Основы токсикологии

нарушении функций структурных белков и энзимов. Показано также, что, Сd во многом следует метаболическим путям Zn+2 и Сa+2. Например, захватывается клетками с помощью механизмов, предназначенных для захвата Zn. Полагают, что на молекулярном уровне механизм токсического действия Сd также может быть обусловлен его способностью замещать Zn и другие двухвалентные ионы в биологических системах. Дефицит цинка модифицирует характер распределения Сd и существенно потенцирует его токсичность.

3.1.3. Ртуть

Острая интоксикация некоторыми неорганическими и органическими соединениями ртути сопровождается развитием некроза эпителия проксимального отдела почечных канальцев и почечной недостаточности. Хорошо известно, что приём ртутных мочегонных в малых дозах сопровождается связыванием Hg2+ с ферментами клеточных мембран, содержащими сульфгидрильные группы в молекуле и участвующими в реабсорбции натрия, угнетая их активность. Введение препаратов в неоправданно высоких дозах может привести к острому гломерулонефриту с характерной протеинурией и нефротическим синдромом.

Действуя в умеренных дозах, пары и соли ртути могут вызвать различные субклинические формы нарушения функций почек, сопровождающиеся протеинурией, экскрецией с мочой некоторых низкомолекулярных энзимов. У лиц с тяжёлой профессиональной интоксикацией ртутью, как правило, регистрируется хронический гломерулонефрит.

Содержание в моче ртути более 50 мкг на 1 г креатинина, как правило, свидетельствует о поражении почек.

Для ускорения выведения вещества из организма используют различные хелатирующие агенты. Наиболее часто применяют димеркапрол, Д-пенициламин, димеркаптосукцинат.

3.1.4. Мышьяк

Некроз канальцевого эпителия почек - частое осложнения острого отравления соединениями трехвалентного и пятивалентного мышьяка. Для ускорения выведения мышьяка из организма с успехом применяют хелатирующие агенты из группы дитиолов (2,3-димеркаптопропанол, унитиол и т.д.).

Отравления арсином (AsH3) приводит к вторичному поражению почек гемоглобином, выделяющимся в плазму крови, вследствие массивного гемолиза. Острая почечная недостаточность, развивающаяся при этом, является основной причиной гибели отравленных. Применение комплексообразователей при интоксикации этим веществом нецелесообразно.

3.2. Технические жидкости

Целый ряд технических жидкостей, и среди них прежде всего органические растворители, широко используемые в быту и на производстве, являются потенциальными нефротоксикантами. В зависимости от дозы вещества развиваются легкие, сопровождающиеся умеренной протеинурией, средней степени тяжести и тяжелые, протекающие в форме острого канальцевого некроза формы поражения почек.

Нередко поражение почек развиваются у токсикоманов, ингалирующих, с целью получения удовольствия, клеи, красители, содержащие в качестве растворителя толуол. Формирующийся в данном случае симптомокомплекс напоминает синдром Фанкони (глюкозурия, протеинурия, ацидоз и т.д.).

Субхронические и хронические интоксикации углеводородами (бензины) могут стать причиной гломерулонефритов с характерным синдромом Goodpasture (быстро прогрессирующий гломерулонефрит, сопровождающийся периодическими лёгочными кровотечениями и наличием в крови антител к гломерулярной мембране).

В зависимости от типа растворителя в патологический процесс помимо почек часто вовлекаются и другие органы, главным образом печень, кровь, нервная система.

3.2.1. Этиленгликоль

Этиленгликоль - двухатомный спирт (СН2ОН-СН2ОН) - входит в состав различных рецептур антифризов и тормозных жидкостей. Отравления веществом возможны только при приеме его внутрь (в качестве суррогата алкоголя) и приводит к острому поражению почек. Абсолютно смертельная доза для человека - 90 - 100 мл.

Вещество быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте. Наибольшее количество накапливается в печени и почках, где ксенобиотик подвергается биологическому окислению с образованием гликолатов, глиоксалатов, оксалатов, которые, в основном, и инициируют развитие токсического процесса. Период полуэлиминации вещества составляет около 3 часов. В течение 6 часов после приема 100 мл спирта в организме образуется около 70 мл токсических веществ. Сам этиленгликоль и продукты его метаболизма выделяются из организма медленно и определяются в крови около суток.

