Основы токсикологии

Как следует из представленных данных, для лиц, использующих воду из источников с содержанием мышьяка менее 0,05 мг/л, распространенность гипрепигментации и гепатомегалии соответственно составляют 0 - 6 %.

Для источников с концентрацией более 0,05 мг/л распространенность патологии равна

62/67=0,93 (93%) (по источникам 1-4, соответственно, 96%, 75%, 86%, 100%).

Различие между сравниваемыми группами высоко значимо (р<0,001), что указывает на обусловленность симптоматики приемом мышьяка.

Анализ этих же результатов методом "случай-контроль" предполагает формирование таблицы иного вида. Ниже представлена четырехпольная таблица распределения лиц с гепатомегалией ("случай") и без данного признака ("контроль") по градациям концентрации мышьяка в воде (Таблица 5. Анализ результатов поперечного исследования по группам больных и здоровых (подход "случай-контроль").

Таблица 5. Анализ результатов поперечного исследования по группам больных и здоровых (подход "случай-контроль")

Относительный риск развития гепатомегалии ОР = (62х90)/(6х5) = 186. Значимость различий очень высокая, р < 0,001. Если в определение случая включить также гиперпигментацию, то ОР стремиться к бесконечности, а значимость различий будет еще выше.

Выводы, полученные с использованием методологии "когортного анализа", совпадают со сделанными выше.

3.5. Другие методы

Кластерные исследования оценивают частоту ожидаемых эффектов в группах лиц, подвергшихся (подвергающихся) воздействию вредного фактора, неформально объединенных каким-либо кластеробразующим показателем: временным, пространственным, семейным (национальным) родством, близостью механизмов развития патологии и т.д. Для анализа результатов прибегают к помощи специального математического аппарата.

Экотоксикологические исследования предполагают анализ функционального состояния не отдельных лиц, а целых групп населения, находящихся в условиях предполагаемого воздействия со стороны экополлютантов. Не редко подобные обследования носят геополитический характер (государство, страна, континент), а в качестве оцениваемого

эффекта рассматриваются такие показатели, как рождаемость, смертность, заболеваемость и т.д. Поскольку на результаты подобных исследований влияет огромное количество факторов, их следует рассматривать как основание для формирования гипотез, подлежащих в дальнейшем более глубокому изучению в ином масштабе.

4. Интерпретация результатов (принципы формирования выводов)

Входе эпидемиологических исследований редко удается выявить абсолютную связь между интересующим фактором и изучаемой патологией. В этой связи разработана концепция "паутины" причин, согласно которой в реальных условиях целый ряд факторов, взаимодействуя между собой, вносит вклад в развитие тех или иных нарушений здоровья. Хотя концепция разработана для объяснения возникновения и распространения среди населения заболеваний, обусловленных длительным действием факторов, многие из её следствия применимы и для острых воздействий.

Внастоящее время в токсикологии признано, что степень научной обоснованности вывода о наличии причинно-следственных связей между действием "вредного" фактора и нарушением здоровья определяется:

-достоверностью и выраженностью математических характеристик силы связи между явлениями, полученных в ходе исследования;

-специфичностью выявленной связи;

-воспроизводимостью результатов, получаемых в разных исследованиях;

-временной последовательностью событий (сначала действие, затем эффект);

-биологической возможностью связи между фактом действия вещества и развитием конкретной формы токсического процесса;

-дозовой зависимостью оцениваемого эффекта.

Сила связи. Связь между действием исследуемого фактора и развитием патологии колеблется в широких пределах от очень сильной до слабой. Чем сильнее связь между событиями, тем вероятнее, что оцениваемый фактор действительно является этиологическим. Характеристиками силы связи являются: относительный риск, коэффициент корреляции, результаты регрессионного анализа и т.д. Последние две характеристики количественны по своей природе. В эпидемиологических исследованиях силу связи лучше выражать в величинах относительного риска (см. выше). Определение относительного риска позволяет рассчитать и другие характеристики, в частности, атрибутивный риск (см. выше). Сила связи зависит от ряда факторов. Важнейший из них - число лиц, охваченных обследованием. При обследовании больших групп вероятность получения достоверной информации в целом выше, более надёжными являются характеристики силы связи.

