Abstrakt

Zanieczyszczenia powietrza są główną przyczyną globalnych zagrożeń dla środowiska i człowieka. Powstają w wyniku emisji różnych związków chemicznych przez przemysł, środki transportu drogowego oraz gospodarstwa domowe. Substancje te wdychane z powietrzem przenikają z krwią do niemal wszystkich tkanek, zaburzając ich fizjologię. Szkodliwe działanie tych substancji tłumaczy się generowaniem stresu oksydacyjnego. Powoduje to peroksydację błon komórkowych i zaburza podstawowe funkcje komórki. Badania prowadzone na całym świecie w ostatnich latach udowodniły związek między ekspozycją na zanieczyszczenia powietrza a zwiększoną umieralnością z powodu chorób układu sercowo-naczyniowego oraz oddechowego. W ostatnich latach pojawiło się wiele doniesień naukowych potwierdzających także negatywny wpływ zanieczyszczeń powietrza na funkcje rozrodcze człowieka.

Celem pracy jest analiza aktualnego stanu wiedzy na temat związku obecności szkodliwych substancji w powietrzu ze zdolnościami reprodukcyjnymi człowieka.

Liczne doniesienia naukowe udowadniają, że zanieczyszczenia zawarte w powietrzu niekorzystnie wpływają na parametry nasienia męskiego, a zwłaszcza na budowę morfologiczną plemnika. Dostępne wyniki badań różnią się jednak w ustaleniach, która z substancji chemicznych najbardziej wpływa na dany parametr nasienia. Zanieczyszczenia powietrza odpowiadają również za zmiany epigenetyczne plemników, co może doprowadzić do mutacji genetycznych w przyszłych pokoleniach. Potwierdzony jest związek ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza z obniżeniem płodności kobiet, ryzykiem występowania poronień i wad genetycznych (zespół Downa), działaniem teratogennym (wady serca, cewy nerwowej, rozszczep podniebienia), a także hipotrofią płodu. Udowodniono także niekorzystny wpływ zanieczyszczeń atmosferycznych w miejscu pracy laboratorium IVF na skuteczność przeprowadzanych zabiegów. Rodzi to potrzebę dalszego usystematyzowania wiedzy w tej dziedzinie, a także prowadzenia badań w przyszłości.

Wstęp

Zdolności rozrodcze człowieka ulegają osłabieniu w ostatnich latach, co potwierdzają liczne doniesienia naukowe [1,6,55]. Niewątpliwie znaczący wpływ na spadek płodności ma odkładanie decyzji o posiadaniu potomstwa na coraz późniejszy wiek, obserwowane w wielu krajach Europy [12,35,56]. Nie bez znaczenia w kształtowaniu płodności człowieka są czynniki środowiskowe, do których należą m.in. zanieczyszczenia przyziemnej warstwy atmosfery [3,9].

Zanieczyszczenia powietrza są główną przyczyną globalnych zagrożeń środowiska i człowieka [11,18,21,57]. Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju stwierdziła, że do 2050 r. zanieczyszczenie powietrza w miastach będzie główną środowiskową przyczyną zgonów na całym świecie [48]. Obecnie najwięcej zanieczyszczeń powietrza wytwarza przemysł paliwowo-energetyczny, metalurgiczny oraz chemiczny. Zanieczyszczenia powietrza są ubocznym skutkiem wielu przemysłowych procesów technologicznych [48]. Skutkiem tego jest emisja do atmosfery znacznych ilości gazów spalinowych, do których należą: tlenki siarki, węgla, azotu oraz pyły, popioły i sadze [21,32]. Zawarte w powietrzu pyły PM10 i PM2,5 są szczególnie niebezpieczne dla zdrowia ludzi, gdyż zawierają w składzie siarkę, rtęć, związki azotu, ołów i inne metale ciężkie [18,48].

