Основы токсикологии

У лиц с нарушенным иммунным статусом нередко развивается оппортунистическая инфекция. Установлено, что такие экополлютанты, как озон, оксиды азота, диоксид серы существенно повышают чувствительность организма к инфекции. Присоединение вторичной инфекции постоянно отмечалось у лиц, пораженных в ходе военных конфликтов сернистым ипритом. Поскольку клиаренс экстрацеллюлярных патогенных микроорганизмов определяется взаимодействием лейкоцитов, антител и комплемента, а интрацеллюлярных в основном клеточными механизмами иммунитета, имеется возможность указать, какой тип инфекционных осложнений наиболее вероятен, если известен механизм повреждающего действия токсиканта. Повышение чувствительности к инфекции у отравленных может быть следствием повреждения и механизмов врожденной резистентности (см. выше).

2.2.2. Иммуносупрессия и канцерогенез

В настоящее время получены данные, подтверждающие связь между повреждением иммунной системой (иммуносупрессия, иммунодефицит) и вероятностью развития некоторых видов неоплазмы (см. раздел "Химический канцерогенез"). Ограничение опухолевого роста в организме обеспечивается механизмами врожденной и приобретённой резистентности. Ведущая роль в этом, как полагают, принадлежит клеткам - Т-киллерам. Двоякую роль играют макрофаги: неспецифическую, как фагоциты, и специфическую, участвуя в активации лимфоцитов. Такие представления основываются на двух посылках: а). Клетки опухоли и нормальные клетки организма имеют различный антигенный портрет; б). Иммунная система реагирует с модифицированными клетками опухолей, как с клетками чужеродных тканей. Получены данные, согласно которым лимфоциты участвуют в регуляции процесса дифференциации целого ряда клеточных популяций. Это осуществляется путем постоянной оценки вновь образовавшихся в организме клеток и определения степени модификации их антигенных свойств. Селективно продвигая оборот не модифицированных клеток, лимфоциты препятствуют накоплению клеток даже с незначительными фенотипическими отклонениями. Опухолевый рост в таком случае может быть следствием "ускользания" модифицированных клеток из-под контроля лимфоцитов. Как в опытах на животных, так и в условиях клиники получены данные, свидетельствующие в пользу таких представлений. Так, отмечается высокий процент развития новообразований (лимфом, лейкемий, раков кожи и губ и др.) у больных с иммунодефицитом; выявляется тесная связь между действием факторов, подавляющих иммунитет, таких как тимэктомия, облучение, интоксикации, и увеличением скорости опухолевого роста и метастазирования у экспериментальных животных. Установлено, что канцерогены подавляют иммунитет. Так, при интоксикации бенз(а)пиреном отмечается существенное снижение показателей клеточного иммунитета (таблица 4). При этом лишенный канцерогенности аналог токсиканта - бенз(е)пирен, иммунитет не угнетает.

Таблица 4. Некоторые показатели иммунного статуса мышей, отравленных бенз(а)пиреном

2.3. Гиперчувствителность (аллергия)

2.3.1. Характеристика состояния гиперчувствительности

Нарушения, сопровождающиеся гиперчувствительностью к антигенам, являются наиболее частой формой проявлений иммунотоксичности у человека. Гиперчувствительность можно определить как избыточную по интенсивности реакцию организма на антиген или существенное понижение порога чувствительности к данному антигену. В настоящее время в мире состоянием гиперчувствительности страдают несколько десятков миллионов людей,

формировании воспалительного процесса. Классическими примерами реакций данного типа являются реакция Артюса (местный процесс), сывороточная болезнь (системный процесс), аллергические пневмонии.

Гиперреактивный пневмонит (см. раздел "Пульмонотоксичность") это феномен, включающий целую группу состояний, связанных с аллергизацией организма органической пылью, а также некоторыми низкомолекулярными соединениями. Обычно больные жалуются на приступы удушья, лихорадку, кашель, общее недомогание. Симптомы появляются спустя 4 - 6 часов после воздействия аллергена и наблюдаются в течение 12 - 24 часов. На рентгенограмме выявляются признаки интерстициального отека легких, иногда участки инфильтрации ткани. Гиперреактивные пневмониты характеризуются рядом общих черт: а). Преимущественное вовлечение в патологический процесс дыхательных путей; б). Развитие интерстициального мононуклеарного инфильтрата, заполняющего альвеолы (Т-супресоры, цитотоксические лимфоциты, макрофаги) и прогрессирующего в гранулёму; в). Значительная активация в тканях Т-лимфоцитов и макрофагов; г). Заболеванию сопутствует высокий уровень преципитирующих антител к аллергенам в крови, а в бронхиальном лаваже повышено содержание IgG, IgA, IgM и лимфокинов. Формирование этого гранулематозно-воспалительного процесса в легких во многом обусловлено генетически детерминированным нарушением механизмов регуляции иммунной системы.

