критериев безопасности. Первая относится к 1937 г. и связана с жидкой лекарственной формой сульфаниламидного препарата для детей. В качестве растворителя в этом препарате использовали 72% диэтиленгликоль. Было произведено и реализовано 1100 л микстуры. В результате ее применения в сентябре и октябре 1937 г. умерли 107 человек, преимущественно дети. Вторая трагедия связана с употреблением седативного препарата талидомид. Этот препарат назначали беременным женщинам в Европе, Австралии и Канаде, что привело в 5000 случаев к появлению у плодов различных аномалий развития.
Потребовалось проведение большого объема экспериментальных исследований для создания многоэтапной и жесткой системы предклинических испытаний новых лекарственных средств с целью исключения опасности их использования человеком.
Новейший этап в истории токсикологии характеризуется рядом крупных теоретических обобщений. К их числу следует отнести концепцию общих механизмов токсического действия химических веществ, базирующуюся на общебиологических представлениях об универсальности реакций организма на воздействие токсикантов.
Другим важным достижением теоретической токсикологии следует считать учение об естественной детоксикации, сформировавшееся в рамках биохимической токсикологии, как основе формирования механизмов адаптации и компенсации нарушенных функций при действии химических веществ. Наконец важно отметить становление нового направления – токсикологии пестицидов.
Богатая история токсикологии показывает, что, несмотря на тяжелые, а порой трагические события, сопутствовавшие развитию химической промышленности, внушительные успехи токсикологической науки и практики вселяют глубокую уверенность в том, что человечество может успешно противодействовать химической опасности во всех формах ее проявления.
13.2 Понятие о ядах и отравлениях.
Яд – это химическое вещество, которое в соприкосновении с живыми организмами в определенных условиях среды обитания и в определенном количестве способно оказывать повреждающее влияние на живые организмы, вплоть до гибели.
В современной научной литературе в качестве синонима слова яд часто употребляется слово ксенобиотик (от греч. Xenos – чужой и bios – жизнь, т.е. чуждый организму).
Биологический, а также токсический эффект поступившего в организм ксенобиотика возникает только тогда, когда он достигает точки своего приложения. Обычно говорят, что вещество взаимодействует с рецептором (ферменты, участки мембран, структуры ответственные за проведение нервных импульсов).
Токсическое действие на организм проявится только при условии достаточного для этого количества ксенобиотика. Если количество незначительно для развития токсического эффекта, то его не будет, либо фактически, либо в силу его практической незаметности.
Разовьется или нет отравление вслед за поступлением ксенобиотика в организм, какова будет степень его проявления, сколько долго оно будет продолжаться, зависит от вида ксенобиотика и его мишени (рецептора). Однако в значительной мере это зависит от того что и с какой скоростью будет происходить с веществом в организме. С момента поступления и до взаимодействия с рецептором ксенобиотик подвергается взаимодействию различных факторов: попав в кровоток, он разносится по всему организму, на определенном этапе проходя через печень, через эпителий капилляров проникает в ткани и органы, и выводится из организма в неизменном виде или в виде метаболитов. В крови ксенобиотики вступают в реакцию с белками плазмы преимущественно с альбуминами. Обычно такая связь снижает возможность соединения ксенобиотика с клетками мишенями.
116
В соответствии с этим предметом исследования в токсикологии являются яды (токсичные химические вещества), механизмы их токсического действия на биологические системы различных уровней их организации (от молекулярного до надорганизменного, популяционного) и те патологические состояния, которые формируются в живых организмах в результате взаимодействия с токсичными химическими веществами.
Задачи токсикологии как науки проистекают из опасности химических веществ. В конечном счете, они сводятся к накоплению знаний и пониманию закономерностей, которые определяют токсичность и опасность химических веществ для живых организмов
иих сообществ с тем, чтобы прогнозировать опасность и управлять ею. Прогнозирование
ипонимание сущности химической опасности обеспечивает создание научных основ разработки способов и средств профилактики токсических воздействий, методов диагностики и лечения заболеваний, обусловленных токсическими химическими веществами.
