När de utsätts i ett laboratorium för föroreningsnivåer som är jämförbara med dem som finns i atmosfären i Amazonasregionen under säsongen för skog och grödor, mänskliga lungceller lider av allvarliga DNA-skador och slutar dela sig. Efter 72 timmars exponering, över 30 procent av de odlade cellerna är döda. Den främsta boven verkar vara retene, en kemisk förening som tillhör klassen polycykliska aromatiska kolväten (PAH). Dessa resultat har rapporterats av en grupp brasilianska forskare i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

"Vi hittade ingen information om toxiciteten av reten i den vetenskapliga litteraturen. Jag hoppas att våra resultat fungerar som ett incitament för ytterligare studier och för att miljökoncentrationer av reten ska regleras av hälsoorganisationer, " sa Nilmara de Oliveira Alves Brito, artikelns första författare.

"När jag gjorde min magisterforskning vid UFRN, Jag märkte att exponering av lungceller för detta partikelmaterial som släpps ut av biomassaförbränning ledde till mutationer i lungcells-DNA, ", sade Alves Brito. "Denna nyare studie syftade till att undersöka mekanismerna genom vilka detta händer."

Metodik

Det första steget, hon förklarade, bestod i att bestämma koncentrationen av föroreningar som skulle användas i laboratorieexperimenten för att efterlikna exponeringen för människor som bor i områden med intensivt förändrad markanvändning och växttäcke som kallas "avskogningsbågen"—500, 000 kvadratkilometer som sträcker sig västerut från östra och södra Pará in i Mato Grosso, Rondônia och Acre.

Med hjälp av matematiska modeller, forskarna beräknade den mänskliga lungans förmåga att andas in partiklar vid höjden av brinnsäsongen och procentandelen föroreningar som deponeras i lungceller. "Baserat på denna teoretiska massa, vi bestämde koncentrationsnivåerna som skulle testas med hjälp av odlade celler, " sa Alves Brito.

De föroreningar som används in vitro samlades in i ett naturområde nära Porto Velho, Rondônia under den brinnande säsongen, som toppar i september och oktober.

"Proven samlades in med hjälp av en anordning som drar in luft och avsätter fina partiklar med en diameter på mindre än 10 mikrometer i ett filter. Vi var intresserade av att studera dessa mycket fina partiklar eftersom de är tillräckligt små för att penetrera alveolerna i lungorna , " sa Alves Brito.

Enligt professor Paulo Artaxo vid universitetet i São Paulo, filtren frystes kort efter att partiklarna samlats upp eftersom de organiska föreningar som finns i föroreningsplymen är mycket flyktiga. "Detta material skickades till São Paulo och späddes i en näringslösning, som sedan applicerades på cellkulturerna, ", sade han. "Andelen föroreningar som användes var densamma som den som hittades i luften som inandas av invånarna i Porto Velho."

De odlade cellerna som behandlats med lösningen jämfördes med en grupp kontrollceller, som endast fick det lösningsmedel som användes för att extrahera föroreningar från filtren. Syftet var att bekräfta att eventuella observerade negativa effekter orsakades av partiklarna och inte av lösningsmedlet.

Omedelbar effekt

I de allra första ögonblicken av exponering, lungcellerna började producera stora mängder pro-inflammatoriska molekyler. Inflammation följdes av en ökning av frisättningen av reaktiva syreämnen (ROS), ämnen som orsakar oxidativ stress. Stora mängder ROS orsakar skador på cellulära strukturer.

"För att förstå vägarna som inducerade oxidativ stress, vi analyserade cellcykeln och fann att den försämrades av en ökning av uttrycket av proteiner som P53 och P21. Cellerna slutade replikera, som antydde att DNA-skada inträffade, " sa Alves Brito.

Forskarna utförde specifika tester för att bekräfta genetisk skada. Baserat på deras observation av ökat uttryck av proteinet LC3 och andra specifika markörer, de fann också att cellerna gick in i en autofagiprocess där de degraderade sina egna inre strukturer.

"Alla dessa skador observerades på bara 24 timmars exponering, "Sa Alves Brito." När tiden gick, den genetiska skadan ökade, och cellerna gick in i en process med apoptos och nekros. "Medan endast 2 procent av kontrollcellerna hade dött av nekros efter 72 timmar, i kulturen behandlad med föroreningar, celldödligheten nådde 33 procent.

"Alla celler dör inte, men de överlevande lider av DNA-skador, som kan predisponera dem för utveckling av cancer i framtiden, " sa Alves Brito.

Innan du påbörjar experimentet med odlade celler, Alves Brito och medarbetare genomförde en analys av de ämnen som finns i partiklar som samlats in i Amazonasregionen. De identifierade förekomsten av flera PAH, av vilka många är kända för att vara cancerframkallande. Resultaten av denna analys publicerades 2015 i tidskriften Atmosfärisk miljö .

"Vi observerade att den vanligaste PAH var reten, ", sa Alves Brito. "Vi beslutade därför att upprepa experimentet med cellerna som använder detta ämne isolerat men i samma koncentration som den som finns i partiklarna. Vi observerade att enbart reten också inducerade DNA-skada och celldöd."

Enligt Artaxo, döden av ett stort antal lungceller i en levande organism kan leda till andningsproblem och till och med allvarliga sjukdomar som lungemfysem.

"I en tidigare studie, vi visade att nedgången i avskogningen från 27, 000 km2 2004 till 4, 000 km2 under 2012 undvek minst 1, 700 personer från sjukdomar associerade med föroreningar, sade han. Märkligt nog, de flesta av dessa dödsfall skulle inte ha inträffat i Amazonas utan i södra Brasilien på grund av långväga transporter av föroreningar och även på grund av regionens högre befolkningstäthet."

Global relevans

Även om reten inte släpps ut vid förbränning av fossila bränslen, den främsta föroreningskällan i Brasiliens stadsområden, forskarna säger att denna förening kan hittas i atmosfären i São Paulo och andra städer, troligen på grund av förbränning av sockerrör och andra typer av biomassa på närliggande gårdar.

I artikeln, forskarna noterar att medan den mesta forskningen om exponering för luftföroreningar fokuserar på de fossila bränslenas roll i luftföroreningar, cirka 3 miljarder människor världen över utsätts för luftföroreningar från förbränning av biomassa, inklusive användning av trä eller kol som bränsle i spisar eller uppvärmning i hemmet, samt från avskogning och jordbruksmetoder. Dessutom, författarna lägger till, cirka 7 miljoner dödsfall över hela världen, eller vart åttonde dödsfall, orsakas av exponering för luftföroreningar, enligt en rapport från Världshälsoorganisationen (WHO) 2012.

"Kombinationen av skogsbränder och mänsklig ockupation har förvandlat förbränning av biomassa till ett allvarligt hot mot folkhälsan. Majoriteten av skogsbränderna inträffar i avskogningsbågen, direkt påverkar över 10 miljoner människor i området. Många studier har identifierat allvarliga effekter på människors hälsa, såsom ökad förekomst av astma, sjuklighet och dödlighet, främst i de mest utsatta befolkningsgrupperna som barn och äldre, " konstaterar författarna.