1 страница

Основные понятия, предмет исследования, задачи токсикологии

Токсикологию (от греч. слов toxikon – яд, в который погружают наконечники стрел, toxokos – лук и logos – слово, понятие, учение) обычно определяют как науку о законах (закономерностях) взаимодействия токсичных химических веществ (ядов) и живых организмов.

Будучи достаточно общим, это определение не отражает в должной мере предмет токсикологии, совокупность ее современных направлений и задач, пространство исследований и практического использования полученных результатов, границы соотношения с другими науками [22].

Более точным можно считать определение. данное Н.В. Вершининым: «Токсикология – учение о химических вредностях, которым при известных условиях может подвергаться человек в общежитии, на производстве, в быту» [6]. Но и оно недостаточно подробно и касается только человека.

Крупнейший ученый эпохи Ренессанса Парацельс, впервые поставивший на научную основу проблему «доза – эффект» и определивший химическую природу ядов, так сформулировал свое третье правило: «Что является и что не является ядом? Все вещества являются ядами, и не бывает веществ без ядовитости. Только доза определяет ядовитость». Например, без кислорода невозможна жизнь. Тем не менее, при высоком парциальном давлении во вдыхаемом воздухе кислород обладает мощным пульмотоксическим действием. Микроэлементы – Fe, Cu, Mg, Mn, Co, Cd и др. – являются жизненно необходимыми. Однако в больших дозах металлы проявляют сильное токсическое действие.

Следовательно, химические вещества при воздействии на организм в определенных дозах проявляют токсичность– внутренне присущую химическому веществу способность оказывать вредное действие, которое проявляется только при взаимодействии вещества с живыми организмами. Токсичность – понятие количественное, при этом измерению подлежат биологический эффект, формирующийся в результате химической агрессии, и доза (концентрация), в которой тот или иной химический агент вызывает различной выраженности повреждения. Наиболее объективна оценка токсичности по смертельному эффекту.

В современном понимании яд – это химическое вещество, которое в соприкосновении с живыми организмами в определенных условиях среды обитания и в определенном количестве способно оказывать повреждающее влияние на живые организмы вплоть до гибели. В современной научной литературе в качестве синонима слова «яд» часто употребляется слово ксенобиотик(от греч. xenos – чужой и bios – жизнь, то есть чуждый
организму).

В соответствии с этим, предметом исследования в токсикологии являются яды (токсические химические вещества), механизмы их токсического действия на биологические системы различных уровней их организации (от молекулярного до надорганизменного, популяционного) и те патологические состояния, которые формируются в живых организмах в результате взаимодействия с токсическими химическими веществами.

Основной задачей токсикологии является обнаружение и характеристика токсических веществ, токсических свойств химических веществ, которые способны вызвать в организме людей или животных патологические изменения, а также изучение условий, при которых эти свойства возникают, наиболее ярко проявляются и исчезают. Прогнозирование и понимание сущности химической опасности обеспечивает создание научных основ разработки способов и средств профилактики токсических воздействий, методов диагностики и лечения заболеваний, обусловленных токсическими химическими веществами.

Взаимодействие яда с организмом изучается в двух аспектах: как вещество влияет на организм и что происходит с веществом в организме. На первый вопрос можно ответить при изучении токсикодинамики, а на второй – токсикокинетики вещества. Именно поэтому в основе общей токсикологии лежит учение о движении токсических веществ в организме: пути их поступления, распределения, метаболического преобразования (биотрансформации и выведения). Патологическое состояние, которое развивается в результате взаимодействия яда и организма, называется интоксикацией, отравлением. Согласно принятой терминологии, отравлением обычно называют только те интоксикации, которые вызваны «экзогенными» ядами, то есть поступившими в организм извне. Принимая во внимание большое значение количественного фактора как одного из непременных условий развития отравления, следует признать другой не менее важной задачей токсикологии определение зоны токсического действия исследуемого химического вещества (токсикометрия).

Таким образом, токсикология занимается следующими проблемами:

исследованием механизма токсичности и разработкой критериев оценки вредного действия веществ, загрязняющих среду;

разработкой токсиколого-гигиенических регламентов;

прогнозированием опасности загрязнения окружающей среды для людей, животных и растений;

исследованием распространения и превращения вредных веществ в почве, воде, атмосфере и трофических цепях;

разработкой методов диагностики, лечения и профилактики поражений химическими веществами, загрязняющими окружающую среду.

