CC BY
46
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2019
Уколов А.И., Сорокоумов П.Н., Радилов А.С.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКСИКОКИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВРЕДНЫХ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОМОНИТОРИНГА
ФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» ФМБА России, 188663, Ленинградская область, Всеволожский район, г.п. Кузьмоловский
Соединения из группы фосфорорганических пестицидов (ФОП) и летучих промышленных загрязнителей (ЛПЗ) являются крупнотоннажными химическими соединениями. В данной работе описаны результаты определения токсикокинетических параметров токсикантов при экспериментальном моделировании интоксикации ФОП: дихлофосом, диметоатомом, диазино-ном, метилпаратионом, хлорпирифосом, фозалоном, и ЛПЗ: акрилонитрилом, аллилхлоридом, дисульфидом углерода, хлорацетонитрилом, бутилхлоридом, транс-1,4-дихлор-2-бутеном, диэтиловым эфиром, этилметакрилатом, гексахлорэтаном, метакрилонитрилом, метилакри-латом, метилметакрилатом, нитробензолом, 2-нитропропаном, пентахлорэтаном и тетра-гидрофураном. Для определения количественных токсикокинетических параметров целевых соединений были использованы хромато-масс-спектрометрические методики, разработанные в НИИГПЭЧ. Для большинства соединений из групп ЛПЗ и ФОП экспериментальное определение токсикокинетики было проведено впервые. Для повышения эффективности биомониторинга нами опробована возможность приблизительной оценки абсорбированной дозы ФОП на основании сравнения значений AUС, вычисленных в различные моменты времени, для известной дозы и для искомой. В качестве исходных данных использованы: вид кинетического уравнения, ток-сикокинетические параметры, время, прошедшее с момента интоксикации до отбора пробы, и концентрация ксенобиотика.
Ключевые слова: токсикокинетика; кровь; моча; ЛОС;пестициды.
Для цитирования: Уколов А.И., Сорокоумов П.Н., Радилов А.С. Определение токсикокинетических параметров вредных химических соединений для повышения эффективности биомониторинга. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; 21(1): 193-204.
Для корреспонденции: Уколов Антон Игоревич, кандидат хим. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории аналитической токсикологии ФГУП «НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека» ФМБА России, 188663, г. Санкт-Петербург. Е-mail: AntonUkolov@gmail.com
Ukolov A.I., Sorokoumov P.N., Radilov A.S.
DETERMINATION OF TOXICOKINETIC INDICES OF HARMFUL CHEMICAL COMPOUNDS TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF BIOMONITORING
Scientific Research Institute of Hygiene, Federal Medical and Biological Agency, Kuzmolovsky, 188663, Russian Federation;
Compounds from the group of organophosphate pesticides (OPhP) and volatile industrial pollutants (VIP) are large-tonnage chemical compounds. This paper describes the results of the determination of the toxicokinetic indices of toxicants in experimental modeling of OPhP intoxication: dichlophos, dimethoate, diazinon, methyl parathion, chlorpyrifos, fozalon, and VIP: acrylonitrile, allyl chloride, carbon disulfide, chloroacetonitrile, butyl chloride, trans-1,4-dichlor-2-buten, diethyl ether, ethyl methacrylate, hexachloroethane, methacrylonitrile, methyl acrylate, methyl methacrylate, nitrobenzene, 2-nitropropane, pentachloroethane and tetrahydrofuran. To determine the quantitative toxicokinetic indices of the target compounds, mass chromatography/mass spectrometry techniques developed at the Scientific-Research Institute for Thermomechanics were used. For the majority of compounds from the VIP and OphP groups, experimental determination of toxicokinetics was carried out for the first time. To improve the efficiency of biomonitoring, we tested the possibility of an
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
approximate estimate of the absorbed dose of OPhP based on a comparison of the AUC values calculated at different points in time for the known dose and for the desired dose. The initial data used were: type of kinetic equation, toxicokinetic indices, time elapsed from the moment of intoxication to sampling, and xenobiotic concentration. Keywords: toxicokinetics; blood; urine; VIP; pesticides.
For citation: Ukolov A.I., Sorokoumov P.N., Radilov A.S. determination of toxicokinetic indices of harmful chemical compounds to improve the efficiency of biomonitoring. Meditsina ekstremal'nykh situatsiy (Medicine of Extreme Situations, Russian journal) 2019; 21(1): 193-204. (In Russian).
For correspondence: Anton I. Ukolov, PhD, leading researcher of the laboratory of the analytical toxicology of the Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology of the Federal Medical and Biological Agency of Russia, St. Petersburg, 188663, Russian Federation. E-mail: AntonUkolov@gmail.com
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgments. The study had no sponsorship. Received: February 5, 2019 Accepted: February 21, 2019
Оценка внутренней или абсорбированной дозы веществ возможна с помощью количественного определения биомаркеров экспозиции в биологических пробах (моче, кале, крови и/или ее компонентах, в выдыхаемом воздухе), при этом необходимым условием является известная зависимость концентрации биомаркера от времени, то есть его токсикокинетические параметры, а отбор проб проведен в известные моменты времени. Таким образом, одномерная величина - концентрация ксенобиотика в образце - становится функцией концентрации от времени, что позволяет существенно повысить информативность биомониторинга, а также вплотную подойти к обоснованию биологических ПДК, которые представляют собой уровни вредных веществ в организме работающего или уровни биологического ответа наиболее поражаемой системы его организма1.
