хронический фарингит как отдельные нозологические формы диагностировались в 1,6–5,1 раза чаще, чем у детей группы сравнения 2 (10,6 и 16,8 % – группа наблюдения; 6,7 и 3,3 % – группа сравнения), однако достоверных различий показатели не имели (р = 0,06–0,52).

Расчет индекса Скибинской позволил установить, что в группе сравнения функциональные и адаптационные резервы сердечно-сосудистой и дыхательной систем у всех обследованных имели средний уровень (10–30 усл. ед.), в то время как в группе наблюдения 25 % имели низкие значения – на уровне 5–10 усл. ед.

Установлена зависимость частоты выявления у детей хронических неспецифических заболеваний верхних дыхательных путей от концентрации в моче алюминия (R2 = 0,704; p ≤ 0,00).

Анализ среднегрупповых значений показателей спирографии у детей школьного возраста (группа наблюдения) не выявил достоверных различий в сравниваемых группах: среднегрупповые показатели функции внешнего дыхания соответствовали физиологической норме (р = 0,09–0,80), однако все показатели у детей группы наблюдения были в 1,2–1,3 раза ниже, чем у детей группы сравнения.

Сопоставительный анализ регистрации вариантов реализации функции внешнего дыхания показал, что вариант нормы имело практически равное количество детей обеих исследуемых групп (89,2 % – группа наблюдения против 76,9 % в группе сравнения, р = 0,2). Сравнительное изучение частоты регистрации отклонений от нормы параметров спирограммы показало, что в группе наблюдения в целом отклонения от нормы встречались в 2,1 раза реже (10,8 и 23,1 % соответственно, р = 0,2), однако обструктивные нарушения легкой и умеренной степени выраженности регистрировались только в группе наблюдения, но без статистической значимости (р = 0,6–0,7).

По результатам оценки данных риноманометрии у 64,4 % детей группы наблюдения зарегистрировано снижение проходимости носовых ходов, которое преимущественно было легким (29,7 %). Каждый пятый в группе наблюдения испытывал выраженное затруднение носового дыхания и лишь 13,9 % – умеренное.

По результатам данной работы у группы детей (группа наблюдения) с функциональными нарушениями системы дыхания зафиксировано достоверное повышение уровня специфической сенсибилизации к алюминию по отношению к норме и группе сравнения в 4,0 и 1,2 раза соответственно.

В ходе исследования выявлены нарушения иммунологической резистентности у детей, проживающих в условиях техногенной нагрузки (таблица).

Установлены разнонаправленные изменения содержания сывороточных иммуноглобулинов А, М и G с преимущественным дефицитом IgG (p < 0,05) и IgM по отношению к возрастной норме. Сравнение с группой контроля выявило достоверное снижение всех анализируемых антител с преимущественным дефицитом IgG (p < 0,05) (снижение в 1,5 раза в сравнении с контролем).

 

Показатели иммунитета у детей с функциональными нарушениями системы дыхания

Показатель

Физиологическая норма

Группа наблюдения (n = 52)

Группа сравнения (n = 41)

Bcl-2, %

1–1,5

0,795 ± 0,716**

2,085 ± 1,56

Treg (CD4+CD127) отн., %

0,8–1,2

4,237 ± 4,065*/**

2,548 ± 1,753

TNFR1, %

1–1,5

2,555 ± 3,004*

1,008 ± 0,509

IgG, г/дм3

10,96–16

10,287 ± 0,471*

10,063 ± 0,494*

Фагоцитарное число, усл. ед.

0,8–1,2

0,654 ± 0,038*

0,62 ± 0,045*

IgG к алюминию, усл. ед.

0–0,1

0,238 ± 0,051

0,192 ± 0,065

Бета2-микроглобулин, мкг/см3

0–0,003

0,901 ± 0,087

1,05 ± 0,359

Примечание: * – разница достоверна относительно референтного интервала (p < 0,05); ** – разница достоверна относительно группы сравнения (p < 0,05).

 

Анализ отношения шансов изменения показателей гуморального иммунитета при возрастании концентрации контаминантов в биологических средах позволил установить достоверное (p < 0,05) понижение концентрации IgА при увеличении концентрации фенола, формальдегида, хрома в крови (R2 = 0,49–0,65 при p < 0,05) и понижение концентрации IgG при увеличении концентрации марганца, фенола в крови, фторидов в моче (R2 = 0,09–0,39 при p < 0,05).

