DOKTORI ÉRTEKEZÉS SZŐKE RÉKA

Átírás

1 DOKTORI ÉRTEKEZÉS SZŐKE RÉKA 28

2 ÜVEGSZÁLAK EGÉSZSÉGKÁROSÍTÓ HATÁSÁNAK TANULMÁNYOZÁSA HAGYOMÁNYOS ÉS NUKLEÁRIS MÓDSZEREKKEL Szőke Réka ELTE TTK, Kémia Doktori Iskola Iskolaezető: Prof. Dr. Inzelt György, D.Sc. Analitikai, kolloid- és környezetkémia, elektrokémia doktori program Programezető: Prof. Dr. Záray Gyula, D.Sc. Témaezető: Dr. Sziklainé László Ibolya tudományos főmunkatárs Magyar Tudományos Akadémia KFKI Atomenergia Kutatóintézet 1

3 Köszönettel tartozom mindenekelőtt témaezetőmnek, Dr. Sziklainé László Ibolyának, hogy iránymutatásáal, emberi és szakmai segítségéel hozzájárult a dolgozat elkészítéséhez;... Dr. Simonits Andrásnak, Dr. Balásházy Imrének, Dr. Kerényi Tibornak, Dr. Jäckel Mártának, Dr. Alföldy Bálintnak és Dr. Pintér Annának a tőlük kapott szakmai támogatásért;... Dr. Baranyainé Fliszár Rózsának, alamint az Anyagszerkezeti Laboratórium munkatársainak a munkám során nyújtott segítségért; az MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézetnek, hogy biztosította számomra a kutatáshoz szükséges tárgyi és anyagi feltételeket; férjemnek és családomnak megértésükért és önzetlen támogatásukért. Szőke Török Réka 2

4 Tartalomjegyzék I. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK...5 II. A TUDOMÁNYTERÜLET BEMUTATÁSA...8 III. AZ ÜVEGGYAPOT RESPIRÁBILIS FRAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA...14 III.1. A minták eredete, mintaétel...14 III.2. Az üeggyapot fizikai paramétereinek meghatározása...17 III.2.1. Mintaelőkészítés...17 III.2.2. Mérési módszerek...17 III.3. Eredmények...19 IV. AZ ÜVEGGYAPOT LÉGZŐRENDSZERI KIÜLEPEDÉSÉNEK VIZSGÁLATA...22 IV.1. A légúti depozíció numerikus leírása a Sztochasztikus Tüdőmodellel...23 IV.2. A bioszolubilis üeggyapot légzőrendszeri kiülepedéseloszlása...27 IV.3. Az eredmények értékelése, köetkeztetések...32 V. AZ ÜVEGGYAPOT KÉMIAI ÖSSZETÉTELÉNEK VIZSGÁLATA...34 V.1. Kísérleti eljárások és módszerek...34 V.1.1. Pásztázó elektonmikroszkópia, energiadiszperzí mikroanalizátor...34 V.1.2. Műszeres neutronaktiációs analízis...35 V.2. Mérési eredmények és értékelésük...39 V.2.1. Főkomponensek és elemeloszlás...39 V.2.2. Üeggyapot minták makro- és mikrokomponensei...43 VI. ÚJ AKTIVÁCIÓS ANALITIKAI ELJÁRÁS KIDOLGOZÁSA: EPIBÓROS NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS...45 VI.1. A kutatás háttere...45 VI.2. A kísérleti munka leírása...47 VI.3. Eredmények és értékelésük...51 VI.3.1. R B faktorok kísérleti meghatározása...51 VI.3.2. A bór-abszorbens hatása a neutronfluxusra...52 VI.3.3. R B faktorok számítása...56 VI.4. Az epibóros NAA gyakorlati alkalmazása...62 VI.5. Az INAA és az epibóros NAA módszerek teljesítmény-jellemzői...66 VI.5.1. Standard referencia anyagok izsgálata...66 VI.5.2. Kimutatási és meghatározási határok összehasonlítása...69 VI.6. Az INNA és ENAA módszerrel kapott mérési eredmények összehasonlítása

5 VII. PATKÁNYTÜDŐBE INJEKTÁLT ÜVEGPOROK EGÉSZSÉGÜGYI HATÁSÁNAK VIZSGÁLATA...75 VII.1. Irodalmi áttekintés...75 VII.2. A Magyarországon gyártott üeggyapot izsgálata in io kísérletben...77 VII.2.1. A kísérleti munka leírása...78 VII.3. Kísérleti eredmények...78 VIII. AZ EREDMÉNYEK ÖSSZEGZÉSE...82 Irodalomjegyzék...86 Összefoglalás...94 Summary...95 Függelék

6 Első fejezet Beezetés, célkitűzések Az éezredek óta használt természetes rostról, az azbesztről bebizonyosodott humán karcinogenitása. Az azbesztózis óta ismert, az 5-es és 6-as éekre pedig nyilánalóá ált a foglalkozási azbesztexpozíciónak a tüdőrákkal, alamint a mesotheliomáal 2 aló összefüggései (Cooke, 1927; Doll, 1955; Wagner és mtsai, 196; Wright, 1969). Különböző országokban égzett felmérések szerint az azbesztózis aetiológiájának közel 1%-ában, a pleurális mesotheliomák aetiológiájának 85%-ában, a tüdőráknak mintegy 5%-ában szignifikáns foglalkozási azbesztexpozíció mutatható ki. Miel az expozíciót köetően az azbesztszál hosszanti irányban hasad, egy, a tüdőben beágyazódott szálból időel akár több, tűhegyes szál is keletkezik nöelén ezáltal a tüdő irritációját, alamint a rák kialakulásának kockázatát. A lappangási idő hosszú, é között áltozik. A legújabb adatok szerint Európa országaiban körülbelül minden századik ember, Magyarországon a népesség mintegy 1%-a hal meg azbeszt okozta betegségben, ez a számérték előreláthatóan még 1-2 éig emelkedik. A mortalitási csúcs az Egyesült Államokban 21, Európában pedig 22 körül árható, a korábbi étizedek rekordmennyiségű azbesztfelhasználása köetkeztében (Tompa, 1996). Az azbeszt karcinogén hatását felismere ilágszerte nagy erőfeszítéseket tesznek a különböző azbesztféleségek felhasználásának korlátozására, a krokidolit 3 tartalmú alamennyi termék kionására a piacról, alamint a munkahelyi rostkoncentráció olyan mértékű csökkentésére, amely alószínűleg az emberi egészségre eszélytelen. Az azbeszt előállítása és forgalmazása július 1-től nem engedélyezett az Európai Unióban. Magyarországon az Egészségügyi és Környezetédelmi Minisztériumok közös rendelete (41/2. (II.2.) EüM-KöM) 25. január 1-től betiltotta minden azbesztet tartalmazó termék forgalmazását és felhasználását. Az azbesztmentesítés körülményeit és a onatkozó határértékeket a 26/2. (IX.3.) EüM rendelet szabályozza. Az azbesztet szálas, mesterségesen előállított szigetelőkkel (az angol man-made mineral fibers, illete a synthetic itreous fibers elneezések alapján: MMMFs agy SVF) helyettesítik, melyeknek több, mint a fele üegszál. Napjainkban az egyik leggyakrabban használt szigetelőanyag az üeggyapot. Ez üegből gyártott amorf szilikát, mely tartalmazhat kötőanyagot 1 Az azbeszt kristályokat tartalmazó por huzamos belégzését köető megbetegedés, ami a tüdő megkeményedéséel jár, főleg foglalkozási betegségként fordul elő. 2 A tüdőt borító saóshártya rosszindulatú daganata. A túlélés a diagnózis felállítása után csupán 8-1 hónap; manapság a leginkább izsgált foglakozási betegség. 3 A kék azbeszt a legeszélyesebbnek tartott azbesztfajta. 5

