Основы токсикологии

2.2.3. Свойства действующих веществ

На процесс резорбции в наибольшей степени влияют физико-химические свойства токсикантов

ипрежде всего способность растворяться в липидах (липофильность). Существует отчетливая корреляция между величиной коэффициента распределения в системе масло/вода и скоростью резорбции. Липофильные агенты (например, ФОС, иприты, хлорированные углеводы и др.) достаточно легко преодолевают кожный барьер. Гидрофильные агенты, и особенно заряженные молекулы, практически не проникают через кожу. В этой связи проницаемость барьера для слабых кислот и оснований существенно зависит от степени их диссоциации. Так, салициловая кислота и нейтральные молекулы алкалоидов способны к резорбции, однако анионы кислоты и катионы алкалоидов этим путем в организм не проникают. Вместе с тем проникновение в организм липофильных веществ, вообще не растворяющихся в воде, также невозможно: они депонируются в жировой смазке и эпидермисе

ине захватываются кровью. Поэтому масла не пенетрируют через кожу.

Газы, такие как кислород, азот, диоксид углерода, сероводород, аммиак, гелий, водород - способны к кожной резорбции. На скорости процесса, прежде всего, сказывается их липофильность и концентрация в окружающей среде. Увеличение парциального давления газа в воздухе ускоряет его проникновение в организм, что может приводить к тяжелым интоксикациям. Так, для кроликов содержание H2S в воздухе в концентрации 9,3% оказывается смертельным (ингаляционное воздействие исключено).

2.3.4. Экзогенные факторы

Повреждение рогового слоя эпидермиса и жировой смазки кожи (кератолитическими средствами, органическими растворителями) приводит к усилению резорбции токсикантов. Механическое повреждение кожи с образованием дефектов, особенно обширных, лишает её барьерных свойств.

Увлажненная кожа лучше всасывает токсиканты, чем сухая.

На скорость резорбции веществ, апплицируемых в виде эмульсий, растворов, мазей кроме факторов, перечисленных выше, существенное влияние оказывают свойства носителя (растворителя, эмульгатора, мазевой основы).

Параметры резорбции некоторых веществ через кожу человека представлены на таблице 3.

Таблица 3. Проникновение некоторых токсикантов в организм человека через кожу

3. Резорбция через слизистые оболочки

Слизистые оболочки, не зависимо от того, образованы они многослойным или однослойным эпителием, кубическими или плоскими клетками, лишены рогового слоя и жировой пленки на поверхности. Они покрыты водной, иногда с примесью слизи, пленкой. Их функция состоит в осуществлении обмена веществом между организмом и внешней средой. Эти отличия от кожи объясняют, почему многие вещества достаточно легко проникают через слизистые оболочки. Резорбтивная способность для слизистых разных анатомических областей близка, хотя

структурные особенности организации и топография некоторых образований лежат в основе наблюдаемых различий.

Резорбция веществ через слизистые определяется главным образом следующими факторами:

-агрегатным состоянием вещества (газ, аэрозоль, взвесь, раствор);

-дозой и концентрацией токсиканта;

-видом слизистой оболочки, её толщиной;

-продолжительностью контакта;

-интенсивностью кровоснабжения анатомической структуры;

-дополнительными факторами (параметры среды, степень наполнения желудка и т.д.).

На таблице 4 представлены некоторые характеристики слизистых оболочек различных анатомических образований человека.

Таблица 4. Характеристика слизистых оболочек

Большая площадь поверхность, малая толщина слизистых и хорошее кровоснабжение делают наиболее вероятным проникновение веществ через органы дыхания и стенку тонкой кишки. Однако пенетрация ксенобиотиков возможна через слизистые и других анатомических образований.

3.1. Резорбция в ротовой полости

Многие токсиканты достаточно быстро всасываются уже в ротовой полости. Эпителий полости рта не представляет собой значительной преграды на пути ксенобиотиков. В резорбции участвуют все отделы ротовой полости. Хотя площадь поверхности не велика, однако

слизистая здесь хорошо снабжается кровью. Поскольку рН слюны лежит в диапазоне 6,6 - 6,9, то есть незначительно отличается от рН крови, эта характеристика мало сказывается на процессе резорбции ксенобиотиков - слабых электролитов (кислот и оснований).

