CC BY
367
гиена и санитария
2/2012
Профилактическая токсикология и гигиеническое нормирование
О КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2012 УДК 614.777
З. И. Жолдакова, Н. В. Харчевникова, Р. А. Мамонов, О. О. Синицына
методы оценки комбинированного действия веществ
ФГБУ НИИ экологии и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина Минздравсоцразвития России
Рассмотрены отечественные и зарубежные подходы к оценке комбинированного действия веществ в зависимости от решаемых задач. Приведены данные о зависимости характера комбинированного действия от механизма токсического действия компонентов и воздействующих доз (концентраций). Обсуждены различные математические модели расчета комбинированного действия смесей. Обоснована необходимость изучать комбинированное действия смесей постоянного состава, применяемых в водоснабжении, при хроническом воздействии веществ, входящих в состав смесей. На основании собственных исследований и данных литературы сделан вывод, что необходимо изучать характер комбинированного действия таких смесей в условиях, соответствующих условиям применения, а также при более низких концентрациях.
Ключевые слова: комбинированное действие химических веществ, обоснование ПДК в воде, препараты и реагенты - смеси постоянного состава
Z. I. Zholdakova, N. V. Kharchevnikova, R. A. Mamonov, O. O Sinitsyna — METHODS FOR ESTIMATING THE COMBINED EFFECT OF SUBSTANCES
A. N. Sysin Research Institute of Human Ecology and Environmental Hygiene, Ministry of Health and Social Development of Russia
Russian and foreign approaches to estimating the combined effect of substances are considered depending on the problems to be solved. Data are given on the relationship of the type of combined effect to the mechanism of the toxic action of components and acting doses (concentrations). Various mathematical models for calculating the combined effect of mixtures are discussed. There is evidence that it is necessary to study the combined effects of the mixtures of constant composition, which are used in water supply upon chronic exposure of the substances that are constituents of the mixtures. Based on their studies and the data available in the literature, the authors inferred that the nature of the combined effect of such mixtures should be investigated under the conditions suiting those of application, as well as when used at low concentrations.
Key words: combined effect of chemical substances; substantiation of maximum allowable concentration in water; preparations and reagents are mixture of constant composition.
Оценка комбинированного действия химических веществ представляет одну из наиболее сложных проблем гигиены. Комбинированному действию уделялось внимание в связи с решением нескольких задач: 1) поиск компонентов, усиливающих острое токсическое действие друг друга при создании пестицидов, отравляющих веществ, фармакологических средств и др. Для этого необходимо изучение комбинированного действия веществ в высоких, близких к смертельным, дозах; 2) оценка комбинированного действия веществ, загрязняющих окружающую среду, а также смесей постоянного состава. Например, препараты для обеззараживания воды, косметические средства, пищевые добавки. Решение этой задачи требует изучения комбинированного действия веществ в концентрациях, близких к безвредным.
В нашей стране проблема комбинированного дейсткия
Жолдакова З. И. - д-р мед. наук, проф., вед. науч. сотр. лаб. эколого-гигиенической оценки и прогнозирования токсичности веществ ([email protected]); Харчевникова Н. В. - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. эколого-гигиенической оценки и прогнозирования токсичности веществ; Мамонов Р. А. - канд. мед. наук, науч. сотр. лаб. эколого-гигиенической оценки и прогнозирования токсичности веществ; Синицына О. О. - д-р мед. наук, зав. лаб. эколого-гигиенической оценки и прогнозирования токсичности веществ
исследовалась рядом ученых и освещена в работах Н. В. Лазарева [15], И. В. Саноцкого [25], В. В. Кустова и соавт. [13, 14], И. М. Трахтенберга и соавт. [27, 28], Ю. С. Кагана [5-8], Ю. И. Кундиева и соавт. [3], П. А. Нагорного [21], Б. А. Кацнельсона [9-11], Б. М. Штабского [2], Э. Н. Левиной [16] и др.
