Основы токсикологии. Учебное пособие

связей между предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и показателями токсичности или физико-химическими константами веществ. Наличие таких связей среди изученных токсикологами веществ может служить основанием для проведения расчетов ориентировочных ПДК, ОБУВ и для вновь вводимых в промышленность соединений.

Вместе с тем надо помнить, что расчетные методы могут рекомендовать лишь сугубо ориентировочные значения ПДК и не подменяют собой обычных токсикологических исследований. Расчет ориентировочных значений ПДК позволяет указать на порядок токсичности вновь используемых в промышленности соединений на основании простейших кратковременных токсикологических опытов или использовании широко известных физико-химических констант. Это дает возможность предварительного регламентирования содержания промышленного яда в воздухе рабочих помещений без длительных экспериментальных исследований его токсичности.

Расчетный способ может также служить дополнительным ориентиром при рекомендации ВДК (ОБУВ), основанной на результатах всесторонних токсикологических исследований. Все материалы, касающиеся обоснования ВДК (ОБУВ) для конкретного химического соединения, представляются в соответствующие секции проблемных комиссий, где происходит их рассмотрение и утверждение. Только после этого значения ВДК (ОБУВ) утверждаются Минздравом РФ. Срок действия ВДК (ОБУВ) – 2…3 года. В дальнейшем этот срок может быть продлен, а при поступлении дополнительных материалов может быть рассмотрен вопрос о замене ВДК (ОБУВ) значением ПДК.

Расчетные методы на основе зависимости «структура – активность вещества». Одним из наиболее перспективных подходов в решении проблемы ускорения определения токсикологических характеристик является изучение зависимости «структура – активность вещества». Развивая это направление, исследователи прошли путь от поиска связи между токсичностью и такими простыми параметрами, как физико-химические константы вещества (температура кипения, молекулярная масса и др.), до использования универсальных характеристик химической структуры (параметров, отражающих электронное строение молекул) и прогноза в рамках метода американского химика К. Ганча.

Однако методические подходы в этой области были ограничены из-за недостатка знаний о механизме взаимодействия веществ с организмом на молекулярном уровне. В частности, не осознавалось, что в ходе биотрансформации образуются высокореакционноспособные короткоживущие соединения и конечные метаболиты, более опасные, чем исходные вещества.

Модель интоксикации Ганча. В патогенетической модели интоксикации, предложенной Ганчем в 1969 г., на первой стадии происходит абсорбция вещества и транспорт его через липидные биомембраны и гидрофильные структуры клеток к активному центру, на котором осуществля-

81

ется биотрансформация вещества или его взаимодействие с рецептором. На этом этапе важны такие свойства веществ, как гидрофобность, растворимость, объем и площадь поверхности молекулы. Эти параметры используются для построения моделей неспецифического действия, так называемых базовых моделей. Базовая токсичность, определяемая по этим моделям, соответствует случаю, когда биологический эффект зависит в основном от дозы вещества, дошедшей до активного центра, а не от различий в природе и скорости химического взаимодействия на этом центре.

Вторая стадия – это высокоспецифичная реакция, протекающая с участием ферментов и приводящая к биотрансформации вещества.

На третьей стадии осуществляется взаимодействие образовавшихся в ходе биотрансформации продуктов, или интермедиатов (короткоживущих промежуточных соединений) с биомолекулами. На этой же стадии возможно взаимодействие с биомолекулой – мишенью самого вещества, обусловливающее его токсическое действие. Таким образом, развитие интоксикации организма может быть вызвано взаимодействием как с самим веществом, так и с продуктами его биотрансформации. Токсичность на второй и третьей стадиях может быть описана с помощью параметров, характеризующих реакционную способность ксенобиотиков. Выбор параметров определяется тем, какая стадия взаимодействия вещества с организмом является ключевой, т. е. такой, на которой небольшие изменения химической структуры в ряду родственных веществ приводят к большой разнице в их токсичности.

Расчет среднесмертельной концентрации CL50. Разработаны методы предварительного расчета СL50, с использованием эмпирических уравнений. Эти уравнения выводятся на основании известных данных для гомологов соединения, для которого требуется узнать токсикологический параметр.