Проникать через слизистые могут лишь вещества, находящиеся в полости рта в молекулярной форме. Поэтому растворы лучше резорбируются, чем взвеси. Раствор обволакивает всю поверхность ротовой полости, покрывая слизистую пленкой. Взвеси плохо растворимых веществ во-первых имеют меньшую площадь контакта с поверхностью слизистой, во-вторых большая часть вещества находится в агрегатном состоянии, препятствующем резорбции.

Оттекающая от слизистой полости рта кровь поступает в верхнюю полую вену и потому всосавшееся вещество попадает непосредственно в сердце, малый круг кровообращения, а затем и общий кровоток. В отличии от других способов проникновения через слизистые желудочно-кишечного тракта, при резорбции в ротовой полости, всосавшиеся токсиканты распределяются в организме минуя печень, что сказывается на биологической активности быстро метаболизирующих соединений.

3.2. Резорбция в желудке

В целом ксенобиотики плохо всасывается в желудке, хотя его слизистая оболочка мало отличается от слизистой других отделов желудочно-кишечного тракта. В основе резорбции лежит механизм простой диффузии. Специальные переносчики ксенобиотиков в слизистой не обнаружены. Фактором, определяющим особенности желудка, как органа резорбции, является кислотность желудочного содержимого. Как и для пенетрации через другие биологические барьеры скорость процесса в значительной степени определяется коэффициентом распределения веществ в системе масло/вода. Жирорастворимые (или растворимые в неполярных органических растворителях) соединения достаточно легко проникают через слизистую желудка в кровь (таблица 5).

Таблица 5. Резорбция некоторых производных барбитуровой кислоты в желудке

Алкалоиды (морфин, атропин и др.) резорбируются здесь лишь в следовых количествах.

3.2.1. Растворимость в жирах и рН

Особенностью резорбции в желудке является то, что она осуществляется из среды с низким значением рН. В этой связи эпителий слизистой формирует своего рода липидный барьер между водными фазами: кислой (кислотность желудочного сока примерно равна 1,0) и щелочной (рН крови равен 7,4). Этот барьер токсиканты могут преодолеть лишь в форме незаряженных молекул. Многие соединения не способны к диссоциации в водных растворах (неэлектролиты), их молекулы не несут заряда, и они легко проходят через слизистую желудка (дихлорэтан, четыреххлористый углерод и т.д.). Сильные кислоты и щелочи (серная, соляная, азотная кислоты, NaOH, KOH) в любом растворе полностью диссоциированы и потому переходят в кровь лишь в случае разрушения слизистой оболочки (химический ожег).

Для веществ - слабых кислот и слабых оснований большое значение имеет величина рКа, определяющая, какая часть растворенного вещества будет находиться в ионизированной и неионизированной форме при данных значениях рН среды.

Для слабых кислот кислая среда способствует превращению вещества в неионизированную форму, для слабых оснований низкие значения рН (высокие концентрации водородных ионов в среде) способствует превращению веществ в ионизированную форму.

Поскольку неионизированные молекулы более липофильны они легче проникают через биологический барьер. Поэтому в желудке лучше абсорбируются слабые кислоты.

Так, рКа синильной кислоты составляет 9,2. Это означает, что при рН 9,2 около 50% молекул HCN находится в диссоциированной форме (ион CN-). Если рН смещается в кислую сторону, то большая часть, или даже практически все молекулы, переходят в форму недиссоциированного соединения, хорошо растворяющегося в липидах. Поэтому слизистая желудка практически не является барьером для синильной кислоты, а прием цианидов через рот сопровождается быстрым превращением их в кислоту и немедленной резорбцией.

Алкалоид стрихнин, практически полностью ионизирован в кислой среде желудка и потому, при пероральном введении, интоксикация этим веществом у экспериментальных животных не наблюдается, если желудочно-кишечный тракт лигирован между желудком и кишкой.