Однако до настоящего времени ни у нас в стране, ни на международном уровне не согласованы единые термины, методические приемы, математические методы оценки комбинированного действия веществ. В литературе и официальных нормативных документах применяется множество неоднозначных понятий и терминов для описания характера комбинированного действия.
Базовым понятием при оценке комбинированного действия является понятие «сходства» компонентов смеси. В настоящее время за рубежом различают случаи, когда вещества в смеси «действуют на одну и ту же систему органов», и тогда вещества считаются токсикологически сходными, и случаи, когда есть основания полагать, что эффекты веществ в смеси независимы, поскольку они действуют на различные органы или различные ферментные системы [36].
В нашей стране традиционно принято различать однонаправленное и разнонаправленное комбинированное действие [36]. При этом в отличие от зарубежной литературы подразумевается направленность эффектов дей-
86
ствия, а не точек его приложения. Однонаправленное действие подразумевает совпадение эффектов веществ, а однородное действие - это одинаковое действие на одни и те же органы, одни и те же ферментные системы. В случае несмертельных эффектов в соответствии с классической теорией леве-лазарева [15], вещества подразделяются на вещества однонаправленного (синергического), антинаправленного (антагонистического) и несовместного (независимого) действия.
Для количественной оценки токсического комбинационного эффекта в работах П. А. Нагорного и В. В. Кустова [13, 14, 21] используется только один критерий - «аддитивность» и понятия «больше и меньше аддитивного». Различают изоаддитивность и гетероаддитивность [2].
Изоаддитивность относится к случаю смеси близких по механизму действия веществ, когда отдельные компоненты смеси являются полностью взаимозаменяемыми в пропорциональных долях их изоэффективных доз, т. е. смесь некоторых долей от изоэффективных доз, равная в сумме единице, действует так же, как действовал бы любой ее компонент в единичной изоэффективной дозе. Если смесь действует сильнее или слабее действия суммы изоэффективных доз компонентов, то требуется ввести коэффициент К, характеризующий величину отклонения от аддитивности. Если К > 1, то комбинированное действие является более чем аддитивным, если К < 1 - менее чем аддитивным. Когда компоненты обладают разнородным механизмом токсического действия, их комбинированное действие - гетероаддитивность или аддитивность эффектов.
В случае, когда эффект вещества не изменяется, несмотря на присутствие в смеси других компонентов, говорят о независимом действии. Для несмертельных эффектов возможно также появление качественно нового эффекта смеси, не свойственного ни одному из компонентов (коа-литивный эффект) [2].
В Руководстве по оценке риска смесей веществ (US EPA, 2001) [36] термин «аддитивность» используется тогда, когда эффект смеси химических веществ может быть оценен по сумме шкалированных уровней экспозиции отдельных компонентов смеси (аддитивность доз) или сумме эффектов (аддитивность эффектов). В случае, если комбинированное действие является более чем аддитивным, используют термин «синергизм», в противном случае - «антагонизм» [36].
Кроме того, применяются понятия потенцирование или ингибирование в случае усиления или ослабления эффекта смеси в отличие от токсического действия одного из веществ [36]. В последнем случае предлагается также термин «эффект маскировки». В отечественной литературе термины «потенцирование», «синергизм» и «более чем аддитивное действие» применяются как синонимы.
По нашему мнению, наиболее адекватными для количественной оценки комбинированного действия могут служить термины «аддитивное», «менее чем аддитивное» и «более чем аддитивное действие», а при описании характера и механизма - «однородное и разнородное действие», «потенцирование», «ингибирование», «эффект маскировки».
В ряде отечественных документах [4, 22, 23] в случае присутствия в объекте окружающей среды нескольких веществ, характеризующихся однонаправленным механизмом действия, сумма отношений концентраций каждого из них к соответствующим ПДК не должна превышать единицы в соответствии с формулой (1).
