Дэвид Майер Бернштейн1,
консультант по токсикологии (Швейцария),
Джон Энтони Хоскинс,
член Королевского общества химии (FRSC),
обладатель сертификата в области химии,
независимый токсиколог (Великобритания)
Воздействие хризотил-асбеста на здоровье:
современный взгляд, основанный
на новейших научных данных
Реферат
В настоящем обзоре дается кинетическое и патологическое обоснование различий между хризотилом и амфиболами. Серпентин хризотил – это листовой силикат с тонкими стенками, тогда как амфиболы являются силикатами с двойной цепочкой. Данные химические различия ведут к тому, что хризотил выводится из легких очень быстро (Т1/2 = 0,3 – 11 дней), в то время как амфиболы – одни из самых медленно выводимых волокон, известных на сегодняшний день (Т1/2 = от 500 дней до ∞). В диапазоне растворимости минеральных волокон хризотил находится на растворимом краю шкалы. Токсикологические исследования хронической ингаляционной экспозиции к хризотилу на животных были, к сожалению, проведены с использованием очень высоких доз экспозиции, что привело к перегрузке легких. В этой связи их релевантность
к экспозициям человека чрезвычайно ограничена. Хризотил вследствие субхронической ингаляции при средней экспозиции, равной 76 вол./см3 при L > 20 мкм (всего 3413 вол./см3), не привел к развитию фиброза (балл 1,8-2,6 по Вагнеру) в какой-либо момент времени, и различия с контролем в BrdU ответе, биохимических и клеточных параметрах обнаружены не были. Наблюдалось разрушение длинных волокон хризотила на мелкие частицы и короткие волокна. С токсикологической точки зрения хризотил, который быстро разрушается в лёгких, ведет себя, скорее, как неволокнистая минеральная пыль, тогда как ответ на асбест амфиболовой группы отражает его нерастворимую волокнистую структуру. В новейших количественных обзорах эпидемиологических исследований минеральных волокон была установлена способность хризотила и амфиболового асбеста вызывать развитие рака легкого и мезотелиомы в зависимости от типа волокна и также были дифференцированы эти два минерала. На основании последних анализов, экспериментальных токсикологических исследований хронической экспозиции был сделан вывод о том, что именно длинные и тонкие волокна обладают наибольшей канцерогенной опасностью. Однако одной из основных трудностей в интерпретации этих исследований является то, что в начальных оценках экспозиции редко проводилось различие между хризотиловыми и амфиболовыми волокнами. Как и в случае с другими респирабельными пылями, высоким уровням профессиональной экспозиции к которым подвергались и подвергаются люди, доказано: высокоуровневая продолжительная экспозиция к хризотилу может вызвать развитие рака легкого. Значимость настоящего и других подобных исследований в том, что они показывают: низкие уровни экспозиции к беспримесному хризотилу не представляют обнаруживаемого риска для здоровья. Хотя общая доза со временем определяет вероятность возникновения и развития болезни, они также предполагают, что риск неблагоприятного исхода может быть низким, если высокие уровни экспозиции были краткосрочными.
Ключевые слова: хризотил, серпентин, амфиболы, асбест, биоперсистенция, канцерогенность, эпидемиология, волокно.
1. Введение
Хризотил-асбест, наряду с другими разновидностями асбеста, часто включают в оценки и классификации. Сам по себе асбест – это не минерал. Это слово является собирательным термином, обозначающим группу минералов, кристаллы которых имеют волокнистые формы. Термин «асбест» был принят исключительно в целях торговой идентификации.
Шесть минералов, обычно называемых асбестом, подразделяются на две группы, известные как серпентины (хризотил, белый асбест) и амфиболы (амозит, бурый асбест; крокидолит, голубой асбест; антофиллит, тремолит и актинолит). Хотя все они являются силикатными минералами, эти две группы различаются по своими химическим и минералогическим характеристикам. Их минералогические структуры удивительно отличны, что приводит к существенным различиям усвоения их лёгкими вследствие ингаляционной экспозиции. В настоящее время ведется добыча только одного минерала – хризотила, или белого асбеста. Этот серпентин всегда был основным торговым сортом асбеста.
