Scientifiic principles of use of biomarkers in medico-ecological studies (review)


Cite item

Full Text

Abstract

The article presents an overview and summarizes the accumulated international and national experience, highlighting the formation and main stages of the development of the theoretical foundations and practical significance of the use of biomarkers in medico-ecological studies and evaluations in terms of influence of harmful chemical factors on the human organism. It is shown that in order to increase the effectiveness of evidentiary causal relationships of developing negative effects and modifying the mechanism of their development with the adverse effects of environmental factors, the need to expand scientific research in the field of biomarkers, their selection criteria, and justification of reference levels is becoming more urgent. In accordance with the opinion of experts from the Ad Hoc Collaborating Organizations on Biomarkers (UNEP, ILO and WHO), biomarkers of three classes were identified - exposure biomarkers, reflecting exposure, sensitivity, characterizing the degree of organism susceptibility to exposure and markers of negative effects, indicating the development of the body's response to the effects of risk factors. Based on the currently existing international approaches and taking into account national competencies, a characteristic was given and the practical significance of each class of biological markers was shown when solving problems of substantiating cause-effect relationships in the system «environment - human health» and making adequate management decisions.

About the authors

N. V. Zaitseva

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies; Perm State Medical University named after E. A. Wagner

Perm

M. A. Zemlyanova

Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies

Perm

V. P. Chashchin

Northwest Public Health Research Center; North-Western State Medical University named after I. I. Mechnikov

Email: valerych05@mail.ru
доктор медицинских наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации, директор Saint-Petersburg