7 és olajat portalanítás céljából, foglalkozási expozíciós határértéke (Threshold Limit Value: TLV) 1 rost/cm 3 (IARC Monographs, ol. 43). Mechanikai hatásra keresztirányba törik, ezért adott esetben olyan méretű részecske is keletkezhet, amely már inhalábilis. Ezek geometriájukból adódóan a szerezet számára eszélyesek, miel a röid, de ékony szálak egész mélyre lejuthatnak a tüdőbe. Az üeggyapot besorolása alamely eszélyességi csoportba az újabb kutatási eredmények ismeretében áltozhat (IARC 1987; IARC 22). Az azbeszt és a különböző típusú mesterséges szálak elsősorban fizikai karcinogénnek tekinthetők, ugyanakkor kémiai összetételükből adódóan akár toxikusak is lehetnek. Ha a szálas szigetelő anyagokat a tüdőben oldódó és a szerezet számára toxikus elemeket nem tartalmazó üeggyapottal lehetne helyettesíteni, eszélyességük gyakorlatilag megszűnne. A Semmelweis Egyetem, II. Patológiai Intézetében éek óta izsgálják az üeggyapot és más szálas szerkezetű anyagok humán egészségkárosító hatását (Kerényi és mtsai., 1995; Jäckel és mtsai., 1999; 25). Kapcsolóda ezen kutatásokhoz, doktori munkám keretében tanulmányoztam a Magyarországon óta gyártott, ún. bioszolubilis 4 üeggyapot fizikai tulajdonságait, légzőrendszeri kiülepedését, kémiai összetételét és az élő szerezetre gyakorolt hatását. Dolgozatom egyik célkitűzése egy új aktiációs analitikai eljárás kidolgozása olt, amely lehetőé teszi a tüdőben oldódó és nem oldódó üeggyapotok kémiai összetételének pontos meghatározását. A kutatómunka alapető feladatait az alábbiakban foglaltam össze: Mintaételi eljárások kidolgozása, mintaétel a gyártás különböző szakaszaiban. A respirábilis bioszolubilis üeggyapotpor fizikai paramétereinek: szemcseméret eloszlás, átmérő, alakzat meghatározása mikroszkópos képanalitikai módszerekkel. Az üeggyapot légzőrendszeri kiülepedésének izsgálata a Sztochasztikus Tüdőmodellel. A minta kémiai összetételének meghatározása műszeres neutronaktiációs analitikai módszerrel. Epitermikus neutronaktiációs analitikai eljárás kidolgozása a főkomponensek (Ca, Na, P,...) zaaró hatásának kiküszöbölésére. Patkánytüdőbe instillált hagyományos és bioszolubilis üeggyapotporok egészségkárosító hatásának összehasonlító izsgálata. A dolgozat felépítését tekinte a mesterséges szálak egészségre gyakorolt hatásának röid ismertetéséel kezdődik. Az irodalmi beezetést a minták ételezését, előkészítését és fizikai paramétereinek meghatározását bemutató kísérleti rész köeti. Ezután a mért fizikai paraméterek 4 bioszolubilis - sejtnedek hatására oldódik. 6

8 függényében, az üeggyapot légzőrendszeri kiülepedését tárgyaló rész, majd a kémiai összetétel ismertetése köetkezik (előbb az alkalmazott meghatározási eljárásokat jellemző izsgálatok tárgyalása, majd a mintákra onatkozó izsgálati eredmények). Külön figyelmet fordíta az irodalomban található szelektí besugárzásra onatkozó adatokkal aló összehasonlításra, ismertetem a kidolgozott epibóros NAA módszert és alkalmazásának előnyeit, égül in io eredményeim bemutatása köetkezik. A dolgozatban a fejezetenként leírt eredményeimet egy röid, különálló fejezetben foglalom össze. A mérési eredményeket bemutató táblázatok, ábrák és grafikonok a dolgozatban a rájuk onatkozó szöegkörnyezetben, az irodalomjegyzék elkülöníte az értekezés égén található. Az irodalomjegyzéket magyar és angol nyelű tartalmi összefoglaló köeti. A dolgozatot függelék zárja. 7

9 A tudományterület bemutatása Második fejezet A rákos sejt kialakulásának patomechanizmusa inhalált szálas anyagok esetében még nem teljesen tisztázott. Az állatkísérletek eredményei arra engednek köetkeztetni, hogy maga a szál geometriája, a dózis, alamint a részecske bioszolubilitása határozza meg a toxicitás mértékét és a rák kialakulásának alószínűségét (Bertman és mtsai., 1995; Vanessa és Daid, 1997; Masayuki és mtsai., 21; Oberdörster, 22; IARC, 22). Így például a sejtnedekkel szemben ellenálló, hosszanti irányban széthasadó inhalált azbeszt szálak, különösen a krokidolit, DNS károsodást, bronchiális átrendeződést és malignus sejttranszformációt okoznak (Marcynski és mtsai., 1994; Voss és mtsai., 2). Az azbeszt helyettesítésére kidolgozott mesterséges szálak, az üeg-, ásány-, kőzet- és salakgyapot esetében is felmerült, hogy bizonyos szálméret esetén karcinogének lehetnek. A mesterséges szálakat különbözőképpen csoportosíthatjuk, az egyik lehetséges osztályozást az 1. ábrán mutatom be. Mesterséges szál Inhalábilis Nem inhalábilis üeg kristályszerkezetű egykristály polikristály bioperszisztens bioszolubilis 1. ábra. Mesterséges szálak osztályozása. 8

10 Ha egy részecske a légzőrendszerbe kerül, ott különböző folyamatok réén fejtheti ki hatását. A 2. ábra diagram formájában mutatja be a depozíció, alamint a biológiai hatás kialakulásának lépéseit. EXPOZÍCIÓ nem ülepedik ki Inhalábilis RÖVID SZÁLAK Inhalábilis HOSSZÚ SZÁLAK nem ülepedik ki ALVEOLÁRIS DEPOZICIÓ ALVEOLÁRIS DEPOZICIÓ TISZTULÁS makrofág útján TISZTULÁS aprózódás & oldódás TÜDŐIRRITÁCI Ó TÜDŐIRRITÁCI Ó BIOLÓGIAI HATÁS 2. ábra. A kiülepedett szálak biológiai hatását befolyásoló tényezők, Maxim (26) publikációja alapján. Azt a részecskét neezzük szálnak, melynek a hosszúság-szélesség aránya nagyobb, mint 3. A szakirodalom szerint a 1 µm-nél kisebb aerodinamikai átmérőjű 5 részecske már lejuthat a tüdőbe. A legújabb kutatások szerint egészségre eszélyesnek tekinthető az a szál alakú részecske, amely hosszabb, mint 5 µm és melynek szélessége kisebb mint 1,5 µm. Ha a leegőben nagy mennyiségű szál lebeg, az inhalációt köetően felső légúti irritáció léphet fel. Amint a szál 5 Az aerodinamikai átmérő annak az egységnyi sűrűségű gömbnek az átmérője, mely a izsgált részecskéel azonos határsebességgel ülepedik ki. 9

