Більшість отруєнь обумовлено всмоктуванням отруйної речовини та надходженням їх у кров. Тому найшвидша і ефективніша дія отрути проявляється при введенні її безпосередньо в кров'яне русло. Наприклад, вживання жінкою алкоголю або різних лікарських речовин у період вагітності шкідливо впливає на дитину. Особливо чутливий плід у період внутрішньоутробного розвитку до саліцилатів та алкоголю, що може призвести згодом до вроджених вад. У період вагітності алкоголь легко проникає через плаценту в кров плода, досягаючи у ній тієї ж концентрації, що й у крові матері, і це пов'язано з анатомічними особливостями кровопостачання плода.

Токсичність (грец. Toxikon - отрута) є найважливішою характеристикою ОВ та інших отрут, що визначає їх здатність викликати патологічні зміни в організмі, які призводять людину до втрати боєздатності (працездатності) або загибелі.

Кількісно токсичність 0В оцінюють дозою. Доза речовини, що викликає певний токсичний ефект, називається токсичною дозою (D)

Токсична доза, що викликає рівні за тяжкістю ураження, залежить від властивостей 0В або отрути, шляхи їх проникнення в організм, від виду організму та умов застосування 0В або отрути.

Для речовин, що проникають в організм у рідкому або аерозольному стані через шкіру, шлунково-кишковий тракт або через рани, що вражає ефект для кожного конкретного виду організму в стаціонарних умовах, залежить тільки від кількості 0В або отрути, яка може виражатися в будь-яких масових одиницях. У хімії 0В зазвичай токсодози виражають у міліграмах.

В отрут визначають експериментальним шляхом на різних тварин, тому частіше користуються поняттям питомої токсодози - дози, віднесеної до одиниці живої маси тварини і виражається в міліграмах на кілограм.

Розрізняють смертельні, що виводять з ладу та порогові токсодози.

Взаємодія токсиканту або продуктів його перетворення в організмі зі структурними елементами біосистем, що лежить в основі токсичного процесу, що розвивається, називається механізмом токсичної дії. Взаємодія здійснюється за рахунок фізико-хімічних та хімічних реакцій.

Токсичний процес, який ініціюється фізико-хімічними реакціями, як правило, обумовлений розчиненням токсиканту в певних середовищах (водної або ліпідної) клітин та тканин організму. При цьому суттєво змінюються фізико-хімічні властивості середовища-розчинника (рН, в'язкість, електропровідність, сила міжмолекулярних взаємодій тощо). Особливість даного типу взаємодії - відсутність суворої залежності якості ефекту, що розвивається від хімічних властивостей молекули токсиканту. Таким чином, діють на тканини всі кислоти, луги, сильні окислювачі, деякі органічні розчинники та позбавлені специфічної активності високомолекулярні сполуки.

Найчастіше в основі токсичної дії лежать хімічні реакції токсиканту із певним структурним елементом живої системи. Структурний компонент біологічної системи, з яким вступає у хімічну взаємодію токсикант, називається його "рецептором" або "мішенню".

Механізми токсичної дії переважної більшості хімічних речовин нині невідомі. У цьому, дуже багато описані нижче класи молекул і молекулярних комплексів, що утворюють організм, розглядаються, здебільшого, лише як можливі рецептори (мішені) дії отрут. Розгляд їх у цьому ракурсі правомочний, оскільки в основі дії деяких добре вивчених токсикантів лежить взаємодія з представниками саме цих класів біомолекул.

1. Визначення поняття "рецептор" у токсикології

Поняття "рецептор" дуже ємне. Найчастіше в біології його використовують у наступних сенсах:

1. Загальне поняття. Рецептори - це ділянки щодо специфічного зв'язування на біосубстраті ксенобіотиків (або ендогенних молекул), за умови, що процес зв'язування підпорядковується закону мас. Як рецептори можуть виступати цілі молекули білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів або їх фрагменти. Щодо фрагмента біомолекули, яка безпосередньо бере участь у освіті комплексу з хімічною речовиною, часто використовують термін – "рецепторна область". Наприклад, рецептором оксиду вуглецю в організмі є молекула гемоглобіну, а рецепторною областю – іон двовалентного заліза, укладений у порфіринове кільце гему.

2. Селективні рецептори. У міру еволюційного ускладнення організмів формуються спеціальні молекулярні комплекси - елементи біологічних систем, що мають високу спорідненість до окремих хімічних речовин, що виконують функції біорегуляторів (гормони, нейромедіатори і т.д.). Ділянки біологічних систем, що мають найвищу спорідненість до окремих спеціальних біорегуляторів, отримали назву "селективні рецептори". Речовини, що взаємодіють із селективними рецепторами відповідно до закону діючих мас, називаються лігандами селективних рецепторів. Взаємодія ендогенних лігандів із селективними рецепторами має особливе значення для підтримки гомеостазу.

Багато селективних рецепторів складаються з декількох субодиниць, з яких лише частина має ділянки зв'язування лігандів. Нерідко термін "рецептор" використовують для позначення тільки таких ліганд-зв'язуючих субодиниць.

3. Постійні рецептори – це селективні рецептори, будова та властивості яких кодується за допомогою спеціальних генів або постійних генних комплексів. На рівні фенотипу зміна рецептора шляхом генної рекомбінації розвивається дуже рідко. Виникаючі часом у ході еволюції внаслідок полігенетичних трансформацій зміни амінокислотного складу білка, що формує селективний рецептор, зазвичай слабко позначається на функціональних характеристиках останнього, його спорідненості до ендогенних лігандів і ксенобіотиків.

До постійних рецепторів відносяться:

Рецептори нейромедіаторів та гормонів. Як і інші селективні рецептори, ці рецептори здатні вибірково взаємодіяти з деякими ксенобіотиками (ліками, токсикантами). Ксенобіотики можуть при цьому виступати як агоністами, так і антагоністами ендогенних лігандів. У результаті активується чи пригнічується певна біологічна функція, яка під контролем даного рецепторного апарату;

Ензими - білкові структури, що селективно взаємодіють з субстратами, перетворення яких вони каталізують. Ензими також можуть взаємодіяти з чужорідними речовинами, які в цьому випадку стають або інгібіторами або алостеричними регуляторами їх активності;

Транспортні протеїни - вибірково пов'язують ендогенні ліганди певної будови, здійснюючи їхнє депонування або перенесення через різні біологічні бар'єри. Токсиканти, що взаємодіють з транспортними протеїнами, також виступають або як їх інгібітори, або алостеричні регулятори.

4. Рецептори із змінною структурою. В основному це антитіла та антигензв'язуючі рецептори Т-лімфоцитів. Рецептори цього типу формуються в клітинах попередниках зрілих клітинних форм внаслідок індукованої зовнішніми впливами рекомбінації 2 - 5 генів, які контролюють їх синтез. Якщо рекомбінація здійснилася в процесі диференціації клітин, то в зрілих елементах синтезуватимуться рецептори лише певної будови. У такий спосіб формуються селективні рецептори до конкретних лігандів, а проліферація призводить до появи цілого клону клітин, які містять ці рецептори.

Як випливає з наведених визначень, в біології термін "рецептор" в основному використовується для позначення структур, які безпосередньо беруть участь у сприйнятті та передачі біологічних сигналів, і здатних вибірково пов'язувати крім ендогенних лігандів (нейромедіаторів, гормонів, субстратів) деякі чужорідні сполуки.

У токсикології (як і фармакології) терміном "рецептор" позначають будь-який структурний елемент живої (біологічної) системи, з яким вступає у хімічну взаємодію токсикант (ліки). У такому прочитанні це поняття ввів у хімеобіологію на початку ХХ століття Пауль Ерліх (1913).

Спектр енергетичних характеристик рецептор-лігандної взаємодії надзвичайно широкий: від формування слабких зв'язків, що легко руйнуються, до утворення незворотних комплексів (див. вище). Характер взаємодії і структура комплексу, що сформувався, залежать не тільки від будови токсиканту, конформації рецептора, але і від властивостей середовища: рН, іонної сили і т.д. Відповідно до закону діючих мас, кількість утворених комплексів речовина-рецептор визначається енергією взаємодії (спорідненістю) та вмістом обох компонентів реакції (речовини та рецептора до нього) у біологічній системі.

Рецептори можуть бути "німими" та активними. "Німий" рецептор - структурний компонент біологічної системи, взаємодія якого з речовиною не призводить до формування реакції у відповідь (наприклад, зв'язування миш'яку білками, що входять до складу волосся, нігтів). Активний рецептор – структурний компонент біологічної системи, взаємодія якого з токсикантом ініціює токсичний процес. Для того, щоб уникнути термінологічних труднощів, для позначення структурних елементів, взаємодіючи з якими токсикант ініціює токсичний процес, замість терміну "рецептор" часто використовують термін "структура-мішень".

Приймаються постулати:

Токсична дія речовини виражена тим сильніше, що більша кількість активних рецепторів (структур-мішеней) вступила у взаємодію з токсикантом;

Токсичність речовини тим вища, чим менша його кількість зв'язується з "німими" рецепторами, чим ефективніше вона діє на активний рецептор (структуру-мішень), чим більше значення має рецептор і біологічна система, що ушкоджується, для підтримки гомеостазу цілісного організму.

Будь-яка клітина, тканина, орган містять величезну кількість потенційних рецепторів різних типів (які "запускають" різні біологічні реакції), з якими можуть вступити у взаємодію ліганди. З урахуванням вищесказаного, зв'язування ліганду (як ендогенної речовини, так і ксенобіотика) на рецепторі даного типу є вибірковим лише у певному діапазоні концентрацій. Збільшення концентрації ліганду в біосистемі призводить до розширення спектра типів рецепторів, з якими він вступає у взаємодію, а отже, до зміни його біологічної активності. Це також одне із фундаментальних положень токсикології, доведене численними спостереженнями.

Мішенями (рецепторами) для токсичного впливу можуть бути:

структурні елементи міжклітинного простору;

структурні елементи клітин організму;

Структурні елементи систем регулювання клітинної активності.

2. Дія токсиканту на елементи міжклітинного простору

Кожна клітина організму оточена водним середовищем – інтерстиціальною чи міжклітинною рідиною. Для клітин крові міжклітинною рідиною є плазма. Основні властивості міжклітинної рідини: її електролітний склад та певний осмотичний тиск. Електролітний склад визначається головним чином вмістом іонів Na+, K+, Са2+, Cl-, HCO3- та ін; осмотичний тиск – присутністю білків, інших аніонів та катіонів. Міжклітинна рідина містить численні субстрати для обміну клітин, продукти метаболізму клітин, молекули-регулятори клітинної активності.

Потрапивши до міжклітинної рідини, токсикант може змінювати її фізико-хімічні властивості, вступати в хімічну взаємодію з її структурними елементами. Зміна властивостей міжклітинної рідини негайно призводить до реакції клітин. Можливі такі механізми токсичної дії, зумовлені взаємодією токсиканту з компонентами міжклітинної рідини:

1. Електролітні ефекти. Порушення електролітного складу спостерігається при отруєнні речовинами, здатними зв'язувати іони. Так, при інтоксикаціях фторидами (F-), деякими комплексоутворювачами (Na2ЕДТА, ДТПА та ін.), іншими токсикантами (етиленгліколем, що метаболізує з утворенням щавлевої кислоти), відбувається зв'язування іонів кальцію в крові та міжклітинної рідини, розвивається гостра гіпокаль діяльності, м'язового тонусу, системи згортання крові і т.д. Порушення іонного балансу, часом, може бути усунуто введенням у організм розчинів електролітів.

