Молекулярные механизмы гематотоксичности фенола и его синергическое взаимодействие с бензолом в условиях профессиональной экспозиции (обзор литературы)

Фенол и его производные, имеющие широкое промышленное применение как прекурсоры для синтеза различных соединений [1], относятся к числу распространённых ароматических загрязнителей, часто обнаруживаемых в воздухе рабочей зоны коксо- и нефтехимических предприятий, а также производств, связанных с применением органических лаков, красок и растворителей [2–4].

Основной путь поступления фенола в организм работников – ингаляционный, но возможен и перкутанный. После абсорбции соединение легко проникает в системный кровоток. Основной метаболизм происходит в печени: сульфатирование с образованием фенилсульфата, глюкуронизация до глюкуронидов фенола и окисление с помощью ферментов семейства цитохрома P450, ведущее к образованию промежуточных метаболитов, таких как катехол и гидрохинон [5–9]. Образующиеся метаболиты обладают большей гидрофильностью, что способствует их выведению с мочой [10], но в то же время повышенная реакционная способность обусловливает и более выраженные токсические эффекты по сравнению с исходным соединением. Известно также, что фенол и продукты его метаболизма обладают мутагенным потенциалом, поэтому данный токсикант включён в Список приоритетных загрязнителей [11, 12].

Несмотря на накопленные данные о токсичности фенола и его производных в живых системах [13], гематотоксическое действие при профессиональной экспозиции недостаточно изучено. Большинство механистических исследований гематотоксичности выполнено на модели бензольной интоксикации, тогда как изолированный вклад фенола, в частности его миело- и иммунотоксические эффекты, а также взаимодействие с бензолом при совместном поступлении не получили достаточного освещения в научной литературе. Существует и проблема недооценки рисков, связанных с воздействием данных соединений, ввиду их летучести, автоокисления и деградации, что приводит к искажению результатов исследований. Это имеет особую значимость при оценке рисков для здоровья работников коксохимических производств.

Цель исследования – систематический анализ современных научных данных о токсикокинетике, молекулярных механизмах гематотоксичности фенола и оценка характера его взаимодействия с бензолом в условиях профессиональной экспозиции.

Поиск релевантных научных публикаций проводился в соответствии с руководством PRISMA. Публикации отбирались в международных базах данных – PubMed, Scopus, Web of Science, а также в российской базе РИНЦ (eLIBRARY.RU). Глубина поиска составила 44 года (1981–2025 гг.).

Для поиска использовали булевы операторы и ключевые слова: “(phenol OR phenolic compounds) AND (toxicity OR cytotoxicity)”, “(phenol) AND (metabolism OR biotransformation)”, “(phenol) AND (occupational exposure OR air pollution)”, “(phenol) AND (apoptosis OR oxidative stress)”, “(phenol OR phenolic compounds) AND (in vitro OR cytotoxicity)”, “(phenol OR phenolic compounds) AND (animal models)”, “(phenol) AND (health effects OR epidemiology)”. Поиск в русскоязычных базах данных осуществлялся с использованием русскоязычных эквивалентов.

Критерии включения публикации в обзор: исследования на клеточных культурах, лабораторных животных или эпидемиологические исследования, направленные на изучение воздействия фенола или основных его метаболитов, содержащие информацию о токсикокинетике, механизмах токсичности, органах-мишенях или описание корреляции с возникновением патологии или нарушением здоровья.

Критерии исключения: публикации, недоступные в виде полного текста на английском или русском языках, отчёты, тезисы конференций; исследования, посвящённые исключительно аналитическим методам детекции без оценки биологических эффектов; работы, отражающие удаление фенола из сточных вод, без раздела по токсикологии; исследования на растениях или микроорганизмах, не связанные напрямую с токсикологией млекопитающих или человека.

После исключения дубликатов процесс отбора статей проводили первичный скрининг (анализ заголовков и аннотаций), анализ полных текстов, а также списков литературы для выявления дополнительных релевантных публикаций.

Из 136 рассмотренных публикаций для окончательного анализа было отобрано 47 работ.

Метаболизм фенола и его локальная биоактивация в кроветворных тканях

Фенол сам по себе обычно не рассматривается как гематотоксикант, но в составе промышленного аэрозоля он присутствует совместно с бензолом, вовлекаясь таким образом в общий фенольный путь бензольной гематотоксичности, опосредованной активными метаболитами, окислительным стрессом и нарушением эритропоэза [14, 15].