11 elhagyja a felső légutat, az irritáció megszűnik. Napjainkban a munkaédelmi szabályok folyamatos mintaételt és ellenőrzést írnak elő a gyártási területen. Általában a gyárak munkalégterének leegőjében szálló részecskék száma cm 3 -re leoszta nagyon kicsi, többnyire keesebb, mint,2 darab/cm 3, illete kisebb, mint 1, mg/m 3 (IARC Monographs, ol. 43). A 9-es éekben számos, olykor egymásnak ellentmondó tanulmány jelent meg a mesterséges szálak egészségügyi hatásáról (IARC, 1988; Yamato és mtsai., 1994; Touray és Baillif, 1994; Luoto és mtsai., 1994; Bender és Hadley;1994; Hesterberg és mtsai., 1997). A toábbiakban röiden ismertetem a onatkozó irodalomban található eredményeket és köetkeztetéseket. Epidemiológiai izsgálatok eredményei Európai, amerikai és kanadai gyárakban mesterséges szálakkal dolgozó munkások foglalkozástörténeti adatait feldolgoza, több átfogó tanulmány is készült az elmúlt étizedekben. Ennek ellenére, a mesterséges szálak egészségre gyakorolt hatásának pontos becslésére jelenleg még nem áll rendelkezésre elegendő epidemiológiai adat, miel a izsgált populáció minden esetben kis létszámú, amit a mesterséges rostok iszonylag röid ideje történő felhasználása, alamint a hosszú látencia idő magyaráz. Európa: A WHO keretén belül működő Nemzetközi Rákkutató Ügynökség (IARC) ban 13, mesterséges szigetelőket gyártó európai gyárban izsgálta az ott dolgozók egészségi állapotát a foglalkozástörténetük alapján. A felmérést égző kutatók az 193-as éektől, mintegy 7 é megbetegedési és halálozási eseteit dolgozták fel (Olsen és Jensen, 1984; Andersen és Langmark, 1986; Simonato és mtsai., 1987; Boffeta és mtsai., 1997; 1999; Lea és mtsai., 1999; Smith és mtsai., 21; Stone és mtsai., 21; Youk és mtsai., 21). A legtöbb esetben a munkásoknál rákot, mentális rendellenességet, szíelégtelenséget, légúti- és emésztőrendszeri megbetegedést diagnosztizáltak. Simonato 1986-ban arról számolt be, hogy kiemelkedően nagyszámú rákos megbetegedés diagnosztizálható azoknál a dolgozóknál, akik a termelés azon szakaszát felügyelték, ahol még nem használtak szálmegkötő reagenst. Egy éel később megjelent dolgozatában megállapította, hogy a kapott eredmények nem elegendőek annak bizonyítására, hogy a rákos megbetegedések kiáltójának egyértelműen és kizárólag a mesterséges szálakat jelöljék meg (Simonato és mtsai., 1987). Egy másik tanulmány szerint 3685 kő- és salakgyapot, alamint 2611 üeggyapot SVF dolgozó betegedett meg, agy halt meg tüdőrákban Dániában, Finnországban, Norégiában és Sédországban 193 és 1995 között (Bofetta és mtsai., 1999). Európában összesen 5 mesotheliomás halálesetet regisztráltak mesterséges szálexpozíciót köetően (Rodelsberger és mtsai., 21). Miel ez a keés számú adat statisztikailag nem szignifikáns, ezért nem jelenthető ki, hogy megnőtt a mesotheliomás megbetegedések kockázata. 1

12 Amerikai Egyesült Államok: A 7-es éekben égzett retrospektí felmérések szerint nem találtak összefüggést a megnöekedett légzőrendszeri és rákos megbetegedések száma, alamint a szálas anyagok expozíciója között (Enterline és Henderson, 1975; Bayliss és mtsai., 1976; Morgan, 1981). Az 194 és 1992 közötti időszakra onatkozó retrospektí adatok magasabb halálozási arányt mutatnak az amerikai SVF dolgozók körében mind az európai adatokhoz, mind pedig a nemzeti halálozási arányhoz iszonyíta (Marsh és mtsai., 21a). Kanada: Shannon és mtsai. (1984; 1987) izsgálták a mesterséges szálak emberre gyakorolt hatását. Habár szignifikánsan megnöekedett a tüdőrákban elhalálozottak száma, nem sikerült kapcsolatot kimutatni a megbetegedések száma és az expozíció időtartama, alamint a légzőrendszeri betegségek kialakulásáig eltelt idő között. A fentieket összefoglala megállapítható, hogy a publikált epidemiológiai eredmények nem szolgáltatnak egyértelmű bizonyítékot a munkakörben eltöltött idő és a mesterséges szálak emberre gyakorolt hatását illetően. A keés számú epidemiológiai adat birtokában pedig nem sikerült összefüggést kimutatni a megnöekedett kockázat és az expozíció hossza között (Enterline, 199; Shannon és mtsai., 199; Wong és mtsai., 1991; Chiazze és mtsai., 1992; 1993; 1995; 22). Megemlítjük, hogy az üegszál esetében a legújabb in io kísérleti eredmények alapján a karcinogenitás megítélése szempontjából különbséget kell tenni a szigetelésre (pl. üeggyapot), illete a speciális célokra gyártott üegszálak (pl. a legkeésbé oldódó, ún. E-475) között. A mesterséges szálak minősítése az egészségre gyakorolt hatásuk alapján Rákkeltőnek agy karcinogénnek neezünk minden olyan kémiai, fizikai anyagot agy biológiai kórt, amelyek hatására a DNS-molekula károsodik és amelynek a legsúlyosabb késői köetkezménye rosszindulatú daganatok képződése lehet az emberi agy állati szerezetben (Tompa, 1996). A bizonyítottan agy feltételezhetően karcinogén anyagok regisztrálását az IARC égzi számos, leginkább a mutagenezisre és a toxicitásra kiterjedt, akár több étizeden át folyó kísérletes és epidemiológiai izsgálatok adatainak felhasználásáal. Ez a munkacsoport 1972 és 25 között összesen 878 együletre és együletcsoportra határozta meg a megfelelő eszélyességi kategóriákat, a fizikai és biológiai expozíció-forrás izsgálatának eredményeként. A rákkeltők eszélyességi csoportokba aló besorolása meghatározott kritériumok alapján történik, attól függően, hogy elegendő, korlátozott, inadekát agy semmiféle bizonyíték nem áll rendelkezésre a humán daganatkeltő hatásra onatkozóan. Ezek alapján 5 csoportot különböztetnek meg: 1: bizonyítottan emberi rákkeltő 6 6 bizonyítottan emberi rákkeltő - az emberben történő rákkeltés erős bizonyítékán alapul. 11