2. рН-ефекти. Інтоксикація рядом речовин, незважаючи на високу буферну ємність міжклітинної рідини, може супроводжуватися суттєвим порушенням кислотно-основних властивостей внутрішнього середовища організму. Так, отруєння метанолом призводить до накопичення в організмі мурашиної кислоти, що викликає тяжкий ацидоз. Зміна рН інтерстиціальної рідини може бути також наслідком вторинних токсичних ефектів та розвиватися внаслідок порушення процесів біоенергетики, гемодинаміки (метаболічний ацидоз/алкалоз), зовнішнього дихання (газовий ацидоз/алкалоз). У важких випадках нормалізувати рН можна, вводячи буферні розчини, що постраждав.

3. Зв'язування та інактивація структурних елементів міжклітинної рідини та плазми крові. У плазмі крові містяться структурні елементи, що мають високу біологічну активність, здатні стати мішенню дії токсикантів. До них відносяться, наприклад, фактори системи згортання крові, гідролітичні ферменти (естерази), руйнуючі ксенобіотики і т.д. Наслідком такої дії може стати не лише інтоксикація, а й аллобіоз. Наприклад, пригнічення активності три-о-крезилфосфатом (ТОКФ) карбоксилестераз плазми крові, що руйнують фосфорорганічні сполуки (ФОС), призводить до суттєвого підвищення токсичності останніх.

4. Порушення осмотичного тиску. Істотні порушення осмотичного тиску крові та інтерстиціальної рідини при інтоксикаціях, як правило, мають вторинний характер (порушення функцій печінки, нирок, токсичний набряк легень). Ефект, що розвивається, згубним чином позначається на функціональному стані клітин, органів і тканин всього організму.

3. Дія токсикантів на структурні елементи клітин

Структурними елементами клітин, з якими взаємодіють токсиканти, як правило, є:

Нуклеїнові кислоти;

Ліпідні елементи біомембран;

Селективні рецептори ендогенних біорегуляторів (гормонів, нейромедіаторів тощо).

ТОКСИКОМЕТРІЯ

ЗАЛЕЖНІСТЬ "ДОЗА-ЕФЕКТ" У ТОКСИКОЛОГІЇ

Спектр проявів токсичного процесу визначаються будовою токсиканту. Однак вираженість ефекту, що розвивається, є функцією кількості діючого агента.

Для позначення кількості речовини, що діє на біологічний об'єкт використовують поняття - доза. Наприклад, введення в шлунок щура вагою 250 г і кролика вагою 2000 г токсиканту в кількості 500 мг означає, що тваринам введені дози рівні відповідно 2 і 0,25 мг/кг (докладніше поняття "доза" буде розглянуто нижче).

Залежність " доза-ефект " можна простежити всіх рівнях організації живої матерії: від молекулярного до популяційного. При цьому в переважній більшості випадків реєструватиметься загальна закономірність: зі збільшенням дози - збільшується ступінь пошкодження системи; у процес залучається дедалі більше складових її елементів.

Залежно від діючої дози практично будь-яка речовина за певних умов може виявитися шкідливою для організму. Це справедливо для токсикантів, що діють як місцево, так і після резорбції у внутрішні середовища.

На прояв залежності "доза-ефект" істотно впливає внутрішньо- і міжвидова мінливість організмів. Дійсно, особини, що належать до того самого виду, істотно відрізняються один від одного за біохімічними, фізіологічними, морфологічними характеристиками. Ці відмінності здебільшого обумовлені їх генетичними особливостями. Ще більш виражені, з тієї ж генетичних особливостей, міжвидові відмінності. У зв'язку з цим дози конкретної речовини, в яких вона викликає ушкодження організмів одного і того ж і, тим більше, різних видів, часом дуже суттєво різняться. Отже, залежність "доза-ефект" відбиває властивості як токсиканту, а й організму, який він діє. Насправді це означає, що кількісну оцінку токсичності, засновану на вивченні залежності "доза-ефект", слід проводити в експерименті на різних біологічних об'єктах, і обов'язково вдаватися до статистичних методів обробки даних, що отримуються.

Залежність "доза-ефект" за показником летальність

4.1.3.1. Загальні уявлення

Оскільки смертельний результат після дії токсиканту - альтернативна реакція, що реалізується за принципом "все або нічого", цей ефект вважають найбільш зручним для визначення токсичності речовин, його використовують для визначення середньосмертельної величини дози (ЛД50).

Визначення гострої токсичності за показником "летальність" проводиться методом формування підгруп (див. вище). Введення токсиканту здійснюється одним із можливих способів (ентерально, парентерально) при контрольованих умовах. При цьому необхідно враховувати, що спосіб введення речовини істотно позначається на величині токсичності.

Використовуються тварини однієї статі, віку, ваги, що містяться на певній дієті, за необхідних умов розміщення, температури, вологості тощо. Дослідження повторюють на кількох видах лабораторних тварин. Після введення тестованої хімічної сполуки проводять спостереження, визначаючи кількість загиблих тварин, як правило, за період 14 діб. У разі нанесення речовини на шкіру, необхідно реєструвати час контакту, а також обумовлювати умови аплікації (із замкнутого або відкритого простору здійснювався вплив). Очевидно, що ступінь ураження шкіри та вираженість резорбтивної дії є функцією як кількості нанесеного матеріалу, так і тривалості його контакту зі шкірою. При всіх, крім інгаляційного, способах впливу експозиційна доза зазвичай виражається як маса (або обсяг) речовини, що тестується на одиницю маси тіла (мг/кг; мл/кг).

Для інгаляційного впливу експозиційна доза виражається як кількість речовини, що тестується, присутньої в одиниці об'єму повітря: мг/м3 або частини на мільйон (ppm - parts per million). При цьому способі впливу дуже важливо враховувати час експозиції. Чим триваліший вплив, тим вища експозиційна доза, вищий потенціал несприятливої ​​дії. Отримана інформація про залежність "доза-ефект" для різних концентрацій речовини у повітрі, що вдихається, повинна бути отримана при однаковому часі експозиції. Експеримент може бути побудований інакше, а саме різні групи експериментальних тварин інгалюють речовину в однаковій концентрації, але протягом різного часу.

Для приблизної оцінки токсичності інгаляційно діючих речовин, що одночасно враховує і концентрацію токсиканту та час його експозиції, прийнято використовувати величину "токсодозу", що розраховується за формулою, запропонованою Габером на початку століття:

W = C t де

W - токсодоза (мг хв/м3)

С – концентрація токсиканту (мг/м3)

t - час експозиції (хв)

Передбачається, що при нетривалій інгаляції речовин однаковий ефект (загибель лабораторних тварин) буде досягатися як при короткій експозиції високих доз, так і тривалому впливі речовин у менших концентраціях, при цьому добуток часу на концентрацію речовини залишається незмінним. Найчастіше визначення токсодоз речовин, вдавалися для характеристики бойових отруйних речовин.

Інтерпретація та практичне використання результатів

Як правило, основний висновок, який робить токсиколог при встановленні позитивної залежності "доза-ефект", полягає в тому, що між впливом досліджуваної речовини та розвитком токсичного процесу існує причинно-наслідковий зв'язок. Однак інформація про залежність повинна інтерпретуватися лише щодо умов, за яких вона отримана. Велика кількість факторів впливає на її характер, причому специфічно для кожної речовини та біологічного виду, на представників якого речовина діє. У цьому необхідно враховувати низку причин:

1. Точність кількісної характеристики значення ЛД50 досягається шляхом ретельного проведення експерименту та адекватної статистичної обробки одержуваних результатів. Якщо при повторенні експерименту визначення токсичності отримують кількісні дані, відмінні від раніше отриманих, це може бути наслідком варіабільності властивостей використаного біологічного об'єкта і умов навколишнього середовища.

2. Найважливішою характеристикою небезпеки є час настання смерті після впливу токсиканту. Так, речовини з однаковим значенням ЛД50, але різним часом настання смерті можуть становити різну небезпеку. Речовини, що швидко діють, часто розглядаються як більш небезпечні. Однак речовини "уповільненої дії" з дуже тривалим прихованим періодом часто схильні до кумуляції в організмі і тому надзвичайно небезпечні. До швидко діючих токсикантів відносяться бойові отруйні речовини (ФОВ, синильна кислота, речовини подразнюючої дії і т.д.). Речовини уповільненої дії – це полігалогеновані поліциклічні вуглеводні (галогеновані діоксини, дибензофурани тощо), деякі метали (кадмій, талій, ртуть тощо) та багато інших.

3. Більш повна інтерпретація отриманих результатів щодо оцінки токсичності, крім визначення кількісних характеристик, потребує детального вивчення причин смерті (див. відповідний розділ). Якщо речовина може викликати різні потенційно смертельні ефекти (зупинка дихання, зупинка серцевої діяльності, колапс і т.д.), необхідно представляти якийсь із ефектів є провідним, а також чи може цей феномен стати причиною ускладнення залежності "доза-ефект". Наприклад, різні біологічні ефекти можуть бути причиною загибелі у гострій та відставленій фазі інтоксикації. Так, інтоксикація дихлоретаном вже в перші години може призвести експериментальну тварину до загибелі внаслідок пригнічення центральної нервової системи (наркотичний, неелектролітний ефект). У пізні періоди інтоксикації тварина гине від гострої ниркової та печінкової недостатності (цитотоксичний ефект). Очевидно, це має значення і при визначенні кількісних характеристик токсичності. Так, трет-бутилнітрит при внутрішньочеревному введенні мишам та реєстрації смертельного ефекту протягом 30 хвилин має величину ЛД50 рівну 613 мг/кг; при реєстрації смертельних випадків протягом 7 діб ЛД50 становить 187 мг/кг. Смерть у перші хвилини, мабуть, настає внаслідок ослаблення тонусу судин та метгемоглобіноутворення, у пізньому періоді, від ураження печінки.

4. Величина ЛД50, отримана в гострому досвіді, не є характеристикою токсичності речовини при його багаторазовому підгострому або хронічному впливі. Так, для речовин з високою здатністю до кумуляції значення смертельної концентрації токсиканту в середовищі, визначене при одноразовому введенні, може виявитися істотно вище концентрації, що викликає смерть при тривалому впливі. Для слабо кумулюючих речовин ці відмінності можуть бути менш істотними.

На практиці дані про залежність "доза-ефект" та значення величин ЛД50 часто використовують у таких ситуаціях:

1. Для характеристики гострої токсичності речовин у ході рутинних токсикологічних досліджень та порівняння токсичності кількох хімічних сполук.

ТОКСИКОКІНЕТИКА

Токсикокінетика – розділ токсикології, в рамках якого вивчаються закономірності, а також якісні та кількісні характеристики резорбції, розподілу, біотрансформації ксенобіотиків в організмі та їх елімінації (рисунок 1).

