токсикология

(метирапон, 7,8-бензофлавон, кобальт, SKF-525 и др.) ферментов метаболизма чужеродных соединений.

Генетические факторы. Различные виды животных порой значительно различаются по способности к биотрансформации ксенобиотиков

(табл.11).

Таблица 11 Константы скоростей реакции гидролиза бутилацетата кровью разных видов

животных (по В. А. Филову)

У некоторых видов животных могут отсутствовать некоторые типы биотрансформации чужеродных соединений. Например, если ацетилирование ароматических аминов происходит у человека, кролика и крысы, то его нет у собак. Образование глюкуронидов, широко распространенное у большинства млекопитающих, отсутствует у кошек. Глутаминовая конъюгация возможна у человека, но в животном мире ее обнаружили только у шимпанзе. Синтез ксенобиотиков с орнитином, напротив, происходит только у птиц.

161

Также могут различаться по способности к метаболизму чужеродных соединений особи одного и того же вида. Так, в популяциях животных выявляются особи, обладающие пониженной активностью цитохром-Р450- зависимых оксидаз. Они могут отличаться отсутствием некоторых ферментов и изоферментов, необходимых для ряда превращений ксенобиотиков. В частности, различия в биотрансформации ксенобиотиков установлены для процессов ацетилирования ароматических веществ, содержащих амино-, сульфо- и амидную группу. Индивидуумы со слабым напряжением процессов ацетилирования более подвержены некоторым аллергическим реакциям, вызываемым химическими веществами. С другой стороны, более активный процесс ацетилирования ксенобиотиков может иметь негативные последствия в результате активации биосинтеза арилгидразинов, являющихся высокотоксичными соединениями.

Пол и возраст. В опытах на лабораторных животных, в основном грызунах, показано, что половые гормоны принимают участие в регуляции активности ферментов метаболизма ксенобиотиков и прежде всего монооксигеназ. Так, взрослые самцы крыс быстрее метаболизируют такие вещества, как гексабарбитал, аминопирин, аминофенол и т.д. Вместе с тем анилин и его аналоги подвергаются биопревращению в организме самцов и самок с одинаковой скоростью. Кастрация нередко сопровождается снижением скорость метаболизма ксенобиотиков. Повышенную деятельность соответствующих микросомальных ферментов объясняют активированием их половыми гормонами самцов.

Отличия метаболизма ксенобиотиков, обусловленные возрастом, наиболее отчетливо проявляются у новорожденных и старых животных. Как правило, молодые особи легче подвержены отравлению чем взрослые, что объясняется недостаточной активностью микросомальных ферментов у молодых особей. Хорошо известно, что недостаточно развитая система метаболизма ксенобиотиков у новорожденных делает их особенно чувствительными к ряду токсикантов. Так, у новорожденных животных

162

(мышей, крыс, морских, свинок и кроликов) отсутствует цитохром Р450, принимающий участие в микросомальном окислении ядов. Известно, что у крыс он достигает нормальной активности только к 30-му дню, а у свиньи – к концу второго месяца жизни. Нарушение реакций конъюгации у молодых млекопитающих зависит от недостатка ферментов, катализирующих образование УДФ-глюкуро-новой кислоты.

Токсический процесс может стать следствием как накапливающихся в организме исходных продуктов, так и промежуточных метаболитов, не подвергающихся дальнейшей биотрансформации. У старых животных наблюдается снижение клиаренса ксенобиотиков отчасти обусловленное понижением интенсивности метаболизма. Нарушение метаболизма ксенобиотиков печенью может являться и следствием уменьшения интенсивности печеночного кровотока, хронических патологических процессов в печени, связанного с возрастом снижения активности ферментов.

Влияние химических веществ. Ксенобиотики, поступающие в организм, могут оказывать влияние на процессы метаболизма как самих этих веществ, так и других соединений, поступающих в организм одновременно или вслед за ними. Можно выделить три группы химических соединений, поразному влияющих на метаболизм чужеродных веществ: практически не влияющие на активность ферментов метаболизма; повышающие активность ферментов - индукторы; и угнетающие активность ферментов - ингибиторы. Одно и то же вещество может выступать и как индуктор и как ингибитор метаболизма другого вещества, в зависимости от того в каком порядке ксенобиотики поступают в организм - сукцессии или комбинации.

