Биомониторинг жителей ЯНАО: цитогенетические показатели

Ямало-Ненецкий автономный округ - газовая кладовая Российской Федерации. На территории округа добывается более 80% всего российского газа и 20% мировой добычи природного газа. Промышленные разработки приводят к накоплению техногенных загрязнителей в почве и водоёмах.

Известно, что компоненты нефти и продукты её трансформации оказывают токсическое, мутагенное, канцерогенное действие на живые организмы и приводят к нарушению генетической структуры природных популяций.

Биомониторинг – это оценка продолжительности действия вредного фактора (физического, химического, биологического) на организм человека (его восприимчивость к загрязнителям окружающей среды) на основе измерения концентраций химических веществ и их метаболитов в крови, моче, слюне или тканях. Результаты таких измерений обычно называют "химической нагрузкой на организм человека".

Цитогенетический мониторинг – это разновидность биомониторинга, которая позволяет оценить уровень повреждения генетического аппарата клеток каждого человека с учётом его адаптации или срыва адаптации в определённых условиях среды. Для такого скрининга используют соскоб клеток с внутренней стороны щеки человека (буккальный эпителий).

Почему учёные выбрали именно эти клетки для исследования? Считается, что буккальный эпителий является своеобразным «зеркалом», отражающим состояние всего организма в целом. Рот представляет собой «ворота» в теле человека, ведь всё, что проходит через пищеварительный тракт, оставляет свой след на внутренней стороне слизистой щеки.

Забор исследуемого материала проводится с внутренней стороны щеки простым соскабливанием, то есть не оказывается никакого воздействия с помощью игл или различных хирургических инструментов (см. фото заставки). 

Клетки буккального эпителия необходимо окрашивать специальными красителями для того, что бы качественно рассмотреть все клеточные процессы, затем их анализируют под микроскопом. Для составления полноценной картины статуса человека оценивают следующие критерии: цитогенетические показатели, показатели пролиферации и деструкции ядра. Рассмотрим все показатели по порядку.

Цитогенетические показатели:

Клетки с микроядрами (рис. 1) - это основной показатель при определении цитогенетического статуса человека. Микроядра представляют собой хромосомные фрагменты и отдельные целые хромосомы, «потерянные» во время непрямого деления клетки (митоз). Микроядра встречаются в буккальном эпителии не только после негативного воздействия на организм, но и у здоровых людей; при патологических состояниях количество клеток с микроядрами увеличивается. Показано, что повышение частоты клеток с микроядрами в ротовой полости является самым ранним проявлением риска рака ротовой полости, отмечается до развития лейкоплакии и усиливается на каждой следующей стадии предраковых изменений.

Рис. 1. Клетка с основным ядром и микроядром. Все фотографии клеток сделаны в лаборатории ГКУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики» Шинкарук Е.В. Окрашивание ацетоорсеином по методике Сычёвой Л.П.

Следующим критерием оценки являются показатели пролиферации (патологическое умножение, удвоение материала).

Двуядерные клетки (рис. 3), их появление указывает на нарушение деления ядра клетки. В организме человека существуют клеточные популяции, в которых большую часть составляют двуядерные клетки. Однако основные клеточные популяции человека представлены одноядерными клетками. В то же время среди них в норме присутствует небольшой процент двуядерных клеток. Частота двуядерных клеток увеличивается при воспалении, при онкогенных процессах в организме.

Клетки со сдвоенным ядром (рис. 4), ещё их называют ядрами с круговой насечкой, имеют центральную или частично смещённую к одному из полюсов борозду, как бы перетягивающую ядро. Данная аномалия образуется в процессе незавершённого митоза в результате повреждения веретена деления; при этом нарушена не только цитотомия (разделение тела материнской клетки на две дочерние), но и кариотомия (деление ядра). Появление клеток со сдвоенными ядрами, является индикатором токсического действия исследуемого фактора и является дополнительным прогностическим признаком канцерогенной активности исследуемого фактора. 

Рис. 4. Клетка буккального эпителия со сдвоенным ядром. Окрашивание ацетоорсеином по методике Сычёвой Л.П.

Клетки с тремя ядрами (рис.5) в буккальном эпителии встречаются очень редко, их появление говорит о сильном токсическом воздействии на организм человека. Такие клетки образуются в результате патологического трёхполюсного митоза или в результате слияния трёх клеток при повреждающем действии вирусов.

Рис. 5. Клеткабуккального эпителия с тремя ядрами. Окрашивание ацетоорсеином по методике Сычёвой Л.П.

В критерии оценки действия исследуемых факторов, приводящих к повреждению и гибели клеток, входят показатели деструкции ядра.