1.2. Структура токсикологии

В токсикологии выделяют ряд хорошо очерченных, но тесно связанных между собой направлений. Прежде всего, это теоретическая, фундаментальная (экспериментальная) токсикология, которая изучает основные законы взаимодействия организма и яда. Задачами теоретической токсикологии являются:

выяснение механизмов биологической активности токсичных химических веществ;

установление связей между токсичностью, опасностью и химическим строением, физико-химическими свойствами ядов;

изучение закономерностей взаимодействия токсичных химических веществ и живых организмов, то есть хемобиокинетики (токсикокинетики) и токсикодинамики.

В теоретической токсикологии разрабатывают экспериментальные модели патологических состояний и процессов, развивающихся в результате воздействий яда, а также обосновываются методы экстраполяции экспериментальных данных на человека. При этом решающее значение приобретает изучение механизмов видовой чувствительности животных к ядам.

Методы, которые применяются в данном направлении токсикологии, разнообразны. Так, например, при исследовании механизмов действия ядов широко используются биохимические методы (биохимическая токсикология), которые охватывают молекулярный уровень, взаимодействие ядов с рецепторами, ферментами, макромолекулами. Исследование физиологических реакций или патологических процессов на органном или организменном уровнях осуществляется с помощью физиологических методов. Среди них особая роль принадлежит поведенческим тестам (поведенческая токсикология). С их помощью оценивается влияние токсикантов на поведение животных и человека. В экспериментальной токсикологии существуют и собственные токсикологические методы и приемы, которые не заменимы, особенно в токсикометрии, при создании моделей патологических состояний, вызванных химическими токсикантами. В любом токсикологическом эксперименте объектом исследования служит то или иное патологическое состояние, созданное целенаправленно путем строго количественного воздействия.

Следующее направление – профилактическая токсикология, которая проводит исследования в целях обоснования мероприятий, предупреждающих возникновение у людей заболеваний химической этиологии в связи с природными и антропогенными изменениями химического состава окружающей человека среды. Профилактическая (гигиеническая токсикология) изучает токсичные химические факторы окружающей среды, обосновывает размеры допустимой «химической нагрузки» на человека, разрабатывает способы медицинской профилактики токсических воздействий в реальных условиях жизнедеятельности людей. Присутствие токсических химических веществ в той или иной среде обитания человека (жилище, производственной сфере, пищевых продуктах, лекарствах и т. д. ) позволяет подразделить профилактическую токсикологию на коммунальную, промышленную, сельскохозяйственную, корабельную, пищевую, лекарственную и т. д.

При прогнозе и оценке опасности химических соединений используются те же методы, что и в теоретической токсикологии и токсикометрии. Для прогнозирования возможности развития отдаленных эффектов хронического действия токсичных химических веществ в малых дозах используются иммунологические тесты, а также методы оценки мута-, канцеро-
и тератогенеза и эмбрионотоксичности. Следует сказать, что изучение репродуктивной функции – высокоэффективный способ выявления «химического неблагополучия» в окружающей среде. Профилактическую токсикологию идентифицируют с экологической токсикологией.

Еще одно направление – клиническая токсикология, изучающая острые и хронические, явные и скрытые заболевания, возникающие в ближайшем или отдаленном периоде жизни человека, с целью научного обоснования методов диагностики, профилактики и терапии отравлений. В связи с этим задачи в клинической токсикологии подразделяют на диагностические, лечебные и профилактические. Их решение достигается посредством клинических, инструментальных и лабораторных методов обследования больных. Широко используются методы аналитической химии (методы газовой, жидкостной хроматографии, хромато- и масс-спектрометрии
и др.) для идентификации химических веществ в биосредах (в крови, моче, лимфе и т. д. ) [22].