Индукция ферментов. Многие химические вещества, как эндогенные, так и поступающие из окружающей среды, обладают способностью усиливать в организме синтез ферментов биотрансформации ксенобиотиков. Этот феномен, получивший название индукции ферментов, существенным образом определяет чувствительность живых существ к действию токсикантов.

163

Несколько сот химических веществ совершенно разного строения, как установлено, являются индукторами монооксигеназ и других ферментативных систем. К числу сильных индукторов микросомальных ферментов принадлежат многие лекарственные препараты и токсиканты антропогенного происхождения. Все индукторы - жирорастворимые органические вещества. Их действие, как правило, неспецифично, то есть индуктор вызывает повышение активности не одного, а нескольких ферментов. Индукция возможна, как правило, только при повторном введении химического соединения животному.

Многочисленные индукторы монооксигеназных систем можно отнести к одному из двух классов. Представителем первого класса является фенобарбитал, другие барбитураты, некоторые лекарства и инсектициды. Ко второму классу индукторов относятся в основном полициклические углеводороды: ТХДД, 3-метилхолантрен, бенз[а]пирен и т.д. Самым сильным из известных индукторов монооксигеназ является 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксин (ТХДД). Его эффективная доза составляет 1 мкг/кг массы. В подавляющем большинстве случаев ксенобиотики проявляют свойства индукторов, действуя в значительно больших дозах (более 10 мг/кг).

Фенобарбитал вызывает выраженную пролиферацию гладкого эндоплазматического ретикулума в гепатоцитах и увеличение активности цитохрома Р-450. В результате возрастает мощность таких процессов, как деметилирование, гидроксилирование и эпоксидирование ксенобиотиков.

Индукция, вызываемая полициклическими углеводородами не сопровождается пролиферацией гладкого эндоплазматического ретикулума, но при этом существенно возрастает активность цитохрома Р450, УДФГ-трансфе- разы, гидроксиолаз.

Поскольку ксенобиотики, как правило, вызывают индукцию более чем одной ферментативной системы (барбитураты, полигалогенированные бифенилы одновременно вызывают индукцию цитохрома Р450, УДФГТ, GST и др.), предсказать влияние индукторов на токсикокинетику и

164

токсикодинамику ксенобиотика практически не возможно. Эффект может быть определен только экспериментально.

Индукция предполагает синтез дополнительного количества того или иного фермента в органах и тканях de novo. Ингибиторы синтеза белка (пуромицин, циклогексимид), а также ингибиторы синтеза РНК (актиномицин Д) блокируют индукцию микросомальных ферментов. Так как блокаторы синтеза ДНК (гидроксимочевина) не эффективны, то из этого следует, что феномен индукции ферментов биотрансформации ксенобиотиков реализуется на уровне транскрипции генетической информации.

Помимо усиления синтеза ферментов дополнительным механизмом индукции является стабилизация информационной РНК и белковых молекул в клетке.

Достаточно часто усиление метаболизма ксенобиотиков приводит к снижению их токсичности. Так, повторное введение фенобарбитала белым крысам самцам приводит к увеличению резистентности животных примерно в полтора раза к высокотоксичным ФОС. Понижается чувствительность экспериментальных животных к цианидам. Вместе с тем токсичность других веществ, при этом, существенно возрастает. Например, усиливается гепатотоксическое действие алкалоида монокротолина и циклофосфамида, канцерогенная активность 2-нафтиламина. Вследствие индукции усиливается также токсичность четыреххлористого углерода, бромбензола и др.

Другим последствием индукции может быть изменение соотношения интенсивности метаболизма ксенобиотиков в разных органах и тканях, в результате чего основным органом биотрансформации ксенобиотика у экспериментального животного, получавшего индукторы, становится иной орган, чем у интактных животных. Так, после введения крысам 3-метилхолантрена (индуктор) основным органом метаболизма 4-ипомеанола (токсичный дериват фурана) становятся не легкие (как в норме), а печень.

