Мониторинг антропотоксинов в обитаемых гермообъектах

4.4. Комбинированное действие и модели прогноза

Реальная атмосфера гермообъекта — это смесь десятков веществ. Даже если каждое из них по отдельности не превышает ПДК, их суммарный эффект может быть значимым. В токсикологии различают несколько типов комбинированного действия: аддитивное (суммация), синергическое (сверхсуммация), антагонистическое и независимое. Для антропотоксинов наиболее вероятны аддитивное и синергическое взаимодействия, поскольку многие из них действуют на одни и те же мишени — мембраны, дыхательную цепь митохондрий, антиоксидантные системы.

Математические модели комбинированного действия (например, подход на основе концепции «общей мембраны» или модели Quantitative Structure-Activity Relationships — QSAR) находятся в стадии разработки [27]. Перспективным видится создание интегральных показателей токсической нагрузки, основанных на суммировании отношений Ci/ПДКi для всех компонентов смеси с учётом весовых коэффициентов, отражающих тип взаимодействия.

ГЛАВА 5. НОРМИРОВАНИЕ АНТРОПОТОКСИНОВ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Данная глава является центральной в монографии. В ней мы детально сопоставим три системы регламентов — российские санитарные ПДК, американские SMACs и временные ПДК из [4].

5.1. Российская система гигиенических регламентов

В Российской Федерации основным документом, регламентирующим качество воздуха в герметичных обитаемых объектах космического назначения, является ГОСТ Р 50804—95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования» [2]. Он устанавливает перечень контролируемых веществ и их ПДК для условий длительного (до 1 года) пребывания. Однако перечень этот ограничен примерно 20—30 соединениями, и для многих антропотоксинов значения либо отсутствуют, либо взяты из нормативов для атмосферного воздуха (ГН 2.1.6.1983—05 и ГН 2.1.6.1338—03) [20].

Такой перенос некорректен. ПДК для атмосферного воздуха населённых мест устанавливаются из расчёта пожизненного вдыхания, но с возможностью периодического пребывания вне зоны загрязнения. В гермообъекте же воздействие непрерывно.

5.2. Стандарты NASA (SMACs)

Американское космическое агентство подходит к нормированию более системно. Для каждого идентифицированного в атмосфере космического аппарата вещества разрабатываются Spacecraft Maximum Allowable Concentrations (SMACs), опубликованные в приложении B стандарта NASA-STD-3001, Volume 2 [19].

SMAC дифференцированы по срокам воздействия: 1 час, 24 часа, 7 суток, 30 суток, 180 суток и (для некоторых веществ) 1000 суток. При установлении SMAC учитывают три основные группы эффектов: нейротоксичность и когнитивные нарушения, раздражающее действие на слизистые, системную токсичность (поражение печени, почек, кроветворной системы). Выбирается наиболее чувствительная конечная точка, и к ней применяются коэффициенты запаса (обычно от 3 до 10 для внутривидовой и межиндивидуальной вариабельности).

Процесс разработки SMAC детально документирован, и каждая цифра подкреплена списком рецензированных токсикологических публикаций, что выгодно отличает эту систему от российской практики, где обоснование часто остаётся в ведомственных отчётах, не доступных широкому кругу специалистов.

5.3. Временные ПДК из гермокамерных испытаний [4]

Работа [4] выделяется среди прочих попыткой сформулировать временные ПДК именно по данным прямого эксперимента в гермокамере. Цифры приведены в тезисах и воспроизведены в главе 2:

CO: 15 мг/м³

Ацетон: 50 мг/м³

Аммиак: 5 мг/м³

Фенолы: 0,3 мг/м³

Аминосоединения: 1 мг/м³

Алифатические углеводороды: 300 мг/м³

5.4. Последовательный критический разбор

Рассмотрим каждую позицию в сравнении с SMAC (7-суточные) и российскими ПДКр. з. (максимальные разовые).

Оксид углерода (CO): В [4] — 15 мг/м³. SMAC (7-сут) — 15 мг/м³ (при фоне CO₂ до 1%). ПДКр. з. — 20 мг/м³. Здесь наблюдается практически полное совпадение. Однако авторы [4] не конкретизируют, при каком фоновом уровне CO₂ действует их ПДК.

Ацетон: В [4] — 50 мг/м³. SMAC (7-сут) — 240 мг/м³. ПДКр. з. — 200 мг/м³. Расхождение в 4—5 раз. Наиболее правдоподобное объяснение: авторы [4] ориентировались на эффекты при экстраполяции многомесячной экспозиции, тогда как SMAC рассчитан на 7 суток с последующим восстановлением. Однако в тексте [4] это нигде не аргументировано.

