Metals and oxidative potential in urban particulate matter influence systemic inflammatory and neural biomarkers: A controlled exposure study

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dc.contributor.author

Liu, Ling

Urch, Bruce

Szyszkowicz, Mieczyslaw

Evans, Greg

Speck, Mary

Van Huang, Angela

Leingartner, Karen

Shutt, Robin H.

Pelletier, Guillaume

Gold, Diane R.

Brook, Jeffrey R.

Pollitt, Krystal Godri

Silverman, Frances S.

dc.date.accessioned

2024-04-04T19:56:47Z

dc.date.available

2024-04-04T19:56:47Z

dc.date.issued

2018-11-09

dc.description - en

Under the Clean Air Regulatory Agenda, Health Canada conducts scientific research to assess the adverse health effects of particulate matter (PM) in ambient air. This activity contributes to the development of Canada Ambient Air Quality Standards. PM in urban ambient air is a complex mixture of various constituents such as metals. In epidemiological studies, some metals in PM, such as transition metals iron, copper and vanadium, have been found to link to cardiovascular and respiratory hospital admissions and mortality, increased heart rate, and decreased lung function. The oxidative potential of particulate matter is a measure of its chemical reactivity. Few studies have been done to examine how these metals and the oxidative potential of PM can affect health inside the human body. In this study, Health Canada collaborated with the University of Toronto, Harvard University, the Environment and Climate Change Canada and the Yale University to investigate the effects of metal constituents and the oxidative potential in urban particles on biomarkers of systemic inflammation, oxidative stress and neural function. Fifty-three healthy non-smoking volunteers (mean age 28 years) participated in this study. The exposure to urban particles was conducted in a facility in which the temperature and particle size and concentrations were controlled. Metal concentrations and the oxidative potential in the particles were measured. Blood and urine samples were collected before and after an exposure to determine the changes in biomarker levels in the body. The results show that some metal constituents (silver, aluminum, barium, copper, iron, potassium, lithium, nickel, tin, and vanadium) and the oxidative potential in PM may influence biomarker levels linked to systemic inflammation, oxidative stress, perturbations of blood-brain barrier and physiological stress. The results from this study contribute to the weight of evidence on the risks of particulate matter to human health.