На силу связи влияют особенности действия изучаемого фактора. В ряде случаев характеристика воздействия полностью определяет объективность получаемых результатов. Неправильная характеристика воздействия, недоучет множественного характера действующих факторов на популяцию приводят к появлению ошибок в определении силы изучаемой связи. В ряде случаев особую значимость приобретает корректность характеристики сроков воздействия токсиканта. Так, при изучении последствий контакта с предполагаемыми тератогенами, эмбриотоксикантами очень важно представлять в каком периоде развития плода произошло воздействие, т.к. чувствительность эмбриона к подобным химическим веществам существенно изменяется во времени. Однако далеко не всегда характеристики воздействия могут быть получены в полном объеме.

В этом случае один из методов подтверждения связи между действием токсиканта и развитием патологии состоит в устранении его действия, с последующим изучением характеристик распространенности патологии и заболеваемости и сравнением данных с предсказанными

С. А. КУЦЕНКО ОСНОВЫ ТОКСИКОЛОГИИ, Санкт-Петербург, 2002

РАЗДЕЛ 4. ТОКСИКОКИНЕТИКА

ГЛАВА 4.1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Токсикокинетика - раздел токсикологии, в рамках которого изучаются закономерности, а также качественные и количественные характеристики резорбции, распределения, биотрансформации ксенобиотиков в организме и их элиминации (рисунок 1).

Рисунок 1. Этапы взаимодействия организма с ксенобиотиком

С позиций токсикокинетики организм представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из большого числа компартментов (отделов): кровь, ткани, внеклеточная жидкость, внутриклеточное содержимое, с различными свойствами, отделенных друг от друга биологическими барьерами. К числу барьеров относятся клеточные и внутриклеточные мембраны, гистогематические барьеры (например, гематоэнцефалический), покровные ткани (кожа, слизистые оболочки). Кинетика веществ в организме - это, по сути, преодоление ими биологических барьеров и распределение между компартментами (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема движения веществ в основных компартментах организма

В ходе поступления, распределения, выведения вещества осуществляются процессы его перемешивания (конвекция), растворения в биосредах, диффузии, осмоса, фильтрации через биологические барьеры.

Конкретные характеристики токсикокинетики определяются как свойствами самого вещества, так и структурно-функциональными особенностями организма.

Важнейшими характеристиками вещества, влияющими на его токсикокинетические параметры, являются:

-коэффициент распределения в системе масло/вода - определяет способность накапливаться в соответствующей среде: жиро-растворимиые - в липидах; водо-растворимые - в воде;

-размер молекулы - влияет на способность диффундировать в среде и проникать через поры биологических мембран и барьеров;

-константа диссоциации - определяет относительную часть молекул токсиканта, диссоциировавших в условиях внутренней среды организма, т.е. соотношение молекул, находящихся в ионизированной и неионизированной форме. Диссоциировавшие молекулы (ионы) плохо проникают через ионные каналы и не проникают через липидные барьеры;

-химические свойства - определяют сродство токсиканта к химическим и биохимическим элементам клеток, тканей и органов.

Свойства организма, влияющие на токсикокинетику ксенобиотиков.

Свойства компартментов:

-соотношение воды и жира в клетках, тканях и органах. Биологические структуры могут содержать либо мало (мышечная ткань), либо много жира (биологические мембраны, жировая ткань, мозг);

-наличие молекул, активно связывающих токсикант. Например в костях имеются структуры, активно связывающие не только кальций, но и другие двухвалентные металлы (свинец, стронций и т.д.).

Свойства биологических барьеров:

-толщина;

-наличие и размеры пор;

-наличие или отсутствие механизмов активного или облегченного транспорта химических веществ.

По существующим представлениям сила действия вещества на организм является функцией его концентрации в месте взаимодействия со структурой-мишенью, что в свою очередь определяется не только дозой, но и токсикокинетическими параметрами ксенобиотика.

Токсикокинетика формулирует ответ на вопрос, каким образом доза и способ

воздействия вещества на организм влияют на развитие токсического процесса?

Помимо теоретических, данные токсикокинетики позволяют грамотно решать и практические задачи. Например, на основе анализа содержания ксенобиотиков и их метаболитов в биосредах оценивать риск действия вещества на производстве, выявлять случаи острых, подострых, хронических интоксикаций, проводить судебно-медицинские исследования, коррегировать терапевтические мероприятия, разрабатывать противоядия и совершенствовать методы форсированной детоксикации организма и т.д.

Точность и достоверность результатов токсикокинетических исследований увеличиваются по мере совершенствования методов аналитической химии. Количественная токсикокинетика широко использует математический аппарат. Построение математических моделей, описывающих течение во времени процессов резорбции, распределения, элиминации веществ, вводимых в определенных дозах, позволяет получать характеристики, которые и используются на практике. В интересах практики даже самые сложные токсикокинетические процессы исследователи пытаются облечь в доступную форму относительно простых констант.