Малюнок 1. Етапи взаємодії організму із ксенобіотиком

З позицій токсикокінетики організм є складною гетерогенною системою, що складається з великої кількості компартментів (відділів): кров, тканини, позаклітинна рідина, внутрішньоклітинний вміст, з різними властивостями, відокремлених один від одного біологічними бар'єрами. До бар'єрів відносяться клітинні і внутрішньоклітинні мембрани, гістогематичні бар'єри (наприклад, гематоенцефалічний), покривні тканини (шкіра, слизові оболонки). Кінетика речовин в організмі – це, по суті, подолання ними біологічних бар'єрів та розподіл між компартментами (рис. 2).

У ході надходження, розподілу, виведення речовини здійснюються процеси його перемішування (конвекція), розчинення в біосередовищах, дифузії, осмосу, фільтрації через біологічні бар'єри.

Конкретні характеристики токсикокінетики визначаються як властивостями самої речовини, і структурно-функциональными особливостями організму.

Рисунок 2. Схема руху речовин у основних компартментах організму

Найважливішими характеристиками речовини, що впливають на його токсикокінетичні параметри, є:

Коефіцієнт розподілу в системі масло/вода - визначає здатність накопичуватися у відповідному середовищі: жиро-розчинні - у ліпідах; водо-розчинні – у воді;

Розмір молекули - впливає на здатність дифундувати в середовищі та проникати через пори біологічних мембран та бар'єрів;

Константа дисоціації - визначає відносну частину молекул токсиканту, які дисоціювали за умов внутрішнього середовища організму, тобто. співвідношення молекул, що знаходяться в іонізованій та неіонізованій формі. молекули (Іони), що дисоціювали, погано проникають через іонні канали і не проникають через ліпідні бар'єри;

Хімічні властивості - визначають спорідненість токсиканту до хімічних та біохімічних елементів клітин, тканин та органів.

Властивості організму, що впливають на токсикокінетику ксенобіотиків.

Властивості компартментів:

Співвідношення води та жиру в клітинах, тканинах та органах. Біологічні структури можуть містити або мало (м'язова тканина) або багато жиру (біологічні мембрани, жирова тканина, мозок);

Наявність молекул, що активно пов'язують токсикант. Наприклад, у кістках є структури, що активно пов'язують не тільки кальцій, але й інші двовалентні метали (свинець, стронцій тощо).

Властивості біологічних бар'єрів:

Товщина;

Наявність та розміри пір;

Наявність чи відсутність механізмів активного чи полегшеного транспорту хімічних речовин.

За існуючими уявленнями сила дії речовини на організм є функцією його концентрації у місці взаємодії зі структурою-мішенню, що у свою чергу визначається не лише дозою, а й токсикокінетичними параметрами ксенобіотика. Токсикокінетика формулює відповідь на питання, яким чином доза та спосіб впливу речовини на організм впливають на розвиток токсичного процесу?

МЕТАБОЛІЗМ КСІНОБІОТИКІВ

Багато ксенобіотиків, потрапивши в організм, піддаються біотрансформації та виділяються у вигляді метаболітів. В основі біотрансформації здебільшого лежать ензиматичні перетворення молекул. Біологічний сенс явища - перетворення хімічної речовини на форму, зручну виведення з організму, і тим самим, скорочення часу його дії.

Метаболізм ксенобіотиків відбувається у дві фази (рисунок 1).

Малюнок 1. Фази метаболізму чужорідних сполук

У ході першої фази окислювально-відновного або гідролітичного перетворення молекула речовини збагачується полярними функціональними групами, що робить її реакційно-здатною та більш розчинною у воді. У другій фазі проходять синтетичні процеси кон'югації проміжних продуктів метаболізму з ендогенними молекулами, у результаті утворюються полярні сполуки, які виводяться з організму за допомогою спеціальних механізмів екскреції.

Різноманітність каталітичних властивостей ензимів біотрансформації та їх низька субстратна специфічність дозволяє організму метаболізувати речовини різної будови. Разом з тим, у тварин різних видів та людини метаболізм ксенобіотиків проходить далеко не однаково, оскільки ензими, що беруть участь у перетвореннях чужорідних речовин, часто видоспецифічні.

Наслідком хімічної модифікації молекули ксенобіотика можуть стати:

1. Ослаблення токсичності;

2. Посилення токсичності;

3. Зміна характеру токсичної дії;

4. Ініціація токсичного процесу.

Метаболізм багатьох ксенобіотиків супроводжується утворенням продуктів, що істотно поступаються за токсичністю вихідним речовинам. Так, роданіди, що утворюються в процесі біоперетворення ціанідів, у кілька сотень разів менш токсичні, ніж вихідні ксенобіотики. Гідролітичне відщеплення від молекул зарину, зомана, діізопропілфторфосфату іону фтору, призводить до втрати цими речовинами здатності пригнічувати активність ацетилхолінестерази та суттєве зниження їх токсичності. Процес втрати токсикантом токсичності внаслідок біотрансформації позначається як "метаболічна детоксикація".

ОСНОВИ ЕКОТОКСИКОЛОГІЇ

Розвиток промисловості нерозривно пов'язані з розширенням кола використовуваних хімічних речовин. Збільшення обсягів застосовуваних пестицидів, добрив та інших хімікатів - характерна риса сучасного сільського господарства та лісівництва. У цьому об'єктивна причина неухильного посилення хімічної небезпеки для навколишнього середовища, що таїться в природі людської діяльності.

Ще кілька десятків років тому хімічні відходи виробництва просто скидали у навколишнє середовище, а пестициди та добрива практично безконтрольно, виходячи з утилітарних міркувань, розпорошували над величезними територіями. При цьому вважали, що газоподібні речовини повинні швидко розсіюватися в атмосфері, рідини частково розчинятися у воді і нестися з місць викиду. І хоча тверді продукти значною мірою накопичувалися у регіонах, потенційна небезпека промислових викидів розглядалася як низька. Використання ж пестицидів і добрив давало економічний ефект, що у багато разів перевищує шкоду, яку завдають токсиканти природі.

Проте вже 1962 року з'являється книга Рашель Карсон УМовчаліва веснаФ, у якій автор описує випадки масової загибелі птахів та риб від безконтрольного використання пестицидів. Карсон зробила висновок, що ефекти полютантів, що виявляються, на дику природу пророкують біду, що насувається, і для людини. Ця книга привернула загальну увагу. З'явилися товариства захисту довкілля, урядові законодавчі акти, які регламентують викиди ксенобіотиків. З цієї книги, по суті, почався розвиток нової гілки науки – зкотоксикології.

У самостійну науку екотоксикологію (ecotoxicology) виділив Рене Траут, який вперше, в 1969 році, пов'язав воєдино два абсолютно різних предмети: екологію (за Кребсом - науку про взаємини, які визначають поширення та існування живих істот) і токсикологію. Насправді, ця галузь знань включає, крім зазначених, елементи та інших природничих наук, таких як хімія, біохімія, фізіологія, популяційна генетика та ін.

У міру розвитку, саме поняття УекотоксикологіяФ зазнало певної еволюції. У 1978 році Батлер розглядав екотоксикологію як науку, що вивчає токсичні ефекти хімічних агентів на живі організми, особливо на рівні популяцій та угруповань, у межах певних екосистем. Левін та ін. 1989 р. визначили її як науку, що прогнозує вплив хімічних речовин на екосистеми. У 1994 році В. і Т. Форбси дали наступне визначення екотоксикології: У галузі знань, яка підсумовує екологічні та токсикологічні ефекти хімічних полютантів на популяції, спільноти та екосистеми, простежуючи долю (транспорт, трансформацію та видалення) таких полютантів у навколишньому середовищі.

Таким чином, екотоксикологія, на думку авторів, вивчає розвиток несприятливих ефектів, що виявляються при дії забруднювачів на різноманітні види живих організмів (від мікроорганізмів, до людини), як правило, на рівні популяцій або екосистеми в цілому, а також долю хімічної речовини в системі біогеоценозу.

Пізніше в рамках екотоксикології стали виділяти, як самостійний напрям, один з її розділів, що отримав назву Утоксикологія навколишнього середовища (environmental toxicology).

Сформувалася тенденція використовувати термін Уекотоксикологія лише для позначення суми знань, що стосуються ефектів хімікатів на екосистеми, виключаючи людину. Так, за Волкером та ін. (1996) екотоксикологія - вчення про шкідливі ефекти хімікатів на екосистеми. Усуваючи з кола об'єктів людини, що розглядаються екотоксикологією, це визначення детермінує різницю між екотоксикологією і токсикологією навколишнього середовища, визначає предмет вивчення останньої. Термін Утоксикологія навколишнього середовища пропонується використовувати тільки для досліджень прямої дії Забруднювачів навколишнього середовища на людину.

У процесі вивчення ефектів хімічних речовин, присутніх у навколишньому середовищі, на людину та людські спільноти, токсикологія навколишнього середовища оперує вже усталеними категоріями та поняттями класичної токсикології та застосовує, як правило, її традиційну експериментальну, клінічну, епідеміологічну методологію. Об'єктом досліджень при цьому є механізми, динаміка розвитку, прояви несприятливих ефектів дії токсикантів та продуктів їхнього перетворення у навколишньому середовищі на людину.

Поділяючи загалом такий підхід, і позитивно оцінюючи його практичну значимість, слід однак зауважити, що методологічні відмінності між екотоксикологією та токсикологією навколишнього середовища повністю стираються, коли перед дослідником ставляться завдання оцінити опосередковану дію забруднювачів на людські популяції (наприклад, обумовлену токсичною модифікацією). чи, навпаки, з'ясувати механізми дії хімікатів, що у середовищі, на представників тієї чи іншої окремого виду живих істот. У цьому зв'язку, з теоретичних позицій, Утоксикологія навколишнього середовища, як наука, є лише приватною проблемою Уекотоксикології, при цьому методологія, понятійний апарат і структура наук - єдині.

1. Ксенобіотичний профіль середовища

З позицій токсиколога абіотичні та біотичні елементи того, що ми називаємо навколишнім середовищем – все це складні, часом особливим чином організовані агломерати, суміші незліченної кількості молекул.

Для екотоксикології інтерес представляють лише молекули, які мають біодоступністю, тобто. здатні взаємодіяти немеханічним шляхом із живими організмами. Як правило, це сполуки, що знаходяться в газоподібному або рідкому стані, у формі водних розчинів, адсорбовані на частинках ґрунту та різних поверхнях, тверді речовини, але у вигляді дрібно дисперсного пилу (розмір частинок менше 50 мкм), нарешті речовини, що надходять в організм з їжею.

Частина біодоступних сполук утилізується організмами, беручи участь у процесах їхнього пластичного та енергетичного обміну з довкіллям, тобто. виступають як ресурси довкілля. Інші ж, надходячи в організм тварин і рослин, не використовуються як джерела енергії або Пластичний матеріал, але, діючи в достатніх дозах і концентраціях, здатні істотно модифікувати перебіг нормальних фізіологічних процесів. Такі сполуки називаються чужорідними чи ксенобіотиками (чужні життя).