Действуя целой молекулой этиленгликоль проявляет свойства типичного неэлектролита, оказывая седативно-гипнотическое действие (см. "Нейротоксичность"). Образующиеся в процессе метаболизма альдегиды и органические кислоты (в частности щавелевая кислота) вызывают метаболический ацидоз (в тяжелых случаях - рН крови менее 6,9), угнетение тканевого дыхания, образование в тканях кристаллов нерастворимого в воде оксалата кальция и гипокальциемию. Эти явления лежат в основе поражения внутренних органов особенно чувствительных к изменению свойств внутренней среды и дефициту энергии - ЦНС и почек.

Признаки поражения почек, как правило, развиваются на 2 - 3 сутки интоксикации (вслед за периодом мозговых явлений). В крайне тяжелых случаях отмечается олигурия; в моче определяются эритроциты, белок, кристаллы щавелевокислого кальция. На 8 - 14 сутки при явлениях уремии пострадавшие могут погибнуть. У погибших при вскрытии отмечаются значительные изменения в почках: дегенерация эпителия извитых канальцев, мелкие кровоизлияния в паренхиму органа. В почечной ткани при микроскопии видны кристаллы оксалатов, механически травмирующие орган.

Комплексная терапия отравления среди прочих мероприятий предусматривает раннее введение пострадавшим этилового спирта из расчета до 1г/кг (через рот или внутривенно) с последующим повторным введением вещества в течение 3 - 4 суток. Этим обеспечивается конкурентное угнетение процесса биотрансформации этиленгликоля. В эксперименте, с целью лечения поражения, испытан ингибитор алкогольдегидрогеназы 4-метилпирозол.

4. Оценка нефротоксичности ксенобиотиков

Нефротоксичность веществ оценивается в ходе острых подострых, хронических токсикологических экспериментов. Желательно опыты выполнять на нескольких видах лабораторных животных. В ходе исследования, для оценки функционального состояния почек, используют методы, широко применяемые и в клинической практике.

В ходе скрининга ксенобиотиков с успехом используют такие тесты, как определение плотности мочи, содержание в ней сахара, крови (с помощью индикаторных бумажек) и т.д.

Важно иметь в виду, что ни один из этих тестов не позволяет однозначно судить о развивающейся почечной патологии. В ряде случаев, выявленные нарушения просто отражают физиологические реакции органа на иные неблагоприятные воздействия.

К числу наиболее простых и часто выполняемых исследований, позволяющих более определенно судить о механизме повреждения, относится креатининовый тест. При снижении скорости гломерулярной фильтрации уровень креатинина в плазме крови возрастает. При интерпретации теста необходимо учитывать нелинейный характер зависимости "содержание креатинина - недостаточность фильтрации". Так, проба становиться отчетливо положительной при снижении скорости фильтрации более чем на 30 - 50%.

Более чувствительными являются методы определения величины клиаренса креатинина, инулина, меченых изотопами ксенобиотиков. Однако эти тесты сложны и не могут быть

использованы для проведения рутинных исследований. Более того, на ранних стадиях патологии, когда компенсаторные процессы обеспечивают функционирование органа (повреждено до 50% паренхимы почек), показатели клиаренса веществ оказываются просто не информативными.

Появление белка в моче - часто наиболее чувствительный признак токсического повреждения почек. С учетом сказанного ранее, рекомендуют определять в моче содержание двух видов протеинов, высокомолекулярного (например, альбумина), для распознавания гломерулярной патологии, и низкомолекулярного (например, 2-микроглобулина, ретинол-связывающего белка), для выявления повреждений проксимальных канальцев.

Изучение соотношения содержания в моче низко- и высокомолекулярных белков позволяет выявить способность токсикантов преимущественно вызывать нефропатии канальцевого или гломерулярного типов.