3.2.2. Растворимость в воде

Необходимым условие резорбции вещества в желудке является его растворимость в желудочном соке. Потому практически не растворимые в воде вещества, даже в случае высокой растворимости в жирах, здесь не всасываются (дикумарол).

Взвеси химических соединений перед всасыванием должны перейти в раствор. Поскольку время нахождения в желудке ограничено взвеси действуют слабее, чем растворы того же вещества.

3.2.3. Содержимое желудка

Если токсикант поступает в желудок с пищей, то возможно взаимодействие с её компонентами: растворение в жирах и воде, абсорбция белками и т.д. Поскольку градиент концентрации ксенобиотика при этом снижается, уменьшается и скорость диффузии в кровь. Хорошо известно, что резорбция алкоголя в желудке значительно замедляется при приеме с жирной пищей. Из пустого желудка вещества всасываются лучше чем из наполненного. Однако, поскольку прием пищи сопровождается изменением рН содержимого и увеличением времени эвакуации из желудка, порой может наблюдаться и увеличение степени резорбции некоторых ксенобиотиков.

3.3. Резорбция в кишечнике

Кишечник, в силу особенностей строения, является одним из основных мест всасывания химических веществ (таблица 6).

Таблица 6. Некоторые характеристики слизистой тонкой кишки человека

Перистальтика кишечника обеспечивает перемешивание содержимого, вследствие чего поддерживается высокая концентрация веществ на границе контакта гумуса с клетками слизистой оболочки.

Молекулы-субстраты обмена веществ и структурные элементы живого (глюкоза, аминокислоты, электролиты, нуклеотиды и т.д.) резорбируются в кишечнике посредством активного транспорта. Ксенобиотики - структурные аналоги этих молекул, например 5- фторурацил, ксилит, аналоги аминокислот и т.д., также могут поступать в организм с помощью этих механизмов. Таким же способом пенетрируют гликозиды, среди которых немало высокотоксичных веществ (амигдалин, дигитоксин, буфотоксин и др.). Однако основным является механизм пассивной диффузии веществ через эпителий.

Пассивная диффузия в кишечнике - дозо-зависимый процесс. При увеличении содержания токсиканта в кишке увеличивается и скорость его всасывания, но при сохранении процента всосавшегося вещества (таблица 7).

Таблица 7. Резорбция анилина в кишечнике крысы

(L.S. Schanker et al, 1958)

Для большинства ксенобиотиков не существует насыщающей концентрации процесса. Резорбция обусловлена не только проникновением через липидные мембраны незаряженных молекул. В незначительном количестве через слизистые кишечника проникают ионы слабых кислот и оснований. Этот поток ксенобиотиков, вероятно обусловлен диффузией через поры. Соотношение объемов пенетрации незаряженных и заряженных молекул одного и того же вещества неодинаково и зависит от его строения. Так, для амидопирина оно составляет 11 : 1; для салициловой кислоты - 6 : 1. Некоторые токсиканты (паракват, дикват) и антидоты (d- пенициламин) абсорбируются в кишечнике в достаточном количестве, хотя действуют в ионизированной форме. Квота резорбции некоторых сильных оснований составляет 10 - 20 %, что плохо объяснимо с позиций простой диффузии через биологический барьер. Имеются данные о сопряжении процессов резорбции в кишечнике ксенобиотиков и воды.

В целом резорбция веществ в кишечника подчиняется тем же законам, что и в желудке, хотя имеются существенные особенности.

3.3.1. Значение рКа

Как правило, сильные кислоты и основания не резорбируются в кишечнике. Всасывание полностью ионизированных молекул, например миорелаксантов, ганглиоблокаторов и многих других соединений, содержащих четвертичный азот в молекуле, затруднено. Пенетрация слабых кислот и оснований зависит от величины их рКа (см. выше). При этом абсорбционная поверхность слизистой кишки (установлено в экспериментах на грызунах) ведет себя так, как если бы её рН составлял 5,3, хотя при измерениях установлено, что кислотность содержимого тонкого кишечника равна 6,5, толстого - 6,8.

