4 страница. 5.5. Экстраполяция экспериментальных данных с животных на человека

5.5. Экстраполяция экспериментальных данных
с животных на человека

Перенос результатов экспериментальных исследований с животных на человека представляет собой одну из наиболее сложных проблем профилактической токсикологии. Различие видовых особенностей обмена веществ человека и животных порой столь велико, что прямой перенос результатов исследований может наряду с ложноположительными результатами привести к отрицательным эффектам, чреватым порой трагическими последствиями.

Н.С. Правдин [23] высказывал предположение, что в случае одинаковой чувствительности к веществу разных видов животных, чувствительность к ним человека не должна существенно отличаться. Фундаментальным в исследованиях является подход, предложенный Л.А. Тиуновым [40], основанный на выборе животных, течение метаболических процессов у которых наиболее близко человеку.

Кроме того, опыт показывает, что решение проблемы видовой чувствительности возможно лишь при условии проведения экспериментальных исследований на нескольких видах при достаточном числе животных. Соблюдение этих условий возможно при работе с мелкими лабораторными животными, как правило, грызунами: мышами, крысами, кроликами, морскими свинками. Включение в опыт более крупных животных – собак, малых свиней, кошек – осуществляется по мере расширения задач исследования.

И.В. Саноцкий, И.П. Уланова [36] предлагают в качестве критерия оценки различной видовой чувствительности величину коэффициента видовой чувствительности (КВЧ), являющегося отношением среднесмертельных доз (концентраций) у наиболее устойчивых животных к среднесмертельным дозам у наиболее чувствительных животных (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Оценка коэффициента видовой чувствительности

Величина КВЧ учитывается при выборе коэффициента запаса с целью обоснования ПДК, а также при планировании экспериментальных исследований с точки зрения оптимального выбора вида подопытных животных и их количества [22].

Количественным показателем чувствительности (видовой, половой, возрастной) служит отношение LD₅₀ наиболее чувствительной из сравниваемых подгрупп животных к менее чувствительной. Именно поэтому в последнее время понятие «коэффициент видовой чувствительности» заменяют понятием «коэффициент вариабельности видовой резистентности» (КВВР), что более правильно и по существу, и по форме [42].

5.6. Гигиеническое регламентирование химических веществ

В соответствии с государственным законодательством РФ все химические вещества, обращающиеся в народном хозяйстве, подлежат обязательной токсикологической оценке и гигиеническому регламентированию. Подгигиеническим регламентированием понимается выполнение стандартного набора обязательных требований с целью обеспечения безопасного для здоровья человека производства или применения товарной продукции.

Применительно к токсиколого-гигиенической оценке химических веществ можно выделить следующие уровни регламентирования, предусмотренные Федеральным законом России «О санитарно-гигиеническом благополучии населения» (№ 52-ФЗ от 30 марта 1999 г.):

1 Санитарно-эпидемиологическое заключение – документ, удостоверяющий соответствие (несоответствие) санитарным правилам факторов среды обитания, хозяйственной или иной деятельности, продукции, работ и услуг, а также проектов нормативных актов, проектов строительства объектов, эксплуатационной документации (гл. 1, ст. 1).

2. Государственные санитарно-эпидемиологические правила и нормативы (далее санитарные правила) (гл. 1, ст. 1).

3. Ведение государственных регистров потенциально опасных для человека химических, биологических веществ и отдельных видов продукции (гл. 1, ст. 5).

4. Государственная регистрация потенциально опасных химических и биологических веществ (гл. 5, ст. 43).

Каждый из перечисленных уровней регламентирования в зависимости от свойств вещества и условий его обращения включает необходимый объем токсиколого-гигиенической информации, предусмотренный соответствующими нормативно-техническими документами.

В обоснование выбора веществ применительно к уровню их регламентирования положен принцип, состоящий из четырех этапов.

Этап I. Осуществляется сбор и наработка информации, необходимой и достаточной для решения вопроса о целесообразности проведения токсикологических исследований.

Этап II. На основании анализа имеющейся информации определяются вещества, нуждающиеся и не нуждающиеся в разработке гигиенических нормативов, устанавливается объем данных, достаточный для регламентирования.

Этап III. Определяется очередность и объем исследований, необходимых для оценки опасности и ускоренного обоснования гигиенических нормативов (ОБУВ, ОДУ, ПДК).

Этап IV. Принимается решение о разработке гигиенических нормативов на основе проведения токсиколого-гигиенических исследований в соответствии с существующими методическими указаниями.