В настоящем обзоре представлены систематический анализ и оценка имеющихся минералогических, токсикологических и эпидемиологических данных тех исследований, в которых подразделяются хризотил-асбест и волокна амфиболовой группы.
2. Минералогия и химическое строение
хризотила и амфиболов
По своему химическому строению все виды асбеста являются силикатами, но в плане минералогии и кристаллографии серпентины и амфиболы существенно различаются (Deer et al., 1966).
2.1. Хризотил
Хризотил – это листовой силикат, в котором из-за различия диаметров ионов магния и кремния листы скручиваются в трубки, в отличие от амфиболов, имеющих ленточное строение (рис. 1А).
(d)
Когда волокна хризотила разделяются на составные части, что происходит в процессе обогащения, прочего измельчения или же простого увлажнения, структура хризотилового волокна разрушается с образованием отдельных единичных фибрилл.
Внешняя поверхность фибриллы хризотила – это брусит, минерал на основе магния. Hargreaves and Taylor (1946) сообщили, что при обработке волокнистого хризотила разбавленной кислотой можно полностью устранить окись магния. Гидратированный кремнезем, который остается, хоть и волокнистый по форме, полностью теряет эластичные свойства изначального хризотила и имеет структуру «аморфного» или «стекловидного» типа. Wypych et al. (2005) недавно изучили, что происходит с волокнами природного хризотила при их выщелачивании кислотой в контролируемых условиях. Авторы сообщают, что выщелоченные продукты состояли из слоистого гидратированного кремнезема с «деформированной» структурой, напоминающей силикатный слой исходных минералов. Экстенсивные методы характеристики подтвердили удаление бруситоподобных листов и наличие оставшегося кремнезема с весьма аморфной структурой.
Удаление магния из слоя брусита под воздействием кислоты ослабляет фибриллы хризотила и постепенно нарушает их размерную стабильность. Чувствительность хризотила к кислотному растворению особенно важна в лёгких, где макрофаги способны образовывать среду с рН ~ 4,5 (рис. 1В). Волокна хризотила, которые выводятся из лёгких и заглатываются, будут незамедлительно атакованы соляной кислотой желудка, которая поддерживает кислотность этого органа на уровне ниже рН=2.
2.2. Амфиболы
Химическое строение амфиболовых волокон намного сложнее; идеализированные химические формулы пяти амфиболов представлены далее. Хотя их структуры одинаковы, различия в химическом составе являются прямым следствием того, что силикатный каркас может вмещать смесь различных ионов (определяемых вмещающей породой) в пространстве между силикатными лентами, формирующими волокна (Speil and Leineweber, 1969).
Крокидолит – Na2Fe32+Fe23+) Si8O22(OH)2
Амозит – (Fe2+, Mg)7Si8O22(OH)2
Тремолит – Ca2Mg5Si8O22(OH)2
Антофиллит – Mg, Fe2+)7Si8O22(OH)2
Актинолит – Ca2(Mg, Fe2+)5Si8O22(OH)2
Внешняя поверхность кристаллической структуры амфиболов подобна кварцу и обладает химической стойкостью кварца. Эта структура показана на примере тремолита на рисунках 2 А и В.
Каждое из голубых волокон на рисунке 2А представляет собой двойную цепочку из четырехгранных силикатных структур. В случае с тремолитом, оранжевые сферы представляют собой катионы магния и кальция, которые эффективно «склеивают» две цепочки волокна. Связь между цепочками волокна слабая, и волокно, как правило, ломается вдоль этих поверхностей, как показано на рисунке 2В. На нем продемонстрировано, что силикаты с двойной цепочкой могут разламываться на фрагменты волокнистой формы. В лёгком слабые связи, удерживающие вместе отдельные волокна, быстро рвутся, однако сами амфиболовые волокна не растворяются ни в нейтральной, ни в кислой среде.