СL50, или среднесмертельная концентрация – смертельная для 50 % мышей концентрация, выраженная в миллимолях на кубический дециметр воздуха (мМ/дм3). Для дальнейшего выражения концентрации СL50 в мг/дм3 следует число мМ/дм3 умножить на молекулярный вес. В последующих уравнениях приняты следующие обозначения: М – молекулярная масса; d – удельный вес, г/см3; мМ – миллимоль. Для перевода дозы, выраженной в мМ/кг (миллимоль/кг), в мг/кг, следует первую дозу умножить на молекулярный вес соединения. Для обратного перевода дозы, выраженной мг/кг, в мМ/кг, следует величину этой дозы разделить на молекулярный вес соединения.

Наиболее близкие к экспериментально определенным CL50 дают расчеты по формулам, которые получены для гомологических рядов, групп или классов соединений.

Как правило, еще того, как перейти к определению токсичности вещества в опытах на животных, токсикологи предварительно рассчитывают вероятную смертельную концентрацию на основании некоторых физиче-

82

ских констант. Для этого пользуются различными уравнениями для разных групп летучих органических соединений, указанными в табл. 5.1.

где d – удельный вес; RD – молекулярная рефракция; nD – показатель преломления.

Для хлорированных алифатических углеводородов с температурой кипения меньше 160 °С:

Для менее летучих хлорированных углеводородов четкой связи lgCL50 с М и tкип нет. Опыт следует начинать с концентрации 0,01 мМ/дм3.

Для хлорированных алифатических углеводородов с температурой кипения до 250 °С:

Для алифатических непредельных хлор- и фторуглеводородов: при наличии одной двойной связи в алифатических хлоруглеводородах к результату расчета по формуле (12) необходимо внести поправку, равную –0,3; при двух двойных связях поправка равна –1,6; при наличии в цепи трех атомов хлора и больше поправка +0,3.

Для фторуглеводородов определение CL50 в случае одной или нескольких непредельных связей алифатического или циклического соединения следует начинать с 0,01 мМ/дм3; при двойной связи в боковой цепи ароматического соединения – с 0,1 мМ/дм3; для предельных алифатических и ароматических без двойных связей в боковой цепи – с 0,5 мМ/дм3.

Для бромуглеводородов:

Для летучих алифатических непредельных спиртов и двухатомных спиртов часто требуется поправка от –1 до +2,5 по логарифму. Для фтор- и хлорсодержащих спиртов пригодны также уравнения (4), (5), с. 75.

Для спиртов с температурой кипения до 250 °С:

Уравнение (7), с. 76, можно использовать и при наличии дополнительного атома кислорода в молекуле, при наличии двойной связи; при наличии же атома хлора необходимо вводить поправку (–2,0), при наличии фтора (+1,8), а при наличии фтора и хлора – (–0,5) по логарифму.

Для кетонов:

Для других летучих органических соединений, кроме тех, которые перечислены выше, расчет производится (более грубо) по следующим уравнениям:

85

где d – плотность паров по отношению к воздуху. Если d неизвестна, то ее значение можно рассчитать по формуле

% = '(,((& ,

где 28,88 – молекулярный вес воздуха.

Удовлетворительное приближение расчетной концентрации к той, которая находится в эксперименте, в особенности при использовании приведенных выше уравнений, получается при расчете средней величины из данных, полученных по нескольким константам. Для этого необходимо вначале вычислить средний геометрический логарифм СL50, рассчитанных по отдельным уравнениям. Логарифм среднего геометрического равен среднему арифметическому логарифмов данных. Затем найти из среднего геометрического логарифма СL50 среднее значение СL50.