Вывод о количестве абсорбированного химического соединения дозы на основании концентрации его биомаркера в крови возможно сделать только при условии линейной зависимости площади под токсикокинетической кривой (АиС) от дозы, то есть в диапазоне, при котором АиС = f (доза) - линейная функция.
Нами опробована возможность приблизительной оценки абсорбированной дозы ФОП на основании сравнения значений АиС, вычислен-
2 ГОСТ 12.1.007-76 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
ных в различные моменты времени, для известной дозы и для искомой. В качестве исходных данных использованы: вид кинетического уравнения, токсикокинетические параметры, время, прошедшее с момента интоксикации до отбора пробы, и концентрация ксенобиотика. Далее вычисленные значения АиС были сравнимы со значениями для известной дозы ФОП. При этом было сделано предположение о линейной зависимости абсорбированной дозы от кажущейся начальной концентрации.
Установление зависимости от времени концентрации биомаркера экспозиции токсичного химического соединения позволяет провести приблизительную оценку абсорбированной дозы ксенобиотика. Для вычисления токсикоки-нетических параметров, ЛПЗ, как и ФОП, были разделены на 4 категории на основании полученных данных об изменении их концентраций в крови во времени. Конечной целью данной работы является поиск возможных способов экстраполяции, или масштабирования, токси-кокинетики целевых соединений на человека, так как основным назначением биомониторинга является определение химической нагрузки на персонал химических предприятий и население.
Материал и методы
Для экспериментального моделирования интоксикации ФОП использовали 4 кроликов породы шиншилла, полученных из питомника «Рапполово». Навески всех ФОП объединяли
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
и готовили ex tempore раствор в 50 % этаноле (w/v), из расчета 1 мл/кг. Дихлофос, диметоат, диазинон и метилпаратион вводили в/ж в дозе 1/10 DL50, хлорпирифос и фозалон — в/ж в дозе 1/50 DL50. Отбор крови осуществляли из краевой вены уха сначала до введения ФОП (фоновый контроль), затем через 20-30 мин, 1, 2, 3, 4 и 6 ч, 1, 2, 3, 4 и 6 сут после введения ФОП. Мочу кроликов собирали до введения ФОП, затем в течение первых 3-6 ч, далее через 1, 2, 3, 5, 7, 14 и 21 сут [1, 2].
Для экспериментального моделирования интоксикации ЛПЗ использовали 4 кроликов породы шиншилла, полученных из питомника «Рапполово». Введение токсикантов осуществляли подкожно [3, 4].
Промышленные токсиканты представлены коммерчески доступной смесью 18 летучих соединений, растворенных в 1 мл метанола в концентрации около 2 мг/мл для каждого компонента смеси (EPA 524.2 Revision 4 Mix, Supelco, 47427-U, 1 мл). 1 мл указанной смеси разводили в метаноле до 3 мл, каждому кролику весом 3 кг вводили по 1 мл разведенной смеси подкожно. Таким образом, каждому кролику было введено примерно по 0,67 мг каждого компонента смеси (0,22 мг/кг).
Отбор крови осуществляли из краевой вены уха сначала до введения смеси (фоновый контроль), затем через 10, 30 мин, 1, 2, 4, 6 ч, 1, 2, 5 сут после введения смеси. Мочу кроликов собирали до введения смеси, затем в течение первых 3-6 ч, далее через 1, 2, 3, 5 сут.
Установление зависимости от времени концентрации биомаркера экспозиции токсичного химического соединения позволяет провести приблизительную оценку абсорбированной дозы ксенобиотика. Основными токсикокинети-ческими параметрами являются:
• константа скорости элиминации (обозначается ka, размерность - ч-1, мин1);
• константа скорости абсорбции (всасывания) (обозначается ^бс, размерность - ч-1, мин1);
• кажущаяся начальная концентрация ксенобиотика (обозначается С размерность ммоль/л, мкг/мл, нг/мл);
• период полувыведения (tV2, размерность ч, мин);
• величина максимальной концентрации (Смакс, размерность ммоль/л, мкг/мл, нг/мл);
• время установления максимальной концентрации, установленное экспериментально (¿макс, размерность ч, мин);
• площадь под фармакокинетической кривой «концентрация-время» (от нуля до последнего момента отбора крови или мочи) (АиС0-1);
• среднее время пребывания препарата в организме (МКГ0-1, ч, мин).
Результаты и обсуждение
Для вычисления токсикокинетических параметров, ЛПЗ, как и ФОП, были разделены на 4 категории на основании полученных данных об изменении их концентраций в крови во времени.
Скорости абсорбции диметоата, диазинона и метилпаратиона из желудка в системный кровоток, а также аллилхлорида, акрилонитрила, бутилхлорида, дисульфида углерода, хлораце-тонитрила, метакрилонитрила, этилметакрила-та, пентахлорэтана и Е-1,4-дихлор-2-бутена из места подкожной инъекции, настолько высоки, что зарегистрировать максимум на токсико-кинетической кривой не представляется возможным, поэтому было принято решение при расчетах пренебречь фазой абсорбции, а вычисление токсикокинетических параметров этой группы соединений производить с использованием модели внутривенного введения (формула 1 или 2). Вычисление параметров остальных соединений было проведено с учетом фазы абсорбции по уравнению 3 или 4.
При моделировании токсикокинетики необходимо учесть тот факт, что часть соединений элиминируется из организма в 2 фазы - быструю и медленную, поэтому при вычислении токсикокинетических параметров 2 группы соединений были дополнительно разделены еще на 2 подгруппы каждая. В результате моделирование токсикокинетики было проведено по одному из четырех уравнений (табл. 1).