A. B. Gudkov

Northern State Medical University

Arkhangelsk, Russia

References

  1. Агаджанян И. А., Скальный А. В. Химические элементы в среде обитания и экологический портрет человека. М., 2001. 83 с.
  2. Барановская Н. В. Элементный состав биологических материалов и его использование для выявления антропогенноизмененных территорий на примере южной части Томской области: автореф. дис.. канд. биол. наук. Томск, 2003. 20 с.
  3. Биомониторинг человека: факты и цифры. Копенгаген: Европейское региональное бюро ВОЗ, 2015. 88 с.
  4. Зайцева Н. В., Землянова М. А., Звездин В. Н., Кирьянов Д. А. Способ определения предельно допустимой концентрации тяжелых металлов в крови детей при многосредовой экспозиции: пат. 2536268 Рос. Федерация. № 2013147177/15; заявл. 22.10.2013; опубл. 20.12.2014. Бюл. № 35. 20 с.
  5. Зайцева Н. В., Май И. В., Шур П. З., Алексеев В. Б., Лебедева-Несевря Н. А. Практика оценки и управления рисками здоровью на базе новых методов и подходов // Анализ риска здоровью в стратегии государственного социально-экономического развития. Пермь: Изд-во Пермск. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. С. 625-711.
  6. Зайцева Н. В., Тырыкина Т. И., Землянова М. А., Уланова Т. С., Долгих О. В., Шур П. З., Суетина Г. Н., Вотинова И. В. Влияние выбросов автотранспорта как источника свинца на здоровье населения // Гигиена и санитария. 1999. № 3. С. 3-4.
  7. Показатели на основе биомониторинга экспозиции к химическим загрязнителям. Отчет о совещании / Европейское региональное бюро ВОЗ. Катания, Италия, 19-20 апреля, 2012. 45 с.
  8. Ревич Б. А. Биомониторинг металлов в организме человека // Микроэлементы в медицине. 2005. № 6 (4). С. 11 - 16.
  9. Содействовать движению Европы по пути к здоровью и благополучию: резюме доклада о состоянии здравоохранения в Европе 2012 г. ВОЗ, 2012. 17 с.
  10. Ткачева Т. А. Биологические маркеры экспозиции и эффекта // Профессиональный риск для здоровья работников: руководство. М.: Тровант, 2003. С. 232-241.
  11. out of 10 people worldwide breathe polluted air, but more countries are taking action. WHO, 2018. Available at: https://www.who.int/news-room/detail/02-05-2018 (accessed: 28.03.19).
  12. Adams S. V., Newcomb P. A. Cadmium blood and urine concentrations as measures of exposure: NHANES 1999-2010 // Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology. 2014. Vol. 24, N 2. P 163-170.
  13. Albertini R. J., Anderson D., Douglas G. R., Hagmar L., Hemminki K., Merlo F., Natarajan A. T., Norppa H., Shuker D. E. G., Tice R., Waters M. D., Aitio A. IPCS guidelines for the monitoring of genotoxic effects of carcinogens in humans. International Programme on Chemical Safety // Mutation Research. 2000. Vol. 463, N 2. P 111 - 172.
  14. Appenzeller B. M., Tsatsakis A. M. Hair analysis for biomonitoring of environmental and occupational exposure to organic pollutants: state of the art, critical review and future needs // Toxicology Letters. 2012. Vol. 210, N 2. P. 119-140.
  15. Biologic markers in reproductive toxicology. Washington, DC, National Academy Press, 1989. 395 p.
  16. Biomarkers and human biomonitoring. Children’s Health and the Environment WHO Training Package for the Health Sector World Health Organization. 2011. Available at: www.who.int/ceh/capacity/biomarkers.pdf (accessed: 12.04.19).
  17. Biomarkers Definition Working Group. Biomarkers and surrogate endpoints: preferred definitions and conceptual framework // Clinical Pharmacology and Therapeutics. 2001. Vol. 69, N 3. P. 89-95.
  18. Biomarkers in Risk Assessment: Validity and Validation (Environmental health criteria; 222). WHO International Programme on Chemical Safety, 2001. Available at: http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc222.htm (accessed: 28.03.19).
  19. Bonassi S., Ugolini D., Kirsch-Volders M., Stromberg U., Vermeulen R., Tucker J. D. Human population studies with cytogenetic biomarkers: review of the literature and future prospectives // Environmental and Molecular Mutagenesis. 2005. Vol. 45, N 2-3. P. 258-270.
  20. Brandt H. C., Watson W. P. Monitoring human occupational and environmental exposures to polycyclic aromatic compounds // Annals of Occupational Hygiene. 2003. Vol. 47, N 5. P. 349-378.
  21. Bridbord K., Hanson D. A personal perspective on the initial federal health-based regulation to remove lead from gasoline // Environmental Health Perspectives. 2009. Vol. 117, N 8. P. 1 195-1201.
  22. Centers for Disease Control and Prevention: National Biomonitoring Program. CDC, 2011. Available at: www.cdc. gov/biomonitoring (accessed: 08.04.19).
  23. Chaumont A., Voisin C., Deumer G., Haufroid V., Annesi-Maesano I., Roels H., Thijs L., Staessen J., Bernard A. Associations of urinary cadmium with age and urinary proteins: Further evidence of physiological variations unrelated to metal accumulation and toxicity // Environmental Health Perspectives. 2013. Vol. 121, N 9. P. 1047-1053.
  24. Fourth National Report on Human Exposure to Environmental Chemicals, 2009. Available at: www.cdc.gov/ exposurereport/pdf/FourthReport.pdf (accessed: 28.03.19).
  25. Georgopoulos P. G., Sasso A. F., Isukapalli S. S., Lioy P. J., Vallero D. A., Okino M., Reiter L. Reconstructing population exposures to environmental chemicals from biomarkers: Challenges and opportunities // Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology. 2009. Vol. 19, N 2. P. 149-171.
  26. International Programme on Chemical Safet. WHO, 1993. Available at: http://www.inchem.org/documents/ehc/ ehc/ehc155.htm (accessed: 28.03.19).
  27. Jakubowski M. Lead // Biomarkers and Human Biomonitoring. Knudsen L. E., Merlo D. F. (ed.). Cambridge, UK, 2012. P. 322-337.