При отсутствии сведений о молекулярном весе (нечистый продукт) искомую концентрацию можно рассчитать непосредственно в мг/дм3 по tкип и удельному весу. Целесообразно брать среднее значение, как описано выше, из рассчитанных по двум следующим уравнениям:

В том случае, когда известна среднесмертельная доза DL50, полученная в эксперименте, то для всех органических соединений среднесмертельную концентрацию можно найти из уравнения

Расчет среднесмертельной дозы DL50. Предварительный расчет среднесмертельных доз (DL50) для белых мышей проводят, используя известную из эксперимента величину CL50, выраженную в мМ/дм3, по следующим уравнениям:

lg DL50 мМ/кг = 0,62 ·lg CL50 мМ/дм3 + 1,8; lg DL50 мМ/кг = 2,8 – 0,013·М.

Неорганические вещества – предварительный расчет среднесмертельных доз (DL50) для соединений металлов. Имеются особенности расчета для соединений металлов в зависимости от их растворимости.

Растворимые соединения металлов. Для растворимых соединений металлов расчет ориентировочных значений DL50 проводят из уравнений (57)…(60):

86

где М – молекулярный вес; DL50 мА/кг – среднесмертельная доза; S – растворимость сульфида металла в граммах на 100 мл воды.

Для перевода дозы, выраженной в мА/кг (миллиатом/кг), в мг/кг, следует первую дозу умножить на молекулярный вес соединения и разделить на количество атомов металла в молекуле.

Для обратного перевода дозы, выраженной мг/кг, в мА/кг, следует величину этой дозы разделить на молекулярный вес соединения и умножить на количество атомов металла, входящих в его химическую формулу.

Пример расчета DL50 для хлорида ртути приведен в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Токсикологические характеристики хлорида ртути

(HgCl2 M 271,50; tпл 280 °С; аt – 659030, раств. в воде; tкип 302 °С; S – 1,3 10–5 г/л/10)

Малорастворимые соединения металлов. Для малорастворимых соединений металлов (в основном, окислов) расчет ведется по уравнению (61):

Расчеты DL50 солей металлов с учетом DL50 окислов и обратный пересчет. Располагая сведениями о DL50 окисла металла, можно приблизительно рассчитать аналогичный показатель токсичности и для растворимой соли того же металла. Возможен также обратный пересчет по уравнениям (62) и (63):

Органические соединения – предварительный расчет среднесмер-

тельных доз DL50 для летучих органических веществ (tкип 200 °С). Расчет DL50 по величине молекулярного веса или CL50, выраженной в мМ/дм3,

проводят по уравнениям (64) и (65):

87

где М – молекулярный вес; DL50 мМ/кг – среднесмертельная доза; CL50 мМ/дм3 – среднесмертельная концентрация.

Для перевода дозы, выраженной в мМ/кг (миллимоль/кг), в мг/кг, следует первую дозу умножить на молекулярный вес соединения. Для обратного перевода дозы, выраженной мг/кг, в мМ/кг, следует величину этой дозы разделить на молекулярный вес соединения.

Для кислот, альдегидов, сложных эфиров, галогенуглеводородов, гетероциклических соединений, нитритов и соединений с группой –С N, –C=N, а также оксидов, перекисей, спиртов и простых эфиров, ориентировочные значения DL50 указаны в табл. 5.3.

Расчет зоны острого опыта. О реальной опасности развития острого отравления можно судить по значению зоны острого действия.

Зона острого токсического действия (Zac) – это отношение среднесмертельной концентрации вещества CL50 к пороговой концентрации при однократном воздействии.

Чем меньше зона, тем больше возможность острого отравления, и наоборот.

Для примера ниже будет приведен расчет зоны острого опыта для бицикло[2,2,1]гепта-2,5-диена. Поскольку в литературных данных было найдено только значение DL50 и пороговой концентрации острого опыта Limac, проведен расчет среднесмертельной концентрации по уравнению

lg CL50 мМ/дм3 = 0,84lg DL50 мМ/кг – 2,33. 1 миллиграмм (мг) = 0,001 грамм (г)

1 мМ/кг – 1 милимоль/кг

Результаты расчета представлены в зоны острого опыта для бицик- ло[2,2,1]гепта-2,5-диена в табл. 5.4.