Сукупність чужорідних речовин, що містяться у навколишньому середовищі (воді, грунті, повітрі та живих організмах) у формі (агрегатному стані), що дозволяє їм вступати в хімічні та фізико-хімічні взаємодії з біологічними об'єктами екосистеми становлять ксенобіотичний профіль біогеоценозу. Ксенобіотичний профіль слід розглядати як один із найважливіших факторів зовнішнього середовища (поряд з температурою, освітленістю, вологістю, трофічними умовами тощо), який може бути описаний якісними та кількісними характеристиками.

Важливим елементом ксенобіотичного профілю є чужорідні речовини, що містяться в органах і тканинах живих істот, оскільки всі вони рано чи пізно споживаються іншими організмами (тобто мають біодоступність). Навпаки, хімічні речовини, фіксовані в твердих, що не диспергуються в повітрі і нерозчинних у воді об'єктах (скельні породи, тверді промислові вироби, скло, пластмаса та ін), не мають біодоступності. Їх можна як джерела формування ксенобіотичного профілю.

Ксенобіотичні профілі середовища, що сформувалися в ході еволюційних процесів, що мільйони років протікали на планеті, можна назвати природними ксенобіотичними профілями. Вони різні у різних регіонах Землі. Біоценози, що існують у цих регіонах (біотопах), тією чи іншою мірою адаптовані до відповідних природних ксенобіотичних профілів.

Різні природні колізії, а останніми роками і господарська діяльність людини, часом істотно змінюють природний ксенобіотичний профіль багатьох регіонів (особливо урбанізованих). Хімічні речовини, що накопичуються в середовищі в невластивих їй кількостях і є причиною зміни природного ксенобіотичного профілю, виступають як екополютанти (забруднювачі). Зміна ксенобіотичного профілю може бути наслідком надмірного накопичення в середовищі одного або багатьох екополютантів.

Не завжди це призводить до згубних наслідків для живої природи та населення. Тільки екополютант, що накопичився в середовищі в кількості, достатній для ініціації токсичного процесу в біоценозі (на будь-якому рівні організації живої матерії), може бути позначений як екотоксикант.

Одне з найскладніших практичних завдань екотоксикології - визначення кількісних параметрів, у яких екополютант трансформується на екотоксикант. За її вирішенні необхідно враховувати, що у реальних умовах біоценоз діє весь ксенобиотический профіль середовища, модифікуючи у своїй біологічну активність окремого поллютанта. Тому в різних регіонах (різні ксенобіотичні профілі, різні біоценози) кількісні параметри трансформації поллютанту в екотоксикант строго кажучи різні.

2. Екотоксикокінетика

Екотоксикокінетика – розділ екотоксикології, що розглядає долю ксенобіотиків (екополлютантів) у навколишньому середовищі: джерела їх появи; розподіл в абіотичних та біотичних елементах навколишнього середовища; перетворення ксенобіотика в середовищі проживання; елімінацію із довкілля.

2.1. Формування ксенобіотичного профілю. Джерела надходження полютантів у середу

До природних джерел біодоступних ксенобіотиків, за даними ВООЗ (1992), відносяться: частинки пилу, що переносяться вітром, аерозоль морської солі, вулканічна діяльність, лісові пожежі, біогенні частинки, біогенні леткі речовини. Іншим джерелом ксенобіотиків у середовищі, значення якого неухильно зростає, є діяльність людини

Найважливішим елементом екотоксикологічної характеристики полютантів є ідентифікація їх джерел. Вирішити це далеко ще непросто, т.к. Іноді речовина надходить у середу в незначних кількостях, іноді у вигляді домішок до цілком нешкідливих субстанцій. Нарешті можливе утворення екополютанта в навколишньому середовищі внаслідок абіотичних чи біотичних трансформацій інших речовин.

2.2. Персистування

Численні абіотичні (що відбуваються без участі живих організмів) та біотичні (що відбуваються за участю живих організмів) процеси у навколишньому середовищі, спрямовані на елімінацію (видалення) екополютантів. Багато ксенобіотиків, потрапивши в повітря, ґрунт, воду завдають мінімальної шкоди екосистемам, оскільки час їх дії мізерно мало. Речовини, що виявляються резистентними до процесів руйнування, і, внаслідок цього, що довго персистують у навколишньому середовищі, як правило, є потенційно небезпечними екотоксикантами.

Постійний викид у навколишнє середовище персистуючих полютантів призводить до їх накопичення, перетворення на екотоксиканти для найбільш уразливої ​​(чутливої) ланки біосистеми. Після припинення викиду персистуючого токсиканту він ще тривалий час зберігається в середовищі. Так, у воді озера Онтаріо в 90-х роках визначали високі концентрації пестициду мирекс, використання якого було припинено ще наприкінці 70-х років. У водоймах випробувального полігону ВПС США у Флориді, де в 1962 - 1964 роках був з дослідницькими цілями розпорошений Помаранчевий Агент, через 10 років мул містив 10 - 35 нг/кг ТХДД (при нормі, за стандартами США - 0,1 пк Росії – 10 пкг/кг).

До речовин, що довго персистують у навколишньому середовищі, відносяться важкі метали (свинець, мідь, цинк, нікель, кадмій, кобальт, сурма, ртуть, миш'як, хром), поліциклічні полігалогеновані вуглеводні (поліхлоровані дибензодіоксини та дибензофурани, поліхлоровані. .), деякі хлорорганічні пестициди (ДДТ, гексахлоран, алдрін, ліндан і т.д.) та багато інших речовин.

2.3. Трансформація

Переважна більшість речовин піддаються у навколишньому середовищі різним перетворенням. Характер та швидкість цих перетворень визначають їх стійкість.

2.3.1. Абіотична трансформація

На стійкість речовини у навколишньому середовищі впливає багато процесів. Основними є фотоліз (руйнування під впливом світла), гідроліз, окиснення.

Фотоліз. Світло, особливо ультрафіолетові промені, здатне руйнувати хімічні зв'язки і тим самим викликати деградацію хімічних речовин. Фотоліз проходить головним чином в атмосфері та на поверхні ґрунту та води. Швидкість фотолізу залежить від інтенсивності світла та здатності речовини його поглинати. Ненасичені ароматичні сполуки, наприклад, поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ), найбільш чутливі до фотолізу, т.к. активно поглинають енергію світла. Світло прискорює й інші процеси деградації речовин: гідроліз та окиснення. У свою чергу наявність у середовищі фотооксидантів, таких як озон, оксиди азоту, формальдегід, акролеїн, органічні перекиси, суттєво прискорює процес фотолізу інших полютантів (показано для ПАУ).

Гідроліз. Вода, особливо при нагріванні, швидко руйнує багато речовин. Ефірні зв'язки, наприклад, у молекулах фосфорорганічних сполук, високочутливі до дії води, чим визначається помірна стійкість цих сполук у навколишньому середовищі. Швидкість гідролізу залежить від рН. Внаслідок перетворення хімічних речовин у навколишньому середовищі утворюються нові речовини. При цьому їх токсичність іноді може бути вищою, ніж у вихідного агента.

Біотична трансформація

Абіотичне руйнування хімічних речовин зазвичай проходить із малою швидкістю. Значно швидше деградують ксенобіотики за участю біоти, особливо мікроорганізмів (переважно бактерій та грибів), які використовують їх як поживні речовини. Процес біотичного руйнування відбувається за участю ензимів. В основі біоперетворень речовин лежать процеси окислення, гідролізу, дегалогенування, розщеплення циклічних структур молекули, відщеплення алкільних радикалів (деалкілування) тощо. Деградація з'єднання може завершуватися повним руйнуванням, тобто. мінералізацією (утворення води, двоокису вуглецю, інших простих сполук). Однак можливе утворення проміжних продуктів біотрансформації речовин, що володіють часом вищою токсичністю, ніж вихідний агент. Так, перетворення неорганічних сполук ртуті фітопланктоном може призводити до утворення більш токсичних ртутьорганічних сполук, зокрема метилртуті. Подібне явище мало місце в Японії на берегах бухти Мінамато в 50-60-х роках. Затока, що надходила у воду, ртуть зі стоками фабрики з виробництва азотних сполук, трансформувалася біотою в метилртуть. Остання концентрувалася в тканинах морських організмів та риби, що служила їжею місцевого населення. У результаті людей, які споживали рибу, розвивалося захворювання, що характеризувалося складним неврологічним симптомокомплексом, у новонароджених дітей відзначалися вади розвитку. Усього було зареєстровано 292 випадки хвороби Мінамато, 62 з них закінчилися загибеллю людей.

2.4. Процеси елімінації, не пов'язані з руйнуванням

Деякі процеси, що відбуваються у навколишньому середовищі, сприяють елімінації ксенобіотиків із регіону, змінюючи їх розподіл у компонентах середовища. Забруднювач з високим значенням тиску пари може легко випаровуватися з води та ґрунту, а потім переміщатися в інші регіони зі струмом повітря. Це явище лежить в основі повсюдного поширення щодо летких хлорорганічних інсектицидів, таких як ліндан та гексахлорбензол.

Переміщення вітром та атмосферними течіями частинок токсикантів або ґрунту, на яких адсорбовані речовини, також важливий шлях перерозподілу полютантів у навколишньому середовищі. У цьому плані характерний приклад поліциклічних ароматичних вуглеводнів (бензпірени, дибензпірени, бензантрацени, дибензантрацени та ін.). Бензпірен та споріднені йому сполуки як природного (головним чином вулканічного), так і антропогенного походження (викид металургійного, нафтопереробного виробництв, підприємств теплоенергетики тощо) активно включаються в біосферний кругообіг речовин, переходячи з одного середовища в інше. При цьому зазвичай вони пов'язані з твердими частинками атмосферного пилу. Дрібнодисперсний пил (1-10 мкм) довго зберігається в повітрі, більші пилові частинки досить швидко висідають на ґрунт і у воду в місці утворення. При виверженні вулканів попіл містить велику кількість таких речовин. При цьому чим викид, тим на більшу відстань розсіюються полютанти.

Сорбція речовин на зважених частках у воді, з наступним осадженням призводить до їх елімінації з товщі води, але накопичення в донних відкладах. Осадження різко знижує біодоступність забруднювача.

Перерозподілу водорозчинних речовин сприяють дощі та рух ґрунтових вод. Наприклад, гербіцид атразин, що використовується для захисту широколистяних рослин у сільському та парковому господарстві США, повсюдно присутній там у поверхневих водах. За деякими даними, до 92% досліджених водойм США містять цей пестицид. Оскільки речовина досить стійка і легко розчинна у воді вона мігрує і в ґрунтові води і там накопичується.

2.5. Біоакумуляція

Якщо забруднювач довкілля неспроможна потрапити всередину організму, він, зазвичай, не становить йому істотної небезпеки. Однак, потрапивши у внутрішні середовища, багато ксенобіотиків здатні накопичуватися в тканинах (див. розділ УТоксикокінетикаФ). Процес, за допомогою якого організми накопичують токсиканти, витягуючи їх з абіотичної фази (води, грунту, повітря) та з їжі (трофічна передача), називається біоакумуляцією. Результатом біоакумуляції є згубні наслідки як самого організму (досягнення вражаючої концентрації в критичних тканинах), так організмів, використовують цей біологічний вид, як їжі.

