Postępujące industrializacja i urbanizacja wiążą się ze znacznym zanieczyszczeniem środowiska naturalnego. Zanieczyszczenia te mogą znajdować się w dużym stężeniu np. w produktach spożywczych. Jedną z grup zanieczyszczeń są metale ciężkie, wśród których wyróżnia się zarówno metale niezbędne do funkcjonowania ludzkiego organizmu, np. miedź i cynk , jak również metale silnie toksyczne, m.in. kadm, rtęć i ołów. Postęp analityki chemicznej obserwowany w ostatnich dziesięcioleciach sprawił, że obecnie tradycyjne instrumentalne metody badania zanieczyszczenia środowiska są często zastępowane metodami wykorzystującymi wskaźniki biologiczne i „stają się jednym z filarów nowoczesnego monitoringu środowiskowego”.
(…) Jednym z coraz częściej wykorzystywanych pasywnych indykatorów ekspozycji organizmu ludzkiego na zanieczyszczenie środowiska są włosy. Analiza składu chemicznego włosów stała się popularna dziki możliwości wykrywania w nich m.in. śladowych ilości substancji narkotycznych. Wraz z rozwojem metod badawczych i powstaniem niezwykle czułych urządzeń diagnostycznych zaczęto analizować skład pierwiastkowy włosów, co z kolei umożliwiło ocenę wpływu otoczenia na daną osobę. Analiza włosów ma wiele zalet. Pobieranie próbek może być prowadzone w warunkach naturalnych, bez konieczności zachowania antyseptyczności. Kolejną zaletą jest długi okres stabilności włosów. W warunkach normalnych włosy nie ulegają destrukcji.
Włosy to giętkie, zrogowaciałe wytwory naskórka, podobnie jak sierść ssaków, pióra ptaków i tarczki rogowe gadów. Składają się z części zewnętrznej, zwanej łodygą włosa i ukrytego w skórze korzenia włosa. Dolny koniec włosa tworzy cebulkę, która ma u dołu zagłębienie, osadzone na łącznotkankowej unaczynionej brodawce. Brodawka jest ściśle złączona z włosem, co pozwala na jego odżywianie. W przeciwieństwie do innych tkanek ciała, włosy powstają stosunkowo szybko, a przy tym rosną poza skórą, co wyklucza je z procesów metabolicznych. Warstwa keratyny uniemożliwia uwalnianie wewnętrznych elementów, a także przenikanie zewnętrznych zanieczyszczeń, co zapewnia stabilny skład chemiczny włosów. Keratyna włosów wykazuje dużą skłonność do wiązania metali i metaloidów. Spowodowane to jest obecnością w niej grup tiolowych (–SH) o właściwościach chelatujących. Stężenie toksycznych pierwiastków we włosach może być nawet 50 razy większe niż w krwi i moczu.
Światowa Organizacja Zdrowia WHO i Agencja Ochrony Środowiska wybrały włosy jako odpowiedni materiał biologiczny do oceny wpływu metali na organizm człowieka. Analiza pierwiastkowa włosów pozwala na określenie stanu biochemicznego badanego organizmu oraz wpływu środowiska na jego funkcjonowanie. Przeprowadzono badania, polegające na analizie stężeń wybranych metali ciężkich: Mn, Cu, Zn i Pb w próbkach włosów pobranych od studentów Uniwersytetu Opolskiego oraz od trójki rodzeństwa: dzieci w wieku od 2 do 13 lat. Poniżej charakterystyka badanych pierwiastków oraz wnioski z badań.
Mangan
Mangan jest pierwiastkiem niezbędnym do życia. Bierze udział w procesie formowania się kości. Jest kofaktorem dla arginaz, enzymów, z grupy hydrolaz, katalizujących rozpad arginianu do mocznika w cyklu ornitynowym. Jest również kofaktorem enzymów wątrobowych odpowiedzialnych za reakcje na stan zapalny organizmu, dlatego zmniejszenie stężenia manganu we włosach może o nim informować. Taneja i Mandal przebadali w Chandigarh (północne Indie) 950 osób na obecność metali ciężkich we krwi, moczu oraz włosach. Badani zostali podzieleni według jednostki chorobowej oraz wieku, a ich wyniki porównano ze zdrową grupą kontrolną. Autorzy wykazali jednoznacznie, że stężenie manganu we włosach i paznokciach jest silnie skorelowane. Wykazali również odwrotną korelację w stosunku do stężenia manganu w moczu. Stwierdzono, że choroby, którym towarzyszy stan zapalny, powodują wydalanie manganu wraz z moczem i obniżenie jego stężenia we włosach i paznokciach. (…). Wykazano tym samym, że analiza zawartości manganu we włosach może być pożytecznym narzędziem w profilaktyce chorób objawiających się stanem zapalnym, jak np. cukrzyca. (…) Stwierdzono także, że poziom manganu we włosach osób chorych na cukrzycę był znacząco niższy. Powoływali się oni również na badania stwierdzające, iż suplementacja manganem dobrze wpływa na tych pacjentów. Związki manganu na ogół nie są toksyczne dla osoby dorosłej. Stwierdzono jednak, że poprzez akumulację w mózgu mogą brać udział w patogenezie choroby Parkinsona. Podkreślono także, że mangan powoduje uszkodzenie DNA i aberracje chromosomowe. Z kolei niedobór manganu może być przyczyną schizofrenii. Nierozpoznany został wpływ związków manganu na procesy rakotwórcze. Badania prowadzone na terenach przemysłowych nie wykazały znaczących współzależności pomiędzy stężeniem manganu w powietrzu i we włosach osób zamieszkujących te tereny. Inne badania wykazały większe stężenia manganu we włosach osób zamieszkujących centralne dzielnice miasta w porównaniu do osób zamieszkujących dzielnice przemysłowe, gdzie stężenie manganu w powietrzu było dużo większe w porównaniu z centrum miasta. Może to wskazywać na niezależny od zanieczyszczenia środowiska mechanizm transportu i akumulacji tego pierwiastka we włosach.
