Основы токсикологии. Учебное пособие

ксенобиотиков при действии микросомальных монооксигеназ происходит образование супероксидных радикалов при разложении окисленного комплекса цитохрома Р-450.

Супероксидный радикал является высокотоксичным и относительно стабильным радикалом. Он взаимодействует с биомолекулами, вызывает структурные изменения биологических мембран. Кроме того, он может вызывать мутагенные и канцерогенные эффекты, нарушения генеративных функций, иммунитета, механизмы воспалительных процессов.

В норме уровень супероксидных радикалов в организме низок, однако при действии химических веществ он может резко возрастать. Особенно это характерно для жирорастворимых ксенобиотиков, метаболизирующихся с участием микросомальных монооксигеназ. В этом случае возрастает угроза токсического поражения организма за счет действия активных форм кислорода. При таких условиях проявляется не только и, может быть, не столько результат токсического действия самого яда или его метаболитов, а регистрируются действия супероксидного радикала.

Однако этим эффектам противостоят мощные молекулярные механизмы, обеспечивающие поддержание гомеостаза в условиях, когда генерация супероксидных радикалов возрастает. Эти механизмы включают в себя ферментную систему супероксиддисмутаз. Все супероксиддисмутазы – металлопротеины и встречаются у всех кислородпотребляющих организмов. Особенно много этих ферментов у человека в печени, почках, головном мозге, эритроцитах, гипофизе, щитовидной железе. Эти ферменты переводят супероксидный анион в перекись водорода.

Второй барьер, защищающий организм от токсического действия супероксидного аниона, – это фермент каталаза, которая разлагает перекись водорода, образующуюся из супероксидного радикала, до воды и кислорода.

Молекулярные механизмы поддержания гомеостаза при действии активных форм кислорода и перекисных соединений включают в себя не только ферментативные, но и неферментативные биохимические системы. К числу неферментативных антирадикальных и антиперекисных систем относятся эндогенные антиоксиданты, в первую очередь жирорастворимые витамины группы А и Е. Действие витамина Е направлено на нейтрализацию радикалов некислородной природы. Витамин А взаимодействует с синглетным кислородом.

Ферментативные и неферментативные механизмы антирадикальной и антиперекисной защиты взаимосвязаны и функционируют как единая система.

Внемикросомальные механизмы биотрансформации ксенобиотиков водорастворимых химических соединений. Молекулярные механизмы поддержания гомеостаза при действии на организм водорастворимых химических соединений составляют второй тип биотрансформации ксенобиотиков.

Они объединяют комплекс реакций внемикросомальных превращений ядов. Это реакции внемикросомального окисления спиртов, альдеги-

51

дов, карбоновых кислот, алкиламинов, неорганических сульфатов, немикросомального восстановления кетонов, некоторых эфиров, органических дисульфидов и т. д. Ферменты, участвующие в этих процессах: моноаминоксидаза, алкогольдегидрогеназа, кеторедуктаза и др.

Примером таких превращений может служить метаболизм алифатических спиртов. Он преимущественно осуществляется в печени (до 90 %)

илишь 2…10 % в почках и легких. Биотрансформация спиртов в организме идет по трем путям: часть спирта вступает в глюкуронидную конъюгацию

ивыводится из организма, другая часть подвергается окислительным превращениям. Основной фермент, участвующий в окислении, – алкогольдегидрогеназа, цинксодержащий белок. Этот фермент есть в печени, желу- дочно-кишечном тракте, почках, мозге, мышце сердца. Алкогольдегидрогеназа успешно функционирует при низких концентрациях спирта в организме. При увеличении концентрации алкоголей начинают принимать участие в окислении другие ферментные системы. Это – каталаза, которая с помощью перекиси водорода окисляет спирты. Третий путь биотрансформации спиртов – это окисление микросомальными монооксигеназами (только первичных спиртов).

Выбор того или иного пути биотрансформации алифатических спиртов определяется их химическим строением и концентрацией их в организме. Конечным продуктом всех трех путей превращения первичных спиртов в организме будут альдегиды.