Аммиак: В [4] — 5 мг/м³. SMAC (7-сут) — порядка 10 мг/м³. ПДКр. з. — 20 мг/м³. Умеренное расхождение, объяснимое различным выбором конечных точек (раздражение слизистых vs системная токсичность).

Фенолы: В [4] — 0,3 мг/м³. SMAC — 0,6 мг/м³. ПДКр. з. — 1 мг/м³. Российские пределы для фенолов традиционно жёстче, что отражает оценку отдалённых рисков.

Аминосоединения (диметиламин): В [4] — 1 мг/м³ (на группу). SMAC для диметиламина — 0,5 мг/м³ (24 ч). ОБУВ РФ — 1 мг/м³. Проблема в том, что групповая ПДК без учёта аддитивности не вполне обоснована.

Алифатические углеводороды: В [4] — 300 мг/м³ (без уточнения фракции). SMAC NASA не содержит группового норматива; для гексана — 201 мг/м³ (7-сут). ПДКр. з. для гексана — 300/60 мг/м³. При этом концепция TVOC для замкнутых сред устанавливает ориентир 10—25 мг/м³ [21]. Прямое сравнение с TVOC затруднено, так как TVOC включает ароматические и кислородсодержащие соединения, но даже для «чисто алифатической» фракции 300

мг/м³ представляется завышенной величиной на фоне международных подходов.

5.5. Общие недостатки временных ПДК

Обобщая, можно выделить общие недостатки предложенных в [4] величин:

Отсутствие указания временного интервала осреднения;

Отсутствие условий по фоновому CO₂;

Групповые ПДК для аминосоединений и углеводородов без обоснования аддитивности;

Отсутствие опубликованных расчётов коэффициентов запаса и ссылок на токсикометрические эксперименты.

Тем не менее, эти ПДК представляют собой ценный отправной пункт, демонстрирующий саму возможность экспериментального обоснования нормативов для замкнутых сред. Задача следующих этапов — устранить выявленные недостатки, повысив прозрачность и доказательность.

ГЛАВА 6. БИОМОНИТОРИНГ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

6.1. Цитохимические маркёры: опыт применения

Как уже упоминалось, цитохимический мониторинг, впервые реализованный в [4], основан на анализе метаболизма клеток иммунной системы — лейкоцитов. Достоинства метода — простота, малая инвазивность (достаточно капли крови), интегральность (реакция на весь комплекс токсикантов). Однако количественная связь «концентрация антропотоксинов — цитохимический ответ» исследована слабо. Имеются лишь единичные корреляции [16], не позволяющие строить полноценные прогностические модели. Кроме того, на цитохимические индексы влияют неспецифические факторы — стресс (повышает активность фосфатаз), физическая нагрузка (меняет содержание гликогена), циркадные ритмы (колебания гормонального фона меняют ферментный статус) [17].

6.2. Метаболомика выдыхаемого воздуха и мочи

В последнее десятилетие бурно развивается метаболомика — измерение сотен низкомолекулярных соединений в биологических жидкостях и выдыхаемом воздухе [22, 23]. Технологии ГХ-МС и ЖХ-МС позволяют одномоментно регистрировать до 500—1000 метаболитов. Анализ выдыхаемого воздуха особенно перспективен для мониторинга антропотоксинов, поскольку он неинвазивен, допускает многократный повтор в течение суток и даёт информацию о метаболизме в реальном времени.

Например, соотношение «ацетон / изопрен» в выдохе коррелирует с уровнем окислительного стресса: при повышении концентрации активных форм кислорода в тканях продукция изопрена возрастает, а ацетона — снижается за счёт перестройки липидного обмена. Таким образом, метаболомный профиль может указывать на ранние стадии токсического поражения клеточных мембран до появления клинических симптомов.

6.3. Протеомика и транскриптомика

Изменения в экспрессии белков и генов — ещё более чувствительный индикатор химического стресса. Белки теплового шока (HSP70) вырабатываются клетками в ответ на любое повреждение, включая ксенобиотическую нагрузку. Повышение уровня цитокинов (IL-6, IL-1β, TNF-α) в крови или слюне свидетельствует о развитии системной воспалительной реакции, которая может быть вызвана длительным воздействием антропотоксинов [24]. Транскриптомный анализ (RNA-seq) позволяет зафиксировать изменение активности тысяч генов, выявляя специфические сигнальные пути, активируемые тем или иным классом токсикантов.