Водне середовище забезпечує найкращі умови для біоакумуляції сполук. Тут мешкають міріади водних організмів, що фільтрують і пропускають через себе величезну кількість води, екстрагуючи при цьому токсиканти, здатні до кумуляції. Гідробіонти накопичують речовини в концентраціях, часом у тисячі разів більших, ніж міститься у воді.

Чинники, що впливають на біоакумуляцію

Схильність екотоксикантів до біоакумуляції залежить від багатьох факторів. Перший – персистування ксенобіотика в середовищі. Ступінь накопичення речовини в організмі, зрештою, визначається його вмістом у середовищі. Речовини, що швидко елімінуються, в цілому погано накопичуються в організмі. Винятком є ​​умови, у яких полютант постійно привноситься у довкілля (регіони поблизу виробництв тощо.).

Так, синильна кислота, хоч і токсична сполука, через високу летючість не є, на думку багатьох фахівців, потенційно небезпечним екополлютантом. Щоправда, досі не вдалося повністю виключити, що деякі види захворювань, порушення вагітності у жінок, які мешкають поблизу золотодобувних підприємств, де ціаніди використовуються у величезних кількостях, не пов'язані з хронічною дією речовини.

Після надходження речовин в організм їхня доля визначається токсикокінетичними процесами (див. відповідний розділ). Найбільшою здатністю до біоакумуляції мають жиророзчинні (ліпофільні) речовини, що повільно метаболізують в організмі. Жирова тканина, як правило, є основним місцем тривалого депонування ксенобіотиків. Так, через багато років після дії, високий вміст ТХДД виявляли в біоптатах жирової тканини та плазмі ветеранів армії США, учасників в'єтнамської війни. Однак багато ліпофільних речовин схильні до сорбції на поверхнях різних частинок, що осаджуються з води та повітря, що знижує їх біодоступність. Наприклад, сорбція бензпірену гуміновими кислотами знижує здатність токсиканту до біоакумуляції тканинами риб утричі. Риби з водойм з низьким вмістом завислих частинок у воді акумулюють більше ДДТ, ніж риби з евтрофічних водойм з високим вмістом суспензії.

Речовини, що метаболізують в організмі, накопичуються в меншій кількості, ніж можна було б очікувати, виходячи з їх фізико-хімічних властивостей. Міжвидові відмінності значень факторів біоакумуляції ксенобіотиків багато в чому визначаються видовими особливостями метаболізму.

Значення біоакумуляції

Біоакумуляція може бути основою як хронічних, а й відстрочених гострих токсичних ефектів. Так, швидка втрата жиру, у якому накопичено велику кількість речовини, призводить до виходу токсиканту в кров. Мобілізація жирової тканини у тварин часто відзначається в період розмноження. В екологічно неблагополучних регіонах це може супроводжуватися масовою загибеллю тварин при досягненні статевої зрілості. Стійкі полютанти можуть також передаватися потомству, у птахів і риб - з вмістом жовткового мішка, у ссавців - з молоком матері-годувальниці. При цьому можливий розвиток ефектів у потомства, які не виявляються у батьків.

2.6. Біомагніфікація

Хімічні речовини можуть переміщатися харчовими ланцюгами від організмів-жертв, до організмів-консументів. Для високо ліпофільних речовин це переміщення може супроводжуватися збільшенням концентрації токсиканту у тканинах кожного наступного організму – ланки харчового ланцюга. Цей феномен називається біомагніфікацією. Так для знищення комарів на одному з каліфорнійських озер застосували ДДТ. Після обробки вміст пестициду у воді становило 0,02 частин на мільйон (ppm). Через деякий час у планктоні ДДТ визначався в концентрації 10 ppm, у тканинах планктоноїдних риб – 900 ppm, хижих риб – 2700 ppm, птахів, що харчуються рибою – 21000 ppm. Тобто вміст ДДТ у тканинах птахів, які не зазнали безпосереднього впливу пестициду, було у 1000000 разів вище, ніж у воді та у 20 разів вище, ніж в організмі риб – першій ланці харчового ланцюга.

У вже згадуваній раніше книзі Рашель Карсон УМовчалива весна наводиться такий приклад. Для боротьби з переносником Уголландської хвороби, що вражає в'язи, в'язовим заболонником Scolytes multistriatus, дерева обробляли ДДТ. Частина пестициду потрапляла у ґрунт, де його поглинали дощові черв'яки та накопичували у тканинах. У перелітних дроздів, що поїдають переважно дощових черв'яків, розвивалося отруєння пестицидом. Частина гинула, в інших порушувалася репродуктивна функція - вони відкладали стерильні яйця. В результаті боротьба із захворюванням дерев призвела до майже повного зникнення перелітних дроздів у низці регіонів США.

3. Екотоксикодінаміка

3.1. Загальні поняття

Екотоксикодинаміка - розділ екотоксикології, що розглядає конкретні механізми розвитку та форми токсичного процесу, викликаного дією екотоксикантів на біоценоз та/або окремі види, його складові.

Механізми, з яких речовини можуть викликати несприятливі ефекти в біогеоценозах, численні і, мабуть, у кожному даному випадку, унікальні. Водночас вони піддаються класифікації. Так, можна виділити пряму, опосередковану та змішану дію екотоксикантів.

Пряма дія - це безпосереднє ураження організмів певної популяції або кількох популяцій (біоценозу) екотоксикантом або сукупністю екотоксикантів цього ксенобіотичного профілю середовища. Прикладом речовин із подібним механізмом на людини є кадмій. Цей метал накопичується в організмі навіть при мінімальному його вмісті в середовищі і при досягненні критичної концентрації ініціює токсичний процес, що проявляється ураженням дихальної системи, нирок, імуносупресією та канцерогенезом.

Опосередковане - це дія ксенобіотичного профілю середовища на біотичні або абіотичні елементи довкілля популяції, в результаті якого умови і ресурси середовища перестають бути оптимальними для її існування.

Багато токсиканти здатні надавати як пряме, і опосередковане, тобто. змішана дія. Прикладом речовин, що мають змішаний механізм екотоксичної дії, є зокрема гербіциди 2,4,5-Т і 2,4-Д, що містять як домішки невелику кількість 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-діоксин (ТХДД). Широке використання цих речовин американською армією у В'єтнамі завдало значної шкоди рослинному, тваринному світу країни та безпосередньо здоров'ю людей.

3.2. Екотоксичність

Екотоксичність – це здатність даного ксенобіотичного профілю середовища викликати несприятливі ефекти у відповідному біоценозі. У тих випадках, коли порушення природного ксенобіотичного профілю пов'язане з надлишковим накопиченням у середовищі лише одного поллютанта, можна умовно говорити про екотоксичність тільки цієї речовини.

Відповідно до уявлення про рівні організації біологічних систем в екології прийнято виділяти три розділи (Г.В. Стадницький, А.І. Родіонов, 1996):

Аутекологію – опис екологічних ефектів на рівні організму;

Демекологію - екологічні ефекти лише на рівні популяції;

Синекологія - ефекти на рівні біоценозу.

У зв'язку з цим і несприятливі екотоксичні ефекти, доцільно розглядати:

На рівні організму (аутекотоксичні) - проявляються зниженням резистентності до інших діючих факторів середовища, зниженням активності, захворюваннями, смертю організму, канцерогенезом, порушеннями репродуктивних функцій і т.д.

На рівні популяції (демокотоксичні) - виявляються загибеллю популяції, зростанням захворюваності, смертності, зменшенням народжуваності, збільшенням числа вроджених дефектів розвитку, порушенням демографічних характеристик (співвідношення вікових груп, статей тощо), зміною середньої тривалості життя, культурною деградацією.

На рівні біогеоценозу (синекотоксичні) - проявляються зміною популяційного спектру ценозу, аж до зникнення окремих видів та появи нових, не властивих даному біоценозу, порушенням міжвидових взаємин.

У разі оцінки екотоксичності лише однієї речовини щодо представників тільки одного виду живих істот, повною мірою можуть бути використані якісні та кількісні характеристики, прийняті в класичній токсикології (величини гострої, підгострої, хронічної токсичності, дози та концентрації, що викликають мутагенну, канцерогенну та інші види ефектів тощо). Однак у більш складних системах, екотоксичність цифрами (кількісно) не вимірюється, вона характеризується цілим рядом показників якісно або напівкількісно, ​​через поняття Убезпечення або Уекологічний ризик.

Залежно від тривалості дії екотоксикантів на екосистему можна говорити про гостру та хронічну екотоксичність.

3.2.1. Гостра екотоксичність

Гостра токсична дія речовин на біоценоз може бути наслідком аварій і катастроф, що супроводжуються виходом у навколишнє середовище великої кількості щодо нестійкого токсиканту або неправильного використання хімікатів.

Історії вже відомі такі події. Так, 1984 року в м. Бхопал (Індія) на заводі американської хімічної компанії з виробництва пестицидів УЮніон КарбайдФ сталася аварія. В результаті до атмосфери потрапила велика кількість пульмонотропної речовини метилізоціанату. Будучи летючою рідиною, речовина утворила нестійке вогнище зараження. Проте отруєння зазнало близько 200 тис. осіб, з них 3 тисячі - загинули. Основна причина смерті - набряк легень, що гостро розвинувся.

Інший відомий випадок гострої токсикоекологічної кататстрофи мав місце в Іраку. Урядом цієї держави була закуплена велика партія зерна як посівний матеріал. Посівне зерно з метою боротьби зі шкідниками зазнавало обробки фунгіцидом метилртутью. Однак ця партія зерна випадково потрапила у продаж та була використана для випікання хліба. Внаслідок цієї екологічної катастрофи отруєння отримали понад 6,5 тис. осіб, із яких близько 500 загинули.

У 2000 році в Румунії, на одному з підприємств з видобутку дорогоцінних металів, в результаті аварії стався витік синильної кислоти і ціанід-продуктів. Токсиканти у величезній кількості надійшли у води Дунаю, отруївши все живе протягом сотень кілометрів вниз за течією річки.

Найбільшим екологічним лихом є використання високотоксичних хімічних речовин із військовими цілями. У роки першої світової війни країнами, що воювали, було використано на полях битв близько 120 тис. тонн отруйних речовин. В результаті отруєння отримали понад 1,3 млн. осіб, що можна розглядати як одну з найбільших в історії людства екологічних катастроф.

Гостра екотоксична дія не завжди призводить до загибелі або гострого захворювання людей або представників інших біологічних видів, що зазнали впливу. Так, серед ОВ, що застосовувалися в першу світову війну, був і сірчистий іприт. Ця речовина, як канцероген, стала причиною пізньої загибелі уражених від новоутворень.

3.2.2. Хронічна екотоксичність

З хронічною токсичністю речовин, зазвичай, асоціюються сублетальные ефекти. Часто при цьому мають на увазі порушення репродуктивних функцій, імунні зрушення, ендокринну патологію, вади розвитку, алергізацію тощо. Однак хронічний вплив токсиканту може призводити і до смертельних наслідків серед особин окремих видів.

Прояви дії екотоксикантів на людину можуть бути найрізноманітнішими і за певних рівнів інтенсивності впливу виявляються досить специфічними для фактора, що діє.

