Слово биомаркером сокращение от слова «биологический маркер», термин, который относится к измеримому событию, происходящему в биологической системе, например, в организме человека. Затем это событие интерпретируется как отражение или маркер более общего состояния организма или ожидаемой продолжительности жизни. В гигиене труда биомаркер обычно используется в качестве индикатора состояния здоровья или риска заболевания.

Биомаркеры используются для исследований in vitro, а также in vivo, которые могут включать людей. Обычно выделяют три конкретных типа биологических маркеров. Хотя несколько биомаркеров может быть трудно классифицировать, обычно их делят на биомаркеры воздействия, биомаркеры эффекта или биомаркеры чувствительности (см. таблицу 1).

Таблица 1. Примеры биомаркеров воздействия или биомаркеров эффекта, которые используются в токсикологических исследованиях в области гигиены труда

При приемлемой степени достоверности биомаркеры могут использоваться для нескольких целей. В индивидуальном порядке биомаркер может быть использован для подтверждения или опровержения диагноза определенного типа отравления или других побочных эффектов, вызванных химическими веществами. У здорового человека биомаркер может также отражать индивидуальную гиперчувствительность к определенным химическим воздействиям и, следовательно, может служить основой для прогнозирования риска и консультирования. В группах работников, подвергшихся воздействию, некоторые биомаркеры воздействия могут применяться для оценки степени соблюдения правил по борьбе с загрязнением или эффективности профилактических мер в целом.

Биомаркеры воздействия

Биомаркером воздействия может быть экзогенное соединение (или метаболит) в организме, продукт взаимодействия между соединением (или метаболитом) и эндогенным компонентом или другое событие, связанное с воздействием. Чаще всего биомаркеры воздействия стабильных соединений, таких как металлы, включают измерения концентрации металлов в соответствующих образцах, таких как кровь, сыворотка или моча. В случае летучих химических веществ можно оценить их концентрацию в выдыхаемом воздухе (после вдыхания чистого воздуха). Если соединение метаболизируется в организме, один или несколько метаболитов могут быть выбраны в качестве биомаркера воздействия; метаболиты часто определяются в образцах мочи.

Современные методы анализа могут позволить разделить изомеры или конгенеры органических соединений, а также определить состав соединений металлов или изотопные отношения определенных элементов. Сложные анализы позволяют определять изменения в структуре ДНК или других макромолекул, вызванные связыванием с реактивными химическими веществами. Такие передовые методы, несомненно, приобретут значительно большее значение для применения в исследованиях биомаркеров, а более низкие пределы обнаружения и лучшая аналитическая достоверность, вероятно, сделают эти биомаркеры еще более полезными.

Особенно многообещающие разработки произошли с биомаркерами воздействия мутагенных химических веществ. Эти соединения реакционноспособны и могут образовывать аддукты с макромолекулами, такими как белки или ДНК. Аддукты ДНК могут быть обнаружены в лейкоцитах или биоптатах тканей, а специфические фрагменты ДНК могут выделяться с мочой. Например, воздействие этиленоксида приводит к реакциям с основаниями ДНК, и после удаления поврежденного основания N-7-(2-гидроксиэтил)гуанин выводится с мочой. Некоторые аддукты могут не относиться непосредственно к конкретному воздействию. Например, 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозин отражает окислительное повреждение ДНК, и эта реакция может быть вызвана несколькими химическими соединениями, большинство из которых также вызывают перекисное окисление липидов.

Другие макромолекулы также могут быть изменены путем образования аддукта или окисления. Особый интерес представляет то, что такие реактивные соединения могут образовывать аддукты гемоглобина, которые можно определить как биомаркеры воздействия соединений. Преимущество состоит в том, что из образца крови можно получить достаточное количество гемоглобина, и, учитывая четырехмесячное время жизни эритроцитов, аддукты, образующиеся с аминокислотами белка, будут указывать на общее воздействие за этот период.

Аддукты можно определить с помощью чувствительных методов, таких как высокоэффективная липидная хроматография, также доступны некоторые иммунологические методы. В целом аналитические методы являются новыми, дорогими и нуждаются в дальнейшей разработке и валидации. Лучшая чувствительность может быть получена с помощью ³²Анализ P после мечения, который является неспецифическим признаком того, что имело место повреждение ДНК. Все эти методы потенциально полезны для биологического мониторинга и применяются во все большем числе исследований. Однако необходимы более простые и чувствительные аналитические методы. Учитывая ограниченную специфичность некоторых методов при низкоуровневом воздействии, курение табака или другие факторы могут существенно повлиять на результаты измерения, что вызовет трудности в интерпретации.