6.4. Генотоксические тесты

Метод «комет» (single cell gel electrophoresis) даёт возможность оценить степень разрывов ДНК в отдельных клетках. Эксперименты на МКС показали, что уровень окислительного повреждения ДНК в лимфоцитах космонавтов повышается пропорционально длительности полёта [25]. Часть этого эффекта может быть связана с хроническим воздействием малых доз антропотоксинов, хотя основной вклад, вероятно, вносит радиация.

6.5. Интегральная оценка и персонализированный подход

Сведение множества биомаркёров в интегральный индекс химического стресса — задача будущего. Предполагается, что такой индекс будет вычисляться на основе панели из 10—15 наиболее информативных показателей (цитокины, HSP, соотношения метаболитов в выдохе, разрывы ДНК) с учётом индивидуального базового уровня каждого члена экипажа. Это позволит перейти от единых для всех ПДК к персонализированным критериям безопасности, что особенно важно для малочисленных экипажей дальних миссий.

Количественная связь между метаболомными профилями и уровнями конкретных антропотоксинов в перспективе позволит заменить жёсткие групповые ПДК индивидуально адаптированными биомаркёрами нагрузки, открывая путь к персонализированному мониторингу химической безопасности экипажей.

ГЛАВА 7. СИСТЕМНЫЕ ПРОБЕЛЫ И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

7.1. Гармонизация международных требований

Отсутствие единой методологии нормирования — главный тормоз прогресса. Необходим международный консенсус по следующим пунктам:

Единые токсикологические конечные точки (что защищаем — когнитивные функции, иммунитет, геном?).

Единые коэффициенты запаса (какую долю популяции считаем защищённой — 95%, 99%?).

Согласованные временные интервалы осреднения (24 ч, 7 сут, 30 сут, 180 сут).

Учёт фонового CO₂ при нормировании CO.

Работы в этом направлении ведутся под эгидой Международной рабочей группы по космической медицине, но формальный документ пока не принят [26].

7.2. Учёт комбинированного действия

Необходимо разработать и валидировать математические модели, позволяющие по известному составу смеси предсказывать интегральный токсический ответ. Наиболее перспективны модели на основе концепции аддитивной токсичности для веществ, действующих на общие мишени, в сочетании с токсикодинамическими уравнениями, описывающими их взаимодействие [27]. Для калибровки таких моделей требуются целенаправленные токсикологические эксперименты in vitro на клеточных культурах человека.

7.3. Методическая прозрачность экспериментов

Для превращения временных ПДК в легитимные регламенты необходима публикация полных протоколов испытаний, включая объём выборки, аналитические характеристики методов, статистические процедуры. Желателен переход к практике pre-registration — регистрации протокола эксперимента до его начала, что предотвращает «подгонку» результатов под желаемые выводы.

7.4. Валидация биомаркёров

Требуются масштабные мультицентровые исследования, в которых параллельно регистрируются химический состав среды и панель из нескольких десятков биомаркёров. Критерием успеха должна быть прогностическая способность: чувствительность> 80%, специфичность> 80% для обнаружения неблагоприятных эффектов на ранней стадии.

7.5. Мультисенсорные системы непрерывного контроля

Идеальная система мониторинга будущего представляет собой замкнутый контур: газоанализаторы и биосенсоры в реальном времени передают данные в бортовой компьютер, который, используя математическую модель, прогнозирует развитие ситуации и даёт рекомендации по включению тех или иных фильтров или изменению режима вентиляции [28]. Первые шаги в этом направлении делаются уже сейчас: приборы типа AQM и «РаПорт» способны выдавать данные непрерывно, а биосенсоры на основе клеточных культур (органоиды, микрофлюидные чипы) проходят лабораторные испытания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мониторинг антропотоксинов в герметичных обитаемых объектах прошёл долгий путь от эмпирических наблюдений за «спёртым воздухом» до высокотехнологичных систем непрерывного контроля на Международной космической станции. Сегодня можно утверждать, что технологическая зрелость измерений достигнута: мы способны идентифицировать и количественно определять десятки летучих метаболитов в реальном времени с чувствительностью до долей ppm. Однако нормативная база, определяющая допустимые уровни этих веществ, явно отстаёт от инструментальных возможностей.