Фенол претерпевает ряд детоксикационных превращений в печени под действием ферментов цитохрома P450, включая сульфатирование и глюкуронирование [16, 17], однако данные метаболические процессы не только обеспечивают элиминацию токсиканта, но и могут увеличивать его биологическую реактивность путём присоединения функциональных групп [18]. Так, часть фенола и его метаболитов (например, гидрохинон и пирокатехин) могут проникать непосредственно в костный мозг.

В костном мозге ввиду высокой активности сульфатаз на фоне низкой активности сульфотрансфераз возникает «сульфатное шунтирование»: конъюгаты гидролизуются, высвобождая свободные фенолы, которые затем окисляются пероксидазами до генотоксичных соединений [19]. Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) обладают высоким соотношением миелопероксидазы (МПО) к детоксикационной NAD(P)H:хинон-оксидоредуктазе 1 (NQO1), что усиливает образование токсичных метаболитов, приводит к апоптозу и нарушению гемопоэза [20, 21]. В миелоидных тканях МПО активирует фенольные соединения высокомиелотоксичных и кластогенных веществ [14, 17], вызывающих окислительный стресс, повреждение ДНК и белков и апоптоз ГСК [18, 22–24].

Основные этапы метаболизма фенола, его локальной биоактивации в костном мозге и синергизма с бензолом представлены на рисунке.

Молекулярные мишени фенола и его метаболитов

Биоактивация фенола при участии пероксидаз вызывает образование реактивных соединений, таких как дифенохиноны, ингибирующих топоизомеразу IIα, что приводит к хромосомным аберрациям. Данные реактивные продукты могут быть нейтрализованы глутатионом, что указывает на участие окислительных механизмов в ингибировании ферментов и кластогенных эффектах [25].

Наряду с прямым ингибированием топоизомеразы IIα фенол и его метаболиты в высоких концентрациях подавляют эритроидную дифференцировку, влияя на транскрипцию эритроид-специфичных генов и вызывая эпигенетические перестройки: на линии клеток K562 (хроническая миелогенная лейкемия человека) было показано, что фенол, гидрохинон, 1,2,4‑бензентриол подавляют гемин‑индуцированную эритроидную дифференцировку, снижая синтез гемоглобина, экспрессию CD71/GPA (трансферринового рецептора) и транскрипцию генов α-, β-, γ‑глобинов, гидроксиметилбилансинтазы, эритроидного фактора транскрипции GATA‑1 и ядерного фактора эритроидного происхождения 2 NF‑E2 [26]. 1,2,4-бензентриол изменяет метилирование ДНК и ацетилирование гистонов в кластерах α- и β-глобиновых генов, нарушая связывание GATA-1 и РНК-полимеразы II [27].

Окисление фенола пероксидазами приводит к образованию 4,4’-дифенола и дифенохинона, образующих ковалентные аддукты с белками, что указывает на путь одноэлектронного окисления и генерацию свободных радикалов [28]. В эритроцитах фенол и катехол индуцируют метгемоглобинемию, истощение глутатиона, генерацию супероксид‑аниона, перекиси водорода и гидроксильных радикалов с последующим гемолизом в результате угнетения антиоксидантных ферментов, включая каталазу, супероксиддисмутазу, глутатион-S-трансферазу (GST), глутатионредуктазу и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу [22].

Воздействие фенола также связано с индукцией экспрессии генов цитохромов P450. Фенол способен значительно повышать экспрессию CYP4F3A на уровне мРНК и белка, причём данный эффект наблюдался в клетках HL-60 как на недифференцированных, так и на дифференцированных формах, а также в эритроидной линии K562 и в нейтрофилах человека ex vivo. [29].

Кроме того, хиноновые метаболиты фенола оказывают прямое подавляющее действие на иммунные клетки [13, 30–32]. Гидрохинон и 1,4-бензохинон ингибируют трансформацию лимфоцитов и нарушают сборку микротрубочек через реакцию Михаэля с SH-группами тубулина [31, 33], что угнетает функцию иммунологического синапса и пролиферативный ответ клеток. В эпидемиологических исследованиях с участием работников, подвергавшихся воздействию фенола, обнаружили снижение числа CD3⁺, CD4⁺, CD8⁺, субпопуляций T-лимфоцитов, угнетение пролиферативного ответа на митоген фитогемагглютинин, а также снижение цитотоксической активности NK-клеток [34].

Генетический полиморфизм как модификатор гематотоксичности фенола

Полиморфизмы генов ферментов детоксикации (I и II фаз) и репарации ДНК играют важную роль в реализации токсичности ксенобиотиков, в том числе определяя индивидуальную восприимчивость к действию фенола. Однако работ, посвящённых этому явлению в контексте изучения фенола и его метаболитов, крайне мало, поэтому чаще ориентируются на данные о бензоле и BTEX (бензол, толуол, этилбензол и ксилолы), где фенол является одним из основных метаболитов.