Основными разделами клинической токсикологии являются:

1) изучение острых химических заболеваний (отравлений), развивающихся в результате одномоментного воздействия токсической дозы химических соединений;

2) изучение химических хронических заболеваний, возникающих при длительном и многократном воздействии токсичных веществ;

3) наркологическая токсикология – исследует в полном и во всех возможных аспектах состояние зависимости (наркомании), возникающее у людей в результате введения (повторного, хронического) в их внутреннюю среду различных химических агентов (алкоголизм, морфизм, курение табака);

4) лекарственная токсикология – изучает в различных аспектах побочное и вредное действие лекарственных средств на организм человека, разрабатывает способы предупреждения и лечения лекарственных отравлений.

К клиническому направлению токсикологии относится и учение о биологическом действии синтетических материалов, имплантируемых в организм человека (сосудистые протезы, искусственные клапаны сердца, суставы и др.).

Кроме того, выделяются специальные виды токсикологии, изучающие отравление людей и животных в особых условиях или обстоятельствах при воздействии определенного вида токсичных веществ. Это военная, авиационно-космическая, судебная и другие виды токсикологии, которые обычно содержат в себе элементы всех основных направлений – теоретического, гигиенического и клинического [17].

В последние два десятилетия стремительно формируется новое направление в токсикологии – экологическая токсикология. Это научное направление на стыке экологии и токсикологии, изучающее токсические эффекты химических веществ на живые организмы, преимущественно популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем.

Краткий анализ предмета, задач, методов токсикологии дает возможность определить ее как науку о токсичных химических факторах среды обитания живых организмов, о законах взаимодействия токсичных химических веществ и живых организмов, определяющих потенциальную опасность химических веществ для индивидуумов и их популяций, а также способах и средствах минимизации химической опасности, профилактики, диагностики и терапии отравлений [22].

ГЛАВА 2. Токсиканты

2.1. Общая характеристика токсикантов

Токсикант – более широкое понятие, употребляющееся для обозначения веществ не только вызывающих интоксикацию организма и биологических систем иных уровней организации: клеток (цитотоксикант), популяций (экотоксикант), но и провоцирующих другие формы токсического процесса.

В качестве токсикантов (ядов) могут выступать практически любые соединения различного строения, если, действуя на биологические системы немеханическим путем, они вызывают их повреждение или гибель.

Токсичность разных веществ не одинакова. Поскольку она проявляется во взаимодействии ксенобиотика с биологической системой, ее величина зависит от свойств как токсиканта, так и биосистемы и в конечном итоге определяется:

1) способностью вещества достичь структуры-мишени, взаимодействие с которой инициирует токсический процесс;

2) характером и прочностью связи, образующейся между токсикантом и структурой-мишенью;

3) значением структуры-мишени для поддержания гомеостаза в организме.

Строение биологических систем, особенности их морфо-функциональной организации в значительной степени неизменны в масштабах исторически обозримого времени. В этой связи, поскольку вещество обладает вполне определенными свойствами, оно оказывает на организм (биологическую систему) воспроизводимый с известным постоянством эффект. Изменение свойств действующего фактора (воздействие другим веществом) будет сопровождаться качественными и/или количественными изменениями развивающихся эффектов. Важнейшим принципом токсикологии является зависимость качественных и количественных характеристик развивающегося токсического процесса от строения действующего вещества.

Строение вещества определяет размеры молекулы, ее массу, растворимость, летучесть, агрегатное состояние при нормальных условиях и химическую активность. Все эти свойства влияют на токсичность вещества, вместе с тем ни одно из них не является единственно значимым.

Размеры молекулы.Размеры молекулы токсиканта оказывают влияние на его биологическую активность в силу ряда причин:

с увеличением молекулярной массы затрудняется процесс поступления токсиканта в организм и распределения его в органах и тканях. Низкомолекулярные, инертные в химическом отношении вещества в виде газа или в форме раствора, как правило, легко проникают в кровь через легкие, желудочно-кишечный тракт, иногда и кожу, быстро распределяются в тканях, проходя через гистогематические барьеры. Для высокомолекулярных соединений процесс прохождения через барьерные структуры, как правило, затруднен;

с увеличением молекулярной массы увеличивается число возможных изомерных форм молекулы токсиканта и одновременно возрастает специфичность их действия.

Геометрия молекулы токсиканта.Химическая формула, как правило, несет недостаточно информации о свойствах вещества, в частности о геометрии молекулы. Молекулы веществ могут быть ригидными и гибкими. Ригидные молекулы имеют постоянную пространственную организацию. Это прежде всего вещества, образованные циклическими радикалами, содержащие поливалентные мостиковые связи (алкалоиды, полигалогенированные дибензофураны, бенз(а)пирен и многие другие).