Аллергическая реакция четвертого типа связана с сенсибилизацией Т-лимфоцитов. Пассивную передачу состояния гиперчувствительности данного типа от одного экспериментального животного другому можно осуществить только с помощью трансплантации лимфоцитов, но не плазмы крови (в отличии от реакций 1 - 3 типов). Сенсибилизированные лимфоциты атакуют гаптен или продукт взаимодействия гаптена с белковыми структурами тканей, что сопровождается выделением лимфокинов - активаторов клеточных реакций, аттрактантов лейкоцитов и других биологически активных веществ. В итоге, при выраженном процессе в месте поражения образуются обширные инфильтраты, склонные к некротизации. При внутривенном введении антигена возможно развитие шокоподобного состояния. Местные реакции могут развиваться в различных органах, например, в щитовидной железе, надпочечниках, кишечнике, печени, нервной системе, коже и т.д. По этому механизму формируются в частности аллергические контактные дерматиты (АКД). У чувствительных людей целый ряд синтетических и встречающихся в природе веществ может вызвать АКД (см. раздел "Дерматотоксичность"). Антибиотики, мази, косметика, смеси растворителей, краски и др., все эти агенты могут стать причиной заболевания. Сенситизация может развиться в результате однократного или повторного действия аллергена; в ряде случаев процессу предшествует многолетний контакт с веществом. Антигены, вызывающие данный тип реакции, как правило, высокоактивные соединения, растворимые в воде, способные коньюгировать с протеинами кожи с образованием комплексных антигенов, распознающихся иммунной системой как "чужеродное". Эпидермальные макрофаги (клетки Лангерганс), как полагают, играют ключевую роль в процессии антигена и презентации его Т-лимфоцитам. Ранние стадии АКД характеризуются эритемой и отеком. Межклеточный отек прогрессирует с образованием везикулярных элементов, которые, вскрываясь, образуют мокнущие поверхности. Тяжесть состояния может нарастать в течение нескольких суток после прекращения действия аллергена. Заживление проходит в течение 2 - 4 недель. Однажды возникнув, сенситизация сохраняется в течение длительного времени. Последующий контакт даже с малым количеством аллергена, запускает процесс. Системное поступление аллергена в организм может вызвать у сенситизированного человека тяжелую генерализованную кожную реакцию.

2.3.2. Псевдоаллергические реакции

Различные химические вещества, действуя на организм, порой вызывают состояния, чрезвычайно напоминающие аллергические реакции и проявляющиеся широким спектром нарушений от кожной сыпи до астмы и анафилаксии. При этом лабораторными методами не удаётся выявит участие в процессе иммунологических механизмов. Молекулярные механизмы таких феноменов в полной мере не ясны. Не исключено, что некоторые ксенобиотики обходят обычный двухстадийный процесс активации тучных клеток (фиксация на поверхности клеток антител; взаимодействие антигена с фиксированными антителами). В этом случае дегрануляция и высвобождение биологически активных веществ происходит вследствие непосредственного разрушения тучных клеток (цитотоксическое действие).

2.3.3. Иммуногены и аллергены

Молекулы, вызывающие иммунный ответ организма, называются иммуногенами. Идентификация иммуногена может быть осуществлена с помощью моноклональных антител. Как правило, аллергия развивается при действии именно иммуногенов, то есть высокомолекулярных соединений, естественных полных антигенов. Однако становится все более очевидным, что многие низкомолекулярные вещества (производственные токсиканты, лекарства, косметика, экополлютанты и т.д.) также могут вызвать состояние гиперреактивности, т.е. выступить в качестве аллергенов.