Фенол и его реакционноспособные метаболиты (гидрохинон, бензохиноны) образуются при окислительном метаболизме бензола, их дальнейшее обезвреживание зависит от ферментов конъюгации II фазы – GST. Нарушение этого этапа ведёт к накоплению данных метаболитов, что индуцирует окислительный стресс, повреждение ДНК в виде двунитевых разрывов (DSB) и апоптоз ГСК. Так, данные, полученные в исследовании Shen M. и соавт., свидетельствуют о том, что гидрохинон индуцирует хромосомную нестабильность и, как следствие, накопление генетических повреждений в ГСК, что способствует развитию болезней крови, в том числе острого миелоидного лейкоза [35].

Эффективность репарации ДНК влияет на исход воздействия фенольных метаболитов. В исследовании на выборке рабочих, экспонированных бензолом (средний уровень 5,4 ppm), выявлены ассоциации полиморфизмов в генах системы репарации DSB с гематотоксичностью. Четыре однонуклеотидных полиморфизма гена хеликазы WRN (rs4987236, rs2725349, rs1800392, rs2725362), кодирующего белок WRN, сочетающий функции АТФ-зависимой 3′-5′ ДНК-хеликазы и экзонуклеазы, обеспечивая стабильность генома, были связаны со снижением общего количества лейкоцитов, гранулоцитов, лимфоцитов (CD4⁺ и CD8⁺) и моноцитов у экспонированных рабочих. Гаплотип, включающий три из этих полиморфизмов, ассоциировался со значительным снижением количества лейкоцитов [35]. Полиморфизм гена-супрессора опухолей TP53 rs1042522 был связан со снижением количества лейкоцитов, гранулоцитов, CD4⁺ T-клеток и B-клеток [35].

В более позднем исследовании Jafari Roshan S. и соавт., проведённом с участием рабочих, экспонированных BTEX (средний уровень бензола 0,75 ppm), установлены дополнительные гены, значимые для реализации гематотоксичности через механизмы репарации DSB. Полиморфизм в промоторной области гена-супрессора опухолей ATM rs228589 ассоциирован с повышенным риском гематологических нарушений: у носителей вариантных генотипов наблюдалось снижение количества эритроцитов. Полиморфизм в промоторе H2AX rs7759 показал сильную ассоциацию со сдвигами клеточного звена крови: у носителей G-аллели наблюдали увеличение количества гранулоцитов и снижение количества лимфоцитов [36].

В систематическом обзоре Ramírez-Lopera V. и соавт. показано, что полиморфизмы генов GSTT1 и GSTM1, кодирующие ферменты семейства глютатион-трансфераз II фазы детоксикации, также демонстрируют устойчивую ассоциацию с гематологическими нарушениями у рабочих, экспонированных бензолом, и, следовательно, его метаболитом фенолу [37]. Эти данные подтверждаются также в исследовании Nourozi M.A. и соавт.: у носителей делеции GSTT1 выявлена тромбоцитопения и установлен повышенный риск гематологических нарушений [38]. Сочетание нулевых генотипов GSTT1 и GSTM1 значимо увеличивало риск гематологических нарушений по сравнению с носителями функциональных аллелей обоих генов [38]. Механизм этих эффектов связан со снижением способности организма к детоксикации: у носителей нулевого генотипа GSTT1 наблюдается значимое снижение экскреции S-фенилмеркаптуровой кислоты (S-PMA), являющейся маркером конъюгации глутатиона с метаболитами бензола и фенола. Данные этого исследования также свидетельствуют о влиянии полиморфизма NQO1 rs1800566 на выведение метаболитов фенольного пути (S-PMA и t,t-муконовой кислоты). Полиморфизмы гена CYP2E1 (rs2031920, rs3813867) связаны с изменением активности соответствующего фермента и, как следствие, с содержанием фенола и гидрохинона в моче, однако эти результаты противоречивы и зависят от уровня экспозиции и этнической принадлежности. Полиморфизм гена МПО MPO rs2071409 ассоциирован со снижением числа лейкоцитов у экспонированных рабочих. Гены репарации ДНК (XRCC1, ERCC1, ERCC2 и др.) хотя и не участвуют напрямую в метаболизме фенола, их полиморфизмы способны влиять на последствия окислительного повреждения ДНК, вызванного фенольными метаболитами [38].

