Взаимосвязь микрочастиц пластика с факторами риска развития сердечно-сосудистых заболеваний

В начале XXI века во всем мире сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) сохраняют за собой лидирующее место в развитии инвалидизации и фатальных осложнений среди взрослых лиц. В современном обществе человек постоянно сталкивается с пластиком, он использует и применяет его везде, и, в итоге, его частицы проникают в сердечно-сосудистую систему и другие органы. Вопросы первичной профилактики являются приоритетным направлением в снижении заболеваемости ССЗ [1][2]. Множество модифицируемых факторов риска (ФР) развития ССЗ условно делятся на три группы: социально-поведенческие, биологические и факторы окружающей среды. Последняя группа включает все факторы, загрязняющие воздух, почву и воду [1]. Наряду с классическими ФР (артериальная гипертензия, сахарный диабет, ожирение, гиперлипидемия, стресс и курение), факторы, загрязняющие окружающую среду, приобретают актуальность в развитии ССЗ и других хронических неинфекционных заболеваний [2].

Недавнее исследование оценило вклад длительного воздействия загрязнителей воздуха — частицы PM2,5, CO (монооксид углерода, угарный газ) и NO₂ (диоксид азота) — на патогенез окклюзионного заболевания периферических артерий [3]. Загрязнение окружающей среды мелкими твердыми частицами повышает риск заболевания ССЗ и смерти от них [4-6]. Вопрос влияния микрочастиц пластика на развитие ССЗ — достаточно новое направление в экспериментальной и практической медицине.

Пластиковые изделия широко применяются в разных отраслях, включая здравоохранение, строительство, авиацию, логистику, производство одеж-ды и т.п. Рост использования пластика можно объяснить его низкой стоимостью, легким весом, коррозионной стойкостью и высокими термическими свойствами. Наиболее распространенными пластиками в окружающей среде являются: поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат и полистирол [7].

В настоящее время 40% всего производимого пластика представляет собой одноразовый пластик. Мировое производство пластика удвоилось с 2000 по 2019гг до 460 млн тонн, по прогнозу экспертов производство пластика к 2060г может утроиться. Около 6,1 млн тонн пластиковых отходов сбрасывается в водную среду, из них предположительно ~1,7 млн тонн уже попали в океаны [8]. К 2030г в водные экосистемы попадет 20-53 млн тонн пластиковых выбросов в год [9].

Почва также представляет собой огромный резервуар накопленных микрочастиц пластика. Осадки сточных вод являются одним из источников микрочастиц пластика в почве. В последние годы во всем мире были обнаружены переносимые по воздуху микрочастицы пластика с концентрацией от 0,01/м³ (западная часть Тихого океана) [10] до 5650/м³ (Пекин, Китай) [11]. Переносимые по воздуху микрочастицы пластика появляются в основном в результате процессов фрагментации и разложения текстиля, тогда как не волокнистые частицы преимущественно возникают в результате разложения упаковочных материалов. После попадания в окружающую среду пластиковые отходы разлагаются на мелкие фрагменты под воздействием ультрафиолетового излучения, окисления, биоразложения, дезинтеграции и механической эрозии, в конечном итоге это приводит к образованию микро- и наночастиц [12]. Микрочастицы пластика представляют собой небольшие частицы искусственного полимера (<5 мм), которые не являются конечными продуктами пластиковых отходов, поскольку они разлагаются до нанопластиковых частиц (<1000 нм) [13].

Поскольку использование пластмасс проникает в различные сегменты пищевой цепи, случаи воздействия на потребителей микрочастиц пластика значительно участились. Микрочастицы пластика попадают в пищевую цепь человека в основном через зараженные продукты питания [14]. Недавние исследования сообщают о большом количестве микрочастиц пластика в наземных пищевых цепях, включая куриные желудки (5,1 частиц/г), куриные фекалии (105 частиц/г) [15] и фекалии овец (1000 частиц/г) [16]. Кроме того, присутствие микрочастиц пластика зафиксировано в воде, меде, пиве, морепродуктах и сахаре [17]. В целом, микро- и наночастицы пластика обладают потенциалом всасываться в живой организм на различных этапах пищевой цепи, циркулировать и накапливаться, следовательно, они могут оказывать неблагоприятное воздействие на систему кровообращения.

