2 Пути поступления в организм ксенобиотиков и меры токсичности

Несмотря на исключительно жёсткие требования к присутствию остаточных количеств пестицидов в продуктах питания и переход к действующим началам с невысокой персистентностью, эти ксенобиотики всё ещё обнаруживаются современным методами анализа в отдельных видах сельскохозяйственной продукции. Более всего ими загрязнены фрукты и овощи. Кроме того, не исключена возможность появления продуктов с высоким содержанием пестицида в результате нарушения правил его применения, как это случилось в 2017 г. с крупной партией яиц с высоким содержанием инсектицидного фипронила. Контактируют с пестицидами участники их производства и использующие их работники аграрного сектора. В соответствии с этим надо иметь представление о токсикологии ксенобиотиков.

Термин «ксенобиотик» (от греч. – чуждый живому) относится ко всем веществам, как синтетическим, так и природным, которые не включаются в нормальные обеспечивающие жизнедеятельность организма метаболические процессы. В общем случае объектами исследования в токсикологии являются только те вещества, которые так или иначе попадают в организм, несмотря на то, что для исключения этого существуют предусмотренные природой барьеры. Ксенобиотики могут попадать в кровь через лёгкие, через желудочно-кишечный тракт, через кожу или через слизистые оболочки верхних дыхательных путей и глаз. Для определения абсолютной токсичности используется внутривенное введение исследуемого вещества подопытным животным. Хорошо защищает от ксенобиотиков кожный покров. Существуют свои барьеры и для попадания ксенобиотиков из крови к другим жизненно важным органам. Наиболее эффективным из них является, например, гематоэнцефалический барьер. Он образован системой мембран клеток капилляров, глиальных клеток и мембран нейронов, через которые проходят только те вещества, которые нужны для функционирования нервной системы. Так организм теплокровных защищает от ксенобиотиков свой орган управления – мозг.

Внутренние среды клеток органов и тканей достаточно хорошо защищены от проникновения ксенобиотиков благодаря чередованию водных сред и плазматических мембран с их полярными внешними и липидными внутренними слоями. Тем не менее оказывается, что липофильные вещества легче проникают в клетки, чем гидрофильные. Во всяком случае, существует оптимум гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) для каждого вида биологически активных веществ. Понятно, что неполярные липофильные вещества легко растворяются в жировых тканях и могут в них накапливаться, а растворимые в воде гидрофильные вещества достаточно эффективно выводятся через почки.

Несмотря на неравномерность распределения веществ в тканях организма основная мера токсичности представляется концентрационным фактором и чаще всего она измеряется в миллиграммах на килограмм массы подопытного объекта. Статистически достоверна только доза, вызывающая соответствующий эффект у половины подопытных организмов (для токсичности это медианная летальная доза ЛД₅₀). Только эту величину можно использовать для сравнения активностей отдельных соединений. Её практически невозможно получить в прямом эксперименте, но она легко определяется в серии опытов графически или при расчёте по специальной формуле.

При определении токсичности не менее важны также значения начальной и абсолютной токсичности (ЛД_0-10 и ЛД₁₀₀). Дело в том, что S‑образная кривая, отражающая зависимость токсического эффекта от дозы, может быть как крутой, так и достаточно пологой. В частности, может оказаться, что некоторые особенно чувствительные к какому-либо веществу особи могут погибнуть от доз, которые значительно меньше значения средней токсичности (ЛД₅₀). Это надо учитывать при оценке риска при работе с такими веществами.

Сказанное выше о специфике транспорта веществ в клетки в зависимости от способа их введения отражается в качестве дополнительной информации к значению средней токсичности; при этом обязательно и указание на вид, а иногда и на пол животного, на котором проводились испытания. В токсикологических исследованиях часто используется энтеральный способ введения, при котором исследуемое вещество попадает в организм через желудочно-кишечный тракт (р.о., введение через рот глоточным зондом или ректально), а также внутрибрюшинный способ введения (в.б., i.p.). Абсолютную токсичность определяют обычно при внутривенном введении (в.в., i.v.), все способы введения, исключающие желудочно-кишечный тракт называются парентеральными.

Фитотоксичность, токсичность для насекомых (инсектицидную активность) и фунгицидную активность трудно представлять с учетом массы обрабатываемого объекта, поэтому для гербицидов, инсектицидов и средств борьбы с болезнетворными грибами чаще всего используют значение концентрации исследуемого вещества в растворе, при нанесении которого проявляется такая активность. В этом случае речь идет о значениях СК₅₀ (концентрация, вызывающая гибель половины обработанных насекомых) или же о степени поражения культуры грибов или повреждения растений раствором с определенной концентрацией исследуемого вещества.

