? VLIV ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ NA ZDRAVOTNÍ STAV OBYVATELSTVA Radim J. Šrám Ústav experimentální mediciny AV ČR Praha Masarykova demokratická akademie, Praha, 15. 10. 2013
VÝVOJ ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ V ČR
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
RATIO OF ABSOLUTE EMISSION CZECH REPUBLIC 1988 % 50 40 SO 2 NO X 30 20 10 0 REGION
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) 0.89 1.12 Respiratory (unspecific) 0.54 2.90 Allergy 1.70 (0-6 yrs. old) 2.93 Mental Illness 0.53 1.06 Skin 0.65 1.29 Urinary & Kidney (chronic) 1.42 1.68 Respiratory (unspecific) 0.45 1.40 Mental Illness Endocrine 2.00 1.17 (7-15 yrs. old) 4.09 1.54 Skin 0.73 1.09 Other Chronic 0.92 1.79
TEPLICE PROGRAM IMPACT OF AIR POLLUTION ON HUMAN HEALTH Model district Control district TEPLICE (coal power plant open pit mines industry) PRACHATICE (agricultural area)
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
Air particles deposition in the airways > 10 mm < 10 mm (PM10) < 2.5 mm (PM2.5)
? 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
Roční koncentrace PM 2,5 v Teplicích, Prachaticích a Praze Smíchově 70 60 50 40 µg/m 3 30 20 10 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Teplice Prachatice Praha-Smíchov R. J. Sram 2012
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 0,0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Teplice Prachatice Praha-Smíchov R. J. Sram 2012
PM10 2012
PM2.5 2012
B[a]P 2012
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. 1999 R. J. Sram 2012
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 %
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
? 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 6. 11. 2009)
POŠKOZENÍ GENOMU POČÁTEK NEMOCI NUTNOST PREVENCE!
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)
STŘEDNÍ DÉLKA ŽIVOTA A ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ V USA 545 Counties 2000 2007 76.7 ± 1.7 77.5 ± 2.0 PM2.5 13.2 ± 3.4 11.6 ± 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)
ČR 2013 1) 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
ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ A ÚMRTNOST
CONCENTRATION OF AIR POLLUTANTS (Mining districts 1982 2006) 200 TSP(PM 10 ) SO 2 season average [µg/m 3 ] 180 160 140 120 100 80 60 low concentrations 40 20 high concentrations 0 winter
Age - years LIFE EXPECTANCY Mining males Prague males CR males Mining females Prague females CRfemales 82 80 78 76 74 72 70 68 66 64 years
DŮSLEDKY POZITIVNÍCH ZMĚN V období 1995-2004 umíralo ročně méně o 195 mužů a 92 žen Za období 1995 2004 zemřelo méně o 1950 mužů a 920 žen
Střední délka života 77 Střední délka života ve zneč. a čistší oblasti MSK, v Praze, v pánvi ÚK a ČR muži 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 znečištěné čistší Praha pánev ČR
Střední délka života Střední délka života při narození ve zneč. a čistší oblasti MSK, v Praze, pánvi ÚK a ČR ženy 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 znečištěné čistší Praha pánev ČR
VLIV OVZDUŠÍ NA VÝSLEDKY TĚHOTENSTVÍ
DŮSLEDKY IUGR Dětská úmrtnost Dětská nemocnost Zpoždění vývoje Cukrovka Hypertenze Ischemická choroba srdeční
VLIV B[a]P NA EXPRESI GENŮ V TĚHOTENSTVÍ
PM2.5 (µg/m 3 ) B[a]P (ng/m 3 ) benzen (µg/m 3 ) Vývoj koncentrací polutantů (měsíce) B[a]P benzen 7 6 5 4 3 2 1 0 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 2008 2009 2008 2009 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 PM2.5 Praha České Budějovice 2008 2009
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 80 0.24±0.18 1.23±1.09 0.23±0.18 0.98±0.89 0.24±0.18 1.15±1.06 Čes. Budějovice 76 0.44*±0.39 1.59*±1.46 0.41*±0.41 1.40*±1.31 0.54*±0.48 1.94* #±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
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
Vliv kouření matek na novorozence N=157 N=2 1 + 2,95 MN/1000DB p<0.05 3,52 MN/1000 DB 3 465 g p<0.05 3 208 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 %).