Экспериментальные исследования по влиянию микрочастиц пластика на сердечно-сосудистую систему

Доступные в литературе исследования in vitro и in vivo, свидетельствуют о потенциальной опасности микро- и наночастиц пластика для сердечно-сосудистой системы [5].

Биоаккумуляция поступивших с пищей микро- и наночастиц пластика в системе кровообращения была обнаружена у мидий, рыбок данио и мышей, например, в сосудах, сердце, почках и других богатых кровью органах [18]. Помимо рыб, передача микро- и наночастиц пластика через систему кровообращения в сердце отмечена у грызунов. Например, пероральное воздействие на крыс линии Вистар наночастиц (0,5 мкм) в течение 90 дней приводило к их обнаружению в клетках миокарда в дозах 5 и 50 мг/л [19].

Воздействие микро- и наночастиц пластика вызывает тахикардию или брадикардию [20][21]. Например, частота сердечных сокращений (ЧСС) снижалась дозозависимым образом, когда рыбки данио подвергались воздействию PS-NP (polystyrene nanoparticles) (34,5±10,8 нм; 0,1-10 мг/л). Брадикардия наблюдалась у потомства рыбок данио в группах материнских и родительских групп, которым вводили наночастицы (30,67±8,97 нм; 1 мг/г массы тела) [22]. И наоборот, как наночастицы (70 нм; 10-1000 мкг/л), так и микрочастицы (50 мкм; 10-1000 мкг/л) повышали ЧСС у личинок золотых рыбок при высоких концентрациях после 3-х дней воздействия (100 мкг/л для наночастиц, 1000 мкг/л для микрочастиц) [23].

В исследованиях на рыбках данио было показано, что микро- и наночастицы пластика вызывают отек перикарда, один из наиболее распространенных индикаторов общей сердечно-сосудистой токсичности. Bhagat J, et al. наблюдали значительный отек перикарда у личинок рыбок данио после водного воздействия наночастиц (50 нм; 1 мг/л) [24]. Когда эмбрионам рыбок данио вводили наночастицы (20±3,2 нм; 0,0318 мкг/животное), помимо увеличения ЧСС и скорости кровотока, у них также развивался отек перикарда [25].

Микро- и наночастицы могут вызывать повреждение кардиомиоцитов, неразрывно связанное с окислительным стрессом, воспалением, апоптозом и пироптозом. В целом, ученые утверждают, что токсикологические результаты зависят от свойств (типа, размера, поверхности и структуры) микро- и наночастиц, дозы и продолжительности воздействия, жизненного этапа, пола и вида тестируемых организмов [5][26].

Токсичность микрочастиц пластика для сердечно-сосудистой системы человека

Основными местами контакта с микро- и наночастицами пластика являются пищеварительная и дыхательная системы организма. Частицы, проникая через клеточные мембраны, сами интернализируются (оказываются внутри клетки), что в итоге может оказывать системную токсичность. Продукты разложения пластика могут сыграть значимую роль в развитии бронхиальной астмы, новообразований, когнитивных нарушений, интерстициальных заболеваний легких и преждевременных родов [7].

Микрочастицы пластика могут вызывать дисфункцию эндотелиальных клеток, нарушая функцию митохондрий и повышая продукцию провоспалительных цитокинов, тем самым ускоряя апоптоз. Кроме того, микрочастицы пластика индуцируют образование атеросклеротических бляшек и сосудис-тые воспалительные реакции in vivo [5].

В недавней работе изучили взаимодействие между низкими уровнями микро- и наночастиц пластика и эндотелиальными клетками пупочной вены человека (HUVEC) в качестве модели сосудистых эндотелиальных клеток. В этом исследовании не было обнаружено никаких заметных изменений в воспалении, аутофагии, уровнях активных форм кислорода, высвобождении лактатдегидрогеназы или экспрессии молекул адгезии при концентрациях частиц пластика в диапазоне от 5 до 25 мкг/мл. Однако жизнеспособность клеток снижалась при их чрезвычайно высокой концентрации (100 мкг/мл) [25]. Другие исследователи выявили, что наночастицы пластика цитотоксичны для HUVEC, о чем свидетельствует снижение жизнеспособности этих клеток; кроме того, они увеличивают генерацию активных форм кислорода, что вызывает окислительный стресс, снижают мембранный потенциал митохондрий, нарушают регуляцию их динамики и экспрессию функциональных генов, что является прямым доказательством потенциального риска наночастиц пластика [26].

