На инженерном языке напряжение — это «сила, деформирующая тела». В биологии и медицине этот термин обычно относится к процессу в организме, к общему плану адаптации организма ко всем воздействиям, изменениям, требованиям и напряжениям, которым он подвергается. Этот план приводится в действие, например, когда на человека нападают на улице, а также когда кто-то подвергается воздействию ядовитых веществ или сильной жары или холода. Однако не только физическое воздействие активирует этот план; ментальные и социальные также делают то же самое. Например, если нас оскорбляет наш руководитель, напоминает нам о неприятном опыте, если мы ожидаем достижения чего-то, на что, как мы верим, не способны, или если по поводу или без причины мы беспокоимся о нашей работе или браке.

Во всех этих случаях есть что-то общее в том, как тело пытается приспособиться. Этот общий знаменатель — своего рода «прибавление оборотов» или «давление на газ» — это стресс. Таким образом, стресс — это стереотипная реакция организма на воздействия, требования или нагрузки. Некоторый уровень стресса всегда присутствует в организме, как, если провести грубую параллель, страна поддерживает определенное состояние боевой готовности даже в мирное время. Иногда эта готовность усиливается, иногда по уважительной причине, а иногда и без.

Таким образом, уровень стресса влияет на скорость, с которой происходят процессы износа тела. Чем больше дано «газа», тем выше скорость, с которой работает двигатель тела, и, следовательно, тем быстрее расходуется «топливо» и «двигатель» изнашивается. Также применима и другая метафора: если вы зажжете свечу с высоким пламенем с обоих концов, она будет излучать более яркий свет, но и сгорит быстрее. Необходимо определенное количество топлива, иначе двигатель будет стоять на месте, свеча погаснет; то есть организм был бы мертв. Таким образом, проблема не в том, что тело реагирует на стресс, а в том, что степень стресса — скорость износа, — которому оно подвергается, может быть слишком велика. Эта реакция на стресс варьируется от одной минуты к другой даже у одного человека, причем вариация частично зависит от природы и состояния тела, а частично от внешних воздействий и требований — стрессоров, — которым подвергается тело. (Таким образом, стрессор — это то, что вызывает стресс.)

Иногда трудно определить, хорошо это или плохо, стресс в той или иной ситуации. Возьмем, к примеру, измученного спортсмена на трибуне победителя или только что назначенного, но находящегося в стрессе руководителя. Оба добились своих целей. С точки зрения чистого достижения, нужно было бы сказать, что их результаты стоили затраченных усилий. Однако с точки зрения психологии такой вывод более сомнителен. Чтобы достичь этого, возможно, потребовалось много мучений, включая долгие годы тренировок или бесконечную сверхурочную работу, обычно за счет семейной жизни. С медицинской точки зрения можно считать, что такие успешные люди сожгли свои свечи с обоих концов. Результат может быть физиологическим; спортсмен может разорвать мышцу или две, и у руководителя может развиться высокое кровяное давление или сердечный приступ.

Стресс в связи с работой

Пример может прояснить, как стрессовые реакции могут возникать на работе и к чему они могут привести с точки зрения здоровья и качества жизни. Представим следующую ситуацию для гипотетического рабочего-мужчины. Исходя из экономических и технических соображений, руководство решило разбить производственный процесс на очень простые и примитивные элементы, которые должны выполняться на конвейере. Благодаря этому решению создается социальная структура и запускается процесс, который может стать отправной точкой в ​​последовательности событий, вызывающих стресс и болезни. Новая ситуация становится психосоциальным стимулом для рабочего, когда он ее впервые воспринимает. На эти представления может дополнительно повлиять тот факт, что работник, возможно, ранее прошел обширную подготовку и, следовательно, ожидал работы, требующей более высокой квалификации, а не пониженного уровня квалификации. Кроме того, прошлый опыт работы на конвейере был резко негативным (то есть на реакцию на новую ситуацию будет влиять более ранний средовой опыт). Кроме того, наследственные факторы рабочего делают его более склонным реагировать на стрессоры повышением кровяного давления. Поскольку он более раздражителен, возможно, его жена критикует его за то, что он принял новое назначение и принес свои проблемы домой. В результате действия всех этих факторов рабочий реагирует на чувство дистресса, возможно, увеличением потребления алкоголя или возникновением нежелательных физиологических реакций, таких как повышение артериального давления. Неприятности на работе и в семье продолжаются, а его реакции, первоначально носившие преходящий характер, становятся устойчивыми. В конце концов, он может войти в состояние хронической тревоги, у него может развиться алкоголизм или хроническая гипертоническая болезнь. Эти проблемы, в свою очередь, усугубляют его трудности на работе и в семье, а также могут повышать его физиологическую уязвимость. Может возникнуть порочный круг, который может закончиться инсультом, несчастным случаем на рабочем месте или даже самоубийством. Этот пример иллюстрирует экологический Программирование влияют на поведенческие, физиологические и социальные реакции работника, что ведет к повышенной уязвимости, ухудшению здоровья и даже к смерти.

Психосоциальные условия в нынешней трудовой жизни

Согласно важной резолюции Международной организации труда (МОТ) (1975 г.), работа должна не только уважать жизнь и здоровье работников и оставлять им свободное время для отдыха и досуга, но и позволять им служить обществу и достигать самореализации, развивая свои способности. личные возможности. Эти принципы также были изложены еще в 1963 году в отчете Лондонского Тавистокского института (документ № T813), в котором содержались следующие общие рекомендации по планированию должностей:

  1.  Работа должна быть достаточно требовательной с точки зрения не только выносливости, но и обеспечивать хотя бы минимум разнообразия.
  2.  Работник должен иметь возможность учиться на работе и продолжать учиться.
  3.  Работа должна включать в себя некоторую область принятия решений, которую человек может назвать своей собственной.
  4.  На рабочем месте должна быть определенная степень социальной поддержки и признания.
  5.  Рабочий должен уметь соотносить то, что он или она делает или производит, с общественной жизнью.
  6.  Работник должен чувствовать, что работа ведет к желаемому будущему.

 

Однако Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) рисует менее обнадеживающую картину реальности трудовой жизни, указывая на то, что:

  • Работа воспринимается как обязанность и необходимость для большинства взрослых.
  • Работа и рабочие места проектировались почти исключительно с учетом критериев эффективности и стоимости.
  • Технологические и капитальные ресурсы были признаны императивными детерминантами оптимального характера рабочих мест и систем труда.
  • Изменения были мотивированы во многом стремлением к неограниченному экономическому росту.
  • Суждения об оптимальных структурах рабочих мест и выборе рабочих целей почти полностью принадлежали менеджерам и технологам, лишь с небольшим вмешательством со стороны коллективных переговоров и защитного законодательства.
  • Другие социальные институты приняли формы, которые служат для поддержания такого типа системы труда.

 

 В краткосрочной перспективе преимущества развития, которые происходили в соответствии с этим списком ОЭСР, привели к повышению производительности при меньших затратах, а также к увеличению благосостояния. Однако долгосрочными недостатками таких разработок чаще всего являются неудовлетворенность рабочих, отчуждение и, возможно, плохое состояние здоровья, что при рассмотрении общества в целом, в свою очередь, может сказаться на экономической сфере, хотя экономические издержки этих эффектов были приняты лишь недавно. во внимание (Купер, Луйкконен и Картрайт, 1996; Леви и Лунде-Йенсен, 1996).

Мы также склонны забывать, что биологически человечество не сильно изменилось за последние 100,000 1980 лет, в то время как окружающая среда — и, в частности, рабочая среда — сильно изменилась, особенно за последние столетия и десятилетия. Это изменение было отчасти к лучшему; однако некоторые из этих «улучшений» сопровождались неожиданными побочными эффектами. Например, данные, собранные Национальным центральным статистическим бюро Швеции в XNUMX-х годах, показали, что:

  • 11% всех шведских работников постоянно подвергаются оглушающему шуму.
  • 15% имеют работу, которая делает их очень грязными (масло, краска и т.д.).
  • 17% имеют неудобный рабочий день, т.е. работают не только в дневное время, но и рано или поздно ночью, вахтовым методом или иным ненормированным рабочим днем.
  • 9% имеют брутто-часы работы более 11 часов в день (в это понятие входят рабочие часы, перерывы, время в пути, сверхурочные и т. д., другими словами, та часть дня, которая отведена для работы).
  • 11% имеют работу, которую считают одновременно «беспорядочной» и «монотонной».
  • 34% считают свою работу «психологически требовательной».
  • 40% считают себя «не влияющими на организацию времени перерывов».
  • 45% считают себя лишенными «возможности узнать новое» на работе.
  • 26% относятся к своей работе инструментально. Они считают, что «своя работа ничего не дает, кроме платы, т. е. никакого чувства личного удовлетворения». Работа рассматривается исключительно как средство получения дохода.


В своем крупном исследовании условий труда в 12 государствах-членах Европейского Союза того времени (1991–92 гг.) Европейский фонд (Паоли, 1992 г.) обнаружил, что 30% рабочей силы считали свою работу рискованной для своего здоровья, 23 млн. работать в ночное время более 25% от общего количества рабочих часов, каждый третий должен сообщать о часто повторяющейся, монотонной работе, каждый пятый мужчина и каждая шестая женщина должны работать в условиях «постоянного дефицита времени», а каждый четвертый рабочий должен носить тяжелые грузы или работать в скрученном или болезненном положении более 50% своего рабочего времени.

Основные психосоциальные стрессоры на работе

Как уже указывалось, стресс вызывается плохим «соответствием человека и среды», объективно, субъективно или и тем, и другим, на работе или в другом месте, а также во взаимодействии с генетическими факторами. Это похоже на плохо сидящую обувь: требования окружающей среды не соответствуют индивидуальным способностям, или возможности окружающей среды не соответствуют индивидуальным потребностям и ожиданиям. Например, человек может выполнить определенный объем работы, но требуется гораздо больше, или, с другой стороны, работа вообще не предлагается. Другим примером может быть то, что работник должен быть частью социальной сети, чтобы испытать чувство принадлежности, чувство, что жизнь имеет смысл, но может не быть возможности удовлетворить эти потребности в существующей среде, и «соответствие» становится Плохо.

Любая посадка будет зависеть как от «обуви», так и от «ножки», от ситуационных факторов, а также от индивидуальных и групповых характеристик. Наиболее важные ситуационные факторы, порождающие «несоответствие», можно разделить на следующие категории:

Количественная перегрузка. Слишком много дел, нехватка времени и повторяющийся рабочий процесс. Это во многом типичная черта технологии массового производства и рутинной офисной работы.

Качественная недогрузка. Слишком узкое и одностороннее содержание работы, отсутствие разнообразия стимулов, отсутствие требований к творчеству или решению проблем или мало возможностей для социального взаимодействия. Эти рабочие места, похоже, становятся более распространенными из-за неоптимальной автоматизации и более широкого использования компьютеров как в офисах, так и на производстве, хотя могут быть случаи обратного.

Ролевые конфликты. Каждый занимает несколько ролей одновременно. Мы начальники одних людей и подчиненные других. Мы дети, родители, супруги, друзья и члены клубов или профсоюзов. Конфликты легко возникают между нашими различными ролями и часто вызывают стресс, как, например, когда требования на работе противоречат требованиям больного родителя или ребенка или когда руководитель разделен между лояльностью к начальству, коллегам по работе и подчиненным.

Отсутствие контроля над собственной ситуацией. Когда кто-то другой решает, что делать, когда и как; например, в отношении темпа работы и методов работы, когда у работника нет влияния, контроля и права голоса. Или когда есть неопределенность или отсутствие какой-либо очевидной структуры в рабочей ситуации.

Отсутствие социальной поддержки дома и от вашего начальника или коллег по работе.

Физические стрессоры. Такие факторы могут воздействовать на рабочего как физически, так и химически, например, прямое воздействие на мозг органических растворителей. Вторичные психосоциальные эффекты могут также возникать из-за дистресса, вызванного, скажем, запахами, ярким светом, шумом, экстремальными температурами или влажностью воздуха и т.д. Эти эффекты также могут быть связаны с осознанием работником, подозрением или страхом того, что он подвергается опасным для жизни химическим опасностям или риску несчастного случая.

Наконец, реальные жизненные условия на работе и вне работы обычно подразумевают сочетание многих воздействий. Они могут накладываться друг на друга аддитивным или синергетическим образом. Таким образом, соломинка, сломавшая спину верблюда, может быть довольно тривиальным экологическим фактором, но фактором, который накладывается на очень значительную, уже существовавшую экологическую нагрузку.

Некоторые из специфических факторов стресса в промышленности заслуживают специального обсуждения, а именно те, которые характерны для:

  • технология массового производства
  • высокоавтоматизированные рабочие процессы
  • сменная работа


Технология массового производства. За прошедшее столетие работа на многих предприятиях стала фрагментарной, превратившись из четко определенной производственной деятельности с отчетливым и признанным конечным продуктом в многочисленные узкие и строго определенные подразделения, которые имеют мало очевидной связи с конечным продуктом. Растущий размер многих фабричных единиц, как правило, приводит к длинной цепочке подчинения между руководством и отдельными работниками, что усиливает удаленность между двумя группами. Рабочий также отдаляется от потребителя, так как быстрые разработки для сбыта, распределения и продажи занимают много ступеней между производителем и потребителем.

Таким образом, массовое производство, как правило, связано не только с выраженной фрагментацией рабочего процесса, но и с уменьшением контроля рабочего над процессом. Отчасти это связано с тем, что организация труда, содержание работы и темп работы определяются системой машины. Все эти факторы обычно приводят к монотонности, социальной изоляции, нехватке свободы и нехватке времени с возможными долгосрочными последствиями для здоровья и благополучия.

Более того, массовое производство благоприятствует введению сдельной оплаты труда. В связи с этим можно предположить, что желание — или необходимость — зарабатывать больше может на какое-то время побуждать человека работать усерднее, чем это полезно для организма, и игнорировать психические и физические «предупреждения», такие как ощущение усталости, нервных расстройств и функциональных нарушений в различных органах или системах органов. Другой возможный эффект заключается в том, что работник, стремящийся к увеличению выпуска и доходов, нарушает правила техники безопасности, тем самым увеличивая риск профессионального заболевания и несчастных случаев для себя и других (например, водители грузовиков на сдельной оплате).

Высокоавтоматизированные рабочие процессы. В автоматизированной работе повторяющиеся, ручные элементы берут на себя машины, а рабочие остаются в основном с функциями наблюдения, контроля и контроля. Этот вид работы, как правило, довольно квалифицированный, не регламентированный в деталях, и рабочий свободен в перемещении. Соответственно внедрение автоматизации устраняет многие недостатки технологии массового производства. Однако это справедливо главным образом для тех этапов автоматизации, где оператору действительно помогает компьютер, и он сохраняет некоторый контроль над своими услугами. Если, однако, навыки и знания оператора постепенно переходят к компьютеру (что вполне вероятно, если принятие решений остается за экономистами и технологами), может возникнуть новое оскудение труда с повторным введением монотонности, социальной изоляции и отсутствия контроль.

Мониторинг процесса обычно требует постоянного внимания и готовности действовать в течение монотонного срока службы, что не соответствует потребности мозга в достаточно разнообразном потоке стимулов для поддержания оптимальной бдительности. Хорошо задокументировано, что способность обнаруживать критические сигналы быстро снижается даже в течение первых получаса в монотонной среде. Это может усилить напряжение, связанное с осознанием того, что временное невнимание и даже небольшая ошибка могут иметь обширные экономические и другие катастрофические последствия.

Другие важные аспекты управления процессами связаны с особыми требованиями к умственным способностям. Операторы имеют дело с символами, абстрактными сигналами на массивах приборов и не соприкасаются с фактическим продуктом своей работы.

Сменная работа. При сменной работе ритмичные биологические изменения не обязательно совпадают с соответствующими требованиями среды. Здесь организм может «нажать на газ» и активация происходит в то время, когда работнику нужно поспать (например, днем ​​после ночной смены), а деактивация, соответственно, происходит ночью, когда работнику может понадобиться работа. и будьте начеку.

Еще одна сложность возникает из-за того, что работники обычно живут в социальной среде, которая не приспособлена для нужд посменной работы. И последнее, но не менее важное: посменные рабочие часто должны приспосабливаться к регулярным или нерегулярным изменениям требований окружающей среды, как в случае чередующихся смен.

Таким образом, психосоциальные потребности современного рабочего места часто расходятся с потребностями и возможностями работников, что приводит к стрессу и ухудшению здоровья. Это обсуждение дает лишь краткий обзор психосоциальных стрессоров на работе и того, как эти нездоровые условия могут возникнуть на рабочем месте сегодня. В следующих разделах психосоциальные стрессоры анализируются более подробно с точки зрения их источников в современных рабочих системах и технологиях, а также с точки зрения их оценки и контроля.


Назад

В 1966 году, задолго до стресс на работе психосоциальные факторы стали обиходными выражениями, Главному хирургу США был выпущен специальный отчет под названием «Охрана здоровья восьмидесяти миллионов рабочих — национальная цель в области гигиены труда» (US Department of Health and Human Services, 1966). Отчет был подготовлен под эгидой Национального консультативного комитета по гигиене окружающей среды, чтобы дать указания федеральным программам в области гигиены труда. Среди множества наблюдений в отчете отмечается, что психологический стресс становится все более очевидным на рабочем месте, представляя «... новые и малозаметные угрозы психическому здоровью» и возможный риск соматических расстройств, таких как сердечно-сосудистые заболевания. Технологические изменения и растущие психологические требования на рабочем месте были перечислены в качестве способствующих факторов. Отчет завершается списком из двух десятков «неотложных проблем», требующих первоочередного внимания, включая профессиональное психическое здоровье и сопутствующие факторы на рабочем месте.

Тридцать лет спустя этот отчет оказался удивительно пророческим. Стресс на работе стал основным источником инвалидности рабочих в Северной Америке и Европе. В 1990 г. 13% всех случаев нетрудоспособности работников, которыми занималась компания Northwestern National Life, крупная американская страховая компания по выплате компенсаций работникам, были связаны с расстройствами, предположительно связанными со стрессом на работе (Northwestern National Life 1991). Исследование, проведенное Национальным советом по компенсационному страхованию в 1985 г., показало, что один тип исков, связанный с психологической инвалидностью из-за «постепенного психического стресса» на работе, вырос до 11% всех исков о профессиональных заболеваниях (Национальный совет по компенсационному страхованию, 1985 г.).  

* В Соединенных Штатах иски о профессиональных заболеваниях отличаются от исков о травмах, число которых, как правило, значительно превышает число исков о заболеваниях.

Эти разработки понятны, учитывая требования современной работы. Опрос, проведенный в 1991 г. среди членов Европейского союза, показал, что «доля работников, жалующихся на организационные ограничения, которые, в частности, способствуют стрессу, выше, чем доля работников, жалующихся на физические ограничения» (Европейский фонд улучшения условий жизни и труда). Условия 1992 г.). Точно так же недавнее исследование работающего населения Нидерландов показало, что половина выборки сообщила о высоком темпе работы, три четверти выборки сообщили о плохих возможностях продвижения по службе, а одна треть сообщила о плохом соответствии между их образованием и их рабочих мест (Хаутман и Компьер, 1995). С американской стороны данные о распространенности факторов риска производственного стресса на рабочем месте менее доступны. Однако в ходе недавнего опроса нескольких тысяч американских рабочих более 40% рабочих сообщили о чрезмерной нагрузке и заявили, что к концу дня они «изнурены» и «эмоционально истощены» (Галински, Бонд и Фридман, 1993).

Последствия этой проблемы с точки зрения снижения продуктивности, болезней и снижения качества жизни, несомненно, огромны, хотя их трудно достоверно оценить. Тем не менее, недавний анализ данных более чем 28,000 1992 рабочих компанией Saint Paul Fire and Marine Insurance представляет интерес и актуальность. Это исследование показало, что нехватка времени и другие эмоциональные и личные проблемы на работе были более тесно связаны с сообщаемыми проблемами со здоровьем, чем с любым другим стрессом в личной жизни; в большей степени, чем даже финансовые или семейные проблемы или смерть близкого человека (St. Paul Fire and Marine Insurance Company, XNUMX).

Заглядывая в будущее, быстрые изменения в структуре работы и рабочей силы создают неизвестные и, возможно, повышенные риски стресса на работе. Например, во многих странах рабочая сила быстро стареет, а гарантии занятости снижаются. В Соединенных Штатах корпоративное сокращение продолжается практически неуклонно во второй половине десятилетия, при этом ежемесячно теряется более 30,000 1995 рабочих мест (Roy, 1993). В цитированном выше исследовании Галинского, Бонда и Фридмана (5) почти пятая часть рабочих считала, что они, вероятно, потеряют работу в предстоящем году. В то же время число заемных работников, которые, как правило, не имеют медицинских пособий и других социальных гарантий, продолжает расти и в настоящее время составляет около 1995% рабочей силы (USBLS XNUMX).

Цель этой главы — предоставить обзор современных знаний об условиях, которые приводят к стрессу на работе и связанных с этим проблемах со здоровьем и безопасностью. Эти состояния, которые обычно называют психосоциальные факторы, включают аспекты работы и рабочей среды, такие как организационный климат или культура, рабочие роли, межличностные отношения на работе, а также дизайн и содержание задач (например, разнообразие, значение, объем, повторяемость и т. д.). Концепция психосоциальных факторов распространяется также на внеорганизационную среду (например, домашние требования) и аспекты личности (например, личность и отношение), которые могут влиять на развитие стресса на работе. Нередко выражения организация труда or организационные факторы используются взаимозаменяемо с психосоциальные факторы в отношении условий труда, которые могут привести к стрессу.

Этот раздел Энциклопедия начинается с описания нескольких моделей стресса на работе, представляющих в настоящее время научный интерес, включая модель «требования-работа-контроль», модель «человек-окружающая среда» (PE) и другие теоретические подходы к стрессу на работе. Как и у всех современных представлений о стрессе на работе, у этих моделей есть общая тема: стресс на работе концептуализируется с точки зрения отношений между работой и человеком. Согласно этой точке зрения, стресс на работе и вероятность ухудшения здоровья возникают, когда требования работы не соответствуют потребностям, ожиданиям или способностям работника. Эта основная особенность неявно отражена на рис. 1, на котором показаны основные элементы модели стресса, которой отдают предпочтение исследователи из Национального института охраны труда и здоровья (NIOSH). В этой модели связанные с работой психосоциальные факторы (называемые стрессорами) приводят к психологическим, поведенческим и физическим реакциям, которые в конечном итоге могут повлиять на здоровье. Однако, как показано на рисунке 1, индивидуальные и контекстуальные факторы (называемые модераторами стресса) вмешиваются, чтобы повлиять на воздействие стрессоров на работе на здоровье и благополучие. (См. Hurrell and Murphy 1992 для более подробного описания модели стресса NIOSH.)