2.3. Токсикология ин витро
Токсикологические исследования, проведенные ин витро (в пробирке), часто очень полезны для выяснения возможных механизмов патогенеза. Однако при использовании в оценке токсикологии волокон их очень сложно интерпретировать. И причин тому несколько. Система анализа ин витро – это статичная система, не чувствительная к различиям в растворимости волокон. Высокие дозы волокон используются для получения положительного ответа, и сложно экстраполировать эти высокие краткосрочные клеточные экспозиции на низкоуровневые хронические экспозиции, имеющие место ин виво. К тому же число волокон и их распределение по размеру часто не оценивается количественно. Но важнее всего то, что эти исходы не были доказаны как скрининговые пробы, которые прогнозируют долгосрочные патологические эффекты ин виво. Хотя анализы ин витро могут быть полезными инструментами идентификации и оценки возможных механизмов, в отношении волокон эти системы тестов ин витро имеют ограниченное использование в дифференцировании типов волокон (ILSI, 2005).
2.4. Биоперсистенция
Последние публикации продемонстрировали связь биоперсистенции синтетических минеральных волокон с хронической ингаляционной токсичностью и хроническим ответом на внутрибрюшинное введение у крыс (Bernstein et al., 2001a, b). По сути, если длинные волокна, которые макрофаги не могут полностью поглотить, быстро растворяются или разрушаются и исчезают из лёгких, они не вызывают канцерогенного эффекта. В 1997 году эта концепция была включена в Директиву Европейской комиссии по искусственным минеральным волокнам (European Commission, 1997).
Показано, что хризотил быстро выводится из лёгких экспериментальных животных после его вдыхания (Bernstein et al., 2003a,b, 2004, 2005a,b). К тому же исследование лёгких рабочих, подвергающихся экспозиции преимущественно к хризотилу, показывает его низкое содержание в сравнении с амфиболами (Albin et al., 1994), даже если примесь амфиболовых волокон была ничтожна (Rowlands et al., 1982).
Поскольку хризотил является природным добываемым волокном, неудивительно, что имеются некоторые различия в биоперсистенции волокон хризотила, которые зависят от его происхождения и товарного сорта. Однако в диапазоне растворимости минеральных волокон хризотил находится на растворимом краю шкалы и варьируется от наименее биоперсистентного волокна до волокна с биоперсистенцией в диапазоне стекловаты и каменной ваты. Оно обладает меньшей биоперсистенцией, чем протестированные керамические волокна и стекловолокна специального назначения (Hesterberg et al., 1998a), и значительно меньшей, чем волокна амфиболовой группы.
2.4.1. Биоперсистенция структуры волокна
Уникальность волокна в сравнении со всеми респирабельными частицами заключается в том, что аэродинамический диаметр волокон преимущественно связан с диаметром волокна, помноженным на три. В этой связи длинные и тонкие волокна могут проникать глубоко в лёгкие, эффективно избегая фильтрации, которой подвергаются все неволокнистые частицы. В лёгких волокна, которые могут быть полностью поглощены макрофагом, подлежат клиренсу, подобно любой другой частице. Однако те волокна, которые вследствие своей длины не могут быть поглощены макрофагом, не могут быть удалены таким путём.
Волокна короче 5 мкм незначительно отличаются от неволокнистых частиц, а потому кинетика и механизм их выведения аналогичен изоморфным частицам. Хотя длинные волокна могут также эффективно выводиться из лёгких в случае, если макрофаг сможет их полностью фагоцитировать, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) в своих схемах подсчета волокон использует длину волокна, равную 5 мкм.
В последних обзорах волокон этой длины сделан вывод о том, что короткие волокна представляют очень незначительный риск или полное отсутствие риска для здоровья человека (ATSDR, 2003).
Волокна длиной от 5 до 20 мкм представляют собой переходный диапазон между волокнами, которые выводятся, подобно частицам, и длинными волокнами, которые не поддаются полному фагоцитозу макрофагами. Максимальная длина волокон, поддающаяся полному фагоцитозу в лёгких крыс, варьирует от 15 мкм (Miller, 2000) до 20 мкм (Luoto et al., 1995; Morimoto et al., 1994; Zeidler-Erdely et al., 2006). Значение в 20 мкм использовалось в экспериментальных исследованиях на животных в качестве показателя для волокон, которые не поддаются полному фагоцитозу и выведению макрофагами.
