Основы токсикологии. Учебное пособие

Сам по себе каждый из указанных факторов чрезвычайно сложен и изменчив как в количественном и качественном отношении, так и во времени. Понятно, что результат взаимодействия таких сложных переменных не может быть однозначным и постоянным, поэтому его всегда следует рассматривать с вероятностной точки зрения.

Контрольные вопросы и задания для самоподготовки

1.Укажите предмет токсикологии.

2.Дайте определение понятий «яд» и «отравление».

3.Какие основные задачи выполняет токсикология?

4.Какие существуют типы классификаций ядов и отравлений?

5.Чем отличаются острые отравления от хронических?

6.Дайте определение понятия «рецептор яда».

7.Какие механизмы действия ядов существуют?

8.Назовите известные вам синдромы отравлений.

2.ПАРАМЕТРЫ ТОКСИКОМЕТРИИ

2.1. Дозы и концентрации ядов

Токсичность представляет собой количественное понятие, и разработка методов ее измерения является предметом раздела токсикологии – токсикометрии. Токсикометрия – это совокупность методов и приемов оценки токсичности и опасности токсичных веществ.

В организм яд может поступать разными путями. В зависимости от путей поступления яда в организм определяют следующие токсикометрические параметры: дозы и концентрации.

При поступлении яда через рот (перорально) доза яда – это количество яда, поступившего в организм в расчете на единицу веса. Измеряется доза в мг яда / кг массы тела.

При попадании яд в организм через кожу или слизистые оболочки доза яда – это количество яда, поступившего в организм в расчете на единицу площади поверхности или единицу массы тела. Единица измерения

вэтом случае – мг яда / см2 поверхности или мг яда / кг массы тела соот-

ветственно.

Дозы обозначаются – D (перорально), мг/кг; D (через кожу), мг/см2. При ингаляционном (т. е. через органы дыхания) проникновении яда

ворганизм в виде газа, пара или аэрозоля, определяется концентрация яда.

Концентрация яда – это количество яда в 1 м3 окружающего воздуха. Измеряется в мг/м3 или мг/л. Обозначение С мг/м3, С мг/л соответственно.

21

Набор показателей, характеризующих воздействие ядовитого вещества, условно можно отнести к трем уровням:

–уровень реакций целостного организма (двигательная активность, состояние терморегуляции и т. д.);

–уровень реакций органов и реакций систем (печени, почек и т. д.);

–уровень субклеточный и клеточный (отдельные показатели крови, содержание SH-групп и белка сыворотки крови и т. д.).

Показатели на уровне целостного организма суммируют различные изменения в организме и, следовательно, более значимы для токсикогигиенического исследования. К интегральным показателям относятся:

–гибель животных;

–учет функционального состояния центральной нервной системы. Он важен, так как воздействие на любую систему, если не в первую очередь, то во вторую очередь скажется на состоянии центральной нервной системы. Воздействие на центральную нервную систему можно оценить

спомощью метода условных рефлексов, который оказался наиболее чувствительным. Его существенным недостатком является необходимость длительного предварительного воспитания условного рефлекса и его дифференциация к нему;

–вес простое определение, но чувствительность хуже почти вдвое, чем по изменению суммарно-порогового показателя.

Изучение зависимости «доза–эффект» при постоянстве других пока-

зателей является основной задачей токсикологических исследований

ипроводится в остром, подостром и хроническом экспериментах.

Эффективные и смертельные дозы и концентрации. Все дозы

иконцентрации, вызывающие тот или иной эффект при воздействии на различные биологические объекты, условно делят на две группы: группа смертельных (DL и CL) и группа несмертельных (DE и СE) величин.

Смертельная, или летальная, доза – это такая доза вещества, поступившего в организм, которое вызывает гибель животных. Яд в этом случае может вводиться через рот (пероральное введение), внутривенно, внутримышечно (парентеральное введение) и т. п. Также яд может проникать через кожу или слизистые оболочки.

Смертельная, или летальная, концентрация – это такая концентрация вещества в единице объема вдыхаемого воздуха, которая вызывает гибель животных. Для проведения эксперимента животных помещают в специальные затравочные камеры, в которых можно изменять и анализировать воздушную среду.

