VLIV ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ NA ZDRAVOTNÍ STAV OBYVATELSTVA

Transkript

1 ? VLIV ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ NA ZDRAVOTNÍ STAV OBYVATELSTVA Radim J. Šrám Ústav experimentální mediciny AV ČR Praha Masarykova demokratická akademie, Praha,

2 VÝVOJ ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ V ČR

3 Mining Districts Usti N.L. Teplice Chomutov Most 498,000 inhabitants DISTRIBUTION OF THE MAIN EMISSION CENTRES IN CZECHOSLOVAKIA Praha Direction of Prevalling Winds Brno Bratislava

4 RATIO OF ABSOLUTE EMISSION CZECH REPUBLIC 1988 % SO 2 NO X REGION

5

6

7

8

9 MORBIDITY OF CHILDREN IN THE MINING DISTRICTS IN THE REGION OF NORTHEN BOHEMIA Disease Czech Republic Morbidity of Children No. of Cases/100 Mining Districts Urinary & Kidney (chronic) Respiratory (unspecific) Allergy 1.70 (0-6 yrs. old) 2.93 Mental Illness Skin Urinary & Kidney (chronic) Respiratory (unspecific) Mental Illness Endocrine (7-15 yrs. old) Skin Other Chronic

10 TEPLICE PROGRAM IMPACT OF AIR POLLUTION ON HUMAN HEALTH Model district Control district TEPLICE (coal power plant open pit mines industry) PRACHATICE (agricultural area)

11 TEPLICE PROGRAM BOARD OF DIRECTORS MINISTRY OF ENVIRONMENT + EC + US EPA MANAGEMENT SCIENTIFIC BOARD PROGRAM COMMITEE Data Analysis & Risk Assessment Group Environmental Quality and Modelling Biomarkers of Exposure Health Effects Reproduction Health Status Policy Implementation Unit Monitoring of Air Biomarkers of Exposure to Mutagens & Carcinogens Respiratory Effect in Children Pregnancy Outcome Mortality Exposure Assessment to Ambient Air Mutagenes Neurobehavioral Effect in Children Human Semen Quality Cancer Incidence Atmospheric Dispersion Modelling

12 Air particles deposition in the airways > 10 mm < 10 mm (PM10) < 2.5 mm (PM2.5)

13 ? APPORTIONMENT OF TEPLICE FINE MASS January February, 1994 Home Ht-S (31.2 ± 15 %) ans Small Ind. Boilers Unknown (9.5 ± 19.8% Mobile (4.7 ± 1.1%) Power Plant (15.2 ± 6.3%) Home Ht-A (25.9 ± 9.9 %) and Small Ind. Boilers Incinerator (13.5 ± 3.8%) Average Fine Mass Concentration = 52.6 µg/m 3 2

14 Roční koncentrace PM 2,5 v Teplicích, Prachaticích a Praze Smíchově µg/m Teplice Prachatice Praha-Smíchov R. J. Sram 2012

15 Roční koncentrace B*a+P v Teplicích, Prachaticích a Praze Smíchově 4,0 3,5 3,0 2,5 ng/m 3 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Teplice Prachatice Praha-Smíchov R. J. Sram 2012

16 PM

17 PM

18 B[a]P 2012

19 AIR PARTICLES (< 10 µm) (Filtres from HiVol Samplers - Winter, Summer) DNA binding activities in vitro acellular assay 32 P - postlabeling and HPLC analysis of DNA adducts Binkova et al R. J. Sram 2012

20 CONTRIBUTION OF THE MAJOR PAH-DNA ADDUCTS TO THE TOTAL DNA ADDUCTS LEVEL FROM URBAN SAMPLES (Binkova et al. 1999) PAH-DNA adducts derived from 9-OH-B[a]P anti - BPDE B[b]F B[k]F B[j]F CHRY B[a]A I[c,d]P R. J. Sram 2012 Total radioactivity from all DNA adducts detected approx. 50 %

21 VÝZNAM k-pau VE ZNEČIŠTĚNÉM OVZDUŠÍ výsledky plodnost respirační kardiovaskulární těhotenství mužů nemocnost dětí, onemocnění, (IUGR, LBW, psychický cukrovka, působí jako ED) vývoj nádory RIZIKO PRO LIDSKÉ ZDRAVÍ R.J.Sram 2013

22 ? VÝSLEDKY MOLEKULÁRNĚ EPIDEMIOLOGICKÝCH STUDIÍ (genomová frekvence translokací-fish, mikrojadérka, fragmentace DNA ve spermiích) koncentrace > 1 ng B[a]P/m 3 v ovzduší RIZIKO PRO LIDSKÉ ZDRAVÍ (WHO Bonn )