13 2A: alószínűleg emberi rákkeltő 7 2B: lehetséges emberi rákkeltő 8 3: nem besorolható mint rákkeltő anyag 4: emberen alószínűleg nem rákkeltő Az IARC éről ére figyelemmel kiséri a legfrissebb kutatási eredményeket és azok alapján a már korábban minősített anyagokat esetenként más csoportba sorolja. Az 1987-es kiadányban a fenti besorolás alapján a szigetelő anyagok közül a salak-, kőzet- és az ún. hagyományos üeggyapot, alamint a hőálló kerámia (RCF) a 2B, míg az üegszál a 3-as csoportba tartozott. A legújabb in io kísérletek nem szolgáltattak elegendő bizonyítékot az üeggyapot karcinogenitását illetően, ezért a WHO az üeggyapot besorolását felülizsgálta és 22-től a 3-as csoportba sorolta. 198-ban megalakult a Kémiai Biztonság Nemzetközi Program (IPCS), amely rendszeresen közreadja a Környezetegészségügyi Kritériumok Monográfiát (EHCs). Az 1988-ban megjelent "Man-made Mineral Fibres" monográfia leírja, hogy a mesterséges szigetelő anyagok hatására ideiglenesen bőr és felső légúti irritáció léphet fel az SVF dolgozóknál. Állatkísérletek pedig kielégítően bizonyítják, hogy ezek az anyagok nöelhetik a rák kialakulásának kockázatát ban Németországban megalkották a eszélyes anyagokra onatkozó új műszaki szabályokat amelyek lehetőé tették a szálazott termékek rákkeltő hatásának a szálösszetétel alapján történő megítélését (TRGS 95). Ez a műszaki előírás a hagyományos üeggyapotot a 2. kategóriába feltételezett karcinogén, miközben a bioszolubilis üeggyapotot a 3. kategóriába esetleg karcinogén sorolja. Felismere az azbeszt rákkeltő hatását, napjainkban is különböző mesterséges anyagokat kísérleteznek ki annak érdekében, hogy a kiülepedett szálak által indukált daganatos megbetegedések kialakulásának kockázatát minimálisra csökkentsék (pl. bioszolubilis üeggyapot, 1989; szálas szilikát hőszigetelő: AES, 22). Humán epidemiológia szempontból nem áll rendelkezésünkre elegendő bizonyíték a mesterséges szálak egészségkárosító hatására onatkozóan és az ismert adatok csak az SVF dolgozókra és nem a felhasználókra onatkoznak. A különböző típusú mesterséges szálak a rágcsálóknál, laboratóriumi körülmények között, eltérő biológiai álaszreakciót áltanak ki. Így pl. a kerámiarostok tartós tüdőkárosodást, sejtburjánzást indukálnak (IARC 22, 2B besorolás), míg a 475-ös üegszál a patkányok esetében ártalmatlan, de hörcsögökre néze már karcinogén. Miel az inhalációs állatkísérletekben alkalmazott szálkoncentráció több, mint 3-szorosa a munkahelyi leegőben találhatónak, az így kapott eredményekből nem lehet közetlen köetkeztetéseket leonni az emberi szerezetre onatkozóan. 7 alószínűleg emberi rákkeltő - általában az állatban történő rákkeltés erős bizonyítékán alapul, iszont nincs statisztikailag szignifikáns epidemiológiai adat ennek alátámasztására. 8 lehetséges emberi rákkeltő - olyan ágens megjelölésére használják, amelyre korlátozott bizonyíték an az emberben történő rák kialakulására és keesebb, mint elégséges a laborállatokban történő rákkeltésre. 12

14 Szálas anyagok esetében a biológiai álaszreakció szempontjából, a WHO három fő kockázati tényezőt jelöl meg, így a szál geometriáját, a dózist és a bioszolubilitást (IARC, 22). A fentiekben ázolt egészségügyi hatások mértéke és jelentősége miatt célul tűztem ki a bioszolubilis üeggyapot komplex izsgálatát korszerű kísérleti és kiértékelési módszerekkel. 13

15 Harmadik fejezet Az üeggyapot respirábilis frakciójának izsgálata A respirábilis, azaz a aleolusokig is lejutó részecskék mérettartománya az 1 nm-től az 5 μm átmérőig terjedő szakasz. In itro kísérletekben igazolták, hogy sejtkultúrákban a toxicitás foka egyenesen arányos a szálhosszúsággal és fordítottan arányos a szálátmérőel (Masayuki és mtsai, 21; Jäckel és mtsai, 25). Általában minél hosszabb és ékonyabb egy rost (1,5 x 5 mm-nél nagyobb méretű), annál nagyobb a daganat kialakulásának eszélye, miel a rostok könnyen lejutnak a pleurába, illete a tüdő mélyebb régióiba. Ezért a szálas anyagok fizikai paramétereinek pontos meghatározása kockázatbecslés szempontjából kiemelten fontos. A szál mérete és alakja határozza meg, hogy az adott szál respirábilis agy sem. E két tulajdonság a sűrűséggel együtt megszabja a szál kiülepedési helyét a tüdőben. Miel az aleoláris régióban a fagocitózis tekinthető az elsődleges tisztulási mechanizmusnak és az emberi makrofágok 9 átmérője µm között áltozik (patkányoknál ez megközelítőleg 1,5-13 µm körüli), ezek alapján az irodalomban hosszú (> 2µm) és röid szálakat különböztetnek meg. A 2 µm-nél hosszabb szálakat a makrofágok nem képesek eltáolítani a tüdőből. A szál égeinek alakja (hegyes, lekerekített) szintén befolyásolja a szálak sorsát a tüdőben (pl. befúródás, betokozódás). III.1. A minták eredete, mintaétel Egy analitikai rendszer megbízhatóságát és a kapott kémiai információk értékét alapetően befolyásolja a mintaétel és a tárolás módja, toábbá az analízist megelőző előkészítő folyamatok. A mintaételi folyamat első lépése egy pontos mintaételi program kidolgozása, amely magában foglalja a mintaétel helyét, a minták számának, a mintaétel idejének, időtartamának indoklását, a minta heterogenitásából származó koncentráció-ingadozások árható mértékét. A izsgálandó minták számát a kíánt analitikai információ (átlagos összetétel, minták egyedi analízise) szabja meg. A pontos mintaételi eljárás kidolgozása és az optimális izsgálati módszer kiálasztása együttesen biztosítják az eredmények megbízhatóságát. Az aeroszol mintagyűjtéséhez általában alamilyen szűrőt, kaszkád impaktort, agy ezek kombinációit alkalmazzák. Azt, hogy a mintagyűjtéshez milyen mintaeőt kell alkalmazni több tényező határozza meg. Elsősorban az, hogy milyen analitikai módszert alkalmazunk és mi a kutatás célja. A mintaeőknél általában kétféle szűrőt használnak. Az egyik típus a szálas 9 makrofág - nagyméretű egymagú falósejt, az immunrendszer egyik sejtes eleme. 14

16 szerkezetű karc, üeg agy cellulóz anyagú szűrő, mindhárom szűrő esetében a részecskék a szűrő térfogatában rakódnak le (mélységi szűrés). A másik típus a membránszűrő, melyet a ékony polimerfólián (teflon, polikarbonát) létrehozott egyforma méretű pórusok sorozata jellemez. Membránszűrő alkalmazásánál a gyűjtött részecskék egy ékony felületi réteget alkotnak. A szűrő anyagának megálasztása az alkalmazott analitika módszertől függ. A különböző összetételű bioszolubilis és hagyományos üeggyapot izsgálatára a PFLEIDERER Salgótarjáni Üeggyapotgyár Rt. termékeit álasztottam. Az üeggyapot minták gyűjtését 23. óta több alkalommal égeztem; a pontos időszakot, az alkalmazott hordozókat, a mintaszámokat a 1. táblázatban foglaltam össze. 1. táblázat. A mintagyűjtési időszakok, alkalmazott hordozók és a mintaszámok áttekintése. É Műszer/hordozó Minták száma 23. január 23. június 23. október 24. február 24. május 24. október 25. április May kaszkád impaktor/membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez May kaszkád impaktor/ membránszűrő* May kaszkád impaktor/üegtárgylemez *Costar Nucleopore membránszűrő, porúsátmérő,1 μm. A munkahely légterében lebegő üeggyapot részecskék gyűjtését May kaszkád impaktorral (May, 1975) égeztük. A May kaszkád impaktor hét impakciós fokozattal rendelkezik, amelyek d 5 ágási AD-értéke rendre 16, 8, 4, 2, 1,,5 és,25 μm. Az áramlási sebesség 2 l/perc olt. Impakciós felületként az üeggyapotszálak méreteloszlásának pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) történő izsgálatára tárgylemezre ragasztott Nucleopore (Costar Nucleopore, porúsátmérő,1 µm) membránszűrőt álasztottam. Az optikai mikroszkópos izsgálathoz a mintákat a már 15

