CC BY
10УДК 577.1+613.632:616-008 615.9:591.88
Л.М. Соседова
БИОМОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
Ангарский филиал ВСНЦ ЭЧ СО РАМН — НИИ медицины труда и экологии человека, г. Ангарск
Представлены результаты экспериментального моделирования при воздействии биологического фактора, сочетанного с химическим фактором, а также нейротоксического процесса, вызванного введением винилхлорида, неорганических соединений ртути и комплексом токсичных веществ. Разработаны методологические подходы, позволяющие оценивать и прогнозировать характер биологических эффектов ответной реакции организма лабораторных животных при воздействии различных факторов окружающей среды.
Ключевые слова: моделирование, сочетанное действие, химический фактор, биологический фактор, нейроинтоксикация, лабораторные животные.
L.M. Sosedova. Biomodelling for environmental factors influence on humans. The
article covers results of experimental modelling under exposure to biologic factor associated with chemical factor, and neurotoxic process caused by injection of vinylchloride, inorganic mercury compounds and toxic chemical complex. The authors specified methodologic approaches to evaluate and forecast character of biologic effects in laboratory animals response to influence of environmental factors.
Key words: modelling, combined effects, chemical and biologic factors, neurointoxication, laboratory animals.
По мнению одного из основоположников отечественной гигиены Н.С. Правдина, «Фундаментом наших исследований должна быть триада: гигиена, клиника и связующий их эксперимент» [5].
Моделирование патологических процессов и различных заболеваний является мощнейшим оружием ученых, позволяющим изучить их патогенетическую структуру и механизмы формирования. Именно по результатам экспериментов на лабораторных животных сформированы представления и изучены основные патогенетические звенья развития профессиональных, производственно и экологически обусловленных заболеваний.
Важной особенностью методологических подходов к экспериментальному моделированию является адекватность создаваемой модели патологии человека задачам исследований, допустимость переноса экспериментальных данных с модели на человека, в совокупности с информативностью и доступностью критериев и методов оценки патологического процесса в организме лабораторных животных. В медико-биологических исследованиях критерием,
свидетельствующим о правомочности и надежности условий моделирования, служит принцип подобия экспериментальной модели оригиналу [2]. Согласно положению, предложенному Н.Н. Каркищенко (2004), основными критериями являются: пространственное сходство или общность морфофункциональных характеристик органов и систем у прототипа человека и его биологической модели; единство или сходство метаболических, нейрорегуляторных, двигательных, эндокринных и экзокрин-ных функций; единство или максимальное сходство эффектов критических систем и органов по их реагированию на выбранное исследуемое воздействие; сопоставимость констант или иных параметров качественно оцениваемых и математически описываемых. Эффективность доказательной базы, свидетельствующей о формировании патологического процесса, зависит от учета ряда требований: необходимость сочетания нескольких групп показателей, позволяющих всесторонне оценить возникшие изменения; использование показателей, поддающихся количественной оценке. Правильный выбор критериев оценки патологического про-
цесса позволяет подтвердить правильность способа моделирования.
При изучении ответной реакции организма на воздействие внешних факторов, обладающих аллергенными свойствами, основными объектами являются морские свинки, на которых легко воспроизводятся повышенная чувствительность замедленного и немедленного типов, низкодозная (НДТ) и высокодозная (ВДТ) толерантность. Оценка провокационных, кожных аллергических проб сопоставима с результатами аллерго-тестирования у человека и легко описывается количественно; изменения функционального состояния клеточных элементов крови морских свинок при проведении аллергических реакций in vitro соответствует таковым у человека [2, 6].
При оценке токсических поражений ЦНС использование в качестве тест-объектов грызунов, в частности белых крыс, считается достаточно обоснованным, поскольку молекулярная и клеточная биология их нервных клеток имеет высокую степень гомологии с высшими млекопитающими, в том числе и с человеком, а инбридинг мелких животных гарантирует относительную гомогенность особей [1, 13]. Анализ ответных реакций со стороны нервной системы на то или иное воздействие у человека и белых крыс свидетельствует о максимальном сходстве и сопоставимости параметров, качественно оцениваемых и математически описываемых: астеническое состояние соответствует угнетению общей двигательной активности; неврозоподобные нарушения тревожного, агрессивного и депрессивного характера — повышенной тревожности, негативной эмоциональности и зоосоци-альной агрессивности у белых крыс; снижение в сфере мотиваций и нарушение памяти — изменению времени закрепления условно-рефлекторных связей, угнетению исследовательского поведения; нарушение мышечного тонуса; гиперкинез — изменению времени удержания на вращающемся стержне. При оценке нарушений биоэлектрической активности головного мозга и реакций на проведение стимуляционных проб оцениваемые параметры распределения основных ритмов, значений амплитуд, мощностей ритмов латентности ответа у человека и белых крыс также сопоставимы.
Можно считать, что экстраполяция экспериментальных данных, полученных при
обследовании морских свинок и белых крыс, на человека при моделировании воздействия факторов окружающей среды достаточно обоснована и вполне допустима. При этом соблюдается основное условие моделирования — принцип подобия экспериментальной модели оригиналу, ответную реакцию которого на воздействие изучаемых веществ, она должна воспроизвести.
В Институте завершен цикл экспериментально-гигиенических исследований, посвященных изучению характера иммуно-биохимического ответа организма и общепатологических закономерностей реагирования организма на воздействие белоксодержащей пыли биотехнологического синтеза — БСП и диоксида серы) [8, 10]. Проведенными исследованиями научно обоснована методология изучения и оценки характера сочетанного действия продуктов биотехнологического процесса и химических факторов в эксперименте, базирующаяся на интегральном подходе, учитывающем исходное состояние целостного организма и его донозологический статус, последовательность воздействия факторов на организм и критерии оценки и прогноза результатов. Известно, что продукты биотехнологического синтеза по своей сути являются белоксодержащими аллергенами, способными вызывать не только повышенную чувствительность, но и низкодозную или высокодозную толерантности.
Установлено, что при сочетанном с БСП ингаляционном воздействии диоксида серы возникают различные формы реагирования организма: в половине случаев сочетанного действия отмечался сенсибилизирующий эффект, интенсивность которого была в одних случаях выше, чем при изолированном действии, в других — на том же уровне. Эффект, характерный для симптомоком-плекса «аллергопатии», получен в 25 % случаев, как и количество реакций, отнесенных к токсико-аллергопатическому типу. Убедительно доказано значение последовательности введения биологического и химического факторов. Выявлено, что наиболее значительные изменения в гомеостазе развиваются при влиянии химического вещества на фоне предыдущего воздействия белоксо-держащей пыли. Конечный вариант ответа в значительной степени также определяется исходным донозологическим состоянием организма, то есть зависит от фенотипа
иммуноаллергологического реагирования на воздействие аллергенов.
Предлагаемые методологические подходы к постановке исследований по экспериментальному изучению сочетанного действия продуктов биотехнологии и химического фактора включают несколько принципиально значимых моментов:
— обязательным условием при постановке эксперимента является создание трех исходных базовых моделей (сенсибилизация, НДТ, ВДТ), формирующихся при воздействии биологического фактора любой природы;
— введение химического препарата необходимо проводить соответственно при каждом состоянии в трех последовательностях: до, после и одновременно с введением БСП, что позволяет выявить наиболее неблагоприятную последовательность сочетания биологического и химического факторов;
— для понимания сущности ответных реакций организма предлагается сжать полученную информацию посредством обобщенных показателей, облегчающих оценку состояния организма животных сравниваемых групп и анализировать изменения го-меостаза не по отдельным параметрам или системам, а использовать принцип «доза-статус организма», позволяющий всю сумму развившихся эффектов оценивать как единое целое.
Моделирование нейротоксического поражения ЦНС экспериментальных животных проводилось при воздействии химических факторов окружающей среды (пары металлической ртути, сулема, винилхлорид, комплекс токсических веществ, содержащий оксид углерода, бензпирен, формальдегид, винилхлорид, оксид азота) путем ингаляционного или парентерального поступления в организм. Основной целью проведенных экспериментов являлось изучение общих закономерностей и отличительных особенностей ответной реакции организма в отдаленном постконтактном периоде. При этом исходили из средних сроков развития отдаленных нейротоксических поражений у человека (8—9 лет), что сопоставимо примерно с 8—9 неделями жизни белых крыс.
Анализ полученных результатов позволил выработать методические подходы к воссозданию нейроинтоксикации на белых крысах и оценить эффективность различных методов верификации патологического про-
цесса [12]. Для объективной оценки функционального состояния ЦНС лабораторных животных в собственных экспериментах использовался комплекс методов, включавший тесты, характеризующие двигательную и ориентировочно-исследовательскую активность, эмоциональное состояние, агрессивность, рабочую и долговременную память, неврологический статус, когнитивные способности по результатам выработки условных рефлексов, показатели биоэлектрической активности головного мозга, периферических нервов и мышц, морфофункциональное состояние нервной ткани и активность нейромедиаторов. Учитывая, что информативность и вектор изменений тех или иных тестов может весьма существенно меняться в различные сроки с момента создания модели нейроинтоксика-ции, обследование лабораторных животных проводили дважды в динамике постконтактного периода: сразу после окончания ингаляционного воздействия нейротоксикантом (1-й срок) и через 2 мес (2-й срок). Следует заметить, что не все используемые методы были одинаково информативны, а в отдельных случаях они имели противоположную направленность.
