Dlaczego włos jest tak dobrym materiałem diagnostycznym w kontekście różnych zastosowań?

Zacznę od tego, że włosy to bardzo bliski mi temat zarówno pod względem toksykologicznym, jak i kosmetologicznym. Bez wątpienia jest to szczególny materiał biologiczny, zaliczany do tzw. materiałów alternatywnych (niekonwencjonalnych), które nie są stosowane w rutynowych badaniach toksykologicznych (tak jak mocz, kał czy krew), ale w badaniach uzupełniających. To jest tak naprawdę i stary i nowy temat, bo powraca jak przysłowiowy bumerang. Badania związane z włosami na potrzeby medyczne prowadzono już kilkadziesiąt lat temu, tj. w latach 60. i 70. XX w. W toksykologii punktem wyjścia była ocena narażenia na toksyczne metale. W tamtym czasie badanie włosów pod kątem ksenobiotyków organicznych (zwłaszcza leków, narkotyków) nie było możliwe, ponieważ metody analityczne nie były wystarczająco czułe. Od wczesnych lat 80. XX w. rozwijano wysoce czułe i specyficzne metody oznaczania, np. testy radioimmunologiczne (do wykrywania morfiny we włosach osób uzależnionych od heroiny) lub chromatografię gazową sprzężoną ze spektrometrią mas, która stanowi obecnie złoty standard w identyfikacji i oznaczaniu narkotyków we włosach ze względu na ich zdolność rozdzielania i czułość wykrywania, co pozwoliło na analizę ksenobiotyków organicznych „uwięzionych” we włosach. To teoretycznie oferowało możliwość ujawnienia niedawnej historii narażenia danej osoby chociażby na substancję psychoaktywną, począwszy od dnia pobrania próbki, po okres kilku tygodni lub miesięcy. Dlatego w toksykologii badania włosów mają wiele zastosowań, takich jak: weryfikacja historii zażywania narkotyków, określenie ekspozycji na ksenobiotyki podczas ciąży, monitorowanie leków, badania dotyczące uzależnienia od alkoholu, weryfikacja dopingu i kontrola kierowców.

Czy wyniki zawartości substancji z włosów pobranych z innych części ciała niż głowa są w ogóle porównywalne?

W badaniach toksykologicznych stosuje się włosy z części potylicznej głowy – jest to pęk włosów grubości palca/ołówka. Przyjmując, że średnia szybkość wzrostu włosa wynosi 1 cm/mc, można dokonać tzw. analizy segmentowej, w której zakładamy, że 1 cm oznacza historię odpowiadającą 1 miesiącowi. Zazwyczaj wielkości próbek podawane w literaturze wahają się od pojedynczego włosa do 200 mg, przyciętego jak najbliżej skóry głowy. W przypadku analizy segmentowej włosy są cięte na segmenty o długości ok. 1, 2 lub 3 cm, co odpowiada w przybliżeniu 1, 2 lub 3 miesiącom wzrostu. Jeśli chodzi o włosy z innych części ciała, to zgodnie z założeniami (liderem w badaniu włosów jest prof. Pascal Kintz), zasugerowano, że owłosienia łonowe, ramion i pach są alternatywnymi źródłami wykrywania np. substancji psychoaktywnych, gdy włosy na skórze głowy nie są dostępne. Różne badania wykazały różnice w stężeniu między włosami łonowymi lub z pachy a włosami na skórze głowy. Znaczące różnice stężeń w tych badaniach, np. leków, tłumaczono lepszym krążeniem krwi, większą liczbą gruczołów apokrynowych, zupełnie innym stosunkiem telogen/anagen oraz w końcu – innym tempem wzrostu włosów (włosy z okolicy pachy – 0,40 mm/dzień i włosy łonowe – 0,30 mm/dzień).

Jakie analizy toksykologiczne wykonuje się na włosie?

Generalnie z uwagi na wiarygodność wyników oraz stosowaną metodę raczej nie bada się w toksykologii pojedynczych włosów. Jedynym przypadkiem, jaki pamiętam, są cenne próbki z Muzeum Napoleona Bonaparte, gdzie zgodnie z literaturą są opublikowane badania pojedynczego włosa, jak chodzi o identyfikację wybranych pierwiastków (głównie arsenu) metodą neutronowej analizy aktywacyjnej (NAA; ang. Neutron Activation Analysis). W większości przypadków jednak bada się, tak jak wspominałem wcześniej, pęk włosów grubości palca/ołówka z części potylicznej. Istnieje wiele różnych badań, w szczególności na potrzeby organów ścigania i wymiaru sprawiedliwości – od badań przyżyciowych, po badania typu post-mortem, o których już mówiłem (analiza metali, identyfikacja i oznaczanie leków, substancji psychoaktywnych i inne).