17 említett módon üegtárgylemezre ettük. A részecskéket a hordozókra URG-2-2BA típusú pumpáal történő sziattyúzással ittük fel. Az impaktorhoz rotaméter, alamint nyomásmérő csatlakozott. Minden egyes mintagyűjtést a mintaételezett leegő térfogatának a méréséel együtt égeztünk. A térfogatmérés relatí bizonytalanságát maximum 5%-ra becsültük. A gyengén fedett membránszűrő, illete tárgylemez a mérés természetéből adódóan nagyon megnöelné a mérési időt, miel egyszerre csak keés részecskén tudunk mérni az elektronmikroszkóp pásztázási tartományában. Túlságosan fedett minta esetében iszont nem különülnek el egyértelműen a részecskék, ezért a pásztázó algoritmus egy részecskének kezeli a nagy agglomerátumokat. Ennek kiküszöbölésére a különböző átszíott térfogatokkal meghatároztam az optimális fedettséget biztosító mintaételi időket a különböző fokozatokon található szűrők esetében. A mintaétel idejét és az átszíott leegő térfogatát a különböző fokozatokra helyezett szűrők esetében az 2. táblázat foglalja össze. 2. táblázat. Az A 23 -as sorozat mintaételi adatai, második mérési kampány. A 23 sorozat Fokozat Mérés időtartama (perc) Átszíott leegő térfogata (m 3 ) , , , , , ,119 7,25,5 A kémiai összetétel energia diszperzí elektronsugaras mikroanalizátorral (EDX) történő izsgálatára Nucleopore membránszűrőre ett mintát, míg a neutronaktiációs analízissel (NAA) égzett izsgálatokhoz a gyártósor égén, a termékből kiágott ~ 1x1 cm-es szeletekből ett mintákat használtam. Fontos megjegyezni, hogy a mérésekhez aló mintaétel során arra kell törekedni, hogy a kiett és később az analízis céljára felhasznált minta összetétele, különösen az analízis szempontjából fontos alkotórészeket illetően a lehető legjobban reprezentálja azt az anyagot, amelyről információt kíánunk szerezni. Miel a hagyományos üeggyapotot a izsgálataim időpontjában már nem gyártották, ezért a mérésekhez a SOTE II. Patológiai Intézetében, az in io kísérleteknél használt bioszolubilis üeggyapot paralleljeként szolgáló minták kis tömegű részleteit használtam. Ezek az üeggyapot minták a korábban gyártott késztermékekből származtak. 16

18 III.2. Az üeggyapot fizikai paramétereinek meghatározása III.2.1. Mintaelőkészítés Az optikai mikroszkópos izsgálatokra minden esetben a SEM/EDX izsgálatoknál használt minták paralleljeit használtam. AZ OM méréseknél mintaelőkészítésre nem olt szükség. Az üeg tárgylemezre ett üeggyapotport 4-szoros nagyítás alatt izsgáltam, a szálmérettől függően. A izsgált hat darab tárgylemez mindegyikén megközelítőleg 55 (± 5%) üegszálat elemeztem. A SEM/EDX mérések esetében az üeggyapot mintát tartalmazó Nucleopore membránszűrőkből körülbelül 8 x 7 mm-es darabokat ágtunk ki és ragasztottunk fel a mindkét oldalán ezető szénréteggel ellátott szalaggal a szabányos sárgaréz mintatartók felületére. Miel az ilyen típusú minták rosszul ezetik az elektromos áramot, ezért felületükre ákuumpárologtató berendezésben ékony szénréteget párologtattunk. A hat darab tárgylemezről származó minta mindegyikén mintegy 5 (± 5%) szemcsét izsgáltam. III.2.2. Mérési módszerek Az üeggyapot morfológiai és fizikai tulajdonságait különböző mérési módszerekkel határoztam meg, amelyeket az alábbiakban ismertetek. Optikai mikroszkópia (OM) Az üeggyapot szálak fizikai paramétereit (szál szélesség, hosszúság) tárgylemezre ett mintából Reichert-Jung Polyar-Met típusú optikai mikroszkóppal és a hozzá csatolt Virginia képanalizátor segítségéel határoztam meg (3. ábra). 3. ábra. Reichert-Jung Polyar-Met típusú optikai mikroszkóp. 17

19 A képanalizátor meghatározza a geometriai méreteket, a részecskéket a mért paraméterek alapján osztályokba sorolja és elégzi az egyes osztályokban a mért értékek statisztikus kiértékelését. A módszer alapető metodikájának részletes leírása Pálfali és mtsai. (1997) közleményében található. Pásztázó elektronmikroszkópia (SEM) Együttműköde az MTA KFKI AEKI Fűtőelem és Reaktoranyagok Laboratóriummal, SEM/EDX izsgálatokat égeztünk az üeggyapot szálak és szemcsék méreteloszlásának (hosszúság, szélesség) meghatározására. A izsgálatok JEOL gyártmányú, Superprobe 733 típusú elektronsugaras mikroanalizátorral történtek. A SEM a különböző szilárd, zömmel szeretlen anyagok, például fémek, ásányi anyagok, porok, szálak, stb. morfológiájának, azaz az anyagot alkotó szemcsék, kristályok méretének, alakjának, felépítésének, felületi bontottságának izsgálatára szolgáló módszer. Felbontóképesség (a készített mikroszkópos felételeken még két különállónak tekinthető pont közötti táolság) és mélységélesség (a tömbanyagok morfológiáját milyen mélységig képes feltárni) tekintetében köztes helyet foglal el az OM és az általában nagyon ékony, speciálisan előkészített minták finomszerkezetének tanulmányozására szolgáló transzmissziós elektron-mikroszkópia között. SEM izsgálatokat a leggyakrabban a különböző szilárd minták felületközeli, nagyon ékony, maximálisan 5-1 nm astagságú rétegéből kilépő kisenergiájú másodlagos elektronok alapján égezzük. Az üeggyapot minták esetében a berendezést másodlagos (SEI), illete isszaszórt elektron (BEI) üzemmódban egyaránt működtettük 2 kv gyorsító feszültség és 4 na emissziós áram alkalmazásáal. Ez a mintára beeső és onnan szinte energiaeszteség nélkül szóródó elektronokat hasznosítja, amelyek mennyisége a izsgálandó mintarészlet átlagos rendszámának függénye. A BEI üzemmód nagyon alkalmas a környezetüknél (pl. szűrő anyaga, szén mintatartó, stb.) nagyobb rendszámú elemeket, köztük nehézfémeket tartalmazó szemcsék azonosítására. A SEM-hez csatlakozó detektorok száma és fajtája eldönti, hogy mennyi és milyen típusú információt tudunk kinyerni a minta és az elektronnyaláb közötti kölcsönhatásból. A mintára jellemző agy éppen az átlagtól eltérő részleteken elektronsugaras mikroanalízist is lehet égezni. A mintára beeső, általában nagyenergiájú (1-3 kev) elektronok karakterisztikus röntgenfotonok képződését is kiáltják, amelyek energiája a izsgálandó mintában jelenléő elemekre jellemző. Az elektronsugaras mikroanalízist lehet kristályspektrométerekkel felszerelt, ún. hullámhosszdiszperzí (WDX) és/agy félezető detektorral működő, energiadiszperzí rendszerekkel égezni. Munkám során az utóbbi típusú berendezést használtam. 18

