Исследования Морской станции Хопкинса при Стэнфордском университете выявили вещество в нефти, ответственное за кардиотоксичность, наблюдаемую у рыб, подвергшихся воздействию разливов сырой нефти. Загрязнитель, обнаруженный этой командой, представляет собой не только опасность для морской жизни, подверженную воздействию нефти, но и изобилие загрязнения воздуха, которое может представлять глобальную угрозу для здоровья человека.
Загрязняющее вещество в центре этого открытия, фенантрен, является типом полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Из-за широкого использования нефти ПАУ также обнаруживаются в наземных ливневых стоках, загрязненной почве с заброшенных промышленных объектов и в загрязнении воздуха. ПАУ изучались как химические вещества, вызывающие рак, в течение почти ста лет, но другим потенциальным последствиям для здоровья уделялось гораздо меньше внимания. В частности, экологические риски для здоровья, связанные с фенантреном, получили второстепенное внимание по сравнению с другими ПАУ, более активно участвующими в развитии рака.
Тщательно изолируя клетки сердца от тунцов, морских олимпийцев, и используя методы электрофизиологической и конфокальной микроскопии, мы зафиксировали ионные токи и обнаружили, где именно фенантрен блокирует путь сопряжения возбуждения-сокращения сердца, который является связующим звеном между включение-выключение, или возбуждение, и сокращение, которое приводит в действие каждое сердцебиение», - сказала Барбара Блок, профессор морских наук. Блок был старшим автором статьи, опубликованной 31 января в журнале Scientific Reports.
Широкий потенциал разрушения сердца
Эксперименты, описанные в статье, дают прямые доказательства того, как фенантрен воздействует на сердце, показывая, как он вызывает нерегулярное сердцебиение (аритмию) и более слабые сокращения сердечных клеток. Аналогичные результаты были обнаружены в клетках сердца всех трех протестированных видов: голубого и желтоперого тунца и скумбрии. На клеточном уровне эти спортивные рыбы с замечательной аэробной уравновешенностью похожи на высших позвоночных, к которым относятся млекопитающие и птицы. Это говорит о том, что кардиотоксиканты могут воздействовать и на сердце высших позвоночных, поскольку у всех этих животных есть сходные методы регуляции активации сердечных клеток.
«Механизм, который изменяет сердечную функцию у рыб и белок, на который нацелен фенантрен, - ионный канал, ответственный за перемещение калия из клетки, - также присутствует у людей», - сказал Фабьен Бретт, научный сотрудник Стэнфордского университета. время исследования и соавтор текущей статьи.«То, что мы измерили на сердечных клетках рыб, может произойти на сердечных клетках человека, и это может означать риск внезапной смерти».
Загрязнение воздуха в городах, насыщенное ПАУ, вызывает сердечные расстройства. Текущее исследование указывает пальцем на фенантрен, который может попасть в кровоток через дыхательные пути, такие как дыхание.
Exxon Valdez и Deepwater Horizon
На текущие тенденции в этой области повлияли исследования, проведенные после катастрофы Exxon Valdez в 1989 году. Танкер сел на мель в проливе Принца Уильяма на Аляске и разлил почти 11 миллионов галлонов сырой нефти в нетронутой экосистеме. В свете свидетельств того, что дикая рыба, подвергшаяся воздействию этого разлива нефти, проявляла аномалии развития, ученые начали более внимательно изучать ПАУ. Эти химические вещества были связаны с рядом сердечных дефектов у горбуши и тихоокеанской сельди, видов, которые нерестились в загрязненных нефтью прибрежных местообитаниях после разлива.
«Исходя из результатов оценки Exxon Valdez и последующих лабораторных исследований с использованием экспериментальной модели рыбок данио, мы выдвинули гипотезу о том, что путь возбудимости клеток сердца является ключевой фармакологической мишенью для ПАУ в сырой нефти», - сказал Нат Шольц., руководитель программы экотоксикологии рыболовства NOAA в Северо-западном научном центре рыболовства и соавтор этого исследования. «Однако это оставалось предположением более десяти лет, поскольку у нас не было необходимого опыта и оборудования на нашем предприятии, чтобы проверить это напрямую».
В 2010 году авария на платформе Deepwater Horizon привела к одному из крупнейших разливов нефти в истории: весной в Мексиканский залив попало 4 миллиона баррелей сырой нефти, когда нерестились несколько видов рыб, включая атлантического голубого тунца. После этого разлива Стэнфорд опубликовал исследование, опубликованное в журнале Science, показывающее, что сырая нефть нарушила путь сопряжения возбуждения и сокращения сердца у тунцов, в частности, блокируя критический канал ионов калия.