Детоксикация токсичных металлов. В результате взаимодействия с окислительно-восстановительными буферными системами клетки валентность металла меняется. При этом переход в низшую валентность обычно связывается с уменьшением токсичности металлов. Например, ионы шестивалентного хрома в организме переходят в малотоксичную трехвалентную форму, а трехвалентный хром можно легко удалить из организма с помощью некоторых веществ (винокаменная кислота). Ряд металлов (ртуть, кадмий, медь, никель) активно связывается с биокомплексами, в первую очередь с функциональными группировками ферментов

( SH, NH2, COOH), что подчас определяет избирательность их биологического действия.

Летальный синтез. Для клинической токсикологии является важным изучение метаболических процессов, в результате которых образуются вещества более ядовитые, чем исходное вещество. Такое явление называется летальным синтезом. Например, при метаболизме метилового спирта наиболее токсичны продукты его окисления формальдегид и муравьиная кислота:

CH3OH → H2C=O → HCOOH СО2 + Н2О

Еще одним из путей метаболизма токсических веществ в организме, ведущих к образованию более опасных веществ, является процесс возникновения свободных радикалов. Установлено, что четыреххлористый угле-

52

род вызывает в малых дозах некроз и жировую дистрофию клеток печени. Распад четыреххлористого углерода идет с образованием свободных радикалов. Радикалы взаимодействует с клеточными структурами двумя путями: во-первых, непосредственно повреждают ферменты, во-вторых, включают цепную реакцию переокисления липидов, что приводит к структурной и функциональной перестройке мембран, мембрана разрывается и клетка погибает.

Таким образом, процессы превращения ксенобиотиков в организме – не всегда процессы детоксикации. Во многих случаях организм сам синтезирует яд, и только блокада подобного летального синтеза может предотвратить химическую травму.

Поскольку детоксикация в организме осуществляется в основном микросомальными ферментами (алкогольдегидрогеназой, цитохромом Р-450), надо знать, какие яды могут их активировать или тормозить. При попадании в организм нескольких ядов одновременно возможно усиление и ослабление действия одного из этих ядов. Например, алкоголь ускоряет инактивацию многих лекарственных препаратов.

У людей имеются индивидуальные отличия в скорости детоксикации. Так, у 2,5 % населения из-за пониженной активности микросомальных ферментов повышен риск проявления токсичности лекарств.

3.6. Антидоты

Стратегия терапии отравлений строится на четырех принципах:

–ускоренное выведение токсических веществ из организма;

–антидотная терапия;

–терапия патогенетическая (устранение значимых сдвигов в действии систем организма) и симптоматическая (устранение симптомов);

–предупреждение осложнений.

В клинической токсикологии мероприятия, направленные на прекращение действия на организм токсичных веществ, называются «дезинтоксикационная терапия». К ней относят методы усиления естественной детоксикации (промывание желудка, очищение кишечника, форсированный диурез), методы искусственной детоксикации (различные виды диализа, гемосорбция, замещение крови и др.). К методам искусственной детоксикации относят также антидотную терапию с использованием противоядий. В разработке искусственной детоксикации достигнут в последнее время большой прогресс. Это прежде всего касается методов искусственного диализа (метод диализа более подробно рассмотрен в п. 4.3).

Эффективным является гемодиализ в первые сутки после отравления. В клинической практике эта операция получила наиболее широкое применение при отравлениях барбитуратами. Его эффективность может быть показана следующими данными: за 1 ч гемодиализа из организма вы-

53

деляется столько же барбитуратов, сколько самостоятельно выделяется с мочой за сутки, что обеспечивает выздоровление 70 % пострадавших. Однако усиление гемодиализа ограничено довольно узким кругом токсичных веществ (барбитураты длительного действия, изоцианид, салицилаты).