Одной из основных задач профилактической токсикологии является проведение экспериментальных исследований с целью обоснования гигиенических нормативов либо разработки иных показателей, необходимых для санитарно-гигиенического регламентирования химических веществ в окружающей среде. Наиболее полным в связи с этим является экспериментальное обоснование ПДК вредного вещества.

Экспериментальное исследование токсических свойств веществ с целью гигиенического регламентирования в различных средах состоит из следующих этапов:

изучение острой токсичности, индивидуальной и видовой чувствительности животных при путях введения вещества, адекватных условиям воздействия. Установление основных параметров острой токсичности (LD₅₀, LC₅₀) и коэффициента видовой чувствительности. В тех случаях, когда вещество вызывает частичную гибель или не вызывает гибели животных, целесообразно использовать показатели LD_min или LD₀, равные максимально достижимой дозе;

изучение способности вещества оказывать воздействие на кожные покровы и слизистые оболочки глаз, а также проникать через кожу;

изучение субхронической токсичности в подостром опыте с определением коэффициента кумуляции, а также выявление наиболее поражаемых органов и систем;

установление пороговых концентраций по специфическим и неспецифическим показателям при однократном воздействии вещества и адекватных путях и времени поступления в организм;

проведение хронического опыта при длительном многократном поступлении вещества в организм с использованием путей поступления, адекватных таковым в реальных условиях среды;

изучение отдаленных последствий интоксикации (канцерогенного, мутагенного, эмбрионотоксического, аллергенного, атеросклеротического и др.);

обоснование пороговых концентраций вещества при длительном воздействии с позиции критерия вредности и разработка гигиенического норматива.

Исходя из понимания здоровья как состояния полного физического, психического и социального благополучия, взаимодействие организма человека и химических факторов окружающей среды должно быть ограничено такими количественными пределами, в рамках которых не происходит изменения состояния здоровья отдельных индивидуумов, а также основных свойств контингента, популяции и вида.

В связи с этим критериальные уровни вредности можно разделить на четыре категории:

способность веществ вызывать изменения генетических свойств организма, влиять на качество и количество потомства, снижать продолжительность жизни, а также стойко изменять показатели физического и умственного развития, что приводит к деградации вида;

способность веществ влиять на состояние здоровья индивидуума, вызывать соматические заболевания химической этиологии как специфического, так и неспецифического характера, в том числе патологические изменения со стороны отдельных органов и систем;

способность веществ вызывать напряжение систем регулирования гомеостаза, приводящее к формированию патологических состояний в условиях предъявления нагрузок, не вызывающих подобных изменений у интактных особей;

способность веществ вызывать реакцию регуляторных систем организма, не выходящую за пределы «физиологической адаптации».

Соответствие вещества каждому из приведенных критериальных уровней зависит от свойств самого вещества, его количества и времени, в течение которого осуществляется воздействие.

Оценка количеств вещества с точки зрения критерия вредности и установления пороговых количеств позволяет подойти к обоснованию величины гигиенического норматива. Важную роль в этом процессе играет установление величины коэффициента запаса (К_зап), на которую уменьшается пороговая концентрация, полученная в хроническом опыте, и которая является отношением Lim_сh к ПДК:

К_зап = Lim_ch / ПДК.

Расчет коэффициента запаса возможен также на основе анализа показателей потенциальной и реальной опасности, учитываемых по балльной системе в двух вариантах.

При первом варианте расчет К_зап проводится исходя из значений LC₅₀, Lim_ch, КВИО_хр, Z_b.ef (зона биологического действия), КВР (коэффициент видового различия) (табл. 5.2).

По второму варианту расчет проводится для веществ, не вызывающих в силу физико-химических свойств острых смертельных ингаляционных отравлений. К_зап обосновывается исходя из значений Lim_ac, Lim_ch,
Z_b.ef , КВИО_ac, КВР (табл. 5.3).

Таблица 5.2. Расчет коэффициента запаса по первому варианту

Таблица 5.3. Расчет коэффициента запаса по второму варианту

При переходе от величины Lim_сh к ПДК величина коэффициента запаса варьирует в пределах от 3 до 20 (табл.5.4).

Таблица 5.4. Величины коэффициента запаса
в зависимости от суммы баллов

Большое значение при обосновании ПДК имеет отнесение величины норматива к заданному параметру времени. При установлении величины норматива в опытах на животных продолжительность воздействия моделируется адекватно реальному времени воздействия вещества на организм человека, с учетом экстраполяции продолжительности жизни выбранного вида подопытных животных.