Большое количество химических веществ, отличающихся высокой токсичностью, существует в форме изомеров. Основными формами изомерии являются структурная, оптическая, геометрическая, таутомерия.

У низкомолекулярных веществ, таких как дихлорэтан, различия пространственной организации изомеров незначительно сказываются на их биологической активности, такие молекулы по большей части вызывают малоспецифичные эффекты, например: нарушение проницаемости возбудимых биологических мембран, образование ковалентных связей с молекулами белков, нуклеиновых кислот и т. д. Значительные различия наблюдаются при действии крупных молекул токсикантов, преимущественно взаимодействующих с определенным образом пространственно организованными специфическими рецепторами для эндогенных биорегуляторов.

Физико-химические свойства вещества.Физико-химические свойства веществ существенным образом сказываются на их токсичности. Определяющими являются:

1. Растворимость в воде. Это необходимое условие резорбции вещества во внутренние среды организма: corpora non agunt nisi soluta (что не растворяется, то не действует). Для того чтобы достичь структуры-мишени, токсикант должен попасть в водную фазу, так как вода – основа межклеточной жидкости организма. Полярность молекулы воды требует и от токсиканта известной полярности, поэтому растворимость вещества в воде зависит от наличия и количества в его молекуле полярных групп и их строения.

2. Растворимость в липидах. Имеет основное значение для процессов проникновения и распределения больших молекул токсикантов в организме. Кроме того, чем выше растворимость вещества в липидах, тем хуже оно выводится из организма. Мерой жирорастворимости токсикантов является количество вещества, способное к растворению в единице объема жидких масел или органических растворителей. При анализе получаемых результатов следует иметь в виду, что в различных растворителях вещество растворяется по-разному. Так, растворимость амидопирина (г/100 г; 37°С) в бензоле составляет 0,81; топленом сале – 1,7; растительном масле – 2,0; смеси бензола и лецитина (1 : 1) – 12,6; хлороформе – 120,6.

3. Кислотно-основная природа токсиканта. Многочисленные токсиканты являются слабыми кислотами или основаниями, то есть могут в зависимости от рН среды находиться в протонированной или депротонированной форме. Кислоты, находящиеся в протонированной форме, – незаряженные молекулы; азотистые основания представляют собой катионы. В депротонированной форме кислоты представляют собой анионы, а основания не заряжены. Часто ионизация токсиканта сопровождается усилением его сродства к рецептору, однако одновременно затрудняется прохождение молекулы через биологические барьеры. Сильные кислоты и щелочи (полностью диссоциирующие в водных растворах) при действии на ткани организма резко изменяют рН и вызывают денатурацию макромолекул клеток. Этот процесс лежит в основе химического ожога покровных тканей.

Стабильность в среде.Биологическое действие яд может оказывать лишь при условии его достаточной стабильности в окружающей среде и средах организма. Если вещество нестабильно, то развивающийся эффект связан с воздействием продуктов его превращения. Активные в химическом отношении вещества редко становятся непосредственными причинами общетоксического действия. Эти вещества либо уже в окружающей среде вступают в химические реакции, превращаясь в более инертные, но относительно стабильные соединения, либо реагируют с покровными тканями организма (кожей, слизистыми), растрачивая свой химический потенциал на их альтерацию (местное действие).

После попадания в организм большая часть ксенобиотиков с различной скоростью подвергается биотрансформации. Так, при поступлении в желудочно-кишечный тракт пептиды и белковые молекулы (например, тетанотоксин) быстро инактивируются пептидазами и протеиназами. В процессе разрушения токсикантов различного строения участвует и кишечная флора. Метаболизм ксенобиотиков завершается в крови и тканях после их резорбции, поэтому порой очень трудно понять, какое именно вещество является непосредственно действующим началом развивающегося токсического процесса.