20 III. 3. Eredmények Tanulmányoztam az inhalációs szempontból leginkább eszélyes, ún. respirábilis frakció (aerodinamikai átmérő 1 < 1 μm) szál- és szemcseméret eloszlását. Az üeggyapot esetében az egyedi szálak gyakran nem teljesen egyenesek, égeik ferdén töredezettek, agy pedig kiszélesednek. Baron (21) különböző mesterséges szálak alakjára onatkozóan hasonló megfigyelésekről számolt be. Mind az optikai mikroszkópos, mind pedig a SEM felételeken látható, hogy a szálak környezetében található szemcsék többsége közel gömbszerű, illete enyhén oális (4. és 5. ábrák). 1 μm 4. ábra. Bioszolubilis üeggyapot mintáról készített optikai mikroszkóppal felett kép. 5. ábra. Üeggyapot mintáról készített jellegzetes isszaszórt elektronkép. Optikai mikroszkóppal izsgáltam a hagyományos (sejtnedek hatására lassan oldódó) és a bioszolubilis üeggyapot szálak fizikai paramétereit. A hagyományos üeggyapotot 1998-tól nem gyártják, így a rendelkezésemre álló mintákból csak a szálszélességet tudtam meghatározni. Az átlagos szélesség a bioszolubilis üeggyapot esetében 3, ± 1, µm, míg a hagyományos üeggyapot esetében 5, ± 1,5 µm olt (6. ábra). Megállapítottam, hogy a bioszolubilis üeggyapot átlagos szélessége kisebb, mint a hagyományos üeggyapoté. Ez az időközben megáltozott technikai eljárással magyarázható. A bioszolubilis üeggyapot mintegy 9 %-nál a szélesség 2, és 4, µm között áltozik, míg a hagyományos üeggyapot esetében a szálak 8 %-nál a szélesség 4, és 6, µm közötti. A két típusú üeggyapot esetében az átlagértékek közötti különbség szignifikáns olt (p <,5). 1 A részecskék tüdőben történő kiülepedése izsgálatánál az úgyneezett aerodinamikai átmérőel számolunk, mely annak az egységnyi sűrűségű gömbnek az átmérője, amely a izsgált részecskéel azonos határsebességgel ülepedik ki. A transzformációt gömb alakú részecskére a ρ 1 /d 1 2 =ρ 2 /d 2 2 képletnek megfelelően égezhető el. 19

21 bioszolubilis üeggyapot (n=232) hagyományos üeggyapot (n=248) Relatí gyakoriság Szélesség (µm) 6. ábra. Hagyományos és bioszolubilis üeggyapot méreteloszlása. A kapott eredményeket összehasonlítottam az irodalomban fellelhető, a fizikai paraméterekre onatkozó keés számú adattal. A bioszolubilis üeggyapot esetében mért értékek igen jó egyezést mutatnak a Quinn és mtsai. (25) által mért 2-4 µm értékekkel. Mind a hagyományos, mind pedig a bioszolubilis üeggyapot szálszélessége nagyobb olt, mint Breysse és mtsai. (21) által publikált, különböző üegszálas termékekre onatkozó,8-1,9 μm értékek. A bioszolubilis üegszálak hossza 3,5-35 µm között áltozott, és ez összemérhető Breysse és mtsai. (21) által közölt, különböző üegszálas termékekre onatkozó 9,5-29,5 μm értékkel. Az irodalomban meghatároztak egy elméleti felső határértéket, miel az aleoláris régióba esetlegesen lejutott, de a 2 µm-nél röidebb szálakat a humán makrofágok még képesek bekebelezni és elszállítani. A felső határérték mellett egy interallumot is megadnak (Castranoa, 2), így a µm hosszúságú szálakat potenciálisan fizikai karcinogénnek tekintik. A magyar üeggyapot esetében a szálak mintegy 82%-a 3,6-16 µm hosszúságú, és csupán 4%-a hosszabb, mint 26 µm (Szőke és mtsai., 27). Elektronmikroszkóppal izsgáltam a szálak környezetében található szemcsék méretét is, ez néhány tized mikrométertől néhány mikrométerig áltozik. Mind a szálátmérő, mind a hossz értékek log-normál eloszlást mutatnak az aprítással, aprózódással, kondenzációal agy égéssel keletkező részecskék méreteloszlásának megfelelően. A fizikai paraméterek (sűrűség, hosszúság, szélesség) ismeretében Stöber (1972) által kidolgozott matematikai modell alapján számolható az aerodinamikai átmérő (d a ): 2

22 d d l 1/2 5/6 1/6 a = 1.3ρ, (III.1) ahol d a - aerodinamikai átmérő (µm), ρ - sűrűség (g/cm 3 ), d - szál átmérő (µm), l - szál hosszúság (µm). Az irodalomban az aerodinamikai átmérő függényében kiülepedési felső határértéket adnak meg a makrofágok méretétől függően. Ez patkányok esetében d a ~ 3-5 µm körüli, míg emberre 6 és 1 µm között áltozik (Dai és Yu, 1998; Hesterberg és Hart, 21). A izsgált magyar bioszolubilis üeggyapot esetében a szálak 67%-nál az aerodinamikai átmérő 5-8 μm között áltozott (7.ábra). 5 n= Gyakoriság Aerodinamikai átmérõ (μm) ábra. Bioszolubilis üeggyapot számának méreteloszlása A PFLEIDERER Salgótarjáni Üeggyapot Rt. által gyártott bioszolubilis üeggyapot a fizikai paramétereit illetően megfelel a nem rákkeltő anyagokra onatkozó Európai Közösségben köetelményként megfogalmazott kritériumoknak (ECB/TM/27 re EU jegyzőköny). 21

23 Negyedik fejezet Az üeggyapot légzőrendszeri kiülepedésének izsgálata Az emberi légzőrendszer az igen bonyolult szerkezetű felső légutakkal (extrathoratikus régió; ET) kezdődik, amely magában foglalja az orr és a szájüreget (8. ábra). A felső légutak a garaton keresztül a légcsőbe (trachea) torkollanak, amely megközelítőleg dichotomikusan ágazik 11 toább generáción keresztül. Az első 11-2 generáció alkotja a tracheo-bronchiális régiót. A tracheo-bronchiális régió nagyobb, mereítő porcokkal rendelkező légutait bronchusoknak (bronchiális régió), a kisebb porc nélküli légutakat pedig bronchiolusoknak neezzük. A légutak első 6 generációját centrális légutaknak is szokták neezni. A bronchiolis terminálist a tüdő pulmonáris része köeti, aminek első generációját a bronchiolis respiratorius képezi a tüdő generációja szintjén. A bronchiolis respiratorius utáni 6-12 generáció alkotja a tüdő acináris régióját. Az acináris terület a gázcsere helyszíne. Az itt található légutak falát aleolusok borítják, melyek a legalsó légutakban már összefüggő rendszert alkotnak. A pulmonáris csöek felületét 3-4 generáció után már 1%-ban aleolusok borítják. Egy-egy légutat a zsákszerű sacculi aleoli zár. 8. ábra. Az emberi légzőrendszer felépítése. 11 Az anyaág két hasonló leányágra oszlik. 22