Расчет зоны хронического опыта. Показателем реальной опасности развития хронической интоксикации является значение зоны хронического действия (Zchr), т. е. отношение пороговой концентрации (дозы) при однократном воздействии к пороговой концентрации (дозе) при хроническом воздействии:

88

Zchr = Limac / Limchr.

Чем больше зона хронического действия, тем выше опасность. Для расчета Zchr в справочниках необходимо найти значения DL50, CL50, Limac, Limchr, М, Ткип, Тпл и использовать их для расчета.

Таблица 5.4

Расчет зоны острого токсического действия бицикло[2,2,1]гепта-2,5-диен

Расчет зоны хронического действия Limchr расч проводится по уравне-

ниям

lg Limchr расч (мг/м3) = 0,62 lg CL50 (мг/м3) – 1,03; lg Limchr расч (мг/м3) = 0,77 lg Limac (мг/м3) – 0,56.

При одновременном наличии смертельных и пороговых концентраций для мышей и крыс в качестве исходных следует брать величину для наиболее чувствительного вида животных.

Для отдельных групп соединений рекомендуется проводить расчет, используя следующие уравнения для отдельных классов соединений.

Для фосфорорганических веществ:

lg Limchr (мг/м3) = 0,95 lg Limac (мг/м3) – 0,45. Для альдегидов и кетонов:

Limchr (мг/м3) = 6,19 + 0,288 СL50;

Limchr (мг/м3) = 2,90 + 2,56 Limac. Для производных акриловой кислоты:

lg Limchr (мг/м3) = 0,93 lg СL50 + 2,23. Для производных метакриловой кислоты:

lg Limchr (мг/м3) = 1,24 lg Limac + 0,46. Для нитрилов и цианидов, отщепляющих CN-группу:

lg Limchr (мг/м3) = 0,56 lg Limac + 1,05.

Расчет КОВОИО И КВИО. Опасность вещества – это вероятность возникновения неблагоприятных для здоровья эффектов в реальных условиях производства или применении химических соединений.

89

Так, например, ацетальдегид, обладая умеренной токсичностью, является высоколетучим (С20 = 182·104 мг/м3) и по величине КВИО относится к высокоопасным веществам. В то же время бензолхлорид, являясь чрезвычайно токсичным, но имея низкую летучесть, оказывается веществом малоопасным.

КОВОИО – коэффициент опасности внезапного острого ингаляционного отравления, определяется по уравнению

С ,

КОВОИО = ∙ С

где С20 – насыщенная концентрация при 20 °С мг/дм3; – коэффициент распределения между воздухом и кровью.

Если С20 неизвестно, то ее значение можно рассчитать по уравнению

где С20 – концентрация, насыщающая воздух при 20 С; Р – упругость пара в мм рт. ст. при 20 С; М – молекулярный вес; 18,271 – константа.

Также в том случае, если неизвестно значение , ее значение рассчитывают по уравнению

= (62,3 S T) / (P M),

где S растворимость в воде г/л; Т абсолютная температура (температура окружающего воздуха на момент аварии); Р давление, мм рт. ст. (атмосферное давление на момент аварии); М молекулярный вес.

Если невозможно рассчитать значение λ, то вычисляют коэффициент возможности ингаляционного отравления (КВИО):

КВИО = С .

С

Для расчета КОВОИО и КВИО в справочниках необходимо найти

значения СL50, Р, M, С20, λ, S, Т, Pатм и использовать их для расчета.

Расчет коэффициента кумуляции. Выполняют по уравнению

Ккум = DL50 chr / DL50.

Для расчета Ккум в справочниках необходимо найти значения DL50 chr и DL50 и использовать их для расчета.

Расчет ориентировочных ВДК (ОБУВ)р.з для воздуха рабочей зоны. Формулы для расчета ВДК (ОБУВ) химических соединений в воздушной среде рабочей зоны выведены методом регрессионного анализа. Узаконенные ПДКр.з сопоставлялись с различными показателями токсичности и физико-химических свойств веществ.

Уравнения для расчета ВДК (ОБУВ)р.з разных классов и групп органических соединений, исходя из значения CL50, приведены в табл. 5.5.

90