При установлении ПДК в воздухе рабочей зоны опыты проводятся по 4 ч в день 5 раз в неделю на протяжении 4 мес. Для атмосферного воздуха населенных мест ингаляционная затравка животных осуществляется круглосуточно в течение 4 мес. Для водоемов продолжительность эксперимента составляет от 3 до 6 и более месяцев в случае необходимости внутрижелудочного введения вещества.

Все ПДК по способу установления являются средневзвешенными, так как их величина рассчитывается путем деления суммы всех аналитических определений вещества в исследуемой среде на число определений:

К_св = ∑Кⁿ/n,

где К_св – средневзвешенная концентрация; ∑Кⁿ – сумма всех измеренных концентраций; n – число измерений [22].

ГЛАВА 6. ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

6.1. Предмет, цели, задачи

Термин экологическая токсикология, определяющий самостоятельное научное направление, введен в 1969 г., когда при Международном научном комитете по проблемам окружающей среды была организована специальная комиссия по экологической токсикологии, определившая основные направления работ по экотоксикологии. В 1978 г. было принято определение экотоксикологии в качестве «междисциплинарного научного направления, связанного с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение в этой среде, действие на живые организмы. Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней» [22].

Предметом экологической токсикологии являются надорганизменные системы в условиях химической нагрузки антропогенного происхождения. Экологическая токсикология оценивает потенциальную опасность контакта популяций живых организмов с вредными химическими веществами, чужеродными для организма (ксенобиотики) или жизненно необходимыми для него (эндогенные), но поступающими в избыточном количестве, и обосновывает меры профилактики губительных последствий такого контакта для животных, растений и человека. Экотоксикология рассматривает первичные токсические эффекты ксенобиотиков на молекулярно-генетическом, клеточном, органном уровнях в качестве пусковых механизмов нарушений биологических систем на популяционном уровне.

Важная цель экотоксикологии, имеющая огромное прикладное значение, – разработка теоретических основ и основополагающих концепций взаимодействия природных экосистем и производственной деятельности человека.

Особенностью экотоксикологии является то, что при изучении токсических эффектов на популяционном и биоценотическом уровнях возрастает значение окружающей среды как активного фактора, влияющего на поведение токсикантов в отдельных компонентах биоты, их фиксацию и деструкцию в природных системах и, как следствие этого, определяющего уровни поступления их в живые организмы.

Проблема оценки прямого токсического воздействия и косвенных эффектов, опосредованных средой обитания, – одна из центральных в современной экотоксикологии. Практическая невозможность проведения экотоксикологических экспериментов в природных условиях обусловливает необходимость экстраполяции данных лабораторных экспериментов на условия существования природных биосистем. Однако отсутствие оценок вклада в экотоксикологическую реакцию прямого и косвенного влияния токсических агентов затрудняет такую экстраполяцию.

Успешное применение методов экологических аналогов в определенной степени зависит также от возможности учета прямых и модифицированных средой эффектов.

Под влиянием токсических факторов в экологических системах проявляются неблагоприятные эффекты на различных уровнях организации: от молекулярно-генетического до биоценотического.

Изучение такого широкого спектра токсических проявлений возможно лишь при комплексном подходе с участием широкого круга специалистов, представляющих все направления биологической и медицинской наук. Этим определяется междисциплинарный статус экологической токсикологии как синтеза двух направлений наук – токсикологии и экологии.

6.2. Надорганизменный характер зависимости «доза – эффект»

Экологическая токсикология относится к классу токсикологических наук, в центре которых находится изучение механизмов токсического действия и токсических эффектов химических веществ, жизненно необходимых организмам, но поступающих в избыточном количестве или полностью им чужеродных (ксенобиотики).

Широко применяемые в токсикологии сравнения средних регистрируемых показателей (физиологических, функциональных, биохимических и др.) в контрольных и опытных группах организмов считаются лишь предварительной оценкой токсических проявлений. Необходимо знать, как влияет увеличение токсической нагрузки на функционирование и устойчивость природных популяций и биоценозов. Только в этом случае в экотоксикологии можно говорить о безопасных уровнях воздействия.

Связь между величиной токсической нагрузки и выраженностью токсического эффекта в количественной токсикологии обычно представляется в виде зависимости «доза – эффект», носящей градированный или альтернативный характер. В качестве аргумента в дозовой зависимости чаще всего используют содержание токсических веществ в объектах внешней среды или изучаемых организмах. Токсический эффект отражает ответ биологической системы соответствующего уровня.