Было продемонстрировано, что более мелкие наночастицы пластика (100 нм) приводят к повреждению клеточных мембран, образованию аутофагосом и блокировке аутофагического потока (сбор, транспортировка и деградация нежелательного или поврежденного материала в лизосомальной системе) в HUVEC. Это исследование дало новое представление о потенциальном влиянии наночастиц на эндотелиальные клетки сосудов человека, что является решающим вкладом при оценке риска присутствия наночастиц пластика в сосудистой системе [27].

Для изучения неблагоприятного воздействия микрочастиц на сердце человека in vitro была использована трехмерная модель сердечного органоида, полученная из плюрипотентных стволовых клеток человека. Микрочастицы пластика усиливали воспалительную реакцию, окислительный стресс, накопление коллагена и апоптоз, что было связано с повышенной экспрессией сердечных специфичных маркеров: MYL2, MYL4 (myosin light chain 2 и 4) и CX43 (connexin 43) в сердечном органоиде [28].

Микрочастицы пластика вызывают окислительный стресс за счет снижения экспрессии антиоксидантов в сосудистых эндотелиальных клетках человека линии EA.hy926. Их воздействие приводило к дисфункции сосудистого барьера и увеличению цитотоксичности, что свидетельствует о потенциальных рисках токсичности микрочастиц для системы кровообращения человека [29].

Серия исследований продемонстрировала, что агрегация и распределение микро- и наночастиц пластика в крови связаны с воспалительными и иммунными реакциями множества клеток, таких как моноциты, лейкоциты, эритроциты и эндотелиальные клетки в организме человека [30][31].

Florance I, et al. сообщают, что наночастицы вызывают накопление липидных капель и острый митохондриальный окислительный стресс у людей. Липидные капли доставляются и накапливаются в лизосомах, что приводит к нарушению лизосомального клиренса. Авторы предполагают, что воздействие наночастиц является мощным стимулом для нарушения регуляции метаболизма липидов и дифференцировки макрофагов в пенистые клетки, что является характерной особенностью, наблюдаемой при атеросклерозе [32].

Микропластик и нанопластик при атеромах и ССЗ

Прямых доказательств о влиянии микропластика и нанопластика на ССЗ при проведении исследований на людях до недавнего времени существовало. Результаты первого исследования, проведенного под руководством Marfella R (Неаполь, Италия), были опубликованы в The New England Journal of Medicine 7 марта 2024г [33]. Это проспективное многоцентровое исследование с участием пациентов, перенесших каротидную эндартерэктомию по поводу бессимптомного заболевания сонных артерий. Всего в исследование было включено 304 пациента, из них 257 завершили исследование. Средний период наблюдения составил 33,7±6,9 мес. Вырезанные образцы каротидных бляшек анализировали на наличие микро- и наночастиц с использованием пиролизной газовой хроматографии-масс-спектрометрии, анализа стабильных изотопов и электронной микроскопии. Биомаркеры воспаления оценивали с помощью иммуноферментного и иммуногистохимического анализов. Первичной конечной точкой была совокупность инфаркта миокарда, инсульта или смерти по любой причине среди пациентов.

Полиэтилен был обнаружен в бляшках сонной артерии у 150 (58,4%) пациентов при среднем уровне 21,7±24,5 мкг/мг биообразца бляшки. У 31 (12,1%) пациента также наблюдалось измеримое количество поливинилхлорида со средним уровнем 5,2±2,4 мкг/мг биообразца бляшки. Электронная микроскопия выявила видимые инородные частицы с зазубренными краями среди макрофагов бляшек и рассеянные во внешних остатках. Рентгенографическое исследование показало, что некоторые из этих частиц содержали хлор. Микро- и наночастицы вызывали заметное усиление воспалительной реакции в бляшках, которая включала повышение уровней фактора некроза опухоли альфа (TNF-альфа), интерлейкина (ИЛ)-6, ИЛ-18, ИЛ-1-β, CD3 и CD68. Кроме того, в бляшках пациентов с частицами пластика было заметно более низкое содержание коллагена, что, вероятно, отражает их провоспалительное воздействие.

