Мышьяк в воде
О губительном воздействии мышьяка на человека было известно по крайней мере со времен Римской империи. На протяжении веков он был популярным ядом, потому что его нельзя увидеть, понюхать или попробовать на вкус. Это затрудняло его обнаружение.
По мере совершенствования химических методов обнаружения, его использование в качестве яда сократилось. Однако мышьяк, химический элемент, встречающийся в природе, по-прежнему представляет угрозу для здоровья человека.
Регулярное и длительное его воздействие повышает риск хронических заболеваний, таких как рак, диабет и болезни сердца, для миллионов людей во всем мире.
Для людей загрязненная питьевая вода является основным источником воздействия неорганического мышьяка — той формы мышьяка, которая вызывает наибольшую озабоченность и является предметом исследований и контроля.
- Рис и другие продукты питания тоже могут содержать мышьяк, но они представляют гораздо меньший риск для здоровья населения.
- Морепродукты могут содержать другую форму мышьяка, которая связана с другими молекулами и не представляет серьезной опасности для здоровья человека.
Во всем мире около 140 миллионов человек регулярно употребляют воду с содержанием мышьяка, превышающим норму по стандартам Всемирной организации здравоохранения и Агентства по охране окружающей среды США.
Биолог Ребекка Фрай давно обеспокоена этой угрозой. В 2006 году исследователи, работавшие в Чили, сообщили, что у эмбрионов и маленьких детей, подвергавшихся воздействию загрязненной мышьяком воды, риск умереть от рака легких в шесть раз выше. Это произвело большое впечатление на Фрай, которая в то время была научным сотрудником Массачусетского технологического института. Она помогла провести исследование беременных женщин и их детей в бывшем шахтерском районе к югу от Бангкока, чтобы подробнее изучить влияние мышьяка на клетки и гены человека.
Проект в Таиланде вдохновил Фрай начать аналогичное исследование в Гомес-Паласио, Мексика. В 2008 она открыла свою лабораторию в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. Ее команда продолжает анализировать образцы, собранные у участников исследования, чтобы понять влияние мышьяка на развитие плода.
Сегодня Фрай разрабатывает стратегии по снижению воздействия мышьяка на человека в качестве директора исследовательской программы UNC Superfund Research Program — крупного проекта, финансируемого Национальными институтами здравоохранения. Проблема имеет как глобальное, так и внутреннее значение — например, жители сельских районов Северной Каролины могут неосознанно потреблять опасные концентрации мышьяка, если они берут воду из частных колодцев, как выяснила Фрай.
В беседе с журналом Knowable Фрай рассказала о последних открытиях и новых стратегиях по снижению угрозы мышьяка для здоровья человека. Эта беседа была отредактирована для большей ясности.
Насколько распространено воздействие мышьяка на человека?
Крупнейшее и наиболее концентрированное число пострадавших людей проживает в штате Западная Бенгалия, Индия, и в Бангладеш.
Ученые обнаружили, что почти 40 процентов образцов колодезной воды в Бангладеш содержат мышьяк в концентрации выше 50 ppb, а 5 процентов — выше 500 ppb, что значительно превышает стандарты ВОЗ и EPA. Я предполагаю, что ученые зачастую знают о большинстве районов с регулярным воздействием мышьяка выше 100 ppb, поскольку у многих пострадавших людей развиваются специфические поражения кожи. Но мы, вероятно, не знаем о многих районах с более низким уровнем мышьяка.
Вот пример: Миллионы американцев (почти 3 миллиона только в Северной Каролине) получают питьевую воду из частных колодцев. По оценкам Геологической службы США, примерно в 10 процентах из них уровень мышьяка превышает норму ВОЗ.
В Северной Каролине мы обнаружили 1 400 таких образцов с максимальным содержанием мышьяка 800 ppb.
Беспокойство вызывает то, что многие владельцы колодцев не знают, что их вода может содержать мышьяк. Тестирование и очистка воды — это их обязанность.
Как мышьяк попадает в питьевую воду?
Минералы в горных породах естественным образом выделяют мышьяк в почву в результате выветривания и эрозии. Из почвы он может раствориться в грунтовых водах. Эти геологические процессы являются основной причиной загрязнения питьевой воды в большинстве стран, включая Индию, Бангладеш и США. Деятельность человека, такая как добыча полезных ископаемых и производство геотермальной тепловой энергии, может ускорить высвобождение мышьяка.