Воздействие мутагенных соединений или соединений, которые метаболизируются в мутагены, также можно определить путем оценки мутагенности мочи подвергшегося воздействию человека. Образец мочи инкубируют со штаммом бактерий, в котором экспрессируется определенная точечная мутация, которую можно легко измерить. Если в образце мочи присутствуют мутагенные химические вещества, то в бактериях будет происходить повышенная скорость мутаций.

Биомаркеры воздействия необходимо оценивать с точки зрения временных вариаций воздействия и отношения к различным компартментам. Таким образом, временные рамки, представленные биомаркером, то есть степень, в которой измерение биомаркера отражает прошлые воздействия и/или накопленную нагрузку на организм, должны быть определены на основе токсикокинетических данных для интерпретации результата. В частности, следует учитывать степень, в которой биомаркер указывает на задержку в конкретных органах-мишенях. Хотя образцы крови часто используются для исследования биомаркеров, периферическая кровь обычно не рассматривается как компартмент как таковой, хотя она действует как транспортная среда между компартментами. Степень, в которой концентрация в крови отражает уровни в различных органах, широко варьируется в зависимости от различных химических веществ и обычно также зависит от продолжительности воздействия, а также времени, прошедшего после воздействия.

Иногда этот тип доказательств используется для классификации биомаркера как показателя (общей) поглощенной дозы или показателя эффективной дозы (т. е. количества, достигшего ткани-мишени). Например, воздействие определенного растворителя можно оценить по данным о фактической концентрации растворителя в крови в определенное время после воздействия. Это измерение будет отражать количество растворителя, впитавшегося в организм. Часть абсорбированного количества будет выдыхаться из-за давления паров растворителя. Циркулируя в крови, растворитель будет взаимодействовать с различными компонентами организма и в конечном итоге подвергнется расщеплению ферментами. Исход метаболических процессов можно оценить, определяя специфические меркаптуровые кислоты, образующиеся при конъюгации с глутатионом. Кумулятивная экскреция меркаптуровых кислот может лучше отражать эффективную дозу, чем концентрация в крови.

Жизненные события, такие как размножение и старение, могут повлиять на распространение химического вещества. Беременность существенно влияет на распределение химических веществ в организме, и многие химические вещества могут проникать через плацентарный барьер, вызывая воздействие на плод. Лактация может приводить к экскреции жирорастворимых химических веществ, что приводит к уменьшению их удержания в организме матери и повышенному поглощению младенцем. Во время потери веса или развития остеопороза могут высвобождаться накопленные химические вещества, что затем может привести к возобновлению и длительному «эндогенному» воздействию на органы-мишени. Другие факторы могут влиять на индивидуальную абсорбцию, метаболизм, удержание и распределение химических соединений, и доступны некоторые биомаркеры восприимчивости (см. ниже).

Биомаркеры эффекта

Маркером эффекта может быть эндогенный компонент, или мера функциональной способности, или какой-либо другой показатель состояния или баланса организма или системы органов, затронутых воздействием. Такие маркеры эффекта обычно являются доклиническими индикаторами отклонений.

Эти биомаркеры могут быть специфическими или неспецифическими. Конкретные биомаркеры полезны, поскольку они указывают на биологический эффект конкретного воздействия, таким образом предоставляя доказательства, которые потенциально могут быть использованы в профилактических целях. Неспецифические биомаркеры не указывают на индивидуальную причину эффекта, но они могут отражать общий комплексный эффект из-за смешанного воздействия. Таким образом, оба типа биомаркеров могут иметь большое значение для гигиены труда.

Не существует четкого различия между биомаркерами воздействия и биомаркерами эффекта. Например, можно сказать, что образование аддукта отражает эффект, а не воздействие. Однако биомаркеры эффекта обычно указывают на изменения в функциях клеток, тканей или организма в целом. Некоторые исследователи включают грубые изменения, такие как увеличение веса печени лабораторных животных, подвергшихся воздействию, или снижение роста у детей, в качестве биомаркеров эффекта. В целях гигиены труда биомаркеры воздействия должны быть ограничены теми, которые указывают на субклинические или обратимые биохимические изменения, такие как ингибирование ферментов. Наиболее часто используемым биомаркером эффекта, вероятно, является ингибирование холинэстеразы, вызванное некоторыми инсектицидами, то есть органофосфатами и карбаматами. В большинстве случаев этот эффект полностью обратим, а ингибирование фермента отражает общее воздействие данной группы инсектицидов.

