токсикология

- свойства клеток, формирующих орган, и особенно клеточных мем-

бран;

-кислотно-основные свойства тканей;

-степень сродства молекулярных элементов тканей к токсикантам.

На характер распределения ксенобиотиков в организме, кроме того, оказывают влияние вид животного, его пол, возраст и др.

Распределение токсикантов в первые минуты и часы после их поступления в организм, до достижения стационарной фазы, в значительной степени определяется характером кровоснабжения органов.

Объем крови, протекающей через различные органы в единицу времени далеко не одинаков (табл.8).

Таблица 8 Интенсивность кровоснабжения различных органов и тканей собаки

Количество диффундирующего из крови в ткань вещества определяется суммарной площадью капиллярного русла ткани. Для различных органов и тканей площадь капиллярного русла также не одинакова (табл.9).

121

Таблица 9 Площадь капиллярного русла различных органов собаки (см2/г ткани)

Даже внутри одного и того же органа степень вазкуляризации отдельных участков может существенным образом различаться. Так, средняя длина капиллярного русла в паравентрикулярном ядре гипоталамуса мозга крысы составляет 2023, в супраоптическом ядре – 1960, в других отделах гипоталамуса – 180 - 500 мкм на 100 мкм3 ткани.

Сразу после введения вещества попадают в органы, богато снабжаемые кровью. В дальнейшем они перераспределяются в соответствии с такими свойствами тканей как наличие специальных механизмов захвата веществ, высоким содержанием структур, связывающих ксенобиотик, соотношением жира и воды в органе или ткани и т.д.

Так, в первые минуты после внутривенного введения собаке 25 мг/кг тиопентала, вещество в большом количестве определяется в печени (до 90%) и практически отсутствует в жировой ткани. Однако уже через 3 часа в печени и жире содержится примерно одинаковое (до 30%) количество этого вещества.

Конечное же распределение токсикантов, длительно сохраняющихся в организме, не зависит от особенностей кровоснабжения органов.

Вещества, хорошо растворимые в жирах, прежде всего, накапливаются в жировой ткани и тканях, богатых липидами (ЦНС). Эта закономерность хорошо прослеживается для многих лекарственных препаратов (например, производных барбитуровой кислоты), пестицидов и полигалогенированные ароматические углеводороды (ПАУ) и т.д.

Соединения с высоким значением коэффициента распределения в системе масло/вода плохо переходят из липидной фазы в водную. Для них

122

жир является своеобразным депо в организме. В этом причина низкого содержания ряда токсикантов в плазме крови, и одновременно длительного сохранения их в организме. С этим можно связать накопление в организме, например, ДДТ, диоксина и т.д. Токсикологическое значение может иметь накопление в жировой ткани малотоксичных кормовых добавок, экополютантов и т.д. При определенных ситуациях, сопряженных с резким снижением содержания жира в организме, эти вещества могут выходить из депо и оказывать токсическое действие.

Вещества, с высоким химическим сродством к определенным молекулам, молекулярным комплексам и т.д., накапливаются в тканях, содержащих такие молекулы в больших количествах. Типичным примером является угарный газ (СО), избирательно взаимодействующий с гемопротеинами, содержащими двухвалентное железо и, в частности, с гемоглобином. В силу этого угарный газ накапливается преимущественно в крови при отравлении СО.

Кадмий и свинец - металлы, в известном отношении близкие кальцию. При поступлении в организм они первоначально накапливаются в паренхиматозных органах. Однако поскольку кальций подвержен постоянному обмену, Cd и Pb постепенно замещают его в тканях и в соответствии с химическим сродством депонируются преимущественно в костях.

Связывание токсикантов белками крови. Большинство веществ, попав-

ших в кровь, в том числе и токсиканты, могут вступать во взаимодействие с белками и клетками крови, при этом изменяются их токсикокинетические характеристики. В практическом отношении особый интерес представляет взаимодействие ксенобиотиков с белками плазмы крови.