Еще со времен Ландштейнера известно, что при определенных условиях возможно формирование иммунной реакции на введение низкомолекулярного вещества, однако при условии, что оно вступит во взаимодействие с высокомолекулярным носителем с образованием так называемого комплексного антигена. Таким образом, важными моментами, определяющими вероятность развития аллергии, являются химические свойства, сенсибилизирующая доза вещества и продолжительность контакта. Для того чтобы вызвать иммунный ответ низкомолекулярное вещество должно обладать свойствами гаптенов, т.е., с одной стороны, иметь возможность взаимодействовать с эндогенными структурами организма, обладающими антигенными свойствами, а с другой, так модифицировать их, чтобы сенсибилизированные этим комплексным антигеном лимфоциты вырабатывали антитела, способные распознавать именно токсикант. Не редко аллергенами являются не сами вещества, а продукты их метаболизма. По-видимому, существует прямая связь между химической реакционной способностью и сенсибилизирующей активностью вещества. Токсиканты, образующие обратимые связи с белками крови не являются аллергенами.

В настоящее время установлено, что в иммунном ответе на комплексный антиген принимают участие как Т-, так и В-лимфоциты. При этом В-клетки распознают гаптен, а Т-клетки - макромолекулярный носитель. Этот принцип реализуется и при формировании реакции на естественные антигены. Антигены, активирующие иммунную реакцию только через взаимодействие с Т-клетками, называются Т-зависимыми антигенами. Антигены, активирующие иммунолгический процесс путем взаимодействия только с В-клетками, называются В-зависимыми антигенами. Количество веществ, действующих исключительно через Т- и В- лимфоциты, крайне мало.

Как указывалось выше, в качестве носителя гаптена могут выступать различные макромолекулы: белки, полипептиды, полисахариды. Особой реакционной активностью при образовании связей с носителем обладают соединения, имеющие в структуре амно-, нитро-, азо-, карбаминовые и некоторые другие группы. Как уже указывалось, во взаимодействие с носителем может вступать не исходный ксенобиотик, а продукт его метаболизма. Таков механизм формирования комплексного антигена, в частности, при действии на организм производных р-аминобензола. Предположительно в ходе метаболических превращений происходит гидроксилирование или окисление NH2-группы вещества. Образующиеся активные радикалы легко вступают во взаимодействие с сульфгидрильными и другими функциональными группами молекул-носителей с образованием ковалентных связей (рисунок

4).

Рисунок 4. Взаимодействие лиганда с белком

Подобные вещества вызывают аллергические реакции на целую группу соединений, что объясняется близостью их строения (рисунок 5).

Рисунок 5. р-аминобензол и его производные

Совокупность близких по строению аллергенов образует "парагруппу". К "парагруппе" производных аминобензола относятся, в частности, сульфаниламиды, производные фенотиазина, ацетанилиды, азокрасители, пикриновая кислота и др.

Другими хорошо известными аллергенами являются вещества, также способные образовывать прочные ковалентные связи с белками. Это цианаты, тиоцианаты, изотиоцианаты, альдегиды, галоген-содержащие вещества, тиогликолаты (таблица 6). К числу аллергенов принадлежат также ионы металлов Ni, Co, Zn, Hg, Ag, Cr и др.

Таблица 6. Строение некоторых низкомолекулярных аллергенов

Название Строение

цианаты R-OCN

тиоцианаты R-SCN

изотиоцианаты R-CNS

альдегиды R-CH=O

тиогликолаты R-C-SH

Особый вид аллергии, вызываемый ксенобиотиками, представляет фотоаллергия. В данном случае образование прочной связи между молекулой белка и гаптеном, накопившемся в коже, активируется в результате фотохимического превращения последнего, как правило, при действии ультрафиолетовых лучей. В клинической практике нередко встречаются с фотоаллергическими реакциями на хлорпромазин, псорален, сульфаниламидные препараты и др. (см. раздел "Дерматотоксичность").

Сенсибилизирующие свойства вещества могут быть оценены с помощью "индекса сенсибилизации", который представляет собой выраженную в процентах вероятность развития аллергии у лиц, контактирующих с веществом. Индекс сенсибилизации некоторых лекарственных веществ представлен в таблице 7.

Способность сенсибилизировать организм у разных веществ выражена не одинаково. Некоторые соединения (например фенилэтилгидантион, см. рисунок 6) в 90% случаев вызывают аллергизацию (появление экзантемы, отек кожи лица и слизистых оболочек, лихорадка), другие дают осложнение менее чем в 1% случаев.