Дозовая зависимость в координатах «уровень токсического вещества в организме – снижение активности фермента» при взаимодействии тяжелых металлов (свинца, ртути), вводимых в организм с SH-группами белковых молекул, представлена на рис. 6.1.

Надорганизменный характер зависимости «доза – эффект» должен учитывать следующие обстоятельства:

1.

2. Аналогичным образом оценка эффекта должна включать некоторые интегральные показатели состояния системы, непосредственно контролирующие стабильность ее структуры и функций. Например, показатели плодовитости, занимаемой площади, выживаемости, обилия видового разнообразия и т. д.

3. При оценке токсического эффекта в биологических системах над-организменного уровня необходимо исходить из первичных проявлений токсичности на молекулярном, клеточно-тканевом и организменном уровнях.

4. Необходимо учитывать бóльшую, чем для других систем, роль факторов внешней среды в реализации токсических эффектов.

Вводимые в экотоксикологии показатели меры токсического воздействия и эффекта аналогичны тем, которые применяются в гигиене (эпидемиологические подходы), а зависимости, отражающие, например, численность объектов, интенсивность процессов деструкции, продуктивность биоценозов и др., применимы лишь в экотоксикологии. При этом подчеркивается непременный надорганизменный уровень этих показателей.

6.3. Содержание токсичных веществ в компонентах биоты

Исследования показывают, что повышенное содержание токсических веществ во внешней среде, прежде всего в почвах, неизменно ведет к повышенным концентрациям этих веществ в растительных и животных организмах. На эти процессы влияет множество факторов, условно разделенных на две группы:

пространственная мозаичность и различие уровней загрязненности территории, определяемые спецификой техногенного воздействия, локальными почвенно-климатическими и физико-химическими условиями среды;

особенности экологии растительных и животных сообществ, включающие видовую и сезонную специфику пищевых рационов, разнокачественность среды обитания, миграционные потоки.

Рассмотрим некоторые из этих факторов.

Влияние абиотических факторов. В качестве примера рассмотрим влияние кислотности среды на накопление некоторых токсических веществ в биоте. Один из основных загрязнителей атмосферного воздействия – сернистый газ, в результате окисления которого наблюдается снижение pH дождевой воды («кислотные дожди»). Дренирование такой дождевой воды через почвенные горизонты приводит к снижению pH в почвенных водах и водоемах. Таким образом, конечное звено трансформации выбросов сернистого газа – водные экосистемы, в которых аккумулируются загрязнения со значительной территории и уже в силу этого в наибольшей степени проявляются токсические последствия. В результате подкисления воды в реках и водоемах наблюдаются эффекты, связанные не только с прямым токсическим действием на гидробионты низких pH, но и с опосредованным влиянием других факторов.

Таким образом, в реальных природных экосистемах любые загрязняющие вещества являются источниками возникновения сложной смеси компонент, биологическое накопление которых биотой и токсичность не всегда можно предвидеть.

Роль пищевых рационов. Отмеченная выше зависимость содержания и химической формы токсических веществ от параметров природной среды затрудняет прямое определение меры токсического воздействия только по степени ее загрязнения. Более приемлемой является оценка дозы по уровню поступления токсических веществ в компоненты биоты.

Возможны два пути поступления токсических веществ к живым
объектам наземных биоценозов. Во-первых, это прямое поступление токсикантов аэральным путем через устьица растений, легкие или органы, их заменяющие, у животных. В водных экосистемах – это прямое поступление загрязнителей из воды, например, за счет ее фильтрации водными организмами.

Второй путь связан с предварительным накоплением токсикантов в почве (для растений), растительности (для животных-фитофагов), животных (для плотоядных). Можно сказать, что прямой путь поступления значительно уступает пищевому поступлению токсических соединений от почвы к растениям и далее по пищевым цепям. Все это определяет особую роль состава пищевых рационов в накоплении токсикантов.

Использование содержимого желудочно-кишечного тракта для оценки уровня токсической нагрузки оправдано еще и потому, что среда обитания характеризуется, как правило, мозаичностью загрязнения. В этом случае уровень токсикантов в рационе животных, обладающих широкой кормовой территорией, дает некоторую интегральную оценку токсической нагрузки на популяцию.