Токсикокинетические параметры дихлофо-са не были вычислены, так как период детектирования при введении дозы 0,1 DL50 оказался слишком мал (около 6 ч). Использование более высокой дозы дихлофоса (0,3 DL50) в сочетании с другими ФОП модельной смеси привело к летальному исходу. Установление факта отравления дихлофосом возможно проводить путем
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Таблица 1
Различные способы моделирования зависимости концентрации веществ в крови от времени
Модель Уравнение зависимости концентрации ксенобиотика в крови от времени
Одна фаза элиминации без абсорбции С = С0 х е-ка (1)
Две фазы элиминации без абсорбции С = С0 х (Р/х е-ка + (1 - Р) х е-¥) (2)
Одна фаза элиминации с абсорбцией С = С0 х (1 - е-кабс') х е-ка') (3)
Две фазы элиминации с абсорбцией С = С0 х (1 - е-кабс') х (Р/ х е-ка' + (1 - Р/) х е-¥) (4)
Примечание. Здесь и в табл. 3: С - концентрация ксенобиотика в крови в момент времени, нг/мл; С0 — кажущаяся начальная концентрация ксенобиотика, нг/мл; Р/ — доля длительности быстрой фазы (альфа фазы); ка — константа элиминации в быстрой фазе (альфа фазе) или константа элиминации при однофазном выведении, мин-1; кр — константа элиминации в медленной фазе (бета фазе), мин-1; кабс — константа абсорбции, мин-1.
определения его метаболитов в биологических образцах. Вычисленные значения токсикокине-тических параметров приведены в табл. 2.
Из приведённых данных видно, что дольше всего в биообразцах кроликов детектируются фозалон и хлорпирифос, средней скоростью выведения обладают метилпаратион и димето-ат, быстрее всего выводится диазинон.
Сравнение полученных нами токсикокине-тических параметров ФОП с литературными данными показало их высокую достоверность. Так, например, период полувыведения диази-нона составляет 1,6 ч для быстрой фазы. Полученный нами результат составляет 1,24 ч. Константа элиминации диазинона оценена в 0,0059 мин-1, а наша оценка составляет 0,011 мин-1. Константа элиминации метилпа-ратиона, согласно данным литературы, составляет 0,0083 мин-1, а наша оценка составила 0,0075 мин-1.
Зачастую сопоставить наши экспериментальные данные и данные литературы затруднительно, так как не всегда удается найти описание эксперимента с использованием того же вида животных, часто используются различные дозы при экспериментальном моделировании интоксикаций.
На основании результатов количественного определения ЛПЗ в биожидкостях можно заключить, что моча является более показательной матрицей для установления факта воздействия ЛПЗ на организм, большая часть ЛПЗ детектируется в моче в течение 5 дней. В крови самый продолжительный период обнаружения
у диэтилового эфира, остальные ЛПЗ можно обнаружить только в течение 24 ч. Стоит отметить, что дозы всех ЛПЗ, введенные экспериментальным животным, были одинаковы и составили 0,22 мг/кг. Метаболиты ЛПЗ в этом эксперименте не определяли, а токсикокинети-ческие параметры и периоды детектирования определены только для целевых соединений в неметаболизированной форме.
Для оценки возможности вычисления абсорбированной дозы ФОП на основании сравнения значений АиС, в различные моменты времени для известной и искомой доз мы использовали формулы для вычисления начальной или кажущейся начальной концентрации в момент времени приведены в табл. 3 (формулы 5, 7, 9 и 11). Там же приведены формулы, связывающие С0 и АиС (6, 8, 10 и 12).
На основании вычисленных токсикокинети-ческих параметров и экспериментальных данных была проведена оценка введённой дозы ФОП (табл. 4).
Из приведенных данных можно заметить, что отклонение при оценке дозы редко превышает 100% и не зависит от точки отбора пробы крови. Например, при установлении дозы диазинона, вызвавшей отравление, при отборе пробы крови у пострадавшего можно было бы заключить, что реальная доза составляет от 0,06 до 0,17 DL50, при отборе различных точек -от 30 мин до 24 ч, а в среднем - 0,11 DL50 (истинная доза в эксперименте 0,1 DL50).
Для увеличения точности оценки введённой дозы необходимо провести оценку линейно-
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
Таблица 2 Экспериментальные токсикокинетические параметры ЛПЗ и ФОП
Соединение, доза Ce, нг/мл ^абс? мин-1 Pf ka, мин-1 kß, мин-1 AUG)-», нгхмин/мл C, нг/мл
Две фазы элиминации без абсорбции
Е-1,4-Дихлор-2-бутен, 0,22 мг/кг 979 - 0,27 0,0430 0,0040 52 591 650
Диазинон, 15 мг/кг 308 - 0,75 0,0110 0,0017 0,5X105 243
Дисульфид углерода, 0,22 мг/кг 178 - 0,60 0,0190 0,0036 17 326 150
Метакрилонитрил, 0,22 мг/кг 3140 - 0,28 0,0200 0,0056 143 850 2474
Метилпаратион, 40 мг/кг 954 - 0,47 0,0075 0,0024 1,8x105 836
Пентахлорэтан, 0,22 мг/кг 43 - 0,67 0,0182 0,0026 7021 36
Одна фаза элиминации без абсорбции
Аллилхлорид, 0,22 мг/кг 98 - - 0,022 - 7200 80
Акрилонитрил, 0,22 мг/кг 110 - - 0,066 - 1326 57
Бутилхлорид, 0,22 мг/кг 77 - - 0,018 - 8677 63
Диметоат, 40 мг/кг 2 X 105 - - 0,012 - 13 X 106 1,5 X 105
Хлорацетонитрил, 0,22 мг/кг 211 - - 0,078 - 2129 97
Этилметакрилат, 0,22 мг/кг 1,4 - - 0,020 - 901 1,2
Две фазы элиминации с абсорбцией
Диэтиловый эфир, 0,22 мг/кг 1103 0,096 0,74 0,0050 0,0024 200 808 662
Метилакрилат, 0,22 мг/кг 1833 0,044 0,37 0,0230 0,0054 92153 903
Метилметакрилат, 0,22 мг/кг 6,3 0,067 0,63 0,0160 0,0054 441 3,9
Нитробензол, 0,22 мг/кг 573 0,260 0,28 0,0054 0,0013 184771 546
Хлорпирифос, 20 мг/кг 92 0,037 0,61 0,0014 0,0009 0,9 X 105 78
Одна фаза элиминации с абсорбцией
2-Нитропропан, 0,22 мг/кг 864 0,066 - 0,0190 - 53 961 517
Гексахлорэтан, 0,22 мг/кг 13 0,150 - 0,0140 - 1070 10
Фозалон, 30 мг/кг 19 0,024 - 0,0011 - 15 683 17
сти токсикокинетических параметров, то есть определить границы дозы, в которых константы элиминации и абсорбции не меняют своих значений.