Некоторые воздействия приводят не к ингибированию фермента, а к повышению активности фермента. Это касается нескольких ферментов, принадлежащих к семейству Р450 (см. «Генетические детерминанты токсического ответа»). Они могут быть вызваны воздействием определенных растворителей и полиароматических углеводородов (ПАУ). Поскольку эти ферменты в основном экспрессируются в тканях, из которых трудно получить биопсию, активность фермента определяют косвенно in vivo путем введения соединения, которое метаболизируется этим конкретным ферментом, а затем измеряют продукт распада в моче или плазме.

Другие воздействия могут индуцировать синтез защитного белка в организме. Лучшим примером, вероятно, является металлотионеин, который связывает кадмий и способствует выведению этого металла из организма; воздействие кадмия является одним из факторов, приводящих к повышенной экспрессии гена металлотионеина. Подобные защитные белки могут существовать, но они еще недостаточно изучены, чтобы их можно было принять в качестве биомаркеров. Среди кандидатов на возможное использование в качестве биомаркеров есть так называемые белки стресса, первоначально называемые белками теплового шока. Эти белки вырабатываются рядом различных организмов в ответ на различные неблагоприятные воздействия.

Окислительное повреждение можно оценить, определив концентрацию малонового диальдегида в сыворотке крови или выдыхаемый этан. Точно так же экскреция с мочой белков с небольшой молекулярной массой, таких как альбумин, может быть использована в качестве биомаркера раннего повреждения почек. Некоторые параметры, обычно используемые в клинической практике (например, уровни гормонов или ферментов в сыворотке), также могут быть полезны в качестве биомаркеров. Однако многие из этих параметров могут быть недостаточно чувствительными для раннего выявления нарушений.

Другая группа параметров воздействия относится к генотоксическим эффектам (изменениям в структуре хромосом). Такие эффекты могут быть обнаружены при микроскопии лейкоцитов, которые подвергаются клеточному делению. Серьезные повреждения хромосом — хромосомные аберрации или образование микроядер — можно увидеть в микроскоп. Повреждение также может быть обнаружено путем добавления красителя к клеткам во время клеточного деления. Затем воздействие генотоксического агента может быть визуализировано как повышенный обмен красителя между двумя хроматидами каждой хромосомы (обмен сестринскими хроматидами). Хромосомные аберрации связаны с повышенным риском развития рака, но значение повышенной скорости обмена сестринскими хроматидами менее ясно.

Более сложная оценка генотоксичности основана на определенных точечных мутациях в соматических клетках, то есть в лейкоцитах или эпителиальных клетках, полученных из слизистой оболочки полости рта. Мутация в определенном локусе может сделать клетки способными расти в культуре, содержащей химическое вещество, которое в других отношениях является токсичным (например, 6-тиогуанин). В качестве альтернативы можно оценить специфический генный продукт (например, сывороточные или тканевые концентрации онкопротеинов, кодируемых конкретными онкогенами). Очевидно, что эти мутации отражают общее причиненное генотоксическое повреждение и не обязательно указывают на причинное воздействие. Эти методы еще не готовы для практического использования в области гигиены труда, но быстрый прогресс в этом направлении исследований предполагает, что такие методы станут доступными в течение нескольких лет.

Биомаркеры восприимчивости

Маркер восприимчивости, унаследованный или индуцированный, является индикатором того, что человек особенно чувствителен к действию ксенобиотика или к действию группы таких соединений. Наибольшее внимание было сосредоточено на генетической предрасположенности, хотя и другие факторы могут быть не менее важными. Гиперчувствительность может быть связана с унаследованной чертой, конституцией человека или факторами окружающей среды.

Способность метаболизировать определенные химические вещества вариабельна и определяется генетически (см. «Генетические детерминанты токсического ответа»). Несколько соответствующих ферментов, по-видимому, контролируются одним геном. Например, окисление чужеродных химических веществ в основном осуществляется семейством ферментов, принадлежащих к семейству Р450. Другие ферменты делают метаболиты более водорастворимыми за счет конъюгации (например, N-ацетилтрансфераза и μ-глутатион-S-трансфераза). Активность этих ферментов контролируется генетически и значительно варьирует. Как упоминалось выше, активность можно определить, введя небольшую дозу лекарства и затем определив количество метаболита в моче. Некоторые из генов в настоящее время охарактеризованы, и доступны методы определения генотипа. Важные исследования показывают, что риск развития некоторых форм рака связан со способностью метаболизировать чужеродные соединения. Многие вопросы до сих пор остаются без ответа, что в настоящее время ограничивает использование этих биомаркеров потенциальной восприимчивости в гигиене труда.