Летальные дозы и концентрации определяются в результате опытов на животных. Эксперимент по определению токсикологических параметров может быть как острым (яд вводится однократно в токсическом количестве), так и хроническим (яд вводится многократно в нетоксическом количестве). Для проведения эксперимента используют две группы животных, из которых одна контрольная. Количество животных в группах долж-

22

но быть достаточным для статистической обработки результатов. Животные для проведения токсикологического эксперимента подбираются одного пола, веса, возраста и содержатся в одинаковых условиях.

В экспериментальной токсикологии чаще всего устанавливают среднюю летальную дозу (DL50), при которой погибает 50 % подопытных животных. При ингаляционном поступлении яда определяют среднесмертельную концентрацию (СL50) яда.

Если же наблюдается 100%-я их гибель, то такая доза или концентрация обозначается как абсолютная летальная (DL100 и CL100). На практи-

ке используют чаще всего DL50 и СL50, так как DL0, DL100 и СL0, СL100 не несут удовлетворительной информации о токсических свойствах вещества.

При разных способах введения ядов в организм требуются неодинаковые их количества для того, чтобы вызвать один и тот же токсический эффект.

Значительное превышение пероральной дозы над парентеральными дозами (т. е. введенными в организм, минуя желудочно-кишечный тракт) свидетельствует прежде всего о разрушении большей части яда в пищеварительной системе. Например, DL50 диизопропилфторфосфата, установ-

Классификация химических веществ по степени токсичности.

С учетом величины среднесмертельных доз и среднесмертельных концентраций при различных путях поступления в организм яды подразделяются на группы. В нашей стране разработана классификация ядов по опасности на основании значений среднесмертельных доз и концентраций. Она приведена в табл. 2.1.

Пороговые дозы и концентрации. В токсикологии пороговое воздействие – это такое воздействие химического агента, которое вызывает наименьший вредный эффект. Пороговое воздействие определяют в остром и хроническом опытах.

Порог вредного действия трудно определить. Он не может быть пригоден для учета сравнительной токсичности ядов, так как пороговые дозы определяются с приблизительно вдвое меньшей точностью, чем смертельные.

Эффект от воздействия пороговых раздражителей существенно зависит от индивидуальных особенностей и состояния животного в отличие от смертельных воздействий.

Также влияет способ введения вещества, длительность воздействия при ингаляции, какой именно показатель регистрируется и какова методика измерения. Поэтому, как правило, исследуют несколько показателей, относящихся к трем уровням, рассмотренным выше: целостный организм, органы и системы, ткани и клетки – с целью нахождения более чувствительного. Сравнение токсичности нескольких веществ на пороговом уровне возможно только при использовании одних и тех же методов.

Пороговые концентрации промышленных вредных веществ, зафиксированные в эксперименте на людях, как правило, определяются по запаху и по раздражающему действию на слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Они устанавливаются, как правило, на людях-добровольцах при экспозиции 1 мин. Контрольные опыты на людях проводятся только после опытов на животных, для избежания плохих последствий.

2.2. Кривая «доза–эффект». Зависимость токсического эффекта от концентрации и времени

Зависимость между концентрациями (дозами) действующих веществ, с одной стороны, и эффектом с другой может быть графически изображена в виде кривых «доза–эффект».

В большинстве случаев кривые «доза–эффект» выражаются S-образ- ной кривой. Это значит, что на кривых есть участки, для которых небольшие изменения концентрации вызывают существенное нарастание эффекта, и участки, для которых большие изменения концентрации не вызывают существенного нарастания эффекта. Теоретический смысл S-образных кривых большинство авторов объясняет биологической вариабельностью, кроме того, они отражают и зависимость между концентрацией токсичного вещества на месте его приложения и особенностями его фиксации биологическим субстратом.

Имеются способы и более углубленной количественной оценки ядовитости химических соединений. Формула Габера определяет реальную опасность яда (наркотика) при поступлении через дыхательные пути:

W = С T или const = C T,

24

где W величина эффекта (Wirkung действие); С концентрация яда, мг/м3; T время воздействия яда, мин.

Формула Габера применима только для наркотиков, которые накапливаются в организме с малой скоростью (ацетон) и с низкой скоростью изменяются. Формула неприменима для остальных ядов, так как поступление яда в организм зависит не только от времени, но и от свойств организма и вещества. Для синильной кислоты HCN уменьшение смертельной затравки в 2…3 раза не вызывает гибели. Яды подразделяют по действию на хроноконцентрационные и концентрационные. Токсичность хроноконцентрационных ядов зависит от времени воздействия (фосген), тогда как токсичность концентрационных ядов зависит только от концентрации (летучие наркотики).