Химические свойства. Большинство высокотоксичных соединений – инертные в химическом отношении молекулы. Сила межмолекулярного взаимодействия между токсикантом и биологической молекулой-мишенью действует, как правило, локально; образующаяся связь способна к диссоциации. Высвободившаяся из связи с токсикантом биомишень восстанавливает исходные свойства. В подобных случаях достаточно вывести несвязавшуюся часть токсиканта из организма, для того чтобы сдвинуть химическое равновесие в сторону разрушения комплекса «токсикант – мишень» и тем самым устранить действие яда. Иногда между токсикантом и молекулой-мишенью образуются прочные связи. В этих случаях разрушить комплекс «токсикант – биомишень» порой возможно только с помощью других средств, образующих с ядом еще более прочные комплексы. При взаимодействии токсиканта с биологическими структурами-мишенями могут образовываться различные типы химических связей (табл. 2.1) [16].

Таблица 2.1. Различные типы связей, формирующихся между токсикантами и молекулами-мишенями организма

Вид связи	Пример	Энергия связи (кДж/мол)
Ионная
Ковалентная		40–600

Окончание табл. 2.1

1	2	3
Донорно-акцепторная		4–20
Ион-дипольная		8–20
Диполь-дипольная		4–12
Водородная		4–28
Ван-дер-Ваальса		1–4
Гидрофобная		1–6

2.2. Основные типы классификаций вредных веществ

Классификация вредных веществ (ядов) по их свойствам и экологическому эффекту важна как для понимания механизма их действия на организм, так и для разработки принципов профилактики и лечения вызываемых ими поражений. Токсиканты можно классифицировать по ряду основных принципов:

1. По происхождению:

1.1. Токсиканты естественного происхождения.

1.1.1. Биологического происхождения.

1.1.1.1. Бактериальные токсины.

1.1.1.2. Растительные яды.

1.1.1.3. Яды животного происхождения.

1.1.2. Неорганические соединения.

1.1.3. Органические соединения небиологического происхождения.

1.2. Синтетические токсиканты [16].

2. По способу использования человеком:

2.1. Промышленные яды, используемые в производстве.

2.1.1. Органические растворители (дихлорэтан).

2.1.2. Топливо (метан, пропан, бутан).

2.1.3. Красители (анилин).

2.1.4. Хладагенты (фреон).

2.1.5. Химреагенты (метиловый спирт).

2.1.6. Пластификаторы и др.

2.2. Ядохимикаты, используемые для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

2.2.1. Хлорорганические пестициды (гексохлоран, полихлорпинен).

2.2.2. Фосфорорганические инсектициды (карбофос, хлорофос).

2.2.3. Ртутьорганические вещества (гранозан).

2.2.4. Производные карбоминовой кислоты (севин).

2.3. Лекарственные средства.

2.4. Бытовые химикаты.

2.4.1. Пищевые добавки (уксусная кислота).

2.4.2. Средства санитарии, личной гигиены и косметики.

2.4.3. Средства ухода за одеждой, мебелью, автомобилем.

2.5. Биологические растительные и животные яды.

2.5.1. Яды растений и грибов (аконит, цикута).

2.5.2. Яды животных и насекомых (змеи, пчелы, скорпионы).

2.6. Боевые отравляющие вещества (БОВ) (зарин, иприт, фосген) [17].

3. По условиям воздействия:

3.1. Загрязнители окружающей среды (воздуха, воды, почвы, продовольствия).

3.2. Профессиональные (производственные) токсиканты.

3.3. Бытовые токсиканты.

3.4. Вредные привычки и пристрастия (табак, алкоголь, наркотические средства, лекарства и т. д.).

3.5. Поражающие факторы при специальных условиях воздействия.

3.5.1. Аварийного и катастрофального происхождения.

3.5.2. Боевые отравляющие вещества и диверсионные агенты.

Кроме того, все летучие промышленные вещества по их свойствам и биологическому эффекту, согласно системе Гендерсона и Хаггарта (1930), делятся на четыре группы:

I. Удушающие:

1) простые удушающие, воздействие которых сказывается в вытеснении кислорода из вдыхаемого воздуха (азот, водород, гелий);

2) химически действующие, нарушающие газообмен в крови и тканях, хотя кислород доставляется вдыхаемым воздухом в достаточном количестве (окись углерода, синильная кислота).

II. Раздражающие – вещества, которые влияют на слизистую оболочку дыхательных путей и легких, что приводит к воспалительным реакциям.