Временные ПДК, предложенные по итогам гермокамерных испытаний [4], являются ценной попыткой восполнить этот пробел. Проведённое нами сопоставление с системой SMAC NASA и российскими санитарными регламентами показало, что по ряду веществ (CO, аммиак) значения близки, по другим (ацетон, фенолы) — существенно расходятся, причём российские временные нормы, как правило, строже американских. Причины расхождений кроются в различиях методологии: опора на кумулятивные эффекты и консервативный расчёт коэффициентов запаса в отечественной школе versus ориентация на острые и подострые эффекты в системе SMAC. Вместе с тем, выявлены и очевидные слабые места предложенных ПДК: отсутствие временной дифференциации, игнорирование модифицирующей роли CO₂, неоправданное укрупнение групп веществ без учёта аддитивности.

Будущее видится в интеграции трёх направлений: химического мониторинга, биомониторинга и математического моделирования. Химический мониторинг будет обеспечивать полноту и непрерывность информации о составе среды. Биомониторинг — с использованием метаболомных, протеомных и генотоксических маркёров — позволит оценивать реальный физиологический эффект этого состава, причём на индивидуальном уровне. Математические модели комбинированного действия свяжут первые две компоненты в единую прогностическую систему. В перспективе 10—15 лет такая интеграция позволит отказаться от жёстких групповых ПДК в пользу гибких персонализированных индексов химической безопасности.

Авторы надеются, что настоящая монография будет способствовать активизации исследований в этом направлении и окажется полезной как для теоретиков, так и для практиков, решающих конкретные задачи обеспечения безопасности людей в экстремальных условиях обитания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Кустов В. В., Тиунов Л. А. Токсикология продуктов жизнедеятельности и их значение в формировании искусственной атмосферы герметизированных помещений. Проблемы космической биологии. Т. 9. — М.: Наука, 1969. — 183 с. [2] Гусев О. А., Наумов А. В., Иванов К. П. Санитарно-химический контроль воздушной среды обитаемых гермообъектов. — М.: Наука, 2008. — 256 с.

[3] James J.T. Spacecraft Airborne Toxicity // Encyclopedia of Toxicology. 3rd ed. — Academic Press, 2014. — P. 289—292. DOI: 10.1016/B978-0-12-386454-3.00055—5

[4] Столяров С. Б., Замана С. П., Вершинин В. В., Нилиповский В. И., Федоровский Т. Г., Соколов С. А., Столяров Б. С., Корнеева Е. А. Monitoring of Anthropotoxins in Atmosphere of Artificial Objects // Abstracts of AIRMON 2011: 7th International Symposium on Modern Principles of Air Monitoring and Biomonitoring. — Loen, Norway, 2011. — P. 102.

[5] Johnston R.S., Dietlein L.F. (eds.) Biomedical Results of Skylab. NASA SP-377. — Washington, DC: NASA, 1977. — P. 157—165.

[6] Perry J.L., Peterson B.V. Cabin Air Quality Dynamics on Board the International Space Station // SAE Technical Paper 2003-01-2650. — 2003. DOI: 10.4271/2003-01-2650

[7] Grigoriev A.I., Svetaylo E.N., Egorov A.D. Medical support of the European Antarctic station Concordia during the wintering over // J. Gravit. Physiol. — 2004. — Vol. 11, №2. — P. 223—224.

[8] Fenske J.D., Paulson S.E. Human breath emissions of VOCs // J. Air Waste Manag. Assoc. — 1999. — Vol. 49, №5. — P. 594—598.

[9] Wisthaler A., Weschler C.J. Reactions of ozone with human skin: new insights from in vivo measurements // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2010. — Vol. 107, №15. — P. 6568—6573.

[10] Novikova N., De Boever P., Poddubko S. et al. Survey of environmental biocontamination on board the International Space Station // Res. Microbiol. — 2006. — Vol. 157, №1. — P. 5—12.

[11] Venkateswaran K., Vaishampayan P., Cisneros J. et al. International Space Station environmental microbiome — microbial inventories of ISS filter debris // Microbiome. — 2014. — Vol. 2, Art. 50. DOI: 10.1186/s40168-014-0050-1

[12] Спасский Д. С., Мухамедиева Л. Н., Николаевский Л. В. и др. Гигиеническое нормирование летучих продуктов жизнедеятельности человека в герметичных помещениях // Гигиена и санитария. — 2016. — Т. 95, №9. — С. 897—902.

[13] Wallace M.A., Gazda D.B., Limero T.F. et al. Operational monitoring of the ISS atmosphere by the Air Quality Monitor // 45th Int. Conf. on Environmental Systems. ICES-2015-156. — 2015.