Рисунок 1. Модель стресса на работе Национального института охраны труда и здоровья (NIOSH)

PSY005F1

Но помимо этого концептуального сходства между этими моделями есть и нетривиальные теоретические различия. Например, в отличие от моделей профессионального стресса NIOSH и PE, в которых учитывается множество потенциальных психосоциальных факторов риска на рабочем месте, модель «рабочие требования — контроль работы» в наибольшей степени фокусируется на более ограниченном диапазоне психосоциальных аспектов, относящихся к психологической рабочей нагрузке и возможность для работников осуществлять контроль (называемый свободой принятия решений) над аспектами своей работы. Кроме того, как модели управления спросом, так и модели NIOSH можно отличить от моделей соответствия PE тем, что в центре внимания находится человек. В модели соответствия PE акцент делается на восприятии людьми баланса между особенностями работы и индивидуальными качествами. Этот акцент на восприятии обеспечивает мост между теорией соответствия PE и другим вариантом теории стресса, приписываемой Лазарусу (1966), в которой индивидуальные различия в оценке психосоциальных факторов стресса и в стратегиях преодоления становятся критически важными в определении исходов стресса. Напротив, не отрицая важности индивидуальных различий, модель стресса NIOSH отдает приоритет факторам окружающей среды в определении результатов стресса, как это следует из геометрии модели, показанной на рисунке 1. По сути, модель предполагает, что большинство стрессоров будут угрожающими. большинству людей большую часть времени, независимо от обстоятельств. Подобный акцент можно увидеть и в других моделях стресса и стресса на работе (например, Cooper and Marshall, 1976; Kagan and Levi, 1971; Matteson and Ivancevich, 1987).

Эти различия имеют важное значение как для руководства исследованиями стресса на работе, так и для стратегий вмешательства на рабочем месте. Модель NIOSH, например, утверждает, что первичная профилактика стресса на работе заключается в том, чтобы в первую очередь обращать внимание на психосоциальные факторы стресса на рабочем месте, и в этом отношении она согласуется с моделью профилактики общественного здравоохранения. Хотя подход общественного здравоохранения признает важность факторов хозяина или резистентности в этиологии заболевания, первая линия защиты в этом подходе заключается в искоренении или уменьшении воздействия патогенов окружающей среды.

Модель стресса NIOSH, показанная на рис. 1, обеспечивает организационную структуру для оставшейся части этого раздела. После обсуждения моделей стресса на работе следуют короткие статьи, содержащие резюме современных знаний о психосоциальных факторах стресса на рабочем месте и модераторах стресса. В этих подразделах рассматриваются условия, которые широко освещаются в литературе как факторы стресса и модераторы стресса, а также темы, вызывающие растущий интерес, такие как организационный климат и этап карьеры. Каждое резюме, подготовленное ведущими авторитетами в этой области, содержит определение и краткий обзор соответствующей литературы по данной теме. Кроме того, чтобы максимизировать полезность этих резюме, каждого участника попросили включить информацию о методах измерения или оценки и о методах предотвращения.

В заключительном подразделе главы рассматриваются современные знания о широком спектре потенциальных рисков для здоровья, связанных со стрессом на работе, и основных механизмах этих последствий. Обсуждения варьируются от традиционных проблем, таких как психологические и сердечно-сосудистые расстройства, до новых тем, таких как снижение иммунной функции и заболевания опорно-двигательного аппарата.

Таким образом, в последние годы произошли беспрецедентные изменения в структуре и требованиях к работе, а также появление стресса на работе в качестве серьезной проблемы в области гигиены труда. Этот раздел Энциклопедия пытается способствовать пониманию психосоциальных рисков, связанных с меняющейся рабочей средой, и, таким образом, лучше защищать благополучие работников.

Назад

Давно известно, что реакция каждого человека на химические вещества в окружающей среде различна. Недавний взрыв в молекулярной биологии и генетике привел к более ясному пониманию молекулярной основы такой изменчивости. Основные детерминанты индивидуальной реакции на химические вещества включают важные различия между более чем дюжиной суперсемейств ферментов, которые в совокупности называются ксенобиотик- (инородный для тела) или метаболизирующий наркотики ферменты. Хотя роль этих ферментов классически рассматривалась как детоксикация, эти же ферменты также превращают ряд инертных соединений в высокотоксичные промежуточные соединения. Недавно было идентифицировано много тонких, а также грубых различий в генах, кодирующих эти ферменты, которые, как было показано, приводят к заметным изменениям активности ферментов. Теперь ясно, что каждый человек обладает отличным набором активности ферментов, метаболизирующих ксенобиотики; это разнообразие можно рассматривать как «метаболический отпечаток пальца». Именно сложное взаимодействие этих множества различных суперсемейств ферментов в конечном итоге определяет не только судьбу и потенциальную токсичность химического вещества для любого конкретного человека, но и оценку воздействия. В этой статье мы решили использовать надсемейство ферментов цитохрома Р450, чтобы проиллюстрировать замечательный прогресс, достигнутый в понимании индивидуальной реакции на химические вещества. Разработка относительно простых тестов на основе ДНК, предназначенных для выявления специфических изменений генов в этих ферментах, в настоящее время позволяет более точно прогнозировать индивидуальную реакцию на химическое воздействие. Мы надеемся, что результатом станет профилактическая токсикология. Другими словами, каждый человек может узнать о тех химических веществах, к которым он или она особенно чувствителен, тем самым избегая ранее непредсказуемой токсичности или рака.

Хотя это обычно не признается, люди ежедневно подвергаются воздействию бесчисленных разнообразных химических веществ. Многие из этих химических веществ высокотоксичны и поступают из самых разных источников окружающей среды и продуктов питания. Взаимосвязь между такими воздействиями и здоровьем человека была и остается в центре внимания биомедицинских исследований во всем мире.

Каковы некоторые примеры этой химической бомбардировки? Было выделено и охарактеризовано более 400 химических веществ из красного вина. По оценкам, зажженная сигарета вырабатывает не менее 1,000 химических веществ. В косметике и парфюмированном мыле содержится бесчисленное количество химических веществ. Еще одним крупным источником химического воздействия является сельское хозяйство: только в Соединенных Штатах сельскохозяйственные угодья ежегодно получают более 75,000 XNUMX химических веществ в виде пестицидов, гербицидов и удобрений; после поглощения растениями и пастбищными животными, а также рыбой в близлежащих водоемах люди (в конце пищевой цепи) поглощают эти химические вещества. Два других источника высоких концентраций химических веществ, попавших в организм, включают (а) постоянное употребление наркотиков и (б) воздействие опасных веществ на рабочем месте в течение всей жизни.

В настоящее время хорошо известно, что химическое воздействие может отрицательно сказаться на многих аспектах здоровья человека, вызывая хронические заболевания и развитие многих видов рака. В последнее десятилетие или около того молекулярная основа многих из этих взаимосвязей начала раскрываться. Кроме того, появилось осознание того, что люди заметно различаются по своей восприимчивости к вредным последствиям химического воздействия.

Текущие усилия по прогнозированию реакции человека на химическое воздействие объединяют два основных подхода (рис. 1): мониторинг степени воздействия на человека с помощью биологических маркеров (биомаркеров) и прогнозирование вероятной реакции человека на заданный уровень воздействия. Хотя оба эти подхода чрезвычайно важны, следует подчеркнуть, что они существенно отличаются друг от друга. В этой статье речь пойдет о генетические факторы лежащей в основе индивидуальной восприимчивости к любому конкретному химическому воздействию. Эта область исследований широко называется экогенетикаили фармакогенетика (см. Калоу, 1962 и 1992). Многие из недавних достижений в определении индивидуальной восприимчивости к химической токсичности стали результатом более глубокого понимания процессов, посредством которых люди и другие млекопитающие обезвреживают химические вещества, а также удивительной сложности задействованных ферментных систем.

Рисунок 1. Взаимосвязь между оценкой воздействия, этническими различиями, возрастом, диетой, питанием и оценкой генетической предрасположенности — все это играет роль в индивидуальном риске токсичности и ракаТОХ050F1

Сначала мы опишем изменчивость токсических реакций у людей. Затем мы познакомим вас с некоторыми ферментами, ответственными за такую ​​изменчивость реакции из-за различий в метаболизме чужеродных химических веществ. Далее будут подробно описаны история и номенклатура надсемейства цитохромов Р450. Будут кратко описаны пять полиморфизмов P450 человека, а также несколько полиморфизмов, не относящихся к P450; они ответственны за человеческие различия в токсической реакции. Затем мы обсудим пример, чтобы подчеркнуть тот факт, что генетические различия людей могут влиять на оценку воздействия, определяемую мониторингом окружающей среды. Наконец, мы обсудим роль этих ферментов, метаболизирующих ксенобиотики, в критических жизненных функциях.

Различия в токсической реакции среди населения

Токсикологи и фармакологи обычно говорят о средней летальной дозе для 50% населения (LD50), средняя максимально переносимая доза для 50% населения (MTD50), и средняя эффективная доза того или иного препарата для 50% населения (ЭД50). Однако как эти дозы влияют на каждого из нас в отдельности? Другими словами, высокочувствительный человек может быть в 500 раз более подвержен воздействию или в 500 раз более подвержен воздействию, чем наиболее устойчивый индивидуум в популяции; для этих людей ЛД50 (и МПД50 и ЭД50) значения не имели бы большого значения. ЛД50, МТД50 и ЭД50 значения имеют значение только применительно к населению в целом.

Рисунок 2 иллюстрирует гипотетическую зависимость доза-реакция для токсической реакции у людей в любой данной популяции. Эта общая диаграмма может представлять бронхогенную карциному в ответ на количество выкуренных сигарет, хлоракне в зависимости от уровня диоксина на рабочем месте, астму в зависимости от концентрации озона или альдегида в воздухе, солнечные ожоги в ответ на воздействие ультрафиолетового света, снижение времени свертывания крови в зависимости от количества выкуренных сигарет. функция приема аспирина или желудочно-кишечные расстройства в ответ на количество халапеньо перец потребляется. Как правило, в каждом из этих случаев, чем больше воздействие, тем сильнее токсическая реакция. У большей части населения среднее значение и стандартное отклонение токсической реакции зависят от дозы. «Устойчивый выброс» (внизу справа на рисунке 2) — это человек с меньшей реакцией на более высокие дозы или воздействия. «Чувствительный выброс» (вверху слева) — это человек с преувеличенной реакцией на относительно небольшую дозу или воздействие. Эти выбросы с резкими различиями в реакции по сравнению с большинством людей в популяции могут представлять собой важные генетические варианты, которые могут помочь ученым в попытке понять основные молекулярные механизмы токсической реакции. 

Рисунок 2. Общая взаимосвязь между любой токсической реакцией и дозой любого экологического, химического или физического агента.

ТОХ050F2

Используя эти выбросы в семейных исследованиях, ученые в ряде лабораторий начали понимать важность менделевской наследственности для данной токсической реакции. Впоследствии можно обратиться к молекулярной биологии и генетическим исследованиям, чтобы точно определить лежащий в основе механизм на генном уровне.генотип) ответственный за экологически обусловленное заболевание (фенотип).

Ферменты, метаболизирующие ксенобиотики или лекарства

Как организм реагирует на множество экзогенных химических веществ, которым мы подвергаемся? Люди и другие млекопитающие развили очень сложные системы метаболических ферментов, включающие более дюжины различных надсемейств ферментов. Эти ферменты модифицируют почти все химические вещества, которым подвергаются люди, чтобы облегчить удаление инородного вещества из организма. В совокупности эти ферменты часто называют ферменты, метаболизирующие лекарственные средства or ферменты, метаболизирующие ксенобиотики. На самом деле, оба термина являются неправильными. Во-первых, многие из этих ферментов не только метаболизируют лекарства, но и сотни тысяч экологических и диетических химических веществ. Во-вторых, все эти ферменты также имеют в качестве субстрата нормальные соединения организма; ни один из этих ферментов не метаболизирует только чужеродные химические вещества.

На протяжении более четырех десятилетий метаболические процессы, опосредованные этими ферментами, обычно классифицировались как реакции Фазы I или Фазы II (рис. 3).). Реакции фазы I («функционализация») обычно включают относительно незначительные структурные модификации исходного химического вещества посредством окисления, восстановления или гидролиза с целью получения более водорастворимого метаболита. Часто реакции Фазы I обеспечивают «ручку» для дальнейшей модификации соединения последующими реакциями Фазы II. Реакции фазы I в основном опосредованы надсемейством высокоуниверсальных ферментов, которые в совокупности называются цитохромами Р450, хотя могут быть вовлечены и другие надсемейства ферментов (рис. 4).

Рисунок 3. Классическое обозначение ферментов фазы I и фазы II, метаболизирующих ксенобиотики или лекарственные препараты.tox050f4

Рисунок 4. Примеры ферментов, метаболизирующих лекарственные средства.

ТОКС050Т1

Реакции фазы II включают соединение водорастворимой эндогенной молекулы с химическим веществом (исходным химическим веществом или метаболитом фазы I) для облегчения экскреции. Реакции фазы II часто называют реакциями «конъюгации» или «дериватизации». Ферментные суперсемейства, катализирующие реакции Фазы II, обычно называют в соответствии с участвующим эндогенным конъюгирующим фрагментом: например, ацетилирование N-ацетилтрансферазами, сульфатирование сульфотрансферазами, конъюгирование глутатиона глутатионтрансферазами и глюкуронидирование глюкуронозилтрансферазами UDP (рис. 4). . Хотя основным органом метаболизма лекарственных средств является печень, уровни некоторых ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, довольно высоки в желудочно-кишечном тракте, гонадах, легких, головном мозге и почках, и такие ферменты, несомненно, в той или иной степени присутствуют в каждой живой клетке.

Ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, представляют собой обоюдоострые Мечи

По мере того, как мы узнаем больше о биологических и химических процессах, ведущих к нарушениям здоровья человека, становится все более очевидным, что ферменты, метаболизирующие лекарства, функционируют двойственным образом (рис. 3). В большинстве случаев жирорастворимые химические вещества превращаются в более легко выводимые из организма водорастворимые метаболиты. Однако ясно, что во многих случаях одни и те же ферменты способны превращать другие инертные химические вещества в высокореакционноспособные молекулы. Затем эти промежуточные соединения могут взаимодействовать с клеточными макромолекулами, такими как белки и ДНК. Таким образом, для каждого химического вещества, воздействию которого подвергаются люди, существует потенциал для конкурирующих путей проникновения. метаболическая активация алкогольная детоксикация.

Краткий обзор генетики

В генетике человека каждый ген (локусы) расположен на одной из 23 пар хромосом. Два аллели (по одной на каждой хромосоме пары) могут быть одинаковыми, а могут отличаться друг от друга. Например, B b аллели, в которых B (карие глаза) доминирует над b (голубые глаза): лица с кареглазым фенотипом могут иметь либо BB or Bb генотипы, тогда как особи голубоглазого фенотипа могут иметь только bb генотип.

A полиморфизм определяется как два или более стабильно наследуемых фенотипа (признака), происходящих от одного и того же гена (генов), которые сохраняются в популяции, часто по причинам, не обязательно очевидным. Чтобы ген был полиморфным, продукт гена не должен быть необходим для развития, репродуктивной силы или других важных жизненных процессов. На самом деле, «сбалансированный полиморфизм», при котором гетерозигота имеет явное преимущество в выживании по сравнению с гомозиготой (например, устойчивость к малярии и аллель серповидноклеточного гемоглобина), является распространенным объяснением сохранения аллеля в популяции на необъяснимо высоком уровне. частоты (см. Гонсалес и Неберт, 1990).

Человеческий полиморфизм ферментов, метаболизирующих ксенобиотики

Генетические различия в метаболизме различных лекарств и химических веществ окружающей среды известны уже более четырех десятилетий (Kalow, 1962 и 1992). Эти различия часто называют фармакогенетический или, в более широком смысле, экогенетические полиморфизмы. Эти полиморфизмы представляют собой вариантные аллели, которые встречаются с относительно высокой частотой в популяции и обычно связаны с аберрациями в экспрессии или функции фермента. Исторически сложилось так, что полиморфизмы обычно выявляли после неожиданных ответов на терапевтические агенты. Совсем недавно технология рекомбинантной ДНК позволила ученым определить точные изменения в генах, ответственных за некоторые из этих полиморфизмов. В настоящее время полиморфизмы охарактеризованы во многих ферментах, метаболизирующих лекарственные средства, включая ферменты фазы I и фазы II. По мере того, как выявляется все больше и больше полиморфизмов, становится все более очевидным, что каждый человек может обладать отличным набором ферментов, метаболизирующих лекарственные средства. Это разнообразие можно описать как «метаболический отпечаток пальца». Именно сложное взаимодействие различных суперсемейств ферментов, метаболизирующих лекарство, внутри любого человека в конечном итоге определяет его или ее особую реакцию на данное химическое вещество (Kalow, 1962 и 1992; Nebert, 1988; Gonzalez and Nebert, 1990; Nebert and Weber, 1990).

Экспрессия ферментов, метаболизирующих ксенобиотики человека, в клетке Культура

Как мы можем разработать более совершенные предикторы токсической реакции человека на химические вещества? Успехи в определении множества ферментов, метаболизирующих лекарства, должны сопровождаться точными знаниями о том, какие ферменты определяют метаболическую судьбу отдельных химических веществ. Данные, полученные в результате лабораторных исследований на грызунах, безусловно, дали полезную информацию. Однако значительные межвидовые различия в ферментах, метаболизирующих ксенобиотики, требуют осторожности при экстраполяции данных на человеческие популяции. Чтобы преодолеть эту трудность, многие лаборатории разработали системы, в которых различные клеточные линии в культуре могут быть сконструированы для производства функциональных ферментов человека, которые являются стабильными и в высоких концентрациях (Gonzalez, Crespi and Gelboin 1991). Успешное производство ферментов человека было достигнуто в различных клеточных линиях из таких источников, как бактерии, дрожжи, насекомые и млекопитающие.

Чтобы еще точнее определить метаболизм химических веществ, несколько ферментов также были успешно получены в одной клеточной линии (Gonzalez, Crespi and Gelboin 1991). Такие клеточные линии дают ценную информацию о точных ферментах, участвующих в метаболической обработке любого данного соединения и вероятных токсичных метаболитов. Если эту информацию затем можно объединить со знаниями о присутствии и уровне фермента в тканях человека, эти данные должны предоставить ценные предикторы ответа.

Cytochrome P450

История и номенклатура

Надсемейство цитохромов Р450 является одним из наиболее изученных надсемейств ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, обладающим значительной индивидуальной изменчивостью в ответ на химические вещества. Цитохром Р450 — удобный общий термин, используемый для описания большого суперсемейства ферментов, играющих ключевую роль в метаболизме бесчисленных эндогенных и экзогенных субстратов. Срок цитохром P450 Впервые был придуман в 1962 году для описания неизвестного пигмент в клетках, которые при восстановлении и связывании с окисью углерода давали характерный пик поглощения при 450 нм. С начала 1980-х годов технология клонирования кДНК привела к замечательному пониманию множества ферментов цитохрома Р450. На сегодняшний день идентифицировано более 400 различных генов цитохрома Р450 у животных, растений, бактерий и дрожжей. Было подсчитано, что любой вид млекопитающих, например человек, может обладать 60 или более различными генами P450 (Nebert and Nelson 1991). Множественность генов P450 потребовала разработки стандартизированной системы номенклатуры (Nebert et al., 1987; Nelson et al., 1993). Система номенклатуры, впервые предложенная в 1987 г. и обновляемая раз в два года, основана на дивергентной эволюции сравнений аминокислотных последовательностей между белками P450. Гены P450 делятся на семейства и подсемейства: ферменты внутри семейства демонстрируют сходство аминокислот более чем на 40%, а ферменты в пределах одного подсемейства - на 55%. Гены P450 названы корневым символом CYP за которым следует арабская цифра, обозначающая семейство P450, буква, обозначающая подсемейство, и еще одна арабская цифра, обозначающая индивидуальный ген (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Таким образом, CYP1A1, представляет ген 450 P1 в семействе 1 и подсемействе A.

По состоянию на февраль 1995 года насчитывается 403 CYP генов в базе данных, состоящей из 59 семейств и 105 подсемейств. К ним относятся восемь семейств низших эукариот, 15 семейств растений и 19 семейств бактерий. 15 семейств генов P450 человека включают 26 подсемейств, 22 из которых были картированы в хромосомах на большей части генома. Некоторые последовательности явно ортологичны для многих видов, например, только одна CYP17 (стероид 17α-гидроксилазы) обнаружен у всех исследованных к настоящему времени позвоночных; другие последовательности внутри подсемейства сильно продублированы, что делает невозможным идентификацию ортологичных пар (например, CYP2C подсемейство). Интересно, что человек и дрожжи имеют общий ортологичный ген в CYP51 семья. Читателям, которым нужна дополнительная информация о надсемействе P450, доступны многочисленные всеобъемлющие обзоры (Нельсон и др., 1993; Неберт и др., 1991; Неберт и Маккиннон, 1994; Генгерих, 1993; Гонсалес, 1992).

Успех номенклатурной системы Р450 привел к тому, что сходные терминологические системы были разработаны для UDP-глюкуронозилтрансфераз (Burchell et al., 1991) и флавинсодержащих монооксигеназ (Lawton et al., 1994). Аналогичные номенклатурные системы, основанные на дивергентной эволюции, также находятся в стадии разработки для нескольких других надсемейств ферментов, метаболизирующих лекарственные средства (например, сульфотрансфераз, эпоксидгидролаз и альдегиддегидрогеназ).

Недавно мы разделили суперсемейство генов P450 млекопитающих на три группы (Nebert and McKinnon 1994) — те, что участвуют главным образом в чужеродном химическом метаболизме, те, которые участвуют в синтезе различных стероидных гормонов, и те, которые участвуют в других важных эндогенных функциях. Именно ферменты P450, метаболизирующие ксенобиотики, имеют наибольшее значение для прогнозирования токсичности.

Ферменты P450, метаболизирующие ксенобиотики

Ферменты Р450, участвующие в метаболизме чужеродных соединений и лекарств, почти всегда встречаются в семьях. CYP1, CYP2, CYP3 CYP4. Эти ферменты P450 катализируют широкий спектр метаболических реакций, при этом один фермент P450 часто способен метаболизировать множество различных соединений. Кроме того, несколько ферментов Р450 могут метаболизировать одно соединение в разных местах. Кроме того, соединение может метаболизироваться в одном и том же месте несколькими P450, хотя и с разной скоростью.

Наиболее важным свойством ферментов Р450, метаболизирующих лекарственные средства, является то, что многие из этих генов индуцируются теми самыми веществами, которые служат их субстратами. С другой стороны, другие гены Р450 индуцируются несубстратами. Этот феномен индукции ферментов лежит в основе многих лекарственных взаимодействий, имеющих терапевтическое значение.