Пациенты, у которых микро- и наночастицы были обнаружены внутри атеромы, имели более высокий риск развития первичного конечного события, чем те, у которых эти вещества не были обнаружены — HR (hazard ratio, отношение рисков) 4,53; 95% доверительный интервал: 2,00-10,27; р<0,001).

Микро- и наночастицы и провоспалительная реакция были связаны с 4,5-кратным увеличением основных событий в течение 34 мес. наблюдения, что подтвердилось регрессионным анализом и с поправкой на неизмеренные искажающие факторы. Исходный диабет (30% у лиц без выявления пластиковых частиц, 24% у лиц с их выявлением в атеросклеротической бляшке) был связан с 4,8-кратным риском развития первичной конечной точки, но никакие другие особенности не были значимо связаны с первичной конечной точкой.

Предыдущие исследования обнаруживали микропластик и в других тканях, включая легкие, толстую кишку и плаценту [5]. Cогласно результатам этого исследования, микро- и наночастицы пластика обнаружены и в стенках сонных артерий.

Перспективы исследований о вкладе частиц пластика в развитие ССЗ

Частицы пластика попадают в организм преимущественно при проглатывании. Особенно вредно использовать пластиковые контейнеры для разогрева пищи в микроволновой печи, поскольку при нагревании пластика в пищу попадают его частицы. Пластик зачастую уже содержится в самой пище, особенно в морепродуктах: пластмассы сбрасываются в океан, они разлагаются и подбираются рыбами. Если употребляется рыба, находящаяся на вершине пищевой цепи, например, тунец, устрицы или мидии, риск проглатывания микропластика увеличивается.

Необходимо подчеркнуть, что существуют значительные пробелы в знаниях о неблагоприятном воздействии микро- и наночастиц на сердечно-сосудистую систему человека из-за ограниченных прямых данных и клинических исследований.

Будущие исследования сердечно-сосудистой токсичности пластиковых частиц должны тщательно учитывать ряд факторов для различных исследовательских целей, включая размер частиц, дозу воздействия, продолжительность воздействия, модификацию поверхности, структуру частиц и т.д. Это могло бы приблизить результаты на один шаг к экологической реальности и улучшить их экстраполяцию на человека. Между тем, следует оценить риски для здоровья, связанные с переносимыми по воздуху микро- и наночастицами, особенно сердечно-сосудистую токсичность при их ингаляционном воздействии. Более того, будущие исследователи должны быть более внимательны к ранним показателям сердечно-сосудистой токсичности. Также требуется изучение связи между окислительным стрессом и воспалительной реакцией, вызванной микро- и наночастицами пластика, и аритмией, коронарным атеросклерозом, инфарктом миокарда и другими ССЗ.

Заключение

Микрочастицы пластика обнаружены во всех компонентах природы, включая водные пространства, почву, атмосферу. Экспериментальные данные подчеркнули связь между потенциально высоким воздействием микро- и наночастиц пластиков аномальной скоростью кровотока, снижением сердечного выброса, изменением частоты сердечных сокращений, фиброзом миокарда и эндотелиальной дисфункцией. Пластиковые частицы могут проникать в клетки и действовать на митохондриальном уровне. Они вызывают хроническое воспаление, которое является основой причиной развития атеросклероза. Результаты первого проспективного клинического исследования свидетельствуют, что у лиц с каротидным атеросклерозом, в атероме которых были обнаружены микропластик и нанопластик, имели в 4,5 раза более высокий риск смертельных и несмертельных сосудистых осложнений по сравнению с лицами с атеромой без наличия пластиковых частиц.

В дальнейшем требуется проведение серии клинических исследований для выявления вклада пластиковых частиц на сердечно-сосудистую систему организма человека. Необходимо изучать их токсичность, возможные пути элиминации и степень накопления. Очевидно, что можно рассматривать пластиковые частицы, загрязняющие окружающую среду как новый ФР ССЗ. Пластик, во многом облегчает нашу жизнь. Похоже, что цена, которую мы платим — это сокращение нашей жизни.

Отношения и деятельность: все авторы заявляют об отсутствии потенциального конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.