Более простым и к тому же технически простым является метод гемосорбции, позволяющий адсорбировать чужеродные вещества крови на поверхности твердой фазы. Этот метод дает хорошие результаты при отравлении теми препаратами, которые плохо или совсем не диализируются

ваппарате «искусственная почка» (барбитураты короткого действия). Антидоты – специфические средства борьбы с отравлениями. Еще

вXVIII в. химия и биология могли предложить для лечебных целей целый

ряд химических препаратов для обезвреживания токсичных веществ. Их противотоксическое действие было связано с обезвреживанием токсичных веществ неорганического ряда (кислот, щелочей и др.) путем нейтрализации и превращения их в нерастворимые соли. Органические вещества (алкалоиды и др.) обезвреживались с помощью процесса адсорбции на растительном угле. Однако все эти средства могли воздействовать только на яды, находящиеся в желудочно-кишечном тракте. Только 20…30 лет назад начали использовать новые биохимические противоядия, способные воздействовать на токсичное вещество, пребывающее во внутренней среде организма.

Значение антидотной терапии различно на разных этапах острых отравлений.

1. Антидотная терапия сохраняет свою эффективность только в ранней токсикогенной фазе острых отравлений, длительность которой различна и зависит от токсико-кинетических особенностей яда. Наибольшая продолжительность этой фазы и соответственно сроков антидотной терапии отмечается при отравлениях тяжелыми металлами (8…12 сут), наименьшая при воздействии на организм высокотоксичных и быстро метаболизируемых соединений, например цианидов.

2.Антидотная терапия отличается строгой специфичностью и поэтому может быть использована только при условии достоверного клини- ко-лабораторного диагноза данного вида острой интоксикации. В противном случае при ошибочном введении антидота в большой дозе может проявиться его токсическое действие на организм.

3.Эффективность антидотной терапии значительно снижена при развитии тяжелых нарушений системы кровообращения и газообмена, что требует одновременного проведения реанимационных мероприятий.

4.Антидотная терапия играет существенную роль при острых отравлениях в токсикогенной стадии, но не оказывает лечебного эффекта в соматогенной стадии отравления.

К антидотам относятся:

– инактивирующие яды посредством прямого химического (или фи- зико-химического) взаимодействия с ними в организме;

– биохимические антидоты;

54

–фармакологические антидоты;

–вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры.

Антидоты прямого действия. Взаимодействие «яд–антидот» может быть основано на физико-химическом антагонизме. Сорбентные антидоты, будучи инертными веществами, сорбируют яды до всасывания их в ЖКТ

иослабляют их эффект, уменьшая их концентрацию в биофазе. Они используются при отравлении тяжелыми металлами, алкалоидами, например: активированный уголь, окись цинка, белая глина, крахмальный клейстер,

а также ионообменные смолы катиониты и аниониты.

Защитная мощность сорбентов значительна. Есть и такие сорбенты, которые могут связывать токсичные вещества и в кровяном русле поливинилпирролидин. Оказалось, что это соединение способно не только сорбировать вещества, находящиеся в крови, но и освобождать белки плазмы, и даже клеток, от фиксированных ими токсичных веществ. Практическое применение нашел водно-солевой раствор этого соединения под названием гемодез.

Антидоты могут вступать в химическое взаимодействие с ядом. В результате этой реакции образуются, как правило, малорастворимые вещества, и, как правило, нетоксичные, как, например, при взаимодействии глюкозы с цианидами и соды с кислотами.

Химические противоядия в настоящее время потеряли свое значение из-за резкого изменения номенклатуры ядов и конкуренции методов выведения ядовитых веществ путем промывания желудка.

Биохимические антидоты. Биохимические антидоты – это препараты, обеспечивающие выгодное изменение метаболизма токсичных веществ в организме или направления биохимических реакций, в которых они участвуют. Среди них наибольшее значение находят этиловый алкоголь при отравлении метиловым спиртом и этиленгликолем, активаторы холинэстеразы: оксимы при отравлении ФОС, метиленовый синий метгемоглобинообразователями, антиоксиданты четыреххлористым углеродом.

Фармакологические антидоты. Препараты, оказывающие лечебный эффект в силу антагонистического действия, это фармакологические противоядия.

Они купируют опасные симптомы отравления, но редко приводят к ликвидации всей картины отравления. Кроме того, антагонисты должны применяться в дозах, превышающих дозу токсичного вещества.