Для определения токсичности газообразных веществ или аэрозолей необходимо учитывать временной фактор, то есть продолжительность нахождения в зараженной атмосфере. При летальных ингаляционных поражениях или при поражениях путём сорбции вещества поверхностью кожи из окружающего воздуха используют так называемую токсодозу: LC₅₀ или LCt₅₀, измеряемую, например, в мгмин/л или в гмин/м³. От токсодозы можно перейти к летальной дозе, если известен коэффициент вентиляции легких и коэффициент извлечения вещества из вдыхаемого воздуха легочной тканью.

Еще одна характеристика биоактивности представлена эффективной дозой ЭД₅₀ или ED₅₀, которая вызывает определенный ожидаемый эффект у половины подопытных животных. Так, например, эффективная доза представляет собой важнейшую характеристику лекарственных веществ или же веществ раздражающего или инкапаситантного действия (инкапаситанты – это несмертносные вещества, которые на определённое время лишают людей или животных дееспособности). Как для лекарств, так и для этой группы токсикантов, используется понятие индекса безопасности, представляющего собой отношение ЛД₅₀/ЭД₅₀. Чем эта величина больше, тем безопаснее лекарство или агрохимический препарат и тем меньше вероятность нанесения смертельного поражения, например, при обследовании или лечении диких животных.

Острая токсичность (это понятие относится к действию одноразовой дозы) используется для классификации веществ по опасности. В разных странах устанавливаются разные пределы и обозначения. Так, например, у нас в стране (ГОСТ Р 53856-2010) действует такая классификация веществ по токсичности ЛД₅₀ при введении их в желудок:

класс 1 ≤ 5 мг/кг – чрезвычайно токсичные

класс 2 от > 5 до ≤ 50 мг/кг – высокотоксичные

класс 3 от > 50 до ≤ 300 мг/кг – умеренно токсичные

класс 4 от > 300 до ≤ 2000 мг/кг – мало токсичные

класс 5 от > 2000 до ≤ 5000 мг/кг – практически нетоксичные

Использовалось также понятие «сильно действующие ядовитые вещества (СДЯВ)» – химические соединения, обладающие высокой токсичностью и способные при определенных условиях, например, при авариях, вызывать массовые отравления людей и животных, а также заражать окружающую среду. Сейчас для таких веществ используется понятие «аварийно химически опасные вещества (АХОВ)».

В отличие от ядов острого действия хронические яды вызывают болезненные состояния или гибель при поступлении в организм в сублетальных дозах в течение определённого времени. Постоянное поступление в организм даже небольших количеств солей бериллия и тяжелых металлов – свинца, ртути, кадмия, таллия, хрома и др. – приводит к самым разнообразным болезненным проявлениям, начиная от умственных расстройств и дефектов в развитии потомства до летальных исходов. Даже такой, казалось бы, безопасный металл как алюминий в виде его соединений участвует в нарушении нормального течения обменных процессов в центральной нервной системе. Считается, что присутствие алюминия в питьевой воде и в продуктах питания является одним из факторов, отвечающих за рост частоты заболеваний старческим слабоумием (болезнь Альцгеймера).

Можно предположить, что малополярные вещества будут накапливаться в жировых тканях, и хроническое поступление их в организм даже в небольших количествах может в конце концов привести к превышению опасной концентрации. Однако в организмах животных существуют специальные ферментные системы, предназначенные для функционализации даже самых инертных органических веществ. Главную роль среди них играют микросомальные монооксигеназы клеток печени. В лучшем случае они переводят СН-связи в СОН-связи (первая фаза метаболизма ксенобиотиков), которые потом сочетаются с гидрофильными биомолекулами для перевода их в растворимые в воде соединения (вторая фаза метаболизма ксенобиотиков). Гидрофилизация, например, сочетанием с глюкуроновой кислотой, делает такие конъюгаты растворимыми в воде, обеспечивая возможность выведения их через почки.

Поскольку любой постоянно поступающий в организм ксенобиотик создает большую или меньшую фоновую концентрацию, опасность его присутствия должна быть оценена. Понятно, что никаких общих количественных оценок здесь не существует. Единственно, что можно утверждать с полной уверенностью это то, что более высокие концентрации ксенобиотиков в организме более опасны, а также то, что безопасных уровней присутствия ксенобиотиков в организме не существует. Даже если удастся проследить причинно-следственную связь между хроническим действием ксенобиотика и ухудшением здоровья в течение нескольких лет, получить точные данные о безопасном уровне не представляется возможным. Природа длительно протекающих процессов такова, что такие связи сильно усложнены. Если представить себе, что может быть отобрана группа подопытных животных, все представители которой проживут в норме одинаковое время, то всё равно преждевременная смерть какого-нибудь представителя этой группы, в организме которого присутствует ксенобиотик, не может быть безоговорочно приписана только действию сублетальных доз исследуемого вещества.