Трансляция количественных токсикокинетических параметров от животных к человеку является важнейшей частью экспериментальной токсикологии и фармакологии [5]. Основные стратегии трансляции, используемые в настоящее время предусматривают учет различий в весе и площади поверхности кожи. Такие вы-
числения называются межвидовым аллометри-ческим масштабированием. В качестве более сложной альтернативы аллометрии используют физиологически обоснованные фармакокине-тические модели или масштабирование с использованием экспериментов in vitro, например, при изучении печеночного клиренса на микро-сомальных фракциях печени [6].
Необходимый набор токсикокинетических параметров, позволяющий воспроизвести зависимость концентрации ксенобиотика в крови,
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Таблица 3 Уравнения для вычисления кажущейся начальной концентрации (С0) и площади под кинетической кривой «концентрация-время» (от 0 до бесконечности) (ЛиС^) в момент времени t
Модель Уравнение
Одна фаза элиминации без абсорбции Р = е
лиг - Р (6) ла
Две фазы элиминации без абсорбции Р _ С (7) 0 Ргх е-к"' + (1 - Р) х е-Н'
лис^ - Со ( Р + 1 - Р) (8) V ка к )
Одна фаза элиминации с абсорбцией Р - С (9) 0 (1 - егкабс>) X е-ко!
ДТ7Г1 — г^ 2ка + кабс (10) Аиг0^ю С0 ) ка(ка + кабс)
Две фазы элиминации с абсорбцией Р - С (11) ^ 0 (1 - е-кабс') X (Рг X е-к*' + (1 - Р) X е-¥)
лиг^ - С0 ( Р + 1 - Р- , Рь - 1 - Р)) (12) \ ка кр кабс + ка кабс + кр '
Примечание. АиГ0-ю - площадь под кинетической кривой «концентрация-время» (от нуля до бесконечности), нг/млхмин.
включает: константы элиминации и абсорбции для соединений со значимым периодом абсорбции, а также начальную или кажущуюся начальной концентрацию. В случае успешного масштабирования этих параметров возможно
оценить период возможного обнаружения маркера токсиканта в крови с использованием известной методики.
В основе аллометрического масштабирования лежит предположение о том, что анато-
Таблица 4 Отклонения в оценках доз ФОП, введённых кроликам по результатам измерений их концентраций в крови через определённые промежутки времени после введения
Время Оценка абсорбированной дозы ФОП
диметоат (дозаист - 40 мг/кг) диазинон (дозаист - 15 мг/кг) метилпаратион (дозаист - 40 мг/кг) хлорпирифос (дозаист - 20 мг/кг) фозалон (дозаист - 30 мг/кг)
20 мин 50 мг/кг (+26%)* 16 мг/кг (+7%) 46 мг/кг (+16%) 24 мг/кг (+20%) 24 мг/кг (-20%)
30 мин 14 мг/кг (-65%) 15 мг/кг (0%) 25 мг/кг (+38%) 7 мг/кг (-65%) 31 мг/кг (+2%)
1 ч 53 мг/кг (+33%) 18 мг/кг (+17%) 40 мг/кг (+1%) 24 мг/кг (+20%) 21 мг/кг (-30%)
2 ч 18 мг/кг (-53%) 9 мг/кг (-40%) 14 мг/кг (-65%) 6 мг/кг (-70%) 8 мг/кг (-75%)
3 ч 24 мг/кг (-38%) 17 мг/кг (+13%) 39 мг/кг (-3%) 22 мг/кг (+10%) 38 мг/кг (+27%)
4 ч 12 мг/кг (-69%) 21 мг/кг (+37%) 68 мг/кг (+70%) 53 мг/кг (+165%) 30 мг/кг (+1%)
6 ч 3 мг/кг (-92%) 13 мг/кг (-11%) 28 мг/кг (-31%) 24 мг/кг (+20%) 45 мг/кг (+50%)
1 день - 25 мг/кг (+67%) 223 мг/кг (+458%) 14 мг/кг (-30%) 75 мг/кг (+150%)
Примечание. * - отклонение вычисляли следующим образом: (Оценка дозы — Истинная доза) / Истинная доза х 100%.
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
мические особенности (вес органов и пр.), а также физиологические процессы (почечный клиренс, гемодинамика) можно масштабировать при учете массы или площади поверхности тела. Экстраполяция производится степенным уравнением с коэффициентами % или % в степени.