Некоторые примеры фармакологических противоядий: атропин

идругие холинолитики при отравлениях ФОС и карбаматами, галантамин

идругие обратимые ингибиторы холинэстеразы при отравлениях атропином, скополамином и другими веществами с холинолитической активно-

стью и др.; хлорид калия является антагонистом сердечных гликозидов в отношении влияния на ритм сердечной деятельности.

55

Контрольные вопросы и задания для самоподготовки

1.Перечислите отделы нервной системы человека.

2.Опишите строение нейрона.

3.Каким образом передается нервный импульс?

4.Дайте определение понятия «антидоты». На каких основных принципах основано их действие?

5.Назовите типы антидотов.

6.Перечислите основные нейротоксические вещества.

7.Объясните механизм токсического действия метилового спирта.

8.Каким образом кровяные яды действуют на гемоглобин?

9.Опишите механизм действия гемолитических ядов.

10.Опишите механизм действия угарного газа.

11. Какие основные метаболические превращения происходят

свредными веществами в организме?

12.Дайте определение понятия «летальный синтез».

13.Какие качественные реакции используются для обнаружения этилового спирта?

14.Какие цветные качественные реакции используются для обнаружения фенолов?

15.Каким образом можно отличить хлороформ от четыреххлористого углерода?

16.Каким образом провести качественную реакцию для определения салициловой кислоты?

17.Каким образом определить наличие антипирина и амидопирина при их совместном присутствии?

18.Укажите особенности в проведении качественного анализа на фенацетин.

19.Каким образом можно определить наличие кофеина при помощи хроматографии?

20.Какие качественные реакции используют для определения нико-

тина?

21.Опишите состав центральной нервной системы.

22.Опишите состав периферической нервной системы.

23.Чем отличается симпатическая нервная система от парасимпати-

ческой?

24.Для чего нужна диффузная нервная система?

25.Опишите неспецифический механизм действия яда на нервную

систему.

26.Назовите виды токсической гипоксии.

27.Какие группы нейротоксинов влияют на прохождение нервного импульса?

56

4.ТОКСИКОКИНЕТИКА

4.1.Основные пути проникновения вредных веществ

ворганизм

Токсикокинетика изучает транспорт токсических веществ в организме. Яды или лекарственные препараты, попавшие в организм, проходят три фазы транспорта: всасывание, распределение в биосредах и выделение.

На производстве поступление токсических веществ в организм человека осуществляется через дыхательные пути, кожу и желудочно-кишеч- ный тракт. Наибольшее значение имеет ингаляционный путь, которым поступают газы, пары, аэрозоли. Это связано с тем, что затруднительно создать технологию, полностью исключающую утечку веществ, находящихся в таких агрегатных состояниях, и обеспечивающую защиту органов дыхания от них.

В клинической токсикологии отмечаются энтеральные и парентеральные пути введения яда в организм. Энтеральные пути: пероральный и ректальный. Парентеральные пути: ингаляционный, подкожный, внутривенный, внутримышечный, через раны и ожоги. В быту яд чаще всего при острых отравлениях поступает в организм перорально.

Пероральный путь введения ядов. Пероральный путь поступления – введение ядов через желудочно-кишечный тракт. Поступление токсичных веществ через рот в производственных условиях происходит при заглатывании пыли, курении, приеме пищи и др.

Некоторые соединения, особенно жирорастворимые, могут всасываться в кровь в полости рта, при этом они не попадают в печень, а сразу в большой круг кровообращения. Во рту, в пищеводе яды всасываются незначительно. Эта часть яда не влияет на течение токсического действия, за исключением деструктивных химических веществ.

Всасывание в желудке зависит от его содержимого и его заполнения. Пища, богатая глюкозой, замедляет действие цианидов из-за образования цианогидринов. Желудочные секреты могут значительно изменять яды, а также увеличивать их растворимость. В желудке химические вещества находятся долго и всасываются за счет простой диффузии. На скорость всасывания влияет заполненность желудка, характер пищи. Поскольку в желудке сильно кислая среда из-за наличия соляной кислоты, в нем легко всасываются неионизированные вещества, например слабые кислоты (уксусная кислота, барбитураты, салициловая). В то же время в желудке плохо всасываются основания (хинин, анилин, атропин, амидопирин).