Гематотоксичность фенола существенно зависит от генетического профиля: некоторые варианты в CYP1A1, CYP2E1, GSTT1/GSTM1/GSTP1, NQO1 и генах репарации усиливают образование реактивных фенольных метаболитов и (или) снижают их обезвреживание и репарацию ДНК, повышая риск цитопений и связанных с ними клинических исходов при профессиональной экспозиции (см. таблицу).

Синергизм фенола и бензола

Экспериментальные исследования чаще освещают не прямое взаимодействие бензола и фенола, а взаимодействие фенола с другими фенольными метаболитами бензола, прежде всего гидрохиноном.

Первый этап взаимодействия бензола и фенола проходит в печени. Поскольку бензол и его метаболиты, в том числе фенол, являются субстратами для одних и тех же ферментов цитохрома P450 [39], возможно их конкурентное взаимодействие. При совместном присутствии бензол выступает конкурентным ингибитором окисления фенола [14]. В условиях экспозиции бензолом, особенно в концентрациях, превышающих ПДК, скорость превращения фенола в гидрохинон снижается. Таким образом, нарушается баланс между окислением и конъюгацией фенола: он в меньшей степени подвергается дальнейшему окислению, накапливается в неконъюгированной форме и поступает в системный кровоток [40, 41]. Эти процессы способствуют увеличению поступления фенола непосредственно в костный мозг, где он участвует в последующих синергических взаимодействиях.

Фенол и гидрохинон, поступающие и накапливающиеся в миелоидных тканях, являются субстратами для МПО гранулоцитов и их предшественников [18]. В присутствии перекиси водорода МПО окисляет фенол до феноксильного радикала, который в свою очередь окисляет гидрохинон до семихинона, что ускоряет превращение в 1,4-бензохинон [23]. Экспериментальные исследования in vitro демонстрируют, что добавление фенола к инкубационной смеси с гидрохиноном и МПО увеличивает метаболизм гидрохинона в зависимости от концентраций [22, 23]. Результатом этих процессов является значительное усиление образования 1,4-бензохинона, который обладает генотоксическим и миелотоксическим действием, так как способен ковалентно связываться с белками и ДНК, вызывать хромосомные разрывы и образование микроядер [23, 42]. При этом не только увеличивается выход бензохинона, но и усиливается ковалентное связывание гидрохиноновых метаболитов с белками, что указывает на кросс-активацию – усиление токсичности одного метаболита за счёт другого [22].

Образующийся 1,4-бензохинон также активно взаимодействует с глутатионом, что обычно рассматривается как путь детоксикации, однако в случае с гидрохиноном этот процесс не приводит к полной нейтрализации токсичности. Первичный конъюгат 2-(глутатион-S-ил)гидрохинон окисляется до соответствующего хинона, и цикл окисления и конъюгации продолжается, давая начало полизамещённым конъюгатам: 2,5-ди-(GS)-, 2,6-ди-(GS)-, 2,3,5-три-(GS)-гидрохинону и другим [17, 45]. Эти мультизамещённые тиоэфиры обладают уникальными свойствами: легче подвергаются одноэлектронному окислению по сравнению с гидрохиноном и активнее генерируют супероксидный анион-радикал [17]. Более того, в костном мозге после введения комбинации фенола с гидрохиноном или после экспозиции бензолом обнаруживаются именно такие глутатионовые конъюгаты, а также их цистеинильные и меркаптуровые производные [17, 46]. Истощение глутатиона в условиях окислительного стресса или при конкуренции за предшественники снижает способность клеток удерживать бензохинон в конъюгированной форме и способствует нарастанию окислительного повреждения. Таким образом, конъюгация с глутатионом может создавать широкий спектр вторичных реакционноспособных метаболитов, поддерживающих окислительный стресс и повреждение клеток костного мозга [42].

Экспозиция аэрозолем, содержащим одновременно фенол и бензол, представляет опасность ввиду синергических взаимодействий фенола и фенольных метаболитов бензола [43]. Конкурентное ингибирование окисления фенола бензолом, повышающее доставку свободного фенола в костный мозг, фенол-зависимая стимуляция окисления гидрохинона при участии МПО, двоякая роль глутатиона в детоксикации и образовании полизамещённых тиоэфиров, усиливающая окислительный стресс, – совокупность этих последовательных и взаимосвязанных механизмов опосредует усиление миелотоксичности и генотоксичности, характерных для действия бензола [23, 29, 44, 47].