dc.description.abstract - en

Background Oxidative stress and inflammation are considered to be important pathways leading to particulate matter (PM)-associated disease. In this exploratory study, we examined the effects of metals and oxidative potential (OP) in urban PM on biomarkers of systemic inflammation, oxidative stress and neural function. Methods Fifty-three healthy non-smoking volunteers (mean age 28 years, twenty-eight females) were exposed to coarse (2.5–10 μm, mean 213 μg/m3), fine (0.15–2.5 μm, 238 μg/m3), and/or ultrafine concentrated ambient PM (<0.3 μm, 136 μg/m3). Exposures lasted 130 min, separated by ≥2 weeks. Metal concentrations and OP (measured by ascorbate and glutathione depletion in synthetic airway fluid) in PM were analyzed. Blood and urine samples were collected pre-exposure, and 1-h and 21-h post exposure for assessment of biomarkers. We used mixed-regression models to analyze associations adjusting for PM size and mass concentration. Results Results for metals were expressed as change (%) from daily pre-exposure biomarker levels after exposure to a metal at a level equivalent to the mean concentration. Exposure to various metals (silver, aluminum, barium, copper, iron, potassium, lithium, nickel, tin, and/or vanadium) was significantly associated with increased levels of various blood or urinary biomarkers. For example, the blood inflammatory marker vascular endothelia growth factor (VEGF) increased 5.3% (95% confidence interval: 0.3%, 10.2%) 1-h post exposure to nickel; the traumatic brain injury marker ubiquitin C-terminal hydrolase L1 (UCHL1) increased 11% (1.2%, 21%) and 14% (0.3%, 29%) 1-h and 21-h post exposure to barium, respectively; and the systemic stress marker cortisol increased 1.5% (0%, 2.9%) and 1.5% (0.5%, 2.8%) 1-h and 21-h post exposure to silver, respectively. Urinary DNA oxidation marker 8‑hydroxy‑deoxy‑guanosine increased 14% (6.4%, 21%) 1-h post exposure to copper; urinary neural marker vanillylmandelic acid increased 29% (3%, 54%) 1-h post exposure to aluminum; and urinary cortisol increased 88% (0.9%, 176%) 1-h post exposure to vanadium. Results for OP were expressed as change (%) from daily pre-exposure biomarker levels after exposure to ascorbate-related OP at a level equivalent to the mean concentration, or for exposure to glutathione-related OP at a level above the limit of detection. Exposure to ascorbate- or glutathione-related OP was significantly associated with increased inflammatory and neural biomarkers including interleukin-6, VEGF, UCHL1, and S100 calcium-binding protein B in blood, and malondialdehyde and 8-hydroxy-deoxy-guanosine in urine. For example, UCHL1 increased 9.4% (1.8%, 17%) in blood 21-h post exposure to ascorbate-related OP, while urinary malondialdehyde increased 19% (3.6%, 35%) and 8-hydroxy-deoxy-guanosine increased 24% (2.9%, 48%) 21-h post exposure to ascorbate- and glutathione-related OP, respectively. Conclusion Our results from this exploratory study suggest that metal constituents and OP in ambient PM may influence biomarker levels associated with systemic inflammation, oxidative stress, perturbations of neural function, and systemic physiological stress.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Arrière-plan Le stress oxydatif et l’inflammation sont considérés comme des voies importantes menant aux maladies associées aux particules (PM). Dans cette étude exploratoire, nous avons examiné les effets des métaux et du potentiel oxydatif (PO) des particules urbaines sur les biomarqueurs de l'inflammation systémique, du stress oxydatif et de la fonction neuronale. Méthodes Cinquante-trois volontaires non-fumeurs en bonne santé (âge moyen 28 ans, vingt-huit femmes) ont été exposés à des substances grossières (2,5 à 10 μm, moyenne 213 μg/m3), fines (0,15 à 2,5 μm, 238 μg/m3) et /ou PM ambiantes concentrées ultrafines (<0,3μm, 136μg/m3). Les expositions ont duré 130 minutes, séparées par ≥2 semaines. Les concentrations de métaux et d'OP (mesurées par la déplétion en ascorbate et en glutathion dans le liquide synthétique des voies respiratoires) dans les particules ont été analysées. Des échantillons de sang et d'urine ont été prélevés avant l'exposition et 1 h et 21 h après l'exposition pour l'évaluation des biomarqueurs. Nous avons utilisé des modèles de régression mixte pour analyser les associations en fonction de la taille des particules et de la concentration massique. Résultats Les résultats pour les métaux ont été exprimés sous forme de changement (%) par rapport aux niveaux quotidiens de biomarqueurs avant exposition après exposition à un métal à un niveau équivalent à la concentration moyenne. L’exposition à divers métaux (argent, aluminium, baryum, cuivre, fer, potassium, lithium, nickel, étain et/ou vanadium) était associée de manière significative à une augmentation des taux de divers biomarqueurs sanguins ou urinaires. Par exemple, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF), marqueur inflammatoire sanguin, a augmenté de 5,3 % (intervalle de confiance à 95 % : 0,3 %, 10,2 %) 1 heure après l'exposition au nickel ; le marqueur de lésion cérébrale traumatique, l'ubiquitine C-terminal hydrolase L1 (UCHL1), a augmenté de 11 % (1,2 %, 21 %) et de 14 % (0,3 %, 29 %) 1 h et 21 h après l'exposition au baryum, respectivement ; et le cortisol, marqueur de stress systémique, a augmenté de 1,5 % (0 %, 2,9 %) et de 1,5 % (0,5 %, 2,8 %) 1 h et 21 h après l'exposition à l'argent, respectivement. Le marqueur d'oxydation de l'ADN urinaire, la 8‑hydroxy‑désoxy‑guanosine, a augmenté de 14 % (6,4 %, 21 %) une heure après l'exposition au cuivre ; le marqueur neuronal urinaire, l'acide vanillylmandélique, a augmenté de 29 % (3 %, 54 %) 1 heure après l'exposition à l'aluminium ; et le cortisol urinaire a augmenté de 88 % (0,9 %, 176 %) une heure après l'exposition au vanadium. Les résultats pour l'OP ont été exprimés sous forme de changement (%) par rapport aux niveaux quotidiens de biomarqueurs avant exposition après une exposition à l'OP lié à l'ascorbate à un niveau équivalent à la concentration moyenne, ou pour une exposition à l'OP lié au glutathion à un niveau supérieur à la limite de détection. L'exposition à l'OP liée à l'ascorbate ou au glutathion était associée de manière significative à une augmentation des biomarqueurs inflammatoires et neuronaux, notamment l'interleukine-6, le VEGF, l'UCHL1 et la protéine B liant le calcium S100 dans le sang, ainsi que le malondialdéhyde et la 8-hydroxy-désoxy-guanosine dans l'urine. Par exemple, l'UCHL1 a augmenté de 9,4 % (1,8 %, 17 %) dans le sang 21 heures après l'exposition à un OP lié à l'ascorbate, tandis que le malondialdéhyde urinaire a augmenté de 19 % (3,6 %, 35 %) et la 8-hydroxy-désoxy-guanosine a augmenté de 24. % (2,9 %, 48 %) 21 heures après l'exposition aux OP liés à l'ascorbate et au glutathion, respectivement. Conclusion Nos résultats de cette étude exploratoire suggèrent que les constituants métalliques et les OP dans les particules ambiantes peuvent influencer les niveaux de biomarqueurs associés à l'inflammation systémique, au stress oxydatif, aux perturbations de la fonction neuronale et au stress physiologique systémique.