2.3. Кумуляция. Привыкание и адаптация. Совместное действие токсических веществ

Действие ядов на организм очень часто осложняется тем, что яд может поступать в организм длительное время небольшими дозами, которые могут в нем накапливаться. Другой вариант осложнения наблюдается при одновременном действии яда и других факторов. В токсикометрии разработаны методы оценки токсичности ядов в подобных случаях и они рассматриваются ниже.

Течение отравления может изменяться при повторном воздействии яда на организм из-за развития явлений кумуляции, сенсибилизации и привыкания.

Кумуляция – накопление в организме яда (материальная кумуляция, металлы) или вызываемых им эффектов (функциональная кумуляция, галогеналканы). Накапливаются вещества, которое медленно выводятся или медленно обезвреживаются. Функциональная кумуляция может проявляться тяжелыми расстройствами тогда, когда яд не задерживается в организме, но последствия повреждения от действия возрастают.

Метод оценки функциональной кумуляции предложен Ю. С. Коганом. Метод основан на ежедневном введении в организм подопытных животных равных доз вещества, в долях от DL50. Обычно затравки производятся ежедневно в дозах 0,1; 0,05; 0,02 DL50.

Расчет коэффициента кумуляции проводится по формуле Ккум = DL50 / DL50,

где DL50 – суммарная доза вещества при многократном введении, которая вызывает гибель 50 % животных, мг/кг; DL50 – среднесмертельная доза вещества при однократном введении, мг/кг; Ккум – коэффициент кумуляции.

Степень кумуляции определяется по формуле Степень кумуляции = 1/Ккум.

25

Использовать степень кумуляции удобнее, чем коэффициент кумуляции: чем она больше, тем выше кумуляция, как следует из табл. 2.2.

Таблица 2.2

Классификация веществ по кумуляции

Сенсибилизация – состояние организма, при котором повторное воздействие вещества вызывает больший эффект, чем предыдущее. Скорее всего, эффект сенсибилизации связан с образованием в крови белковых молекул, измененных под влиянием токсичного вещества и ставших чужеродными для организма. Эти белки индуцируют формирование антител, осуществляющих защитную функцию организма. Повторное слабое токсическое воздействие с последующей реакцией яда с антителами вызывает извращенный ответ организма в виде явлений сенсибилизации.

При повторяющемся воздействии ядов на организм происходит и обратное явление – ослабление эффектов из-за привыкания. Механизмы развития устойчивости неоднозначны. Например, показано, что привыкание к мышьяковистому ангидриду связано с возникновением под его влиянием воспаления на слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта и уменьшением всасывания яда. Наиболее часто привыкание возникает является стимуляция, или индукция, ядами активности ферментов, обезвреживающих их в организме.

Токсический эффект при совместном воздействии химических и физических факторов более подробно рассмотрен в п. 5.2 (стр. 71–73).

Контрольные вопросы и задания для самоподготовки

1.Чем отличается DL50 от CL50?

2.Какой вид имеет кривая «доза–эффект» и с чем связана ее форма?

3.Объясните зависимость токсического эффекта от времени воздействия яда и концентрации.

4.Дайте определение понятия «кумуляция».

5.Каким образом оценивается кумуляция?

6.Какие группы органических веществ и какие именно вещества при химико-токсикологическом исследовании изолируются дистилляцией или перегонкой с паром?

7.Почему биологический материал при изолировании вредных веществ перегонкой с паром принято подкислять слабой органической кислотой (виннокаменной, щавелевой)?

26

8.Какие ошибки могут возникнуть при химико-токсикологическом анализе, если для подкисления объекта употребить не органическую кислоту, а минеральную кислоту (например, серную)?

9.Почему первый дистиллят собирают в раствор щелочи?

10.Какие вещества извлекают из биологического материала выщелачиванием?

11.Опишите процесс проведения выщелачивания.

12.Почему при выщелачивании необходимо контролировать рН

среды?

13.Назовите соединения, с которыми в организме связываются алка-

лоиды.

14.Какие физико-химические процессы происходят при выщелачи-

вании?