24 IV.1. A légúti depozíció numerikus leírása a Sztochasztikus Tüdőmodellel Kockázatbecslés szempontjából fontos tudni, hogy a légzőrendszer egészében és egyes szakaszaiban mennyi üegszál ülepszik ki különböző terhelés és légzésintenzitás mellett. A felső légúti tartományban kiülepedett részecskék a nyákréteg mucociliaris mozgása réén általában lenyelésre kerülnek, tehát az emésztőrendszerbe jutnak. A tracheo-bronchiális rendszerben kiülepedett részecskék egy részét a tracheo-bronchiális rendszer csillószőrös-hámsejtes tisztító mechanizmusa a garatba táolítja, így ezek égül szintén a gyomorba kerülnek. A szál mérete és alakja meghatározza, hogy az adott szál respirábilis-e. E két tulajdonság, alamint a sűrűség alapetően megszabja, egy adott légzési mód esetén, a szál kiülepedési helyét a tüdőben (Sturm és Hofmann, 26). Fontos megjegyezni, hogy ha az expozíció mértéke nagy, a tüdő édekező mechanizmusa megáltozik. Így, akár az egyébként biológiailag ártalmatlannak minősülő anyagok is eláltozást okozhatnak, miel nem tudnak időben kiürülni. A kiülepedett idegen test hatására áltozhat a sejtek génállománya, mely szintén nöeli a rák kialakulásának kockázatát. Az inhalált szálas rostok által indukált rákok kialakulásának mechanizmusa nem teljesen ismert. A daganatos megbetegedés feltételezhetően a köetkező négy lépésben alakul ki: a tüdőben kiülepedett biorezisztens port a sejtnedek nem képesek feloldani, a szál beágyazódik az epitheliumba 12, agy a pleurába 13, a gyulladásos reakció sejtjeiből szabad gyök, fehérjebontó enzim és citokin 14 szabadul fel, ezek hatására az epithelium sérül és a regeneratí proliferáció 15 atípusos 16 formákba megy át. Az inhalált aeroszolok egészségi hatásának kantitatí jellemzése leginkább numerikus modellekkel lehetséges, ugyanis az állatkísérletek extrapolálhatósága kérdéses, az in io humán kísérleteknek pedig komoly etikai akadályai annak. A különböző szimulációs modellek általános hiányossága, hogy a tüdőt mint determinisztikus struktúrát eszik figyelembe, holott ez, főleg az alsóbb, pulmonáris légutak esetében igen dura megközelítés. Kiételt képez a Sztochasztikus Tüdőmodell, amely a realisztikus légzőrendszer számos aszimmetriáját és geometriai paramétereinek eloszlását is tekintetbe eszi. A modellel az egész inhalábilis részecsketartományban számolható a teljes-, a regionális- és a légúti generációnkénti aeroszol kiülepedés és tisztulás hatásfoka, különböző légzési módok mellett. A modell alapszerkezetének részletes leírását Koblinger és Hofmann (1985; 199) közleményeiben 12 ephithelium - a testfelszínt borító, alamint a testüregeket és az üreges szereket bélelő fedőhám. 13 pleura mellhártya. 14 citokin - híriő molekula, a sejtszintű molekuláris szabályozás részteője. 15 proliferáció - a sejt osztódó képessége. 16 Az atípia precancerosisos állapotnak felel meg. 23

25 találjuk. A kifejlesztett Monte-Carlo kód alószínűségi függényekkel írja le a részecskék pályáját, a Raabe és mtsai. (198), alamint Haefeli-Bleuer és Weibel (1988) által megalkotott tüdőmorfológiai adatbázisra támaszkoda. A modell az egyes paraméterek közt tapasztalt korrelációkat is tekintetbe eszi, így számol az emberi légzőrendszer geometriája főbb paramétereinek aszimmetriáial és reális eloszlásaial. Az egyes részecskék életlenszerűen sorsolt útonala belégzés és kilégzés során megadja a részecskék kiülepedés-eloszlását, azzal a feltételezéssel, hogy ha a részecske elérte a falat, akkor ott ki is tapad. A leegőáramok megoszlása egy légúti elágazás két leányága közt megegyezik a leányágakhoz kapcsolódó belégzés alatti térfogatnöekményekkel. Az egyes részecskék kiülepedési alószínűségét egy adott légútban, a három legfontosabb kiülepedési mechanizmusra leezetett analitikus depozícíós formulák adják meg. E formulák egyenes, illete görbe csöekre leezetett egyenletek, amelyek alamilyen idealizált leegő-áramlási profilt tételeznek fel. A kiülepedési mechanizmusok közül az üeggyapot szálak esetében a tehetetlenségi ütközés, a graitációs kiülepedés és az elfogás (interception) játszik fontos szerepet (Asgharian és Yu, 1988; 1989; Balásházy és mtsai., 25). Üegszálak esetében a Brown-diffúzió, a szál nagy mérete miatt elhanyagolható. A légúti depozíció mechanizmusa a szálmérettől, a légúti generáció számtól és a légzés intenzitásától függően különböző hatékonyságú lehet az üegszálak esetében: tehetetlenségi ütközés: astag, hosszú, nagysűrűségű szálaknál domináns, intenzí légzés esetén, graitációs ülepedés: astag, hosszú és nagysűrűségű szálaknál jelentős szerepet játszik, lassú légzéskor, elfogás: a hosszabb szálaknál nem elhanyagolható mechanizmus, mely a szál kiülepedését okozhatja, mielőtt a részecske tömegközéppontja elérné a légút falát. A szál alakú részecskék egy összetett geometrián átáramló leegőben igen komplex, transzlációs és rotációs mozgásból összeálló pályát írhatnak le. A,1 μm és 1 μm közötti átmérőjű részecskék képesek köetni az áramló leegő útját a mélyebb tüdőrétegek felé, és nagy alószínűséggel lejutnak az aleolusokig. E részecskefrakció kiülepedésében a graitáció játssza a főszerepet, amely csak az egyik égén nyitott saccus aleoláris régióban álik jelentőssé. A hosszabb szálak, különösen lamináris áramlás esetén (lassú légzés), beállhatnak a leegő áramonalaial párhuzamosan és így akár a hosszú (2 μm) szálak is lejutnak az aleolusokig (Balásházy és mtsai., 25). A szál alakú részecskék kiülepedésének leírására az egyik lehetséges mód a szálak geometriai átmérőinek ekialens átmérőkkel 17 történő helyettesítése szedimentáció 17 Az ekialens átmérő annak az egységnyi sűrűségű gömbnek az átmérője, amely a izsgált részecskéel azonos mértékben (graitációs ülepedés esetén azonos határsebességgel) ülepedik ki. Az ekialens átmérő annak az egységnyi) di. 24

26 és impakció esetében is (Balásházy és mtsai., 199; 25; Sturm és Hofmann, 26). Az ekialens átmérők és az effektí elfogási hosszak 18 függenek a szál orientációjától. Háromféle karakterisztikus orientációt érdemes megkülönböztetni: párhuzamos, merőleges és életlen orientációkat. Ekialens átmérők graitációs ülepedésnél (d es ): 3 σ d = d ln ( 2β).5, β = l d, párhuzamos szálorientáció esetén, (IV.1) esii f f f 2 σ es f f f 4 σ 3 2 d = σ d ln ( 2β) +.5, β = l d, merőleges szálorientáció esetén, (IV.2) d es r 3 = d 4 f σσ ln 2.5 ln ( β) ( β), életlen szálorientáció esetén, (IV.3) ahol d f a szál átmérője, l f a szál hossza, σ a részecske anyagsűrűsége és σ az egységnyi sűrűség. Ekialens átmérők tehetetlenségi ütközésre (d es ): d d d ei ei ei II r = des, párhuzamos szálorientáció esetén, es II = d, merőleges szálorientáció esetén, es = d, életlen szálorientáció esetén. r Effektí elfogási hosszak (l i ): d f l i =, párhuzamos szálorientáció esetén, (IV.4) 2 l f l i =, merőleges szálorientáció esetén, 2 (IV.5) 18 Az effektí elfogási hossz a szál tömegközéppontja és a fal közötti azon táolság, amely elegendő ahhoz, hogy a szál hozzáérjen a falhoz és így kiülepedjen. 25