Хотя эти конкретные ферменты Р450 присутствуют во многих тканях, они обнаруживаются в относительно высоких количествах в печени, основном месте метаболизма лекарств. Некоторые ферменты Р450, метаболизирующие ксенобиотики, проявляют активность в отношении определенных эндогенных субстратов (например, арахидоновой кислоты). Однако обычно считается, что большинство из этих ферментов Р450, метаболизирующих ксенобиотики, не играют важной физиологической роли, хотя это еще не установлено экспериментально. Селективное гомозиготное разрушение или «нокаут» отдельных метаболизирующих ксенобиотики генов P450 с помощью методологий нацеливания на гены у мышей, вероятно, скоро предоставит однозначную информацию в отношении физиологических ролей метаболизирующих ксенобиотики P450 (для обзора нацеливание на гены, см. Capecchi 1994).

В отличие от семейств Р450, кодирующих ферменты, участвующие в основном в физиологических процессах, семейства, кодирующие ферменты Р450, метаболизирующие ксенобиотики, демонстрируют выраженную видовую специфичность и часто содержат много активных генов на подсемейство (Nelson et al., 1993; Nebert et al., 1991). Учитывая очевидный недостаток физиологических субстратов, возможно, ферменты Р450 в семействах CYP1, CYP2, CYP3 CYP4 которые появились в последние несколько сотен миллионов лет, развились как средство детоксикации чужеродных химических веществ, встречающихся в окружающей среде и пище. Ясно, что эволюция метаболизирующих ксенобиотиков P450 должна была произойти в течение периода времени, который намного предшествует синтезу большинства синтетических химических веществ, воздействию которых сейчас подвергаются люди. Гены этих четырех генных семейств, возможно, эволюционировали и разошлись у животных из-за их воздействия на них метаболитов растений в течение последних 1.2 миллиарда лет — процесс, описательно названный «войной животных и растений» (Gonzalez and Nebert, 1990). Война между животными и растениями — это явление, при котором растения вырабатывают новые химические вещества (фитоалексины) в качестве защитного механизма, чтобы предотвратить попадание в организм животных, а животные, в свою очередь, реагируют, вырабатывая новые гены P450 для приспособления к разнообразным субстратам. Дополнительным стимулом для этого предложения являются недавно описанные примеры химической войны между растениями и насекомыми и растениями и грибами, включающей детоксикацию P450 токсичных субстратов (Nebert 1994).

Ниже приводится краткое введение в некоторые полиморфизмы фермента P450, метаболизирующие ксенобиотики человека, в которых генетические детерминанты токсического ответа, как считается, имеют большое значение. До недавнего времени полиморфизмы Р450 обычно предполагались по неожиданным различиям в реакции пациентов на вводимые терапевтические агенты. Некоторые полиморфизмы Р450 действительно названы в соответствии с лекарством, с которым полиморфизм был впервые идентифицирован. Совсем недавно исследовательские усилия были сосредоточены на идентификации точных ферментов P450, участвующих в метаболизме химических веществ, для которых наблюдается дисперсия, и на точной характеристике вовлеченных генов P450. Как описано ранее, измеримую активность фермента Р450 по отношению к модельному химическому веществу можно назвать фенотипом. Аллельные различия в гене Р450 для каждого человека называются генотипом Р450. По мере того, как все больше и больше внимания уделяется анализу генов P450, точная молекулярная основа ранее задокументированной фенотипической изменчивости становится все более ясной.

Подсемейство CYP1A

Команда CYP1A подсемейство включает два фермента человека и всех других млекопитающих: они обозначаются CYP1A1 и CYP1A2 по стандартной номенклатуре P450. Эти ферменты представляют значительный интерес, поскольку они участвуют в метаболической активации многих проканцерогенов, а также индуцируются некоторыми соединениями, представляющими токсикологическую опасность, включая диоксин. Например, CYP1A1 метаболически активирует многие соединения, содержащиеся в сигаретном дыме. CYP1A2 метаболически активирует многие ариламины, связанные с раком мочевого пузыря, которые встречаются в производстве химических красителей. CYP1A2 также метаболически активирует 4-(метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон (NNK), нитрозамин, полученный из табака. CYP1A1 и CYP1A2 также обнаруживаются на более высоких уровнях в легких курильщиков сигарет из-за индукции полициклическими углеводородами, присутствующими в дыме. Таким образом, уровни активности CYP1A1 и CYP1A2 считаются важными детерминантами индивидуальной реакции на многие потенциально токсичные химические вещества.

Токсикологический интерес к CYP1A подсемейство было значительно усилено отчетом 1973 г., в котором была установлена ​​связь уровня индуцируемости CYP1A1 у курильщиков сигарет с индивидуальной предрасположенностью к раку легких (Kellermann, Shaw and Luyten-Kellermann, 1973). Молекулярная основа индукции CYP1A1 и CYP1A2 была в центре внимания многочисленных лабораторий. Процесс индукции опосредуется белком, называемым рецептором Ah, с которым связываются диоксины и структурно родственные химические вещества. Имя Ah происходит от aрыл hуглеводородная природа многих индукторов CYP1A. Интересно, что различия в гене, кодирующем рецептор Ah, между линиями мышей приводят к заметным различиям в химической реакции и токсичности. Полиморфизм гена рецептора Ah также встречается у людей: примерно у одной десятой населения наблюдается высокая индукция CYP1A1, и они могут подвергаться большему, чем остальные девять десятых населения, риску развития некоторых видов рака, вызванных химическим воздействием. Роль Ah-рецептора в контроле ферментов CYP1A подсемейство и его роль как фактора, определяющего реакцию человека на химическое воздействие, были предметом нескольких недавних обзоров (Неберт, Петерсен и Пуга, 1991; Неберт, Пуга и Василиу, 1993).

Существуют ли другие полиморфизмы, которые могут контролировать уровень белков CYP1A в клетке? полиморфизм в. CYP1A1, ген также был идентифицирован, и он, по-видимому, влияет на риск развития рака легких среди японских курильщиков сигарет, хотя тот же самый полиморфизм, по-видимому, не влияет на риск в других этнических группах (Nebert and McKinnon 1994).

CYP2C19

Различия в скорости метаболизма противосудорожного препарата (S)-мефенитоина у людей хорошо документированы в течение многих лет (Guengerich, 1989). От 2% до 5% представителей европеоидной расы и до 25% жителей Азии испытывают дефицит этой активности и могут подвергаться большему риску токсичности от препарата. Давно известно, что этот дефект фермента связан с членом человеческого CYP2C подсемейство, но точная молекулярная основа этого дефицита была предметом серьезных споров. Основной причиной этой трудности были шесть или более генов в человеческом организме. CYP2C подсемейство. Однако недавно было продемонстрировано, что однонуклеотидная мутация в CYP2C19 ген является основной причиной этого дефицита (Goldstein and de Morais 1994). Также был разработан простой ДНК-тест, основанный на полимеразной цепной реакции (ПЦР), для быстрой идентификации этой мутации в популяциях людей (Goldstein and de Morais, 1994).

CYP2D6

Возможно, наиболее широко охарактеризованная вариация гена Р450 связана с CYP2D6 ген. Описано более дюжины примеров мутаций, перестроек и делеций, влияющих на этот ген (Meyer 1994). Этот полиморфизм был впервые предложен 20 лет назад на основании клинической вариабельности реакции пациентов на антигипертензивный препарат дебризохин. Изменения в CYP2D6 ген, приводящий к изменению активности фермента, поэтому все вместе называются полиморфизм дебризохина.

До появления исследований на основе ДНК люди классифицировались как люди с плохим или интенсивным метаболизмом (PM, EM) дебризохина на основании концентрации метаболитов в образцах мочи. Теперь ясно, что изменения в CYP2D6 ген может привести к тому, что у людей будет проявляться не только плохой или интенсивный метаболизм дебризохина, но и сверхбыстрый метаболизм. Большинство изменений в CYP2D6 гена связаны с частичным или полным дефицитом функции фермента; однако недавно были описаны особи в двух семьях, обладающие множественными функциональными копиями CYP2D6 ген, приводящий к сверхбыстрому метаболизму субстратов CYP2D6 (Meyer 1994). Это замечательное наблюдение дает новое представление о широком спектре активности CYP2D6, ранее наблюдаемом в популяционных исследованиях. Изменения в функции CYP2D6 имеют особое значение, учитывая, что более 30 обычно назначаемых препаратов метаболизируются этим ферментом. Индивидуальная функция CYP2D6, таким образом, является основной детерминантой как терапевтического, так и токсического ответа на проводимую терапию. Действительно, недавно утверждалось, что рассмотрение статуса CYP2D6 пациента необходимо для безопасного использования как психиатрических, так и сердечно-сосудистых препаратов.

Роль CYP2D6 полиморфизм как определяющий фактор индивидуальной предрасположенности человека к таким заболеваниям, как рак легких и болезнь Паркинсона, также был предметом интенсивных исследований (Nebert and McKinnon 1994; Meyer 1994). Хотя выводы сделать сложно, учитывая разнообразный характер используемых протоколов исследований, большинство исследований, по-видимому, указывают на связь между активными метаболизаторами дебризохина (фенотип ЭМ) и раком легких. Причины такой ассоциации в настоящее время неясны. Однако было показано, что фермент CYP2D6 метаболизирует NNK, нитрозамины, полученные из табака.

По мере совершенствования анализов на основе ДНК, позволяющих еще более точно оценивать статус CYP2D6, ожидается, что будет выяснена точная взаимосвязь CYP2D6 с риском заболевания. В то время как экстенсивный метаболизатор может быть связан с предрасположенностью к раку легких, слабый метаболизатор (фенотип PM), по-видимому, связан с болезнью Паркинсона неизвестной причины. Хотя эти исследования также трудно сравнивать, оказывается, что у лиц с ПМ, имеющих сниженную способность метаболизировать субстраты CYP2D6 (например, дебризохин), риск развития болезни Паркинсона повышен в 2–2.5 раза.

CYP2E1

Команда CYP2E1 ген кодирует фермент, который метаболизирует многие химические вещества, в том числе лекарства и многие низкомолекулярные канцерогены. Этот фермент также представляет интерес, поскольку он сильно индуцируется алкоголем и может играть роль в повреждении печени, вызванном такими химическими веществами, как хлороформ, винилхлорид и четыреххлористый углерод. Фермент в основном содержится в печени, и уровень фермента заметно различается у разных людей. Тщательное изучение CYP2E1 ген привел к идентификации нескольких полиморфизмов (Nebert and McKinnon 1994). Сообщалось о связи между наличием определенных структурных вариаций в CYP2E1 ген и очевидное снижение риска рака легких в некоторых исследованиях; однако существуют явные межэтнические различия, которые требуют уточнения этой возможной связи.

Подсемейство CYP3A

У человека четыре фермента были идентифицированы как члены CYP3A подсемейства из-за их сходства в аминокислотной последовательности. Ферменты CYP3A метаболизируют многие обычно назначаемые препараты, такие как эритромицин и циклоспорин. Канцерогенный пищевой контаминант афлатоксин B1 также является субстратом CYP3A. Один из членов человеческого CYP3A подсемейство, обозначенное CYP3A4,, является основным P450 в печени человека, а также присутствует в желудочно-кишечном тракте. Как и для многих других ферментов P450, уровень CYP3A4 сильно различается у разных людей. Второй фермент, обозначенный CYP3A5, обнаружен только примерно в 25% печени; генетическая основа этого вывода не выяснена. Важность вариабельности CYP3A4 или CYP3A5 как фактора генетических детерминант токсического ответа еще не установлена ​​(Nebert and McKinnon, 1994).

Полиморфизмы, отличные от P450

Многочисленные полиморфизмы также существуют в других надсемействах ферментов, метаболизирующих ксенобиотики (например, глутатионтрансферазы, UDP-глюкуронозилтрансферазы, параоксоназы, дегидрогеназы, N-ацетилтрансферазы и флавинсодержащие монооксигеназы). Поскольку окончательная токсичность любого промежуточного продукта, генерируемого P450, зависит от эффективности последующих реакций детоксикации Фазы II, комбинированная роль множественных полиморфизмов ферментов важна для определения восприимчивости к химически индуцированным заболеваниям. Таким образом, метаболический баланс между реакциями Фазы I и Фазы II (рис. 3), вероятно, является основным фактором химических заболеваний человека и генетическими детерминантами токсической реакции.

Полиморфизм гена GSTM1

Хорошо изученным примером полиморфизма фермента фазы II является полиморфизм члена надсемейства ферментов глутатион-S-трансферазы, обозначенного как GST mu или GSTM1. Этот конкретный фермент представляет значительный токсикологический интерес, поскольку он, по-видимому, участвует в последующей детоксикации токсичных метаболитов, образующихся из химических веществ, содержащихся в сигаретном дыме, с помощью фермента CYP1A1. Выявленный полиморфизм в этом гене глутатионтрансферазы включает полное отсутствие функционального фермента почти у половины всех изученных представителей европеоидной расы. Этот недостаток фермента фазы II, по-видимому, связан с повышенной восприимчивостью к раку легких. Путем группировки лиц по обоим вариантам CYP1A1, гены и делеция или наличие функциональной GSM1 гена было продемонстрировано, что риск развития рака легких, вызванного курением, значительно различается (Kawajiri, Watanabe and Hayashi 1994). В частности, особи с одним редким CYP1A1, изменение гена в сочетании с отсутствием GSM1 ген, подвергались более высокому риску (в девять раз) развития рака легких при воздействии относительно небольшого количества сигаретного дыма. Интересно, что, по-видимому, существуют межэтнические различия в значении вариантных генов, которые требуют дальнейшего изучения, чтобы выяснить точную роль таких изменений в восприимчивости к болезням (Kalow, 1962; Nebert and McKinnon, 1994; Kawajiri, Watanabe and Hayashi, 1994).

Синергический эффект двух и более полиморфизмов на токсический ответ

Токсическая реакция на агент окружающей среды может быть сильно преувеличена комбинацией двух фармакогенетических дефектов у одного и того же человека, например, комбинированными эффектами полиморфизма N-ацетилтрансферазы (NAT2) и полиморфизма глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G6PD). .

Профессиональное воздействие ариламинов представляет собой серьезный риск рака мочевого пузыря. После элегантных исследований Cartwright в 1954 году стало ясно, что статус N-ацетилятора является определяющим фактором рака мочевого пузыря, вызванного азокрасителем. Существует высокодостоверная корреляция между фенотипом медленного ацетилятора и возникновением рака мочевого пузыря, а также степенью инвазивности этого рака в стенку мочевого пузыря. Напротив, существует значительная связь между фенотипом быстрого ацетилятора и заболеваемостью колоректальной карциномой. N-ацетилтрансфераза (англ.НАТ1, НАТ2) гены были клонированы и секвенированы, а анализы на основе ДНК теперь способны обнаруживать более дюжины аллельных вариантов, которые объясняют фенотип медленного ацетилятора. NAT2 ген является полиморфным и отвечает за большую часть изменчивости токсической реакции на химические вещества окружающей среды (Weber 1987; Grant 1993).

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (Г6ФД) является ферментом, имеющим решающее значение для образования и поддержания НАДФН. Низкая или отсутствующая активность G6PD может привести к тяжелому гемолизу, вызванному лекарственными препаратами или ксенобиотиками, из-за отсутствия нормальных уровней восстановленного глутатиона (GSH) в эритроцитах. Дефицит G6PD затрагивает не менее 300 миллионов человек во всем мире. Более 10% афроамериканских мужчин демонстрируют менее тяжелый фенотип, в то время как в некоторых сардинских общинах проявляется более тяжелый «средиземноморский тип» с частотой до одного из трех человек. Г6ФД ген был клонирован и локализован в Х-хромосоме, а многочисленные разнообразные точечные мутации объясняют большую степень фенотипической гетерогенности, наблюдаемую у индивидуумов с дефицитом G6PD (Beutler 1992).

Было обнаружено, что тиозалсульфон, ариламинсульфатный препарат, вызывает бимодальное распределение гемолитической анемии у пациентов, получавших лечение. При лечении определенными препаратами люди с сочетанием дефицита G6PD и фенотипа медленного ацетилятора страдают больше, чем люди с дефицитом G6PD или только с фенотипом медленного ацетилятора. Медленные ацетиляторы с дефицитом G6PD по крайней мере в 40 раз более восприимчивы, чем нормальные G6PD быстрые ацетиляторы, к гемолизу, индуцированному тиозалсульфоном.

Влияние генетических полиморфизмов на оценку воздействия

Для оценки воздействия и биомониторинга (рис. 1) также требуется информация о генетическом составе каждого человека. При идентичном воздействии опасного химического вещества уровень аддуктов гемоглобина (или других биомаркеров) может варьироваться на два или три порядка у разных людей, в зависимости от метаболических характеристик каждого человека.

Такая же комбинированная фармакогенетика была изучена у рабочих химических заводов в Германии (таблица 1). Аддукты гемоглобина среди рабочих, подвергшихся воздействию анилина и ацетанилида, намного выше у медленных ацетиляторов с дефицитом G6PD по сравнению с другими возможными комбинированными фармакогенетическими фенотипами. Это исследование имеет важные последствия для оценки воздействия. Эти данные показывают, что, хотя два человека могут подвергаться воздействию опасного химического вещества при одинаковом уровне окружающей среды на рабочем месте, степень воздействия (через биомаркеры, такие как аддукты гемоглобина) может быть оценена как на два или более порядка меньше из-за обусловленной генетической предрасположенностью человека. Точно так же результирующий риск неблагоприятного воздействия на здоровье может варьироваться на два или более порядка.

Таблица 1: Аддукты гемоглобина у рабочих, подвергшихся воздействию анилина и ацетанилида

Статус ацетилятора G6PD дефицит
Быстрый Замедлять Нет Да Аддукты Hgb
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

Источник: адаптировано из Lewalter and Korallus 1985.

Генетические различия в связывании, а также в метаболизме

Следует подчеркнуть, что тот же самый случай, сделанный здесь для метаболизма, может быть сделан и для связывания. Наследственные различия в связывании агентов окружающей среды будут сильно влиять на токсическую реакцию. Например, различия в мышах кубический дециметр ген может сильно влиять на индивидуальную чувствительность к кадмий-индуцированному некрозу яичек (Taylor, Heiniger and Meier, 1973). Различия в связывающей способности рецептора Ah, вероятно, влияют на индуцированную диоксином токсичность и рак (Nebert, Petersen and Puga 1991; Nebert, Puga and Vasiliou 1993).

На рисунке 5 обобщена роль метаболизма и связывания в токсичности и раке. Токсичные агенты, поскольку они существуют в окружающей среде или после метаболизма или связывания, проявляют свои эффекты либо генотоксическим путем (при котором происходит повреждение ДНК), либо негенотоксическим путем (при котором не обязательно происходит повреждение ДНК и мутагенез). Интересно, что недавно стало ясно, что «классические» агенты, повреждающие ДНК, могут действовать через зависимый от восстановленного глутатиона (GSH) негенотоксический путь передачи сигнала, который инициируется на поверхности клетки или вблизи нее в отсутствие ДНК и вне ядра клетки. (Девари и др., 1993). Однако генетические различия в метаболизме и связывании остаются основными детерминантами в контроле различных индивидуальных токсических реакций.

Рисунок 5. Общие способы возникновения токсичности

ТОХ050F6

Роль фермента, метаболизирующего лекарственные средства, в клеточной функции

Генетически обусловленные вариации в функции ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, имеют большое значение для определения индивидуальной реакции на химические вещества. Эти ферменты играют ключевую роль в определении судьбы и течения инородного химического вещества после воздействия.

Как показано на рис. 5, значение ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, в индивидуальной восприимчивости к химическому воздействию может на самом деле представлять собой гораздо более сложный вопрос, чем это видно из этого простого обсуждения метаболизма ксенобиотиков. Другими словами, в течение последних двух десятилетий особое внимание уделялось механизмам генотоксичности (измерения аддуктов ДНК и аддуктов белков). Однако что, если негенотоксические механизмы не менее важны, чем генотоксические механизмы, в возникновении токсических реакций?

Как упоминалось ранее, физиологическая роль многих ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, участвующих в метаболизме ксенобиотиков, точно не определена. Nebert (1994) предположил, что из-за их присутствия на этой планете более 3.5 миллиардов лет ферменты, метаболизирующие лекарственные средства, первоначально (и до сих пор в первую очередь) ответственны за регуляцию клеточных уровней многих непептидных лигандов, важных для активации транскрипции. генов, влияющих на рост, дифференцировку, апоптоз, гомеостаз и нейроэндокринные функции. Кроме того, токсичность большинства, если не всех, агентов окружающей среды возникает посредством агонист or антагонист воздействие на эти пути передачи сигнала (Nebert 1994). Основываясь на этой гипотезе, генетическая изменчивость ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, может оказывать весьма сильное влияние на многие критические биохимические процессы внутри клетки, что приводит к важным различиям в токсической реакции. Действительно возможно, что такой сценарий может также лежать в основе многих идиосинкразических побочных реакций, возникающих у пациентов, принимающих обычно назначаемые препараты.

Выводы

За последнее десятилетие мы значительно продвинулись в понимании генетической основы дифференциальной реакции на химические вещества в лекарствах, пищевых продуктах и ​​загрязнителях окружающей среды. Ферменты, метаболизирующие лекарства, оказывают глубокое влияние на то, как люди реагируют на химические вещества. По мере того, как наше понимание множественности ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, продолжает развиваться, мы все в большей степени способны делать более точные оценки токсического риска для многих лекарств и экологических химических веществ. Это, возможно, наиболее ярко проиллюстрировано в случае фермента цитохрома Р2 CYP6D450. Используя относительно простые тесты на основе ДНК, можно предсказать вероятную реакцию любого препарата, преимущественно метаболизирующегося этим ферментом; этот прогноз обеспечит более безопасное использование ценных, но потенциально токсичных лекарств.

В будущем, несомненно, произойдет взрыв в идентификации дополнительных полиморфизмов (фенотипов), включающих ферменты, метаболизирующие лекарственные средства. Эта информация будет сопровождаться улучшенными минимально инвазивными тестами на основе ДНК для выявления генотипов в популяциях человека.

Такие исследования должны быть особенно информативными при оценке роли химических веществ во многих экологических заболеваниях неизвестного в настоящее время происхождения. Рассмотрение множественных полиморфизмов ферментов, метаболизирующих лекарственные средства, в комбинации (например, таблица 1), также, вероятно, представляет собой особенно плодотворную область исследований. Такие исследования прояснят роль химических веществ в возникновении рака. В совокупности эта информация должна позволить сформулировать все более индивидуализированные рекомендации по избеганию химических веществ, которые могут представлять интерес для отдельных лиц. Это область профилактической токсикологии. Такой совет, несомненно, очень поможет всем людям справиться с постоянно растущим химическим бременем, которому мы подвергаемся.