Роль пространственной и эколого-функциональной гетерогенности природных систем. Важнейший момент, определяющий уровни накопления токсических элементов компонентами биоты, – пространственная неоднородность территории. В реальных условиях эколого-климатические факторы проявляют свою прерывистость во многих пространственно-временных масштабах и формируют некоторую экологическую мозаику среды обитания природных популяций. Кроме того, на эту естественную мозаичность накладывается неоднородность полей загрязнения, вызванная неравномерностью воздушных потоков, особенностями рельефа местности и другими географическими параметрами территории. Таким образом, различия в содержании токсических веществ в биологических объектах, а значит, и те потоки загрязнителей, которые включаются в общий круговорот вещества в биоценозах через отдельные пространственные группировки организмов, являются отражением сочетанного влияния природных и техногенных факторов.

Кроме того, в проблеме токсической деградации территории принципиальной является возможность пространственного перемещения биологических объектов. Имеется в виду возможность поддержания «пораженных» популяций и биогеоценозов за счет постоянного их пополнения растениями и животными с более чистых или полностью не загрязненных участков. Таким образом, мера токсического воздействия, определяемая по содержанию токсикантов в организмах животных, может зависеть не только от прямого загрязнения участка, но и от наличия рядом более чистых станций обитания, откуда возможен постоянный миграционный приток животных.

Следует отметить также важную закономерность, согласно которой максимальная дифференциация животных (видовая, возрастная, половая) по накоплению ими токсических веществ проявляется в наибольшей степени по мере возрастания загрязненности среды обитания [22].

Статистическое распределение концентраций токсикантов в популяционной выборке. Приводимые выше факты свидетельствуют о том, что уровни токсических элементов, накапливаемых компонентами биоты, не только зависят от уровня техногенных выбросов, но и в значительной мере контролируются рядом факторов внешней среды, а также важнейшими внутрипопуляционными процессами. Токсиканты, загрязняющие природные системы, включаются в биологический круговорот за счет жизнедеятельности популяций растений и животных. При этом популяции, будучи системами взаимосвязанных гетерогенных группировок особей, модифицируют эти потоки в соответствии с их эколого-функциональной спецификой, определяя тем самым разнородность накапливаемых уровней токсикантов и ответные реакции на воздействие.

Распределение уровней токсикантов среди организмов в выборке может быть математически описано одним из законов статистического распределения. Анализ содержания токсических веществ в тканях или цельных организмах, составляющих, казалось бы, однородную выборку из популяции, показал, что статистическое распределение таких концентраций несимметрично (не может быть описано законом нормального распределения). Наиболее адекватно такой спектр концентраций аппроксимируется лог-нормальным законом, при котором доля особей с высоким содержанием токсикантов превышает долю с низким.

В этом отношении интересны исследования американских ученых, показавших, что в отличие от токсических загрязнителей распределение физиологически необходимых микроэлементов (медь, цинк и др.) более близко к нормальному (симметричному), а не логнормальному. Однако в случае, когда эти же элементы поступают в организмы в количествах, значительно превышающих необходимое, то есть выступают в роли токсикантов, закон распределения их концентраций в выборке трансформируется в логнормальный (асимметричный) [1].

В экологической токсикологии отмеченный факт асимметрии распределения концентраций загрязнителей в объектах биоты имеет особое значение. Так, в силу несимметричности распределения концентраций в популяции даже незначительные изменения средних содержаний приводят к существенному увеличению встречаемости особей с содержанием токсикантов, превышающим критическое.

В качестве меры токсического воздействия в экотоксикологии следует рассматривать некоторую интегральную функцию f(x), описывающую статистическое распределение содержания токсических веществ в организмах, составляющих популяцию или отдельную популяционную выборку (спектр концентраций). Здесь x – содержание вещества во внутренних средах (например, концентрация токсикантов в крови, скелете или цельном организме). Вводимый показатель является надорганизменной характеристикой. С одной стороны, он отражает специфику накопления токсикантов на организменном уровне, ее обусловленность индивидуальной генетико-функциональной изменчивостью метаболических процессов и энергетических потребностей организмов, принадлежащих однородным группировкам. С другой стороны, этот показатель не является простой суммой уровней загрязненности. Изменяющиеся условия существования природных популяций, включая токсическое загрязнение среды, прямо отражаются на обилии отдельных эколого-функциональных групп (сезонных, пространственных, половых, возрастных и т. д.). Это определяет вклад каждой внутрипопуляционной группировки в общее распределение уровней токсических веществ в популяциях и позволяет рассматривать такие распределения концентраций в качестве экотоксикологической (надорганизменной) меры токсического воздействия.