Анализ данных экспериментального моделирования позволил выявить как общие закономерности, так и свои отличительные особенности, обусловленные специфическими свойствами изучаемых токсикантов [11]. Во всех случаях у экспериментальных животных наблюдали значительное изменение видоспецифического поведения, характерного для грызунов, стойкое нарушение нормального соотношения между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга. При интоксикации парами металлической ртути, сулемой и комплексом токсичных веществ первоначально преобладали процессы возбуждения с последующим развитием процессов торможения, в то время как длительное воздействие винилхлоридом вызывало нарушение тормозного компонента с преобладанием патологически выраженного возбуждающего компонента.
Патоморфологическая верификация поражения нервной ткани изучаемыми ней-ротоксическими соединениями не имела существенных качественных различий и характеризовалась однотипными структурно-морфологическими повреждениями. След-
ствием воздействия нейротоксикантов на белых крыс являлось прогрессирующее в отдаленном постконтактном периоде нейро-дегенеративное поражение нервной ткани, характеризующееся дистрофическими процессами в нейронах коры головного мозга, клетках Пуркинье мозжечка, снижением их общего числа, изменением количества клеток астроглии и нарушением экспрессии в коре головного мозга нейроспецифических белков (кислого глиального фибриллярного белка, S-100, нейронспецифической енола-зы). Обращало на себя внимание наличие выраженного спонгиоза при воздействии винилхлорида, нарушение миелиновой оболочки аксонов и гибель клеток по апоп-тозному типу при ртутной интоксикации и воздействии комплекса токсических веществ, а также пролиферация клеток глии при интоксикации сулемой. Анализ содержания нейромедиаторов в ткани мозга показал разнонаправленные по отношению к контрольной группе нарушения синтеза и обмена нейромедиаторов (увеличение содержания гистамина, дофамина и резкое повышение уровня серотонина при воздействии винилхлорида) [9].
В показателях биоэлектрической активности головного мозга белых крыс в динамике обследования преобладала патологическая медленноволновая активность, нарастающая с течением времени постконтактного периода, снижалась амплитуда основных ритмов, в ответ на стимуляцию появлялся патологический Р2-ритм, выявлялись нарушения корково-подкорковых взаимосвязей, проявляющиеся в изменении коркового зрительного ответа в виде отставания по времени реакции коры, увеличении латентности Р200 и длительности всего ответа, нарастающие с течением времени. Изменения показателей биоэлектрической активности коры головного мозга отражали, по-видимому, общие нарушения физиологического состояния головного мозга в условиях изучаемой нами патологии ЦНС. По данным электронейромиографии мышц и нервов задней конечности животных опытных групп выявлены сохраняющиеся и после контакта с нейротоксикантом однотипные изменения М-ответа: уменьшение амплитуды и площади вовлечения, свидетельствующие о снижении количества функциональных двигательных единиц в исследуемых мышцах животных, и харак-
терные для аксонального типа поражения нервного ствола.
Полученные результаты подтверждают клинические наблюдения о прогредиент-ном, в ряде случаев, характере формирования патологии ЦНС и после окончания токсического действия изучаемых соединений [3, 4]. В целом анализ результатов моделирования нейроинтоксикации показал следующее:
— независимо от природы воздействующих химических соединений и путей их поступления в организм, структурно-морфологические и функциональные нарушения нервной системы, формирующиеся при воздействии нейротоксикантов, не имеют специфического характера;
— как правило, нарушения в организме лабораторных животных с экспериментальной нейроинтоксикацией носят стойкий необратимый характер и прогрессируют в динамике постконтактного периода.
Выделены наиболее информативные критерии верификации патологического состояния ЦНС у белых крыс: горизонтальная и вертикальная двигательная активность; ориентировочно-исследовательская активность; показатели, характеризующие тревожно-депрессивное состояние; электроэнцефалограмма; электронейромиография периферических нервов и мышц; гистомор-фологическая оценка повреждения головного мозга; показатели, характеризующие внутривидовую агрессивность [7].
Таким образом, моделирование патологических состояний при воздействии факторов окружающей среды позволяет исследовать и обобщить представления о механизмах и закономерностях формирования той или иной патологии, максимально приблизив ее к клиническим особенностям, наблюдаемым у человека. С этих позиций значимость и информативность биологической модели трудно переоценить. Вместе с тем ценность результатов экспериментального моделирования определяется, прежде всего, правильным выбором критериев оценки патологического состояния и условий содержания животных, наличием высококвалифицированных специалистов и оснащенностью лабораторий современным оборудованием, обусловливающих в совокупности воспроизводимость полученных результатов. Биомоделирование направлено, прежде всего, на поиск эффективных средств лечения и
профилактики прогрессирования заболевания, позволяет использовать экспериментальные модели для доклинического испытания новых лекарственных препаратов, в том числе и нанокомпозитов, а также для разработки новых средств реабилитации пациентов, как в остром периоде нарушений, так и при формировании отдаленных последствий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буреш Я., Бурешова О., Хьюстон Д.П. Методики и основные эксперименты по изучению мозга и поведения. М.: Высшая школа, 1991.
2. Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования. М.: Изд-во ВПК, 2004.
3. Катаманова Е.В., Колесов В.Г., Андреева О.К., Шевченко О.И. //Бюл. ВСНЦ СО РАМН. 2004. № 4. С. 68—71.
4. Колесов В.Г., Мещерягин В.А., Лахман О.Л., Шевченко О.И. // Журн. неврологии и психиатрии. 2005. № 1. С. 25—29.
5. Корбакова А.И. // Гиг. труда. 1991. № 6. С. 1—4.
6. Курляндский Б.А., Филов В.А. Общая токсикология. М.: Медицина, 2002.
7. Рукавишников В.С., Соседова Л.М., Якимова Н.Л. Способ диагностики отдаленной токсической энцефалопатии у экспериментальных животных. RU патент 2383060. 2007 октябрь 30.
8. Соседова Л.М. // Гиг. и сан. 2003. № 2. С. 51—53.
9. Соседова Л.М., Кудаева И.В., Титов Е.А. и др. // Мед. труда. 2009. № 1. С. 37—42.
10. Соседова Л.М., Рукавишников В.С., Шаяхме-тов С.Ф. // Там же. 2003. № 3. С. 15—19.
11. Соседова Л.М., Якимова Н.Л., Титов Е.А., Капустина Е.А. // Там же. 2008. № 8. С. 22—26.
12. Соседова Л.М., Якимова Н.Л., Хомуев Г.Д., Титов Е.А., Рукавишников В.С. Способ моделирования отдаленной токсической энцефалопатии. RU патент 2341828. 2007 май 07.
13. Чехонин В.П., Лебедев С.В., Петров С.В. и др. // Бюл. экспер. биол. и мед. 2003. Т. 135, № 6. С. 629—633.
Поступила 31.08.10
УДК 612.843.7:661.849
Д.А. Яблонская, Т.С. Мищенко, О.Л. Лахман1,2 В.С. Рукавишников1, В.В. Малышев
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ХРОНИЧЕСКОЙ
РТУТНОЙ ИНТОКСИКАЦИИ
Иркутский филиал ФГУ МНТК «Микрохирургия глаза» им. акад. С.Н. Федорова Росмедтехнологии, г. Иркутск, 'Ангарский филиал УРАМН ВСНЦ ЭЧ СО РАМН — НИИ медицины труда и экологии человека, г. Ангарск, 2Иркутский государственный институт усовершенствования врачей
При обследовании пациентов с хронической ртутной интоксикацией в отдаленном (постконтактном) периоде выявлены значительные нарушения зрительного восприятия и торможение процессов нейропроводимости, заключающееся в угнетении нейроструктур сетчатки и зрительного нерва.
Ключевые слова: хроническая ртутная интоксикация, зрительная система, элек-троретинография, зрительные вызванные потенциалы.
D.A. Yablonskaya, T.S. Mishenko, O.L. Lakhman, V.S. Rukavishnikov, V.V. Malyshev. Functional state of vision system under chronic mercury intoxication. Examination of chronic mercury intoxication patients in distant (post-contact) period revealed marked vision disorders and inhibited neuro-conductivity - inhibited neuronal structures of retina and optic nerve.
Key words: chronic mercury intoxication, visual system, electric retinography, visual evoked potentials.
Проблема хронической ртутной интоксикации (ХРИ) до сегодняшнего дня остается актуальной в связи с тем, что ртуть обладает кумулятивными свойствами и депонируется
в различных органах, усугубляя с годами течение заболевания.
Металлическая ртуть используется при производстве каустической соды. Подобное