Область исследований в токсикологии обширна. В сфере ее интересов находятся животные и растения различных видов, человек. Этим объясняется, что токсикология одновременно ветеринарная, биологическая и медицинская наука.
13.3 Классификация ядовитых веществ.
Потребность в классификации ядовитых веществ возникла давно. Однако, в токсикологии до настоящего времени нет единой, общепринятой классификации ядовитых веществ. Все существующие классификации ядовитых веществ и группировки их, по тем или иным признакам, носят условный характер и представляют, прежде всего, практические цели.
Ядовитые вещества делят на две категории. В зависимости от того, поступают они в организм извне или образуются в самом организме выделяют: экзогенные и эндогенные яды.
Экзогенные яды поступают в организм из внешней среды и могут быть различными по своему происхождению или химической природе.
Эндогенные яды образуются в самом организме. К ним относятся вещества, которые могут вырабатываться в организме, как при нормальной жизнедеятельности, так и при различных патологических состояниях. Типичными примерами эндогенных ядов могут служить такие биогенные амины как индол, скатол, путресцин и другие. Отравление эндогенными ядами называют аутоинтоксикацией. В курсах токсикологии этим ядам, как правило, уделяется лишь косвенное внимание. Спектр экзогенных ядов достаточно широк. Попытки классифицировать их были сделаны различными авторами. При этом были использованы различные принципы: происхождение, химическая структура, механизм действия, степень токсичности и другие. Создание единой медикобиологической классификации ядов осложняется их политропностью действия.
Наибольшего внимания, по-видимому, заслуживает химико-биологическая классификация ядов, предложенная С.Н. Голиковым, И.В. Саноцким и Л.А. Тиуновым (1986), в которой учитывается происхождение ядов и принадлежность к определенному классу химических соединений.
В то же время, большое количество веществ различной химической природы характеризуется сходным эффектом действия, общими точками приложения в организме. В связи с этим, предложен ряд классификаций, основанных на общих принципах токсического действия: биохимическом, патофизиологическом, клиническом, дополняющих друг друга. В основу биохимической классификации положен тип взаимодействия ядовитых веществ с ферментами. Однако, ферменты не является единственной мишенью воздействия ядов в организме. Поэтому одновременно с этим анализируется физиологический механизм действия ядов. На основании использования этих подходов А.А. Покровский (1962) предложил патохимическую классификацию
117
ядовитых веществ. Данная классификация представляет особый интерес для клиницистов, т.к. дает возможность понять патогенез интоксикации, служить основой для разработки средств профилактики и лечения интоксикаций. Данная схема дает возможность также прогнозировать характер токсического действия и разрабатывать общие профилактические меры даже в тех случаях, когда новое соединение недостаточно изучено, но может быть отнесено к соответствующей группе патохимической классификации токсических веществ.
С точки зрения практикующих врачей большой интерес представляет классификация токсических веществ по характеру действия на организм. К числу наиболее удачных классификаций данного рода следует отнести систему Гендерсона и Хаггарда, разработанную ещё в 1930 году.
13.4 Токсикокинетика и токсикодинамика ядовитых веществ
Применительно к организму говорят о токсико- и фармакокинетике, что по существу одно и то же. Различие здесь только прикладное – фармакокинетика обычно рассматривает кинетику лекарственных веществ, токсикокинетика – токсических. Отсюда могут происходить различия в акцентах: первая, имея дело чаще всего с парентеральным или пероральным введением веществ, в значительной степени сосредоточена на кинетике поступления этими путями; токсикология часто имеет дело с ингаляционным поступлением ксенобиотиков, при этом растянутым во времени, а сами вещества могут находиться не только в газообразной форме, но и в виде аэрозолей; хотя возможны и другие пути проникновения через кожу и пр. Соответственно токсикокинетика более сосредоточена на этих путях поступления. Однако в любом случае методы исследования, способы обработки и описания данных, их конечные результаты остаются одними и теми же.
Термины – фармако- и токсикокинетика сложились исторически. Более верным термином является хемобиокинетика, поскольку он отражает суть процесса (кинетика химических веществ в биологическом объекте) и объединяет оба названия.
В дальнейшем мы будем пользоваться только этим термином.