Multivariátní analýza vliv na MN Matky OR (95% CI) Benzen 2.11 (1.14 3.91) <0.05 Věk 1.80 (0.95 3.39) =0.07 Vzdělání 0.59 (0.29 1.21) =0.15 Kotinin 1.02 (0.39 2.72) =0.96 Novorozenci B[a]P 3.07 (1.63 5.77) <0.001 Věk 0.78 (0.41 1.50) =0.45 Vzdělání 1.06 (0.52 2.18) =0.87 Kotinin 3.14 (0.96 10.31) =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
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)
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
DEREGULATION OF GENES Peripheral blood Change: 418 genes 255 163 CB Increased expression in CB: Genes related to metabolism of xenobiotics Immune response, autoimmune diseases
DEREGULATION OF GENES Placenta Change: 1170 genes 669 501 CB Increased expression in CB: genes related to metabolism of xenobiotics, oxidative stress, inflammation, vascular system Decreased expression in CB genes regulated placenta function
DEREGULATION OF GENES Cord blood Change: 104 genes 37 67 CB Increased expression in CB: genes related to metabolism of xenobiotics Decreased expression in CB genes related to immune response and autoimmune diseases
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 384 7 27 0 91 Placenta 6 Pupečníková krev 1137 2. 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.
VLIV OVZDUŠÍ NA KVALITU SPERMIÍ
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!
Native DNA Stainability (green fluorescence) 100 SCSA - Acridine Orange Stained DNA 0 100 Fragmented DNA (red fluorescence)
Air pollutions Prague 2007 (ng/m 3 ) 12.0 10.0 8.0 February May 6.0 4.0 2.0 0 PAH cpah B[a]P eqb[a]p
Sperm analysis 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 February May
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) 25 20 15 10 5 February May 16 12 8 4 February May 20 15 10 5 February May P 0.001 P 0.001 P 0.001 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
PROGRAM OSTRAVA VÝSLEDKY VÝZKUMU
ZNEČIŠTĚNÍ OVZDUŠÍ 2012 (ČHMÚ) Lokalita PM10 µg/m 3 PM2.5 µg/m 3 B[a]P ng/m 3 Ostrava-Poruba 35.1 ± 31.2 27.3 ± 27.6 3.3 ± 5.0 Ostrava-Radvanice 49.5± 40.3 39.4 ± 31.2 10.8 ± 13.7 Karviná 45.8 ± 44.7 X 8.2 ± 11.1 Havířov 44.3 ± 43.7 X X Praha-Smíchov 30.2 ± 15.6 14.8± 8.8 X Praha-Libuš 27.8 ± 14.5 17.3 ± 12.6 1.1 ± 1.5 České Budějovice 22.8 ± 16.0 18.6 ± 13.7 1.7 ± 2.0 x - neměřeno R.J.Sram 2013
60
R.J.Sram 2013
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
Nemocnost dětí v Ostravě
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 2001-2004 10 dětských středisek v různých částech Ostravy Rozbor nemocnosti v prvých 6ti letech života Výskyt alergických onemocnění
Z. horních cest dýchacích + průdušek + hrtanu a průdušnice + plic + angína + z. středního ucha incidence/dítě
Závěr Děti ročníků 2001-2004 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.
ASTHMA BRONCHIALE U DĚTÍ
ASTMATICKÉ A ALERGICKÉ DĚTI OSTRAVA BARTOVICE 2001-2007 (%) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Astma Alergie 2001 2003 2005 2007
OSTRAVA PROGRAM ASTHMA BRONCHIALE A BIOMARKERY Radvanice a Bartovice - 100 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
počet dětí PRVNÍ PŘÍZNAKY ASTHMA BRONCHIALE V ZÁVISLOSTI NA VĚKU Prachatice Ostrava 50 40 30 20 10 0 <0.5 0.5-3.5 3.5-6.5 6.5-9.5 9.5-12.5 12.5-15.5 věkový interval - roky
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).
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
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?
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).
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.