Emisja zanieczyszczeń w Europie podlega stałemu monitoringowi. W Polsce zadanie to jest realizowane w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska, którego zasady działania były opracowywane przez Głównego Inspektora Ochrony Środowiska, a zatwierdzane przez ministra środowiska [18]. W Polsce monitorowana jest jakość powietrza pod kątem jego zanieczyszczenia 12 substancjami: dwutlenkiem siarki, azotu, tlenkiem węgla, benzenem i ozonem, pyłami zawieszonymi PM10 i PM2,5 oraz zanieczyszczeniami zawartymi w pyle PM10: ołowiem, arsenem, kadmem, niklem i benzo(a)pirenem. Polska – po Bułgarii – należy do państw, gdzie zanieczyszczenia powietrza są najwyższe w całej Unii Europejskiej [18]. Dzięki analizie danych pochodzących z monitoringu zanieczyszczeń powietrza połączonej z oceną wybranych wykładników stanu zdrowia osób eksponowanych na te substancje rozwija się wiedza dotycząca negatywnych oddziaływań poszczególnych związków chemicznych na ludzki organizm.

W 2005 r. Światowa Organizacja Zdrowia ogłosiła, że pyły PM2,5 i PM10 mogą wywierać szkodliwy wpływ na zdrowie ludzi, przyczyniając się do rozwoju chorób układu oddechowego, sercowo-naczyniowego oraz niektórych nowotworów, nawet gdy ich stężenia osiągają o połowę niższe wartości niż te, które są uważane za dopuszczalne w Unii Europejskiej [18]. Ostrzeżenia WHO zostały potwierdzone przez wyniki badań populacyjnych, takich jak ESCAPE (European Study of Cohorts for Air Pollution Effects), rozpoczętych w 2008 r. w celu oceny długoterminowych skutków zanieczyszczenia powietrza dla obywateli europejskich, jak również badaniu przeprowadzonym wśród miliona mieszkańców Rzymu, w którym oceniano wpływ PM2,5 i NO2 na ogólną śmiertelność w ostatniej dekadzie [7,41]. Badania wykazały, że każdy wzrost o 10 µg/m3 PM2,5 zwiększa o 4-6% ogólną śmiertelność, powoduje 10% wzrost występowania chorób układu krążenia (arytmii, zawału serca i niewydolności krążenia), a także wywołuje 22% wzrost nowotworów płuc [7,41].

Coraz więcej doniesień naukowych potwierdza także negatywny wpływ na funkcje rozrodcze człowieka. U kobiet szkodliwe substancje zawarte w powietrzu zaburzają folikulogenezę oraz wczesny okres rozwoju zarodka. Ekspozycja na te substancje zwiększa ryzyko porodu przedwczesnego, niskiej masy urodzeniowej oraz niektórych wad genetycznych [11,20,28,39,50,58]. Wśród mężczyzn w wyniku ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza dochodzi do zaburzeń spermatogenezy oraz zmiany ekspresji genów. Następstwem tego jest obniżenie jakości nasienia, nasilenie fragmentacji DNA, a także występowanie innych nieprawidłowości materiału genetycznego.

Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na rozród rozpoczyna się już od jego najwcześniejszych etapów. Rozgraniczenie wpływu na męskie i żeńskie gamety jest bardzo trudne. Szkodliwe substancje zawarte w powietrzu wpływają jednocześnie na komórki rozrodcze męskie i żeńskie. Uszkodzenia materiału genetycznego plemnika wywołane stresem oksydacyjnym mogą być naprawione jedynie przez oocyt, ponieważ męska komórka rozrodcza nie jest zdolna do naprawy swojego DNA. Zdolności komórki jajowej do naprawy uszkodzeń genetycznych plemnika zależą od ich nasilenia, a także od jakości oocytu. W warunkach naturalnego rozrodu nie jest możliwe stwierdzenie, w jakim stopniu szkodliwe substancje chemiczne wpływają na funkcje plemnika i komórki jajowej.

Szkodliwe związki chemiczne wdychane z powietrzem bardzo szybko przenikają z krwią do niemal wszystkich tkanek, zaburzając ich fizjologię [11]. Substancje te, jako reaktywne formy tlenu i azotu, przyczyniają się do generowania stresu oksydacyjnego i nitrozacyjnego. W wyniku tego zjawiska następuje peroksydacja błon komórkowych, zmiana ekspresji genów, zaburzenia podstawowych funkcji komórki lub jej apoptoza [50]. Równowaga w układzie oksydo-redukcyjnym wpływa na przebieg procesów rozrodczych, od gametogenezy, przez owulację, zapłodnienie, wczesny okres rozwoju zarodka, aż do implantacji [20]. Mechanizmy odpowiedzialne nie są jednak w pełni poznane [54]. Komórka jajowa jest prawdopodobnie uszkadzana przez mikrośrodowisko pęcherzyka owulacyjnego podczas dojrzewania oocytu [54]. Podobnie stres oksydacyjny w czasie spermatogenezy przyczynia się do wywoływania zaburzeń funkcji plemników [30]. Szok tlenowy także zaburza pracę łożyska w czasie trwania ciąży [53].

Celem pracy było podsumowanie stanu wiedzy na temat wpływu, jaki wywierają zanieczyszczenia obecne w powietrzu na zdolności rozrodcze człowieka.

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na płodność

Płodność to współczynnik określający liczbę urodzonych dzieci przypadających na jedną kobietę w wieku rozrodczym [38]. W badaniach prowadzonych przez Slama i wsp. [46] wśród par rozpoczynających starania o dziecko w sposób naturalny w Cieplicach (Czechy) wykazano, że wyższe stężenie PM2,5 oraz NO2 obniża możliwości poczęcia. Nieuwenhuijsen i wsp. [38] podczas badań prowadzonych wśród kobiet w Barcelonie (Hiszpania) wykazali, że na liczbę ciąż występujących w całej populacji wpływa niekorzystnie jedynie stężenie PM10. Przyczyn tego zjawiska można upatrywać we wpływie szkodliwych substancji zawartych w powietrzu na gamety męskie i żeńskie.

Badania przeprowadzone przez Legro i wsp. [34] w grupie 7403 kobiet pierwszy raz korzystających z metody zapłodnienia pozaustrojowego w północno-wschodniej części USA wykazały, że wzrost stężenia NO2 w miejscu zamieszkania pacjentki był istotnie związany z obniżeniem szansy na zajście w ciąży, jak również urodzenia żywego dziecka [34]. Największy wpływ NO2 na występowanie tego zjawiska stwierdzano po zagnieżdżeniu się zarodka. Wyższe stężenia ozonu w miejscu zamieszkania pacjentów podczas indukcji owulacji zwiększały szansę na urodzenie żywego dziecka, ale podczas ekspozycji na O3 po transferze skutek był zupełnie odwrotny. Podczas oceny wpływu poszczególnych zanieczyszczeń powietrza występujących w laboratorium IVF Legro i wsp. [34] stwierdzili, że wzrost stężenia NO2 zmniejszał szanse na urodzenie żywego dziecka, ekspozycja na PM2,5 obniżała prawdopodobieństwo zajścia w ciążę, natomiast stężenie ozonu nie wpływało na skuteczność leczenia metodą zapłodnienia pozaustrojowego.

Zanieczyszczenia powietrza a przebieg ciąży

Ryzyko poronienia

Istniejące doniesienia naukowe udowadniają związek między zanieczyszczeniami powietrza a występowaniem poronień. Analiza przeprowadzona przez Di Ciaula i wsp. [15] wśród 514 996 pacjentek we Włoszech wykazała, że ze wzrostem stężeń PM10 i O3 w powietrzu wzrasta częstość poronień, podczas gdy NO2 nie miało wpływu na występowanie tego zjawiska. Badanie dotyczyło włoskich miast, gdzie normy zanieczyszczeń były przekraczane ponad dopuszczalne granice [15]. Podobne badanie przeprowadzone w Mongolii u 1219 kobiet przez Enkhmaa i wsp. [16] wiązało wzrost zanieczyszczenia powietrza przez SO2, NO2, CO, PM10 i PM2,5 z częstszym występowaniem poronień. Perin i wsp. [40] wykazali, że przedkoncepcyjna ekspozycja na PM10 wiąże się ze zwiększonym ryzykiem poronienia wczesnej ciąży, niezależnie od metody poczęcia. Faiz i wsp. [19] oraz Mohorovic i wsp. [33] wiążą występowanie poronień z wysokimi poziomami NO2 i SO2. Green i wsp. [23] natomiast stwierdzili, że zwiększone ryzyko poronień występuje u niepalących afroamerykańskich kobiet mieszkających do 50 m od ruchliwych dróg w Kalifornii (USA).

Niska masa urodzeniowa

Liczne doniesienia naukowe świadczą o związku zanieczyszczeń powietrza z niską masą urodzeniową płodu oraz z wadami rozwojowymi [14,27,33,59,60]. Jacobs i wsp. [27] przeanalizowali 25 badań przeprowadzonych w Chinach w latach 1980-2015, które dotyczyły ekspozycji ciężarnych na wybrane zanieczyszczenia powietrza. Zespół wykazał, że wzrost stężenia SO2 we wdychanym powietrzu zwiększa szansę na hipotrofię płodu. Przeprowadzone przez nich badanie udowodniło także, że ekspozycja ciężarnych na PM10 zwiększa ryzyko występowania wad wrodzonych, zwłaszcza dotyczących układu krążenia [27]. Badania zespołu Díaz i wsp. [14] przeprowadzone w Madrycie w 298 705 przypadkach porodów wiązały występowanie niskiej masy urodzeniowej z ekspozycją na PM2,5. Niekorzystny wpływ PM 2,5 na hipotrofię płodu wykazały również badania Erickson i wsp. [17], Wylie i wsp. [59], a także Tu i wsp. [49], jednak w ich wynikach podobny skutek wywoływała ekspozycja na ozon.

Coker i wsp. [10] wykazali podobną zależność, dodatkowo wskazując NO2 i NO, jako czynniki wpływające na występowanie niskiej masy urodzeniowej płodu. Badanie Laurent i wsp. [33] w 72 632 przypadkach w Kalifornii nie wykazało zależności między narażeniem ogólnie na PM a masą urodzeniową. Jednak podczas analizy z podziałem na pochodzenie PM okazało się, że w przypadku ekspozycji na wtórne aerozole organiczne rośnie ryzyko wystąpienia niskiej masy urodzeniowej. Podobny skutek wywołany był kontaktem ze związkami węgla, nitratami i pochodnymi amoniaku, ale tylko wtedy, gdy ekspozycja dotyczyła trzeciego trymestru ciąży. Również narażenie na zanieczyszczenia pochodzące ze spalin silników diesla oraz komercyjnych miejsc wypieku mięsa wiązało się z występowaniem niskiej masy urodzeniowej [33]. Cząstki pochodzące ze spalania drewna nie miały już takiego wpływu na masę urodzeniową [33]. Badania przeprowadzone w Kanadzie przez zespół Stieb i wsp. [47] na 2,5 mln przypadków porodów wykazały związek między ekspozycją na NO2 i niską masą urodzeniową. Arroyo i wsp. [2] zauważyli związek między ekspozycją na PM2,5 i O3 a ryzykiem wystąpienia porodu przedwczesnego.

Wpływ teratogenny

Gianicolo i wsp. [22] wśród kobiet z Brindisi (Włochy) zaobserwowali związek wad serca noworodków z ekspozycją na SO2 podczas ciąży. Wang i wsp. [52] wykazali, że w chińskiej populacji kobiet zanieczyszczenia powietrza pochodzące ze spalania węgla przyczyniają się do występowania wad cewy nerwowej płodu. Inne chińskie badania Zhu i wsp. [62] donoszą, że przedkoncepcyjna ekspozycja na CO i PM10 zwiększa ryzyko występowania rozszczepu podniebienia u płodu, natomiast SO2 wpływa na izolowany rozszczep wargi i połączenie tej wady z rozszczepem podniebienia. Badania prowadzone w północnych Włoszech przez Vinceti i wsp. [51] wykazały istnienie związku między przekraczanym ponad normę stężeniem PM10 a występowaniem nieprawidłowości mięśniowo-szkieletowych oraz chromosomalnych u płodu. Autorzy wykazali, że w wyniku ekspozycji na PM10 zwiększa się prawdopodobieństwo wystąpienia zespołu Downa [51]. Ich badania dotyczące benzenu nie udowodniły wpływu tej substancji na występowanie jakichkolwiek wad płodu.

Zanieczyszczenia powietrza a jakość nasienia

Istnieje wiele doniesień potwierdzających niekorzystny wpływ zanieczyszczeń powietrza na parametry nasienia męskiego [4,5,13,24,25,31,42,43,44,58,61]. Obniżenie ruchliwości plemników w wyniku ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza opisało wiele badaczy bez uwzględnienia analizy wpływu poszczególnych związków chemicznych zawartych w powietrzu na ten parametr nasienia [4,5,13,24]. Hammoud i wsp. [25] uznali PM2,5 za czynnik wpływający na obniżenie ruchliwości plemników w badaniach, podczas gdy Wu i wsp. [58] oraz Santi i wsp. [44] nie zaobserwowali takiej zależności (również dotyczącej PM10). Zhou i wsp. [61] opisali natomiast PM10, SO2 i NO2 jako powodujące ograniczenie odsetka plemników ruchomych.

Niekorzystny wpływ PM10, NO2 i SO2 na budowę morfologiczną plemników dowiedli Zhou i wsp. [61], podczas gdy Michniewicz i wsp. [36] nie potwierdzili takiego oddziaływania (jak również CO). Santi i wsp. [42] wykazali związek między zanieczyszczeniem PM2,5 i PM10 a zaburzeniami budowy morfologicznej plemników, co potwierdziły badania Radwana i wsp. [44] (dodatkowo w przypadku CO i NO2).

Wu i wsp. [58] oraz Santi i wsp. [44] opisali negatywne oddziaływanie PM2,5 na gęstość nasienia. Badacze pracujący pod kierunkiem Wu za szkodliwe (jak również w przypadku obniżenia objętości nasienia) uznali także PM10, natomiast zespół Santiego nie stwierdził wpływu tego rodzaju pyłów na gęstość nasienia, a jedynie niekorzystne oddziaływanie na jego objętość.

Ryc. 1. Wpływ zanieczyszczeń powietrza na rozród człowieka

Badania prowadzone przez Rubes i wsp. [43], Calogero i wsp. [5] oraz Selevan i wsp. [45] wykazały, że ekspozycja na zanieczyszczenia powietrza przyczynia się do nasilenia zjawiska fragmentacji DNA w nasieniu męskim. De Rosa i wsp. [13], a także Radwan i wsp. [42] w badaniach dotyczących ekspozycji na PM2,5, PM10, SO2, NO2 i CO uznali brak związku między zanieczyszczeniem powietrza a zaburzeniami integralności chromatyny plemnika. Do podobnych wniosków doszli Hansen i wsp. [26] na temat oddziaływania O3 i PM2,5. Jurewicz i wsp. [29] opisali natomiast wpływ PM2,5 na rozwój disomii Y, 21.

Lafuente i wsp. [31] podjęli się metaanalizy doniesień na temat wpływu zanieczyszczeń powietrza na parametry nasienia, która nie wykazała na obecnym etapie możliwości jednoznacznego stwierdzenia, który z czynników i na jakie właściwości ejakulatu wpływa najbardziej. W podsumowaniu badań skłonili się do powiązania nieprawidłowości budowy morfologicznej plemnika z oddziaływaniem zanieczyszczeń powietrza. Występowanie nieprawidłowości dotyczących pozostałych parametrów (gęstości, ruchliwości, fragmentacji DNA) nie było na tyle jednoznacznie powiązane z wpływem zanieczyszczeń, żeby sformułować pewne wnioski. Niewątpliwie przyczyną tego były różnice modeli badawczych stosowanych przez różne zespoły naukowców [31].

Inna metaanaliza dokonana przez Vecoli i wsp. [50] udowodniła niekorzystny wpływ zanieczyszczeń powietrza na procesy epigenetyczne w nasieniu. Autorzy zwrócili szczególną uwagę na: nieprawidłową metylację DNA, zmienioną ekspresję mitochondrialnego RNA, zaburzoną modyfikację białek histonowych, zmiany ekspresji genów oraz fragmentację DNA, jako patomechanizmy powodujące uszkodzenia materiału genetycznego plemnika. Skutkiem tych nieprawidłowości mogą być obniżona jakość nasienia, występowanie poronień oraz wad wrodzonych płodu, a także niektórych chorób w przyszłych pokoleniach [50].

Podsumowanie

Zanieczyszczenia zawarte w powietrzu niewątpliwie niekorzystnie wpływają na funkcje rozrodcze człowieka, lecz wiedza na ten temat wymaga dalszego usystematyzowania. Liczne doniesienia naukowe nie są spójne i nie pozwalają na jednoznaczną odpowiedź na pytanie, która z substancji chemicznych obecnych we wdychanym powietrzu jest najbardziej szkodliwa i na jakie funkcje rozrodcze najsilniej oddziałuje. Ocena wpływu zanieczyszczeń atmosferycznych na rozród człowieka jest trudna ze względu na jednoczesne oddziaływania wielu substancji chemicznych w tym samym czasie w połączeniu z innymi szkodliwymi czynnikami środowiskowymi. Trudności w ocenie sprawia także przemieszczanie się osób. Zmienna ekspozycja na te substancje zależy m.in. od warunków i charakteru aktywności zawodowej, zmian pogodowych czy indywidualnego stosowania zasad bezpieczeństwa i higieny pracy. Indywidualne są także mechanizmy chroniące przed stresem oksydacyjnym wywołanym przez zanieczyszczenia powietrza.

Znaczącą rolę w poznaniu tego zjawiska będą miały czynności związane z nieustannym monitoringiem stężenia szkodliwych substancji w środowisku. W przyszłości najlepszym rozwiązaniem byłaby konstrukcja i indywidualne zastosowanie dozymetru, który mógłby mierzyć ekspozycję na zanieczyszczenia przez przemieszczającą się osobę. Być może rozwój techniki i zapotrzebowanie świata nauki w tym zakresie w najbliższym czasie przyczynią się do wynalezienia takiego urządzenia.

Doniesienia naukowe dotyczące szkodliwego wpływu, jaki wywierają zanieczyszczenia środowiska na zdrowie człowieka, rodzą potrzebę działań mających na celu obniżenie ich emisji do środowiska, a także indywidualną ochronę przed ich wpływem. W medycynie rozrodu oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza może być odpowiedzialne za występowanie niepłodności idiopatycznej. Rolą lekarza zajmującego się parą w okresie starań o ciążę oraz w czasie jej trwania jest odpowiednia edukacja mająca na celu wdrożenie profilaktyki zdrowotnej chroniącej przed nadmierną ekspozycją na szkodliwe związki chemiczne zawarte w powietrzu. Istotne jest także uświadomienie osobom planującym ciążę, że niekorzystny wpływ zanieczyszczeń powietrza na rozród dotyczy także co najmniej trzech miesięcy przed planowaną koncepcją w przypadku mężczyzny. Uwarunkowane jest to czasem trwania spermatogenezy.

Istniejące doniesienia naukowe dotyczące niekorzystnego wpływu zanieczyszczeń atmosferycznych na hodowlę zarodków w procedurze zapłodnienia pozaustrojowego powinny wpływać na stosowanie odpowiedniej ochrony w laboratoriach IVF. Zapewnienie możliwie najbezpieczniejszych warunków do przeprowadzenia tej procedury może być uwarunkowane wyborem lokalizacji laboratorium, która nie byłaby w najmniejszym stopniu narażona na występowanie szkodliwych substancji w powietrzu. Wybór miejsca powinien zostać poprzedzony pomiarami stężeń zanieczyszczeń w planowanej lokalizacji. Dobre warunki hodowli zarodków można uzyskać także przez zastosowanie filtrów eliminujących zanieczyszczenia powietrza.

Alarmujące doniesienia służb odpowiedzialnych za monitoring zanieczyszczeń powietrza, dotyczące okresowego przekraczania dopuszczalnych stężeń tych substancji z pewnością będą motywowały środowisko naukowe do dalszych badań nad ich szkodliwym wpływem na ludzki organizm. Wyniki uzyskanych dotychczas badań powinny skłaniać do zdecydowanego rozwiązania problemu emisji zanieczyszczeń na szczeblach centralnej władzy. Wskazane byłoby podjęcie działań mających na celu tworzenie bardziej skutecznych rozwiązań prawnych połączonych ze wsparciem budżetowym. Istotne jest także budowanie świadomości społecznej o skali zagrożenia tym problemem.

Autorzy deklarują brak potencjalnych konfliktów interesów.

Pełna treść artykułu