(К р К ... К) к их ПДК (ПДК, ПДК2 ... ПДК) не должна превышать 1:
—— + —- + —— < 1. ( 1)
пдк пдк2 пдк
При некоторых различиях в формулировках эти рекомендации в общем случае справедливы для смесей однородных веществ, т. е. веществ, к которым может быть применено положение об изоаддитивности.
Двум различным типам аддитивности соответствуют два способа количественной оценки комбинированного действия: 1) по сумме эффектов; 2) по сумме доз. Каждый из них представлен в литературе большим числом модификаций, которые часто приводят к несовпадающим результатам, даже если речь идет о модификациях одного и того же способа.
Действительно, оценка типа комбинированного действия на основе двух рассмотренных определений аддитивности может совпасть в том диапазоне доз, в котором зависимость доза-эффект практически линейна. Однако, как хорошо известно, в более широком диапазоне доз линейность указанной зависимости, как правило, нарушается. Поэтому комбинация, подчиняющаяся правилу аддитивности доз, в крайних частях такого диапазона может дать эффект, существенно отличный от суммы эффектов изолированных компонентов.
Экспериментальные данные подтверждают, что тип этого действия может зависеть от уровней воздействующих концентраций, количественных соотношений между компонентами смеси, выбранных показателей эффекта. В зависимости от уровня воздействия тип токсического действия может меняться от менее чем аддитивного при высоких дозах, если имеет место конкуренция за связывание с ферментом, катализирующим процесс детоксикации, к аддитивности эффектов или даже доз при низких уровнях воздействия [10].
В методические рекомендации [20] Б. А. Кацнельсо-ном введено понятие об основном, или определяющем, типе комбинированного действия, под которым понимается такой его вариант, который наблюдается при воздействии веществ в пороговых дозах в условиях хронической интоксикации при изучении «критических» органов и систем, наиболее поражаемых при комбинированном воздействии.
В документе U.S. EPA [36] для однородных смесей предлагается расчет дозы смеси, вызывающей определенный эффект, как сумма доз компонентов умноженных на коэффициенты, равные отношению доз компонентов к дозе наиболее токсичного вещества в смеси. Этот подход называется методом расчета фактора эквивалентной токсичности и подразумевает соблюдение жестких требований к однородности смесей. Он используется при оценке токсичности смесей структурно родственных соединений, таких как полихлорированные диоксины [30] и полихлорированные дибензфураны, полихлорированные бифенилы, полициклические ароматические углеводороды.
Второй метод - метод фактора относительной токсичности - применяется, когда нет достаточной информации о характере токсического действия или предполагается, что различный характер, вид токсического действия соответствует различным уровням воздействия. Токсичность компонентов также определяется относительно токсичности индексного, например наиболее изученного вещества. Доза смеси рассчитывается как сумма доз компонентов умноженных на фактор токсичности относительно индексного вещества.
Третий метод - метод индекса опасности в сущности совпадает с предложенным Ф. Фини [32], и по требованиям и методу расчета практически не отличается от [20]. В
87
гиена и санитария
2/2012
действительности, однако, разрыв между ПДК и той концентрацией (дозой), которая вызывает некоторый эффект, для разных веществ заведомо различен и достаточно часто неизвестен. Поэтому истинно изоэффективными эти нормативные величины не являются. Тем не менее, несомненно, что именно метод аддитивности доз является основой формулы Аверьянова.
Модификация этой формулы, представленная Б. А. Кацнельсоном и С. М. Новиковым [9], дает возможность не только качественно оценить характер комбинированного действия, но и определить степень выраженности более или менее аддитивного действия. Согласно этой формуле [9], оценка комбинированного действия бинарной смеси в хроническом опыте должна проводиться по методу аддитивности доз:
k =
C
i
Limch(1)
I________
C
+Limch(2)
(2)
где C1 и С2 - концентрации (дозы) двух веществ в комбинации, дающей пороговый эффект, LimCh(1) и LimCh(2) - пороговые концентрации тех же веществ при изолированном воздействии, k - коэффициент аддитивности. При k = 1 наблюдается аддитивность, при k >1 - потенцирование, при k < 1 - антагонизм. Согласно определению Ю. С. Кагана [10], с которым согласились эксперты ВОЗ (1981), коэффициент аддитивности k является количественной мерой комбинированного действия веществ. В связи с этим, по нашему мнению, формула Фини-Аверьянова в модификации Б. А. Кацнельсона и С. М. Новикова является наиболее адекватной.
Согласно методологии гигиенического нормирования веществ в воде [26], технологические смеси постоянного состава подлежат изучению как одно вещество. Для проведения санитарного надзора за всей смесью выбирается индикаторное вещество в составе смеси и контроль осуществляется по этому веществу.
Вместе с тем при оценке взаимовлияния компонентов смеси известны случаи, когда компоненты смеси могут влиять на метаболизм друг друга [14]. При этом определенное значение будет иметь влияние на процессы поступления в организм, процессы всасывания [13]. Так, снижение токсичности кадмия при совместном действии с цинком обусловлено влиянием цинка на всасывание кадмия [33].
Молекулярным механизмом комбинированной токсичности сложных органических соединений может быть ингибирование или, наоборот, индуцирование активности тех ферментов, которые играют важную роль в биотрансформации этих соединений [10, 35]. Например, более чем аддитивное действие смеси карбофоса с хлорофосом определяется тем, что хлорофос подавляет активность фермента, который катализирует процесс гидролиза карбофоса [8]. Причиной потенцирования действия препаративных форм пестицидов, содержащих ФОС и пиретрои-ды, является токсикокинетическое взаимодействие уже на этапе всасывания между ФОС или синтетическими пиретроидами и органическими растворителями, которые входят в состав препаративных форм соответствующих пестицидов [17], а также торможение эффектов детоксикации пиретроидов некоторыми ФОС [6].
Механизм потенцирования при комбинированном однократном и многократном действии метилртути и гербицида 2,4-Д обусловлен блокированием SH-групп метилрутью, а также дополнительным блокированием сульфгидрильных
групп белковых молекул ферментов перекисями, образующимися при биотрансформации 2,4-Д в организме. Инактивируя функциональные группы тканевых белков, метилртуть в комбинации с 2,4-Д изменяет конфигурацию и свойства белковых молекул, что приводит к повреждению клеточных и субклеточных мембран [24].
Отклонения от аддитивности (в частности, действие более чем аддитивное) обнаруживается в основном при изучении комбинированного действия по смертельному эффекту в острых опытах. По данным С. А. Фридлянд [29], К. А. Бородина и соавт. [1], Э. В. Лисовской и соавт. [18], Я. И. Костовецкого и соавт. [12], при хроническом действии веществ наблюдается в основном аддитивность. Однако в этих исследованиях выводы сделаны на основании изучения общетоксических, а не специфических показателей.
Исследования комбинированного действия с изучением специфических эффектов проводились в основном зарубежными учеными. V. Feron и соавт. [31] изучали специфические токсические эффекты различных простых смесей веществ с числом компонентов от 4 до 9 в субхроническом эксперименте на крысах при поступлении компонентов с пищей на уровне пороговых доз, а также 1/10 или 1/3 NOAEL. Смеси, компоненты которых действовали на разные или на один и тот же орган, но различались по характеру действия, на уровне пороговых доз вызывали синергизм, а на уровне долей NOAEL - недействие. При совпадении органов-мишеней (почки) и характера токсического действия аддитивность наблюдалась на уровне NOAEL и ниже. Аддитивность наблюдалась при комбинированном действии четырех структурно родственных веществ (тетрахлоэтилена, трихлорэтилена, гексахлоро-
1,3-бутадиена и 1,1,2-трихлор-3,3,3-трифорпропена) по нефротоксическому эффекту [31].