3.3.2. Коэффициент распределения в системе масло/вода

Скорость диффузии веществ через слизистую оболочку тонкой кишки пропорциональна величине коэффициента распределения в системе масло/вода. Вещества нерастворимые в липидах, даже в форме незаряженных молекул не проникают через слизистую кишечника. Так, ксилоза - низкомолекулярное соединение, относящееся к группе неэлектролитов, но нерастворимое в липидах, практически не поступает во внутренние среды организма при приеме через рот. Некоторые ксенобиотики хорошо растворяющиеся в жирах, тем не менее также плохо резорбируются в кишечнике. В этих случаях, как правило, выявляется их чрезвычайно низкая растворимость в воде.

3.3.3. Размеры молекулы

Проникновение веществ через слизистую оболочку существенно зависит от размеров молекул. Как правило, с увеличением молекулярной массы проникновение соединений через слизистую уменьшается. Например, инулин, манитол медленнее всасываются, чем низкомолекулярные спирты. Некоторые высокомолекулярные жирорастворимые вещества, хуже пенетрируют в кишке, чем низкомолекулярные водо-растворимые (например, мочевина). Однако в кишечнике новорожденных млекопитающих (крысята, поросята и т.д.) отмечается резорбция даже высокомолекулярных соединений, таких как поливинилпирролидон (МВ 160000), инсулин, антитела.

3.3.4. Заряд молекулы

Всасывание ионов зависит от их строения и величины заряда. В то время как одновалентные ионы (Cl-, NO2-, NO3-, Na+, K+, Tl+) легко проникают через слизистую, для ионов с большим зарядом (Mg2+, Pb2+, Fe3+, SO42-) этот процесс затруднен. Исключение составляют ионы кальция. У человека квота резорбции иона составляет около 30% при поступлении в количестве около 1 г в сутки. Трехвалентные ионы вообще не резорбируются в кишечнике.

3.3.5. Отделы кишечника

Все отделы кишечника принимают участие в резорбции ксенобиотиков. С наивысшей скоростью всасывание происходит в тонкой кишке. В среднем период "полувсасывания" веществ у крысы составляет около 5 минут. Для веществ, поступающих через рот, время пребывания их в желудке в целом отсрочивает резорбцию, поэтому скорость перехода веществ из желудка в двенадцатиперстную кишку имеет решающее значение. Холодные растворы быстрее покидают желудок. В этой связи холодные растворы токсикантов порой оказываются более токсичными, чем теплые.

Резорбция в толстой кишке происходит сравнительно медленно. Этому способствует не только меньшая площадь поверхности слизистой этого отдела, но и, как правило, более низкая, в сравнении с вышележащими отделами, концентрация токсикантов в просвете кишки.

3.3.6. Кровоснабжение

Кишечник хорошо кровоснабжаемый орган. Вещества, проникающие через слизистую оболочку, быстро уносятся оттекающей кровью, поэтому скорость кровотока здесь не является фактором, лимитирующим процесс резорбции.

3.3.7. Содержимое кишечника

Потребленная пища модифицирует всасывание токсикантов в кишечнике. Содержимое кишки может выступать в качестве инертного наполнителя, в который включено вещество и из которого замедляется его резорбция, при этом квота всасывающегося вещества в целом остается неизменной.

Желчные кислоты, обладая свойствами эмульгаторов, способствуют всасыванию жиров, однако, усиливают ли они резорбцию жирорастворимых ксенобиотиков остается неизвестным. Установлено, что проникновение в кровь из кишечника красителя фенолрот ускоряется при одновременном назначении дезоксихолевой кислоты. Не исключено, что желчные кислоты влияют и на резорбцию электролитов.

Микрофлора кишечника может вызвать химическую модификацию молекул токсикантов. Так, у человека описана способность лактобактерий, энтерококков, клостридий кишечника вызывать деметилирование метамфетамина. Некоторое токсикологическое значение может иметь инициируемый кишечной флорой процесс восстановления нитратов до нитритов особенно у грудных детей. Образующиеся ионы NO2- проникают в кровь и вызывают образование метгемоглобина с соответствующими пагубными последствиями.