Яд при всасывании в желудке попадает в систему воротной вены

иметаболизируется.

Вкишечнике среда основная. В нем происходит эмульгация жиров под действием желчных кислот. Всасывание зависит от ионизации и поэтому в кишечнике всасываются слабые основания (хинин, анилин). Бак-

57

териальные токсины, сильные основания, кислоты в кишечнике всасываются плохо.

Секреты кишечника способны лишь в отдельных случаях таким образом воздействовать на не изменившиеся и не всосавшиеся яды. Другая возможность превращения ядов в кишечнике связана с деятельностью кишечных бактерий, например восстановление нитросоединений до аминов.

В процессе эволюции природой созданы защитные механизмы от проникновения ядов во внутреннюю среду организма через желудочнокишечный тракт. Ядовитые вещества при контакте со слизистой оболочкой рта, пищевода, желудка и кишечника могут вызвать рефлекторное действие – тошноту, рвоту, боли. Рвота удаляет вредные вещества, но опасна при отравлении прижигающими жидкостями. Быстрое опорожнение желудка приводит к уменьшению всасывания в нем, но происходит ускорение всасывание в кишечнике, однако за счет усиленной перистальтики ядовитые вещества выводятся из организма.

Ингаляционный путь введения ядов. Ингаляционный путь введения ядовитых веществ в организм в быту встречается редко. Однако его нельзя недооценивать. Этим путем вводится угарный газ, сетевой газ, смеси газов, образующиеся при горении полимерных материалов, аэрозоли.

Газообразные соединения проникают в организм в основном через альвеолы, накапливаются в крови и с током крови разносятся по всему организму.

Быстро метаболизирующиеся вещества претерпевают распад уже на поверхности слизистых и всасываются в кровь в виде метаболитов. В их всасывании заметную роль играют верхние дыхательные пути. Это зависит от растворимости: чем она выше, тем больше веществ поступает через верхние дыхательные пути. Насыщения быстро распадающимися веществами не происходит.

Задержка аэрозолей происходит на всем пути дыхательного тракта. В случаях респираторных отравлений аэрозолями надо учитывать, что в верхних дыхательных путях оседают частицы более 20…30 мкм, в бронхах 10…20 мкм, в бронхиолах 0,5…5 мкм. Кроме размеров, на всасывание и место всасывания влияет плотность частиц, гигроскопичность, а также частота и скорость дыхания, емкость легких. Судьба задержанных частиц зависит от ряда факторов: места задержки, размеров частиц и физи- ко-химических свойств веществ. Частицы, задержанные в верхних дыхательных путях, если они малорастворимые, выводятся с помощью ресничек или кашлем.

В альвеолах пыль задерживается дольше, что способствует ее растворению и проникновению в кровь. Поэтому мелкодисперсные аэрозоли токсичнее. Повышение растворимости в воде способствует увеличению проникновения в кровь. Как правило, растворимость веществ на слизистых выше, чем в воде – например, кварцевой пыли. При малой токсичности пыль действует как механический раздражитель. В этом случае раствори-

58

мость помогает удалить этот раздражитель. В случае ядовитых веществ большая растворимость приводит к повышению токсичности.

Легко всасываются жирорастворимые аэрозольные и газообразные вещества (хлоралканы и др.).

Быстрота всасывания ядовитых веществ в легких связана с большой площадью альвеолярно-капиллярной сети (150…200 м2), а также малой толщиной альвеолярных мембран. В легких при всасывании яд попадает сразу в кровь, поэтому отравление при попадании яда в организм ингаляционным путем развивается значительно быстрее.

Яды, обладающие раздражающим действием, вызывают менее тяжелую интоксикацию, чем те, которые могут привести к незаметному (скрытому) появлению отравления.

Введение ядов в организм через кожу. Через кожу яды проникают часто, но в небольших дозах. Это газы, жидкости и твердые вещества. Из твердых веществ – это преимущественно неэлектролиты. Для электролитов, как правило, кожа непроницаема. Это связано с тем, что кожа состоит из нескольких слоев эпидермиса и дермы. Через эпидермис легко проникают жирорастворимые вещества. Дерма проницаема для полярных ионов и для жирорастворимых веществ. Ионы и нерастворимые в жирах вещества в основном всасываются через волосяные луковицы и сальные железы.