Появление в моче почечных энзимов свидетельствует о повреждении паренхимы органа. Одним из рекомендуемых тестов на нефротоксичность является определение лизосомальной -N-ацетилглюкозаминидазы. Активность энзима в почечной ткани высока, он стабилен в моче, имеет высокую молекулярную массу, что исключает возможность его экстраренального происхождения. Указанные обстоятельства обеспечивают надёжность теста.

Токсическое повреждение почечной ткани сопровождается появлением в моче её структурных компонентов, обладающих антигенными свойствами. Разработаны методики иммунного определения карбоангидразы, аланинаминопептидазы и т.д. Появление почечных антигенов в моче, как правило, свидетельствует об остром процессе в почках.

5. Выявление токсических поражений почек у человека

Диагностика острых токсических нефропатий основывается на клинических и лабораторных данных.

В ходе плановых обследований лиц, контактирующих с потенциальными нефротоксикантами, для целей диагностики рекомендуют использовать относительно простые исследования, позволяющие выявить протеинурию, энзимурию, экскрецию почечных антигенов.

У отравленного необходимо: изучить химический состав мочи; провести её микроскопию; оценить скорость гломерулярной фильтрации по показателям концентрации креатинина, мочевины в крови, клиаренса креатинина, инулина, меченых изотопами соединений; определить состояние канальцевых функций (концентрационную способность, протонвыделительную способность, клиаренс фосфатов и т.д.). В особо сложных случаях показано радиографическое и радиоизотопное исследование почек, микроскопическое, электронномикроскопическое, иммунофлюоресцентное изучение биоптатов почек.

В настоящее время, в силу распространённости элементарных гигиенических мероприятий, защищающих человека от массивных воздействий токсикантов, значительно чаще приходится сталкиваться с субклиническими формами почечной патологии химической этиологии, проявляющимися легкой протеинурией, энзимурией и т.д. Эти почечные эффекты, свидетельствующие о недостаточности мероприятий по профилактике поражения нефротоксикантами на производстве, в ряде случаев отражающие начальные явления прогрессирующей патологии, возможно выявить лишь с помощью технически сложных приёмов и дорогостоящего прецизионного оборудования.

Большое значение в диагностике токсических нефропатий имеет опрос обследуемого. В ходе опроса необходимо выяснить мог ли или имел ли обследуемый контакт с токсикантами, какими, когда и как долго. При этом следует учитывать, что интоксикация может быть следствием приёма нефротоксических лекарств (антибиотики, аналгетики), потребления заражённой воды и пищи, воздействия токсикантов в быту и на производстве(растворители, металлы), токсикоманий и т.д. Необходимо помнить, что поражение почек может возникнуть при действии токсикантов в очень малых дозах у лиц с различного вида патологией или контактирующих с другими токсическими веществами (например, острая почечная недостаточность может

развиться под влиянием очень малых доз четырёххлористого углерода у лиц, принимающих барбитураты - явление синергизма).

Диагноз токсических нефропатий может быть поставлен на основе исследований, позволяющих выявить специфические признаки интоксикации. Так, хроническое отравление свинцом сопровождается нарушением синтеза гемоглобина; сопутствующие нефропатии нарушения со стороны печени и ЦНС - признак ингаляционного поражения галогенированными углеводородами; характерные признаки поражения нервной системы могут позволить выявить отравление ртутью.

Диагностика токсических нефропатий значительно облегчается, если в биоматериале (моче, крови, промывных водах, биоптатах и т.д.) удаётся определить повышенное содержание токсиканта. В зависимости от токсикокинетических свойств вещества время, в течение которого токсикант или его метаболиты определяются в организме, варьирует в очень широких пределах от нескольких часов (сероуглерод) до недель и даже лет (тяжёлые металлы: свинец, кадмий).

РАЗДЕЛ 8. ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ

8.1. ОСНОВЫ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

Развитие промышленности неразрывно связано с расширением круга используемых химических веществ. Увеличение объемов применяемых пестицидов, удобрений и других химикатов - характерная черта современного сельского хозяйства и лесоводства. В этом объективная причина неуклонного усиления химической опасности для окружающей среды, таящейся в самой природе человеческой деятельности.