E. coli содержит ферменты, имеющие значение для судьбы токсикантов в организме. Так, под влиянием этих энзимов, в кишечнике возможно расщепление глюкуронидов. Конъюгаты ксенобиотиков с глюкуроновой кислотой (конечные метаболиты веществ, выделяющиеся в

кишечник с желчью) - плохо растворимые в жирах и хорошо растворимые в воде соединения, в связи с чем резорбция их в кишечнике затруднена. После отщепления глюкуроновой кислоты липофильность отделившихся молекул существенно возрастает, и они приобретают способность к обратной резорбции в кровоток. Это явление может лежать в основе феномена печеночно-кишечной циркуляции токсиканта.

3.4. Резорбция в легких

Легкие - орган, предназначенный для осуществления обмена веществом, в частности жизненно важными газами, между организмом и окружающей средой. Помимо вдыхаемого О2 и другие вещества, находящиеся в форме газа или пара, могут легко проникать через легкие в кровоток. Для этого токсикант должен преодолеть лишь тонкий капиллярно-альвеолярный барьер. Благоприятным условием всасывания веществ является также большая площадь поверхности легких, составляющая у человека в среднем 70 м2. Процесс диффузии кислорода через альвеолярно-капиллярный барьер можно описать уравнением:

ДM = Др 1/2 (SA + SC) n-1 , где

ДM - скорость диффузии (мл/мин);

- абсорбционный коэффициент Бунзена;

Др - коэффициент диффузии кислорода;

SA - площадь поверхности легочного эпителия;

SC - площадь поверхности эндотелия альвеолярно-капиллярного барьера;

n - средняя эффективная толщина альвеолярно-капиллярного барьера.

Для организма человека эти характеристики в среднем составляют: SA - 77 м2; SC - 70 м2; n - 0,5 - 0,7 мкм. При подстановке в уравнение величин и Др для плазмы крови получаем диффузионную способность легких для кислорода ДM = 3,9 мл/мин.

Продвижение газов по дыхательным путям сопряжено с их частичной адсорбцией на поверхности трахеи и бронхов. Сайт депонирования ингалируемых газов определяется степенью их растворимости в тонком слое жидкости, выстилающей слизистую дыхательных путей и альвеолярный эпителий. Чем хуже растворяется вещество в воде, тем глубже проникает оно в легкие (таблица 8).

Таблица 8. Захват паров химических веществ слизистой трахеи кролика (in vitro). (По данным

V. Fiserova-Bergerova, 1985)

Диоксан 59,5

Метанол 68,6

* Степень захвата (Р) рассчитывали как разницу входящей и выходящей из трахеи концентраций (С) газов:

Р = С/Свх 100 %

Ингаляционно в организм могут поступать не только газы и пары, но и аэрозоли, которые также достаточно быстро могут всасываться в кровь. В таблице 9 представлена сравнительная способность некоторых веществ резорбироваться в легких крыс при интратрахеальном введении в форме аэрозоля.

Таблица 9. Легочная резорбция различных типов химических веществ после интратрахеального введения крысам (t50 - время, необходимое для резорбции 50% введенного вещества)

3.4.1. Резорбция газов

Если человек или экспериментальное животное в течение определенного времени вдыхает воздух, содержащий некое вещество в постоянной концентрации (например, 4% эфир), то процесс его проникновения и распределения в организме может быть представлен в виде нескольких последовательных этапов (рисунок 2).

Рисунок 2. Процесс проникновения и распространения газов в организме

В конечном итоге в тканях (в частности в ЦНС) аккумулируется определенная концентрация токсиканта, при которой формируется токсический процесс соответствующей степени тяжести (оглушенность, наркоз, кома). При достижении состояния равновесия в системе продолжение ингаляции газа (пара) в прежней концентрации не приведет к увеличению содержания ксенобиотика в тканях.