В соответствии с этим разработаны методики для оценки риска фонового присутствия ксенобиотиков. Такие эксперименты проводят на животных, которым в течение длительного времени (до двух лет и более) постоянно вводят разные сублетальные дозы исследуемого вещества и прослеживают при этом все наблюдаемые изменения. Даже при отсутствии таких изменений в составе крови и в других легко определяемых показателях состояния здоровья, животных в конце эксперимента усыпляют и проводят полный анализ всех тканей. Дозу, которая не вызвала никаких изменений в состоянии здоровья и внутренних сред подопытных животных, делят на коэффициент безопасности (в разных странах он колеблется в пределах от 100 до 1000), учитывающий отличие человеческого организма от организмов подопытных животных, и получают значение предельно допустимой концентрации (ПДК). Понятно, что такие сложные и дорогостоящие эксперименты проводят только с такими веществами, которые в ходе производственной деятельности или в результате практического применения загрязняют окружающую среду или которые постоянно присутствуют на рабочих местах. При ликвидации аварийных ситуаций, то есть при кратковременном воздействии опасных веществ, может использоваться показатель МДК (максимально допустимая концентрация). Для МДК при умеренной физической нагрузке допускается обратимое (!) снижение работоспособности до 30 %.

Надо сказать, что за практически вековую историю применения на экосистемах веществ, которые называют пестицидами, человечество накопило огромный опыт. В глобальном эксперименте, а только так можно назвать проводившиеся в пятидесятые годы прошлого столетия обработки огромных площадей сельскохозяйственных культур мало изученными в токсикологическом плане соединениями, были разработаны современные подходы к предварительным испытаниям и к методологии практического применения агрохимических препаратов. Так, например, первоначальная гипотеза предполагала, что с помощью химически стойких и длительное время сохраняющихся в природе неизменными веществ (их называют персистентными) можно за счёт одноразовой обработки надолго защитить от вредителей поля с культурными растениями. Однако, оказалось, что такие вещества вызывают появление в популяции вредителей резистентных рас, у которых выявились биохимические системы, позволяющие им существовать в среде с пестицидом, а их естественные враги, у которых всегда более длительный период развития, не успевают выработать приспособительные механизмы и гибнут. Следствием такого вмешательства во взаимоотношения в естественных биоценозах становится рост численности резистентной расы вредителей на много выше исходной и появление новых вредителей, которые более устойчивы к используемым препаратам.

Кроме того, даже химически инертные персистентные вещества обладают высокой хронической токсичностью для теплокровных, так как их присутствие в продуктах питания (раз они не разлагаются в природе, то они сохранятся и в сельскохозяйственной продукции) и накопление в липидных компонентах тела приводит к активации микросомальных монооксигеназ (цитохромы Р₄₅₀). В ходе эволюции живого эти ферменты появились для биотрансформации самых разных ксенобиотиков и поэтому они неизбирательны. В экологически чистой среде эти ферментные системы присутствуют в организме в минимальных количествах, но при накоплении ксенобиотиков их содержание возрастает, и они начинают окислять не только ксенобиотики, но и различные продукты метаболизма, медиаторные вещества, белки, стероиды и другие эндогенные составляющие организма. Кроме того, монооксигеназы превращают двойные связи сравнительно безопасных ксенобиотиков или эндогенных веществ в эпоксидные. В результате такого превращения становится канцерогеном инертный бензпирен и многие другие естественные и синтетические вещества, а в некоторых случаях малоактивные соединения становятся высокотоксичными (летальный синтез). Поэтому объектом изучения химической токсикологии являются не только биоактивные соединения, но и возможные продукты их биохимических превращений.

Очень часто монооксигеназы не могут выполнить возложенные на них живой природой обязанности по биотрансформации ксенобиотиков, так, например, они не могут эффективно окислять полихлорированные ароматические соединения, но, будучи выработаны в больших количествах в ответ на присутствие в организме этих ксенобиотиков, монооксигеназы окисляют нормальные компоненты клеток, вызывая ослабление защитных сил организма. К мощным индукторам биосинтеза монооксигеназ относятся такие известные токсиканты, как 2,3,6,7-тетрахлор-дибенздиоксин (его чаще всего называют просто диоксином), полихлорированные дифениловые эфиры, дибензофураны, бифенилы, 3,4,3,4-тетрахлоразобензол и др. Присутствие этих инертных веществ в окружающей среде и в продуктах питания приводит к истощению ресурсов иммунной системы, что чаще всего выражается в ослаблении иммунитета и в увеличении числа онкологических заболеваний.