Следует отметить, что NOAEL являются не недействующими величинами, а пороговыми.
Экспериментально подтверждено, что характер комбинированного действия веществ зависит от воздействующих доз. В [31] приводятся примеры, когда вещества в пороговых дозах вызывали синергизм, а в дозах, близких к недействующим, - только аддитивность.
В наших исследованиях на примере двухкомпонентного реагента для обеззараживания воды - смеси ПГМГ и Катамина АБ [19] - показано, что со снижением дозы характер комбинированного действия изменяется от аддитивного до более чем аддитивного и в наибольшей мере более чем аддитивное действие проявилось при дозах, близких к максимально недействующим. Таким образом, полученные результаты подчеркивают необходимость проводить изучение комбинированного действия веществ не столько на уровне среднесмертельных доз, сколько на уровне и ниже максимальных недействующих доз (концентраций) отдельных компонентов.
Таким образом, отсутствует согласованная методика изучения комбинированного действия веществ, загрязняющих воду: не согласованы термины, определяющие характер комбинированного действия, длительность экспериментов и уровни воздействия, количественные критерии для оценки вида комбинированного действия. Очевидно, обоснование и апробацию методики целесообразно продолжить на примере препаратов, реагентов и других видов продукции, представляющих собой смеси постоянного состава. Необходимость проведения таких исследований весьма актуальна в связи с появлением новых видов продукции, содержащих компоненты с неизученными свойствами, в том числе наночастицы и наноматериалы.
88
Литер атура
1. Бородин К. А., Захарченко В. И., Серебренников О. А., Иванова Э. И. // Материалы юбил. науч. сессии Омского гос. мед. ин-та им. М. И. Калинина. - Омск, 1971. - С. 703-705.
2 . Гжегоцкий М. Р., Федоренко В. И., Штабский Б. М. Очерки профилактической медицины / Под ред. Б. М. Штабского -Львов, 2008.
3. Гигиена смазачно-охлаждающих жидкостей / Кундиев Ю. И., Трахтенберг И. М., Поруцкий Г. В. и др. - Киев, 1982.
4. Гигиенические требования к охране поверхностных вод: Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.5.890-00. - М., 2000.
5. Каган Ю. С. // Гиг. и сан. - 1973. - № 12. - С. 89-91.
6 . Каган Ю. С. Общая токсикология пестицидов. - Киев, 1981.
7 . Каган Ю. С., Светлый С. С., Федоренко В. И., Штабский Б.М.
// Комбинированное и изолированное действие химических веществ на организм (механизмы, методы, математическое моделирование). - Ереван, 1989. - С. 10-13.
8 . Каган Ю. С., Штабский Б.М. // Токсикол. вестн. - 1996. - № 5.
- С. 2-9.
9 . Кацнельсон Б. А., Новиков С. М. // Гиг. и сан. - 1986. - № 5. -
С. 59-62.
10 . Кацнельсон Б. А. // Токсикол. вестн. - 1993. - № 2. - С. 15-20. 11. Кацнельсон Б. А. // Общая токсикология / Под ред. Б. А. Курляндского, В. А. Филова. - М., 2002. - С. 497-520.
12 . Костовецкий Я. И., Сиротский В. В., Хильчевская Р. И. // Са-
нитарная охрана водоемов от загрязнения промышленными сточными водами / Под ред. С. Н. Черкинского. - М., 1964.
13 . Кустов В. В., Тиунов Л. А., Васильев Г. А. Комбинированное
воздействие промышленных ядов. - М., 1975.
14. Кустов В. В., Обухова М. П., Остапенко О. Ф. Токсикология синтетических смазочных материалов - М., 1977.
15. Лазарев Н. В. Основы промышленной токсикологии: - Л., 1938
16 . Левина Э. Н. // Руководство по гигиене труда - М.-Л., 1963.
- С. 154-164.
17 . Лепешкин И. В. Влияние компонентов препаративных форм
на токсичность и токсикокинетику синтетического пире-троида дельтаметрина и фосфорорганического инсектицида бензофосфата: Дис. ... канд. мед. наук: - Киев, 1996.
18 . Лисовская Э. В., Костовецкий Я. И., Дятловицкая Ф. Г. // Са-
нитарная охрана водоемов от загрязнения промышленными сточными водами / Под ред. С. Н. Черкинского. - М., 1964.
19 . Мамонов Р. А., Беляева Н. Н., Тульская Е. А., Одинцов Е. Е. //
Вестн. Рос. ВМА. - 2008 - № 3, прил. 1, ч. 2. - С. 457.
20. Методические рекомендации по планированию и оценке эффекта комбинированного действия химических веществ при многократном воздействии. - Киев, 1977.
21 Нагорный П. А. Комбинированное действие химических веществ и методы его гигиенического изучения - М., 1984.
22. Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воздухе рабочей зоны ГН 2.2.5.1314-03.
- М., 2003.
23. Предельно допустимые конецентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны ГН 2.2.5.1313-03. - М., 2003.
24. Ракитский В. Н. // Токсикол. вестн. - 2010. - № 3. - С. 21-23.
25. Саноцкий И. В. // Токсикология новых промышленных химических веществ. - М., 1969. - Вып. 11. - С. 6-13.
26 . Синицына О. О., Красовский Г. Н., Жолдакова З. И. // Вестн.
РАМН. - 2003. - № 3. - С. 17-23.
27 . Трахтенберг И. М., Иванова З. К., Иванов Д. С. // Гиг. и сан.
- 1975. - № 7. - С. 64.
28 . Трахтенберг И. М., Нифтель В. О., Сова Р. Е. // Гиг. и сан. -
1976. - № 7. - С. 91-95.
29 . Фриндлянд С. А. // Гиг. и сан. - 1965 - № 5. - С. 20-25.
30 . Birnbaum L., DeVitoM. // Toxicology. - 1995. - Vol. 105, N 2-3.
- P. 391-401.
31. Feron V. J., Groten J. P., Jonker D. et al. // Toxicology. - 1995. -Vol. 105. - P. 415-427.
32 . Finey D. J. Probit analysis. - 3-rd ed. - London; Cambridge,
1971.
33 . Hoadley J. E., Johnson D. R. // Fundam. Appl. Toxicol. - 1987.
- N 9 .- P. 1-9 .
34. Jonker D., Woutersen R. A., van Bladeren P. J. et al. // Food Chem. Toxicol. - 1993. - Vol. 31. - P. 125-136.
35. Pirkle J., Kaufmann R., Brody D. et al. // Environ. Hlth Perspect.
- 1998. - Vol. 106, N 11. - P. 745-750.
36 . Supplementary guidance for conducting health risk assessment of chemical mixtures // Risk Assessment Forum U.S. Environmental Protection Agency. - Washington, 2001.
Поступила 23.03.11
УВАЖАЕМЫЕ АВТОРЫ!
Напоминаем,что наш журнал входит в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы на бесплатной основе значимые результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
В связи с этим обращаем ваше внимание на необходимость указывать на титульном листе статьи следующие сведения: 1) фамилию, инициалы; 2) название статьи; 3) полное название учреждения и отдела (кафедры, лаборатории), в котором выполнена работа.
Кроме того, согласно новым требованиям ВАК, для публикации в журнале и размещения на сайте издательства просьба представлять на отдельном листе сведения о каждом авторе: 1) фамилию, имя, отчество; 2) должность; 3) полный почтовый служебный адрес и e-mail; 4) номер служебного телефона и факса.
При подготовке статьи следует соблюдать правила для авторов, публикуемые в журнале.
89