1. Растворение и конвекция

Растворение - процесс накопления вещества в жидкой фазе (растворителе) в молекулярной или ионизированной форме. Количественно процесс характеризуется растворимостью, т.е. максимальным количеством вещества, способным накапливаться в данном объеме растворителя при определенной температуре и давлении. Основными растворителями организма являются вода и липиды (жировая ткань, липиды биологических мембран и т.д.). Растворимость определяется физическим и химическим сродством молекул растворителя и растворяемого вещества. Как правило хорошо растворяются друг в друге подобные по физикохимическим свойствам вещества - полярные молекулы в полярных растворителях (воде), неполярные молекулы в неполярных растворителях (липидах).

Конвекция. Без явления конвекции жизнь организма была бы невозможна, так как только благодаря ей осуществляется быстрый обмен веществами между внешней и внутренней средами. Вещества, проникшие в кровоток, распределяются в организме также путем механического перемешивания, т.е. конвекции. Они в считанное время распространяются по всему организму, проникая как в хорошо, так и плохо кровоснабжаемые органы.

Так, через органы с общей массой 7% от массы тела (мозг, легкие, сердце, печень, почки) за минуту протекает 70% объема минутного сердечного выброса крови. Поэтому токсиканты, попавшие в кровоток, прежде всего, окажутся в этих органах. Напротив, шунтирование крови и исключение из кровотока отдельных участков органа или ткани может полностью предотвратить поступление сюда токсиканта.

Движущей силой конвекции является градиент давления крови р, создаваемый периодическим сокращением сердечной мышцы. Ламинарное движение жидкости по неподвижной трубке подчиняется закону Хагена-Пуазейля, в соответствии с которым, скорость движения обратно пропорциональна радиусу трубки. Этому же закону, с известными ограничениями, подчиняется и движение крови по сосудам. Так как суммарная площадь сечения капиллярного русла в 700 раз больше площади сечения аорты, скорость кровотока по капиллярам существенно ниже, чем в аорте (в капиллярах - 0,03 - 0,05 см/сек; в аорте - 20 см/сек). Поэтому перемешивание токсиканта в крови, в основном осуществляется в сердце, аорте и крупных сосудах.

Сердечно-сосудистая недостаточность затрудняет распределение веществ в организме.

2. Диффузия в физиологической среде

Диффузия - процесс перемещения массы вещества в пространстве в соответствии с градиентом концентрации, осуществляемый вследствие хаотического движения молекул.

Диффузия веществ в воде описывается уравнением Фика:

Y = -Дp C/ l S t, где

Y - количество диффундирующего вещества;

Дp - коэффициент диффузии вещества в воде (для различных веществ можно найти в справочниках). С увеличением молекулярной массы вещества величина коэффициента диффузии, как правило, уменьшается;

C/ l - градиент концентраций вещества в различных участках среды;

S - площадь диффузионной поверхности.

t - время регистрации процесса.

Знак минус означает, что движение вещества осуществляется в направлении, по которому градиент концентрации отрицателен.

Из уравнения следует, что количество диффундировавшего вещества из одной среды в другую увеличивается при увеличении разности концентраций между средами, площади их соприкосновения, времени контакта и уменьшается при увеличении диффузионного расстояния ( l).

При изучении диффузии газов между воздухом и тканями животных целесообразно соотносить скорость процесса с величиной парциального давления газов. Коэффициент диффузии в данном случае использовать очень сложно из-за трудностей, возникающих при определении концентрации вещества в тканях. Для того, чтобы преодолеть это препятствие вместо коэффициента диффузии в расчетах используют константу диффузии, численно равную количеству газа, в кубических сантиметрах, которое диффундирует за 1 мин через 1 см2 площади контакта при градиенте давления 1 атм на 1 см.

Физиологически значимые диффузионные процессы осуществляются на небольшие расстояния - от нескольких микрон до миллиметра. Дело в том, что время диффузии возрастает пропорционально квадрату пути, проходимому молекулой (для диффузии на расстояние 1 мкм потребуется время 10-2 с, для 1 мм - 100 с, для 10 мм - 10000 с, т.е. три часа). Поэтому распределение веществ в организме осуществляется путем конвекции, преодоление различного рода барьеров - путем диффузии.