23 POŠKOZENÍ GENOMU POČÁTEK NEMOCI NUTNOST PREVENCE!

24 VÝZNAM NÍZKOEMISNÍCH ZÓN PM10 Německo: 19 měst (např. Berlín, Dorthmund, Hannover, Mnichov) populace 11.5 mil. Snížení: PM10 1 % < 1µg PM10/m 3 (Morfeld et al. 2013)

25 STŘEDNÍ DÉLKA ŽIVOTA A ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ V USA 545 Counties ± ± 2.0 PM ± ± 2.8 Snížení koncentrace PM2.5 o 10 µg/m 3 prodloužení střední délky života o 0.35 roku (Correi A. et al., Epidemiology 24:23-31, 2013)

26 ČR ) Více než 50% populace je exponováno znečištěnému ovzduší > 1 ng B[a]P/m 3 2) 3) Chybí komplexní program, který by studoval vliv znečištěného ovzduší na lidské zdraví Chybí preventivní opatření, která by snižovala poškození zdravotního stavu, zejména u dětí

27 ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ A ÚMRTNOST

28 CONCENTRATION OF AIR POLLUTANTS (Mining districts ) 200 TSP(PM 10 ) SO 2 season average [µg/m 3 ] low concentrations high concentrations 0 winter

29 Age - years LIFE EXPECTANCY Mining males Prague males CR males Mining females Prague females CRfemales years

30 DŮSLEDKY POZITIVNÍCH ZMĚN V období umíralo ročně méně o 195 mužů a 92 žen Za období zemřelo méně o 1950 mužů a 920 žen

31 Střední délka života 77 Střední délka života ve zneč. a čistší oblasti MSK, v Praze, v pánvi ÚK a ČR muži znečištěné čistší Praha pánev ČR

32 Střední délka života Střední délka života při narození ve zneč. a čistší oblasti MSK, v Praze, pánvi ÚK a ČR ženy znečištěné čistší Praha pánev ČR

33 VLIV OVZDUŠÍ NA VÝSLEDKY TĚHOTENSTVÍ

34

35

36 DŮSLEDKY IUGR Dětská úmrtnost Dětská nemocnost Zpoždění vývoje Cukrovka Hypertenze Ischemická choroba srdeční

37

38

39 VLIV B[a]P NA EXPRESI GENŮ V TĚHOTENSTVÍ

40 PM2.5 (µg/m 3 ) B[a]P (ng/m 3 ) benzen (µg/m 3 ) Vývoj koncentrací polutantů (měsíce) B[a]P benzen ,5 3 2,5 2 1,5 1 0, PM2.5 Praha České Budějovice

41 Výsledky stanovení DNA aduktů v žilní a pupečníkové krvi a v placentě (Porovnání - Praha a České Budějovice) Žilní krev matky Pupečníková krev Placenta Adukty/10 8 nukl. N Průměr ± S.D. B[a]P-like Celkové B[a]P-like Průměr ± S.D. Celkové Průměr ± S.D. B[a]P-like Celkové Praha ± ± ± ± ± ±1.06 Čes. Budějovice *± *± *± *± *± * #±1.46 *p<0.001 významně vyšší hladiny celkových i tzv. B[a]P specifických DNA aduktů ve všech tkáních byly nalezeny u matek a dětí z Českých Budějovic #p<0.001 významně vyšší hladiny hladiny DNA aduktů v placentě než v žilní a pupečníkové krvi u matek a dětí z Českých Budějovic

42 MICRONUCLEI IN NEWBORNS PRAGUE (86) 2.17 MN/1000 BC CESKE BUDEJOVICE (92) 3.82 MN/1000 BC TOWN (40) 3.45 MN/1000 BC VILLAGES (52) 4.11 MN/1000 BC

43 Vliv kouření matek na novorozence N=157 N= ,95 MN/1000DB p<0.05 3,52 MN/1000 DB g p< g Děti kuřaček (hladina kotininu v krevní plasmě > 3 ng/ml) měly signifikantně zvýšenou frekvenci mikrojader a nižší porodní váhu o 257 g (7,4 %).