Плазма крови животных содержит около 80 г/л белка. Основная масса представлена альбуминами (35 - 55 г/л), выполняющими, главным образом, транспортные функции. К числу других групп относятся белки

123

свертывающей системы крови, иммуноглобулины, белки системы комплемента, ингибиторы протеолиза, липо- и гликопротеины. Взаимодействие этих белков с токсикантами приводит к понижению концентрации свободно циркулирующих в плазме веществ, вследствие чего понижается фракция токсиканта, способного к диффузии в ткани. Липофильные вещества, взаимодействуют в основном с липопротеинами. Водорастворимые токсиканты прежде всего связываются с альбуминами и кислыми α1-гликопротеидами. Концентрация последних в плазме крови составляет около 0,9 г/л.

Альбумины плазмы крови хорошо растворяются в воде. Их молекулярная масса - около 66000 дальтон. Они состоят из 585 остатков аминокислот. Третичная структура альбуминов фиксируется 17 дисульфидными связями. При рН=7,35 эти белки находятся в форме анионов. Большинство попавших в кровь веществ фиксируются на альбуминах, не зависимо от того являются они нейтральными, кислыми или основными соединениями.

Выделяют 6 основных центров связывания ксенобиотиков на молекуле альбумина. Различные центры отличаются друг от друга неодинаковым сродством к веществам с различными значениями константы диссоциации (рКа), механизмами взаимодействия с ксенобиотиками, различной кривой насыщения связи, числом на молекуле белка, величинами константы диссоциации комплекса белок-ксенобиотик.

Физиологическая функция альбуминов состоит в связывании свободных жирных кислот и билирубина, циркулирующих в крови. Эти вещества могут влиять на процесс взаимодействия белков с ксенобиотиками. Так, жирные кислоты ослабляют связывание гликозидов или бензодиазепинов с альбуминами.

Кислые α1-гликопротеиды состоят из одной полипептидной цепи и остатка углевода. Молекулярная масса белков - около 41000. Полисахарид-ный фрагмент молекулы составляет около 38% ее

124

массы. Гликопротеиды связывают, прежде всего, молекулы, обладающие свойствами слабых оснований. Из-за невысокой концентрации этих белков в плазме процесс связывания ими химических веществ быстро насыщается.

Липопротеиды прежде всего связывают жирорастворимые вещества. Основной центр связывания - липидный фрагмент молекулы.

Кроме указанных, в плазме крови содержатся специфические транспортные белки, активно связывающие некоторые токсиканты (церулоплазмин, металотионеины и т.д.).

Связь различных веществ, в том числе и токсических с белками - спонтанно протекающая реакция, не требующая затрат энергии и зависящая только от их строения.

В основе процесса, как правило, лежит установление гидрофобных, реже ионных и водородных, связей между участниками взаимодействия. Установлено, что с увеличением молекулярной массы ксенобиотика, длины алкильных радикалов в его молекуле вероятность связывания его белками возрастает. Включение в молекулу галогенов делает связь вещество-белок более прочной. Влияние различных заместителей возрастает в ряду: Cl<Br<J. Наличие N-ацильных радикалов в молекуле также упрочивает связь. Галогенированные углеводороды прочно связываются с альбуминами, но еще прочнее с липопротеинами. Липофильные ФОС связываются и с альбуминами и с липопротеинами.

Связывание с белками - один из важных факторов, определяющих особенности токсикокинетики некоторых металлов. Ключевую роль здесь играют низкомолекулярные, содержащие SH-группы металлосвязывающие белки

– металлотионеины, усиленно синтезируемые в ответ на поступление целого ряда металлов (Сd, Zn и т.д.) в организм. Эти белки активно соединяются с металлами, формируя ковалентную связь, и при острых воздействиях снижают их токсичность. Так, предварительное введение экспериментальным животным солей цинка, индуцирующего синтез металлотионеинов, защищает их от смертельной дозы кадмия.

125

Печень и почки – органы, в которых синтез металлосвязывающих белков (металлотионеинов) проходит с наивысшей скоростью. Именно в этих органах первоначально накапливается и большая часть металла, поступившего в организм. При длительном поступлении в организм (это хорошо изучено на примере кадмия) комплекс металл-белок появляется в крови. Источником циркулирующего в крови комплекса является печень. Накопление связанного кадмия в почках в большом количестве приводит к развитию нефропатии. Комплекс Сd-белок при введении экспериментальным животным вызывает некроз клеток эпителия проксимального отдела почечных канальцев. Вероятно, в этих структурах происходит захват циркулирующего в крови комплекса Сd-белок. Для того, чтобы развились явления нефропатии концентрация комплекса Сd-специфический белок в сыворотке крови должна стать достаточно высокой.

Если в растворе белка находится несколько химических соединений, между ними могут возникнуть конкурентные отношения за образование связи с белками. Эта закономерность прослеживается, например, при одновременном введении в организм сульфаниламидных препаратов и фенобарбитала. При увеличении концентрации барбитурата (с 0,85 мм до 3,25 мм) количество сульфаниламида, связавшегося с альбумином плазмы крови человека уменьшается. Подобные отношения отмечаются между веществами как близкого, так и совершенно разного строения, вместе с тем не являются обязательными для всех соединений. Более того, в ряде случаев выявляется усиление связи веществ с белками в присутствии других соединений. Так, галотан повышает способность альбумина связывать самые различные химические вещества, вероятно модифицируя его конформацию.

Известна способность веществ к взаимному вытеснению из связей с белками. Это особенно характерно для слабых кислот, например таких лекарственных препаратов, как фенилбутазон, сульфинпиразон и т.д. Вследствие высвобождения из связи с белком концентрация действующего

126

соединения в плазме крови возрастает. Это явление определяется следующими факторами:

-относительным сродством вещества и его конкурента к белкам плазмы крови с одной стороны, и тканям - с другой;

-объемами, в которых распределяются вещества;

-скоростью разрушения комплекса токсикант-белок.

Если объем распределения вещества невелик и при этом в плазме крови обнаруживается его высокая концентрация в сравнении с тканями, то вытеснение из связи с белками крови заметно повлияет на содержание соединения в тканях. Для веществ с большим объемом распределения вытеснение практически не скажется на характере распределения в организме.

При попадании в кровь нескольких биологически активных веществ, конкурирующих за один и тот же участок связывания на белках плазмы крови, возможна существенная модификация их токсичности и продолжительности действия. Так, при введении экспериментальным животным фенилбутазона или его производных, на фоне предварительного введения переносимой дозы антикоагулянта кумарина, отмечается вытеснение последних из связи с белками плазмы крови, что приводит к гибели животных.

Введение в организм конкурентов связывания может привести к высвобождению соединения не только из комплекса с белками плазмы, но и тканей.

Связывание токсикантов клетками крови. В крови токсикант может всту-

пать во взаимодействие не только с белками плазмы, но и форменными элементами крови и прежде всего с эритроцитами. При этом возможно:

1.Связывание вещества клеточной мембраной эритроцитов (связывание с белками мембраны, растворение в липидах клеточной мембраны);

2.Проникновение соединения внутрь клетки, связывание с её содержимым, взаимодействие с гемоглобином.

127

Фиксация веществ на поверхности эритроцитов обусловлена наличием отрицательного заряда на внешней поверхности мембраны. Он формируется многочисленными связанными с мембраной молекулами мукополисахаридов. Положительно заряженные вещества, особенно содержащие четвертичный атом азота в молекуле (алкалоиды и другие четвертичные аммониевые соединения), активно взаимодействуют с поверхностью эритроцитов.

Прохождение ксенобиотиками через мембраны эритроцитов подчиняется общим закономерностям. Из-за высокой концентрации гемоглобина в эритроците вся внутриклеточная вода связана этим гемопротеидом и не принимает участие в растворении токсикантов. В связи с этим, гидрофильные молекулы токсиканты не имеют возможности фиксироваться в форме водного раствора внутри эритроцитов.

Гематоэнцефалический и гематоликворный барьеры. Проникнове-

ние в центральную нервную систему целого ряда химических соединений, в основном водорастворимых и тем более заряженных, затруднено или даже невозможно. Это обусловлено особенностями строения гистогематического барьера между кровью и тканью мозга, носящего название «гематоэнцефалический барьер», и барьера, отделяющего цереброспинальную жидкость от кровяного русла – « гематоликворный барьер».

Общая площадь поверхности капилляров мозга велика и составляет в среднем 52 см2/г ткани, причем в различных структурах этот показатель не одинаков. Так, в белом веществе мозга обезьяны площадь капилляров составляет 38 см2/г ткани, а в коре головного мозга - 192 см2/г. Большая площадь контакта сосудистого русла и ткани мозга объясняет почему в мозг быстро проникают жирорастворимые ксенобиотики, для которых эндотелий сосудов, базальная мембрана и мембраны астроцитарной глии не представляют преграды. Вместе с тем перечисленные структуры образуют барьер, который не преодолим для очень многих ксенобиотиков.

128

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) формируется благодаря следующим уникальным особенностям анатомических структур головного мозга.

1.Эндотелий капиллярного русла головного мозга отличается от эндотелия других органов чрезвычайно тесным контактом клеток друг с другом. Эффективный радиус пор капилляров мозга значительно меньше, чем в других тканях и составляет, например, у кролика 0,7 - 0,9 нм. Крупные молекулы не в состоянии проникать через эндотелиальный барьер. Водорастворимые и заряженные молекулы могут проходить непосредственно через биомембраны

ицитоплазму эндотелиальных клеток только в том случае, если имеют малые размеры (CN– ). В норме эндотелиальные клетки мозга лишены способности к пиноцитозу. Лишь при некоторых патологических состояниях (гипоксия) в ЦНС в эндотелии образуются пиноцитарные вакуоли, при этом возрастает проницаемость гематоэнцефалического барьера, увеличивается уязвимость мозга для действия токсикантов.

2.Капилляры мозга плотно окутаны отростками астроцитарной глии. Астроцитарная оболочка препятствует проникновению гидрофильных ксенобиотиков из крови в ткань мозга и их взаимодействию с другими клеточными элементами. В некоторых областях мозга, таких как срединное возвышение гипоталямуса, медиальная преоптичесая область, область четвертого желудочка мозга, астроцитарная оболочка развита сравнительно слабо. В этих регионах возможно проникновение водорастворимых и даже заряженных молекул токсикантов в ЦНС, но также в ограниченном количестве.

3.Структурой, вносящей вклад в формирование ГЭБ, является базальная мембрана, залегающая между эндотелиальными клетками капилляров и отростками астроцитов. Эта мембрана имеет упорядоченную фибриллярную макропротеидную структуру, обеспечивающую

129

избирательное проникновение в мозг ряда важных для обеспечения его жизнедеятельности молекул (кислород, глюкоза и др.).

Аналогичный барьер окружает периферический отдел нервной системы (гематоневральный барьер). Также как и в ЦНС здесь имеются структуры с повышенной проницаемостью для токсикантов. К числу таких структур относятся корешки дорзальных ганглиев и вегетативные (автономные) ганглии.

Особенностью капиллярного русла мозга является наличие хориоидального сплетения. Это сплетение образуется капиллярами и клетками однослойного кубического эпителия, выстилающего полости желудочков мозга. Хориоидальное сплетение - место образование ликвора, жидкости, заполняющей желудочки мозга. Переход веществ из крови в ликвор определяется проницаемостью стенки капилляра и клеточной мембраны эпителия сплетения (гематоликворный барьер) и в целом затруднен для водорастворимых и заряженных молекул. В свою очередь обмен веществ между ликвором и тканью мозга ограничивается лишь тонким слоем хорошо проницаемой эпендимы. При объяснении закономерностей распределения веществ в мозге считают, что жидкость межклеточного пространства и ликвор желудочков мозга представляют собой единое целое. В этой связи концентрация веществ в ликворе принимается равной концентрации в межклеточном пространстве. Это допущение в значительной степени справедливо для водорастворимых веществ и в меньшей степени - для жирорастворимых. Многие вещества, для которых гематоэнцефалический и гематоликворный барьеры не проницаемы, оказывают действие на ЦНС при их введении в желудочки мозга.

Проницаемость ГЭБ для различных веществ оценивают путем их введения в кровь, с последующим определением в динамике концентрации в плазме, ликворе и гомогенате мозга.

Свойства веществ, влияющие на их способность проникать в мозг, идентичны свойствам, регулирующим проникновение соединений через

130