3.4.1.1. Вентиляция легких

Для резорбции вдыхаемый газ должен вступить в контакт с альвеолярной поверхностью легких. Альвеолы расположены глубоко в легочной ткани, поэтому путем простой диффузии газ не сможет быстро преодолеть расстояние от полости носа или ротового отверстия до стенок альвеол. У человека и других позвоночных, дышащих легкими, имеется механизм, с помощью которого осуществляется механическое перемешивание (конвекция) газов в дыхательных путях и легких и обеспечивается постоянный обмен газами между внешней средой и организмом. Этот механизм - вентиляции легких - последовательно сменяющие друг друга акты вдоха и выдоха.

При нормальной частоте и глубине дыхания легочная вентиляция достаточна для того, чтобы альвеолярную концентрацию газа (Са) в течение 2 минут от значение 0 довести до значения 0,95 Си, то есть 95% от концентрации в ингалируемом воздухе.

Таким образом, вентиляция обеспечивает очень быструю доставку газа из окружающей среды к поверхности альвеолярных мембран. Посредством сознательного или бессознательного усиления или ослабления вентиляции возможно многократное уменьшение или увеличение времени "уравнивания концентраций". Одновременно с вентиляцией легких осуществляются и другие процессы: растворение газа в стенке альвеолы, диффузия газа в кровь, конвекция в кровяном русле, диффузия в ткани. Вследствие этого динамическое равновесие в системе распределения газов в воздухе, крови и тканях устанавливается лишь спустя некоторое время.

В тот момент, когда парциальное давление газа в окружающем, а затем и альвеолярном воздухе становиться ниже, чем в крови (пострадавшего выносят из зоны заражения), процесс меняет направление и газ из организма устремляется в просвет альвеол и во внешнюю среду. С помощью форсированной вентиляции легких можно обеспечить быстрое снижение концентрации газообразного вещества в циркулирующей крови (и тканях). Эту возможность используют в токсикологии при оказании помощи отравленным некоторыми газообразными или летучими веществами, предлагая пострадавшим ингалировать карбоген (воздух с повышенным содержанием СО2), стимулирующий вентиляцию.

3.4.1.2. Поступление в кровь

Переход газа из альвеолы в кровоток осуществляется посредством диффузии. При этом молекула соединения переходит из газообразной среды в жидкую фазу. В этой связи поступление вещества зависит от следующих факторов:

1.Растворимости газа в крови;

2.Градиента концентрации газа между альвеолярным воздухом и кровью;

3.Интенсивности кровотока;

4.Состояния легочной ткани.

1.Растворимость веществ в крови отличается от растворимости в воде и порой существенно. Это связано с наличием растворенных в плазме крови её составных частей (соли, липиды, углеводы, белки) и форменных элементов (лейкоциты, эритроциты). Сравнительная характеристика растворимости некоторых неэлектролитов в различных средах представлена на таблице 10.

Таблица 10. Коэффициенты распределения некоторых неэлектролитов (t = 37оС; Р = 101,3 кРа)

(Н. Killian, H. Weese, 1964)

Растворисмость газов в жидкостях зависит от температуры. Зависимость эта различна для различных газов и растворителей, тем не менее, как правило, растворимость понижается при повышении температуры.

Состояние равновесия между кровью и газом при прочих равных условиях устанавливается тем быстрее, чем с большей скоростью растворяется газ.

2. Количество газа, растворенного в жидкости, всегда пропорционально величине парциального давления газа (закон Генри).

В качестве примера можно привести данные, получаемые при воздействии веселящего газа (N2O). Этот газ применяется для наркоза в смеси с кислородом (20% объемных О2 и 80% N20).

При этих условиях и температуре тела складываются следующие характеристики содержания газа в организме:

Таким образом, состояние равновесия в системе: вдыхаемая смесь/ткани, устанавливается при содержании N2O в крови 0,736 г/л. Продолжение ингаляции газа в данной концентрации не приведет к дальнейшему росту его содержания в крови. Время, в течение которого в крови