Еще несколько десятков лет назад химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом, полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе.

Однако уже в 1962 году появляется книга Рашель Карсон УМолчаливая веснаФ, в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - зкотоксикологии.

В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др.

По мере развития, само понятие УэкотоксикологияФ претерпело определенную эволюцию. В 1978 году Батлер рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эффекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние химических веществ на экосистемы. В 1994 году В. и Т. Форбсы дали следующее определение экотоксикологии: Уобласть знаний, которая суммирует экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и

экосистемы, прослеживая судьбу (транспорт, трансформацию и удаление) таких поллютантов в окружающей средеФ.

Таким образом, экотоксикология, по мнению авторов, изучает развитие неблагоприятных эффектов, проявляющихся при действии загрязнителей на самые разнообразные виды живых организмов (от микроорганизмов, до человека), как правило, на уровне популяций или экосистемы в целом, а также судьбу химического вещества в системе биогеоценоза.

Позже в рамках экотоксикологии стали выделять, в качестве самостоятельного направления, один из её разделов, получивший название Утоксикология окружающей средиФ (environmental toxicology).

Сформировалась тенденция использовать термин УэкотоксикологияФ только для обозначения суммы знаний, касающихся эффектов химикатов на экосистемы, исключая человека. Так, по Уолкеру и др. (1996) экотоксикология - учение о вредных эффектах химикатов на экосистемы. Устраняя из круга рассматриваемых экотоксикологией объектов человека, это определение детерминирует различие между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды, определяет предмет изучения последней. Термин Утоксикология окружающей средыФ предлагается использовать только для исследований прямого действия УзагрязнителейФ окружающей среды на человека.

В процессе изучения эффектов химических веществ, присутствующих в окружающей среде, на человека и человеческие сообщества, токсикология окружающей среды оперирует уже устоявшимися категориями и понятиями классической токсикологии и применяет, как правило, ее традиционную экспериментальную, клиническую, эпидемиологическую методологию. Объектом исследований при этом являются механизмы, динамика развития, проявления неблагоприятных эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека.

Разделяя в целом такой подход, и положительно оценивая его практическую значимость, следует однако заметить, что методологические различия между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды полностью стираются, когда перед исследователем ставятся задачи оценить опосредованное действия загрязнителей на человеческие популяции (например, обусловленное токсической модификацией биоты), или, напротив, выяснить механизмы действия химикатов, находящихся в среде, на представителей того или иного отдельного вида живых существ. В этой связи, с теоретических позиций, Утоксикология окружающей средыФ, как наука, является лишь частной проблемой УэкотоксикологииФ, при этом методология, понятийный аппарат и структура наук - едины.

Содержанием дисциплины УэкотоксикологииФ является учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: характеристика ксенобиотического профиля среды обитания, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики, экотоксикометрии.

1. Ксенобиотический профиль среды

С позиций токсиколога абиотические и биотические элементы того, что мы называем окружающей средой - все это сложные, порой особым образом организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул.

Для экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, обладающие биодоступностью, т.е. способные взаимодействовать немеханическим путем с живыми организмами. Как правило, это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), наконец вещества, поступающие в организм с пищей.

Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участвуя в процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Другие же, поступая в организм животных и растений, не используются как источники энергии или Упластический материалФ, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение

биосистемы. После прекращения выброса персистирующего токсиканта он еще длительное время сохраняется в среде. Так, в воде озера Онтарио в 90-е годы определяли высокие концентрации пестицида мирекс, использование которого было прекращено еще в конце 70-х годов. В водоемах испытательного полигона ВВС США во Флориде, где в 1962 - 1964 годах был с исследовательскими целями распылен Оранжевый Агент, спустя 10 лет ил содержал 10 - 35 нг/кг ТХДД (при норме, по стандартам США - 0,1 пкг/кг, России - 10 пкг/кг).

К числу веществ, длительно персистирующих в окружающей среде, относятся тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, ртуть, мышьяк, хром), полициклические полигалогенированные углеводороды (полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, полихлорированные бифенилы и т.д.), некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т.д.) и многие другие вещества.