Механізми екотоксичності

У сучасній літературі наводяться численні приклади механізмів впливу хімічних речовин на живу природу, що дозволяють оцінити їхню складність і несподіванку.

1. Пряма дія токсикантів, що веде до масової загибелі представників чутливих видів. Застосування ефективних пестицидів призводить до масової загибелі шкідників: комах (інсектицидів) або бур'янів (гербіцидів). На цьому екотоксичному ефекті будується стратегія використання хімікатів. Однак у ряді випадків відзначаються супутні негативні явища. Так було в Швеції, в 50-60 гг. для обробки насіння зернових культур широко використовували метилртутьдиціанамід. Концентрація ртуті у зерні становила понад 10 мг/кг. Періодичне склювання протруєного насіннєвого зерна птахами призвело до того, що через кілька років було відзначено масову загибель фазанів, голубів, куріпок та інших зерноїдних пернатих від хронічної інтоксикації ртуттю.

Оцінюючи екологічної обстановки необхідно пам'ятати основний закон токсикології: чутливість різних видів живих організмів до хімічних речовин завжди різна. Тому поява поллютанта у навколишньому середовищі навіть у малих кількостях може бути згубною для представників найбільш чутливого вигляду. Так, хлорид свинцю вбиває дафній протягом доби при вмісті його у воді концентрації близько 0,01 мг/л, малонебезпечної представників інших видів.

2. Пряма дія ксенобіотика, що призводить до розвитку аллобіотичних станів та спеціальних форм токсичного процесу. Наприкінці 80-х років у результаті вірусних інфекцій у Балтійському, Північному та Ірландському морях загинуло близько 18 тисяч тюленів. У тканинах загиблих тварин знаходили високий вміст поліхлорованих біфенілів (ПХБ). Відомо, що ПХБ, як і інші сполуки, що містять хлор, такі як ДДТ, гексахлорбензол, діелдрин мають імуносупресивну дію на ссавців. Їхнє накопичення в організмі і призвело до зниження резистентності тюленів до інфекції. Таким чином, безпосередньо не викликаючи загибелі тварин, політант істотно підвищував їхню чутливість до дії інших несприятливих екологічних факторів.

Класичним прикладом даної форми екотоксичної дії є збільшення числа новоутворень, зниження репродуктивних можливостей у популяціях людей, які проживають у регіонах, забруднених екотоксикантами (території Південного В'єтнаму – діоксин).

3. Ембріотоксична дія екополютантів. Добре встановлено, що ДДТ, накопичуючись у тканинах птахів, таких як кряква, скопа, білоголовий орлан та ін, призводить до витончення шкаралупи яєць. У результаті пташенята не можуть бути висиджені і гинуть. Це супроводжується зниженням чисельності популяції птахів.

Приклади токсичної дії різних ксенобіотиків (у тому числі лікарських препаратів) на ембріони людини та ссавців широко відомі (див. розділ УТератогенез).

4. Пряма дія продукту біотрансформації поллютанта з незвичайним ефектом. Польові спостереження за живородящими рибами (карпозубі) у штаті Флорида дозволили виявити популяції з великою кількістю самок з явними ознаками маскулінізації (своєрідна поведінка, модифікація анального плавця тощо). Ці популяції були виявлені в річці, нижче від стоку заводу з переробки горіхів. Спочатку припустили, що стоки містять маскулінізуючі речовини. Проте дослідження показали, що таких речовин у викидах відсутні: стічна вода не викликала маскулінізацію. Далі було встановлено, що в стічних водах містився фітостерон (утворюється в процесі переробки сировини), який потрапивши у воду річки піддавався впливу бактерій, що мешкають тут, і перетворювався за їх участі в андроген. Останній викликав несприятливий ефект.

Екотоксикометрія

Загальна методологія

Екотоксикометрія - розділ екотоксикології, в рамках якого розглядаються методичні прийоми, що дозволяють оцінити (перспективно або ретроспективно) екотоксичність ксенобіотиків.

Всі види класичних кількісних токсикологічних досліджень повною мірою використовуються для визначення екотоксичності ксенобіотиків (див. розділ УТоксикометріяФ).

Гостра токсичність екополютантів визначається експериментально на кількох видах, які є представниками різних рівнів трофічної організації в екосистемі (водорості, рослини, безхребетні, риби, птиці, ссавці). Агентство захисту навколишнього середовища США вимагає щодо критеріїв якості води, що містить якийсь токсикант, визначення його токсичності, принаймні, на 8 різних видах прісноводних і морських організмів (16 тестів).

Неодноразово робилися спроби ранжувати види живих істот щодо їхньої чутливості до ксенобіотиків. Однак для різних токсикантів співвідношення чутливості до них живих істот по-різному. Більш того, використання в екотоксикології стандартних видів представників певних рівнів екологічної організації, для визначення екотоксичності ксенобіотиків, з наукової точки зору, не коректно, оскільки чутливість тварин навіть близьких видів, часом відрізняється дуже істотно.

При оцінці екотоксичності необхідно враховувати, що хоча практично всі речовини можуть викликати гострі токсичні ефекти, хронічна токсичність виявляється далеко не у кожної сполуки. Непрямою величиною, що вказує на ступінь небезпеки речовини при її хронічній дії, є співвідношення концентрацій, що спричиняють гострі (ЛК50) та хронічні (поріг токсичної дії) ефекти. Якщо це співвідношення менше 10 речовина розглядається як малонебезпечне при хронічному впливі.

При оцінці хронічної екотоксичності речовини необхідно враховувати такі обставини:

1. Визначення коефіцієнта небезпеки є лише першим кроком визначення екотоксичного потенціалу речовини. У разі лабораторії порогові концентрації хронічного дії токсикантів визначають, оцінюючи показники летальності, зростання, репродуктивних здібностей групи. Вивчення інших наслідків хронічної дії речовин часом може призвести до інших числових характеристик.

2. Дослідження токсичності проводять на тваринах, придатних для утримання в умовах лабораторії. Отримані при цьому результати не можна розглядати як абсолютні. Токсиканти можуть викликати хронічні ефекти в одних видів, і не викликати в інших.

3. Взаємодія токсиканту з біотичними та абіотичними елементами навколишнього середовища може суттєво позначитися на його токсичності у природних умовах (див. вище). Однак це не підлягає вивченню в умовах

Розділи токсикології

Токсикометрія – кількісна оцінка токсичності, вимірювання залежності “доза – реакція”.

Токсикодинаміка - вивчення механізмів, що у основі токсичної дії різних хімічних речовин, закономірностей формування токсичного процесу, його проявів.

Токсикокінетика - з'ясування механізмів проникнення токсикантів в організм, закономірностей із розподілу, метаболізму та виведення.

Токсичність залежить від дози та експозиції. Також від ізомерів. Тіонові та тіолові ізомери у ФОС. Введення токсофорних груп.

Механізми токсичності

Шляхи проникнення пестицидів в організм тварини та людини.

1. Розподіл

Переміщення водною складовою тіла (лімфатична та кровоносна системи). Ліпофільні речовини виводяться складніше за гідрофільні.

Фактори, що впливають на швидкість розповсюдження:

Швидкість потоку крові до тканини

Маса тканини

Здатність речовини пересуватися через мембрани

Спорідненість речовини до тканини в порівнянні з кров'ю.

1. Взаємодія із місцем дії

2. Порушення клітин, ушкодження

3. Загибель чи відновлення

Механізми, що сприяють пересуванню крові до місця дії:

Пористість капілів

Специфічний транспорт через мембрани

Нагромадження в органелах клітини

Оборотне внутрішньоклітинне зв'язування

Перешкоджають переміщенню:

Зв'язування протеїнами плазми (ХОС) - альбумін, бета-глобулін, церулоплазмін, альфа та бета-ліпопротеїни, альфа-глікопротеїн кислий.

Специфічні бар'єри (гематоенцифалічні та плацентарні).

Шар гліальних клітин, що покривають поверхню капілярів. Омиваються з одного боку кров'ю, з іншого – міжклітинною рідиною.

Плацентний бар'єр – кілька шарів клітин між внутрішньоплодовою рідиною та материнською кровоносною системою. Ліпофльні – дифузією, ЦНС відповідає за біотрансформацію.

Накопичення в запасних тканинах (ХОС у жирових клітинах; свинець – кісткова тканина).

Зв'язування з неспецифічним місцем дії (ФОС - бутирилхолінестераза)

Експорт із клітки

Зв'язування органами, тканинами: печінки і нирки мають високу здатність зв'язування. Жирова тканина: ХОС, піретроїди. Кісткова тканина: фтор, свинець, стронцій.

Токсичні ефекти, класифікація токсичності

Вплив на місце дії:

Токсикант може порушувати функцію молекули або її руйнувати:

Порушення функції - інгібування: піретроїди блокують закриття іонних каналів, бензімідазол блокують полімеризацію тубуліна.

Порушення функції протеїнів: реакція з тіоловими групами протеїнів (фталіміди); порушення функцій ДНК мутагени, канцерогени.

Вплив на місце дії:

Руйнування молекули:

Зміна молекули шляхом перехресного зв'язування та фрагментації: сірковуглець та алкілуючі агенти перехресно пов'язують цитоскелетарні протеїни, ДНК

Спонтанна руйнація: вільні ралікали ініціюють руйнування ліпідів шляхом захоплення водню з жирних кислот

Гострі ефекти:

Дерматотоксичність:

Властивість хімікату ушкоджувати шкірні покриви шляхом прямого контакту чи резорбтивної дії внаслідок проникнення хімікату всередину організму з недостатнім розвитком системних ефектів.

Хімічний дерматит - процес, що розвивається в результаті місцевого впливу токсиканту та супроводжується запальною реакцією

Неалергічний контактний - буває подразнюючої (цитотоксичний ефект) і дії, що припікає (руйнування покривних тканин). Дратівливі – органічні розчинники, дітіокарбамати.

Алергічний контактний – після відносно тривалого контакту.

Токсикодермія – патологічний процес у шкірі, що формується внаслідок резорбтивної дії токсиканту. Хвороба – хлоракне.

Пульмонотоксичність – властивість токсиканту викликати порушення органів дихання.

Роздратування – аміак, хлор, фосфін.

Некрози клітин – пневмонія, набряк легень (кадмій, ФОС, діоксид сірки, паракват, дихлорметан, гас).

Фібрози (утворення колагенних тканин) – силікоз, азбестоз.

Енфізема – окис кадмію, окису азоту, озон.

Гематотоксичність - властивість токсиканту порушувати функції клітин крові, або клітинний склад крові.

Порушення властивостей гемоглобіну, анемія, аплазія кісткового мозку.

Метгемоглобін – гемоглобін, залізо якого тривалентно. Його рівень менший за 1%. метгемоглобінемія розвивається під дією ксенобіотиків, які або безпосередньо окислюють залізо, що входить до структури гемоглобіну, лбіо перетворюються в організмі на подібні агенти. Швидкість утворення метгемоглобіну перевищує швидкість утворення гемоглобіну. Динітрофеноли, нафтиламіни тощо.

Карбоксигемоглобінемія – утворення відповідної речовини в крові під впливом CO та карбонілами металів.