Miedź
Miedź odgrywa ważną rolę w organizmie człowieka, m.in. bierze udział w procesach transportu elektronów, jest także składnikiem wielu enzymów, m.in. oksydazy cytochromowej i dysmutaz, bierze również udział w procesach krwiotwórczych. Niedobór miedzi często występuje u dzieci przedwcześnie karmionych mlekiem modyfikowanym. U osób dorosłych jej niedobór obserwuje się u chorych na osteoporozę. Duże stężenia miedzi w organizmie obserwuje się u chorych na białaczkę, raka piersi, niedoczynność tarczycy i chorobę Wilsona. Wykazano również, że 70% populacji może wykazywać objawy deficytu tego pierwiastka. Nie wykazano statystycznie istotnych różnic w poziomie miedzi u osób różnej płci. Nie udało się także jednoznacznie wykazać, że spożywanie alkoholu ma wpływ na poziom miedzi w organizmie, niejednokrotnie obserwowane zwiększanie się stężenia miedzi w organizmie tłumaczy się zmianami chorobowymi wątroby oraz ubytkiem masy ciała wskutek spożycia alkoholu. Wykazano, że stężenie miedzi we włosach jest znacząco podwyższone u osób z wirusowym zapaleniem wątroby typu B i C. Jest to związane ze zmniejszeniem aktywności białek, szczególnie występującej w wątrobie metalotioniny, odpowiadającej za akumulację miedzi. Z uwagi na to, że 80% przypadków wirusowego zapalenia wątroby ma postać utajoną analiza stężenia miedzi w organizmie może być wykorzystana w badaniach przesiewowych. Zmniejszenie stężenia miedzi we włosach zachodzi u osób ze stanem zapalnym, np. reumatoidalnym zapaleniem stawów i u osób z cukrzycą. Nie jest to jednak regułą. Niektóre badania wykazały, że zawartość miedzi we włosach osób posiadających wymienione jednostki chorobowe nie zmienia się lub jest nieznacznie podwyższona.
Cynk
Cynk jest jednym z podstawowych mikroelementów niezbędnych do prawidłowego rozwoju komórek. Jest składnikiem ponad 300 enzymów, biorących udział w metabolizmie białek, tłuszczów i kwasów nukleinowych. Niedobór cynku powoduje zaburzenia w rozwoju układu kostnego, osłabia odporność organizmu, powoduje zanik płodności, depresję i choroby skóry. FAO ocenia, że 48% populacji jest narażona na jego deficyt i zaleca jego suplementację. Stwierdzono, że zmniejszenie się stężenia cynku w organizmie jest powiązane z powstawaniem większej liczby wolnych rodników, które zwiększają utlenianie lipidów, uszkadzają serce oraz cały układ naczyniowy. Cynk bywa stosowany jako środek wspomagający leczenie w przypadku choroby Wilsona oraz choroby Brandta, objawiającej się zmianami skórnymi, które znacząco się cofają już po kilku dniach od rozpoczęcia leczenia. Wykazano, że stężenie cynku we włosach dzieci zwiększa si wraz z wiekiem, do około 4 roku życia. Zmiany te są bardziej widoczne u dzieci płci żeńskiej. Po tym okresie poziom cynku we włosach u chłopców i dziewcząt wyrównuje się do około 125 µg/g, a następnie, wraz z wiekiem, maleje. Stwierdzono również, że mniejsze stężenia cynku we włosach występują u dzieci z nadwagą, przy czym nie jest to powiązane z innymi wskaźnikami antropometrycznymi, takimi jak wzrost czy obwód ramienia. Ponadto stwierdzono, że zawartość cynku we włosach nie zależy od pochodzenia etnicznego. Nie wykazano również zmienności sezonowej stężenia tego pierwiastka.