27 l i 2 2 l f l f x l f x y d xd y l f l f l f x 3 = = dxdy, életlen szálorientáció esetén. (IV.6) ahol x és y descartesi koordináták (Balásházy és mtsai., 199). A kiülepedett szálaknak a légzőrendszerből történő eltáolításában számos tisztulási mechanizmus esz részt. Ezek közül a legfontosabbak: a tracheo-bronchiális nyákréteg (mucus) garat felé mozgása 19, a röid szálakat bekebelezni képes aleoláris makrofágok áthelyeződése. A szál alakú részecskék belefúródhatnak a tracheo-bronchiális epitheliumba, ami nagymértékben csökkenti a garat felé áramló nyákréteg (mucus) tisztító hatását. A röid, 1 μm alatti hosszúságú szálakat általában a humán aleoláris makrofágok jó hatásfokkal bekebelezik és elszállítják. A hosszú szálakkal azonban nem tudnak megbirkózni, iszont ezek időel a sejtnedek hatására aprózódhatnak, és az így keletkezett röidebb szálakat a makrofágok már elszállíthatják. A keésbé oldódó hosszú szálak esetében a retenciós idő patkányoknál körülbelül 7 nap, ember esetében 4-7 nap között áltozik (Maxim és mtsai., 26). A Sztochasztikus Tüdőmodell segítségéel jellemeztem a salgótarjáni bioszolubilis üeggyapotokból származó aeroszol légzőrendszeri lokális, regionális és teljes kiülepedéseloszlását a kísérletileg meghatározott szálak fizikai paramétereinek függényében, különböző légzésintenzitások mellett, egészséges kaukázusi típusú felnőtt és 5 ées gyermek esetében. Miel az üegszálak hossza,1 μm-nél nagyobb, ezért diffúziójuk elhanyagolható. A modell használatakor három bemenő adatra an szükség, ezek a köetkezők: a légzőrendszer adatai, a légzési paraméterek, a részecskék paraméter értékei. A modellben felhasznált légzési paramétereket (ICRP66, 1994) a 3. táblázat foglalja össze. A részecskék kiülepedését az extrathoratikus régióban Stahlhofen (1989) szemi-empirikus összefüggése alapján számoltam. A numerikusan sorsolt részecskék száma egy-egy számítási sorozatban 1 5 olt, ezen értéknél az eredmény statisztikája jó (a standard deiáció mindig kisebb, mint 3 %). 19 mukociliáris tisztítás 26

28 3. táblázat. A Sztochasztikus Tüdőmodellel égzett számítások során alkalmazott fiziológiai és légzési adatok az ICRP66 (1994) ajánlása szerint. Fiziológiai paraméterek/ Fizikai igénybeétel Férfi Nő 5 ées gyerek Súly (kg) Magasság (cm) Mellkason kíüli térfogat (cm 3 ) ,3 Funkcionális maradék kapacitás(cm 3 ) Pihenés Légzési térfogat (cm 3 ) Periódus idő (s) 5, 5, 5, Ülő teékenység Légzési térfogat (cm 3 ) Periódus idő (s) 5, 4,3 2,4 Könnyű fizikai munka Légzési térfogat (cm 3 ) Periódus idő (s) 125 3, 992 2, ,5 Nehéz fizikai munka Légzési térfogat (cm 3 ) Periódus idő (s) , ,8 - - IV. 2. A bioszolubilis üeggyapot légzőrendszeri kiülepedéseloszlása Meghatároztam a bioszolubilis üeggyapot esetében az effektí elfogási hossz értékeket mindhárom szálorientáció esetében (4. táblázat). A legkisebb elfogási hosszat a párhuzamos szálorientáció esetében kaptam. 4. táblázat. A salgótarjáni bioszolubilis üeggyapot effektí elfogási hossza. Effektí elfogási hossz (μm) párhuzamos szálorientáció merőleges szálorientáció életlen szálorientáció 1,-2,3 1,8-18 1,

29 A Sztochasztikus Tüdőmodellt a Salgótarjáni Üeggyapot Rt.-ben ett mintákra kapott adatokra alkalmaztam. A bioszolubilis üeggyapot méreteloszlását életlenszerű szálorientáció esetén a 9. ábra mutatja be Relatí gyakoriság Ekialens átmérõ (μm) ábra. Üegszál részecskék számának méreteloszlása életlen szálorientációnál. A kiülepedés nemek szerinti alakulása, az életkor és a fizikai terhelés hatásai A regionális (felső légúti, bronchiális és acináris), alamint thorakális 2 kiülepedés alakulását életlen szálorientációnál és polydiszperz részecskék aerodinamikai átmérőjének függényében, ülő teékenységet (légzési térfogat: 75 cm 3, periódusidő: 5s, orrlégzés) égző kaukázusi férfi esetében a 1. ábra mutatja be. A kiülepedési hatásfokot az adott méretfrakció relatí gyakoriságáal súlyoza számoltam. Az oordináta tengelyen a kiülepedett részecskék százalékos részaránya an feltüntete az összes inhalált részecskéhez iszonyíta. Az elfogási mechanizmust (elakadás) mindkét régióban figyelembe ettem. A feltüntetett torakális kiülepedés magában foglalja a számolt bronchiális, acináris kiülepedés mellett az elfogásból adódó kiülepedést is. Az ábrán jól látható, hogy a kiülepedés nem homogén eloszlású a légúti generációk mentén; két kiülepedési maximum figyelhető meg. Az ülő teékenységnek megfelelő légzésnél a bronchiális kiülepedés maximuma a , az acináris kiülepedés maximuma a generációnál jelentkezik. Az elfogás a generációk tájékán a leghatékonyabb. 2 A thorakális (mellkasi) szakaszt anatómiai szempontból a bronchiális és az acináris régióra bontható. 28

30 EXTRATHORAKÁLIS TORAKÁLIS BRONCHIÁLIS ACINÁRIS ELFOGÁS Depozíció (%) Légúti generációszám 1. ábra. Inhalált bioszolubilis üeggyapot kiülepedése a generáció szám függényében, ülő helyzetnek megfelelő légzésnél felnőtt férfi esetén. A nulladik generációszám az ET tartományt jelöli. A modellel számolt kiülepedési hatásfokokat összehasonlítottam felnőtt férfi és nő, alamint gyermek esetében azonos légzésintenzitásokon. Megállapítottam, hogy a kiülepedési görbék alakja nem tér el a férfi, nő, illete gyermek esetében. A bronchiális, alamint az acináris régiókban a kiülepedés monotonon csökken a férfi, nő és gyermek sorrendben. Ez azzal magyarázható, hogy a gyermek gyorsabban lélegzik és így a izsgált részecskeméret tartományban a felső légúti (ET) depozíciós hatásfok nála jelentősebb. A kiülepedés a tartományban minden esetben sokkal kisebb, mint az ET tartományban. Az acináris tartományban beköetkező kiülepedés a számításaim alapján nagyobb, mint a bronchiális tartományban. A teljes légzőszeret tekinte megállapítottam, hogy a belélegzett üeggyapot szálak jelentős része (> 8%-a) kiülepedik az ET tartományban. A belélegzett szálak csak kis százaléka ülepedik ki a tüdőben, a légzőszerben kiülepedett szálak nagy része az emésztőrendszerbe jut. A regionális, alamint a teljes kiülepedés alakulását életlen szálorientációnál és polydiszperz részecskék aerodinamikai átmérőjének függényében, ülő teékenységet (légzési térfogat: 213 cm 3, periódusidő: 2,4 másodperc és orrlégzés) égző gyermek esetében a 11. ábrán tüntettem fel. A kiülepedés ebben az esetben szintén nem homogén eloszlású a légúti generációk mentén. A bronchiális, illete az acináris kiülepedés maximummal rendelkezik. 29