Хемобиокинетика – это область изучения кинетики прохождения ксенобиотика через организм, включая процессы их поступления, распределения, метаболизма и выделения.
При сопоставлении хемобиокинетики с токсикодинамикой. Обе они составные части токсикологии и имеют общий объект исследования – яд – организм. При этом токсикодинамика сосредоточена на тех эффектах, которые возникают в организме под влиянием воздействия ксенобиотиков. Однако суть заключается в том, что не бывает однонаправленного действия; организм в свою очередь воздействует на ксенобиотик (метаболизм, распределение, элиминация) и поэтому следует говорить об их взаимодействии. Хемобиокинетика сосредоточена на поведении ксенобиотиков под влиянием организма.
13.5 Пути поступления ядов в организм.
Поступление через легкие.
В реальных условиях через легкие в организм поступают газообразные (парообразные) ксенобиотииики. Если вдыхаемое вещество достаточно устойчиво в организме, т.е. не подвергается или почти не подвергается биотрансформации, происходит его накопление. Последнее является результатом динамического распределительного процесса, в котором кровь играет роль промежуточной фазы: получая вещество из вдыхаемого воздуха, кровь отдает его тканям, различающимся кровоснабжением и «емкостью» для вдыхаемого вещества. В результате отмечается характерная картина накопления достаточно устойчивых ксенобиотиков в крови, когда
118
рост их концентрации в артериях на первых порах заметно обгоняет рост концентрации в венах. Однако в течении времени, по мере насыщения тканей, различие между содержанием вещества в артериальной и венозной крови постепенно уменьшается. Непосредственным отражением этого процесса является постепенное увеличение концентрации ксенобиотика в выдыхаемом воздухе. В итоге концентрация в выдыхаемом воздухе стремится к концентрации во вдыхаемом, что соответствует наступлению насыщения.
Поступление через кожу.
Через кожу могут проникать газообразные, жидкие и твердые вещества, преимущественно неэлектролиты. Для электролитов, за исключением тяжелых металлов и их солей, в незначительной степени преодолевающих кожный барьер, проницаемость кожи остается спорной, во всяком случае, она невелика. Среди органических соединений, вызывающих интоксикацию при проникновении через кожу, на первом месте стоят ароматические нитро- и аминосоединения, фосфорорганические пестициды, хлорированные углеводороды и элементорганические соединения.
Поступающие трансэпидермальным путем соединения попадают в венозную кровь, где их концентрация заметно повышает таковую в крови артериальной. В случае относительно малого количества всасывающегося таким путем вещества и достаточно хорошего его метаболизма в печени артериальная кровь может и не содержать его. Основным условием проникновения ксенобиотиков через кожу является их липоидорастворимость, сочетающаяся с растворимостью в воде. Растворимые в жирах соединения способны пройти через кожные жировые слои; дальнейшее всасывание веществ с гидрофобными свойствами может оказаться затрудненным из-за плохого их растворения в крови. Из других факторов, способствующих прохождению ксенобиотиками кожного барьера следует отметить температуру, поверхность соприкосновения и длительность контакта. При экспериментальном изучение проникновения ксенобиотиков через кожу следует иметь в виду, что кожа лабораторных млекопитающих как правило, более проницаема по сравнению с кожей других животных и человека. Кроме того следует помнить о разнице в соотношение поверхности тела и его массы у мелких животных.
Проникновение через желудочно-кишечный тракт.
Некоторые соединения, особенно липоидорастворимые, могут всасываться в кровь уже из полости рта. Всасывание в желудке зависит от характера его содержимого и степени наполнения. Желудочные секреты могут значительно изменить ксенобиотики, а также увеличить их растворимость. Секреты кишечника способны в некоторых случаях таким же образом воздействовать на неизмененные и не всосавшиеся ранее соединения. Другая возможность превращений ксенобиотиков в кишечнике связана с деятельностью кишечных бактерий. Примером этого может явиться восстановление ароматических нитросоединений до соответствующих аминов.
При всасывании из желудка и кишечника вещества прежде всего попадают в печень, где происходят те или иные превращения многих ксенобиотиков. В основном эти превращения направлены на обезвреживания соединений, но возможен и «летальный синтез».