В отечественной практике в руководстве по доклиническим исследованиям [7] приводится формула для масштабирования периода полувыведения ксенобиотиков, которая использует соотношение масс тела экспериментального животного и человека:
tV?
Is / ¿.и
= tVl
крыса
X
Масса тела,
0.25
человек
Масса тела
(13)
крыса
Некоторые видовые различия вносят большой вклад в масштабирование, некоторые нет. Например, биодоступность и связывание с белками крови может отличаться у крыс и человека, так как альбумин крыс и человека отличается количеством сайтов связывания. Коэффициенты распределения: например, растворимость фторуглеродных аэрозолей в крови и плазме отличаются в 33 раза между видами. Также затруднено масштабирование для веществ с низким клиренсом, которые выводятся преимущественно с использованием оксидаз смешанных функций.
Согласно EPA2, масштабирование дозы токсиканта от крыс к человеку следует выполнять следующим образом:
С помощью уравнения (14) можно масштабировать не только дозы, но и альвеолярную вентиляцию, сердечный выброс, почечный клиренс, потребление кислорода и пр. [5]. Степень в степенном уравнении (14), по разным данным, может принимать значения 0,667 или 0,75.
В США для масштабирования доз неканцерогенных соединений используют подход, основанный на т.н. коэффициентах запаса или факторах неопределенности. Коэффициенты
2 EPA/100/R11/0001 Final Recommended Use of Body Weight3/4 as the Default Method in Derivation of the Oral Reference Dose.
запаса обычно составляют 10 [8]. Для канцерогенных соединений используют все ту же степенную функцию: Р = aWb, где Ь = % или %.
В РФ используют более сложный подход установления ОБУВ: по параметрам токсикометрии веществ [9] или с помощью интерполяций и экстраполяций в рядах соединений, близких по химической структуре, физическим и химическим свойствам и характеру биологического действия [10].
Необходимый набор токсикокинетических параметров, позволяющий воспроизвести зависимость концентрации ксенобиотика в крови включает: константы элиминации и абсорбции, для соединений со значимым периодом абсорбции, начальную или кажущуюся начальной концентрацию. В случае успешного масштабирования этих параметров можно оценить период возможного обнаружения маркера токсиканта в крови с использованием известной методики.
Некоторыми исследователями предпринимаются попытки создания более точных моделей масштабирования кинетических параметров [5] Для этого в качестве тренировочного набора данных обычно используют известные фар-макокинетические параметры лекарственных средств, что обусловлено значительно большим объемом доступной информации по их кинетике в организме людей и животных, обычно крыс [11]. С использованием такого подхода в работе [5] определены коэффициенты в следующем уравнении:
Р = а х РЬ (15)
А человек ^ А крыса V /
где Р - это время полувыведения или объем распределения.
Для вычисления периода полувыведения (Ху в ч) по уравнению 15 необходимо использовать следующие коэффициенты: а = 1,58 и Ь = 0,83. Коэффициент детерминации для избранного набора ксенобиотиков составляет 0,737 и 0,754 для вычисления объема распределения, соответственно. При использовании данного соотношения следует иметь в виду, что при составлении выборки были использованы крысы различных пород и различного пола.
Одним из принципиальных отличий организма крыс от человека является содержание жира, так в организме человека жира, по отношению
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
к массе тела, в 3-4 раза больше, чем у крысы. Поэтому логичным способом повышения точности модели (15) является включение в уравнение логарифма коэффициента распределения в системе октанол/вода (1о^о/„) [12]. В итоге уравнение (15) приобрело следующий вид:
logiv
= а + b logi./2(KpbIC) + с logP (16)
^(человек)
Коэффициент детерминации в случае использования соотношения (16) для избранной выборки составляет уже 0,8474. Модель показывает наилучшую точность для веществ с очень высоким 1о^ (более 6,5). Для вычисления периода полувыведения в ч) по уравнению 16 необходимо использовать следующие коэффициенты: а = 0,6180, Ь = 0,9504, с = 0,0850.
При определении периода возможного обнаружения маркера токсиканта с использованием уравнений 1-4 необходимо предварительно провести масштабирование периода полувыведения, который, в данном случае, связан с константой элиминации простым отношением: ^ = 1п2 / кэЛ.
Масштабирование начальной концентрации или кажущейся начальной концентрации (С0) возможно провести только при условии предварительного масштабирования площади под кинетической кривой «концентрация-время» (от нуля до бесконечности) (АиС0-ш), которая связана с С0 одним из отношений в табл. 5.
В ряде исследований [11] для масштабирования значения NOAEL были использованы данные о АиС препарата и масштабированный клиренс на человека, скорректированный на биодоступность (Р):
N ОАЕ Ь _ -^^Сживотное* ^человек (17)
Использование соотношения (17) возможно только при условии, что биологической активностью обладает только неметаболизированная форма целевого вещества. В работе [13] предложено распространить аллометрическое масштабирование на клиренс, что открывает возможности для масштабирования площади под кривой при равенстве полученных доз.
(18)
Таким образом, при равенстве доз токсичных соединений для животного и человека можно вывести следующее аллометрическое отношение: АиСЧеловек = 1/8 х АиСКролик, при средней массе тела человека 70 кг, а кролика - 3 кг
В общем виде, порядок действий, предпринимаемых для масштабирования основных ток-сикокинетических параметров включает:
1. Определение типа кинетического уравнения (внутри- или внесосудистое, одна фаза элиминации или две).