44 Multivariátní analýza vliv na MN Matky OR (95% CI) Benzen 2.11 ( ) <0.05 Věk 1.80 ( ) =0.07 Vzdělání 0.59 ( ) =0.15 Kotinin 1.02 ( ) =0.96 Novorozenci B[a]P 3.07 ( ) <0.001 Věk 0.78 ( ) =0.45 Vzdělání 1.06 ( ) =0.87 Kotinin 3.14 ( ) =0.06 p Frekvence MN u matek byla ovlivněna především hladinou benzenu a věkem (18-49 let), u novorozenců se projevil vliv B*a+P a kouření matek

45 Microarray analýza genové exprese - metodika Odběr vzorků - stabilizace expresního profilu (RNAlater, PAX system, LeukoLOCK) Izolace RNA a ověření kvality (Agilent Bioanalyzer) Gene expression profiling - přepis RNA do crna (Ambion) - hybridizace na HumanRef-8 Expression BeadArrays - skenování (Illumina ArrayReader) Statistická analýza dat (Illumina BeadStudio Software, R program)

46 Změny v transkriptomu těhotných žen v Praze vs. Českých Budějovicích Soubor: 35 nekuřaček z Prahy vs. 52 nekuřaček z Č. Budějovic - periferní krev (PB), placenta (PL), pupečníková krev (UCB) Množství polycyklických aromatických uhlovodíků v ovzduší v Praze se začíná významně snižovat Zvýšená hladina DNA aduktů ve všech typech tkání matek z Č. Budějovic v porovnání s Prahou Vyšší hladina peroxidovaných lipidů u vzorků z Prahy Cíl: srovnání expresních profilů vzorků PB, PL a UCB získaných od těhotných žen z obou lokalit vzhledem k odlišnému působení genotoxických látek v těchto lokalitách

47 DEREGULATION OF GENES Peripheral blood Change: 418 genes CB Increased expression in CB: Genes related to metabolism of xenobiotics Immune response, autoimmune diseases

48 DEREGULATION OF GENES Placenta Change: 1170 genes CB Increased expression in CB: genes related to metabolism of xenobiotics, oxidative stress, inflammation, vascular system Decreased expression in CB genes regulated placenta function

49 DEREGULATION OF GENES Cord blood Change: 104 genes CB Increased expression in CB: genes related to metabolism of xenobiotics Decreased expression in CB genes related to immune response and autoimmune diseases

50 ZÁVĚRY 1. Detekce zvýšené exprese genů spojených s působením genotoxických látek ve všech tkáních z ČB je v souladu s vyšší expozicí genotoxickým látkám naměřenou v této lokalitě. vysoká míra tkáňové specifity (zejména u pupečníkové krve) opačný trend deregulace některých buněčných drah mezi vzorky periferní a pupečníkové krve (specifické imunitní procesy a s nimi asociované autoimunitní choroby aktivované u periferní a naopak suprimované u pupečníkové krve z ČB Periferní krev Placenta 6 Pupečníková krev Vysoký počet genů detekovaný u PL a naopak nízký u UCB, malý překryv deregulovaných genů mezi UCB a ostatními tkáněmi a opačná regulace imunitních procesů jsou známky, které poukazují alespoň na částečnou detoxifikační funkci placenty.

51 VLIV OVZDUŠÍ NA KVALITU SPERMIÍ

52 CRITICAL WINDOWS FOR SPERMATOGENESIS Spgonia Spcytes Spermatid s Sper m PAHs mitosi s meiosi s differentiatio n Count Morphology Count Aneuploidy Morphology Motility Morph/Motility DNA Breaks- SCSA NO DNA REPAIR!

53 Native DNA Stainability (green fluorescence) 100 SCSA - Acridine Orange Stained DNA Fragmented DNA (red fluorescence)

54 Air pollutions Prague 2007 (ng/m 3 ) February May PAH cpah B[a]P eqb[a]p

55 Sperm analysis February May

56 det DFI (%) high DFI (%) HDS (%) Policemen patrolling the streets in Prague centre with heavy traffic The level of air pollution will be assessed on the basis of information from two source: -data from stationary measuring stations AIM Prague -for 48 h using personal sampling devices (URG Corp, USA) February May February May February May P P P N=46 ddfi < 15% Feb 30 May 42 ddfi 15 30% Feb 16 May 4 ddfi >30% Feb 2 May 2 HDS >15% Feb 10 May 4

57 PROGRAM OSTRAVA VÝSLEDKY VÝZKUMU

58

59 ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ 2012 (ČHMÚ) Lokalita PM10 µg/m 3 PM2.5 µg/m 3 B[a]P ng/m 3 Ostrava-Poruba 35.1 ± ± ± 5.0 Ostrava-Radvanice 49.5± ± ± 13.7 Karviná 45.8 ± 44.7 X 8.2 ± 11.1 Havířov 44.3 ± 43.7 X X Praha-Smíchov 30.2 ± ± 8.8 X Praha-Libuš 27.8 ± ± ± 1.5 České Budějovice 22.8 ± ± ± 2.0 x - neměřeno R.J.Sram 2013