  28. Jurewicz J., Polanska K., Hanke W. Chemical exposure early in life and the neurodevelopment of children - an overview of current epidemiological evidence // Annals of Agricultural and Environmental Medicine. 2013. Vol. 20 (3). P. 465-486.
  29. Kadlubar F. F., Butler M. A., Kaderlik K. R., Chou H. C., Lang N. P. Polymorphisms for aromaticamine metabolism in humans: relevance for human carcinogenesis // Environmental Health Perspectives. 1992. Vol. 98. P. 69-74.
  30. Lauwerys R. R., Hoet P. Industrial Chemical Exposure: Guidelines for Biological Monitoring. Boca Raton, FL, Lewis Publishers, 2001. 638 p.
  31. Leng S. X., McElhaney J. E, Walston J. D, Xie D., Fedarko N. S., Kuchel G. A. ELISA and multiplex technologies for cytokine measurement in inflammation and aging research // Journal of Gerontology. Series A: Biological Sciences and Medical Sciences. 2008. Vol. 63, N 8. P. 879-884.
  32. Lionetto M. G., Caricato R., Calisi A., Giordano M. E., Schettino T. Acetylcholinesterase as a Biomarker in Environmental and Occupational Medicine: New Insights and Future Perspectives // BioMed Research International. 2013. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3727120 (accessed: 22.05.19).
  33. Lu J., Jin T., Nordberg G., Nordberg M. Metallothionein gene expression in peripheral lymphocytes from cadmiumexposed workers // Cell Stress Chaperones. 2001. Vol. 6, N 2. P. 97-104.
  34. Mason R. P., Lawson N. M., Sheu G. R. Mercury in the atlantic ocean: factors controlling airsea exchange of mercury and its distribution in the upper waters // Deep-Sea Research. Part II: Topical Studies in Oceanography. 2001. Vol. 48 , N 13. P. 2829-2853.
  35. Mayeux R. Biomarkers: potential uses and limitations // NeuroRx. 2004. Vol. 1, N 2. P. 182-188.
  36. Principles for evaluating health risks in children associated with exposure to chemicals (Environmental Health Criteria 237). WHO, 2006. Available at: https://apps.who.int/ iris/handle/10665/43604 (accessed: 08.04.19).
  37. Prüss-Üstün A., Corvalan C. Preventing disease through healthy environments. Towards an estimate of the environmental burden of disease. WHO, 2006. 105 р.
  38. Prüss-Üstün A., Wolf J., Corvalan C., Bos R., Neira M. Preventing disease through healthy environments: a global assessment of the burden of disease from environmental risks. WHO, 2016. 149 р.
  39. Sanders T., Liu Y., Buchner V., Tchounwou P. B. Neurotoxic effects and biomarkers of lead exposure: a review // Reviews on Environmental Health. 2009. Vol. 24, N 1. P. 15-45.
  40. Savolainen V. T., Pajarinen J., Perola M., Penttila A., Karhunen P. J. Polymorphism in the cytochrome P450 2E1 gene and the risk of alcoholic liver disease // Journal of Hepatology. 1997. Vol. 26, N 1. P. 55-61.
  41. Schulz C., Wilhelm M., Heudorf U., Kolossa-Gehring M. Reprint of «Update of the reference and HBM values derived by the German Human Biomonitoring Commission» // International Journal of Hygiene and Environmental Health. 2012. Vol. 215, N 2. P. 150-158.
  42. Seidegard J., Pero R. W., Markowitz M. M., Roush G., Miller D. G., Beattie E. J. Isoenzyme(s) of glutathione transferase (class Mu) as a marker for the susceptibility to lung cancer: a follow up study // Carcinogenesis. 1990. Vol. 11, N 1. P. 33-36.
  43. Smolders R., Den H. E., Koppen G., Govarts E., Willems H., Casteleyn L., Kolossa-Gehring M., Fiddicke U., Castano A., Koch H. M., Angerer J., Esteban M., Sepai O., Exley K., Bloemen L., Horvat M., Knudsen L. E., Joas A., Joas R., Biot P., Aerts D., Katsonouri A., Hadjipanayis A., Cerna M., Krskova A., Schwedler G., Seiwert M., Nielsen J. K., Rudnai P., Közepesy S., Evans D. S., Ryan M. P., Gutleb A. C., Fischer M. E., Ligocka D., Jakubowski M., Reis M. F., Namorado S., Lupsa I. R., Gurzau A. E., Halzlova K., Fabianova E., Mazej D., Tratnik S. J., Gomez S., Gonzalez S., Berglund M., Larsson K., Lehmann A., Crettaz P., Schoeters G. Interpreting biomarker data from the COPHES/DEMOCOPHES twin projects: Using external exposure data to understand biomarker differences among countries // Environmental Research. 2015. Vol. 141. P. 86-95.
  44. Solomon G. M., Weiss P. M. Chemical Contaminants in Breast Milk: time trends and regional variability // Environmental Health Perspectives. 2002. Vol. 110 (6). P. 341.
  45. Strimbu K., Tavel J. A. What are Biomarkers? // Current Opinion in HIV and AIDS. 2010. Vol. 5, N 6. P. 463-466.
  46. Tan Y. M., Liao K., Conolly R., Blount B., Mason A., Clewell H. Use of a physiologically based pharmacokinetic model to identify exposures consistent with human biomonitoring data for chloroform // Journal of Toxicology and Environmental Health. Part A: Current Issues. 2006. Vol. 69, N 1). P. 1727-1756.
  47. Thier R., Bruning T., Roos P. H., Rihs H. P., Golka K., Ko Y., Bolt H. M. Markers of genetic susceptibility in human environmental hygiene and toxicology: the role of selected CYP, NAT and GST genes // International Journal of Hygiene and Environmental Health. 2003. Vol. 206, N 3. P. 149-171.
  48. Toxicological profile for carbon monoxide. U. S. Department of Health and Human Services Public Health Service: Agency for Toxic Substances and Disease Registry. 2012. 308 р.
  49. Tretyakova N., Goggin M., Janis G. Quantitation of DNA adducts by stable isotope dilution mass spectrometry // Chemical Research in Toxicology. 2012. Vol. 25, N 1. P. 2007-2035.
  50. Wilhelm M., Heinzow В., Angerer J., Schulz C. Reassessment of critical lead effects by the German Human Biomonitoring Commission results in suspension of the human biomonitoring values (HBM I and IBM II) for lead in blood of children and adults // International Journal of Hygiene and Environmental Health. 2010. Vol. 213, N 4. P. 265-269.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2019 Zaitseva N.V., Zemlyanova M.A., Chashchin V.P., Gudkov A.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».