Перинуклеарная вакуоль (рис.6) – это впячивание ядерной оболочки (кариолеммы) с образованием округлой зоны обесцвеченной цитоплазмы и кариоплазмы в окрашенных клетках. Этот показатель считается надёжным признаком гибели клетки и наблюдается при болезнях накопления, воспаления, а также после воздействия химических веществ и радиации.

Рис. 6. Клетка буккального эпителия с перинуклеарной вакуолью.

В слущивающихся клетках буккального эпителия встречаются клетки с конденсированным ядром. Конденсация хроматина (рис. 7, а) является началом разрушения ядра и клетки. В ядре происходит уплотнение, скручивание генетического материала – хроматина. Следующий показатель (рис 7, б) кариорексис – под микроскопом мы наблюдаем клетку с несколькими крупными или многочисленными мелкими плотными окрашенными фрагментами ядра в цитоплазме. 

а)       б)    

в)          г) 

Рис. 7. Клетки буккального эпителия с показателями деструкции ядра а) конденсация хроматина; б) кариорексис; в) кариопикноз; г) кариолизис.

Кариопикноз – ядро клетки уплотняется, уменьшается в размере в два и более раза. Ядро становится тёмно-окрашенным (рис.7, в).

Кариолизис – окончательный этап разрушения ядра клетки. Визуально это состояние выглядит как очень бледно окрашенный хроматин, от ядра остаётся лишь «тень» (рис. 7, г).

Наблюдение морфологических изменений ядер у здоровых лиц можно связать со старением и естественной гибелью эпителиальных клеток ротовой полости.

Таким образом, согласно представленной классификации, возможна оценка цитогенетического статуса человека.

В 2013 году ГКУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики» впервые провёл биомониторинг с использованием клеток буккального эпителия – пилотное цитогенетическое исследование по оценке действия факторов среды на цитогенетическое здоровье коренных и пришлых жителей ЯНАО. На первоначальном этапе были обследованы жители посёлка Новый Порт. Результаты исследования показали, что частота встречаемости клеток с анализируемыми кариологическими показателями соответствует  «нормальному» уровню. Индекс цитогенетических повреждений – низкий.

На втором этапе были обследованы жители с.Ныда, г.Надым, п. Антипаюта, п.Сеяха, п.Тазовский. По итогам обследования, все участники получили заключение специалиста и рекомендации о коррекции цитогенетического статуса.

Мы произвели ранжирование обследуемых территорий по показателю «частота клеток с микроядрами» у коренных жителей округа. Территории можно распределить следующим образом: 1. п. Антипаюта→2. п. Тазовский→ 3.п.Се-Яха→ 4. п. Яр-Сале →5. п. Ныда.

Рис. 8. Частота встречаемости клеток с микроядрами у коренных жителей населенных пунктов ЯНАО (в сравнении с п.Антипаюта).* - p<0,1; ** - p<0,05, ***- p<0,01, **** - p<0,001.

Следует отметить, что п. Ныда, п. Яр-Сале и п. Се-Яха расположены в местах интенсивной добычи углеводородов. Возможно, именно этот фактор негативно влияет на организм людей проживающих в этих поселениях.

Неблагоприятные изменения цитогенетических показателей могут быть связаны и с характером питания. Дефицит микроэлементов, минеральных веществ и витаминов сопровождается снижением адаптационных возможностей организма человека. Загрязнение пищевых продуктов токсикантами через пищевые цепи может оказывать генотоксическое действие на организм человека. Проведённые нами ранее исследования показали, что алиментарные риски для здоровья населения Ямала связаны с высоким уровнем потребления простых углеводов, сахаров, дефицитом микроэлементов (кальций, кремний, магний, селен, фосфор и др.), витаминов-антиоксидантов. Витамины–антиоксиданты: α-токоферол, аскорбиновая кислота, витамин А и β-каротином, нейтрализуя свободные радикалы, предотвращают их негативное воздействие на органы и ткани. Ослабление антиоксидантной защиты ведёт к повреждению и снижению функциональной активности клеток, а также к повреждению структуры ДНК и появлению цитогенетических нарушений.

Для составления подробной карты индексов цитогенетических нарушений требуется продолжение проведения биомониторинга в посёлках и районах, которые ещё не принимали участие в исследовании. В ЯНАО это Шурышкарский район, Приуральский район, Пуровский и Красноселькупский районы.

Авторы: ШинкарукЕлена Владимировна – научный сотрудник сектора эколого-биологических исследований Отдела естественнонаучных исследований ГКУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики»; Агбалян Елена Васильевна – доктор биологических наук, заведующая сектором эколого-биологических исследований Отдела естественнонаучных исследований ГКУ ЯНАО «Научный центр изучения Арктики».