Примером негеологического происхождения является угольная зола — побочный продукт сжигания угля, содержащий мышьяк и другие токсичные вещества.
Это стало предметом беспокойства для общины Северной Каролины, с которой мы работаем, но наш анализ показал, что мышьяк, обнаруженный в их колодцах, имеет геологическое происхождение.
Что происходит с мышьяком в организме человека?
В организме человека и других млекопитающих основным ферментом, преобразующим мышьяк в другие химические соединения, является арсенит-метилтрансфераза.
- Этот фермент работает в основном в печени и производит монометилированный и диметилированный мышьяк, который мы называем ММА и ДМА.
Оба этих продукта распада выводятся с мочой вместе с мышьяком, но каждый из них представляет разную опасность для здоровья. Моча большинства людей содержит больше ДМА, чем ММА. Точные пропорции зависят от демографических и генетических факторов.
В наших исследованиях мы измеряем содержание мышьяка в моче как индикатор недавнего воздействия. Содержание мышьяка в ногтях отражает хроническое воздействие. Мы оцениваем дородовое воздействие по моче матери, а также по пуповинной крови.
Как воздействие мышьяка влияет на здоровье человека?
Это зависит от пропорций этих продуктов распада.
- Люди с высоким уровнем ММА в моче имеют повышенный риск развития различных видов рака.
Эта взаимосвязь наиболее выражена для рака легких, мочевого пузыря и кожи. Однако люди с высоким уровнем ДМА в моче имеют более высокий риск развития диабета. Оценить величину риска сложно, поскольку каждое исследование отличается от другого. Например, оценки зависят от уровня мышьяка в питьевой воде того или иного региона и от того, как мышьяк перерабатывается в организме людей, принимавших участие в исследовании. Эти различные риски для здоровья показывают, что нам предстоит еще многое узнать о том, как мышьяк и продукты его распада влияют на различные клетки и ткани.
Поскольку мышьяк пересекает плаценту, здоровье плода является еще одной проблемой. В некоторых исследованиях сообщалось о вредном влиянии пренатального и детского воздействия на развитие мозга. В нашем исследовании, проведенном в Мексике, пренатальное воздействие мышьяка сопровождалось снижением веса при рождении. Из других исследований мы знаем, что это может повысить риск высокого кровяного давления, заболеваний почек и диабета в зрелом возрасте.
Риск для здоровья человека зависит как от воздействия мышьяка, так и от генетики. Ген, который кодирует основной фермент преобразования мышьяка, называется AS3MT. Он имеет несколько вариантов, которые делают фермент более или менее эффективным. Более быстрый процесс преобразования означает меньшее количество ММА и большее количество ДМА в моче.
Интересно, что вариации в гене AS3MT могут отражать воздействие мышьяка в прошлом в изолированных популяциях. В качестве примера можно привести коренных жителей небольшого региона аргентинских Анд. На протяжении тысячелетий они пили воду с очень высоким содержанием мышьяка. Обычно это означает повышенную заболеваемость раком и преждевременную смерть.
Но благодаря естественному отбору население приспособилось к жизни в этой среде с высоким содержанием мышьяка, и это восхищает. Особая комбинация вариантов гена AS3MT встречается почти у 60 процентов жительниц Анд, но гораздо реже у людей в других регионах мира. Эта комбинация, вероятно, объясняет значительную часть защиты от токсического воздействия мышьяка в этой популяции.
Что мы знаем о том, каким образом мышьяк вызывает заболевания?
Механизмы сложны и зависят от типа клеток и состояния здоровья. Общая особенность заключается в том, что мышьяк влияет на экспрессию генов.
При раке это может означать отключение генов, которые восстанавливают ДНК или обычно удерживают клетки от разрастания в опухоль. При диабете это может означать нарушение работы генов, которые контролируют выделение инсулина в поджелудочной железе или помогают другим клеткам реагировать на инсулин. Эти изменения происходят в результате так называемых эпигенетических механизмов, которые изменяют экспрессию генов без изменения самой последовательности ДНК.
Один из эпигенетических механизмов связан с микроРНК (миРНК). У людей имеется более 2 000 вариантов этих крошечных молекул. Каждая миРНК может контролировать формирование белков, кодируемых сотнями генов. Это означает, что в совокупности они оказывают огромное влияние. Исследования показали, что мышьяк может влиять на активность миРНК.