Рисунок 6. Структура фенилэтилгидантиона. Снотворное средство

Важен способ аппликации вещества. Так, пенициллин при приёме через рот вызывает аллергические реакции менее чем в 1% случаев, при парентеральных способах введения - в 3%, а при аппликации на слизистые - до 15%.

Таблица 7. Индекс сенсибилизации некоторых лекарственных веществ

По частоте аллергических реакций, вызываемых медикаментами, на первом месте стоит пенициллин. Механизм формирования реакции в основном изучен. Антитела формируются на метаболиты пенициллина, в частности пеницилловую кислоту, пеницилленовую кислоту, пеницилламин. Эти соединения взаимодействуют с белками с образованием прочных амидных связей. Возможна перекрестная аллергия к другим препаратам группы пенициллина. Высокой иммуногенностью обладает цефалоспорин. При расщеплении -лактамного кольца препарата выявляются реактивные группы, обеспечивающие взаимодействие их с белками.

Свойствами аллергенов обладают производные салициловой кислоты, встречающиеся в виде примесей в лекарственных формах препарата (ангидрид ацетилсалициловой кислоты, цисдисалицилид и др.).

Примерно у 3%, принимающих барбитураты, развиваются аллергические реакции. Как правило, отмечаются кожные проявления (экзантемы, эритема). Производные фенотиазина вызывают контактную сенсибилизацию кожи, аутоиммунный агранулоцитоз, отек Квинке. Наиболее часто реакция развивается у работающих на производствах по выпуску препаратов. Аллергенами также являются некоторые анестетики (новокаин, прокаин, бензокаин), рентгеноконтрастные вещества, вызывающие кожные реакции (эритема, уртикарная сыпь, буллезные изменения кожи, лихорадку), блокаторы адренорецепторов (поражение глаз, серозных оболочек).

У большинства людей при действии иммуногенов происходит сенсибилизация клеток, вырабатываются антитела. Однако далеко не у всех развиваются гиперреактивные реакции. Склонность к развитию гиперреактивных состояний, выявляемая у некоторой части популяции людей, объясняется генетически обусловленными особенностями человека (см. выше). Это еще более усложняет работу по контролю за качеством среды и обеспечению здоровья населения, поскольку у высоко чувствительных сенсибилизированных лиц неблагоприятные эффекты могут развиваться от доз токсикантов значительно ниже допустимых.

Механизмы действия аллергенов суммированы в таблице 8.

Таблица 8. Механизмы действия токсикантов, вызывающих аллергизацию организма и активацию аутоиммунных процессов

-вещество или его метаболиты являются полными антигенами;

-вещество или его метаболиты являются гаптенами, способными образовывать с белками крови иммуногены и аутоантигены;

Можно выделить три механизма, пока гипотетичных, инициации химическими веществами аутоиммунных заболеваний:

1.Прямое действие токсиканта на иммунную систему. Ксенобиотики могут оказывать действие на лимфоциты и макрофаги. В итоге, возможно, показанное в эксперименте, угнетение активности Т-супрессоров, усиление активности Т-хелперов, активация поликлональных В- лимфоцитов. Так, метилдофа, взаимодействуя с Т-супрессорами, провоцирует развитие аутоиммунной анемии у человека. Некоторые металлы, например, ртуть, вызывают стимуляцию поликлональных В-лимфоцитов.

2.Высвобождение аутоантигенов. Многие ксенобиотики могут нарушать целостность биологических структур и способствовать выходу в кровь тканевых антигенов, с которыми в норме иммунокомпетентные клетки не сталкиваются. Возможно простое увеличение количества антигенов, в норме циркулирующих в крови. Хроническое воздействие некоторых металлов (ртути, золота, марганца, кобальта и т.д.) вызывая хронический воспалительный процесс в тканях, провоцируют развитие аутоиммунных реакций.

3.Модификация собственных антигенов. Ксенобиотики, взаимодействуя с макромолекулами тканей, могут изменять их конформацию, формировать в них новые детерминанты, вызывать экспрессию "спрятанных" детерминантных групп. В итоге эти структуры перестают восприниматься иммунной системой как "свои". Примером такого взаимодействия является действие дигидролазина (рисунок 7) на нуклеопротеины.

Рисунок 6. Структура дигидролазина. Мочегонное средство

Наиболее вероятно возникновение аутоиммунных заболеваний при длительном, хроническом действии токсикантов на организм. Эту возможность следует иметь в виду при обеспечении здоровья лиц, контактирующих с вредными факторами на производствах, проживающих в экологически неблагоприятных регионах.