 

Назад

Понедельник, Декабрь 20 2010 19: 23

Влияние возраста, пола и других факторов

Между людьми часто существуют большие различия в интенсивности реакции на токсичные химические вещества и различия в восприимчивости человека на протяжении всей жизни. Это может быть связано с рядом факторов, способных влиять на скорость всасывания, распределение в организме, биотрансформацию и/или скорость экскреции конкретного химического вещества. Помимо известных наследственных факторов, связь которых с повышенной восприимчивостью человека к токсичности химических веществ явно доказана (см. «Генетические детерминанты токсического ответа»), к другим факторам относятся: конституциональные характеристики, связанные с возрастом и полом; ранее существовавшие болезненные состояния или снижение функции органов (ненаследственное, т.е. приобретенное); пищевые привычки, курение, употребление алкоголя и прием лекарств; сопутствующее воздействие биотоксинов (различных микроорганизмов) и физических факторов (радиация, влажность, экстремально низкие или высокие температуры или барометрическое давление, особенно характерное для парциального давления газа), а также сопутствующие физические нагрузки или психологические стрессовые ситуации; предыдущее профессиональное и / или экологическое воздействие определенного химического вещества и, в частности, сопутствующее воздействие других химических веществ, обязательно токсичные (например, эссенциальные металлы). Возможный вклад вышеупомянутых факторов в повышение или снижение восприимчивости к неблагоприятным последствиям для здоровья, а также механизмы их действия специфичны для конкретного химического вещества. Поэтому здесь будут представлены только наиболее распространенные факторы, основные механизмы и несколько характерных примеров, в то время как конкретную информацию о каждом конкретном химическом веществе можно найти в другом месте этой книги. Энциклопедия.

В зависимости от стадии, на которой действуют эти факторы (поглощение, распределение, биотрансформация или выделение того или иного химического вещества), механизмы можно грубо классифицировать по двум основным последствиям взаимодействия: (1) изменение количества химического вещества в орган-мишень, то есть в месте(ах) его воздействия на организм (токсикокинетические взаимодействия), или (2) изменение интенсивности специфического ответа на количество химического вещества в органе-мишени (токсикодинамические взаимодействия) . Наиболее распространенные механизмы любого типа взаимодействия связаны с конкуренцией с другими химическими веществами за связывание с теми же соединениями, участвующими в их транспорте в организме (например, со специфическими белками сыворотки) и/или с одним и тем же путем биотрансформации (например, специфические ферменты), что приводит к изменению скорости или последовательности между начальной реакцией и конечным неблагоприятным воздействием на здоровье. Однако как токсикокинетические, так и токсикодинамические взаимодействия могут влиять на индивидуальную восприимчивость к конкретному химическому веществу. Влияние нескольких сопутствующих факторов может привести либо к: аддитивные эффекты- интенсивность комбинированного эффекта равна сумме эффектов, производимых каждым фактором в отдельности, (б) синергетические эффекты- интенсивность комбинированного эффекта больше, чем сумма эффектов, производимых каждым фактором в отдельности, или (c) антагонистические эффекты- интенсивность комбинированного воздействия меньше, чем сумма эффектов, производимых каждым фактором в отдельности.

Количество конкретного токсического химического вещества или характерного метаболита в месте (местах) его воздействия на организм человека можно более или менее оценить с помощью биологического мониторинга, то есть путем выбора правильного биологического образца и оптимальных учитывать биологические периоды полураспада конкретного химического вещества как в критическом органе, так и в измеряемом биологическом компартменте. Однако достоверная информация о других возможных факторах, которые могут влиять на индивидуальную восприимчивость человека, как правило, отсутствует, и, следовательно, большая часть знаний о влиянии различных факторов основана на экспериментальных данных на животных.

Следует подчеркнуть, что в некоторых случаях между людьми и другими млекопитающими существуют относительно большие различия в интенсивности реакции на эквивалентный уровень и/или продолжительность воздействия многих токсичных химических веществ; например, люди, по-видимому, значительно более чувствительны к неблагоприятному воздействию на здоровье некоторых токсичных металлов, чем крысы (обычно используемые в экспериментальных исследованиях на животных). Некоторые из этих различий можно объяснить тем фактом, что пути транспортировки, распределения и биотрансформации различных химических веществ в значительной степени зависят от тонких изменений рН ткани и окислительно-восстановительного равновесия в организме (как и активность различных ферментов), и что окислительно-восстановительная система человека значительно отличается от крысиной.

Это, очевидно, относится к важным антиоксидантам, таким как витамин С и глутатион (GSH), которые необходимы для поддержания окислительно-восстановительного равновесия и играют защитную роль от неблагоприятного воздействия свободных радикалов, полученных из кислорода или ксенобиотиков, которые участвуют в различных патологических состояний (Kehrer 1993). Люди не могут самостоятельно синтезировать витамин С, в отличие от крыс, и уровни, а также скорость оборота эритроцитарного GSH у людей значительно ниже, чем у крыс. У людей также отсутствуют некоторые защитные антиоксидантные ферменты по сравнению с крысами или другими млекопитающими (например, считается, что GSH-пероксидаза малоактивна в сперме человека). Эти примеры иллюстрируют потенциально большую уязвимость к окислительному стрессу у людей (особенно в чувствительных клетках, например, явно большая уязвимость сперматозоидов человека к токсическим воздействиям, чем у крыс), что может привести к другой реакции или большей восприимчивости к влиянию различных факторов у человека по сравнению с другими млекопитающими (Telišman 1995).

Влияние возраста

По сравнению со взрослыми очень маленькие дети часто более восприимчивы к химической токсичности из-за их относительно больших объемов вдыхания и скорости всасывания в желудочно-кишечном тракте из-за большей проницаемости кишечного эпителия, а также из-за незрелых ферментных систем детоксикации и относительно меньшей скорости экскреции токсичных химических веществ. . Центральная нервная система оказывается особенно восприимчивой на ранней стадии развития к нейротоксичности различных химических веществ, например свинца и метилртути. С другой стороны, пожилые люди могут быть восприимчивы из-за химического воздействия в анамнезе и повышенных запасов некоторых ксенобиотиков в организме или ранее существовавшего нарушения функции органов-мишеней и/или соответствующих ферментов, что приводит к снижению скорости детоксикации и экскреции. Каждый из этих факторов может способствовать ослаблению защитных сил организма — уменьшению резервных возможностей, вызывая повышенную восприимчивость к последующему воздействию других опасностей. Например, ферменты цитохрома Р450 (участвующие в путях биотрансформации почти всех токсичных химических веществ) могут быть либо индуцированы, либо иметь пониженную активность из-за влияния различных факторов в течение жизни (включая пищевые привычки, курение, употребление алкоголя, прием лекарств и т. воздействие ксенобиотиков окружающей среды).

Влияние секса

Гендерные различия в восприимчивости были описаны для большого количества токсичных химических веществ (приблизительно 200), и такие различия обнаружены у многих видов млекопитающих. Похоже, что мужчины, как правило, более восприимчивы к почечным токсинам, а женщины — к токсинам печени. Причины различной реакции между мужчинами и женщинами были связаны с различиями в различных физиологических процессах (например, женщины способны к дополнительному выделению некоторых токсичных химических веществ через менструальную кровопотерю, грудное молоко и/или попадание в плод, но они испытывают дополнительный стресс во время беременности, родов и кормления грудью), активность ферментов, механизмы генетического восстановления, гормональные факторы или наличие относительно больших жировых отложений у женщин, что приводит к большему накоплению некоторых липофильных токсичных химических веществ, таких как органические растворители и некоторые лекарства. .

Влияние пищевых привычек

Диетические привычки оказывают большое влияние на восприимчивость к химической токсичности, главным образом потому, что адекватное питание необходимо для функционирования системы химической защиты организма и поддержания хорошего здоровья. Адекватное потребление незаменимых металлов (включая металлоиды) и белков, особенно серосодержащих аминокислот, необходимо для биосинтеза различных ферментов детоксикации и обеспечения глицина и глутатиона для реакций конъюгации с эндогенными и экзогенными соединениями. Липиды, особенно фосфолипиды, и липотропы (доноры метильных групп) необходимы для синтеза биологических мембран. Углеводы обеспечивают энергию, необходимую для различных процессов детоксикации, и обеспечивают глюкуроновую кислоту для конъюгации токсичных химических веществ и их метаболитов. Селен (незаменимый металлоид), глутатион и витамины, такие как витамин С (водорастворимый), витамин Е и витамин А (жирорастворимый), играют важную роль в качестве антиоксидантов (например, в контроле перекисного окисления липидов и поддержании целостности клеточных мембран). и поглотители свободных радикалов для защиты от токсичных химических веществ. Кроме того, различные пищевые компоненты (содержание белка и клетчатки, минералы, фосфаты, лимонная кислота и т. д.), а также количество потребляемой пищи могут сильно влиять на скорость всасывания в желудочно-кишечном тракте многих токсичных химических веществ (например, на среднюю скорость всасывания растворимых веществ). солей свинца, принимаемых во время еды, составляет примерно 60% по сравнению с примерно XNUMX% у испытуемых натощак). Однако сама диета может быть дополнительным источником индивидуального воздействия различных токсичных химических веществ (например, значительно повышенное ежедневное потребление и накопление мышьяка, ртути, кадмия и/или свинца у субъектов, потребляющих зараженные морепродукты).

Влияние курения

Привычка курить может влиять на индивидуальную восприимчивость ко многим токсичным химическим веществам из-за разнообразия возможных взаимодействий с участием большого количества соединений, присутствующих в сигаретном дыме (особенно полициклических ароматических углеводородов, монооксида углерода, бензола, никотина, акролеина, некоторых пестицидов, кадмия и т. , в меньшей степени свинец и другие токсичные металлы и др.), некоторые из которых способны накапливаться в организме человека в течение всей жизни, включая внутриутробный период (например, свинец и кадмий). Взаимодействия происходят главным образом потому, что различные токсичные химические вещества конкурируют за одни и те же сайты связывания для транспорта и распределения в организме и/или за один и тот же путь биотрансформации с участием определенных ферментов. Например, некоторые компоненты сигаретного дыма могут индуцировать ферменты цитохрома Р450, тогда как другие могут подавлять их активность и, таким образом, влиять на общие пути биотрансформации многих других токсичных химических веществ, таких как органические растворители и некоторые лекарства. Интенсивное курение сигарет в течение длительного периода может значительно снизить защитные механизмы организма, снижая резервные возможности справляться с неблагоприятным влиянием других факторов образа жизни.

Влияние алкоголя

Потребление алкоголя (этанола) может влиять на восприимчивость ко многим токсичным химическим веществам несколькими способами. Он может влиять на скорость всасывания и распределение определенных химических веществ в организме — например, повышать скорость всасывания свинца в желудочно-кишечном тракте или снижать скорость всасывания паров ртути в легких путем ингибирования окисления, необходимого для задержки вдыхаемых паров ртути. Этанол также может влиять на восприимчивость к различным химическим веществам за счет кратковременных изменений рН ткани и увеличения окислительно-восстановительного потенциала в результате метаболизма этанола, поскольку окисление этанола до ацетальдегида и окисление ацетальдегида до ацетата приводит к образованию эквивалента восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и водород (Н+). Поскольку сродство как незаменимых, так и токсичных металлов и металлоидов к связыванию с различными соединениями и тканями зависит от pH и изменений окислительно-восстановительного потенциала (Telišman 1995), даже умеренное потребление этанола может привести к ряду последствий, таких как: 1) перераспределение длительно накопленного свинца в организме человека в пользу биологически активной фракции свинца; свинца на распределение в организме других незаменимых металлов и металлоидов, таких как кальций, железо, медь и селен, (2) увеличение экскреции цинка с мочой и так далее. Эффект возможных вышеупомянутых событий может быть усилен тем фактом, что алкогольные напитки могут содержать значительное количество свинца из сосудов или при переработке (Prpic-Majic et al., 3; Telišman et al., 1984; 1984).

Другой распространенной причиной изменений чувствительности, связанных с этанолом, является то, что многие токсичные химические вещества, например, различные органические растворители, имеют один и тот же путь биотрансформации с участием ферментов цитохрома Р450. В зависимости от интенсивности воздействия органических растворителей, а также количества и частоты употребления этанола (т. е. острого или хронического употребления алкоголя) этанол может либо снижать, либо увеличивать скорость биотрансформации различных органических растворителей и, таким образом, влиять на их токсичность (Sato 1991). .

Влияние лекарств

Распространенное использование различных лекарств может влиять на восприимчивость к токсическим химическим веществам, главным образом потому, что многие лекарства связываются с белками сыворотки и, таким образом, влияют на транспорт, распределение или скорость выведения различных токсичных химических веществ, или потому, что многие лекарства способны индуцировать соответствующие ферменты детоксикации или подавлять их активность. (например, ферменты цитохрома Р450), тем самым влияя на токсичность химических веществ с одним и тем же путем биотрансформации. Характерным для любого из механизмов является повышенная экскреция с мочой трихлоруксусной кислоты (метаболит некоторых хлорированных углеводородов) при применении салицилата, сульфонамида или фенилбутазона и повышенная гепато-нефротоксичность четыреххлористого углерода при применении фенобарбитала. Кроме того, некоторые лекарства содержат значительное количество потенциально токсичных химических веществ, например антациды, содержащие алюминий, или препараты, применяемые для терапевтического лечения гиперфосфатемии, возникающей при хронической почечной недостаточности.

Влияние сопутствующего воздействия других химических веществ

Изменения восприимчивости к неблагоприятным последствиям для здоровья при взаимодействии различных химических веществ (т. е. возможные аддитивные, синергические или антагонистические эффекты) изучались почти исключительно на экспериментальных животных, в основном на крысах. Соответствующие эпидемиологические и клинические исследования отсутствуют. Это вызывает особую озабоченность, учитывая относительно большую интенсивность реакции или разнообразие неблагоприятных последствий для здоровья человека от нескольких токсичных химических веществ по сравнению с крысами и другими млекопитающими. Помимо опубликованных данных в области фармакологии, большинство данных относится только к комбинациям двух различных химических веществ в определенных группах, таких как различные пестициды, органические растворители или незаменимые и/или токсичные металлы и металлоиды.

Совместное воздействие различных органических растворителей может приводить к различным аддитивным, синергическим или антагонистическим эффектам (в зависимости от комбинации определенных органических растворителей, их интенсивности и продолжительности воздействия), в основном за счет способности влиять на биотрансформацию друг друга (Sato 1991).

Другим характерным примером являются взаимодействия как незаменимых, так и/или токсичных металлов и металлоидов, так как они вовлечены в возможное влияние возраста (например, пожизненное накопление в организме свинца и кадмия из окружающей среды), пола (например, распространенный дефицит железа у женщин). ), пищевые привычки (например, повышенное потребление с пищей токсичных металлов и металлоидов и/или недостаточное потребление с пищей основных металлов и металлоидов), привычка к курению и употребление алкоголя (например, дополнительное воздействие кадмия, свинца и других токсичных металлов) и использование лекарств (например, однократная доза антацида может привести к 50-кратному увеличению среднего суточного потребления алюминия с пищей). Возможность различных аддитивных, синергических или антагонистических эффектов воздействия различных металлов и металлоидов на человека можно проиллюстрировать на основных примерах, относящихся к основным токсическим элементам (см. друг с другом (например, хорошо известный антагонистический эффект меди на скорость всасывания в желудочно-кишечном тракте, а также на метаболизм цинка и наоборот). Основной причиной всех этих взаимодействий является конкуренция различных металлов и металлоидов за один и тот же сайт связывания (особенно сульфгидрильную группу, -SH) в различных ферментах, металлопротеинах (особенно металлотионеине) и тканях (например, клеточных мембранах и органных барьерах). Эти взаимодействия могут играть важную роль в развитии ряда хронических заболеваний, опосредованных действием свободных радикалов и окислительного стресса (Telišman 1).

Таблица 1. Основные эффекты возможных множественных взаимодействий основных токсичных и/или эссенциальных металлов и металлоидов у млекопитающих

Токсичный металл или металлоид Основные эффекты взаимодействия с другим металлом или металлоидом
Алюминий (Al) Снижает скорость всасывания Са и ухудшает метаболизм Са; дефицит Са в рационе увеличивает скорость всасывания Al. Нарушает обмен фосфатов. Данные о взаимодействиях с Fe, Zn и Cu неоднозначны (т. е. возможная роль другого металла как посредника).
Мышьяк (As) Влияет на распределение Cu (повышение Cu в почках и снижение Cu в печени, сыворотке и моче). Нарушает метаболизм Fe (повышение Fe в печени с сопутствующим снижением гематокрита). Zn снижает скорость поглощения неорганического мышьяка и снижает его токсичность. Se снижает токсичность As и наоборот.
Кадмий (Cd) Снижает скорость всасывания Са и ухудшает метаболизм Са; дефицит Ca в рационе увеличивает скорость поглощения Cd. Нарушает обмен фосфатов, т. е. увеличивает выведение фосфатов с мочой. Нарушает метаболизм Fe; дефицит Fe в рационе увеличивает скорость поглощения Cd. Влияет на распределение Zn; Zn снижает токсичность Cd, тогда как его влияние на скорость поглощения Cd неоднозначно. Se снижает токсичность Cd. Mn снижает токсичность Cd при низком уровне воздействия Cd. Данные о взаимодействии с Cu неоднозначны (т. е. возможная роль Zn или другого металла как посредника). Высокий уровень содержания Pb, Ni, Sr, Mg или Cr(III) в пище может снизить скорость поглощения Cd.
Меркурий (Hg) Влияет на распределение Cu (увеличение Cu в печени). Zn снижает скорость поглощения неорганической ртути и снижает токсичность ртути. Se снижает токсичность Hg. Cd увеличивает концентрацию Hg в почках, но в то же время снижает токсичность Hg в почках (влияние Cd-индуцированного синтеза металлотионеина).
Свинец (Pb) Нарушает метаболизм Са; дефицит Са в рационе увеличивает скорость поглощения неорганического Pb и увеличивает токсичность Pb. Нарушает метаболизм Fe; дефицит Fe в рационе увеличивает токсичность Pb, тогда как его влияние на скорость поглощения Pb неоднозначно. Нарушает метаболизм Zn и увеличивает экскрецию Zn с мочой; Недостаток Zn в рационе увеличивает скорость поглощения неорганического Pb и увеличивает токсичность Pb. Se снижает токсичность Pb. Данные о взаимодействии с Cu и Mg неоднозначны (т. е. возможная роль Zn или другого металла как посредника).

Примечание. Данные в основном относятся к экспериментальным исследованиям на крысах, в то время как соответствующие клинические и эпидемиологические данные (особенно в отношении количественных зависимостей доза-реакция) обычно отсутствуют (Elsenhans et al., 1991; Fergusson, 1990; Telišman et al., 1993).

 

Назад

Понедельник, Декабрь 20 2010 19: 21

Орган-мишень и критические эффекты

Приоритетной задачей профессиональной и экологической токсикологии является улучшение предотвращения или существенного ограничения воздействия на здоровье опасных агентов в общей и профессиональной среде. С этой целью были разработаны системы количественной оценки риска, связанного с данным воздействием (см. раздел «Нормативная токсикология»).

Воздействие химического вещества на определенные системы и органы зависит от величины воздействия и от того, является ли воздействие острым или хроническим. Ввиду многообразия токсического воздействия даже в пределах одной системы или органа предложена единая философия в отношении критического органа и критического воздействия с целью оценки риска и разработки санитарно-гигиенических рекомендуемых пределов концентрации токсических веществ в различных средах окружающей среды. .

С точки зрения профилактической медицины особенно важно выявить ранние побочные эффекты, исходя из общего предположения, что предотвращение или ограничение ранних эффектов может предотвратить развитие более серьезных последствий для здоровья.

Такой подход был применен к тяжелым металлам. Хотя тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий и ртуть, относятся к особой группе токсичных веществ, хронический эффект активности которых зависит от их накопления в органах, определения, представленные ниже, были опубликованы Рабочей группой по токсичности металлов (Nordberg 1976).

Определение критического органа, предложенное Целевой группой по токсичности металлов, было принято с небольшим изменением: слово металл было заменено выражением потенциально токсичное вещество (Даффус, 1993).

Считается ли тот или иной орган или система критической, зависит не только от токсико-механики опасного агента, но также от пути абсорбции и подверженного воздействию населения.

  • Критическая концентрация для клетки: концентрация, при которой в клетке происходят неблагоприятные функциональные изменения, обратимые или необратимые.
  • Критическая концентрация органов: средняя концентрация в органе в момент, когда наиболее чувствительный тип клеток в органе достигает критической концентрации.
  • Критический орган: тот конкретный орган, который первым достигает критической концентрации металла при определенных условиях воздействия и для данной популяции.
  • Критический эффект: определенная точка в отношениях между дозой и эффектом у индивидуума, а именно точка, в которой возникает неблагоприятное воздействие на клеточную функцию критического органа. При уровне воздействия ниже того, который дает критическую концентрацию металла в критическом органе, могут возникать некоторые эффекты, которые не нарушают клеточную функцию как таковую, но обнаруживаются с помощью биохимических и других тестов. Такие эффекты определяются как субкритические эффекты.

 

Биологическое значение подкритического эффекта иногда неизвестно; он может обозначать биомаркер воздействия, индекс адаптации или предшественник критического эффекта (см. «Методы токсикологических испытаний: биомаркеры»). Последняя возможность может быть особенно значимой с точки зрения профилактических мероприятий.

В таблице 1 приведены примеры критических органов и воздействия различных химических веществ. При хроническом воздействии кадмия из окружающей среды, когда путь абсорбции не имеет большого значения (концентрация кадмия в воздухе колеблется от 10 до 20 мкг/м3 в городе и 1-2 мкг/м3 в сельской местности) критическим органом является почка. В профессиональных условиях, когда ПДК достигает 50 мкг/м3 и вдыхание представляет собой основной путь воздействия, два органа, легкие и почки, считаются критическими.

Таблица 1. Примеры критических органов и критических воздействий

Вещество Критический орган при хроническом воздействии Критический эффект
Кадмий Легкие беспороговый:
Рак легкого (удельный риск 4.6 х 10-3)
  Почка порог:
Увеличение экскреции низкомолекулярных белков (β2 , RBP) в моче
  Легкие Эмфизема легкие изменения функции
Вести Взрослые
Кроветворная система
Увеличение экскреции дельта-аминолевулиновой кислоты с мочой (ALA-U); повышение концентрации свободного эритроцитарного протопорфирина (СЭП) в эритроцитах
  Периферическая нервная система Замедление скорости проведения более медленных нервных волокон
Меркурий (элементал) Маленькие дети
Центральная нервная система
Снижение IQ и другие малозаметные эффекты; меркуриальный тремор (пальцы, губы, веки)
Меркурий (ртутный) Почка протеинурия
Марганец Взрослые
Центральная нервная система
Нарушение психомоторных функций
  Дети
Легкие
Респираторные симптомы
  Центральная нервная система Нарушение психомоторных функций
Толуол Слизистые оболочки Раздражение
Винилхлорид Печень рак
(единичный риск ангиосаркомы 1 x 10-6 )
Этилацетат Слизистая оболочка Раздражение

 

Для свинца критическими органами у взрослых являются кроветворная и периферическая нервная системы, где критические эффекты (например, повышенная концентрация свободного протопорфирина эритроцитов (ССП), повышенная экскреция дельта-аминолевулиновой кислоты с мочой или нарушение проводимости по периферическим нервам) проявляются при уровень свинца в крови (показатель поглощения свинца в организме) приближается к 200-300 мкг/л. У маленьких детей критическим органом является центральная нервная система (ЦНС), и симптомы дисфункции, выявленные с помощью набора психологических тестов, проявляются в обследованных популяциях даже при концентрациях Pb в диапазоне около 100 мкг/л. в крови.