3.СПЕЦИФИКА И МЕХАНИЗМЫ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

3.1. Типы ядов

При действии ядов чаще всего происходит нарушение функционирования ферментных систем.

Выделяют два типа общих механизмов действия ядов.

Яды первого типа могут реагировать со многими компонентами клеток. Поскольку избирательность их действия мала, то большое число молекул яда тратится на взаимодействие со всевозможными второстепенными клеточными элементами, прежде чем яд подействует на жизненно важные структуры организма. Их вмешательство в жизненные процессы основано не на специфических химических взаимодействиях с определенными рецепторами, а на взаимодействии со всей клеткой в целом. Этот принцип лежит в основе действия разнообразных веществ, общим свойством которых является то, что они является неэлектролитами. Токсиколог Н. В. Лазарев ввел термин «неэлектролитное действие» для обозначения всех эффектов, которые прямо определяются физико-химическими свойствами вещества (наркотическое, раздражающее, прижигающее, гемолитическое действие).

Яды второго типа реагируют только с одним определенным компонентом клетки, не растрачиваются на «несущественные» взаимодействия и поражают одну определенную мишень. Понятно, что эти яды способны вызвать отравления в относительно низких концентрациях. Характерным представителем такого рода веществ является синильная кислота HCN. На-

27

звания ядов второго типа отражают названия органов или систем органов, на которые действуют, например нервные яды, кровяные яды.

Некоторые яды наряду со специфическим могут проявлять неспецифическое действие.

Далее будут рассмотрены механизмы действия специфичных ядов на примере кровяных и нервных ядов.

3.2. Строение и функционирование нервной системы

Для более полного понимания механизма действия нервных ядов на организм вначале рассмотрим необходимые сведения о строении и функционировании нервной системы.

Центральная нервная система. Симпатическая и парасимпатическая нервные системы. Нервная система состоит из центральной нервной системы (ЦНС) и периферической.

Функцией нервной системы является приведение деятельности организма в согласие с требованиями внутренней и внешней среды. Мозг управляет событиями внутреннего мира большей частью автоматически при помощи периферической нервной системы, или нижними уровнями ЦНС. Обращение к сознанию происходит тогда, когда для принятия решения нижним уровням не хватает прошлого опыта или нет готовой программы действия. Этот автоматизм позволяет более высоким уровням лучше приспосабливаться к внешнему миру.

ЦНС находится внутри черепа и позвоночника.

Периферическая нервная система состоит из трех отделов: симпатического и парасимпатического; диффузной нервной системы кишечника. Первые два отдела имеют общую структурную особенность, которая заключается в том, что клетки (нейроны), управляющие мускулатурой внутренних органов и желез, лежат за пределами ЦНС, образуя небольшие скопления клеток, называемых ганглиями, т. е. имеется дополнительное звено между рабочим органом и спинным мозгом. Связи между ганглиями и спинным мозгом осуществляют преганглионарные волокна, между ганглиями и органами мишенями постганглиарные волокна.

Симпатическая и парасимпатическая нервная система отличаются друг от друга:

–по уровням, на которых преганглиарные волокна выходят из спинного мозга (симпатическая – грудной и поясничный отдел спинного мозга; парасимпатическая – ствол головного мозга, крестцовые сегменты спинного мозга);

–по близости расположения ганглиев к органам-мишеням (симпатическая – ганглии расположены близко к спинному мозгу и постганглинарные волокна очень длинные, парасимпатическая – ганглии находятся вблизи или внутри иннервируемых тканей);

28

–по нейромедиатору, который используют постганглионарные нейроны для регулирования функций органов мишеней (симпатическая норадреналин, парасимпатическая ацетилхолин);

–при преобладании действия симпатической системы организм находится в состоянии бегства, парасимпатической – в состоянии покоя. При отключении симпатической системы патологии нет, парасимпатической – грубое нарушение терморегуляции, кислотно-щелочного равновесия.

Иннервация тканей той и другой системой может происходить одновременно, но действие попеременно.

Нейромедиаторы могут выделяться не только нейронами, но также

иэндокринной системой, состоящей из желез внутренней секреции: гипофиза, щитовидной железы, паращитовидной железы, надпочечников, поджелудочной железы. Это так называемые гормоны, соединения белковой структуры, очень сильнодействующие. Эндокринная система начинает их выделять по сигналам головного мозга, чаще всего гипоталамуса. Однако в этом случае нейромедиаторы или гормоны выделяются в кровь и по кровяному руслу доставляются к нужным клеткам. Это происходит для усиления и ускорения сигнала.