Другие унаследованные признаки, такие как альфа₁Дефицит антитрипсина или дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы также приводят к нарушению защитных механизмов в организме, вызывая тем самым повышенную чувствительность к определенным воздействиям.

Большинство исследований, связанных с восприимчивостью, касались генетической предрасположенности. Другие факторы также играют роль, и ими частично пренебрегают. Например, люди с хроническими заболеваниями могут быть более чувствительны к профессиональному воздействию. Кроме того, если патологический процесс или предыдущее воздействие токсичных химикатов вызвало некоторое субклиническое повреждение органов, то способность противостоять новому токсичному воздействию, вероятно, будет меньше. В качестве биомаркеров чувствительности в этом случае можно использовать биохимические показатели функции органов. Возможно, лучший пример гиперчувствительности относится к аллергическим реакциям. Если человек стал сенсибилизированным к определенному воздействию, то в сыворотке могут быть обнаружены специфические антитела. Даже если человек не стал сенсибилизированным, другие текущие или прошлые воздействия могут увеличить риск развития неблагоприятных последствий, связанных с профессиональным воздействием.

Серьезной проблемой является определение совместного действия смешанных экспозиций на рабочем месте. Кроме того, личные привычки и употребление наркотиков могут привести к повышенной восприимчивости. Например, табачный дым обычно содержит значительное количество кадмия. Таким образом, при профессиональном воздействии кадмия заядлый курильщик, накопивший значительное количество этого металла в организме, подвергается повышенному риску развития связанного с кадмием заболевания почек.

Применение в области гигиены труда

Биомаркеры чрезвычайно полезны в токсикологических исследованиях, и многие из них могут быть применимы в биологическом мониторинге. Тем не менее, ограничения также должны быть признаны. Многие биомаркеры до сих пор изучались только на лабораторных животных. Токсикокинетические модели у других видов могут не обязательно отражать ситуацию у людей, и для экстраполяции могут потребоваться подтверждающие исследования на людях-добровольцах. Кроме того, необходимо принимать во внимание индивидуальные вариации, обусловленные генетическими или конституциональными факторами.

В некоторых случаях биомаркеры экспозиции вообще могут оказаться неосуществимыми (например, для химических веществ, которые недолговечны in vivo). Другие химические вещества могут накапливаться или воздействовать на органы, недоступные для обычных процедур, такие как нервная система. Путь воздействия также может влиять на характер распределения и, следовательно, на измерение биомаркеров и их интерпретацию. Например, прямое воздействие на мозг через обонятельный нерв, скорее всего, не будет обнаружено путем измерения биомаркеров воздействия. Что касается биомаркеров влияния, то многие из них вовсе не специфичны, и изменение может быть обусловлено самыми разными причинами, в том числе факторами образа жизни. Возможно, особенно в отношении биомаркеров восприимчивости, интерпретация в настоящее время должна быть очень осторожной, поскольку остается много неопределенностей в отношении общей значимости отдельных генотипов для здоровья.

В области гигиены труда идеальный биомаркер должен удовлетворять нескольким требованиям. Прежде всего, сбор и анализ проб должны быть простыми и надежными. Для оптимального аналитического качества необходима стандартизация, но конкретные требования значительно различаются. К основным областям, вызывающим озабоченность, относятся: подготовка человека, процедура отбора проб и обращение с пробами, а также процедура измерения; последний включает технические факторы, такие как процедуры калибровки и обеспечения качества, а также индивидуальные факторы, такие как образование и обучение операторов.

Для документирования аналитической достоверности и прослеживаемости эталонные материалы должны быть основаны на соответствующих матрицах и с соответствующими концентрациями токсичных веществ или соответствующих метаболитов на соответствующих уровнях. Чтобы биомаркеры можно было использовать для биологического мониторинга или в диагностических целях, ответственные лаборатории должны иметь хорошо документированные аналитические процедуры с определенными рабочими характеристиками и доступными записями, позволяющими проверить результаты. В то же время, тем не менее, необходимо учитывать экономические аспекты характеристики и использования эталонных материалов для дополнения процедур обеспечения качества в целом. Таким образом, достижимое качество результатов и способы их использования должны быть сбалансированы с дополнительными затратами на обеспечение качества, включая справочные материалы, рабочую силу и оборудование.