Совокупность рассмотренных данных позволяет говорить о феноле как об одном из гематотоксичных поллютантов, загрязняющем воздух рабочей зоны. Фенол, традиционно изучаемый только в качестве метаболита бензола, обладает токсическим потенциалом при изолированном воздействии, а также способен усиливать развитие бензол-опосредованных миелотоксических нарушений через органоспецифический метаболизм. Важную роль в реализации данных процессов принадлежит не только концентрации фенола, но и локальным особенностям состава и функционирования ферментов в костном мозге: смещение баланса между биоактивацией и детоксикацией определяет степень и характер гематотоксических эффектов.

Биоактивация фенола в миелоидной ткани, обусловленная смещением соотношения ферментов (высокая активность сульфатаз и МПО при дефиците сульфотрансфераз), приводит к образованию высокореакционных фенольных метаболитов (хиноны, свободные радикалы). Эти метаболиты поражают ключевые молекулярные мишени: они ингибируют топоизомеразу IIα, вызывая хромосомные аберрации, нарушают транскрипцию эритроид-специфичных генов через эпигенетические перестройки и инактивируют антиоксидантные ферменты. Молекулярные повреждения в совокупности индуцируют запуск апоптоза ГСК, подавление эритроидной дифференцировки и общее нарушение гемопоэза, проявляющееся развитием цитопений и повышением риска болезней крови.

Обнаруженные данные о полиморфизмах ряда важных генов (см. таблицу), кодирующих ферменты детоксикации и репарации ДНК, а также белки-супрессоры опухолей, свидетельствуют об актуальности задачи установления ПДК без учёта генетически детерминированной индивидуальной восприимчивости к воздействию химических агентов. Это особенно важно для коксохимических предприятий, характеризующихся комбинированным воздействием фенола и бензола, с учётом доказанной связи хронической бензольной экспозиции с развитием различных гематопатий.

Несмотря на доказанные механизмы гематотоксического действия, которыми обладает фенол, в большинстве исследований авторы продолжают рассматривать данное соединение только в контексте бензольного метаболизма или токсичности BTEX. Однако в условиях профессиональной экспозиции фенол может встречаться и как отдельный поллютант, и в комбинации с бензолом. В условиях такой совместной экспозиции фенол выступает сразу в двух ролях, оказывая гематотоксическое действие изолированно и усиливая бензольную миелотоксичность через МПО-зависимую коактивацию [22, 42], однако эти данные в основном получены при изучении интоксикации бензолом. Современных работ, посвящённых специфическому действию фенола, крайне мало, они фрагментарны. Многие эпидемиологические исследования с участием рабочих коксо- и нефтехимических производств также не разделяют вклады бензола и фенола.

Кроме того, оценка уровня фенола в крови или моче как маркёра экспозиции соединениямм бензольного ряда не является исчерпывающей. Принимая во внимание процессы биоактивации, происходящие в костном мозге, стандартные методы оценки экскреции метаболитов не отражают истинной дозы поллютантов, достигающих органов-мишеней, а также не учитывают в них кумуляцию этих веществ. Таким образом, необходимы разработка и расширение панели исследований при мониторинге производственного химического воздействия. Так, более информативными биомаркёрами могут служить гидрохинон и катехол в моче, а также аддукты белков крови с производными бензохинона.

Заключение

Данные, приведённые в настоящем обзоре, свидетельствуют о том, что фенол обладает рядом гематотоксических эффектов, реализуемых через локальную биоактивацию в миелоидной ткани, ингибирование топоизомеразы IIα, нарушение эритроидной дифференцировки и подавление иммунной функции. В условиях комбинированной с бензолом экспозиции эти эффекты могут усугубляться вследствие синергических метаболических взаимодействий.

Изучение данных литературы выявило малое число современных научных исследований, направленных на изучение механизмов изолированного токсического действия фенола, а также его модулирующего влияния на бензольную гематотоксичность. Данный пробел в совокупности с недостатками современных гигиенических нормативов, основанных на пороговом принципе, обусловливают низкую эффективность оценки риска в контексте профессиональной экспозиции фенолом и бензолом. С учётом генотоксичности фенола и его способности даже в малых дозах вызывать эпигенетические изменения текущие подходы к нормированию могут оказаться недостаточно эффективными.

Существующая система гигиенического нормирования и медицинского контроля может недооценивать риски изолированного действия фенола и его синергизма с бензолом. Практическое применение полученных данных заключается в переходе от оценки только бензола к оценке комбинированного действия смеси; внедрении в программу периодических медицинских осмотров определения специфических метаболитов фенола и бензола; проведении цитогенетического анализа у контактирующих, а также в углублённом обследовании работников групп риска с генетическими полиморфизмами ферментов детоксикации и (или) сдвигами в системе крови; ужесточении критериев мониторинга работников коксохимических и нефтехимических производств.