Диффузная нервная система ответственна за иннервацию и координацию органов пищеварения. Ее работа почти независима от работы вегетативной нервной системы. Это дополнительное звено, которое связывает постганглионарные волокна с железами внутренней секреции и гладкой мускулатурой кишечника.

Клетками нервной системы являются нейроны, глии и астроциты. Глии несут хозяйственную функцию, могут делиться. Они образуют

так называемую миелиновую оболочку, обеспечивающую быстрое проведение электрических импульсов.

Астроциты очищают межклеточное пространство от избытка ионов

инейромедиаторов, доставляют глюкозу наиболее активным клеткам. Сосуды нервной системы отличаются от остальных, они окружены

миелиновой оболочкой, так называемым гематоэнцефалическим барьером и из них проникает в норме в мозг только глюкоза, незаменимые аминокислоты и кислород, выводится углекислый газ.

Строение нейронов. Особенностью нервных клеток, или нейронов, является то, что они выполняют свои функции не изолированно от других, как, например, клетки печени, а их работа заключается в том, что они получают сигналы от каких-то других нервных клеток и передают их третьим. Передающие и принимающие нейроны объединены в нервные цепи. Нервные клетки не соприкасаются непосредственно друг с другом. Пространство между ними называют синапсами, а сам процесс передачи информации в этих местах – синаптической или химической передачей, которая осуществляется при помощи специально выделяемого пресинаптической клеткой вещества – нейромедиатора, воспринимаемого постсинаптическим нейроном.

29

Нейроны состоят из цитоплазматической мембраны, ядра и цитоплазмы, а также содержат цитоплазматические органеллы, которые встречаются во всех клетках. Среди органелл отметим следующие:

–митохондрии, которые обеспечивают клетку энергией, используя сахар и кислород;

–микротрубочки – выполняют опорную функцию;

–рибосомы – осуществляют биосинтез белка;

–эндоплазматический ретикулум – канальца, по которым идет распределение продуктов по клетке. Бывает шероховатый с рибосомами и гладкий (аппарат Гольджи) – выводит продукты наружу;

–лизосомы – в них идет расщепление нуклеиновых кислот, белков, липидов при помощи протеолитических ферментов.

Особенностью нейронов является разнообразие их формы с большим количеством отростков. Главный отросток называется аксон, по нему идет передача нервного импульса, остальные дендриты – принимают импульс.

Ваксонах в отличие от других частей нейрона не идет биосинтез белка, и он предназначен только для передачи импульса.

Нейроны бывают сенсорные (чувствительные) и моторные (двигательные).

Передача нервного импульса. Для того чтобы понять, каким образом передается сигнал от одного нейрона к другому, вы должны вспомнить, что жидкости человеческого тела – плазма крови (в ней плавают клетки крови), внеклеточная жидкость, спинномозговая жидкость – все это

разновидности соленой воды. Встречающиеся в организме соли содержат обычно катионы – Na+, K+, Mg2+ и Ca2+, анионы – хлорид Cl–, фосфат PO43–

и остатки органических кислот.

Во внеклеточном пространстве ионы положительные и отрицательные распределены свободно и в равных количествах. Внутри же клеток – дефицит положительно заряженных ионов, и это вызывает общий отрицательный заряд. Он возникает потому, что цитоплазматическая мембрана проницаема не для всех ионов в равной мере, т. е. она полупроницаема. Например, K+ проникает в клетку легче, чем Na+. Поэтому внутри клетки много калия и мало натрия.

Это ведет к установлению трансмембранной полярности, которая поддерживается другими биологическими процессами, одним из которых является ионный насос. Он находится в цитоплазматической мембране и получает энергию от митохондрий в виде АТФ. Этот насос откачивает ионы Na+, поступающие в клетку с водой или сахаром.

Нейроны являются электрически возбудимыми клетками. Под действием некоторых веществ в возбуждающих синапсах свойства постсинаптического нейрона начинают меняться. Внутренность клетки начинает терять свой отрицательный заряд, и натрий будет проникать в клетку, т. е. происходит деполяризация. Этот переход от обычного отрицательного

30