2. Вычисление отношения площадей под кривыми для одинаковых доз ксенобиотика для человека и животного [13].
3. Масштабирование периода полувыведения для одной или нескольких фаз элиминации
[5, 12].
4. При необходимости - масштабирование константы абсорбции [15, 16].
5. Вычисление периода возможного обнаружения.
В доступной литературе не удалось обнаружить способов масштабирования коэффициента Р^т - долевого выражения длительности быстрой фазы в уравнениях 2 и 4. Поэтому нами была проведена оценка зависимости периода возможного обнаружения ксенобиотика в крови, на примере метакрилонитрила, от длительности быстрой фазы элиминации. В результате показано, что коэффициент Рт в уравнениях начинает оказывать существенное влияние на период возможного обнаружения биомаркера только при значениях, превышающих 0,8, поэтому для соединений с таким соотношением продолжительностей быстрой и медленной фаз элиминации рассматриваемый способ масштабирования плохо применим. В дальнейшем, для масштабирования токсикокинетики соединений с двумя фазами элиминации мы использовали коэффициент Рт без масштабирования.
При масштабировании токсикокинетичес-ких параметров некоторых соединений необходимо учитывать фазу абсорбции, поэтому рассмотрим далее способы масштабирования константы абсорбции.
При подкожном введении химических соединений всасывание в системный кровоток может происходить двумя путями [14]: через капилляры или лимфатические сосуды. При подкожном
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
Таблица 5 Масштабированные токсикокинетические параметры соединений из групп ЛПЗ и ФОП, а также вычисленные периоды возможного обнаружения их маркеров в крови человека с использованием разработанных методик
Химическое соединение logPo/w1 Масштабированные токсикокинетические параметры
ty, ч (а)2 ty ч (ß)3 С0, нг/мл ^бс, мин-1 Тобн4 (кролик) Тобн4 (человек)
Две фазы элиминации без абсорбции
E-1,4-Дихлор-2-бутен 2,35 1,3 12 303 _7 1 день 12 ч
Диазинон 0,81 3,4 27,0 204 3 дня 9 дней
Дисульфид углерода 1,94 4,5 14,1 4 2 дня 32 ч
Метакрилонитрил 0,68 2,8 9,3 7 - 1 день 2,2 дня
Метилпаратион 2,86 7,0 20,8 28 - 2 дня 4,1 день
Пентахлорэтан 3,22 2,9 18,3 3 - 1 день 9,5 ч
Одна фаза элиминации без абсорбции
Акрилонитрил 0,25 0,9 _5 3 - 1 день 1,5 ч
Аллилхлорид 1,93 5,5 3 - 1 день 7 ч
Бутилхлорид 2,39 16,0 2 - 2 дня 19 ч
Диметоат 0,78 2,6 10,3 1027 - 3 дня 4,3 дня
Хлорацетонитрил 0,95 0,8 - 4 - 1 день 2 ч
Этилметакрилат 1,94 6,1 - < 1 - 1 день -6
Две фазы элиминации с абсорбцией
Диэтиловый эфир 0,89 2,3 4,8 37 0,040 5 дней 3,9 дней
Метилакрилат 0,80 2,1 8,4 102 0,018 2 дня 2,3 дня
Метилметакрилат 1,38 3,0 8,4 < 1 0,028 1 день -
Нитробензол 1,85 9,0 16,0 17 0,108 1 день 2,9 дня
Хлорпирифос 4,96 35,0 45,0 3 0,015 3 дня 4,4 дня
Одна фаза элиминации с абсорбцией
2-Нитропропан 0,93 3.4 - 26 0,027 1 день 16 ч
Гексахлорэтан 4,14 6,0 - < 1 0,063 1 день -
Фозалон 4,38 44,0 - 2 0,010 5 дней 18 ч
Примечание. 1 - логарифм коэффициента распределения в системе октанол/вода; 2 - период полувыведения в быстрой фазе; 3 - период полувыведения в медленной фазе; 4 - период возможного обнаружения соединения в крови после введения данной дозы с использованием данной методики; 5 - медленная фаза выведения отсутствует; 6 - невозможно обнаружить факт введения данной дозы с использованием данной методики; 7 - вычисление проведено без учета фазы абсорбции.
введении значительную роль играют различные физиологические факторы: кровоток, место ввода, глубина и объем вводимого вещества. Толщина подкожно-жировой клетчатки у человека отличается в зависимости от части тела. Она
содержит значительную часть жировой ткани, а жировая ткань не является гомогенной.
В отличие от людей, у животных, покрытых мехом, связь между кожей и мускулами значительно меньше. У грызунов соединительная
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ткань содержит множество слоев, каждый из которых слабо связан между собой. Такая незначительная связь между слоями позволяет вводить подкожно значительно большие объемы жидкостей.
Другим отличием является наличие мясистого пласта под кожей, роль которого во всасывании препаратов не до конца ясна. Учитывая множество пробелов в знании о способах масштабирования абсорбции от животных к человеку, для этого зачастую применяются эмпирические способы.
Для масштабирования константы абсорбции при внутрижелудочном введении авторы [15] рекомендуют использовать следующее соотношение: &абс (человек) = кабс (кролик)/а, где а = 1,344. Для подкожного введения рекомендуют использовать либо классическое аллометрическое соотношение от массы тела, и тогда для кроликов коэффициент а примет значение 8 [16]. Мы предлагаем использовать для масштабирования коэффициента абсорбции соотношение кровотока в мышечной ткани кролика и человека, в среднем у кролика кровоток в 2,4 раза интенсивнее чем у человека.