III. Летучие наркотики – вещества. действующие после поступления в кровь. Эти вещества влияют на нервную систему, вызывая наркоз, их делят на 5 групп:

1) наркотические вещества, которые не обладают ярко выраженными последствиями (закись азота, углеводороды жирного ряда, эфир);

2) вещества с вредным воздействием на внутренние органы;

3) вещества с вредным действием на кровеносную систему (ароматические углеводороды);

4) вещества с вредным действием на нервную систему (алкоголь, сернистые соединения);

5) органические соединения азота с вредным воздействием на кровь и кроветворные органы (анилин, нитробензол).

IV. Неорганические и металлорганические соединения – это вещества с различными типами действия (ртуть, свинец, фосфор, мышьяк и т. д.).

Общее признание получила классификация ядов по степени опасности, предложенная И.П. Улановой и М.А. Пинигиным (1974):

I класс – чрезвычайно опасные;

II класс – высокоопасные;

III класс – умеренно опасные;

IV класс – малоопасные [22].

ГЛАВА 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И КСЕНОБИОТИКА

3.1. Понятие о рецепторе

Биологический, а также токсический эффект поступившего в организм ксенобиотика возникает только тогда, когда он достигает точки своего приложения. Обычно говорят, что вещество взаимодействует с рецептором. При этом разные вещества взаимодействуют с различными рецепторами, а для некоторых веществ рецепторов может быть несколько.

Идея о рецепторе как месте конкретного приложения и реализации токсического действия яда была выдвинута Дж. Лэнгли в 1878 г. Сам термин «рецептор» был предложен в начале XX века известным немецким ученым П. Эрлихом (1910), который представлял его в виде определенных участков крупных молекул с «комплементарной» яду структурой.
Надежное обоснование эта теория получила после работ A. Кларка (1937), показавшего, что между чужеродными веществами и их рецепторами возникает связь, аналогичная взаимодействию субстрата со специфическим ферментом.

Под рецептором понимается биологическая структура, обычно биомолекула (ее белоксодержащая, ДНК-содержащая или иная часть), упорядоченный конгломерат молекул, результатом взаимодействия с которыми и является тот или иной эффект [22].

Во многих случаях оказалось, что рецепторы представляют собой участки ферментов. Например, оксигруппа серина, входящая как составная часть в молекулу фермента ацетилхолинэстеразы, служит рецептором для фосфорорганических инсектицидов (хлорофос, карбофос и др.), составляющих с ней прочный комплекс. В итоге развивается специфический антихолинэстеразный эффект, присущий большинству фосфорорганических соединений [38]. Кроме того, рецепторами могут быть структуры, ответственные за проведение нервных импульсов, участки мембран клеток или их органелл, которые оккупируются ксенобиотиком с последующим нарушением мембранной проницаемости и др. Если у ксенобиотика несколько точек приложения (он взаимодействует с несколькими рецепторами), то и эффектов может быть несколько, например основной и побочный [22].

Чтобы производить биологическое действие, химическое вещество должно обладать сродством к рецепторам и собственной физико-химической активностью. Под сродством подразумевается степень притяжения вещества к рецепторам, она измеряется величиной, обратной скорости диссоциации комплекса «вещество + рецептор». Взаимодействием с тем или иным рецептором клетки обусловлено проявление специфического токсического действия металлов.

Эффект от циркуляции яда в организме пропорционален поверхности рецепторов, занятой молекулами токсического вещества. В токсикологии различают неспецифическое (общее) и специфическое действие химических агентов. Неспецифическое действие яда связано со слабыми взаимодействиями вещества с клеткой в результате его присутствия в биосубстрате. Так действуют многие наркотики, представляющие собой неэлектролиты. Они слабо диссоциируют на ионы и обладают слабой электрической проводимостью. Их влияние на организм основано не на специфических химических взаимодействиях с клеточными рецепторами, а на взаимодействии со всей клеткой в целом, обусловленном физико-химическими свойствами вещества. Вещества с неспецифическим действием могут не вступать в организме в какие-либо химические реакции и не подвергаться превращению, вызывая токсический эффект своим присутствием.
Степень развития токсического эффекта у многих ядов зависит от их концентрации и времени воздействия [38].

3.2. Предмет, задачи и методы токсикокинетики