Моделирование растворения синтетических стекловолокон в лёгких с использование методов растворения ин витро и ингаляционной биоперсистенции показало, что лёгкое обладает очень большой буферностью жидкости (Mattson, 1994). Для того, чтобы обеспечить ту же скорость растворения синтетических стекловидных волокон, что и в лёгких, необходима эквивалентная скорость потока ин витро до 1 мл/мин. Такая высокая скорость потока жидкости в лёгких приводит к растворению наиболее растворимых волокон.
Для стандартизации оценки биоперсистенции волокон рабочей группой Еврокомиссии был составлен протокол, включающий в себя 5-дневную ингаляционную экспозицию с последующим исследованием лёгких с определенной периодичностью на протяжении 1 года после экспозиции (Bernstein and Riego-Sintes, 1999). Для минеральных волокон период полувыведения волокон длиннее 20 мкм варьируется от нескольких дней до 100 дней и более (табл. 1).
Таблица 1
Сравнение периодов полувыведения волокон длиннее 20 мкм
и волокон длиной 5-20 мкм для хризотила,
синтетических стекловолокон и амфиболов
Волокно
|
Тип
|
Период полувыведения Т1/2, дни
|
Источник
|
Волокна длиной > 20 мкм
|
Волокна длиной 5-20 мкм
|
Хризотил Калидрия
|
Серпентин
|
0,3
|
7
|
Bernstein et al. (2005b)
|
Бразильский хризотил
|
Серпентин
|
1,3
|
2,4
|
Bernstein et al. (2004)
|
Волокно В (В0,19)
|
Экспериментальная стекловата
|
2,4
|
11
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно А
|
Стекловата
|
3,5
|
16
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно С
|
Стекловата
|
4,1
|
15
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно G
|
Каменная вата
|
5,4
|
23
|
Bernstein et al. (1996)
|
Искусственные стекловолокна (высокотемпературные) MMVF34 (HT)
|
Каменная вата
|
6
|
25а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF22
|
Шлаковая вата
|
8,1
|
77
|
Bernstein et al. (1996)
|
Окончание табл. 1
Волокно
|
Тип
|
Период полувыведения Т1/2, дни
|
Источник
|
Волокна длиной > 20 мкм
|
Волокна длиной 5-20 мкм
|
Волокно F
|
Каменная вата
|
8,5
|
28
|
Bernstein et al. (1996)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF11
|
Стекловата
|
8,7
|
42
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно J (X607)
|
Силикат кальция
и магния
|
9,8
|
24
|
Bernstein et al. (1996)
|
Канадский хризотил
(текстильный сорт)
|
Серпентин
|
11,4
|
29,7
|
Bernstein et al. (2005а)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF11
|
Стекловата
|
13
|
32
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно Н
|
Каменная вата
|
13
|
27
|
Bernstein et al. (1996)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF10
|
Стекловата
|
39
|
80
|
Bernstein et al. (1996)
|
Волокно L
|
Каменная вата
|
45
|
57
|
Bernstein et al. (1996)
|
Искусственные стекловолокна MMVF21
|
Каменная вата
|
46
|
99
|
Bernstein et al. (1996)
|
Искусственные стекловолокна MMVF33
|
Стекло специального назначения
|
49
|
72а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Огнеупорные керамические волокна RCF1a
|
Огнеупорная
керамика
|
55
|
59а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF21
|
Каменная вата
|
67
|
70а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Искусственные
стекловолокна MMVF32
|
Стекло специального назначения
|
79
|
59а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Амозит
|
Асбест
амфиболовый
|
418
|
900а
|
Hesterberg et al. (1998a)
|
Крокидолит
|
Асбест
амфиболовый
|
536
|
262
|
Bernstein et al. (1996)
|
Тремолит
|
Асбест
амфиболовый
|
∞
|
∞
|
Bernstein et al. (2005b)
|
а Т½ для волокон длиной 5-20 мкм не был указан в публикации Hesterberg et al. (1998a); представленные значения были рассчитаны Дэвидом Бернштейном на основе исходных данных.