dc.description.fosrctranslation - fr

Dans le cadre du Programme de réglementation de la qualité de l'air, Santé Canada mène des recherches scientifiques pour évaluer les effets néfastes sur la santé des particules (PM) présentes dans l'air ambiant. Cette activité contribue à l'élaboration des Normes canadiennes de qualité de l'air ambiant. Les PM dans l’air ambiant urbain sont un mélange complexe de divers constituants tels que des métaux. Dans des études épidémiologiques, il a été démontré que certains métaux présents dans les particules, tels que les métaux de transition que sont le fer, le cuivre et le vanadium, sont liés aux hospitalisations et à la mortalité cardiovasculaires et respiratoires, à l'augmentation de la fréquence cardiaque et à la diminution de la fonction pulmonaire. Le potentiel oxydant des particules est une mesure de leur réactivité chimique. Peu d’études ont été réalisées pour examiner comment ces métaux et le potentiel oxydant des particules peuvent affecter la santé à l’intérieur du corps humain. Dans cette étude, Santé Canada a collaboré avec l'Université de Toronto, l'Université Harvard, Environnement et Changement climatique Canada et l'Université Yale pour étudier les effets des constituants métalliques et le potentiel oxydatif des particules urbaines sur les biomarqueurs de l'inflammation systémique, du stress oxydatif et du stress neuronal. fonction. Cinquante-trois volontaires non-fumeurs en bonne santé (âge moyen 28 ans) ont participé à cette étude. L'exposition aux particules urbaines a été réalisée dans une installation dans laquelle la température, la taille et les concentrations des particules étaient contrôlées. Les concentrations de métaux et le potentiel oxydatif des particules ont été mesurés. Des échantillons de sang et d'urine ont été prélevés avant et après une exposition pour déterminer les changements dans les niveaux de biomarqueurs dans le corps. Les résultats montrent que certains constituants métalliques (argent, aluminium, baryum, cuivre, fer, potassium, lithium, nickel, étain et vanadium) et le potentiel oxydatif des particules peuvent influencer les niveaux de biomarqueurs liés à l'inflammation systémique, au stress oxydatif et aux perturbations du sang. -barrière cérébrale et stress physiologique. Les résultats de cette étude contribuent au poids de la preuve sur les risques des particules pour la santé humaine.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1016/j.envint.2018.10.055

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2224

dc.language.iso

en

dc.publisher

Elsevier

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Metals and oxidative potential in urban particulate matter influence systemic inflammatory and neural biomarkers: A controlled exposure study

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Article

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