Был сформулирован ряд других определений, которые могут лучше отражать смысл понятия. Согласно ВОЗ (1989 г.), критический эффект определяется как «первый неблагоприятный эффект, который проявляется при достижении пороговой (критической) концентрации или дозы в критическом органе. Побочные эффекты, такие как рак, для которых не определена пороговая концентрация, часто расцениваются как критические. Решение о том, является ли эффект критическим, зависит от экспертной оценки». В Руководстве Международной программы химической безопасности (МПХБ) по разработке Документы по критериям гигиены окружающей среды, критический эффект описывается как «побочный эффект, который считается наиболее подходящим для определения переносимого потребления». Последнее определение было сформулировано непосредственно для целей оценки пределов воздействия на здоровье человека в окружающей среде. В этом контексте наиболее важным представляется определение того, какой эффект можно считать неблагоприятным. Согласно современной терминологии, неблагоприятное воздействие — это «изменение морфологии, физиологии, роста, развития или продолжительности жизни организма, которое приводит к нарушению способности компенсировать дополнительный стресс или к повышению восприимчивости к вредному воздействию других воздействий окружающей среды. Решение о том, является ли какой-либо эффект неблагоприятным, требует экспертного заключения».

На рис. 1 представлены гипотетические кривые доза-реакция для различных эффектов. В случае воздействия свинца A может проявляться субкритическим эффектом (ингибирование эритроцитарной АЛК-дегидратазы), B критический эффект (увеличение эритроцитарного протопорфирина цинка или усиление экскреции дельта-аминолевулиновой кислоты, C клинический эффект (анемия) и D фатальный эффект (смерть). В отношении воздействия свинца имеется множество данных, иллюстрирующих, как конкретные последствия воздействия зависят от концентрации свинца в крови (практический аналог дозы), либо в виде зависимости доза-реакция, либо в зависимости от различных переменных (пола, возраста и т. д.). .). Определение критических эффектов и зависимости доза-реакция для таких эффектов у человека позволяет прогнозировать частоту данного эффекта для данной дозы или его аналога (концентрация в биологическом материале) в определенной популяции.

Рисунок 1. Гипотетические кривые доза-реакция для различных эффектов

ТОХ080F1

Критические эффекты могут быть двух типов: те, которые считаются пороговыми, и те, для которых может существовать некоторый риск при любом уровне воздействия (непороговые, генотоксичные канцерогены и микробные мутагены). Когда это возможно, в качестве основы для оценки риска следует использовать соответствующие человеческие данные. Чтобы определить пороговые эффекты для населения в целом, необходимо сделать предположения относительно уровня воздействия (переносимое потребление, биомаркеры воздействия) таким образом, чтобы частота критического эффекта в популяции, подвергшейся воздействию данного опасного агента, соответствовала частоте этого эффекта в общей популяции. При воздействии свинца максимально рекомендуемая концентрация свинца в крови для населения в целом (200 мкг/л, медиана ниже 100 мкг/л) (ВОЗ, 1987) практически ниже порогового значения предполагаемого критического эффекта — повышенного уровня свободного протопорфирина эритроцитов, хотя не ниже уровня, связанного с воздействием на ЦНС у детей или АД у взрослых. В целом, если данные хорошо проведенных популяционных исследований, определяющих уровень отсутствия наблюдаемых побочных эффектов, являются основой для оценки безопасности, то коэффициент неопределенности, равный десяти, считается приемлемым. В случае профессионального облучения критические эффекты могут относиться к определенной части населения (например, 10%). Соответственно, при профессиональном воздействии свинца рекомендуемая концентрация свинца в крови для здоровья была принята равной 400 мг/л у мужчин, где 10%-й уровень ответа на ALA-U, равный 5 мг/л, имел место при концентрациях PbB примерно от 300 до 400 мг/л. . Для профессионального воздействия кадмия (предполагая, что повышенная экскреция с мочой низкомолекулярных белков является критическим эффектом), уровень кадмия 200 ppm в корковом веществе почек считался допустимым значением, так как этот эффект наблюдался у 10% детей. подвергающееся воздействию население. Обе эти величины рассматриваются на предмет снижения во многих странах в настоящее время (т.е. в 1996 г.).

Нет четкого консенсуса в отношении надлежащей методологии оценки риска химических веществ, для которых критический эффект может не иметь порогового значения, таких как генотоксичные канцерогены. Для оценки таких эффектов был принят ряд подходов, основанных главным образом на характеристике зависимости доза-реакция. Из-за отсутствия социально-политического признания риска для здоровья, вызванного канцерогенами, в таких документах, как Руководство по качеству воздуха для Европы (ВОЗ, 1987), только такие значения, как единичный пожизненный риск (т. е. риск, связанный с пожизненным воздействием 1 мкг/м3 вредного агента) представлены для непорогового воздействия (см. «Нормативная токсикология»).

В настоящее время основным шагом в проведении мероприятий по оценке риска является определение критического органа и критических эффектов. Определения как критического, так и неблагоприятного воздействия отражают ответственность за принятие решения о том, какое из воздействий на данный орган или систему следует считать критическим, и это напрямую связано с последующим определением рекомендуемых значений для данного химического вещества в общей окружающей среде. -Например, Руководство по качеству воздуха для Европы (ВОЗ, 1987 г.) или санитарно-гигиенические пределы воздействия на рабочем месте (ВОЗ, 1980 г.). Определение критического воздействия из диапазона докритических воздействий может привести к ситуации, когда рекомендуемые пределы концентрации токсичных химических веществ в общей или производственной среде практически невозможно соблюдать. Рассмотрение в качестве критического эффекта, который может перекрывать ранние клинические эффекты, может привести к принятию значений, при которых неблагоприятные эффекты могут развиться у некоторой части населения. Ответственность за решение о том, следует ли считать тот или иной эффект критическим, остается за экспертными группами, специализирующимися на оценке токсичности и риска.

 

Назад

Понедельник, Декабрь 20 2010 19: 18

Токсикокинетика

Организм человека представляет собой сложную биологическую систему на различных уровнях организации, от молекулярно-клеточного до тканей и органов. Организм представляет собой открытую систему, обменивающуюся веществом и энергией с окружающей средой посредством многочисленных биохимических реакций в динамическом равновесии. Окружающая среда может быть загрязнена или загрязнена различными токсикантами.

Проникновение молекул или ионов токсикантов из производственной или жизненной среды в такую ​​жестко скоординированную биологическую систему может обратимо или необратимо нарушать нормальные клеточные биохимические процессы или даже повреждать и разрушать клетку (см. «Клеточное повреждение и клеточная гибель»).

Проникновение токсиканта из окружающей среды к местам его токсического действия внутрь организма можно разделить на три фазы:

  1. Фаза воздействия охватывает все процессы, происходящие между различными токсикантами и/или влиянием на них факторов окружающей среды (свет, температура, влажность и др.). Могут происходить химические превращения, деградация, биоразложение (микроорганизмами), а также распад токсикантов.
  2. Токсикокинетическая фаза включает всасывание токсикантов в организм и все процессы, которые следуют за транспортом жидкостями организма, распределением и накоплением в тканях и органах, биотрансформацией в метаболиты и элиминацией (выведением) токсикантов и/или метаболитов из организма.
  3. Токсикодинамическая фаза относится к взаимодействию токсикантов (молекул, ионов, коллоидов) со специфическими местами действия на клетках или внутри клеток — рецепторами, вызывающими в конечном итоге токсический эффект.

 

Здесь мы сосредоточим наше внимание исключительно на токсикокинетических процессах внутри организма человека при воздействии токсикантов окружающей среды.

Молекулы или ионы токсикантов, присутствующие в окружающей среде, будут проникать в организм через кожу и слизистые оболочки или эпителиальные клетки дыхательных и желудочно-кишечных трактов в зависимости от точки входа. Это означает, что молекулы и ионы токсикантов должны проникать через клеточные мембраны этих биологических систем, а также через сложную систему эндомембран внутри клетки.

Все токсикокинетические и токсикодинамические процессы протекают на молекулярно-клеточном уровне. На эти процессы влияет множество факторов, которые можно разделить на две основные группы:

  • химический состав и физико-химические свойства токсикантов
  • строение клетки, особенно свойства и функции мембран, окружающих клетку, и ее внутренних органелл.

 

Физико-химические свойства токсикантов

В 1854 г. русский токсиколог Е. В. Пеликан начал изучение связи между химическим строением вещества и его биологической активностью — отношения структура-активность (САР). Химическая структура непосредственно определяет физико-химические свойства, часть из которых отвечает за биологическую активность.

Для определения химической структуры в качестве дескрипторов могут быть выбраны многочисленные параметры, которые можно разделить на различные группы:

1. Физико-химические:

  • общие - температура плавления, температура кипения, давление пара, константа диссоциации (pKa)
  • электрические — потенциал ионизации, диэлектрическая проницаемость, дипольный момент, отношение массы к заряду и т. д.
  • квантовая химия — атомный заряд, энергия связи, резонансная энергия, электронная плотность, молекулярная реакционная способность и т. д.

 

 2. Стерик: молекулярный объем, форма и площадь поверхности, форма субструктуры, молекулярная реакционная способность и т. д.
 3. Структурный: количество связей количество колец (в полициклических соединениях), степень разветвления и т. д.

 

Для каждого токсиканта необходимо подобрать набор дескрипторов, относящихся к тому или иному механизму действия. Однако с токсикокинетической точки зрения для всех токсикантов имеют значение два параметра:

  • Коэффициент распределения Нернста (P) устанавливает растворимость молекул токсикантов в двухфазной системе октанол (масло)-вода, коррелируя с их липо- или гидрорастворимостью. Этот параметр будет сильно влиять на распределение и накопление токсических молекул в организме.
  • Константа диссоциации (pKa) определяет степень ионизации (электролитической диссоциации) молекул токсиканта на заряженные катионы и анионы при данном рН. Эта константа представляет собой рН, при котором достигается 50% ионизация. Молекулы могут быть липофильными или гидрофильными, но ионы растворимы исключительно в воде жидкостей и тканей организма. Зная pKa можно рассчитать степень ионизации вещества для каждого рН по уравнению Гендерсона-Гассельбаха.

 

Для вдыхаемой пыли и аэрозолей размер частиц, форма, площадь поверхности и плотность также влияют на их токсикокинетику и токсикодинамику.

Структура и свойства мембран

Эукариотическая клетка организма человека и животных окружена цитоплазматической мембраной, регулирующей транспорт веществ и поддерживающей клеточный гомеостаз. Органеллы клетки (ядра, митохондрии) также имеют мембраны. Цитоплазма клетки разделена сложными мембранными структурами, эндоплазматическим ретикулумом и комплексом Гольджи (эндомембранами). Все эти мембраны структурно схожи, но различаются по содержанию липидов и белков.

Структурный каркас мембран представляет собой бислой липидных молекул (фосфолипиды, сфинголипиды, холестерин). Основой молекулы фосфолипидов является глицерин, две его -ОН-группы которого этерифицированы алифатическими жирными кислотами с 16-18 атомами углерода, а третья группа этерифицирована фосфатной группой и азотистым соединением (холин, этаноламин, серин). В сфинголипидах основанием является сфингозин.

Молекула липидов амфипатична, поскольку состоит из полярной гидрофильной «головки» (аминоспирт, фосфат, глицерин) и неполярного двойного «хвоста» (жирные кислоты). Липидный бислой устроен так, что гидрофильные головки составляют внешнюю и внутреннюю поверхность мембраны, а липофильные хвосты вытянуты внутрь мембраны, содержащей воду, различные ионы и молекулы.

Белки и гликопротеины встраиваются в липидный бислой (внутренние белки) или прикрепляются к поверхности мембраны (внешние белки). Эти белки способствуют структурной целостности мембраны, но они также могут выступать в качестве ферментов, носителей, стенок пор или рецепторов.

Мембрана представляет собой динамическую структуру, которая может разрушаться и восстанавливаться с различным соотношением липидов и белков в соответствии с функциональными потребностями.

Регуляция транспорта веществ в клетку и из клетки представляет собой одну из основных функций наружной и внутренней мембран.

Некоторые липофильные молекулы проходят непосредственно через липидный бислой. Гидрофильные молекулы и ионы транспортируются через поры. Мембраны реагируют на изменение условий, открывая или закрывая определенные поры разного размера.

В транспорте веществ, в том числе токсикантов, через мембраны участвуют следующие процессы и механизмы:

  • диффузия через липидный бислой
  • диффузия через поры
  • транспорт переносчиком (облегченная диффузия).

 

Активные процессы:

  • активный транспорт переносчиком
  • эндоцитоз (пиноцитоз).

 

Вещание

Это представляет собой движение молекул и ионов через липидный бислой или поры из области высокой концентрации или высокого электрического потенциала в область низкой концентрации или потенциала («нисходящий»). Разница в концентрации или электрическом заряде является движущей силой, влияющей на интенсивность потока в обоих направлениях. В равновесном состоянии приток будет равен оттоку. Скорость диффузии следует закону Фикке, согласно которому она прямо пропорциональна доступной поверхности мембраны, разнице в градиенте концентрации (заряда) и характеристическом коэффициенте диффузии и обратно пропорциональна толщине мембраны.

Небольшие липофильные молекулы легко проходят через липидный слой мембраны в соответствии с коэффициентом распределения Нернста.

Крупные липофильные молекулы, водорастворимые молекулы и ионы будут использовать водные поровые каналы для своего прохождения. Размер и стереоконфигурация будут влиять на прохождение молекул. Для ионов, кроме размера, определяющим будет тип заряда. Белковые молекулы стенок пор могут приобретать положительный или отрицательный заряд. Узкие поры, как правило, избирательны: отрицательно заряженные лиганды пропускают только катионы, а положительно заряженные лиганды пропускают только анионы. С увеличением диаметра пор преобладает гидродинамический поток, обеспечивающий свободное прохождение ионов и молекул в соответствии с законом Пуазейля. Эта фильтрация является следствием осмотического градиента. В некоторых случаях ионы могут проникать через определенные сложные молекулы —ионофоры- которые могут продуцироваться микроорганизмами с антибиотическим действием (нонактин, валиномицин, грамацидин и др.).

Облегченная или катализированная диффузия

Для этого необходимо присутствие в мембране носителя, обычно белковой молекулы (пермеазы). Носитель избирательно связывает вещества, напоминая субстратно-ферментный комплекс. Подобные молекулы (включая токсиканты) могут конкурировать за конкретный переносчик до тех пор, пока не будет достигнута его точка насыщения. Токсиканты могут конкурировать за переносчика, и когда они необратимо связаны с ним, транспорт блокируется. Тариф перевозки характерен для каждого вида перевозчика. Если транспорт осуществляется в обоих направлениях, его называют обменной диффузией.

Активный транспорт

Для транспорта некоторых жизненно важных для клетки веществ используется особый тип переносчика, транспортирующийся против градиента концентрации или электрического потенциала («в гору»). Носитель очень стереоспецифичен и может быть насыщен.

Для подъема в гору требуется энергия. Необходимая энергия получается путем каталитического расщепления молекул АТФ до АДФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФ-азой).

Токсичные вещества могут препятствовать этому транспорту путем конкурентного или неконкурентного ингибирования переносчика или путем ингибирования активности АТФ-азы.

Эндоцитоз

Эндоцитоз определяется как транспортный механизм, при котором клеточная мембрана окружает материал, свертываясь с образованием пузырька, транспортирующего его через клетку. Когда вещество находится в жидком состоянии, процесс называется пиноцитоз. В некоторых случаях материал связывается с рецептором, и этот комплекс транспортируется мембранным пузырьком. Этот вид транспорта особенно используется эпителиальными клетками желудочно-кишечного тракта, клетками печени и почек.

Поглощение токсикантов

Люди подвергаются воздействию многочисленных токсикантов, присутствующих в рабочей и бытовой среде, которые могут проникать в организм человека через три основных входа:

  • через дыхательные пути при вдыхании загрязненного воздуха
  • через желудочно-кишечный тракт при употреблении зараженной пищи, воды и напитков
  • через кожу дермальным, кожным проникновением.

 

В случае воздействия в промышленности преобладающим путем проникновения токсикантов является вдыхание, за которым следует проникновение через кожу. В сельском хозяйстве воздействие пестицидов при всасывании через кожу почти равносильно случаям комбинированного вдыхания и проникновения через кожу. Население в целом подвергается воздействию в основном при употреблении зараженных продуктов питания, воды и напитков, затем при вдыхании и реже через кожу.

Всасывание через дыхательные пути

Абсорбция в легких представляет собой основной путь поглощения многочисленных переносимых по воздуху токсикантов (газов, паров, дыма, тумана, дыма, пыли, аэрозолей и т. д.).

Дыхательные пути (ДП) представляют собой идеальную газообменную систему, обладающую мембраной площадью 30 мкм.2 (срок действия) до 100 м2 (глубокий вдох), за которым располагается сеть из около 2,000 км капилляров. Система, выработанная в процессе эволюции, размещена в относительно небольшом пространстве (грудной полости), защищенном ребрами.

Анатомически и физиологически ЛТ можно разделить на три отдела:

  • верхняя часть РТ, или носоглоточная (НП), начинается у ноздрей и распространяется на глотку и гортань; эта часть служит системой кондиционирования воздуха
  • трахеобронхиальное дерево (ТБ), охватывающее многочисленные трубки разного размера, по которым воздух поступает в легкие
  • легочный отдел (P), который состоит из миллионов альвеол (воздушных мешочков), расположенных гроздьями.

 

Гидрофильные токсиканты легко абсорбируются эпителием носоглоточной области. Весь эпителий областей НП и ТБ покрыт водной пленкой. Липофильные токсиканты частично всасываются в НП и ТБ, но в основном в альвеолах путем диффузии через альвеоло-капиллярные мембраны. Скорость всасывания зависит от вентиляции легких, сердечного выброса (кровотока через легкие), растворимости токсиканта в крови и скорости его метаболизма.

В альвеолах осуществляется газообмен. Альвеолярная стенка состоит из эпителия, интерстициального каркаса базальной мембраны, соединительной ткани и эндотелия капилляров. Через эти слои толщиной около 0.8 мкм происходит очень быстрая диффузия токсикантов. В альвеолах токсикант переходит из воздушной фазы в жидкую фазу (кровь). Скорость всасывания (распределения из воздуха в кровь) токсиканта зависит от его концентрации в альвеолярном воздухе и коэффициента распределения Нернста для крови (коэффициента растворимости).

В крови токсикант может быть растворен в жидкой фазе простыми физическими процессами или связан с клетками крови и/или компонентами плазмы в соответствии с химическим сродством или путем адсорбции. Содержание воды в крови составляет 75%, поэтому гидрофильные газы и пары обладают высокой растворимостью в плазме (например, спирты). Липофильные токсиканты (например, бензол) обычно связаны с клетками или макромолекулами, такими как белок.

С самого начала воздействия в легких происходят два противоположных процесса: всасывание и десорбция. Равновесие между этими процессами зависит от концентрации токсиканта в альвеолярном воздухе и крови. В начале воздействия концентрация токсиканта в крови равна 0, а удерживание в крови почти 100%. При продолжении воздействия достигается равновесие между абсорбцией и десорбцией. Гидрофильные токсиканты быстро достигают равновесия, и скорость абсорбции зависит от легочной вентиляции, а не от кровотока. Липофильным токсикантам требуется больше времени для достижения равновесия, и здесь поток ненасыщенной крови регулирует скорость всасывания.

Осаждение частиц и аэрозолей в РТ зависит от физических и физиологических факторов, а также размера частиц. Короче говоря, чем меньше частица, тем глубже она проникнет в РТ.

Относительно постоянная низкая задержка частиц пыли в легких лиц, подвергающихся сильному облучению (например, шахтеров), предполагает существование очень эффективной системы очистки от частиц. В верхнем отделе РТ (трахеобронхиальном) просвет осуществляет мукоцилиарный покров. В легочной части работают три различных механизма: (1) мукоцилиарный покров, (2) фагоцитоз и (3) прямое проникновение частиц через альвеолярную стенку.

Первые 17 из 23 ветвей трахео-бронхиального дерева содержат реснитчатые эпителиальные клетки. Эти реснички своими взмахами постоянно перемещают слизистый покров в сторону рта. Частицы, осевшие на этом мукоцилиарном покрове, будут проглочены ртом (проглатывание). Слизистый покров также покрывает поверхность альвеолярного эпителия, продвигаясь к мукоцилиарному покрову. Кроме того, специализированные подвижные клетки — фагоциты — поглощают частицы и микроорганизмы в альвеолах и мигрируют в двух возможных направлениях:

  • к мукоцилиарному покрову, который транспортирует их в рот
  • через межклеточные пространства альвеолярной стенки в лимфатическую систему легких; также частицы могут проникать непосредственно этим путем.

 

Всасывание через желудочно-кишечный тракт

Токсиканты могут попасть внутрь при случайном проглатывании, приеме зараженных продуктов питания и напитков или проглатывании очищенных от РТ частиц.

Весь пищеварительный тракт от пищевода до ануса устроен в основном одинаково. Слизистый слой (эпителий) поддерживается соединительной тканью, а затем сетью капилляров и гладкой мускулатурой. Поверхностный эпителий желудка очень морщинистый, что увеличивает площадь поверхности всасывания/выделения. Область кишечника содержит многочисленные мелкие выступы (ворсинки), способные всасывать материал путем «накачки». Активная площадь всасывания в кишечнике составляет около 100 мXNUMX.2.

В желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) очень активны все процессы всасывания:

  •  трансклеточный транспорт путем диффузии через липидный слой и/или поры клеточных мембран, а также через поровую фильтрацию
  •  парацеллюлярная диффузия через соединения между клетками
  •  облегченная диффузия и активный транспорт
  •  эндоцитоз и насосный механизм ворсинок.

 

Некоторые ионы токсичных металлов используют специальные транспортные системы для основных элементов: таллий, кобальт и марганец используют систему железа, а свинец, по-видимому, использует систему кальция.