Jakie jest kliniczne zastosowanie analizy włosów?

Chociaż analiza toksykologiczna włosów stanowi badania uzupełniające, to obserwuje się duże zainteresowanie w zakresie zastosowań klinicznych, takich jak:

- potencjalne biomarkery pierwiastkowe wielu chorób, głównie nowotworowych,

- analiza metadonu post-mortem we włosach (bez analizy włosów nie można zinterpretować stężenia metadonu we krwi obwodowej),

- poziom pierwiastków niezbędnych fizjologicznie we włosach na potrzeby dietetyki spersonalizowanej (takie badania są dostępne komercyjnie np. w sklepach ze zdrową/ekologiczną żywnością),

- identyfikacja morfiny we włosach np. żołnierzy na przepustce jako badania uzupełniające badania moczu (ze względu na łatwą możliwość zafałszowania próbki moczu).

Należy podkreślić, że nie są to badania rutynowe, stanowią często doniesienia literaturowe i nie są stosowane na dużą skalę.

Czy substancje obecne w kosmetykach do włosów mogą zaburzać ich analizę bądź fałszować wyniki badań?

Pożądane jest, aby włosy przeznaczone do badań toksykologicznych nie były włosami np. farbowanymi, bo wzbogaci to bardzo matrycę próbki, a w konsekwencji sygnał analityczny, o składniki, które nie występują naturalnie, co utrudni interpretację wyników. Dlatego ważnym etapem przed analizą włosów jest ich mycie. W zdecydowanej większości przypadków stosuje się tę praktykę. Należy jednak zauważyć, że nie ma ustandaryzowanych procedur dotyczących tego etapu przygotowania próbki. Wśród środków stosowanych do mycia znajdziemy: detergenty (takie jak szampony), roztwory do „szorowania chirurgicznego”, środki powierzchniowo czynne (np. 0,1% dodecylosiarczan sodu), bufor fosforanowy oraz rozpuszczalniki organiczne (m.in. aceton, eter dietylowy, metanol, etanol, dichlorometan, heksan lub pentan) o różnych objętościach dla różnych czasów kontaktu. Na ogół stosuje się jeden etap mycia, chociaż czasami przeprowadza się drugie identyczne mycie. Jeśli na podstawie analizy roztworu do płukania zostanie wykryte zewnętrzne zanieczyszczenie, można wykazać kinetykę wymywania powtarzanego płukania. Niektóre procedury wskazują, że przed analizą włosy były myte trzykrotnie fosforanami, aby usunąć wszelkie możliwe zewnętrzne zanieczyszczenia. To są kwestie związane ze stosowaniem produktów kosmetycznych na etapie mycia, natomiast osobnym zagadnieniem jest analiza toksykologiczna włosów, które były poddawane różnym zabiegom kosmetycznym. Włosy są stale narażone na działanie naturalnych czynników, takich jak światło słoneczne, pogoda, woda, zanieczyszczenia, które wpływają na ich stan i mogą je nawet uszkadzać. Wykazano natomiast, że zabiegi kosmetyczne na włosy zwiększają te uszkodzenia. Szczególną uwagę zwrócono na efekty wielokrotnego mycia, trwałej ondulacji i farbowania włosów. Stwierdzono, że wielokrotne mycie szamponem nie ma znaczącego wpływu na zawartość ksenobiotyków we włosach. Po zabiegach kosmetycznych stężenie ksenobiotyków drastycznie spada (o 50-80%) w stosunku do pierwotnego stężenia. Produkty stosowane w zabiegach kosmetycznych, takich jak wybielanie, trwała ondulacja czy farbowanie, zawierają silne bazy, a więc wzbogacają matrycę. Substancje te mogą powodować uszkodzenia włosów i wpływać na zawartość (poprzez utratę) lub stabilność ksenobiotyków.

Od czego zależy proces wbudowywania się ksenobiotyków do włosów i jak długo trwa?