Ołów
Ołów jest jednym z najlepiej przebadanych metali ciężkich pod względem toksycznego działania na środowisko i organizm człowieka. Duże stężnie ołowiu w organizmie wywołuje ołowicę, chorobę powszechną jeszcze w XIX wieku. Na ołowicę prawdopodobnie zmarli m.in. Ludwik van Bethoween i portrecista Francisco Goya. Po wprowadzeniu do sprzedaży benzyny zawierającej tetraetyloołów znacznie zwiększyło się zanieczyszczenie środowiska tym pierwiastkiem, także w skali globalnej. Wyniki bada wskazują na niekorzystne oddziaływanie ołowiu na ośrodkowy układ nerwowy. Ołów hamuje także pracę nerek, aktywność enzymów wątrobowych i enzymów układu krwiotwórczego. Na ołów szczególnie narażone są młode organizmy. Wykazano, że przewlekłe narażenie dzieci nawet na małe stężenia ołowiu w powietrzu powoduje u nich zaburzenie funkcji poznawczych i trudności w nauce. U dzieci nierozwinięta jest jeszcze bariera krew-mózg, dlatego są one narażone na ołów znajdujący się w pyłach zawartych w powietrzu, a ich system pokarmowy wchłania 5-krotnie więcej ołowiu w porównaniu z osobami dorosłymi. Obecność ołowiu stwierdzono także we włosach noworodków. U wcześniaków o małej masie, stężenie ołowiu we włosach wynosiło około 60% zawartości ołowiu we włosach matki. Matki stosujące suplementację z żelaza i kwasu foliowego rodziły dzieci z mniejszej zawartości ołowiu we włosach. Wyniki bada wskazują, że na zawartość ołowiu we włosach dzieci mają wpływ: bliskość przebywania w pobliżu ruchliwych dróg oraz tzw. bierne palenie tytoniu. Wykazano, że dzieci mieszkające w miastach miały 10-krotnie więcej ołowiu we włosach niż dzieci zamieszkujące tereny wiejskie. Analizy stężenia ołowiu we włosach dzieci zamieszkujących tereny wiejskie wykazały, że stężenie ołowiu zależy również od płci dziecka. Ołów oddziałuje również niekorzystnie na przyswajanie przez organizm mikro- i makroelementów. Badania prowadzone na myszach wskazują na destrukcyjny wpływ ołowiu na przeciwnowotworową osłonę tworzoną przez selen, przy czym sam ołów nie wykazuje właściwości kancerogennych.
Sposób pobierania i preparowania próbek
Próbki włosów do badania zostały przygotowane zgodnie z obowiązującymi standardami. Przeznaczone do analiz próbki pobierano z części potylicznej głowy osoby biorącej udział w badaniach. Przeprowadzony wywiad wskazywał, że osoby, od których pobierano próbki włosów, były zdrowe i nie chorowały w ostatnich 3 miesiącach. Włosy wycinano blisko skóry głowy. (…).
Wyniki wskazują na pewne prawidłowości dotyczące współzależności pomiędzy stężeniem badanych analitów w próbkach włosów a zanieczyszczeniem środowiska w miejscu zamieszkania osób, od których pobrano próbki. Jak wspomniano, próbki pobierane były od osób zdrowych, dlatego nie brano pod uwagę różnic w stężeniach badanych metali wywołanych czynnikami chorobowymi. Duże zanieczyszczenia wszystkimi analitami oznaczono we włosach osoby mieszkającej w Radomsku. Jakość powietrza w Radomsku ze względu na PM10 została zaklasyfikowana do klasy C. Szacuje się, że emisja miejska PM10 z Radomska w 2004 r. wynosiła 2,3% całkowitej emisji PM10 dla woj. łódzkiego. Nie bez znaczenia na poziom emisji pyłu w Radomsku ma emisja z Elektrowni Bełchatów. We włosach osoby mieszkającej w miejscowości Rudniki zaobserwowano zwiększone stężenia Zn i Pb. Depozycję tych analitów na obszarach północno-wschodniej Opolszczyzny potwierdzaj badania biomonitoringowe. (…).
Wnioski z przeprowadzonych badań
W ostatnich latach biomonitoring i bioanalityka zanieczyszczenia środowiska stają się coraz bardziej popularne. Biomarkery obecne np. we krwi czy ślinie są źródłem informacji o narażaniu organizmu na substancje toksyczne. Światowa Organizacja Zdrowia WHO i Agencja Ochrony środowiska wybrały włosy jako odpowiedni materiał biologiczny do oceny wpływu metali na organizm człowieka. Wyniki z przeprowadzonych badań literaturowych oraz badań własnych wskazują, że metale ciężkie zakumulowane w ludzkich włosach mogą być wskaźnikiem stanu chorobowego organizmu, ale też wskazują na ryzyko narażania organizmu ludzkiego na zanieczyszczenia metalami ciężkimi, które wchłaniane są głównie poprzez układ trawienny i oddechowy. (…).
Źródło:
Marcin Czora, Małgorzata Rajfur, Andrzej Kłos, Maria Wacławek, Wykorzystanie ludzkich włosów w bioanalityce, Chemia, dydaktyka, ekologia, metrologia, 2010, r. 15, nr 2, s. 149-153.