[14] Манцветов А. А., Шувалов И. В., Иванов А. В. и др. Применение рамановского спектрометра «РаПорт» для оперативного контроля химических загрязнений воздуха гермообъектов // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2019. — Т. 53, №1. — С. 64—70.

[15] Иванова С. М., Лукичева Т. А. Цитохимические показатели лейкоцитов как критерий адаптации к условиям космического полёта // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2001. — Т. 35, №4. — С. 28—32.

[16] Моруков Б. В., Рыкова М. П., Антропова Е. Н. и др. Состояние системы гемостаза и иммунитета у испытателей в эксперименте со 105-суточной изоляцией // Авиакосмическая и экологическая медицина. — 2011. — Т. 45, №5. — С. 18—25. [17] Pedersen B.K., Hoffman-Goetz L. Exercise and the immune system: regulation, integration, and adaptation // Physiol. Rev. — 2000. — Vol. 80, №3. — P. 1055—1081.

[18] Basner M., Dinges D.F., Mollicone D.J. et al. Psychological and behavioral changes during confinement in a 520-day simulated interplanetary mission to Mars // PLoS ONE. — 2014. — Vol. 9, №3, e93298.

[19] NASA. Spaceflight Human-System Standard. Volume 2: Human Factors, Habitability, and Environmental Health. NASA-STD-3001, Vol. 2, Rev. B. — Washington, DC: NASA, 2019. Appendix B.

[20] ГН 2.1.6.1983—05. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест. — М., 2005 (с изменениями).

[21] Indoor air quality: organic pollutants. Report on a WHO meeting. EURO Reports and Studies 111. — Copenhagen: WHO Regional Office for Europe, 1989.

[22] Filipiak W., Sponring A., Filipiak A. et al. TD-GC-MS analysis of volatile metabolites of human lung cancer cell lines and their enzyme inhibition // Cancer Epidemiol. Biomarkers Prev. — 2010. — Vol. 19, №1. — P. 182—195.

[23] Tzoulaki I., Ebbels T.M.D., Valdes A. et al. Design and analysis of metabolomics studies in epidemiologic research: a primer on -omic technologies // Am. J. Epidemiol. — 2014. — Vol. 180, №2. — P. 129—139. [24] Crucian B.E., Cubbage M.L., Sams C.F. Altered cytokine production by specific leukocytes during spaceflight // J. Interferon Cytokine Res. — 2000. — Vol. 20, №10. — P. 47—53.

[25] Ohnishi T., Takahashi A., Nagamatsu A. et al. Detection of space radiation-induced DNA damage in the cultured human cells and mice // Biol. Sci. Space. — 2009. — Vol. 23, №3. — P. 143—151.

[26] James J.T., Limero T.F., Beck S.W. et al. Spacecraft maximum allowable concentrations for airborne contaminants // Toxicology Letters. — 2004. — Vol. 149, №1—3. — P. 389—394.

[27] Mumtaz M.M., Durkin P.R., Hertzberg R.C. A weight-of-evidence approach for the assessment of chemical mixtures // Toxicology and Industrial Health. — 1999. — Vol. 15, №3—4. — P. 361—374.

[28] Pamies D., Hartung T. 21st century cell-based toxicology for the 21st century // ALTEX. — 2017. — Vol. 34, №2. — P. 183—200.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Вещество ПДК [4], мг/м³ SMAC NASA, 7 сут, мг/м³ [19] ПДКр. з. РФ, макс. раз., мг/м³ [20]

Оксид углерода (CO) 15 15 20

Ацетон 50 240 200

Аммиак 5 7 20

Фенолы 0,3 0,6 1

Аминосоединения 1 — 1 (ОБУВ)

Алифатические УВ 300 201 (гексан) 300/60 (гексан)

ГЛАВА 8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ АНТРОПОТОКСИНОВ

Математическое моделирование является неотъемлемым инструментом современной токсикологии замкнутых сред. Если экспериментальные измерения дают дискретный срез концентраций в конкретных точках времени, то модель позволяет восстановить непрерывную картину, предсказать развитие ситуации на дни и недели вперёд и, что особенно важно, оценить последствия изменений в работе систем жизнеобеспечения без проведения дорогостоящих и рискованных натурных испытаний. В настоящей главе мы последовательно рассмотрим принципы построения моделей накопления антропотоксинов, проанализируем влияние ключевых параметров — числа членов экипажа, объёма герметичного помещения и характеристик фильтров — и представим результаты численных симуляций для миссий различной длительности.