Należy zacząć od tego, że powszechnie przyjmuje się, iż ksenobiotyki mogą wbudować się we włosy w dwóch procesach: adsorpcji z otoczenia zewnętrznego i włączenia do rosnącego włosa z krwi. Mogą dostać się do włosów z chemikaliów w aerozolach, dymie lub na drodze wydzielania z gruczołów potowych i łojowych. Wiadomo, że pot zawiera ksenobiotyki obecne w krwi, a ponieważ włosy są bardzo porowate i mogą zwiększyć masę do 18% dzięki wchłanianiu płynów, ksenobiotyki mogą łatwo przenieść się na włosy wraz z potem. Istnieją również sytuacje, w których substancje chemiczne obecne w powietrzu (dym, opary itp.) mogą być osadzone na włosach. Przyjmuje się, że ksenobiotyki mogą być wbudowywane we włosy przez co najmniej trzy mechanizmy: z krwi podczas formowania włosów potu i sebum oraz ze środowiska zewnętrznego. Podstawowy problem jest taki, że tak naprawdę dokładny mechanizm wbudowywania się ksenobiotyków do włosów nie jest znany. Zasugerowano, że proces dyfuzji biernej można przyspieszyć przez wiązanie ksenobiotyków z wewnątrzkomórkowymi składnikami komórek rzęsatych, takimi jak melanina pigmentu włosa (np. stężenie kodeiny we włosach po podaniu doustnym zależy od zawartości melaniny). Prawdopodobnie nie jest to jedyny mechanizm, ponieważ ksenobiotyki są np. wbudowywane we włosach zwierząt albinosów, którym brakuje melaniny. Innym proponowanym mechanizmem jest wiązanie ksenobiotyków z aminokwasami zawierającymi grupy tiolowe (pełniące istotne funkcje w procesach np. ondulacji włosów). We włosach występuje obfitość aminokwasów, takich jak cystyna, które tworzą sieciujące wiązania S-S w celu stabilizacji sieci włókien białkowych. W ten sposób można związać ksenobiotyki dyfundujące do komórek rzęsatych. Różne badania wykazały, że po tej samej dawce czarne włosy zawierają znacznie więcej ksenobiotyków niż włosy blond. Doprowadziło to do dyskusji na temat możliwej genetycznej zmienności kumulacji ksenobiotyków we włosach i nadal jest to przedmiotem badań.

Czy skażenie środowiska różnymi substancjami może powodować to, że uzyskamy wynik fałszywie dodatni/ujemny na obecność danej substancji podczas analizy włosa?

W większości warunków środowiskowych (z ewidentnym wyjątkiem metylortęci) analiza włosów nie jest wiarygodnym wskaźnikiem narażenia środowiskowego lub wewnętrznego obciążenia organizmu predyktorem toksyczności bądź choroby. Dlatego dyskusyjne jest uznawanie zanieczyszczeń środowiskowych w kontekście wpływu na wyniki fałszywie dodatnie/ujemne. Tą kwestią zajmowała się dość dawno, bo w 2001 r., Agencja ds. Rejestru Substancji Toksycznych i Chorób (ATSDR – ang. Agency for Toxic Substances and Disease Registry), badając analizę ludzkich włosów jako potencjalne dodatkowe narzędzie do oceny narażenia. Analiza włosów może mieć przydatne zastosowania w śledztwach kryminalistycznych pierwiastków śladowych, badaniach przesiewowych pod kątem używania nielegalnych narkotyków oraz ocenie narażenia w niektórych miejscach pracy. Ogólna użyteczność analizy włosów do oceny narażenia na zanieczyszczenia środowiskowe (np. z niebezpiecznych składowisk odpadów), pozostaje jednak w dużej mierze nieudowodniona. Istotnym problemem jest brak odniesienia (lub tła) zakresów, w których należy dokonać interpretacji wyników. Aby pomóc oceniającym zinterpretować, czy wykryte poziomy są podwyższone, np. w wyniku uwolnień ksenobiotyków do środowiska, potrzebne jest lepsze zrozumienie geograficznych lub regionalnych różnic w poziomach tła w przypadku braku narażenia środowiskowego. Dlatego analiza włosów, jeśli jest już przeprowadzana, powinna być traktowana jedynie jako narzędzie pomocnicze (badania uzupełniające), a wyniki interpretowane w integracji z innymi, bardziej wiarygodnymi danymi (np. stężeniem we krwi i moczu). Dochodzimy bowiem w toksykologii do integracji danych i powinniśmy interpretować wyniki całościowo, a nie tylko w odniesieniu do wybranych badań.

--

Dr hab. n. med. i n. o zdr. Kamil Jurowski, toksykolog, safety assessor, specjalista ds. oceny bezpieczeństwa produktów kosmetycznych, oceny toksykologicznej leków, suplementów diety. Lider w Polsce w zakresie toksykologicznej oceny ryzyka zdrowotnego. Absolwent Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, doktor habilitowany nauk medycznych i nauk o zdrowiu w dyscyplinie nauki farmaceutyczne, doktor nauk chemicznych, specjalności: toksykologia, spektrometria mas, chromatografia, biochemia lipidów, biochemia kliniczna, biochemia analityczna. Jest pasjonatem dydaktyki, prowadzi wykłady i ćwiczenia z toksykologii dla kierunku lekarskiego, english division i farmacji. Pracuje w Instytucie Nauk Medycznych, Kolegium Nauk Medycznych, Uniwersytetu Rzeszowskiego. Wiedzą i doświadczeniem dzieli się na swojej stronie internetowej i blogu.