60 60

61 R.J.Sram 2013

62 PROGRAM OSTRAVA 1) Zdravotní stav dětí 2) Studium vlivu genetické výbavy na astma u dětí 3) Molekulárně-epidemiologická studie: vliv znečištěného ovzduší na lidský organismus 4) Studie in vitro: studium mechanismů toxického působení látek vázaných na respirabilních prachových částicích

63 Nemocnost dětí v Ostravě

64 Studie zdravotního stavu dětí z Ostravy - Radvanic a Bartovic Cíl porovnat zdravotní stav dětí žijících v Radvanicích a Bartovicích se zdravotním stavem dětí z jiných částí Ostravy 1887 dětí narozených v letech dětských středisek v různých částech Ostravy Rozbor nemocnosti v prvých 6ti letech života Výskyt alergických onemocnění

65 Z. horních cest dýchacích + průdušek + hrtanu a průdušnice + plic + angína + z. středního ucha incidence/dítě

66 Závěr Děti ročníků žijící v Radvanicích a Bartovicích měly v prvých šesti letech života vyšší celkovou incidenci akutních onemocnění a vyšší prevalenci bronchiálního astmatu než děti v Mor. Ostravě, Hrabůvce, Zábřehu a Porubě.

67 ASTHMA BRONCHIALE U DĚTÍ

68 ASTMATICKÉ A ALERGICKÉ DĚTI OSTRAVA BARTOVICE (%) Astma Alergie

69 OSTRAVA PROGRAM ASTHMA BRONCHIALE A BIOMARKERY Radvanice a Bartovice dětí s diagnostikovaným asthma bronchiale a 100 dětí bez alergie, věk 6-15 let Kontrolní děti z okresu Praachatice, stejný počet a věkové rozmezí Genetické polymorfismy (768 genů - metabolism, DNA repair, imunitní systém, Illumina chips) Genová exprese (celý genom, Illumina chips) Oxidativní poškození (8 -oxodg, 15-F2T-isoP, proteiny) PAU-DNA adukty ze slin Vitamins A, E Kotinin

70 počet dětí PRVNÍ PŘÍZNAKY ASTHMA BRONCHIALE V ZÁVISLOSTI NA VĚKU Prachatice Ostrava < věkový interval - roky

71 VZTAH GENOVÉ EXPRESE K ASTMATU Průduškové astma je komplexní onemocnění. Mezi hlavní faktory ovlivňující vznik a vývoj astmatu patří genetická predispozice a životní prostředí a jejich interakce Cíl studie: Porovnání exprese (aktivity) genů astmatických a kontrolních dětí žijících ve znečištěné oblasti (Ostrava) s expresí genů astmatických a kontrolních dětí žijících v čisté oblasti (Prachaticko).

72 Comparison of no asthma vs. asthma t-test results In the Venn diagrams shown below, the t-test results obtained using all experiments either with a p-value cutoff of 0.01 or a p-value cutoff of 0.01 and at least a 1.5 fold change are compared no asthma vs. asthma P-value 0.01 P-value 0.01 fold change 1.5 no asthma vs. asthma control region no asthma vs. asthma no asthma vs. asthma control region genes specific for asthma in Prachatice no asthma vs. asthma Ostrava genes specific for asthma in Ostrava 12 no asthma vs. asthma Ostrava no genes common for both regions

73 RESULTS GENES FOR PRO ASTHMA OSTRAVA AND FOR ASTHMA PRACHATICE Prachatice SIGLEC8, CCL23, CLC, CACNG6 relationship to the presence of eosinophils; eosinophilic inflammation is related to the alergic type of asthma LEP also related to asthma Ostrava DEFA4 relationship to the presence of neutrophils, neutrophilic inflammation related to the nonalergic type of asthma AHSP stabilization of haemoglobin α HBG2 part of fetal haemoglobin (subunits 2α a 2γ), higher affinity to O 2 IFIT3, PPM1B related to inflammation, asthma?

74 Závěr Výsledky prokazují deregulaci genů, která je specifická pro onemocnění, i pro sledovanou oblast Deregulace genů u astmatických dětí je rozdílná mezi znečištěnou a kontrolní oblastí. V každé oblasti byly pozorovány specifické deregulované geny při srovnání astmatických a kontrolních dětí: 17 transkriptů v kontrolní oblasti, 12 transkriptů v znečištěné oblasti. Při srovnání astmatických a kontrolních skupin byl pozorován významný vliv oblasti (92 a 57 transkriptů s > 1.5 násobnou změnou).

75 Souhrn Asthma bronchiale na Prachaticku alergický typ astmatu, odpověď na alergen. Asthma bronchiale v Ostravě - nealergický typ astmatu, vyvolán iritanty znečištěné ovzduší, ETS, virové infekce.