Другим эпигенетическим механизмом является метилирование ДНК. Мышьяк может влиять на присоединение метильных групп к определенным последовательностям ДНК. Это также может снизить или предотвратить экспрессию генов.
Интересным примером является ген KCNQ1. Обычно в клетках экспрессируются копии генов, которые мы наследуем от обоих родителей. Но KCNQ1 — один из нескольких сотен генов, в некоторых тканях которых может экспрессироваться только одна родительская копия — материнская или отцовская. Другая выключена метилированием либо на ранних стадиях развития, либо еще до зачатия.
В нашем исследовании, проведенном в Мексике, пренатальное воздействие мышьяка было связано с большим метилированием KCNQ1 и снижением экспрессии гена. Поскольку KCNQ1 важен для эмбрионального развития, это может помочь объяснить, почему мышьяк сопровождается снижением веса при рождении. Этот же ген также влияет на секрецию инсулина в поджелудочной железе. Таким образом, снижение экспрессии гена может способствовать повышению уровня глюкозы в крови.
Возможность очень раннего метилирования KCNQ1 в нашем исследовании на людях побудила нас изучить влияние воздействия мышьяка на мышей до зачатия. Мы с моим коллегой Миреком Стибло обнаружили, что воздействие мышьяка на обоих родителей до зачатия вызывает ранние признаки диабета у потомства мужского пола. Если это относится и к людям, то период воздействия мышьяка будет охватывать период до беременности. Это будет иметь огромные последствия для общественного здравоохранения.
Что можно сделать, чтобы уменьшить опасность?
В рамках нашей исследовательской программы Superfund мы изучаем очистку воды, питание и генетические вмешательства.
Мы обнаружили, что недорогие водоочистительные кувшины со встроенным фильтром снижают уровень мышьяка в воде из частных колодцев в общинах Северной Каролины, с которыми мы работаем. Однако кувшины медленно обрабатывают большие объемы воды. Инженер-эколог Орландо Коронелл и его коллеги разрабатывают системы для домашних хозяйств, которые будут по-прежнему доступны для малообеспеченных слоев населения. Они могут быть встроены в смесители или установлены под раковинами.
Геолог Оуэн Дакворт и его команда изучают, как глубина колодца влияет на уровень мышьяка. Это может привести к разработке новых рекомендаций по строительству колодцев для снижения воздействия мышьяка на человека.
Факторы питания могут защитить людей от воздействия. Например, клиническое исследование 2006 года в Бангладеш показало, что применение добавок фолиевой кислоты снижает токсичность мышьяка у взрослых, в рационе которых не хватает этого ключевого питательного вещества. Микробиом кишечника тоже может сыграть свою роль. Мы знаем, что микробы в кишечнике мыши помогают преобразовать почти весь мышьяк в ДМА. Больше ДМА означает более низкий риск развития рака, поэтому микробы полезны с этой точки зрения. Кун Лу и его команда сейчас изучают, могут ли пищевые добавки помочь микробам кишечника человека снизить токсичность мышьяка.
Для генетических исследований у нас есть новый великолепный инструмент, разработанный Миреком Стибло и Беверли Коллер. В течение многих лет было неясно, что результаты исследований на мышах могут означать для человека, поскольку мыши очень эффективно расщепляют мышьяк и в их моче почти всегда присутствует ДМА и нет ММА. Стибло и Коллер вывели новый вид мышей, которые несут человеческий ген AS3MT вместо мышиной версии. Таким образом, пропорции ММА и ДМА в моче мышей почти идентичны человеческим.
Правин Сетупати (Praveen Sethupathy) и его коллеги изучают влияние миРНК. Например, одна миРНК под влиянием мышьяка может влиять на экспрессию KCNQ1 и других генов, связанных с диабетом. Другая миРНК может способствовать преобразованию мышьяка, контролируя экспрессию гена AS3MT.
Генетическая технология снижения токсичности мышьяка, безусловно, сложнее и дороже, чем фильтры для воды или пищевые добавки. Но врачи уже тестируют миРНК-терапию для лечения рака. Мы надеемся, что использование различных стратегий в конечном итоге поможет нам найти решения для борьбы с воздействием мышьяка в Северной Каролине, Мексике и во всем мире.