Процесс диффузии веществ в биологических средах, таких как плазма крови, ликвор, внутри- и межклеточная жидкость имеет некоторые особенности. Компонентами биологических жидкостей, влияющими на процесс диффузии ксенобиотиков, являются как низкомолекулярные (K+, Na+, Ca2+, Cl-, HCO3-, H2PO4-, мочевина, аминокислоты и т.д.), так и высокомолекулярные вещества. К числу последних, например, в плазме крови относятся белки (альбумины, глобулины, фибриноген), липопротеины и т.д. Свободная диффузия ксенобиотиков значительно ограничивается упомянутыми веществами. Особенно сильно влияет на процессы распределения химическое взаимодействие токсикантов с компонентами биологических жидкостей (в основном белками - размер образующихся комплексов в 200 - 700 раз превосходят размеры свободных токсикантов) - связавшиеся вещества практически утрачивают способность проникать через биологические барьеры не только путем диффузии, но и фильтрации.

2.1. Проникновение веществ через биологические барьеры

На пути вещества, диффундирующего в организме, постоянно встречаются барьеры, а именно: эпителиальные, эндотелиальные структуры; клеточные, ядерные, митохондриальные мембраны и т.д.

Биологические мембраны представляют собой двойной слой молекул липидов, гидрофильные участки которых обращены в сторону водной фазы, а гидрофобные погружены внутрь мембраны. В липидный бислой встроены молекулы протеинов, которые и определяют тип мембраны, её физиологическую и морфологическую идентичность, свойства и, в том числе, проницаемость для химических веществ. Через биологические мембраны могут проходить жирорастворимые вещества, молекулы воды и лишь некоторые низкомолекулярные гидрофильные соединения.

Для объяснения этого феномена постулируется, что липидные мембраны имеют гидрофильные "поры" диаметром до 0,4 нм. В соответствии с жидкостно-мозаичной моделью Зингера и Николсона, эти "поры" представляют собой проницаемые точки неупорядоченной структуры мембраны (точки выпадения). С позиций теории упорядоченности белковых молекул в мембране, поры - ионные каналы, образуемые белками.

- коэффициент распределения вещества в системе липиды/вода.

Так как коэффициент проницаемости пропорционален коэффициенту распределения (абсорбции), скорость проникновения различных веществ через мембраны существенно различна: вещество тем легче проникает через клеточную мембрану, чем выше его растворимость в липидах. Однако неверно полагать, что между проницаемостью и растворимостью в липидах существует простая линейная связь. При достаточно высоких значения коэффициента вещество накапливается в липидных мембранах и утрачивает способность покидать их. Таким образом, прослеживается следующая зависимость: с увеличением растворимости в липидах первоначально проницаемость барьера для веществ растет, но достигнув определенного уровня, вновь понижается.

2.3. Диффузия через поры

Проникновение через биологические барьеры веществ, растворимых преимущественно в воде, осуществляется путем диффузии через водные каналы (поры), а потому определяется размерами молекулы и практически не зависит от коэффициента распределения в системе масло/вода. Молекулы малого размера свободно проходят через поры. Если диаметр молекулы больше диаметра пор, она не проникает через мембрану. Кривая зависимости "проницаемость - размеры молекул" носит S-образный характер (рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость проницаемости биологических барьеров от размеров молекул водороастворимых веществ

Можно представить, что с увеличением размеров молекул их взаимодействие со стенками белковых каналов все в большей степени препятствует свободной диффузии. Так, радиус пор мембран эпителия желудочно-кишечного тракта составляет 0,3 - 0,8 нм. Химические вещества, поступающие в организм per os, и имеющие молекулярную массу менее 400 Д, могут проходить через эпителий кишечника, но лишь при условии, что молекулы имеют цилиндрическую форму. Для молекул шарообразной формы, граница проницаемости через эпителий желудочнокишечного тракта - 150 - 200 Д.

В целом диффузия водо-растворимых веществ через барьеры также описывается уравнением Фика, однако, в качестве диффузионной поверхности следует учитывать только эффективную интегральную площадь пор.

Проницаемость биологических барьеров для электролитов еще более затруднена. Поры биологических мембран плохо проницаемы (а порой и непроницаемы вовсе) для заряженных молекул, причем величина заряда имеет большее значение, чем их размеры. Отчасти это обусловлено взаимодействием (притяжением или отталкиванием) ионов с зарядами белковой стенки каналов, отчасти их гидратацией в водной среде. Степень гидратации тем выше, чем выше заряд. Размеры гидратированного иона значительны, что затрудняет его диффузию. В этой связи проницаемость мембран для двухвалентных ионов всегда ниже, чем для одновалентных, а трехвалентные практически на способны преодолевать биологические барьеры.