У детей группы наблюдения, проживающих на экспонированной соединениями алюминия территории, выявлено достоверное повышение относительного количества Т-регуляторных лимфоцитов (Treg) – (CD4+СD127) по отношению к физиологической норме (у 75 %) и группе сравнения в 1,7 раза. Данные результаты свидетельствуют о нарушенном контролинге возникновения новообразований, возникновении лимфопролиферативных процессов.

Установлено угнетение экспрессии белка Bcl-2, участвующего в апоптозе. У 75 % детей наблюдается достоверное снижение данного показателя по отношению к физиологической норме, а также по отношению к группе сравнения – понижение в 2,6 раза (р < 0,05).

В ходе исследования выявлено повышение содержания TNFR1 относительно нормы (у 75 % детей) и группы контроля в 2,5 раза (р < 0,05). Фактор некроза опухоли (ФНО, TNF) считается важным компонентом, способствующим уничтожению раковых клеток. Этот белок запускает иммунную реакцию организма на любой внешний раздражитель. Повышение данного показателя может указывать на избыточную внешнюю активацию иммунорегуляторных процессов, что может привести к запуску аллергических и аутоиммунных процессов, а в дальнейшем к возможной утрате контроля над возникновением онкологических заболеваний.

В группе наблюдения установлено повышение уровня бета-2-микроглобулина у 100 % детей по отношению к физиологической норме, а по отношению к группе сравнения повышение уровня экспрессии белка составило 1,2 раза (р < 0,05). Бета-2-микроглобулин является белком, который находится на поверхности практически всех клеток организма. Он присутствует в большинстве физиологических жидкостей, играет важную роль в механизме формирования иммунного ответа. Его содержание в крови увеличивается при онкологических процессах, таких как миелома, лейкемия и лимфома, а также при воспалительных состояниях. В нашем случае повышение белка бета-2-микроглобулина в сыворотке крови может быть связано с избыточной гаптенной стимуляцией алюминием.

ВЫВОДЫ

Структура заболеваний органов дыхания у детей исследуемой территории характеризуется в 2,4 раза большей распространенностью аллергических болезней и в 1,8–3,5 раза хронических неспецифических воспалительных заболеваний носоглотки и процессов, сопровождающихся гиперплазией лимфоглоточного кольца, что может быть ассоциировано с контаминацией алюминием.

По результатам иммунологического обследования детского населения (группа наблюдения) выявлен гомеостатический дисбаланс, обусловленный гиперпродукцией специфического IgG к алюминию, избыточной экспрессией протеина бета2-микроглобулина, IgG, CD127, TNFR в 1,2; 1,0; 1,7; 2,5 и 1,2 раза соответственно, а также угнетением белка Bcl-2 в 2,6 раза (р < 0,05).

About the authors

Oleg V. Dolgikh

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: oleg@fcrisk.ru

Russian Federation, 82, Perm, Monastyrskaya str., 614045

Доктор медицинских наук, зав.отделом иммунобиологических методов диагностики

Inga N. Alikina

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Author for correspondence.
Email: 27konti72@mail.ru

Russian Federation, 82, Perm, Monastyrskaya str., 614045

младший научный сотрудник, отдел иммунобиологических методов диагностики

Maxim A. Guselnikov

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Email: maxg21@yandex.ru
82, Perm, Monastyrskaya str., 614045

младший научный сотрудник, отдел иммунобиологических методов диагностики

References

  1. Долгих О.В., Кривцов А.В., Бубнова О.А., Отавина Е.А., Безрученко Н.В., Колегова А.А., Мазунина А.А., Гусельников М.А. Анализ показателей иммунного статуса у детей в условиях аэрогенной экспозиции металлами. Гигиена и санитария 2017; 96 (1): 26–29.
  2. Рыжикова И.А., Соколов В.Г. Проблема токсичности алюминия для биологических систем. Актуальные проблемы экологии Ярославской области: материалы 2-й науч.-техн. конф. Ярославль 2003; 174.
  3. MacGillivray D.M., Kollmann T.R. The role of environmental factors in modulating immune responses in early life. Front Immunol 2014; 5: 434.
  4. Zhu Y.Z., Liu D.W., Liu Z.Y., Li Y.F. Impact of aluminum exposure on the immune system: a mini review. Environ Toxicol Pharmacol 2013; 35 (1): 82–87.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Statistics

Views

Abstract - 53

PDF (Russian) - 39

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2019 Dolgikh O.V., Alikina I.N., Guselnikov M.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies