Wpływ zanieczyszczeń powietrza na centralny układ nerwowy

Zanieczyszczenia powietrza mają negatywny wpływ nie tylko na układ oddechowy i układ krążenia, ale także na układ nerwowy^, . Problem dotyczy całej populacji, jednak szczególnie istotny jest w przypadku dzieci i osób starszych.

U dzieci w wieku wczesnoszkolnym narażenie na typowe zanieczyszczenia powietrza (zwłaszcza na pył zawieszony i zawarte w nim substancje) przekłada się na gorszy rozwój intelektualny oraz gorsze wyniki w nauce i testach psychometrycznych. Zanieczyszczone powietrze już na etapie życia płodowego ma wpływ na późniejszy rozwój i funkcjonowanie układu nerwowego.

U osób dorosłych wieloletnie narażenie na zanieczyszczenia powietrza przyspiesza starzenie się układu nerwowego, a w konsekwencji pogłębia i przyspiesza upośledzenie zdolności poznawczych i spadek sprawności umysłowej w podeszłym wieku.

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na układ nerwowy jest badany od ok. dwóch dekad, zatem znacznie krócej niż ma to miejsce w przypadku układu oddechowego czy układu krążenia. Mniejsza więc (choć i tak już bardzo znaczna) jest liczba prac naukowych na ten temat, a wiele istotnych pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlatego wciąż potrzebne są dalsze badania w tym kierunku.

Pośredni i bezpośredni wpływ zanieczyszczeń na układ nerwowy

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na układ nerwowy może mieć charakter pośredni – gorsze funkcjonowanie układu oddechowego i układu krążenia może przekładać się na gorszą kondycję układu nerwowego. Dodatkowo obecność chorób wywołanych bądź nasilonych przez zanieczyszczenia powietrza może negatywnie wpływać na kondycję psychiczną chorych. Jest tak m.in. w przypadku przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP).

Obserwuje się także bardziej bezpośredni wpływ szkodliwych substancji obecnych w powietrzu na rozwój i funkcjonowanie układu nerwowego. Podział na wpływ pośredni i bezpośredni jest zresztą uproszczony. Przykładowo, w wielu badaniach pokazano, że narażenie na zanieczyszczenia powietrza zwiększa ryzyko udaru mózgu, którego konsekwencje dla funkcjonowania centralnego układu nerwowego mogą być bardzo poważne.

Najważniejsze zanieczyszczenia powietrza wpływające na układ nerwowy

„Zanieczyszczenia powietrza” oznaczają tu pył zawieszony i wchodzące w jego skład substancje z grupy wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), a także zanieczyszczenia gazowe: dwutlenek azotu, dwutlenek siarki, ozon i tlenek węgla. Tu omawiamy tylko wpływ, jaki na układ nerwowy mają wymienione wyżej typowe zanieczyszczenia.

Konsekwencje narażenia na zanieczyszczenia powietrza w okresie prenatalnym

Rozwijający się układ nerwowy jest szczególnie wrażliwy na wpływ różnych szkodliwych substancji obecnych w środowisku. Jest tak również w przypadku pyłu zawieszonego i WWA. Drobne cząstki pyłu zawieszonego mogą najprawdopodobniej przenikać przez barierę łożyskowo-naczyniową.

W wielu badaniach pokazano, że prenatalna ekspozycja na zanieczyszczenia powietrza negatywnie wpływa na rozwój układu nerwowego. Z polskiej perspektywy interesujące są wyniki badań prowadzonych w Krakowie^{, , ,} . Analizowano w nich m.in. jak ekspozycja ciężarnych matek na WWA i pył wpływa na rozwój układu nerwowego ich dzieci. Badaniu poddano grupę kilkuset ciężarnych kobiet. W czasie trwania ciąży mierzono narażenie matek na pył zawieszony i WWA. Matki zostały podzielone na dwie w przybliżeniu równe grupy: o wyższym i niższym narażeniu na zanieczyszczenia.

Dzieci bardziej narażonych matek wykazywały w testach w wieku 5. lat iloraz inteligencji (IQ) niższy średnio o 3,8 pkt. niż dzieci matek mniej narażonych. W tego typu badaniach uwzględniono również inne czynniki mogące mieć wpływ na rozwój umysłowy dzieci.

Podobne badania były prowadzone w Nowym Jorku^{, ,} . Ich wyniki również potwierdzają negatywny wpływ, jaki na rozwój psychomotoryczny dziecka ma narażenie jego matki w okresie ciąży na związki z grupy WWA. W szczególności wykazano, że istnieje związek między wyższym narażeniem matek na WWA a deficytami koncentracji i uwagi oraz zwiększoną nadpobudliwością (ang. Attention Deficit Hyperactivity Disorder, ADHD) ich dzieci, a także trudnościami z kontrolą emocji i gorszymi kompetencjami społecznymi.

Postnatalny wpływ zanieczyszczeń powietrza na rozwój układu nerwowego dzieci

Obecnie wiemy już, że istnieje zależność pomiędzy narażeniem na niektóre zanieczyszczenia powietrza po urodzeniu (przede wszystkim na sadzę i bardzo drobne pyły), a zdolnościami poznawczymi dzieci w wieku szkolnym i wczesnoszkolnym.

Dzieci narażone na wyższe stężenia zanieczyszczeń wypadają gorzej w testach psychometrycznych, wykazują także zauważalne opóźnienie w stosunku do normalnego rozwoju umysłowego, właściwego dla ich wieku metrykalnego. Badania pokazują, że im wyższy poziom zanieczyszczeń powietrza w pobliżu szkół, tym gorsze wyniki w nauce i testach psychometrycznych osiągają uczęszczający do nich uczniowie^{, , , , , , ,} .

Badania prowadzone w Bostonie w USA pokazały, że wpływ narażenia na drobną frakcję pyłu zawieszonego jest porównywalny (jeśli chodzi o obniżenie ilorazu inteligencji) z wpływem podwyższonego o 10 µg/dl poziomu ołowiu we krwi (utrata do 5 pkt. IQ) lub paleniem przez matkę 10. lub więcej papierosów w czasie ciąży (4 pkt. IQ). Z kolei z badań prowadzonych w Barcelonie^{, ,} wynika, że u dzieci oddychających bardziej zanieczyszczonym powietrzem obserwuje się wolniejszy rozwój pamięci roboczej i funkcji poznawczych.

Niektórzy zajmujący się tą tematyką epidemiolodzy sugerują wprowadzenie wymagań odnośnie poziomów zanieczyszczeń powietrza w miejscach, gdzie lokowane są szkoły. W przypadku istniejących placówek oświatowych jakość powietrza powinna być zbadana i w razie konieczności poprawiona.

Narażenie na zanieczyszczenie powietrza w dzieciństwie może też zwiększać ryzyko wystąpienia i nasilać problemy psychiczne takie jak depresja i zaburzenia lękowe.

Zanieczyszczenie powietrza a zaburzenia ze spektrum autyzmu

Choroby ze spektrum zaburzeń autystycznych (ang. autism spectrum disorder, ASD) wiążą się z poważnymi zaburzeniami interakcji społecznych, trudnościami w komunikacji, powtarzalnym zachowaniem i ograniczonymi zainteresowaniami, a często także upośledzeniem funkcji poznawczych i rozwoju intelektualnego. Etiologia autyzmu wciąż pozostaje niejasna, wskazuje się zarówno na genetyczne, jak i na środowiskowe czynniki ryzyka^{, ,} .

Coraz więcej wyników badań wskazuje, że wpływ środowiska na występowanie chorób ze spektrum autystycznego może być istotny. W skład zanieczyszczeń powietrza wchodzi wiele substancji, które mogą negatywnie oddziaływać na rozwój i funkcjonowanie układu nerwowego. Uzasadnione wydaje się więc przypuszczenie, że zarówno ekspozycja prenatalna, jak i postnatalna na zanieczyszczenia powietrza może mieć związek z występowaniem spektrum autystycznego. Rzeczywiście, niektóre z badań prowadzonych w ostatnich latach (choć nie wszystkie, patrz niżej) wskazuje na istnienie takiego związku^{, , , ,} .

Według części autorów ogół dowodów na przyczynowo-skutkową zależność między ekspozycją na zanieczyszczenia powietrza a ASD jest coraz bardziej przekonujący – z uwagi na ogólną zgodność wyników badań prowadzonych przez różne grupy oraz fakt, że w większości badań wpływ zanieczyszczeń obserwowany jest jedynie w przypadku szczególnych okresów życia ludzkiego (trzeci trymestr ciąży)^, .

Jednak nie wszystkie prowadzone w ostatnich latach badania potwierdzają istnienie związku między ekspozycją na zanieczyszczenia powietrza i ryzykiem występowania ASD. W przeciwieństwie do badań amerykańskich, badania prowadzone w Europie w ramach projektu ESCAPE (European Study of Cohorts for Air Pollution Effects) nie wykazały takiego związku ani dla pyłu zawieszonego, ani dla tlenków azotu. Wydaje się więc, że potrzebne są dalsze badania, zarówno epidemiologiczne jak i toksykologiczne, które pomogłyby wyjaśnić czy obserwowane związki między narażeniem na zanieczyszczenia powietrza a występowaniem ASD mają charakter przyczynowo-skutkowy.

Wpływ ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza na funkcjonowanie układu nerwowego u osób dorosłych

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na ludzki mózg nie ogranicza się do dzieci i młodzieży. Dysponujemy obecnie wynikami wielu badań epidemiologicznych pokazujących, że oddychanie zanieczyszczonym powietrzem negatywnie wpływa także na centralny układ nerwowy u dorosłych.

Badania prowadzone kilka lat temu w Chinach wykazały istnienie korelacji pomiędzy wartością indeksu jakości powietrza (API), a wynikami testów oceniających zdolności językowe i matematyczne dorosłych mieszkańców Chin. Testy te były częścią Chińskich Badań Panelowych nad Rodziną (China Family Panel Studies, CFPS), kompleksowego badania chińskich rodzin, obejmującego osoby w różnym wieku. Badano zarówno wpływ narażenia krótko- jak i długoterminowego. Podobnie jak w przypadku wielu innych efektów zdrowotnych, wpływ ekspozycji długoterminowej okazał się dużo silniejszy. Wpływ jakości powietrza na wyniki testów był szczególnie silny w przypadku mężczyzn o niskim poziomie wykształcenia.

Z kolei w badaniach prowadzonych w Kanadzie pokazano, że istnieje statystycznie istotna zależność między stężeniem zanieczyszczeń takich jak tlenek węgla, dwutlenek azotu, dwutlenek siarki czy pył zawieszony PM₁₀, a liczbą prób samobójczych w Vancouver. Podobna zależność została zaobserwowana dla liczby przypadków depresji zgłaszanych w szpitalnych izbach przyjęć (dane z 6. miast kanadyjskich). Istnieją też nowsze badania brytyjskie pokazujące, że zanieczyszczenia powietrza mogą sprzyjać zaostrzeniu problemów psychicznych.

W badaniach amerykańskich znaleziono korelację pomiędzy poziomem zanieczyszczenia powietrza a poziomem przestępczości. Przebadano dane dotyczące ponad 2 milionów poważnych przestępstw odnotowanych w Chicago w okresie 12 lat. W dniach kiedy kierunek wiatru był prostopadły do danej ulicy, po stronie ulicy zgodnej z kierunkiem wiatru liczba przestępstw z użyciem przemocy była średnio o 2,2% wyższa niż po stronie przeciwnej. Związek ten występował jedynie w przypadku przestępstw z użyciem przemocy, a nie np. w przypadku przestępstw dotyczących mienia. Autorzy przytaczają także wyniki innych badań dotyczących wpływu zanieczyszczenia powietrza na zachowania ludzkie. Wydaje się, że wpływ ten ma dwojaki charakter: składowe zanieczyszczenia powietrza mogą oddziaływać na centralny układ nerwowy bezpośrednio, wywołując zmiany na poziomie fizjologicznym, jak też pośrednio, na poziomie psychologii jednostki poprzez wywoływanie złego samopoczucia, które może z kolei prowadzić do zachowań antyspołecznych.

Istnieją również badania pokazujące, że zmniejszenie poziomu zanieczyszczeń powietrza na danym obszarze może zwiększać produktywność pracowników^{, , , ,} .

Wpływ długoletniej ekspozycji na pył zawieszony na sprawność umysłową osób starszych

Istnieje coraz więcej badań pokazujących, że długotrwałe narażenie na pył zawieszony może nasilać i przyspieszać proces starzenia się układu nerwowego, a w konsekwencji pogłębiać upośledzenie zdolności poznawczych i przyspieszać utratę sprawności umysłowej w podeszłym wieku^{, , , , , , , .}

Stwierdzono również istotną zależność pojawiania się objawów demencji, w tym choroby Alzheimera, od poziomu różnych zanieczyszczeń związanych z transportem samochodowym (oprócz ozonu) w miejscu zamieszkana.

Już dekadę temu ukazała się praca, której autorzy badali wpływ drobnych frakcji pyłu zawieszonego na funkcje poznawcze grupy 680. mężczyzn (średnia wieku 71 lat) z obszaru metropolitalnego Wielkiego Bostonu. W latach 1996–2007 członków tej grupy poddawano testom oceniającym ich zdolności poznawcze. Poziom ekspozycji na pył zawieszony w miejscu zamieszkania badanych osób oszacowano używając modelu uwzględniającego dane z 83. stacji pomiarowych. Podwyższona ekspozycja na pył zawieszony wiązała się w sposób istotny z gorszymi wynikami testów. Autorzy podają, że pogorszenie sprawności umysłowej zależało w przybliżeniu liniowo od logarytmu ze stężenia pyłu, a dwukrotnie większa ekspozycja odpowiadała różnicy wieku równej 1,9 roku. Można to interpretować jako szybsze starzenie się układu nerwowego osoby narażonej na wyższe stężenia zanieczyszczeń. W innej pracy Power i wsp. sugerują, że wrażliwość na negatywne dla układu nerwowego skutki długotrwałej ekspozycji na pył zawieszony może być uwarunkowana genetycznie.

Weuve i wsp. przebadali jak długoterminowe narażenie na pył zawieszony wpływało na zdolności poznawcze ponad 19 tys. kobiet w wieku 70–81 lat. Pokazano, że wyższy poziom ekspozycji na zanieczyszczenia związany był z istotnie szybszym pogorszeniem funkcji poznawczych u badanych osób. Według autorów różnica w długoterminowym narażeniu na pył zawieszony równa 10 µg/m³ odpowiada, jeśli chodzi o zdolności poznawcze, nawet dwuletniej różnicy wieku.

Badania prowadzone na grupie ok. 3 tys. mieszkańców Sztokholmu (Szwecja) obserwowanych przez 11 lat pokazują z kolei, że przewlekłe narażenie na pył PM_2,5 zwiększa ryzyko demencji, szczególnie w przypadku osób cierpiących na choroby sercowo-naczyniowe. Co istotne, badania prowadzono w miejscu gdzie poziom zanieczyszczeń był niski.

Pogorszenie sprawności intelektualnej osób starszych wiąże się w oczywisty sposób ze zmniejszeniem lub utratą ich samodzielności, większą liczbą pobytów w szpitalu, częstszą koniecznością opieki pielęgniarskiej (czy to w domu pacjenta, czy w wyspecjalizowanych ośrodkach, takich jak – w realiach polskich – Zakłady Opiekuńczo-Lecznicze czy Domy Pomocy Społecznej), a w końcu ze zwiększoną umieralnością.

Istnieją badania pokazujące, że długotrwała ekspozycja na zanieczyszczenia powietrza łączy się u osób starszych także z wyższym prawdopodobieństwem występowania niekorzystnych zmian strukturalnych w mózgu. Badaniu poddano grupę osób powyżej 60. roku życia, wolnych od demencji i bez przebytych udarów mózgu. Długotrwałe podwyższone narażenie na pył zawieszony PM_2,5 związane było z niekorzystnymi zmianami anatomicznymi w obrębie mózgu, w tym z mniejszą całkowitą objętością mózgu, która uważana jest za wskaźnik zaniku mózgu związanego z wiekiem. Podobnie jak w przypadku przytoczonych niżej badań dzieci i psów z Meksyku^{, ,} , zmiany w mózgu diagnozowano przy użyciu obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Zanieczyszczenie powietrza może też nasilać objawy depresji u osób starszych. Badania prowadzone w Seulu (Korea) na grupie ponad 500. osób wykazały istotny związek między symptomami depresji a stężeniami pyłu zawieszonego PM₁₀, dwutlenku azotu i ozonu.

Mechanizmy szkodliwego oddziaływania pyłu zawieszonego na układ nerwowy

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na układ nerwowy widać nie tylko w badaniach epidemiologicznych. Badania laboratoryjne prowadzone zarówno na zwierzętach, jak i na ludziach pokazują, że najdrobniejsze cząstki pyłu zawieszonego (ang. ultrafine particles, cząstki o średnicy poniżej 0.1 µm) mogą przedostawać się z płuc do układu krążenia^, i dalej do mózgu, serca, wątroby, nerek czy śledziony^, . Ważnym, a często głównym źródłem takich cząstek są silniki spalinowe.

Bardzo drobne cząstki pyłu (sadzy) znaczone radioaktywnym izotopem 13C znajdowano zarówno w kresomózgowiu, jak i w móżdżku szczurów wcześniej poddanych ekspozycji na takie cząstki. Autorzy stwierdzili, że cząstki pyłu najprawdopodobniej przedostają się do mózgu także za pośrednictwem nerwu węchowego, co potwierdzono w późniejszych pracach^, .

Przenikanie nanocząstek do mózgu za pośrednictwem nerwu węchowego pokazano również u ludzi. Konkretnie chodzi tu o cząstki o średnicy poniżej 0.2 μm, składające się z tlenku żelaza – magnetytu, a powstające najprawdopodobniej w wyniku procesów spalania w wysokich temperaturach.

Bardzo istotnych informacji dostarczyły też badania prowadzone w aglomeracji miasta Meksyk^, , które obejmowały 73 zdrowe (bez otyłości, czynników ryzyka w kierunku chorób neurologicznych czy zaburzeń umysłowych) dzieci (średnia wieku 10,5 roku) oraz pewną ilość zdrowych, młodych psów z aglomeracji miasta Meksyk i miast kontrolnych o znacznie mniejszym poziomie zanieczyszczenia powietrza: Polotitlán i Tlaxcala.

Mózgi zarówno dzieci, jak i psów badano za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Dodatkowo, mózgi psów poddane zostały badaniu histopatologicznemu.

U 56% dzieci i u bardzo podobnego odsetka (57%) psów z aglomeracji Meksyku zaobserwowano zmiany anatomiczne o charakterze patologicznym w obszarze kory przedczołowej. Wśród dzieci z Polotitlán odsetek ten wynosił 7,6%. W porównaniu z grupą dzieci z Polotitlán, dzieci z miasta Meksyk wypadały gorzej w testach psychometrycznych, którym były poddane wszystkie dzieci biorące udział w badaniach. W przeciwieństwie do dzieci z Polotitlán, dzieci z Meksyku wykazywały także zauważalne opóźnienie w stosunku do normalnego rozwoju umysłowego, właściwego dla ich wieku metrykalnego.

U psów z miasta Meksyk badania histologiczne wykazały obecność stanu zapalnego, powiększenie przestrzeni Virchowa-Robina, glejozę oraz depozycję w mózgu cząstek pyłu zawieszonego. Autorzy badań podkreślają, że w swoich wcześniejszych pracach pokazali podobieństwo efektów zdrowotnych ekspozycji na zanieczyszczenia powietrza u ludzi i psów.

Wpływ zanieczyszczeń powietrza na układ nerwowy psów badano także wcześniej. Badania histologiczne wykazały u psów obecność przewlekłego stanu zapalnego mózgu, a także zmiany o charakterze patologicznym, zbliżone do tych, jakie obserwuje się przy chorobie Alzheimera. Autorzy stwierdzają, że choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera, mogą rozpoczynać się już na stosunkowo wczesnym etapie życia, a zanieczyszczenia powietrza mogą odgrywać w tym procesie istotną rolę. Również Campbell i wsp. wykazali, że ekspozycja na drobne cząstki pyłu zawieszonego podnosi poziom cytokin prozapalnych w tkance mózgowej (w tym wypadku u myszy). Według autorów może się to przyczyniać do powstawania chorób neurodegeneracyjnych (choroba Parkinsona, choroba Alzheimera). To, że przewlekły proces zapalny tkanki mózgowej może mieć kluczowy związek z patogenezą choroby Alzheimera pokazano już kilka lat wcześniej.

W innym badaniu na zwierzętach laboratoryjnych przez okres 10. miesięcy poddawano jedną z 2 grup myszy (samców) działaniu powietrza zanieczyszczanego pyłem zawieszonym PM_2,5 o stężeniu ok. 94 µg/m³, ale tylko przez 6 godzin dziennie i przez 5 dni w tygodniu. Uśrednione po 10–miesięcznym okresie badania stężenie miało wartość jedynie 16,8 µg/m³. Grupie kontrolnej podawano powietrze filtrowane. W porównaniu do grupy kontrolnej, myszy poddane działaniu zanieczyszczonego powietrza wykazywały zaburzenia pamięci i orientacji przestrzennej oraz nasilone zachowania o charakterze depresyjnym. Co więcej, u myszy z grupy eksponowanej na zanieczyszczenia, w hipokampie – obszarze mózgu odpowiedzialnym za pamięć, zdolność uczenia się i orientację przestrzenną – zaobserwowano ekspresję cytokin prozapalnych oraz zmiany anatomiczne.

Obserwowanych w badaniach epidemiologicznych zależności między narażeniem na zanieczyszczenia a funkcjonowaniem układu nerwowego nie można więc uznać jedynie za „korelacje, które nie muszą oznaczać związku przyczynowo-skutkowego”. Dodatkowo, badania laboratoryjne na zwierzętach z oczywistych powodów umożliwiają weryfikację hipotez, których nie można sprawdzić na ludziach (lub jest to dużo trudniejsze).

Przegląd zarówno badań epidemiologicznych, jak i badań na zwierzętach można znaleźć m.in. w pracy Costy i współpracowników, poświęconej neurotoksycznemu oddziaływaniu zanieczyszczeń generowanych przez motoryzację (emisje z silników spalinowych, przede wszystkim silników Diesla).