Гемоліз супроводжується:

1. Підвищення вмісту колоїдно-осматичних властивостей крові через зростання вмісту білка.

2. Прискореним руйнуванням гемоглобіну.

3. Утрудненням дисоціації оксигемоглобіну.

4. Нефротоксичною дією гемоглобіну.

Захворювання:

Аплазія кісткового мозку – скорочення числа формених одиниць крові.

Тромбоцитопенія та лейкемія.

Нейротоксичність - здатність пестициду порушувати дію нервової системи в цілому. Місця дії: нейрон, аксон, вміст мієліну покриття клітин, система передачі нервових імпульсів.

Нейрон – нейронопатія (загибель нейронів). Речовини: миш'як, азиди, ціаніди, етанол, метанол, свинець, ртуть, метилртуть, бромистий метил, тріметілолово, ФОС.

Аксон – аксонопатія. Акриламід, сірковуглець, хлордекан, дихлорфеноксіацетат, ФОС, піретроїди, гексан.

Мієлінопатія - пошкодження мієлінового шару. Свинець, трихлорфон.

Порушення дії нервової системи: ХОС, піретроїди, авермектини, фенілпіразоди, мікотоксини, токсини членистоногих.

Гепатотоксичність: властивість хімікатів спричиняти структурно-функціональні порушення печінки. Ушкодження:

Жирове переродження. Рання поява передує некрозу. Причини:

Порушення процесів катаболізму ліпідів

Надлишкове надходження жирних кислот у печінку

Пошкодження механізмів виділення тригліцеридів у плазму крові

Некроз печінки – дегенеративний процес, що призводить до загибелі клітин. Частина – фокальний некроз, повністю – тотальний некроз. Супроводжується пошкодженням плазматичних мембран та стеатозом. Токсиканти: альфатичні та ароматичні вуглеводні, нітросполуки, нітрозоаміни, афлатоксини.

Холестаз – порушення процесу жовчовиділення. Токсиканти: ліки (сульфаніламіди, естрадіол), аніліни.

Цироз - утворення колагенових тяжів, що порушують нормальну структуру органу, що порушують внутрішньопечінковий кровотік, жовчовиділення. Етанол, галогеновуглеці.

Канцерогенез

Нефротоксичність – здатність пестициду порушувати структурно-функціональні порушення нирок. І

Хроматографія - це метод поділу та опрелення речовин, заснованих на поділі компонентів між двома фазами. Нерухливою служить тверда пориста речовина (сорбент), або плівка рідини на твердій речовині. Рухлива фаза є рідина або газ, що протікає через нерухому фазу (іноді під тиском). Компоненти аналізованої суміші (сорбати) разом із рухомою фазою пересуваються вздовж стаціонарної фази. Її зазвичай поміщають у скляну чи металеву трубку, звану колонкою. Залежно від сили взаємодії з поверхнею сорбенту за рахунок адсорбції або іншого механізму компоненти переміщуються вздовж колонки з різною швидкістю. Одні компоненти залишаться у верхньому шарі сорбенту, інші, меншою мірою, що взаємодіють з сорбентом, виявляться в нижній частині колонки. А деякі взагалі залишать колонку разом з рухомою фазою. Далі речовини потрапляють у детектор. Найбільш широко застосовуються іонізаційні детектори, принцип роботи якого ґрунтується на зміні іонного струму. Він виникає під впливом джерела іонізації - електричного поля між електродами детектора. Як джерело іонізації використовують: електронну іонну емісію, радіоактивні ізотопи, електричний розряд.

Токсичний ефект слід відносити до порушення циклу сечовини під час раннього розвитку гіперамоніємії.

Один із симптомів: перш ніж настане глибока кома, часто розвиваються судоми, особливо у ранньому віці.

Проте за хорошого контролю метаболічних порушень симптоматичні напади з'являються рідко.

Наступними можна виділити порушення обміну амінокислот при невиліковній фенілкетонурії. Статистика каже, такі епілептичні напади розвиваються в діапазоні від 25% до 50% всіх обстежених пацієнтів.

Добре вивчений Синдром Веста з гіпсаритмією та інфантильними судомами є найпоширенішим симптомом, що повністю виліковується при призначенні симптоматичної терапії.

Деякі судоми можуть супроводжуватися так званою хворобою «кленового сиропу» у неонатальному періоді; у цьому випадку на електроенцефалограмі проявляється «гребенеподібний» ритм, схожий на ритм у центральних областях головного мозку.

При призначенні адекватної дієти напади припиняються та епілепсія не розвивається. При деяких порушеннях обміну амінокислот напади можуть бути одними з основних симптомів.

Існує вид токсичних нападів, внаслідок порушення обміну органічних кислот, де різноманітні органічні ацидурії можуть бути осередком нападу або призводити до епізодів гострої декомпенсації. Серед них найбільш суттєвими є пропіонова ацидемія та метилмалонова ацидемія.

Під час коректного лікування напади дуже рідкісні і відбивають персистуючу поразку мозку. При глутарової ацидурії першого типу епілептичні напади можуть гостро розвиватися і припиняються після початку адекватної терапії.

При дефіциті 2-метил-3-гідроксибутират-СоА-дегідрогенази, описаної як вроджене порушення кислоти, що відповідає за брахіоцефальні ожиріння та порушення обміну ізолейцину, виражена епілепсія проявляється часто.

Ще один вид епілептичних нападів, зумовлених токсичними ефектами, викликаний порушенням піримідинового обміну та пуринового обміну. Такі напади характерні при дефіциті аденілсукцинату, чиї "de novo" ефекти викликають синтез пуринів.

Однак слід зауважити, що епілепсія часто розвивається в неонатальному періоді і на першому році життя людини. У таких пацієнтів додатково виявляються різко виражені психомоторні порушення та аутизм.

Діагностика проводиться за допомогою модифікованого тесту Браттона – Маршалла, який застосовується для дослідження сечі. Потрібно констатувати, що немає результативного лікування цього захворювання, тому медичний прогноз дуже несприятливий. Статистика показує, що напади розвиваються у 50% всіх обстежених пацієнтів з дефіцитом дигидропиримидин дегідрогенази.

І заключний вид епілептичних нападів, зумовлених токсичними ефектами, відзначений у медичній практиці як некетотична гіперглікемія.

Це порушення викликане недостатнім розщепленням гліцину і досить рано проявляється, у неонатальному періоді, такими симптомами як летаргія, гіпотонія, гикавка (прим. виявляється до народження), а також офтальмоплегія.

Слід зазначити, що при посиленні коми починають розвиватися апное та часті фокальні міоклонічні судомні посмикування. Протягом наступних кількох місяців (зазвичай це більше трьох) розвивається важка, що важко піддається, яка в більшості випадків проявляє себе парціальними моторними нападами або інфантильними спазмами.

У ранньому віці електроенцефалограма показує нормальну фонову активність, але виникають ділянки гострих епілептичних хвиль (так звані спалахи пригнічення), що змінюються високоамплітудною повільною активністю з гіпсаритмією протягом наступних трьох місяців.

Діагностика ґрунтується на високій концентрації гліцину у всіх рідинах тіла та лікворі (значення >0,08). З допомогою магнітно-резонансного томографа показується нормальна картина чи гіпоплазія чи агенезія.

Гліцин є одним з найбільших інгібіторів нейротрансмітерів у спинному та головному мозку. Є припущення, що надлишок гліцину перенасичує коантагоніст-зв'язуючий ділянку NMDA-рецептора, сприяючи надмірному збудженню нейротрансмісії та постсинаптичної токсичності.

Досліджуваний збуджуючий токсичний ефект надмірно активного NMDA-рецептора є очевидною причиною епілепсії, а також часткової тетраплегії та затримки розумового розвитку. Це підтверджують терапевтичні випробування NMDA-антагоністів із частковими проявами на електроенцефалограмі. Така важка форма епілепсії, як свідчить практика, лікується загальноприйнятими протиепілептичними засобами.

Слід пам'ятати, що у класифікації епілепсії також враховується віковий критерій. За допомогою нього виділяють типову, що рано починається, що з'являється в перші дні життя, і атипову, що пізно починається, що виявляється до 35-річного віку.

Опубліковано у журналі:
РАКТИКА ПЕДІАТРА, ФАРМАКОЛОГІЯ, червень 2006р.

С.С ПОСТНИКОВ, д.м.н, професор кафедри клінічної фармакології РДМУ, Москва На жаль, нешкідливих ліків немає і, мабуть, і бути не може. Тому ми продовжуємо розповідати про побічні ефекти однієї з найвизначніших груп препаратів - антибактеріальних засобів.

АМІНОГЛІКОЗИДИ (АМГ)

До аміноглікозидів відносять сполуки, до складу яких входять 2 або більше аміносахарів, з'єднаних глікозидним зв'язком з ядром молекули - аміноциклітолом.

Більшість перших АМГ - природні АБ (грибки роду Streptomices та Micromonospore). Найновіші АМГ - амікацин (похідне канаміцину А) та нетилміцин (напівсинтетичне похідне гентаміцину) отримані шляхом хімічної модифікації природних молекул.

АМГ відіграють важливу роль у лікуванні інфекцій, спричинених грамнегативними організмами. Всі АМГ як старі (стрептоміцин, неоміцин, мономіцин, канаміцин), так і нові (гентаміцин, тобраміцин, сізоміцин, амікацин, нетилміцин) мають широкий спектр дії, бактерицидність, близькі фармакокінетичні властивості, подібні особливості побічних і токс ) та синергідною взаємодією з β-лактамами (Союзфармація, 1991).

При введенні через рот АМГ поглинаються погано і тому для лікування інфекцій поза кишковою трубкою не використовуються.

Однак АМГ можуть значною мірою абсорбуватися (особливо у новонароджених) при місцевому застосуванні з поверхні тіла після іригації або аплікації та чинити нефро- та нейротоксичну дію (системний ефект).

АМГ проникають через плаценту, накопичуються у плода (близько 50% материнської концентрації) з можливим розвитком тотальної глухоти.

НЕФРОТОКСИЧНІСТЬ АМГ

АМГ майже не піддаються біотрансформації та виводяться з організму в основному шляхом клубочкової фільтрації. Вказується також на їхню реабсорбцію проксимальними канальцями. Через переважно ренальний шлях елімінації всі представники цієї групи АБ потенційно нефротоксичні(аж до розвитку тубулярного некрозу з ГНН), лише різною мірою. За цією ознакою АМГ можуть бути розташовані в наступному порядку: неоміцин > гентаміцину > тобраміцину > амікацину > нетилміцину (Е.М.Лукьянова, 2002).

Нефротоксичність АМГ (2-10%) частіше розвивається в полярних вікових групах (діти раннього віку та люди похилого віку) - вікзалежний токсичний ефект.Імовірність нефротоксичності також зростає зі збільшенням добової дози, тривалості лікування (понад 10 днів), а також кратності введення і залежить від попередньої ниркової дисфункції.