На скорость всасывания токсикантов в различных отделах ЖКТ влияет множество факторов:

  • физико-химические свойства токсикантов, особенно коэффициент распределения Нернста и константа диссоциации; для частиц важен размер частиц — чем меньше размер, тем выше растворимость
  • количество пищи, присутствующей в ЖКТ (разбавляющий эффект)
  • время пребывания в каждом отделе ЖКТ (от нескольких минут во рту до одного часа в желудке и многих часов в кишечнике).
  • площадь всасывания и всасывающая способность эпителия
  • локальный рН, который регулирует абсорбцию диссоциированных токсикантов; при кислом рН желудка недиссоциированные кислые соединения будут быстрее всасываться
  • перистальтика (движение кишечника мышцами) и местный кровоток
  • желудочный и кишечный секреты превращают токсиканты в более или менее растворимые продукты; желчь является эмульгатором, образующим более растворимые комплексы (гидротрофия)
  • комбинированное воздействие других токсикантов, которые могут вызывать синергетические или антагонистические эффекты в процессах абсорбции
  • наличие комплексообразователей/хелатирующих агентов
  • действие микрофлоры РТ (около 1.5 кг), около 60 различных видов бактерий, способных осуществлять биотрансформацию токсикантов.

 

Также необходимо упомянуть о энтерогепатической циркуляции. Полярные токсиканты и/или метаболиты (глюкурониды и другие конъюгаты) выводятся с желчью в двенадцатиперстную кишку. Здесь ферменты микрофлоры осуществляют гидролиз, а выделившиеся продукты реабсорбируются и транспортируются по воротной вене в печень. Этот механизм очень опасен в случае гепатотоксических веществ, допуская их временное накопление в печени.

В случае токсикантов, биотрансформирующихся в печени в менее токсичные или нетоксичные метаболиты, прием внутрь может представлять собой менее опасные входные ворота. После всасывания в ЖКТ эти токсиканты будут транспортироваться по воротной вене в печень, где они могут частично детоксицироваться путем биотрансформации.

Всасывание через кожу (кожное, чрескожное)

Кожа (1.8 м2 поверхности у взрослого человека) вместе со слизистыми оболочками отверстий тела покрывает поверхность тела. Он представляет собой барьер против физических, химических и биологических агентов, поддерживая целостность и гомеостаз организма и выполняя множество других физиологических задач.

В основном кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, истинной кожи (дермы) и подкожной клетчатки (гиподермы). С токсикологической точки зрения наибольший интерес здесь представляет эпидермис. Он построен из многих слоев клеток. Роговая поверхность уплощенных мертвых клеток (роговой слой) является верхним слоем, под которым располагается сплошной слой живых клеток (роговой компактный слой), за которым следует типичная липидная оболочка, а затем блестящий слой, грамулезный слой и слой слизистая оболочка. Липидная мембрана представляет собой защитный барьер, но в волосистых участках кожи через нее проникают как волосяные фолликулы, так и каналы потовых желез. Следовательно, абсорбция через кожу может происходить по следующим механизмам:

  • трансэпидермальное всасывание путем диффузии через липидную мембрану (барьер), преимущественно липофильными веществами (органическими растворителями, пестицидами и др.) и в незначительной степени некоторыми гидрофильными веществами через поры
  • трансфолликулярное всасывание вокруг стержня волоса в волосяной фолликул, минуя мембранный барьер; это поглощение происходит только на волосистых участках кожи
  • абсорбция через протоки потовых желез, площадь поперечного сечения которых составляет примерно от 0.1 до 1% от общей площади кожи (относительная абсорбция находится в этой пропорции)
  • всасывание через кожу при механических, термических, химических повреждениях или кожных заболеваниях; здесь разрушаются слои кожи, в том числе липидный барьер, и открывается путь для проникновения токсикантов и вредных веществ.

 

Скорость всасывания через кожу будет зависеть от многих факторов:

  • концентрация токсиканта, тип транспортного средства (среда), наличие других веществ
  • оводненность кожи, рН, температура, локальный кровоток, потливость, площадь загрязненной поверхности кожи, толщина кожи
  • анатомо-физиологические особенности кожи, обусловленные полом, возрастом, индивидуальными особенностями, различиями, встречающимися у различных этнических групп и рас и др.

Транспорт токсикантов кровью и лимфой

После поглощения любым из этих входных ворот токсиканты попадают в кровь, лимфу или другие жидкости организма. Кровь представляет собой основной транспорт токсикантов и их метаболитов.

Кровь является текучим циркулирующим органом, доставляющим к клеткам необходимый кислород и жизненно важные вещества и удаляющим продукты метаболизма. Кровь также содержит клеточные компоненты, гормоны и другие молекулы, участвующие во многих физиологических функциях. Кровь течет внутри относительно хорошо замкнутой кровеносной системы высокого давления, толкаемой работой сердца. Из-за высокого давления происходит утечка жидкости. Лимфатическая система представляет собой дренажную систему, в виде мелкой сети мелких, тонкостенных лимфатических капилляров, разветвляющихся через мягкие ткани и органы.

Кровь представляет собой смесь жидкой фазы (плазма, 55%) и твердых клеток крови (45%). Плазма содержит белки (альбумины, глобулины, фибриноген), органические кислоты (молочную, глутаминовую, лимонную) и многие другие вещества (липиды, липопротеины, гликопротеины, ферменты, соли, ксенобиотики и др.). Элементы клеток крови включают эритроциты (Er), лейкоциты, ретикулоциты, моноциты и тромбоциты.

Токсичные вещества поглощаются в виде молекул и ионов. Некоторые токсиканты при рН крови образуют коллоидные частицы в качестве третьей формы в этой жидкости. Молекулы, ионы и коллоиды токсикантов имеют различные возможности транспорта в крови:

  •  быть физически или химически связанными с элементами крови, в основном Er
  •  физически растворяться в плазме в свободном состоянии
  •  связываться с одним или несколькими типами белков плазмы, образовывать комплексы с органическими кислотами или присоединяться к другим фракциям плазмы.

 

Большинство токсикантов в крови существуют частично в свободном состоянии в плазме и частично связаны с эритроцитами и компонентами плазмы. Распределение зависит от сродства токсикантов к этим компонентам. Все фракции находятся в динамическом равновесии.

Некоторые токсиканты транспортируются элементами крови, в основном эритроцитами, очень редко лейкоцитами. Токсичные вещества могут адсорбироваться на поверхности Er или связываться с лигандами стромы. Если они проникают в Er, они могут связываться с гемом (например, монооксидом углерода и селеном) или с глобином (Sb).111, По210). Некоторые токсиканты, переносимые Er, включают мышьяк, цезий, торий, радон, свинец и натрий. Шестивалентный хром связан исключительно с Er, а трехвалентный хром – с белками плазмы. За цинк возникает конкуренция между Er и плазмой. Около 96% свинца транспортируется Er. Органическая ртуть в основном связана с Er, а неорганическая ртуть переносится в основном альбумином плазмы. Эрг несет мелкие фракции бериллия, меди, теллура и урана.

Большинство токсикантов транспортируются плазмой или белками плазмы. Многие электролиты присутствуют в виде ионов в равновесии с недиссоциированными молекулами, свободными или связанными с фракциями плазмы. Эта ионная фракция токсикантов хорошо диффундирует, проникая через стенки капилляров в ткани и органы. В плазме могут растворяться газы и пары.

Белки плазмы обладают общей площадью поверхности от 600 до 800 кмXNUMX.2 предлагается для поглощения токсикантов. Молекулы альбумина имеют около 109 катионных и 120 анионных лигандов в распоряжении ионов. Многие ионы частично переносятся альбумином (например, медь, цинк и кадмий), как и такие соединения, как динитро- и орто-крезолы, нитро- и галогенпроизводные ароматических углеводородов, фенолы.

Молекулы глобулинов (альфа и бета) переносят небольшие молекулы токсикантов, а также некоторые ионы металлов (медь, цинк и железо) и коллоидные частицы. Фибриноген проявляет сродство к некоторым малым молекулам. В связывании токсикантов с белками плазмы могут участвовать многие типы связей: силы Ван-дер-Ваальса, притяжение зарядов, ассоциация между полярными и неполярными группами, водородные мостики, ковалентные связи.

Липопротеины плазмы переносят липофильные токсиканты, такие как ПХБ. Другие фракции плазмы также служат транспортным средством. Сродство токсикантов к белкам плазмы предполагает их сродство к белкам в тканях и органах при распределении.

Органические кислоты (молочная, глутаминовая, лимонная) образуют комплексы с некоторыми токсикантами. Щелочные и редкоземельные элементы, а также некоторые тяжелые элементы в виде катионов образуют комплексы также с органическими окси- и аминокислотами. Все эти комплексы обычно диффундируют и легко распределяются в тканях и органах.

Физиологически хелатирующие агенты в плазме, такие как трансферрин и металлотионеин, конкурируют с органическими кислотами и аминокислотами за катионы, образуя устойчивые хелаты.

Диффундирующие свободные ионы, некоторые комплексы и некоторые свободные молекулы легко выводятся из крови в ткани и органы. Свободная часть ионов и молекул находится в динамическом равновесии со связанной частью. Концентрация токсиканта в крови будет определять скорость его распределения в тканях и органах или его мобилизацию из них в кровь.

Распределение токсикантов в организме

Организм человека можно разделить на следующие отсеки. (1) внутренние органы, (2) кожа и мышцы, (3) жировая ткань, (4) соединительная ткань и кости. Эта классификация в основном основана на степени сосудистой (кровяной) перфузии в порядке убывания. Например, внутренние органы (включая головной мозг), которые составляют всего 12% от общей массы тела, получают около 75% всего объема крови. С другой стороны, соединительные ткани и кости (15% от общей массы тела) получают только один процент от общего объема крови.

В хорошо перфузируемых внутренних органах обычно достигается наибольшая концентрация токсикантов в кратчайшие сроки, а также равновесие между кровью и этим компартментом. Поглощение токсикантов менее перфузируемыми тканями происходит намного медленнее, но задержка выше, а продолжительность пребывания намного больше (накопление) из-за низкой перфузии.

Для внутриклеточного распределения токсикантов основное значение имеют три компонента: содержание воды, липидов и белков в клетках различных тканей и органов. Вышеупомянутый порядок компартментов также тесно связан с уменьшением содержания воды в их ячейках. Гидрофильные токсиканты будут быстрее распределяться в жидкостях организма и клетках с высоким содержанием воды, а липофильные – в клетках с более высоким содержанием липидов (жировая ткань).

В организме существуют барьеры, препятствующие проникновению некоторых групп токсикантов, преимущественно гидрофильных, в определенные органы и ткани, такие как:

  • гематоэнцефалический барьер (цереброспинальный барьер), ограничивающий проникновение крупных молекул и гидрофильных токсикантов в головной мозг и ЦНС; этот барьер состоит из тесно соединенного слоя эндотелиальных клеток; таким образом, через нее могут проникать липофильные токсиканты
  • плацентарный барьер, оказывающий аналогичное влияние на проникновение токсикантов в плод из крови матери
  • гистогематологический барьер в стенках капилляров, проницаемый для молекул малого и среднего размера, а также для некоторых более крупных молекул, а также ионов.

 

Как отмечалось ранее, только свободные формы токсикантов в плазме (молекулы, ионы, коллоиды) доступны для проникновения через стенки капилляров, участвующих в распределении. Эта свободная фракция находится в динамическом равновесии со связанной фракцией. Концентрация токсикантов в крови находится в динамическом равновесии с их концентрацией в органах и тканях, определяя ретенцию (накопление) или мобилизацию из них.

В распространении играют роль состояние организма, функциональное состояние органов (особенно нервно-гуморальная регуляция), гормональный баланс и другие факторы.

Сохранение токсиканта в определенном компартменте, как правило, временное, и может происходить его перераспределение в другие ткани. Задержка и накопление основаны на разнице между скоростями всасывания и выведения. Продолжительность удержания в компартменте выражается биологическим периодом полураспада. Это интервал времени, за который 50% токсиканта выводится из ткани или органа и перераспределяется, транслоцируется или выводится из организма.

Процессы биотрансформации происходят при распределении и удерживании в различных органах и тканях. В результате биотрансформации образуются более полярные, более гидрофильные метаболиты, которые легче выводятся. Низкая скорость биотрансформации липофильного токсиканта обычно вызывает его накопление в компартменте.

Токсичные вещества можно разделить на четыре основные группы в зависимости от их сродства, преимущественного удерживания и накопления в конкретном компартменте:

  1. Токсичные вещества, растворимые в жидкостях организма, равномерно распределяются в зависимости от содержания воды в отсеках. По такому принципу распределяются многие одновалентные катионы (например, литий, натрий, калий, рубидий) и некоторые анионы (например, хлор, бром).
  2. Липофильные токсиканты проявляют высокое сродство к богатым липидами органам (ЦНС) и тканям (жировым, жировым).
  3. Токсиканты, образующие коллоидные частицы, затем улавливаются специализированными клетками ретикулоэндотелиальной системы (РЭС) органов и тканей. Трех- и четырехвалентные катионы (лантан, цезий, гафний) распределены в РЭС тканей и органов.
  4. К токсикантам, проявляющим высокое сродство к костям и соединительной ткани (остеотропные элементы, костоискатели), относятся двухвалентные катионы (например, кальций, барий, стронций, радон, бериллий, алюминий, кадмий, свинец).

 

Накопление в тканях, богатых липидами

«Стандартный мужчина» с массой тела 70 кг содержит около 15% массы тела в виде жировой ткани, увеличиваясь при ожирении до 50%. Однако эта липидная фракция распределена неравномерно. Мозг (ЦНС) является богатым липидами органом, а периферические нервы покрыты богатой липидами миелиновой оболочкой и шванновскими клетками. Все эти ткани открывают возможности для накопления липофильных токсикантов.

В этот отсек будут распределяться многочисленные неэлектролиты и неполярные токсиканты с подходящим коэффициентом распределения Нернста, а также многочисленные органические растворители (спирты, альдегиды, кетоны и т. д.), хлорированные углеводороды (включая хлорорганические инсектициды, такие как ДДТ), некоторые инертные газы (радон) и др.

Жировая ткань будет накапливать токсиканты из-за ее низкой васкуляризации и более низкой скорости биотрансформации. При этом накопление токсикантов может представлять собой своеобразную временную «нейтрализацию» из-за отсутствия мишеней для токсического воздействия. Однако всегда присутствует потенциальная опасность для организма из-за возможности мобилизации токсикантов из этого компартмента обратно в кровоток.

Очень опасно отложение токсикантов в головном мозге (ЦНС) или богатой липидами ткани миелиновой оболочки периферической нервной системы. Нейротоксиканты откладываются здесь непосредственно рядом со своими мишенями. Токсиканты, задерживающиеся в богатых липидами тканях эндокринных желез, могут вызывать гормональные нарушения. Несмотря на гематоэнцефалический барьер, в головной мозг (ЦНС) попадают многочисленные нейротоксиканты липофильной природы: анестетики, органические растворители, пестициды, тетраэтилсвинец, ртутьорганические соединения и др.

Удержание в ретикулоэндотелиальной системе

В каждой ткани и органе определенный процент клеток специализирован для фагоцитарной деятельности, поглощая микроорганизмы, частицы, коллоидные частицы и т. д. Эта система называется ретикулоэндотелиальной системой (РЭС), состоящей из фиксированных клеток, а также подвижных клеток (фагоцитов). Эти клетки присутствуют в неактивной форме. Увеличение количества вышеупомянутых микробов и частиц активирует клетки до точки насыщения.

Токсиканты в виде коллоидов будут улавливаться РЭС органов и тканей. Распределение зависит от размера частиц коллоида. Для более крупных частиц предпочтительна задержка в печени. Более мелкие коллоидные частицы будут иметь более или менее равномерное распределение между селезенкой, костным мозгом и печенью. Выведение коллоидов из РВИ происходит очень медленно, хотя мелкие частицы выводятся сравнительно быстрее.

Накопление в костях

Около 60 элементов могут быть идентифицированы как остеотропные элементы или искатели кости.

Остеотропные элементы можно разделить на три группы:

  1. Элементы, представляющие или заменяющие физиологические составляющие кости. Двадцать таких элементов присутствуют в больших количествах. Остальные появляются в следовых количествах. В условиях хронического воздействия токсичные металлы, такие как свинец, алюминий и ртуть, также могут попадать в минеральный матрикс костных клеток.
  2. Щелочные земли и другие элементы, образующие катионы с ионным диаметром, подобным кальцию, взаимозаменяемы с ним в костном минерале. Также некоторые анионы способны обмениваться с анионами (фосфат, гидроксил) костного минерала.
  3. Элементы, образующие микроколлоиды (редкоземельные элементы), могут адсорбироваться на поверхности костного минерала.

 

Скелет стандартного человека составляет от 10 до 15% от общей массы тела, представляя собой большое потенциальное хранилище для остеотропных токсикантов. Кость представляет собой высокоспециализированную ткань, состоящую по объему на 54 % из минералов и на 38 % из органического матрикса. Минеральный матрикс кости - гидроксиапатит, Ca10(РО4)6(ОЙ)2 , в котором отношение Ca к P составляет примерно 1.5 к одному. Площадь поверхности минерала, доступного для адсорбции, составляет около 100 м.2 на грамм кости.

Метаболическую активность костей скелета можно разделить на две категории:

  • активная, метаболическая кость, в которой процессы резорбции и образования новой кости или ремоделирования существующей кости очень обширны
  • стабильная кость с низкой скоростью ремоделирования или роста.

 

У плода метаболическая кость младенцев и детей раннего возраста (см. «доступный скелет») составляет почти 100% скелета. С возрастом этот процент метаболической кости уменьшается. Включение токсикантов при воздействии происходит в метаболической кости и в более медленно вращающихся отделах.

Включение токсикантов в кости происходит двумя путями:

  1. Для ионов ионный обмен происходит с физиологически присутствующими катионами кальция или анионами (фосфат, гидроксил).
  2. Для токсикантов, образующих коллоидные частицы, происходит адсорбция на поверхности минерала.

 

Ионообменные реакции

Минерал кости, гидроксиапатит, представляет собой сложную ионообменную систему. Катионы кальция могут быть заменены различными катионами. Анионы, присутствующие в кости, также могут обмениваться на анионы: фосфат на цитраты и карбонаты, гидроксил на фтор. Не обменные ионы могут адсорбироваться на поверхности минерала. Когда ионы токсиканта включаются в минерал, новый слой минерала может покрывать поверхность минерала, закапывая токсикант в структуру кости. Ионный обмен является обратимым процессом, зависящим от концентрации ионов, рН и объема жидкости. Так, например, увеличение содержания кальция в рационе может уменьшить отложение ионов токсикантов в решетке минералов. Было отмечено, что с возрастом процент метаболической кости уменьшается, хотя ионный обмен продолжается. С возрастом происходит резорбция костных минералов, при которой плотность костной ткани фактически уменьшается. В этот момент могут выделяться токсические вещества в костях (например, свинец).

Около 30% ионов, включенных в костные минералы, слабо связаны и могут быть обменены, захвачены природными хелатирующими агентами и выведены из организма с биологическим периодом полураспада 15 дней. Остальные 70% связаны более прочно. Мобилизация и экскреция этой фракции имеют биологический период полураспада 2.5 года и более в зависимости от типа кости (процессы ремоделирования).

Хелатирующие агенты (Са-ЭДТА, пеницилламин, БАЛ и др.) могут мобилизовать значительные количества некоторых тяжелых металлов, и их экскреция с мочой значительно увеличивается.

Коллоидная адсорбция

Коллоидные частицы адсорбируются в виде пленки на поверхности минерала (100 мкм).2 на г) силами Ван-дер-Ваальса или хемосорбцией. Этот слой коллоидов на минеральных поверхностях покрывается следующим слоем образовавшихся минералов, а токсиканты глубже проникают в костную структуру. Скорость мобилизации и элиминации зависит от процессов ремоделирования.

Накопление в волосах и ногтях

Волосы и ногти содержат кератин с сульфгидрильными группами, способными хелатировать катионы металлов, такие как ртуть и свинец.

Распределение токсиканта внутри клетки

В последнее время большое значение приобретает распределение токсикантов, особенно некоторых тяжелых металлов, в клетках тканей и органов. С помощью методов ультрацентрифугирования можно разделить различные фракции клеток для определения содержания в них ионов металлов и других токсикантов.

Исследования на животных показали, что после проникновения в клетку некоторые ионы металлов связываются со специфическим белком - металлотионеином. Этот низкомолекулярный белок присутствует в клетках печени, почек и других органов и тканей. Его сульфгидрильные группы могут связывать шесть ионов на молекулу. Повышенное присутствие ионов металлов индуцирует биосинтез этого белка. Ионы кадмия являются наиболее мощными индукторами. Металлотионеин также служит для поддержания гомеостаза жизненно важных ионов меди и цинка. Металлотионеин может связывать катионы цинка, меди, кадмия, ртути, висмута, золота, кобальта и других.

Биотрансформация и элиминация токсикантов

При задержании в клетках различных тканей и органов токсиканты подвергаются воздействию ферментов, способных их биотрансформировать (метаболизировать) с образованием метаболитов. Существует множество путей выведения токсикантов и/или метаболитов: с выдыхаемым воздухом через легкие, с мочой через почки, с желчью через ЖКТ, с потом через кожу, со слюной через слизистую оболочку рта, с молоком через кишечник. молочными железами, а также волосами и ногтями за счет нормального роста и обновления клеток.

Выведение абсорбированного токсиканта зависит от входных ворот. В легких сразу же начинается процесс всасывания/десорбции, и токсиканты частично выводятся с выдыхаемым воздухом. Элиминация токсикантов, абсорбированных другими путями поступления, пролонгирована и начинается после транспорта кровью, в конечном итоге завершаясь после распределения и биотрансформации. При всасывании существует равновесие между концентрациями токсиканта в крови, в тканях и органах. Экскреция снижает концентрацию токсиканта в крови и может вызвать мобилизацию токсиканта из тканей в кровь.

На скорость выведения токсикантов и их метаболитов из организма могут влиять многие факторы:

  • физико-химические свойства токсикантов, особенно коэффициент распределения Нернста (P), константа диссоциации (pKa), полярность, молекулярная структура, форма и вес
  • уровень воздействия и время постэкспозиционной элиминации
  • входной портал
  • распределение в отделах тела, различающихся по скорости обмена с кровью и кровоснабжению
  • скорость биотрансформации липофильных токсикантов в более гидрофильные метаболиты
  • общее состояние организма и особенно органов выделения (легкие, почки, ЖКТ, кожа и др.)
  • наличие других токсикантов, которые могут препятствовать элиминации.

 

Здесь мы различаем две группы компартментов: (1) система быстрого обмена — в этих компартментах концентрация токсиканта в тканях близка к концентрации в крови; и (2) система медленного обмена, где концентрация токсиканта в тканях выше, чем в крови, за счет связывания и накопления — жировая ткань, скелет и почки могут временно удерживать некоторые токсиканты, например, мышьяк и цинк.