Наличие ран, химических и термических ожогов усиливает всасывание ядов. На проникновение через кожу влияют также температура, площадь соприкосновения и длительность контакта.

Токсическое действие вещества, проникающего через кожу, проявляется в тех случаях, когда его поступление обеспечивает накопление вещества в организме в токсической дозе. Этому препятствуют процессы биотрансформации и выделения.

Кожа лабораторных животных более чувствительна, чем кожа человека. Кроме того, надо учитывать разницу в соотношении между поверхностью и объемом тела.

Интоксикация может возникнуть при работе с ядовитыми веществами без средств защиты, самолечении.

Подкожный, внутримышечный и внутривенный пути поступления ядов. Эти пути отмечаются в случаях передозировки лекарственных препаратов или введения по ошибке ядовитого вещества вместо лечебного средства. Иногда быстрое введение внутривенно лекарственного средства может вызвать картину острой интоксикации, которая не наблюдается при медленном введении.

Токсический эффект наступает через 1…15 мин или даже в момент введения яда. Сила эффекта при этих путях введения в несколько раз превышает эффект при пероральном введении. Организм молниеносно реагирует на такие препараты, как хинин, если к ним есть индивидуальная чувствительность. Возможна эмболия сосудов. Возможно отравление при профилактическом введении антидотов, без достаточных показаний.

59

4.2. Всасывание, распределение и выведение ядов из организма

В организме имеются барьеры, предназначенные для защиты от проникновения токсичных веществ:

–кишечная среда / кровь эпителий, мембрана эпителия со стороны капилляра, базальная мембрана капилляра;

–воздух / кровь липидная пленка, мукоидная пленка, слой альвеолярных клеток, базальная мембрана эпителия, сливающаяся с базальной мембраной капилляров;

–кожа / эпидермис – липопротеиновый барьер;

–гематоэнцефалический барьер – оболочка вокруг сосудов, которые снабжают мозг кровью. Через этот барьер проходит только вода, углекислый газ и глюкоза, аминокислоты и жирорастворимые токсичные вещества.

Биологические мембраны, которые образуют барьеры, могут быть многослойными (плацента, кожные покровы) или однослойными (эпителий кишечника).

Всасывание вредных веществ. Существует четыре механизма проникновения веществ через биологические мембраны: простая диффузия, фильтрация, пиноцитоз и активный транспорт.

Простая диффузия – механизм транспорта химических веществ через клеточные мембраны в направлении градиента концентрации.

Жирорастворимые неэлектролиты легко проникают через клеточные мембраны и депонируются в биосредах в неионизированном состоянии.

Электролиты (соли тяжелых металлов и др.) находятся в ионизированном состоянии при биологических значениях рН и поэтому плохо проникают через биомембраны пищеварительного тракта, гематоэнцефалический барьер, плаценту.

Слабые кислоты (барбитураты, уксусная кислота) всасываются в неионизированном виде в желудке, где рН = 1.

Слабые основания в желудке ионизируются и поэтому не всасываются. В кишечнике, где среда нейтральная или близка к ней, алкалоиды интенсивно всасываются. Из крови, где рН = 7,4, может происходить всасывание в желудок. Простая диффузия наблюдается во многих биологических барьерах и учитывается при оценке распределения ядов в организме,

атакже при лечении. Повышая рН крови, можно достигнуть всасывания барбитуратов из мозга в кровь. При отравлении электролитами рекомендуется промывание желудка, слабительные средства, клизмы.

Фильтрация происходит через липопротеиновые мембраны, поскольку они имеют поры до 40 мкм. Через них могут проникнуть только мочевина и вода. Для ионов и крупных молекул поры недоступны из-за размера и наличия у входа в пору заряда.

Пиноцитоз – механизм проникновения внутрь клетки крупных частиц, при котором происходит впячивание внутрь мембраны с последую-

60