Найбільш інформативними показниками ураження проксимальних канальців (мішень для токсичної дії АМГ) є поява в сечі мікроглобулінів (β 2 -мікроглобуліну та α 1 -мікроглобуліну), які в нормі майже повністю реабсорбуються і катаболізуються проксимальними канальцями та ензимуріяави -глюкозамінідази), а також білків з молекулярною масою більше 33 КД, які фільтруються клубочками. Як правило, ці маркери виявляються після 5-7 днів лікування, помірно виражені та оборотні.

Порушення азотовидільної функції нирок як прояв ниркової недостатності (підвищення рівня сечовини та креатиніну сироватки більш ніж на 20%) виявляється лише при суттєвому ураженні нирок внаслідок тривалого застосування АМГ у високих дозах, потенціювання їх нефротоксичності петлевими діуретиками та/або.

ГЕНТАМІЦИН:нирками кумулюється близько 40% АБ, що розподіляється у тканинах хворого (у корі нирок понад 80% "ниркового" АБ). У кірковому шарі нирок концентрація гентаміцину перевищує спостережувану у сироватці крові більш ніж у 100 разів. Слід наголосити, що для гентаміцину характерна більш висока ступінь канальцевої реабсорбції та більше накопичення в кірковому шарі нирок, ніж у інших АМГ. Гентаміцин накопичується також (хоча і в менших кількостях) у мозковому шарі та сосочках нирок.

Гентаміцин, поглинаючись проксимальними канальцями нирок, накопичується в лізосомах клітин. Перебуваючи в клітинах, він пригнічує лізосомальну фосфоліпазу і сфінгомієліназ, що викликає лізосомальний фосфоліпідоз, акумуляцію мієлодних частинок і клітинний некроз. При електронно-мікроскопічному дослідженні в експерименті та біопсії нирок у людини виявлено набухання проксимальних канальців, зникнення ворсинок щіткової облямівки, зміни внутрішньоклітинних органел при введенні гентаміцину у середніх терапевтичних дозах. Лікування високими (>7 мг/кг на день) дозами гентаміцину може супроводжуватися гострим тубулярним некрозом з розвитком гострої ниркової недостатності та необхідністю гемодіалізу в окремих випадках, тривалістю олігуричної фази близько 10 днів, при цьому, як правило, спостерігається повне відновлення функції нирок після відміни препарату.

До факторів, що підвищують можливість прояву нефротоксичності гентаміцину, відносяться: попередня неспроможність нирок, гіповолемія, одночасне використання інших нефротоксичних ЛЗ (гідрокортизону, індометацину, фуросеміду та етакринової кислоти, цефалоридину, циклоспорину, амфотерицину); вік хворого.

Частота виникнення нефротоксичних реакцій при лікуванні гентаміцином варіює від 10-12 до 25% і навіть 40% залежно від дози та тривалості лікування. Ці реакції найчастіше спостерігаються при максимальній концентрації АБ у крові 12-15 мкг/мл. Однак наголошується на доцільності визначення мінімальних (залишкових) концентрацій, оскільки збільшення саме цих значень вище 1-2 мкг/мл перед кожним наступним введенням є свідченням кумуляції препарату і, отже, можливої ​​нефротоксичності. Звідси й потреба лікарського моніторингу для АМГ.

ОТОТОКСІЧНІСТЬ АМГ

При застосуванні стрептоміцину, гентаміцину, тобраміцину частіше виникають вестибулярні розлади, а канаміцин та його похідне амікацин переважно впливають на слух. Однак це вибірковість суто відносна і у всіх АМГ відзначається "широкий" спектр ототоксичності. Так, гентаміцин проникає і довго зберігається в рідині внутрішнього вуха, клітинах слухового і вестибулярного апарату. Його концентрація в ендо- та перилимфі значно вища, ніж в інших органах і наближається до концентрації крові, а на рівні 1 мкг/мл зберігається там протягом 15 днів після припинення лікування, викликаючи дегенеративні зміни у зовнішніх клітинах миготливого епітелію основної звивини равлика (Ю .Б.Білоусов, С.М.Шатунов, 2001). У клінічній картині цим змін відповідає порушення слуху в межах високих тонів, а в міру просування дегенерації до верхівки равлика - також середніх і низьких тонів. До ранніх оборотних проявів вестибулярних розладів (через 3-5 днів від початку застосування препарату) відноситься запаморочення, шум у вухах, ністагм, порушення координації. При тривалому застосуванні АМГ (понад 2-3 тижні) відбувається уповільнення їх виведення з організму з підвищенням концентрації у внутрішньому вусі, внаслідок чого можуть розвинутися важкі інвалідні зміни органів слуху та рівноваги. Однак у випадку з гентаміцином не виявлено достатньої кореляції між його концентрацією у внутрішньому вусі та ступенем ототоксичності, і, на відміну від канаміцину, мономіцину та неоміцину, глухота при лікуванні гентаміцином практично не розвивається. Разом з цим є виражені варіації серед АМГ у частоті виникнення цих порушень. Так, в одному з досліджень на 10000 хворих було виявлено, що амікацин викликає порушення слуху у 13,9% випадків, гентаміцин – у 8,3% хворих, тобраміцин – у 6,3%, а неоміцин – у 2,4%. Частота вестибулярних порушень складає відповідно 2,8; 3,2; 3,5 та 1,4%.

Ототоксичні реакції при лікуванні гентаміцином розвиваються значно рідше у дорослих, ніж у дітей. Теоретично новонароджені є групою підвищеного ризику розвитку ототоксичних реакцій у зв'язку з незрілістю механізмів елімінації, меншою швидкістю клубочкової фільтрації. Однак, незважаючи на широке застосування гентаміцину у вагітних та новонароджених, неонатальна ототоксичність спостерігається дуже рідко.

Слухові та вестибулярні токсичні ефекти тобраміцину також пов'язуються з його передозуванням, тривалістю лікування (>10 днів) та особливостями хворих – порушена ниркова функція, зневоднення, одержання інших ліків, які також мають ототоксичність або стримують елімінацію АМГ.

У частини хворих на ототоксичність може клінічно не проявляти себе, в інших випадках хворі відчувають запаморочення, шум у вухах, втрату гостроти сприйняття високих тонів у міру прогресування ототоксичності. Ознаки ототоксичності зазвичай починають з'являтися тривалий час після відміни препарату - відстрочений ефект. Однак відомий випадок (В.С. Мойсеєв, 1995), коли ототоксичність розвинулася після одноразового введення тобраміцину.

АМІКАЦІН.Наявність в 1-му положенні молекули амікацину - 4-аміно-2-гідроксибутирил-масляної кислоти забезпечує не тільки захист АБ від руйнівної дії більшості ферментів, що продукуються стійкими штамами бактерій, але і є причиною меншої ототоксичності в порівнянні з іншими АМГ (крім метилміцину) : слухові - 5%, вестибулярні - 0,65% на 1500 АБ, що лікувалися цим АБ. Однак в іншій серії досліджень (10000 хворих) контрольованих аудіометрією, була показана близька до гентаміцину частота слухових розладів, хоча в експерименті було встановлено, що амікацин подібно до інших АМГ проникає у внутрішнє вухо і викликає дегенеративні зміни волосяних клітин, проте, як і у випадку з гентаміцином, не було встановлено залежності між рівнем концентрації амікацину у внутрішньому вусі та ступенем ототоксичності. Показано також, що волоскові клітини слухової та вестибулярної системи виживали і при тому, що гентаміцин виявився всередині клітин та через 11 місяців після припинення лікування. Це доводить, що немає простої кореляції між присутністю АМГ і пошкодженням органів слуху та рівноваги. Саме тому було висловлено припущення про наявність у окремих хворих на генетичну схильність до шкідливого впливу АМГ (М.Г. Абакаров, 2003). Підтвердженням цьому положенню було відкриття в 1993 році у 15 хворих з приглухуватістю з 3-х китайських сімей (після лікування АМГ) генетичної мутації A1555G позиції 12S РНК, що кодує мітохондріальні ферменти, яка не була виявлена ​​у 278 пацієнтів без тугоух. Це дозволило зробити висновок, що застосування АМГ є пусковим механізмом для фенотипного виявлення цієї мутації.

В останні роки набуває все більшої популярності новий режим дозування АМГ - одноразове введення всієї добової дози гентаміцину (7 мг/кг) або тобраміцину (1 мг/кг) у вигляді 30-60-хвилинної інфузії. При цьому виходить з того, що АМГ мають концентраційно-залежний бактерицидний ефект і тому відношення Cmax/mic > 10 є адекватним предиктором клініко-бактеріологічного ефекту.

Ефективність нового способу введення АМГ була показана при інфекціях різної локалізації - абдомінальних, респіраторних, сечостатевих, шкірних та м'якотканих, як гострих за течією, так і хронічних (муковісцидоз). Однак пікові концентрації АМГ, що виникають при такому режимі дозування, нерідко перевищують 20 мкг/мл, можуть теоретично створювати загрозу нефро-і ототоксичності. Тим часом дослідження D. Nicolau, 1995; K. Kruger, 2001; T. Schroeter et al, 2001 показують, що одноразове введення АМГ не тільки не поступаються, але навіть перевершують з безпеки звичайне 3-разове застосування АМГ, можливо, за рахунок більш тривалого відмивного періоду.

ТЕТРАЦИКЛІНИ

Тетрацикліни - остеотропніі тому накопичуються в кістковій тканині, особливо молодій, що проліферує. В експерименті у собак відмічено відкладення тетрацикліну та в постійних зубах.

Внаслідок своєї ліпофільності тетрацикліни проникають через плацентарний бар'єр і відкладаються у кістках плода (у вигляді позбавлених біологічної активності хелатних комплексів з кальцієм), що може супроводжуватись уповільненням їх зростання.

Застосування тетрациклінових АБ у дітей дошкільного віку призводить у ряді випадків до відкладення препаратів у зубній емалі та дентині, що спричиняє гіпомінералізацію зубів, їх потемніння (дисколорацію), гіпоплазію зубної емалі, збільшення частоти карієсу, випадання зубів. Зустрічаємось цих ускладнень при застосуванні тетрациклінів становить приблизно 20%.

При необережному або помилковому застосуванні тетрациклінів у великій дозі (більше 2 г на день) може розвинутись тубулотоксичність(тубулярний некроз) з клінікою ГНН та необхідністю, в окремих випадках, гемодіалізу.

Тому використання тетрациклінів у вагітних, які годують груддю (тетрациклін проникає у грудне молоко) та дітей до 8 років не рекомендується.

Підбиваючи підсумки вищевикладеного, хочеться ще раз підкреслити, що будь-які ліки (а значить, і антибіотики) - це гостра зброя, що, до речі, була помічена і відображена в давньоруському визначенні, де слово "зілля" вживалося в подвійному значенні - і як лікувальне, і як отруйний засіб. Тому, починаючи фармакотерапію, не можна надалі залишати хворого віч-на-віч з ліками, кажучи йому (як це ще нерідко буває в тій же поліклініці) "попийте його (ліки) з тиждень-другий і потім приходьте". Для деяких хворих це "потім" може не наступити. Маючи свою лікарську свідомість на терапевтичний ефект, ми (може бути самі того не бажаючи) применшуємо значення іншого найважливішого правила лікування - його безпеки. Така втрата пильності робить нас неготовими до потрібних дій у разі несприятливих реакцій, що може іноді призвести до непоправних наслідків.