Теперь, используя три различных подхода к электрофизиологии сердца на нескольких видах близкородственных рыб, как в предсердных, так и в желудочковых клетках, те же исследователи предоставили прямые доказательства того, что фенантрена достаточно, чтобы нарушить нормальный ритм и циклическое сокращение изолированных клетки сердца.
Как происходит повреждение
Голубые тунцы способны к трансокеанским путешествиям, а атлантические виды вырастают до огромных размеров, превышая 1400 фунтов. Их сложно изучать, так как лишь немногие успешно содержатся в неволе.
На протяжении более 20 лет исследователи из Стэнфорда держат голубого и желтоперого тунца в сотрудничестве с Аквариумом залива Монтерей в уникальном объекте под названием Центр исследования и сохранения тунца. Здесь тунцы плавают в закрытых аквариумах и дают возможность проводить физиологические исследования.
Каждый удар сердца зависит от тонкого выбора времени открытия и закрытия ионных каналов, чтобы отрегулировать сердечный ритм. После того, как отдельные клетки сердца были выделены из тунцов, исследователи использовали конфокальную микроскопию и методику фиксации сердечных ионов на объектах Стэнфордского университета на морской станции Хопкинса, чтобы проверить, как различные ПАУ влияют на силу и ритм. сокращений клеток. Исследователи показали, что фенантрен нарушает связь сердечного возбуждения, процесс, связывающий возбудимость с мышечным сокращением, на трех ключевых уровнях.
Используя конфокальную микроскопию, исследователи измерили изменения содержания ионов кальция в отдельных живых мышечных клетках как показатель силы сокращения. Электрофизиология с зажимом пластыря также выявила поток ионов через каналы, которые контролируют нормальный темп и ритм сердцебиения рыбы.
После воздействия фенантрена движение ионов кальция в клетки сердца и из них было нарушено и уменьшено. Это воздействие также привело к нарушениям в двух основных ионных потоках, в том числе к значительному нарушению оттока ионов калия наружу, что согласуется с ранними экспериментами с использованием цельной и химически сложной сырой нефти.
Важно отметить, что эксперименты продемонстрировали, что воздействие низких концентраций отдельных ПАУ, обычно встречающихся в общей смеси ПАУ в сырой нефти, указывает на то, что трехкольцевые бензольные ПАУ (фенантрен) оказывают отчетливое физиологическое воздействие. Они сильнее нарушают физиологию сердечной клетки по сравнению с ПАУ, состоящими из двух и четырех колец.
Неблагоприятные изменения в функции тепловых мышечных клеток проявляются в течение нескольких секунд, что указывает на то, что воздействие фенантрена вызывает немедленное нарушение и является более чем хронической проблемой.
«В краткосрочной перспективе сердечная дисфункция у этих рыб может повлиять на действительно требовательные к метаболизму действия, такие как плавание, размножение или поиск пищи. В долгосрочной перспективе, если у вас нарушена функция сердца, это может привести к летальному исходу», - сказала Холли Шилс., адъюнкт-профессор биологических наук Манчестерского университета и соавтор этого исследования.
От рыбы к человеку
Необходимы дальнейшие исследования пагубного воздействия фенантрена, которые могут привести к существенному улучшению наших возможностей по оказанию помощи рыбам, пострадавшим от разливов нефти и других случаев воздействия ПАУ. Сюда могут входить новые инструменты для обнаружения этого кардиотоксичного химического вещества и новые подходы к оценке воздействия разливов нефти на рыбу и других диких животных.
Исследователи также предполагают, что атмосферный фенантрен заслуживает большего внимания из-за его возможного воздействия на сердечно-сосудистую систему людей.
«Эта статья показывает, что фенантрен обладает свойствами многих лекарств, которые вызывают нарушения сердечного ритма как серьезные и потенциально опасные для жизни побочные эффекты», - сказал Джон Инкардона, биолог-эволюционист из Программы экотоксикологии рыболовства NOAA в Сиэтле. «Это означает, что люди в урбанизированных районах с высокой плотностью движения потенциально дышат чем-то, что обладает теми же свойствами».
Лучшее понимание связи между фенантреном и здоровьем человека потенциально может привести к пониманию того, какие аспекты сжигания ископаемого топлива являются наиболее вредными, и, следовательно, к новым возможностям снижения этого вреда, таким как выбор сырой нефти, которая выделяют меньше фенантрена.