2.3. Трансформация

Подавляющее большинство веществ подвергаются в окружающей среде различным превращениям. Характер и скорость этих превращений определяют их стойкость.

2.3.1. Абиотическая трансформация

На стойкость вещества в окружающей среде влияет большое количество процессов. Основными являются фотолиз (разрушение под влиянием света), гидролиз, окисление.

Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, способен разрушать химические связи и, тем самым, вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз проходит главным образом в атмосфере и на поверхности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее чувствительны к фотолизу, т.к. активно поглощают энергию света. Свет ускоряет и другие процессы деградации веществ: гидролиз и окисление. В свою очередь наличие в средах фотооксидантов, таких как озон, окислы азота, формальдегид, акролеин, органические перекиси, существенно ускоряет процесс фотолиза других поллютантов (показано для ПАУ).

Гидролиз. Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает многие вещества. Эфирные связи, например, в молекулах фосфорорганических соединений, высокочувствительны к действию воды, чем определяется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде. Скорость гидролиза сильно зависит от рН.

Процесс деградации инсектицида паратиона представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Абиотическое превращение паратиона в окружающей среде

В результате превращения химических веществ в окружающей среде образуются новые вещества. При этом их токсичность иногда может быть выше, чем у исходного агента. Так, на рисунке 1 показано, что в результате фотоокисления паратиона в среде может образовываться параоксон. Токсичность последнего для млекопитающих в несколько десятков раз выше, чем у исходного вещества.

Фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты, известного гербицида, может приводить к образованию опасного экополлютанта 2,3,7,8- тетрахлодибензо-р-диоксина (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема фотолитического превращения феноксиуксусной кислоты (1) в ТХДД (2) в окружающей среде (По Akermark B., 1978)

Еще один хорошо известный пример: образование нитрозосоединений. Так, по данным ученых США, в почве, в кислой среде, легко вступают в соединение с нитритами целый ряд пестицидов. Среди них диалкилтиокарбаматы, тиокарбамоилдисульфиды, соли феноксиуксусной кислоты и др. Образующиеся нитрозосоединения, рассматриваются в настоящее время, как возможные канцерогены.

2.3.2. Биотическая трансформация

Абиотическое разрушение химических веществ обычно проходит с малой скоростью. Значительно быстрее деградируют ксенобиотики при участии биоты, особенно микроорганизмов (главным образом бактерий и грибов), которые используют их как питательные вещества. Процесс биотического разрушения идет при участии энзимов. В основе биопревращений веществ лежат процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, отщепление алкильных радикалов (деалкилирование) и т.д. Деградация соединения может завершаться его полным разрушением, т.е. минерализацией (образование воды, двуокиси углерода, других простых соединений). Однако возможно образование промежуточных продуктов биотрансформации веществ, обладающих порой более высокой токсичностью, чем исходный агент. Так, превращение неорганических соединений ртути фитопланктоном может приводить к образованию более токсичных ртутьорганических соединений, в частности, метилртути. Подобное явление имело место в Японии на берегах бухты Минамато в 50 - 60х годах. Поступавшая в воду залива ртуть со стоками фабрики по производству азотных соединений, трансформировалась биотой в метилртуть. Последняя концентрировалась в тканях морских организмов и рыбы, служившей пищей местного населения. В итоге у людей, потреблявших рыбу, развивалось заболевание, характеризовавшееся сложным неврологическим симптомокомплексом, у новорожденных детей отмечались пороки развития. Всего было зарегистрировано 292 случая болезни Минамато, 62 из них закончились гибелью людей.

2.4. Процессы элиминации, не связанные с разрушением

Некоторые процессы, происходящие в окружающей среде, способствуют элиминации ксенобиотиков из региона, изменяя их распределение в компонентах среды. Загрязнитель с высоким значением давления пара может легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. Это явление лежит в основе повсеместного распространения относительно летучих хлорорганических инсектицидов, таких как линдан и гексахлорбензол.