3. Краткая характеристика токсикантов

3.1. Бериллий.

Хотя бериллий был открыт еще в 18 веке, его токсическое действие обнаружилось лишь в ХХ.

В 1945-50 годах в США регистрировались эпидемические вспышки острых и хронических интоксикаций бериллием на предприятиях по его производству, выплавке сплавов, изготовлению неоновых ламп, а также среди населения, проживающего близ этих производств. Первоначально патологию, вызванную металлом, принимали за саркоидоз, легочное и мультисистемное заболевание неизвестной этиологии. В настоящее время заболевания острым бериллиозом на предприятиях полностью ликвидированы. Однако экологи полагают, что в связи с увеличением объемов используемого в производстве бериллия возможен рост

числа лиц, подвергающихся хроническому воздействию. Коварство бериллия, его способность вызывать реакцию сенситизации заставляют исследователей и практических врачей рекомендовать строгий контроль за состоянием здоровья всех людей, работающих с бериллием.

Заболевание, возникающее в результате длительно воздействия бериллием, называется хроническим бериллиозом и представляет собой гранулематозный процесс, проявляющийся преимущественно в легких, реже в других органах. В отличие от острого поражения, интенсивность хронического воздействия, по-видимому, не является важным фактором, определяющим тяжесть поражения. Дело в том, что в основе патологии лежит реакция гиперчувствительности к бериллию, выступающему в качестве антигена или гаптена. Недавние исследования показали, что сенситизация может развиться даже при кратковременном действии металла в очень малых концентрациях. Скрытый период между моментом первого воздействия бериллием и развитием клиники заболевания продолжается от нескольких месяцев до 30 лет. Средняя продолжительность латентного периода 6-10 лет.

Нарушения функций легких при хроническом бериллиозе могут протекать в нескольких формах:

1.преимущественно обструктивный тип (примерно у трети отравленных);

2.рестриктивный тип (у одной четверти пострадавших);

3.снижение диффуззионной способность легких (в тесте с СО) при неизмененных легочных объемах и проходимости бронхов (у одной трети пострадавших).

Наиболее ранний симптом - одышка при физической нагрузке. Часто присоединяются боли за грудиной, кашель, артралгии, повышенная утомляемость, потеря веса. При исследовании выявляются двухсторонние хрипы, цианоз, пальцы в форме барабанных палочек, лимфоаденопатия, поражения кожи. В запущенных случаях - правосердечная недостаточность, cor pulmonale. У небольшой части отравленных отмечаются нарушения, выявляющиеся лишь при физических нагрузках в форме увеличения альвеолярно-артериального градиента рО2; процесс без нарушения функций на фоне гранулемы в легких и бериллий-специфических иммунологических реакций лимфоцитов легочного лаважа.

При исследовании биоптатов легких у больных выявляются нераспадающиеся гранулемы, мононуклеарные клеточные инфильтраты в интерстиции легких и различной степенью выраженности фиброз легких. В бронхоальвеолярном лаваже обнаруживается большое количество лейкоцитов, увеличенное число лимфоцитов, повышенное соотношение Т- хелперов к Т-супрессорам.

Помимо легких, гранулемы обнаруживаются в печени, селезенке, региональных лимфатических узлах, миокарде, скелетных мышцах, почках, слюнных железах, костях, коже.

Хроническая интоксикация бериллием часто сопровождается гранулематозными изменениями кожных покровов даже в тех случаях, когда прямого действия металла на покровную ткань не было.

У 10% больных выявляется гепатомегалия. Реже в патологический процесс вовлекается ЦНС.

В литературе имеются данные о выздоровлении, наступившем без лечения. Однако на такой исход всегда мало надежды. У большинства больных постепенно прогрессирует дыхательная недостаточность и правожелудочковая недостаточность сердца. В запущенных случаях бериллиоза летальность может составить до 30%.

4. Определение иммунотоксичности ксенобиотиков

Стратегия определения иммунотоксичности состоит в последовательном изучении в эксперименте состояния элементов иммунной системы (от клетки до целостного организма), в условиях воздействия испытуемого токсиканта. Ни одна отдельно взятая методика не является в полной мере надежной и достаточной для оценки потенциальной опасности ксенобиотика. Содержание одного из пакетов тестов представлено в таблице 10.