13.6 Накопление и распределение токсических веществ в органах и тканях животных, биотрансформация, выведение ядов из организма.
Накопление (кумуляция) ксенобиотиков в тканях организма может иметь место при его постоянном или периодическом поступлении в организм тем или иным путем или одновременно несколькими путями. При этом поступление должно превышать очищение организма от ксенобиотика за счет всех возможностей – выделения различными путями и метаболизма, иначе накопления не произойдет. Известна кумуляция свинца и стронция за
119
счет их прочного связывания с костной тканью и весьма медленного выделения из нее. Другим примером является накопление кремния в легочной ткани.
Биохимические механизмы биотрансформации чужеродных веществ принадлежат к наиболее древним механизмам. Возникновение жизни на Земле требовало защиты первых примитивных организмов от агрессивной окружающей среды, составным элементом которой были разнообразные ксенобиотики. Эволюционное развитие такой защиты шло разными путями, в частности развивался и в процессе совершенствования жизни постепенно усложнялся биохимический путь детоксикации ксенобиотиков, их метаболизм, направленный на такое преобразование, которое способствовало быстрейшему их выведению из организма или полному разрушению до нетоксичных продуктов.
Молекулярные механизмы метаболизма ксенобиотиков в организме условно можно разделить на два типа. Первый из них связан с функционированием монооксигеназных систем гладкого эндоплазматического ретикулума и сопряженных с ним реакций конъюгации. Этот тип метаболизма функционирует главным образом при действие на организм жирорастворимых соединений. Второй тип метаболизма ксенобиотиков объединяет молекулярные механизмы, локализованные в цитозоле, митохондрях, лизосомах и пероксисомах. Этот тип функционирует преимущественно при действии на организм водорастворимых ксенобиотиков.
Самым крупным органом, принимающим участие в метаболизме ксенобиотиков, является печень. Она составляет 4% от массы животного. В печени метаболизируется примерно 2/3 от общего количества ксенобиотиков, попадающих в организм. Серные, глутатионовые и глюкуронидные конъюгаты ксенобиотиков из печени могут выделяться с желчью в кишечник, подвергаться там дальнейшей биотрансформации, реабсорбироваться в кровь и вновь поступать в печень. Далее эти соединения выделяются с мочой или повторно поступают с желчью в кишечник и выделяются с калом. В такой процесс внутрипеченочной циркуляции вовлекаются ксенобиотики с определенной молекулярной массой от 325-500 Да.
Помимо печени, микросомные монооксигеназы обнаружены в коже, легких, тонкой кишке, почках, головном мозге, надпочечниках, гонадах и плаценте. Именно в этих органах и тканях претерпевает метаболизм оставшаяся 1/3 попавших в организм извне ксенобиотиков. При этом кожа, легкие и кишечник служат первыми барьерами для токсических соединений, проникающих в организм кожным ингаляционным и пероральным путем.
Реакция конъюгации – это реакции биосинтеза при которой происходит метаболизм жирорастворимых ксенобиотиков. Значительная часть реакций конъюгации протекает на мембранах эндоплазматической сети клеток, непосредственно в месте образования под влиянием оксидаз. Это позволяет свести до минимума токсические действия промежуточных продуктов метаболизма ксенобиотиков. Надо отметить что реакции конъюгации протекают и на других внутриклеточных структурах, а так же в цитозоле, что дает возможность связывать токсические продукты, появляющиеся в клетке вне эндоплазматической сети.
Активность микросомальных ферментов зависит от многих факторов. Например, от функционального состояния организма, от возраста и пола, от кормления, сезонных и суточных колебаний активности. Однако наиболее выраженное действие на функционирование биохимических систем, ответственных за процессы детоксикации, оказывают химические вещества, относящиеся к индукторам и ингибиторам микросомных монооксигеназ. Комбинированное действие ксенобиотиков зачастую определяется именно индукторными или ингибиторными свойствами участвующих в комбинации соединений. Индукторы или ингибиторы микросомного окисления могут служить основой для средств профилактики и лечения интоксикаций.
120