Как и в случае коэффициента Pf, в доступной литературе не удалось обнаружить способов масштабирования константы абсорбции при подкожном введении низкомолекулярных веществ. Основное внимание исследователей уделено масштабированию абсорбции высокомолекулярных соединений при подкожном введении, например, эритропоэтина [17]. Поэтому нами была проведена оценка зависимости периода возможного обнаружения ксенобиотика в крови, на примере 2-нитро-пропана, от коэффициента масштабирования константы абсорбции. В результате показано, что аллометрический коэффициент принимает значения от 1 до 8, при этом период возможного обнаружения увеличивается с 16,5 до 18,3 ч. Так как такое изменение можно считать незначительным, в дальнейшем для расчетов мы использовали коэффициент 2,4 при подкожном введении и 1,344 - при вну-трижелудочном.
Результаты масштабирования токсикокине-тических параметров для соединения из групп ФОП и ЛПЗ суммированы в табл. 5.
В табл. 5 также приведена оценка периодов возможного обнаружения маркеров токсикантов в крови человека при использовании разработанных методик количественного определения.
Предложенный алгоритм масштабирования токсикокинетических параметров можно применять при условии равенства биодоступности химических соединений для организма животного и человека, а также линейной зависимости площади под токсикокинетической кривой (AUC) при поступлении рассматриваемой дозы.
Масштабированные токсикокинетические параметры позволяют существенно повышать информативность результатов биомониторинга, так как наличие информации о зависимости концентрации биомаркера от времени, то есть о его токсикокинетических параметрах, позволяет оценивать внутреннюю дозу веществ и, в результате, позволяет провести корректирование гигиенических нормативов с учетом соотношения внешней дозы (концентрации в контактной среде) и внутренней дозы по результатам анализа биологических сред [18]. Полученные результаты являются существенным шагом в разработке методологии обоснования биологических ПДК органических соединений.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлова Т.И., Уколов А.И., Савельева Е.И., Радилов А.С. Определение свободных и этерифицированных жирных кислот в плазме крови методом газовой хроматографии с масс-селективным детектированием. Аналитика и контроль. 2015; 19(2): 183-8.
2. Уколов А.И., Орлова Т.И., Савельева Е.И., Радилов А.С. Хромато-масс-спектрометрическое определение свободных жирных кислот в плазме крови и моче с использованием экстрактивного алкилирования. Журнал аналитической химии. 2015; 70(9): 968-75.
3. Зенкевич И.Г., Уколов А.И., Кушакова А.С., Густы-лева Л.К. Возможности идентификации изомерных алкиларенов с использованием аддитивных схем оценки газохроматографических индексов удерживания. Журнал аналитической химии. 2011; 66(12): 1282-89.
4. Зенкевич И.Г., Уколов А.И. Особенности хромато-масс-спектрометрической идентификации продук-
THE PROBLEM OF ENSURING SAFETY IN THE USE OF NARCOTIC ANALGESICS IN THE RUSSIAN FEDERATION
тов конденсации карбонильных соединений. Журнал общей химии. 2011; 81(9): 1479-89.
5. Bachmann K., Pardoe D., White D. Scaling Basic Toxi-cokinetic Parameters from Rat to Man. Environ. Health Perspect. 1996; 104 (4): 400-7.
6. Mortensen B., Nilsen O.G. Allometric Species Comparison of Toluene and n-Hexane Metabolism: Prediction of Hepatic Clearance in Man from Experiments with Rodent Liver S9 in a Head Space Vial. Equilibration System Pharmacology & Toxicology. 1998; 82: 183-8.
7. Руководство по проведению доклинический исследований лекарственных средств. Часть первая. Под ред. А.Н. Миронова. М.: Гриф и К;2012.
8. C.R. Kirman, L.M. Sweeney M.E. Meek and M.L. Gargas Assessing the dose-dependency of allometric scaling performance using physiologically based pharmacoki-netic modeling. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2003; 38: 345-67.
9. ГН 1.1.701-98 Гигиенические критерии для обоснования необходимости разработки ПДК и ОБУВ (ОДУ) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, атмосферном воздухе населенных мест, воде водных объектов. Сост.: проф. Б.А. Курляндский [и др.]. М.: 1998.
10. Методические указания по установлению ориентировочных безопасных уровней воздействия в воздухе рабочей зоны. Сост.: И.В. Саноцкий и др. М.: 1985.
11. Zou P. Applications of Human Pharmacokinetic Prediction in First-in-Human Dose Estimation. The AAPS Journal. 2012; 14(2): 262-81.
12. Sarver J.G., White D., Erhardt P., Bachmann K. Estimating Xenobiotic Half-Lives in Humans from Rat Data: Influence of log P. Env. Health Persp. 1997; 105(11): 1204-9.
13. Tang H., Mayersohn M. Controversies in Allometric Scaling for Predicting Human Drug Clearance: An Historical Problem and Reflections on What Works and What Does Not. Curr. Topics in Med. Chem. 2011; 11: 340-50.
14. Richter W.F., Bhansali S.G., Morris M.E. Mechanistic Determinants of Biotherapeutics Absorption Following SC Administration. The AAPS Journal. 2012; 14(3): 559-70.
15. Hao K., Qi Q., Wan P., Zhang J., Hao H., Liang Y., Xie L., Wang G., Sun J. Prediction of Human Pharmacokinetics from Preclinical Information of Rhein, an Antidiabetic Nephropathy Drug, Using a Physiologically Based Pharmacokinetic Model. Basic & Clin. Pharm. & Tox. 2014; 114: 160-7.