Токсическое вещество может выделяться одновременно двумя или более путями выделения. Однако, как правило, один маршрут является доминирующим.

Ученые разрабатывают математические модели, описывающие выделение того или иного токсиканта. Эти модели основаны на движении из одного или обоих отделов (системы обмена), биотрансформации и т.д.

Выведение с выдыхаемым воздухом через легкие

Выведение через легкие (десорбция) характерно для токсикантов с высокой летучестью (например, органических растворителей). Газы и пары с низкой растворимостью в крови будут быстро удаляться таким образом, тогда как токсиканты с высокой растворимостью в крови будут удаляться другими путями.

Органические растворители, абсорбированные ЖКТ или кожей, выводятся частично с выдыхаемым воздухом при каждом прохождении крови через легкие, если они имеют достаточное давление паров. На этом факте основан тест Breathalyser, используемый для подозреваемых в нетрезвом вождении. Концентрация СО в выдыхаемом воздухе находится в равновесии с содержанием СО-Hb в крови. Радиоактивный газ радон появляется в выдыхаемом воздухе из-за распада радия, накопленного в скелете.

Выведение токсиканта с выдыхаемым воздухом в зависимости от постэкспозиционного периода времени обычно выражается трехфазной кривой. Первая фаза представляет собой элиминацию токсиканта из крови с коротким периодом полураспада. Вторая, более медленная фаза представляет собой элиминацию за счет обмена кровью с тканями и органами (система быстрого обмена). Третья, очень медленная фаза связана с обменом кровью с жировой тканью и скелетом. Если в таких отсеках не накапливается токсикант, кривая будет двухфазной. В некоторых случаях возможна и четырехфазная кривая.

Определение газов и паров в выдыхаемом воздухе в постэкспозиционный период иногда используют для оценки облучения рабочих.

Почечная экскреция

Почка является органом, специализирующимся на выведении многочисленных водорастворимых токсикантов и метаболитов, поддерживая гомеостаз организма. Каждая почка имеет около миллиона нефронов, способных осуществлять выделение. Почечная экскреция представляет собой очень сложное явление, охватывающее три различных механизма:

  • Клубочковая фильтрация капсулой Боумена
  • активный транспорт в проксимальных канальцах
  • пассивный транспорт в дистальных канальцах.

 

Экскреция токсиканта через почки в мочу зависит от коэффициента распределения Нернста, константы диссоциации и рН мочи, размера и формы молекулы, скорости метаболизма в более гидрофильные метаболиты, а также состояния почек.

Кинетика почечной экскреции токсиканта или его метаболита может быть выражена двух-, трех- или четырехфазной кривой экскреции в зависимости от распределения конкретного токсиканта в различных отделах организма, различающихся скоростью обмена с кровью.

слюна

Через слизистую рта со слюной могут выводиться некоторые лекарства и ионы металлов, например свинец («свинцовая линия»), ртуть, мышьяк, медь, а также бромиды, йодиды, этиловый спирт, алкалоиды и др. Затем токсиканты проглатываются и достигают желудочно-кишечного тракта, где могут реабсорбироваться или выводиться с фекалиями.

Потеть

Через кожу с потом частично выводятся многие неэлектролиты: этиловый спирт, ацетон, фенолы, сероуглерод и хлорированные углеводороды.

Молоко

Многие металлы, органические растворители и некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ) выделяются через молочную железу с материнским молоком. Этот путь может представлять опасность для грудных детей.

Hair

Анализ волос можно использовать как показатель гомеостаза некоторых физиологических веществ. Кроме того, с помощью этого вида биоанализа можно оценить воздействие некоторых токсикантов, особенно тяжелых металлов.

Выведение токсикантов из организма можно увеличить за счет:

  • механическое перемещение путем промывания желудка, переливания крови или диализа
  • создание физиологических условий, мобилизующих токсиканты, диетой, изменением гормонального баланса, улучшением функции почек применением диуретиков
  • введение комплексообразователей (цитраты, оксалаты, салицилаты, фосфаты) или хелатирующих агентов (Ca-EDTA, BAL, ATA, DMSA, пеницилламин); этот метод показан только лицам, находящимся под строгим медицинским контролем. Применение хелатирующих агентов часто используется для выведения тяжелых металлов из организма облученных рабочих в процессе их лечения. Этот метод также используется для оценки общей нагрузки на организм и уровня воздействия в прошлом.

 

Определение экспозиции

Определение токсикантов и метаболитов в крови, выдыхаемом воздухе, моче, поте, фекалиях и волосах все чаще используется для оценки воздействия на человека (экспозиционные тесты) и/или оценки степени интоксикации. Поэтому недавно были установлены пределы биологического воздействия (значения биологического ПДК, индексы биологического воздействия — BEI). Эти биоанализы показывают «внутреннее воздействие» на организм, то есть общее воздействие на организм как в рабочей, так и в жилой среде через все пути проникновения (см. «Методы токсикологических испытаний: биомаркеры»).

Комбинированные эффекты из-за многократного воздействия

Люди на работе и/или в жилой среде обычно одновременно или последовательно подвергаются воздействию различных физических и химических агентов. Также необходимо учитывать, что некоторые лица употребляют лекарства, курят, употребляют алкоголь и пищу, содержащую добавки и так далее. Это означает, что обычно имеет место многократное воздействие. Физические и химические агенты могут взаимодействовать на каждом этапе токсикокинетических и/или токсикодинамических процессов, вызывая три возможных эффекта:

  1. Независимый. Каждый агент производит различный эффект из-за различного механизма действия,
  2. синергистический. Комбинированный эффект больше, чем у каждого отдельного агента. Здесь мы различаем два типа: (а) аддитивный, когда комбинированный эффект равен сумме эффектов, производимых каждым агентом в отдельности, и (б) потенцирующий, когда комбинированный эффект больше аддитивного.
  3. Антагонистический. Комбинированный эффект ниже аддитивного.

 

Однако исследования комбинированных эффектов редки. Этот вид исследования очень сложен из-за сочетания различных факторов и агентов.

Можно сделать вывод, что при одновременном или последовательном воздействии на организм человека двух и более токсикантов необходимо учитывать возможность некоторых сочетанных эффектов, которые могут увеличивать или уменьшать скорость токсикокинетических процессов.

 

Назад

Понедельник, Декабрь 20 2010 19: 16

Определения и понятия

Воздействие, доза и реакция

Токсичность это внутренняя способность химического агента оказывать неблагоприятное воздействие на организм.

Ксенобиотики это термин для «чужеродных веществ», то есть чужеродных для организма. Его противоположностью являются эндогенные соединения. Ксенобиотики включают лекарства, промышленные химикаты, встречающиеся в природе яды и загрязнители окружающей среды.

Опасность потенциал для реализации токсичности в конкретной обстановке или ситуации.

Снижение это вероятность возникновения конкретного неблагоприятного эффекта. Он часто выражается в процентах случаев в данной популяции и в течение определенного периода времени. Оценка риска может быть основана на фактических случаях или прогнозе будущих случаев на основе экстраполяций.

Рейтинг токсичности классификация токсичности могут быть использованы в целях регулирования. Рейтинг токсичности представляет собой произвольную градацию доз или уровней воздействия, вызывающих токсические эффекты. Классификация может быть «сверхтоксичной», «высокотоксичной», «умеренно токсичной» и так далее. Наиболее распространенные рейтинги касаются острой токсичности. Классификация токсичности касается группировки химических веществ в общие категории в соответствии с их наиболее важным токсическим эффектом. К таким категориям могут относиться аллергенные, нейротоксические, канцерогенные и так далее. Эта классификация может иметь административное значение как предупреждение и как информация.

Команда зависимость доза-эффект представляет собой взаимосвязь между дозой и эффектом на индивидуальном уровне. Увеличение дозы может увеличить интенсивность эффекта или привести к более тяжелому эффекту. Кривая доза-эффект может быть получена на уровне всего организма, клетки или молекулы-мишени. Некоторые токсические эффекты, такие как смерть или рак, не классифицируются, а являются эффектами «все или ничего».

Команда зависимость доза-реакция представляет собой отношение между дозой и процентом лиц, проявляющих специфический эффект. При увеличении дозы, как правило, поражается большее число лиц в подвергающейся облучению популяции.

Для токсикологии важно установить взаимосвязь доза-эффект и доза-реакция. В медицинских (эпидемиологических) исследованиях критерием, часто используемым для признания причинно-следственной связи между агентом и заболеванием, является то, что эффект или реакция пропорциональны дозе.

Для химического вещества можно построить несколько кривых доза-реакция — по одной для каждого типа эффекта. Кривая доза-реакция для большинства токсических эффектов (при изучении в больших популяциях) имеет сигмовидную форму. Обычно существует диапазон низких доз, при котором ответ не обнаруживается; по мере увеличения дозы ответ следует восходящей кривой, которая обычно достигает плато при 100% ответе. Кривая доза-реакция отражает вариации среди людей в популяции. Наклон кривой варьируется от химического вещества к химическому и между различными типами эффектов. Для некоторых химических веществ со специфическими эффектами (канцерогены, инициаторы, мутагены) кривая доза-реакция может быть линейной от нулевой дозы в пределах определенного диапазона доз. Это означает, что порога не существует и что даже малые дозы представляют риск. Выше этого диапазона доз риск может увеличиваться более чем линейно.

Изменение экспозиции в течение дня и общая продолжительность экспозиции в течение жизни могут быть столь же важны для результата (реакции), как и средний, или средний, или даже интегрированный уровень дозы. Высокое пиковое воздействие может быть более вредным, чем более равномерный уровень воздействия. Это относится к некоторым органическим растворителям. С другой стороны, для некоторых канцерогенов было экспериментально показано, что разделение разовой дозы на несколько воздействий с одинаковой общей дозой может быть более эффективным для образования опухолей.

A дозировать часто выражается как количество ксенобиотика, поступающего в организм (в таких единицах, как мг/кг массы тела). Доза может быть выражена разными (более или менее информативными) способами: экспозиционная доза, то есть концентрация загрязнителя в воздухе, вдыхаемого в течение определенного периода времени (в трудовой гигиене обычно восемь часов), или сохраняется or поглощенная доза (в производственной гигиене также называется бремя тела), который представляет собой количество, присутствующее в организме в определенное время во время или после воздействия. тканевая доза количество вещества в конкретной ткани и целевая доза количество вещества (обычно метаболита), связанного с критической молекулой. Целевая доза может быть выражена как мг связанного химического вещества на мг конкретной макромолекулы в ткани. Для применения этой концепции необходима информация о механизме токсического действия на молекулярном уровне. Целевая доза более точно связана с токсическим эффектом. Доза облучения или нагрузка на организм могут быть более доступны, но они менее точно связаны с эффектом.

В понятие дозы часто включается аспект времени, даже если он не всегда выражен. Теоретическая доза по закону Габера равна Д = кт, в котором D доза, c – концентрация ксенобиотика в воздухе и t продолжительность воздействия хим. Если эта концепция используется на уровне органа-мишени или на молекулярном уровне, может использоваться количество на мг ткани или молекулы за определенное время. Временной аспект обычно более важен для понимания повторяющихся воздействий и хронических эффектов, чем для однократных воздействий и острых последствий.

Аддитивные эффекты возникают в результате воздействия комбинации химических веществ, когда отдельные виды токсичности просто складываются друг с другом (1+1=2). Когда химические вещества действуют по одному и тому же механизму, предполагается аддитивность их эффектов, хотя в действительности это не всегда так. Взаимодействие между химическими веществами может привести к ингибированию (антагонизм), с меньшим эффектом, чем ожидаемый от сложения эффектов отдельных химических веществ (1+1 2). В качестве альтернативы комбинация химических веществ может оказывать более выраженный эффект, чем можно было бы ожидать при добавлении (усиление реакции среди отдельных лиц или увеличение частоты реакции в популяции), это называется синергизм (1+1 >2).

Время задержки это время между первым воздействием и появлением обнаруживаемого эффекта или реакции. Этот термин часто используется для обозначения канцерогенных эффектов, когда опухоли могут появляться спустя долгое время после начала воздействия, а иногда и спустя долгое время после прекращения воздействия.

A порог дозы это уровень дозы, ниже которого не наблюдается никакого наблюдаемого эффекта. Считается, что пороги существуют для определенных эффектов, таких как острые токсические эффекты; но не для других, таких как канцерогенные эффекты (за счет инициаторов образования аддуктов ДНК). Однако простое отсутствие ответа в данной популяции не следует рассматривать как свидетельство существования порога. Отсутствие ответа может быть связано с простыми статистическими явлениями: неблагоприятный эффект, возникающий с низкой частотой, может быть незаметен в небольшой популяции.

LD50 (эффективная доза) – доза, вызывающая 50% летальный исход в популяции животных. ЛД50 часто дается в более старой литературе как мера острой токсичности химических веществ. Чем выше ЛД50, тем ниже острая токсичность. Высокотоксичное химическое вещество (с низким LD50) считается мощный. Нет необходимой корреляции между острой и хронической токсичностью. ЭД50 (эффективная доза) – доза, вызывающая специфический эффект, отличный от летального исхода, у 50% животных.

НОЭЛЬ (НОАЭЛЬ) означает отсутствие наблюдаемого (неблагоприятного) воздействия или максимальную дозу, не вызывающую токсического эффекта. Для установления NOEL требуются многократные дозы, большая популяция и дополнительная информация, чтобы убедиться, что отсутствие ответа не является просто статистическим явлением. НУН это самая низкая наблюдаемая эффективная доза на кривой доза-реакция или самая низкая доза, вызывающая эффект.

A коэффициент безопасности это формальное произвольное число, на которое делят NOEL или LOEL, полученные в результате экспериментов на животных, для получения ориентировочно допустимой дозы для человека. Это часто используется в области пищевой токсикологии, но может использоваться и в профессиональной токсикологии. Коэффициент безопасности также можно использовать для экстраполяции данных от небольших популяций к более крупным популяциям. Коэффициенты безопасности варьируются от 100 в 103. Коэффициент безопасности, равный двум, обычно может быть достаточным для защиты от менее серьезного воздействия (например, раздражения), а фактор безопасности, равный 1,000, может использоваться для очень серьезного воздействия (например, от рака). Срок коэффициент безопасности можно было бы лучше заменить термином защиту фактор или даже, фактор неопределенности. Использование последнего термина отражает научную неопределенность, например, можно ли перевести точные данные о доза-реакция с животных на человека для конкретного химического, токсического эффекта или ситуации воздействия.

Экстраполяция являются теоретическими качественными или количественными оценками токсичности (экстраполяциями риска), полученными путем переноса данных от одного вида к другому или из одного набора данных о доза-реакция (обычно в диапазоне высоких доз) в области зависимости доза-реакция, где данные отсутствуют. Обычно необходимо делать экстраполяции, чтобы предсказать токсические реакции за пределами диапазона наблюдения. Математическое моделирование используется для экстраполяций, основанных на понимании поведения химического вещества в организме (токсикокинетическое моделирование) или на понимании статистических вероятностей возникновения конкретных биологических событий (биологические или механические модели). Некоторые национальные агентства разработали сложные модели экстраполяции в качестве формализованного метода прогнозирования рисков для целей регулирования. (См. обсуждение оценки риска далее в этой главе.)

Системные эффекты проявляются токсическим действием в тканях, удаленных от пути всасывания.

Орган-мишень является основным или наиболее чувствительным органом, пораженным после воздействия. Одно и то же химическое вещество, попадающее в организм различными путями дозы облучения, мощности дозы, пола и вида, может воздействовать на разные органы-мишени. Взаимодействие между химическими веществами или между химическими веществами и другими факторами также может воздействовать на различные органы-мишени.

Острые эффекты возникают после ограниченного воздействия и вскоре (часы, дни) после воздействия и могут быть обратимыми или необратимыми.

Хронические эффекты возникают после длительного воздействия (месяцы, годы, десятилетия) и/или сохраняются после прекращения воздействия.

острый экспозиция представляет собой кратковременное воздействие, в то время как хроническое воздействие является длительным (иногда пожизненным) облучением.

Отказоустойчивость к химическому веществу может иметь место, когда повторное воздействие приводит к более слабой реакции, чем можно было бы ожидать без предварительной обработки.

Поглощение и распоряжение

Транспортные процессы

Вещание. Чтобы проникнуть в организм и достичь места повреждения, инородное вещество должно преодолеть несколько барьеров, включая клетки и их мембраны. Большинство токсичных веществ проходят через мембраны пассивно путем диффузии. Это может происходить для небольших водорастворимых молекул путем прохождения через водные каналы или для жирорастворимых путем растворения и диффузии через липидную часть мембраны. Этанол, небольшая молекула, растворимая в воде и жире, быстро диффундирует через клеточные мембраны.

Диффузия слабых кислот и оснований. Слабые кислоты и основания могут легко проходить через мембраны в их неионизированной жирорастворимой форме, в то время как ионизированные формы слишком полярны для прохождения. Степень ионизации этих веществ зависит от рН. Если через мембрану существует градиент pH, они будут накапливаться с одной стороны. Экскреция слабых кислот и оснований с мочой сильно зависит от рН мочи. pH плода или эмбриона несколько выше, чем pH матери, что вызывает небольшое накопление слабых кислот в плоде или эмбрионе.

Облегченная диффузия. Прохождению вещества могут способствовать переносчики в мембране. Облегченная диффузия похожа на ферментативные процессы тем, что она опосредована белком, высокоселективна и насыщаема. Другие вещества могут ингибировать облегченный транспорт ксенобиотиков.

Активный транспорт. Некоторые вещества активно транспортируются через клеточные мембраны. Этот транспорт опосредуется белками-переносчиками в процессе, аналогичном ферментному. Активный транспорт похож на облегченную диффузию, но может происходить против градиента концентрации. Это требует затрат энергии, и ингибитор метаболизма может блокировать этот процесс. Большинство загрязнителей окружающей среды не переносятся активно. Единственным исключением является активная канальцевая секреция и реабсорбция кислых метаболитов в почках.

Фагоцитоз это процесс, при котором специализированные клетки, такие как макрофаги, поглощают частицы для последующего переваривания. Этот транспортный процесс важен, например, для удаления частиц в альвеолах.

Объемный поток. Вещества также транспортируются в организме вместе с движением воздуха в дыхательной системе при дыхании, движениями крови, лимфы или мочи.

Фильтрация. Благодаря гидростатическому или осмотическому давлению вода в большом количестве течет через поры в эндотелии. Любое растворенное вещество, которое достаточно мало, будет отфильтровано вместе с водой. Фильтрация в той или иной степени происходит в капиллярном русле во всех тканях, но особенно важна при образовании первичной мочи в почечных клубочках.

Поглощение

Абсорбция – это поступление вещества из окружающей среды в организм. Термин обычно включает не только вход в барьерную ткань, но и дальнейший транспорт в циркулирующую кровь.

Легочная абсорбция. Легкие являются основным путем осаждения и поглощения мелких частиц, газов, паров и аэрозолей, переносимых по воздуху. Для хорошо растворимых в воде газов и паров значительная часть поглощения происходит через нос и дыхательные пути, а для менее растворимых веществ - преимущественно в альвеолах легких. Альвеолы ​​имеют очень большую площадь поверхности (около 100 м²).2 в людях). Кроме того, диффузионный барьер чрезвычайно мал, всего два тонких слоя клеток и расстояние порядка микрометров от альвеолярного воздуха до системного кровообращения. Это делает легкие очень эффективными в обмене не только кислорода и углекислого газа, но и других газов и паров. В целом диффузия через альвеолярную стенку происходит настолько быстро, что не ограничивает поглощение. Скорость всасывания вместо этого зависит от потока (легочная вентиляция, сердечный выброс) и растворимости (кровь: коэффициент распределения воздуха). Другим важным фактором является метаболическая элиминация. Относительная важность этих факторов для легочной абсорбции сильно различается для разных веществ. Физическая активность приводит к увеличению легочной вентиляции и сердечного выброса, снижению кровотока в печени (и, следовательно, скорости биотрансформации). Для многих вдыхаемых веществ это приводит к заметному увеличению легочной абсорбции.

Чрескожное всасывание. Кожа является очень эффективным барьером. Помимо своей терморегулирующей роли, он предназначен для защиты организма от микроорганизмов, ультрафиолетового излучения и других вредных агентов, а также от чрезмерной потери воды. Диффузионное расстояние в дерме составляет порядка десятых долей миллиметра. Кроме того, кератиновый слой обладает очень высокой устойчивостью к диффузии большинства веществ. Тем не менее, для некоторых веществ может иметь место значительная кожная абсорбция, приводящая к токсичности, например, высокотоксичные жирорастворимые вещества, такие как фосфорорганические инсектициды и органические растворители. Значительная абсорбция, вероятно, произойдет после контакта с жидкими веществами. Чрескожное поглощение паров может быть важным для растворителей с очень низким давлением паров и высоким сродством к воде и коже.

Желудочно-кишечная абсорбция возникает после случайного или преднамеренного приема внутрь. Более крупные частицы, первоначально вдыхаемые и оседающие в дыхательных путях, могут быть проглочены после мукоцилиарного транспорта в глотку. Практически все растворимые вещества эффективно всасываются в желудочно-кишечном тракте. Низкий рН кишечника может способствовать всасыванию, например, металлов.

Другие маршруты. При испытаниях на токсичность и других экспериментах для удобства часто используются специальные пути введения, хотя они встречаются редко и обычно не применимы к профессиональным условиям. Эти пути включают внутривенные (IV), подкожные (sc), внутрибрюшинные (ip) и внутримышечные (im) инъекции. В целом вещества абсорбируются этими путями с большей скоростью и более полно, особенно после внутривенного введения. Это приводит к кратковременным, но высоким пикам концентрации, которые могут увеличить токсичность дозы.

Распределение

Распределение вещества в организме представляет собой динамический процесс, который зависит от скорости поглощения и выведения, а также от притока крови к различным тканям и их сродства к веществу. Водорастворимые небольшие незаряженные молекулы, одновалентные катионы и большинство анионов легко диффундируют и в конечном итоге достигают относительно равномерного распределения в организме.

Объем распределения это количество вещества в организме в данный момент времени, деленное на концентрацию в крови, плазме или сыворотке в это время. Величина не имеет значения как физический объем, так как многие вещества распределены в организме неравномерно. Объем распределения менее одного л/кг массы тела указывает на преимущественное распределение в крови (или сыворотке, или плазме), тогда как значение выше единицы указывает на предпочтительное распределение жирорастворимых веществ в периферических тканях, таких как жировая ткань.

накопление это накопление вещества в ткани или органе до более высоких уровней, чем в крови или плазме. Это может также относиться к постепенному накоплению со временем в организме. Многие ксенобиотики обладают высокой жирорастворимостью и склонны к накоплению в жировой ткани, в то время как другие обладают особым сродством к костям. Например, кальций в костях может быть заменен на катионы свинца, стронция, бария и радия, а гидроксильные группы в костях могут быть заменены на фторид.