165

Индукторы из группы производных барбитуровой кислоты способны одновременно активировать синтез одних изоферментов (например, цитохром Р450 зависимых оксидаз) и угнетать активность других. В этой связи трудно предсказать последствия влияния индукторов на токсичность ксенобиотиков.

У животных индукция микросомальных ферментов нередко становится следствием экологического контакта с такими токсикантами, как ПАУ, органические растворители, диоксины, галогенированные инсектициды и т.д. или длительного применения некоторых лекарственных препаратов (барбитураты, антибиотики типа рифампицин и т.д.).

Многие вещества способны угнетать активность ферментов, катализирующих биотрансформацию ксенобиотиков.

Группа ингибиторов включает:

–конкурентные ингибиторы ферментов. Например, этиловый спирт - ингибитор метаболизма метанола или этиленгликоля; никотинамид - угнетает N-деметилирование аминопирена и т.д.;

–неконкурентные ингибиторы. Это, как правило, алкилирующие агенты, угнетающие активность фермента, но не конкурирующие с субстратом. Например, метирапон является хорошо известным ингибитором монооксигеназных реакций биотрасформации. К этой же группе относится вещество SKF-525 - известный ингибитор Р450;

-«суицидные ингибиторы» - вещества, образующиеся в процессе метаболизма ксенобиотика при участии данного фермента и одновременно являющиеся его ингибиторами. Например, ингибиторами такого рода цитохрома Р450 являются дигидропиридины; метаболиты пиперонилбутоксида угнетают микросомальное окисление многих ксенобиотиков в печени, таких как альдрин, анилин, аминопирен, карбарил и др;

-реакционноспособные промежуточные метаболиты, ингибирующие активность ферментов нескольких типов в месте их образования. К таким

166

веществам относятся метаболиты четыреххлористого углерода, дихлорэтана и т.д.;

-ингибиторы синтеза кофакторов и простетических групп ферментов.

Кчислу таких относятся, например, кобальт, блокирующий синтез гема, являющегося простетической группой цитохром-Р450-зависимых оксидаз; вещества истощающие запасы глутатиона в клетках.

Если ксенобиотик подвергается в организме детоксикации, угнетение процесса его биотрансформации приводит к повышению токсичности, если происходит активация ферментов биотрансформации – токсичность вещества понижается. Например, при отравлении грибами рода Coprinus через 3 - 6 часов после их поедания развивается повышенная чувствительность к этанолу, продолжающаяся до 3 суток. После приема этанола через 20-120 минут появляются тошнота, рвота, покраснение кожных покровов, резкая головная боль, тахикардия, снижение артериального давления. В тяжелых случаях возможна потеря сознания. Явления обусловлены тем, что в грибах содержится термостабильный токсин - протокоприн. В организме это вещество превращается в коприн – мощный ингибитор альдегиддегидрогеназы.

Наиболее простым методом выявления способности веществ влиять на метаболизм ксенобиотиков является опыт с определением продолжительности сна лабораторных животных, вызванного гексобарбиталом. Это вещество довольно быстро разрушается печеночными микросомальными энзимами и поэтому эффект может быть оценен в течение относительно короткого промежутка времени. Ингибиторы метаболизма, введенные до наркотического препарата, удлиняют продолжительность сна. Так, хлорамфеникол в дозах 5- 200 мг/кг, при введении за 0,5-1,0 час до гексобарбитала дозозависимо увеличивает продолжительности сна мышей (в высоких дозах - десятикратно).

Многие ингибиторы микросомальных энзимов одновременно вызывают и их индукцию. Ингибирование, как правило, процесс быстрый,

167

состоящий в прямом взаимодействии ксенобиотика с ферментом. Индукция – более длительный во времени процесс. В этой связи нередко после действия вещества наблюдается период кратковременного снижения активности монооксигеназ, сменяющийся периодом относительно стойкого повышения их активности.

Многие ткани являются мишенью для повреждающего действия продуктов метаболизма некоторых ксенобиотиков. Как правило, чем менее токсично вещество, то есть, чем большее его количество вызывает интоксикацию, тем выше вероятность того, что в основе инициации различных форм токсического процесса может лежать действие реактивных промежуточных продуктов метаболизма. Некоторые вещества активируются уже в ходе однократного превращения, другие в результате многоэтапных превращений, локализующихся порой в разных органах и тканях. Одни метаболиты проявляют свое пагубное действие непосредственно в месте образования, другие способны мигрировать, производя эффект в других органах.

3.6.5. Общие закономерности выделения (экскреции) токсикантов из организма

Биологические эффекты, вызываемые химическими веществами, как правило, ограничены во времени. Одной из основных причин этого является элиминация их из организма. Под элиминацией понимают процесс, приводящий к снижению концентрации веществ в крови, органах и тканях, который осуществляется путем биотрансформации (метаболизма токсиканта) и экскреции (выведения метаболитов из организма в окружающую среду).

Биотрансформация сопровождается либо усилением, либо потерей веществом биологической активности. Если токсичность метаболита ниже токсичности исходного агента, говорят о детоксикации или инактивации вещества, если токсичность повышается - активации токсиканта. В любом случае исходный действующий агент элиминируется.

168

При выделения веществ в окружающую среду, организм использует те же механизмы, что и при резорбции. Поэтому общие закономерности, определяющие качественные и количественные характеристики экскреции, не отличаются от закономерностей, которым подчиняется резорбция и распределение токсикантов в организме. Однако ведущим процессом при экскреции является не диффузия или активный транспорт как при резорбции, а фильтрация чужеродных веществ через биологические барьеры. Местом фильтрации ксенобиотиков, а, следовательно, и основным органом выделения являются почки. Другие органы, через которые экскретируются вещества - это легкие, желудочно-кишечный тракт, печень и в значительно меньшей степени - кожа Способ выделения вещества во многом зависит от строения выделяющего органа. Токсиканты и их метаболиты экскретируются часто по нескольким каналам.

Выделение из организма как органических токсикантов, так и металлов происходит двухфазно, но обычно трехфазно. Это связано с разной формой циркуляции и депонирования ксенобиотика:

1)в первую очередь, как правило, удаляются из организма соединения, находящиеся в неизмененном виде или очень рыхло связанные с биологическими компонентами (лигандами),

2)затем происходит выделение фракции токсиканта, находящейся в клетках в более прочно связанной форме,

3)в последнюю очередь покидает организм ксенобиотик, находящийся

впостоянных тканевых депо.

Фазность освобождения организма установлена для многих органических соединений, их метаболитов, а также для металлов. Трехфазное выделение известно, например, для свинца, ртути, цинка, индия и других металлов.

Выделение через легкие. Через легкие выделяются летучие (при температуре тела) вещества и летучие метаболиты нелетучих веществ. Основным механизмом выделения является диффузия токсиканта,

169

циркулирующего в крови, через альвеолярно-капиллярный барьер. Переход летучего вещества из крови в воздух альвеол определяется градиентом концентрации или парциального давления между средами.

Основными факторами, влияющими на элиминацию через легкие, являются: объем распределения ксенобиотика, растворимость в крови, эффективность легочной вентиляции и величина легочного кровотока.

Выведение вещества через легкие описывается следующим уравнением: t1/2 = ln2 [V (Э + λС)/Э×C] , где

- время полувыведения химического вещества; ln2 - натуральный логарифм;

V - абсолютный объем распределения ксенобиотика в литрах (доза в г, концентрация в крови в г/л);

Э - эффективность легочной вентиляции в л/мин; C - скорость легочного кровотока в л/мин;

λ - коэффициент распределения соединения между кровью и воздухом (определяется растворимостью газа в крови).

У животных одного вида величины V и λ полностью определяются свойствами вещества. С увеличением значений объема распределения и растворимости вещества в крови увеличивается и период полувыведения ксенобиотика из организма.

Определяющим показателем скорости диффузии газообразных и летучих соединений через альвеолярно-капиллярный барьер является разница их парциальных давлений в крови и альвеолярном воздухе. Давление пара пропорционально концентрации в крови и обратно пропорционально растворимости. В связи с этим у различных веществ с различной растворимостью, несмотря на одинаковую концентрацию, парциальное давление будет различно.

Растворимость газов и летучих веществ в значительной степени влияет на легочную элиминацию. Чем меньше растворимость, тем быстрее выделяется вещество. При растворимости летучего ксенобиотика в крови

170