16. Kagan L., Zhao J., Mager D.E. Interspecies Pharmacokinetic Modeling of Subcutaneous Absorption of Ritux-imab in Mice and Rat. Pharm Res. 2014; 12: 3265-73.
17. Woo S., Jusko W.J. Interspecies Comparisons of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Recombinant Human Erythropoietin. Drug metabolism and disposition. 2007; 35 (9): 1672-8.
18. Уколов А.И., Кессених Е.Д., Радилов А.С., Гончаров Н.В. Токсикометаболомика: поиск маркеров хрони-
ческого воздействия низких концентраций алифатических углеводородов. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2017; 53(1): 23-32.
REFERENCES
1. Orlova T.I., Ukolov A.I., Savelieva E.I., Radilov A.S. GC-MS quantification of free and es-terified fatty acids in blood plasma. Analitika i kontrol. 2015; 19(2): 183-8. (in Russian).
2. Ukolov A.I., Orlova T.I., Savelieva E.I., Radilov A.S. Chromatographic-Mass Spectrometric Determination of Free Fatty Acids in Blood Plasma and Urine Using Extractive Alkylation. Zurnal analiticheskoy khimii. 2015; 70(9): 1123-30. (in Russian)
3. Zenkevich I.G., Ukolov A.I., Kushakova A.S., Gustyleva L.K. Identification of isomeric alkylarenes with the use of additive relations for the evaluation of gas-chromato-graphic retention indices. Zhunal analiticheskoy khimii. 2011; 66(12): 1165-72. (in Russian)
4. Zenkevich I.G., Ukolov A.I. Features of the Chroma-tography-Mass Spectrometric Identification of Condensation Products of the Car-bonyl Compounds. Ros-siyskiy zhurnal obschey khimii. 2011; 81(9): 1818-28. (in Russian)
5. Bachmann K., Pardoe D., White D. Scaling Basic Toxi-cokinetic Parameters from Rat to Man. Environ. Health Perspect. 1996; 104 (4): 400-7.
6. Mortensen B., Nilsen O.G. Allometric Species Comparison of Toluene and n-Hexane Metabolism: Prediction of Hepatic Clearance in Man from Experiments with Rodent Liver S9 in a Head Space Vial. Equilibration System Pharmacology & Toxicology. 1998; 82: 183-8.
7. Guidelines for conducting preclinical studies of drugs [Rukovodstvo po provedeniyu doklinicheskikh issledo-vaniy lekarstvennykh sredstv]. Part one. Ed.: Mirovov A.M.. 2012, Moscow, Grif i K. (in Russian)
8. C.R. Kirman, L.M. Sweeney M.E. Meek and M.L. Gargas Assessing the dose-dependency of allometric scaling performance using physiologically based pharmacoki-netic modeling. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2003; 38: 345-67.
9. GN 1.1.701-98 Hygienic criteria for justifying the need for the development of MPC of harmful substances in the air of the working area, ambient air ofpopulated areas, water of water bodies [Gigienicheskie kriterii dlya obosnovaniya neobkhodimosti razrabotki PDKI OBUV (ODU) vrednykh veschestv v vozdukhe rabochey zony, atmosfernom vozdukhe naselennykh mest, vodw vodnykh ob'ektov]. Ed.: prof. B.A. Kurlandskiy et al. Moscow: 1998. (in Russian)
10. Guidelines for the establishment of approximate safe exposure levels in the air of the working area [ Metod-icheskie ukazaniya po ustanovleniyu orientirovochnykh bezopasnykh urovney vozdeystviya v vozdukhe rabochey zony]. Ed.: I.V. Sanotsky et al. Moscow: 1985. (in Russian)
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
11. Zou P. Applications of Human Pharmacokinetic Prediction in First-in-Human Dose Estimation. The AAPS Journal. 2012; 14(2): 262-81.
12. Sarver J.G., White D., Erhardt P., Bachmann K. Estimating Xenobiotic Half-Lives in Humans from Rat Data: Influence of log P. Env. Health Persp. 1997; 105(11): 1204-9.
13. Tang H., Mayersohn M. Controversies in Allometric Scaling for Predicting Human Drug Clearance: An Historical Problem and Reflections on What Works and What Does Not. Curr. Topics in Med. Chem. 2011; 11: 340-50.
14. Richter W.F., Bhansali S.G., Morris M.E. Mechanistic Determinants of Biotherapeutics Absorption Following SC Administration. The AAPS Journal. 2012; 14(3): 559-70.
15. Hao K., Qi Q., Wan P., Zhang J., Hao H., Liang Y., Xie L., Wang G., Sun J. Prediction of Human Pharmacoki-
netics from Preclinical Information of Rhein, an Antidiabetic Nephropathy Drug, Using a Physiologically Based Pharmacokinetic Model. Basic & Clin. Pharm. & Tox. 2014; 114: 160-7.
16. Kagan L., Zhao J., Mager D.E. Interspecies Pharmacokinetic Modeling of Subcutaneous Absorption of Ritux-imab in Mice and Rat. Pharm Res. 2014; 12: 3265-73.
17. Woo S., Jusko W.J. Interspecies Comparisons of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Recombinant Human Erythropoietin. Drug metabolism and disposition. 2007; 35 (9): 1672-8.
18. Ukolov, A.I., Kessenikh, E.D., Radilov, A.S., Goncharov N.V Toxicometabolomics: Identification of markers of chronic exposure to low doses of aliphatic hydrocarbons. Zhurnal evolyutsionnoy biokhimii I fiziologii. 2017; 53(1): 25-36. (in Russian)
Поступила 05.02.2019 Принята в печать 21.02.2019