Еще одно требование состоит в том, что биомаркер должен быть специфичным, по крайней мере в условиях исследования, для определенного типа воздействия с четкой зависимостью от степени воздействия. В противном случае результат измерения биомаркера будет слишком сложно интерпретировать. Для правильной интерпретации результата измерения биомаркера воздействия должна быть известна диагностическая достоверность (т. е. перевод значения биомаркера в величину возможных рисков для здоровья). В этой области металлы служат парадигмой для исследования биомаркеров. Недавние исследования продемонстрировали сложность и тонкость взаимосвязей доза-реакция со значительными трудностями в определении уровней, не вызывающих воздействия, и, следовательно, также в определении переносимых воздействий. Тем не менее, такого рода исследования также продемонстрировали типы исследований и уточнения, которые необходимы для раскрытия соответствующей информации. Для большинства органических соединений количественные связи между воздействием и соответствующими неблагоприятными последствиями для здоровья пока недоступны; во многих случаях даже первичные органы-мишени точно не известны. Кроме того, оценка данных о токсичности и концентрации биомаркеров часто осложняется воздействием смесей веществ, а не воздействием одного соединения в данный момент времени.

Перед применением биомаркера в целях гигиены труда необходимо принять некоторые дополнительные меры. Во-первых, биомаркер должен отражать только субклинические и обратимые изменения. Во-вторых, учитывая, что результаты биомаркеров можно интерпретировать с точки зрения риска для здоровья, должны быть доступны профилактические меры, которые следует считать реалистичными в случае, если данные биомаркеров указывают на необходимость снижения воздействия. В-третьих, практическое использование биомаркера должно в целом рассматриваться как этически приемлемое.

Измерения промышленной гигиены можно сравнить с применимыми пределами воздействия. Точно так же результаты по биомаркерам воздействия или биомаркерам воздействия можно сравнивать с пределами биологического действия, иногда называемыми индексами биологического воздействия. Такие ограничения должны быть основаны на лучших советах клиницистов и ученых из соответствующих дисциплин, а ответственные администраторы в качестве «менеджеров риска» должны учитывать соответствующие этические, социальные, культурные и экономические факторы. Научная основа должна, по возможности, включать зависимости доза-реакция, дополненные информацией о вариациях восприимчивости в группе риска. В некоторых странах работники и представители общественности участвуют в процессе установления стандартов и вносят важный вклад, особенно когда научная неопределенность значительна. Одна из основных неопределенностей заключается в том, как определить неблагоприятное воздействие на здоровье, которое следует предотвратить, например, представляет ли образование аддукта в качестве биомаркера воздействия само по себе неблагоприятное воздействие (т. е. биомаркер воздействия), которое следует предотвратить. Трудные вопросы, вероятно, возникнут при принятии решения о том, является ли этически оправданным для одного и того же соединения разные пределы случайного воздействия, с одной стороны, и профессионального воздействия, с другой.

Информация, полученная при использовании биомаркеров, как правило, должна передаваться лицам, обследуемым в рамках отношений между врачом и пациентом. Этические проблемы должны быть особенно рассмотрены в связи с высоко экспериментальным анализом биомаркеров, который в настоящее время не может быть подробно интерпретирован с точки зрения реальных рисков для здоровья. Например, для населения в целом в настоящее время существует ограниченное руководство в отношении интерпретации биомаркеров воздействия, отличных от концентрации свинца в крови. Также важна уверенность в полученных данных (т.е. был ли сделан соответствующий отбор проб и использовались ли надежные процедуры обеспечения качества в задействованной лаборатории). Дополнительная область особого беспокойства связана с индивидуальной гиперчувствительностью. Эти вопросы необходимо учитывать при предоставлении обратной связи по результатам исследования.

Все слои общества, затронутые или заинтересованные в проведении исследования биомаркеров, должны быть вовлечены в процесс принятия решений о том, как обращаться с информацией, полученной в ходе исследования. Конкретные процедуры для предотвращения или преодоления неизбежных этических конфликтов должны быть разработаны в правовых и социальных рамках региона или страны. Однако каждая ситуация представляет собой отдельный набор вопросов и подводных камней, и невозможно разработать единую процедуру участия общественности, которая охватывала бы все области применения биомаркеров воздействия.

Назад