Волокно хризотила – это физически очень тонкий скрученный лист. Он более хрупок, чем силикатные двойные цепочки амфиболов, и может ломаться. Бруситовый (Mg2+) слой растворяется в воде и лёгочной жидкости, а оставшуюся структуру атакует кислая среда макрофага. Нарушение поверхности хризотила может привести к потере структурной целостности волокна и его разрушению.
В ранних исследованиях было показано, что хризотил выводится с меньшей скоростью (например, Coin et al., 1992; Kauffer et al., 1987). В исследовании Coin et al. (1992) специалистами Национального Института гигиены и безопасности труда хризотил для анализа был взят из хризотилосодержащего материала под названием Plastibest-20, и это был хризотил, используемый в пластиковой промышленности. Образец был измельчен трижды с использованием «ураганного пульверизатора» – коммерческого устройства, разработанного для измельчения материала сталью. В исследованиях Coin et al. концентрация экспозиции составляла 10 мг/м3. Хоть это и не указано в публикациях, но из-за экстенсивного измельчения образца Plastibest-20 можно было ожидать наличие намного большего числа коротких волокон. Как представлено далее, в исследованиях хронической экспозиции при концентрации в 10 мг/м3, эта экспозиция соответствует критериям, представленным Oberdörster (2002) для перегрузки лёгких. В исследовании Kauffer et al. (1987) сообщается об использовании единой массовой концентрации 5 мг/м3 хризотила без указания числа волокон или их распределения по длине в аэрозоли экспозиции. В данном исследовании аэрозоль вырабатывали с помощью флюидизированного генератора, который в основном продуцирует аэрозоли из коротких/легких частиц, в связи с чем возможно, что в аэрозоли было одинаково высокое число общей пыли/волокон. Авторы сообщают, что этот «уровень был достаточно высоким для получения клеточного ответа в жидкостях бронхоальвеолярного лаважа, а последующий анализ волокон в лёгких с целью установления их распределения по диаметру и размеру в разные отрезки времени после экспозиции свидетельствует о том, что в лёгких волокна могут прогрессивно делиться на отдельные фибриллы, их содержание может возрастать». Тот факт, что макрофаги, являющиеся медиаторами клиренса, не могут удалить короткие волокна, также свидетельствует о том, что в этом исследовании имела место «перегрузка лёгких». Кроме исследований биоперсистенции, указанных выше, не было проведено ни одного исследования по изучению клиренса лёгких в случае экспозиции к хризотилу в готовых изделиях при концентрациях, даже в несколько раз больше тех, что обычно содержатся в воздухе рабочей зоны.
2.5. Токсикологические исследования
хронической ингаляционной экспозиции
Несмотря на то, что было проведено много токсикологических исследований хронической ингаляционной экспозиции к различным волокнам, от амфиболов до растворимых стекловолокон и органических волокон, проблемами их формы и последующей интерпретации часто являются распределение волокон по размеру, а также отношение числа длинных волокон к числу коротких волокон и неволокнистых частиц, содержащихся в аэрозоли экспозиции. Общепризнано, что высокие концентрации нерастворимых вредных пылей подавляют механизмы лёгочного клиренса, вызывают воспаление и образование опухолей у крыс, т.е. феномены, совокупность которых называют перегрузкой лёгких (Bolton et al., 1983; Muhle et al., 1988; Morrow, 1988; Oberdörster, 1995).
В таблице 2 представлены величины экспозиции и данные лёгочных нагрузок на основании ряда токсикологических исследований хронической ингаляционной экспозиции к синтетическим стекловолокнам, серпентину и амфиболовым типам асбеста, проведенных с использованием одинаковых протоколов. Экспозиции к асбесту в этих исследованиях использовались как положительные контроли, однако можно увидеть, что очень сложно сравнить экспозицию к хризотилу и даже к крокидолиту с экспозицией к синтетическим стекловолокнам на основе сопоставления числа волокон. Величина экспозиции к хризотилу и, как следствие, лёгочная нагрузка были настолько высокими, что, судя по содержанию коротких волокон, обязательно имел место эффект перегрузки лёгкого. Было бы намного лучше и полезнее, если бы в этих исследованиях концентрации экспозиции и распределения волокон по размеру для положительных контролей и синтетических стекловолокон были сопоставимы.
Таблица 2
|