Барьеры. Кровеносные сосуды в головном мозге, яичках и плаценте имеют особые анатомические особенности, препятствующие прохождению больших молекул, таких как белки. Эти особенности, часто называемые гематоэнцефалическим, гемато-яичниковым и гемато-плацентарным барьерами, могут создать ложное впечатление, что они препятствуют прохождению какого-либо вещества. Эти барьеры не имеют большого значения для ксенобиотиков, которые могут диффундировать через клеточные мембраны.

Связывание крови. Вещества могут быть связаны с эритроцитами или компонентами плазмы или находиться в крови в несвязанном состоянии. Угарный газ, мышьяк, органическая ртуть и шестивалентный хром обладают высоким сродством к эритроцитам, в то время как неорганическая ртуть и трехвалентный хром предпочитают белки плазмы. Ряд других веществ также связывается с белками плазмы. Только несвязанная фракция доступна для фильтрации или диффузии в органы элиминации. Таким образом, связывание с кровью может увеличить время пребывания в организме, но уменьшить поглощение органами-мишенями.

Ликвидация

Ликвидация исчезновение вещества в организме. Элиминация может включать экскрецию из организма или трансформацию в другие вещества, не улавливаемые конкретным методом измерения. Скорость исчезновения может быть выражена константой скорости выведения, биологическим периодом полувыведения или клиренсом.

Кривая концентрация-время. Кривая зависимости концентрации в крови (или плазме) от времени является удобным способом описания поглощения и утилизации ксенобиотика.

Площадь под кривой (AUC) представляет собой интеграл концентрации в крови (плазме) во времени. При отсутствии метаболического насыщения и других нелинейных процессов AUC пропорциональна абсорбированному количеству вещества.

Биологический полупериод (или период полураспада) - это время, необходимое после прекращения воздействия для уменьшения количества в организме наполовину. Поскольку часто бывает трудно оценить общее количество вещества, используются такие измерения, как концентрация в крови (плазме). Период полураспада следует использовать с осторожностью, так как он может изменяться, например, в зависимости от дозы и продолжительности воздействия. Кроме того, многие вещества имеют сложные кривые распада с несколькими периодами полураспада.

Биодоступность - доля введенной дозы, поступающая в системный кровоток. При отсутствии пресистемного клиренса или метаболизм первого прохода, дробь одна. При пероральном воздействии пресистемный клиренс может быть обусловлен метаболизмом в желудочно-кишечном содержимом, стенке кишечника или печени. Метаболизм первого прохождения снижает системную абсорбцию вещества и вместо этого увеличивает абсорбцию метаболитов. Это может привести к другой картине токсичности.

Распродажа объем крови (плазмы) в единицу времени, полностью очищенный от вещества. Например, чтобы отличить от почечного клиренса, часто добавляют префикс общий, метаболический или кровяной (плазменный).

Внутренний зазор является способностью эндогенных ферментов трансформировать вещество, а также выражается в объеме в единицу времени. Если внутренний клиренс в органе намного ниже кровотока, говорят, что метаболизм ограничен. И наоборот, если внутренний клиренс намного выше кровотока, метаболизм ограничен потоком.

экскреция

Экскреция – это выход вещества и продуктов его биотрансформации из организма.

Экскреция с мочой и желчью. Почки являются важнейшим органом выделения. Некоторые вещества, особенно кислоты с большой молекулярной массой, выделяются с желчью. Часть веществ, выделяемых с желчью, может реабсорбироваться в кишечнике. Этот процесс, энтерогепатическая циркуляция, является обычным для конъюгированных веществ после кишечного гидролиза конъюгата.

Другие пути выведения. Некоторые вещества, такие как органические растворители и продукты распада, такие как ацетон, достаточно летучи, так что значительная их часть может выделяться с выдохом после вдыхания. Небольшие водорастворимые молекулы, а также жирорастворимые легко секретируются плоду через плаценту и в молоко у млекопитающих. Для матери лактация может быть количественно важным путем выведения стойких жирорастворимых химических веществ. Потомство может вторично подвергаться воздействию через мать во время беременности, а также во время лактации. Водорастворимые соединения могут в некоторой степени выделяться с потом и слюной. Эти маршруты, как правило, имеют второстепенное значение. Однако, поскольку вырабатывается и проглатывается большой объем слюны, экскреция слюны может способствовать реабсорбции соединения. Некоторые металлы, такие как ртуть, выводятся из организма путем постоянного связывания с сульфгидрильными группами кератина в волосах.

Токсикокинетические модели

Математические модели являются важными инструментами для понимания и описания поглощения и удаления инородных веществ. Большинство моделей являются компартментами, то есть организм представлен одним или несколькими компартментами. Компартмент представляет собой химически и физически теоретический объем, в котором предполагается, что вещество распределяется однородно и мгновенно. Простые модели могут быть выражены в виде суммы экспоненциальных членов, а более сложные требуют для своего решения численных процедур на компьютере. Модели можно разделить на две категории: описательные и физиологические.

In описательный ухода, подгонка к измеренным данным выполняется путем изменения числовых значений параметров модели или даже самой структуры модели. Структура модели обычно имеет мало общего со структурой организма. Преимущества описательного подхода заключаются в том, что делается мало предположений и нет необходимости в дополнительных данных. Недостатком описательных моделей является их ограниченная полезность для экстраполяции.

Физиологические модели строятся на основе физиологических, анатомических и других независимых данных. Затем модель уточняется и проверяется путем сравнения с экспериментальными данными. Преимущество физиологических моделей состоит в том, что их можно использовать в целях экстраполяции. Например, влияние физической активности на поглощение и выведение вдыхаемых веществ можно предсказать по известным физиологическим изменениям вентиляции и сердечного выброса. Недостатком физиологических моделей является то, что они требуют большого количества независимых данных.

Биотрансформация

Биотрансформация процесс, который приводит к метаболической конверсии чужеродных соединений (ксенобиотиков) в организме. Этот процесс часто называют метаболизмом ксенобиотиков. Как правило, метаболизм превращает жирорастворимые ксенобиотики в крупные водорастворимые метаболиты, которые могут эффективно выводиться из организма.

Печень является основным местом биотрансформации. Все ксенобиотики, поступающие из кишечника, транспортируются в печень по одному кровеносному сосуду.воротная вена). При попадании в организм в небольших количествах инородное вещество может полностью метаболизироваться в печени до того, как попадет в общий кровоток и другие органы (эффект первого прохождения). Вдыхаемые ксенобиотики через общий кровоток попадают в печень. В этом случае только часть дозы метаболизируется в печени, прежде чем достигнет других органов.

Клетки печени содержат несколько ферментов, окисляющих ксенобиотики. Это окисление обычно активирует соединение — оно становится более реакционноспособным, чем исходная молекула. В большинстве случаев окисленный метаболит далее метаболизируется другими ферментами на второй фазе. Эти ферменты конъюгируют метаболит с эндогенным субстратом, в результате чего молекула становится крупнее и полярнее. Это облегчает выведение.

Ферменты, которые метаболизируют ксенобиотики, также присутствуют в других органах, таких как легкие и почки. В этих органах они могут играть специфическую и качественно важную роль в метаболизме некоторых ксенобиотиков. Метаболиты, образующиеся в одном органе, могут далее метаболизироваться во втором органе. Бактерии в кишечнике также могут участвовать в биотрансформации.

Метаболиты ксенобиотиков могут выводиться почками или с желчью. Они также могут выдыхаться через легкие или связываться с эндогенными молекулами в организме.

Взаимосвязь между биотрансформацией и токсичностью сложна. Биотрансформацию можно рассматривать как необходимый процесс выживания. Защищает организм от токсичности, предотвращая накопление вредных веществ в организме. Однако при биотрансформации могут образовываться реактивные промежуточные метаболиты, которые потенциально опасны. Это называется метаболической активацией. Таким образом, биотрансформация также может вызывать токсичность. Окисленные промежуточные метаболиты, которые не конъюгированы, могут связываться с клеточными структурами и повреждать их. Если, например, метаболит ксенобиотика связывается с ДНК, может возникнуть мутация (см. «Генетическая токсикология»). Если система биотрансформации перегружена, может произойти массивное разрушение основных белков или липидных мембран. Это может привести к гибели клеток (см. «Клеточное повреждение и гибель клеток»).

метаболизм это слово часто используется взаимозаменяемо с биотрансформацией. Он обозначает реакции химического распада или синтеза, катализируемые ферментами в организме. Питательные вещества из пищи, эндогенные соединения и ксенобиотики метаболизируются в организме.

Метаболическая активация означает, что менее реакционноспособное соединение превращается в более реакционноспособную молекулу. Обычно это происходит во время реакций Фазы 1.

Метаболическая инактивация означает, что активная или токсичная молекула превращается в менее активный метаболит. Обычно это происходит во время реакции Фазы 2. В некоторых случаях инактивированный метаболит может быть реактивирован, например, путем ферментативного расщепления.

Фаза 1 реакции относится к первому этапу метаболизма ксенобиотиков. Обычно это означает, что соединение окисляется. Окисление обычно делает соединение более растворимым в воде и облегчает дальнейшие реакции.

Цитохромовые ферменты P450 представляют собой группу ферментов, которые преимущественно окисляют ксенобиотики в реакциях Фазы 1. Различные ферменты предназначены для обработки определенных групп ксенобиотиков с определенными характеристиками. Эндогенные молекулы также являются субстратами. Ферменты цитохрома Р450 специфическим образом индуцируются ксенобиотиками. Получение данных об индукции цитохрома Р450 может дать информацию о характере предшествующих воздействий (см. «Генетические детерминанты токсического ответа»).

Фаза 2 реакции относится ко второму этапу метаболизма ксенобиотиков. Обычно это означает, что окисленное соединение конъюгировано (связано) с эндогенной молекулой. Эта реакция еще больше увеличивает растворимость в воде. Многие конъюгированные метаболиты активно выводятся почками.

Трансферазы представляют собой группу ферментов, катализирующих реакции фазы 2. Они конъюгируют ксенобиотики с эндогенными соединениями, такими как глутатион, аминокислоты, глюкуроновая кислота или сульфат.

Глутатион представляет собой эндогенную молекулу, трипептид, которая конъюгируется с ксенобиотиками в реакциях Фазы 2. Он присутствует во всех клетках (и в клетках печени в высоких концентрациях) и обычно защищает от активированных ксенобиотиков. При истощении запасов глутатиона могут возникать токсические реакции между активированными метаболитами ксенобиотиков и белками, липидами или ДНК.

индукционный означает, что ферменты, участвующие в биотрансформации, увеличиваются (активность или количество) в ответ на воздействие ксенобиотиков. В ряде случаев в течение нескольких дней активность фермента может повышаться в несколько раз. Индукцию часто уравновешивают, так что реакции Фазы 1 и Фазы 2 усиливаются одновременно. Это может привести к более быстрой биотрансформации и объяснить толерантность. Напротив, несбалансированная индукция может увеличить токсичность.

ингибирование Биотрансформация может происходить, если два ксенобиотика метаболизируются одним и тем же ферментом. Два субстрата должны конкурировать, и обычно предпочтение отдается одному из субстратов. В этом случае второй субстрат не метаболизируется или метаболизируется медленно. Как и в случае индукции, ингибирование может усиливаться, а также снижаться токсичность.

Кислородная активация могут быть вызваны метаболитами некоторых ксенобиотиков. Они могут самоокисляться при производстве активированных форм кислорода. Эти кислородсодержащие вещества, в том числе супероксид, перекись водорода и гидроксильный радикал, могут повреждать ДНК, липиды и белки в клетках. Активация кислорода также участвует в воспалительных процессах.

Генетическая изменчивость между людьми наблюдается во многих генах, кодирующих ферменты Фазы 1 и Фазы 2. Генетическая изменчивость может объяснить, почему одни люди более восприимчивы к токсическим эффектам ксенобиотиков, чем другие.

 

Назад

Вторник, Апрель 12 2011 09: 43

Введение

Токсикология — это изучение ядов или, в более широком смысле, идентификация и количественная оценка неблагоприятных последствий, связанных с воздействием физических агентов, химических веществ и других условий. Таким образом, токсикология опирается на большинство основных биологических наук, медицинских дисциплин, эпидемиологию и некоторые области химии и физики для получения информации, планов и методов исследований. Токсикология варьируется от фундаментальных исследований механизма действия отравляющих веществ до разработки и интерпретации стандартных тестов, характеризующих токсические свойства отравляющих веществ. Токсикология предоставляет важную информацию как для медицины, так и для эпидемиологии для понимания этиологии и предоставления информации о правдоподобии наблюдаемых связей между воздействием, в том числе профессиями, и заболеванием. Токсикологию можно разделить на стандартные дисциплины, такие как клиническая, судебная, следственная и нормативная токсикология; токсикологию можно рассматривать с точки зрения системы органов-мишеней или процессов, таких как иммунотоксикология или генетическая токсикология; токсикология может быть представлена ​​в функциональных терминах, таких как исследования, тестирование и оценка рисков.

Сложно предложить всестороннее представление токсикологии в этом Энциклопедия. Эта глава не представляет собой сборник информации о токсикологии или побочных эффектах конкретных агентов. Эту последнюю информацию лучше получать из баз данных, которые постоянно обновляются, как описано в последнем разделе этой главы. Более того, в этой главе не предпринимается попытка поместить токсикологию в рамки конкретных субдисциплин, таких как судебная токсикология. Посылка главы состоит в том, что представленная информация актуальна для всех видов токсикологических исследований и для использования токсикологии в различных медицинских специальностях и областях. В этой главе темы основаны главным образом на практической ориентации и интеграции с намерением и целью Энциклопедия в целом. Темы также выбраны для облегчения перекрестных ссылок в Энциклопедия.

В современном обществе токсикология стала важным элементом гигиены окружающей среды и гигиены труда. Это связано с тем, что многие организации, правительственные и неправительственные, используют информацию из токсикологии для оценки и регулирования опасностей на рабочем месте и в непроизводственной среде. Как часть стратегии профилактики токсикология имеет неоценимое значение, поскольку она является источником информации о потенциальных опасностях в отсутствие широкомасштабного воздействия на человека. Токсикологические методы также широко используются в промышленности при разработке продуктов для получения информации, полезной при разработке конкретных молекул или составов продуктов.

Глава начинается с пяти статей об общих принципах токсикологии, важных для рассмотрения большинства тем в этой области. Первые общие принципы относятся к пониманию взаимосвязей между внешним облучением и дозой внутреннего облучения. В современной терминологии «воздействие» относится к концентрациям или количествам вещества, попадающим в организм отдельных лиц или групп населения, — количествам, обнаруживаемым в определенных объемах воздуха или воды, или в массе почвы. «Доза» относится к концентрации или количеству вещества внутри подвергшегося воздействию человека или организма. В области гигиены труда стандарты и рекомендации часто устанавливаются с точки зрения воздействия или допустимых пределов концентрации в конкретных ситуациях, например, в воздухе на рабочем месте. Эти пределы воздействия основаны на предположениях или информации о взаимосвязи между воздействием и дозой; однако часто информация о внутренней дозе недоступна. Таким образом, во многих исследованиях гигиены труда можно установить связь только между воздействием и реакцией или эффектом. В некоторых случаях стандарты были установлены на основе дозы (например, допустимые уровни свинца в крови или ртути в моче). Хотя эти меры более прямо связаны с токсичностью, по-прежнему необходимо проводить обратный расчет уровней воздействия, связанных с этими уровнями, в целях контроля рисков.

Следующая статья посвящена факторам и явлениям, определяющим взаимосвязь между воздействием, дозой и реакцией. Первые факторы связаны с поглощением, всасыванием и распределением — процессами, которые определяют фактическую транспортировку веществ в организм из внешней среды через входные ворота, такие как кожа, легкие и кишечник. Эти процессы находятся на границе между людьми и окружающей их средой. Второй фактор, связанный с метаболизмом, связан с пониманием того, как организм справляется с поглощенными веществами. Некоторые вещества трансформируются клеточными процессами метаболизма, что может как повышать, так и снижать их биологическую активность.

Понятия органа-мишени и критического эффекта были разработаны для облегчения интерпретации токсикологических данных. В зависимости от дозы, продолжительности и пути воздействия, а также факторов хозяина, таких как возраст, многие токсические агенты могут вызывать ряд эффектов в органах и организмах. Важная роль токсикологии заключается в выявлении важного эффекта или набора эффектов для предотвращения необратимого или изнурительного заболевания. Одной из важных частей этой задачи является идентификация органа, который первым или наиболее поражен токсическим агентом; этот орган определяется как «орган-мишень». В органе-мишени важно идентифицировать важное событие или события, которые сигнализируют об интоксикации или повреждении, чтобы установить, что орган был поражен за пределами диапазона нормальных вариаций. Это известно как «критический эффект»; оно может представлять собой первое событие в развитии патофизиологических стадий (например, экскреция низкомолекулярных белков как критический эффект при нефротоксичности) или может представлять собой первый и потенциально необратимый эффект в процессе болезни (например, формирование аддукта ДНК в канцерогенезе). Эти концепции важны в гигиене труда, поскольку они определяют типы токсичности и клинических заболеваний, связанных с определенными воздействиями, и в большинстве случаев целью снижения воздействия является предотвращение критических эффектов в органах-мишенях, а не каждого эффекта в каждом или любом из них. орган.

Следующие две статьи касаются важных факторов хозяина, влияющих на многие типы реакций на многие типы токсических агентов. Это: генетические детерминанты или наследственные факторы восприимчивости/резистентности; и возраст, пол и другие факторы, такие как диета или сосуществование инфекционных заболеваний. Эти факторы также могут влиять на экспозицию и дозу путем изменения поглощения, всасывания, распределения и метаболизма. Поскольку работающее население во всем мире различается по многим из этих факторов, для специалистов по гигиене труда и лиц, определяющих политику, крайне важно понимать, каким образом эти факторы могут способствовать изменчивости реакции среди групп населения и отдельных лиц внутри групп населения. В обществах с неоднородным населением эти соображения особенно важны. Изменчивость человеческих популяций необходимо учитывать при оценке рисков профессионального воздействия и при получении рациональных выводов из изучения нечеловеческих организмов в токсикологических исследованиях или испытаниях.

Затем в разделе представлены два общих обзора токсикологии на механистическом уровне. Механистически современные токсикологи считают, что все токсические эффекты проявляют свои первые действия на клеточном уровне; таким образом, клеточные реакции представляют собой самые ранние признаки контакта организма с токсическим агентом. Кроме того, предполагается, что эти реакции представляют собой спектр событий, от травмы до смерти. Клеточное повреждение относится к специфическим процессам, используемым клетками, наименьшей единицей биологической организации внутри органов, для ответа на вызов. Эти ответы включают изменения в функции процессов внутри клетки, включая мембрану и ее способность поглощать, высвобождать или исключать вещества; направленный синтез белков из аминокислот; и оборот клеточных компонентов. Эти реакции могут быть общими для всех поврежденных клеток или специфичными для определенных типов клеток в определенных системах органов. Гибель клеток — это разрушение клеток внутри системы органов в результате необратимого или некомпенсированного повреждения клеток. Токсические агенты могут вызвать острую гибель клеток из-за определенных действий, таких как отравление переносом кислорода, или гибель клеток может быть следствием хронической интоксикации. Гибель клеток может сопровождаться заменой в некоторых, но не во всех системах органов, но в некоторых условиях клеточная пролиферация, вызванная гибелью клеток, может рассматриваться как токсический ответ. Даже при отсутствии гибели клеток повторное повреждение клеток может вызвать стресс внутри органов, который ставит под угрозу их функцию и влияет на их потомство.

Затем глава делится на более конкретные темы, которые сгруппированы в следующие категории: механизм, методы испытаний, регулирование и оценка риска. Статьи о механизмах в основном сосредоточены на системах-мишенях, а не на органах. Это отражает практику современной токсикологии и медицины, изучающей системы органов, а не отдельные органы. Так, например, обсуждение генетической токсикологии сосредоточено не на токсических эффектах агентов в конкретном органе, а скорее на генетическом материале как мишени для токсического действия. Точно так же в статье по иммунотоксикологии обсуждаются различные органы и клетки иммунной системы как мишени для токсических агентов. Статьи о методах рассчитаны на высокую эффективность; они описывают современные методы, используемые во многих странах для идентификации опасностей, то есть получения информации, связанной с биологическими свойствами агентов.

Глава продолжается пятью статьями о применении токсикологии в регулировании и разработке политики, от выявления опасности до оценки риска. Представлена ​​текущая практика в нескольких странах, а также IARC. Эти статьи должны помочь читателю понять, как информация, полученная в результате токсикологических тестов, объединяется с основными и механистическими выводами для получения количественной информации, используемой при установлении уровней воздействия и других подходов к контролю опасностей на рабочем месте и в окружающей среде.

Краткое изложение доступных токсикологических баз данных, к которым читатели этой энциклопедии могут обратиться за подробной информацией о конкретных токсических агентах и ​​воздействиях, можно найти в томе III (см. «Токсикологические базы данных» в главе Безопасное обращение с химикатами, которая предоставляет информацию о многих из этих баз данных, их источниках информации, методах оценки и интерпретации и средствах доступа). Эти базы данных вместе с Энциклопедияпредоставить специалисту по гигиене труда, работнику и работодателю возможность получать и использовать актуальную информацию по токсикологии и оценке токсических агентов национальными и международными органами.

В этой главе основное внимание уделяется тем аспектам токсикологии, которые имеют отношение к безопасности и гигиене труда. По этой причине клиническая токсикология и судебная токсикология специально не рассматриваются как дисциплины в этой области. Многие из описанных здесь принципов и подходов используются в этих субдисциплинах, а также в гигиене окружающей среды. Они также применимы для оценки воздействия токсичных агентов на нечеловеческое население, что является серьезной проблемой природоохранной политики во многих странах. Была предпринята целеустремленная попытка заручиться мнениями и опытом экспертов и практиков из всех секторов и из многих стран; однако читатель может заметить определенный уклон в сторону академических ученых из развитых стран. Хотя редактор и авторы считают, что принципы и практика токсикологии интернациональны, проблемы культурной предвзятости и ограниченности опыта вполне очевидны в этой главе. Редактор главы надеется, что читатели этой Энциклопедия поможет обеспечить максимально широкую перспективу, поскольку эта важная ссылка продолжает обновляться и расширяться.

 

Назад

Страница 122

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ: МОТ не несет ответственности за контент, представленный на этом веб-портале, который представлен на каком-либо языке, кроме английского, который является языком, используемым для первоначального производства и рецензирования оригинального контента. Некоторые статистические данные не обновлялись с тех пор. выпуск 4-го издания Энциклопедии (1998 г.)».

Содержание: