CC BY
3
Summary. The paper defines the parameters reflecting the physical activity of adolescents and their correlation with health and a risk of behavioral disorders, bad habits, and cravings. A total of 9499 Georgian adolescents aged 14-18 years, the senior (9th-1 lth-form) pupils, selected through two-step cluster sampling were surveyed. The pu-
pils anonymously filled in special questionnaires. This yielded the parameters reflecting the intensity of physical activity of the adolescents and the latter's going in for sports. The parameters were shown to have a beneficial effect on health, including mental health, and on the magnitude of unhealthy behavior.
Профилактическая токсикология и гигиеническое нормирование
С Ю. Н. КАТУЛЬСКИЙ, 2006 УДК 613.31:615.916 - 074 - 092.9
Ю. Н. Катульский
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВРЕДНЫХ АГЕНТОВ
Ангарская государственная техническая академия
Основной задачей токсиколого-гигиенического изучения вредных агентов является определение эффективности их воздействий (доз, концентраций). Для этого используют ряд критериев [3—5], которые обычно разделяют на метаболические, токсико-кинетические и др. [5]. С их помощью устанавливают, вызывают ли эти воздействия ответную реакцию организма и насколько она велика, а также является ли наблюдаемый эффект вредным. При этом реакцию оценивают как по степени отклонения значений показателей состояния организма подопытных животных от таковых у контрольных, не подвергавшихся воздействию особей или от фоновых значений, наблюдавшихся у этих же подопытных животных до воздействия, так и по количеству измененных показателей (чем их больше и чем более выраженными являются отклонения, тем значительнее реакция организма и, следовательно, эффект воздействия). Что касается оценки вредности воздействия для здоровья, то здесь учитывают не только количественную, но и качественную сторону реакции, а именно то, насколько сильно изменяется функционирование органов и систем организма.
Основные проблемы, возникающие при решении этих задач, связаны с рядом причин, из которых можно выделить следующие. Так, вследствие колебаний гомео-статической природы показатели состояния организма представляют собой случайные величины. Также случайным (по реакции организма) является эффект воздействия на животных из-за различий в их индивидуальной чувствительности. Кроме того, реакцию организма, а следовательно, и эффективность воздействия необходимо оценивать по изменениям множества показателей, поскольку состояние организма более или менее адекватно отражается лишь их совокупностью. Отсюда возникает 2 проблемы: выявление изменений в состоянии организма, связанных с воздействием, вызывающим неодинаковый эффект у разных животных, по показателям, представляющим собой случайные величины (проблема стохастичности), и оценка выраженности реакции организма по изменениям, наблюдаемым в совокупности показателей (проблема многомерности отклика). Помимо этого, существует проблема выявления вредного эффекта, связанная с отсутствием формализованных критериев вредности, одинаковых для любых токсикантов с разным механизмом действия.
Первую проблему решают с помощью вероятностно-статистических методов. При этом используют 2 подхода. Первый (групповой) заключается в сопоставлении средних значений показателей у подопытных и интакт-ных животных, а второй (персонифицированный) — в определении того, находятся ли показатели у каждого из подопытных животных в пределах "нормы" — диапазона
естественной вариабельности, наблюдаемой у особей, не подвергавшихся воздействию. И в том и в другом случае с помощью статистических методов при заданном уровне значимости проверяют гипотезу о соответствии наблюдаемых значений показателей состояния организма подопытных животных таковым у интактных особей. Обнаруженные таким способом различия относят за счет воздействия.
На практике для оценки эффективности воздействия в подавляющем большинстве случаев используют групповой подход, предполагая, что таким образом можно выявить общие тенденции в реакции организма. Однако при этом существует реальная опасность получения лож-ноотрицательного ответа в случае, если в результате воздействия у животных наблюдается разнонаправленное изменение показателя, хотя и приводящее к выходу его значений за границы "нормы", и ложноположительного — при однонаправленном изменении значений показателя, которые вместе с тем не выходят у каждой особи за эти границы. В этом смысле персонифицированный подход более корректный, поскольку исключает возможность подобных ошибок.
Что касается проблемы многомерности отклика, то оценку реакции организма по всему набору исследуемых показателей чаще всего осуществляют экспертным путем, исходя из представлений о механизмах действия изучаемых ксенобиотиков и функционирования органов и систем организма. Этот же подход используют и при выявлении вредного эффекта. Очевидно, что результат такой экспертизы существенно зависит как от имеющейся информации о данных механизмах, так и от квалифицированных экспертов, что приводит к определенному субъективизму и может негативно сказываться на корректности получаемого заключения, а следовательно, и на качестве устанавливаемого гигиенического норматива.
По нашему мнению, одним из возможных способов преодоления указанных недостатков и приемлемого решения перечисленных проблем может быть следующий.
Так, для решения проблемы многомерности отклика можно ввести в рассмотрение некий интегральный показатель состояния организма животного, определяемый по всему набору изучаемых показателей с учетом принятых в данной предметной области подходов к оценке реакции на воздействие, который позволял бы дать количественную оценку этому состоянию. При этом данный параметр должен легко интерпретироваться и быть сопоставимым для различных по объему и составу наборов изучаемых показателей.
В качестве такого параметра можно использовать предложенный нами ранее [2] показатель Б,. Он определяется по всем изучаемым показателям состояния орга-
низма и учитывает все основные подходы и критерии [3—4], с помощью которых в настоящее время выявляют токсический эффект и дают сравнительную оценку его величины. Этот критерий безразмерен, сопоставим при любых наборах исходных показателей, всегда не менее О, а его значение тем выше, чем более значительным является вызванное воздействием отклонение (вне зависимости от его направленности) исходных показателей от средних величин, зарегистрированных в контроле, и меньшей их вариабельность, наблюдаемая у интактных особей, а также чем сильнее изменяются показатели, имеющие более высокую значимость для оценки состояния организма при воздействии данного токсиканта. При этом "идеальное" значение Б;, соответствующее состоянию организма, при котором исходные показатели равны их средним значениям в контроле, т. е. у абсолютно здоровой особи, равно 0.
Очевидно, что распределение параметра Si в изучаемой группе животных содержит исчерпывающую информацию об их состоянии (конечно, в том смысле, как оно характеризуется этим показателем). При этом распределение, зарегистрированное в контрольной группе, будет по определению являться "нормой", характеризующей популяцию здоровых животных. Поэтому, сопоставляя известными статистическими методами распределение данного показателя в группах подопытных и контрольных особей, можно с заданным уровнем значимости судить о наличии либо отсутствии реакции на воздействие. При этом отсутствие различий в распределении будет свидетельствовать о неэффективности воздействия, а наличие — о его эффективности. Ясно, что этот способ выявления реакции животных является более чувствительным, чем групповой и персонифицированный подход, поскольку обнаруживает не только изменение средне-группового состояния животных и выход его у отдельных особей за пределы "нормы", но и в случае отсутствия таковых выявляет другие связанные с воздействием изменения, которые отражаются на распределении (например, не наблюдаемая в контроле группировка величин показателя состояния организма вокруг каких-то определенных значений; более значительный их разброс и т. п.).
В то же время помимо выявления самого факта реакции на воздействие для оценки его эффективности необходимо иметь информацию о выраженности (величине) реакции. В этом случае целесообразно ориентироваться на среднюю реакцию животных на воздействие (среднее отклонение состояния организма от "идеала"). Для ее количественной оценки можно использовать средневзвешенное (по количеству изученных у каждой особи показателей) значение параметра (показатель 5) [2]. Его величина £ > 0, а "идеальное" значение, соответствующее таковому в контрольной группе, всегда равно 1 (что делает его сопоставимым для любых по объему и составу наборов исходных показателей), и чем больше 5 отличается от 1, тем сильнее эффект. Поэтому для проверки гипотезы о том, что в среднем состояние организма подопытных животных отличается от такового в контроле, достаточно известными статистическими методами проверить при заданном уровне значимости гипотезу об отличии величины 5 от 1.
Что касается установления вредности воздействия, то здесь ориентироваться на среднюю величину реакции некорректно, поскольку в группе подопытных животных, состояние организма которых в среднем значимо не отличается от такового в контроле, могут оказаться особи, у которых значение S/ выходит за верхнюю допустимую (толерантную) границу (5„) для зарегистрированного в контрольной группе распределения, т. е. за пределы "нормы" (в нашем случае имеет смысл только верхняя допустимая граница распределения 5„ поскольку нижняя допустимая граница соответствует состоянию организма, более близкому к "идеальному", чем для всех значений данного интервала). Очевидно, что состояние ор-
ганизма этих животных не соответствует таковому у здоровых особей и, следовательно, воздействие оказалось для них вредным (доля таких особей в группе подопытных животных будет являться оценкой вероятности наступления вредного эффекта (ра) [2]). При этом для определения верхней допустимой границы S0 (границы "нормы") можно использовать известные статистические методы проверки гипотезы о принадлежности варианты к данной совокупности (в нашем случае к совокупности значений Slt наблюдаемых в контрольной группе).
В дальнейшем в зависимости от полученных результатов представляется возможным сделать следующие заключения относительно эффективности воздействия.
Так, исходя из основополагающего принципа недопущения вредного эффекта, воздействие, при котором он регистрируется хотя бы у 1 особи в группе (т. е. при S, > Sa, что приводит к ра> 0), следует признавать вредным даже в том случае, если распределение показателя состояния организма Sи его среднее значение S у подопытных животных значимо не отличаются от таковых у контрольных особей. При этом воздействие, вызывающее появление особей, у которых регистрируется вредный эффект, несомненно, более эффективно, чем то, при котором такие животные отсутствуют, даже если в последнем случае наблюдается значимое отличие распределения показателя S, и (или) его средневзвешенного значения S от наблюдаемого в контроле. В свою очередь из воздействий, вызывающих вредный эффект, очевидно, более эффективно то, при котором одновременно наблюдается и значимое отличие величины показателя Sot I, свидетельствующее о более существенном отклонении состояния организма подопытных животных от "идеала". И наконец, при отсутствии особей, у которых обнаруживается вредный эффект (ра = 0), воздействие, вызывающее значимое отличие значения S в опыте от 1, более эффективно, чем то, которое приводит лишь к изменению распределения значений Sr Последняя ситуация наблюдается тогда, когда воздействие не вызывает выраженное ухудшение состояния здоровья у большинства животных.
Очевидно, что токсикологическая характеристика воздействия определяется его эффективностью. Оценивая эффективность того или иного воздействия, следует иметь в виду, что состояние организма животных в ток-сиколого-гигиеническом эксперименте определяют многократно на протяжении всего опыта. При этом стадийность интоксикации, проявляющаяся в зависимости эффекта от времени воздействия, может приводить к тому, что эффективность, определенная в разные моменты, окажется различной. Очевидно, что в этом случае, исходя из принципа недопущения вредного эффекта, эффективность воздействия следует признавать соответствующей максимальной из зарегистрированных в эксперименте. Окончательное заключение об эффективности должно основываться на всей доступной информации об изучаемом процессе.
В качестве примера рассмотрим результаты оценки эффективности 30-суточного совместного воздействия на нелинейных белых крыс-самцов (по 10 особей в каждой группе) двух разных комбинаций концентраций цинка, меди, железа и хрома, содержащихся в питьевой воде (см. таблицу). Интегральные показатели состояния организма S, и S определяли по биохимическим (алани-наминотрансфераза, малоновый диальдегид, церуло-плазмин, пероксидаза в сыворотке крови, метгемогло-бин) и гистохимическим (моноаминооксидаза, сукци-натдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа, щелочная фос-фатаза, кислая фосфатаза, гликоген, нейтральные липи-ды в ткани печени) исходным показателям, полученным у каждого животного. Для оценки значимости различий между распределениями показателя S, в опыте и контроле использовали критерий D Колмогорова-Смирнова ( 1 ], для сопоставления значения S с 1 — критерий t Стью-дента, а для установления верхней границы "нормы" Sa — критерий определения принадлежности варианты к
Оценка эффективности 30-суточного совместного воздействия на белых крыс-самцов цинка, меди, железа и хрома, содержащихся в питьевой воде
Концентрация вешеств, мг/л Средне-групповой показатель состояния организма животных, S Статистические критерии Критерии эффективности** Токсико-лого-ги-гиениче-ская характеристика воздействия
Си Fe Cr Zn Показатель состояния организма животных, s, Колмогорова— Смирнова (критическое значение* О = 0,401) Стьюдента (критическое значение* 1 = 2,262) граница "нормы"*, S. отличие распределения St от контроля отличие значения S от 1 (S* 1) выход значений S\ за границу "нормы" (S, > SJ Эффективность воздействия
0,40; 0,45; 1,05 Мало- Порого-
0,05 0,4 0.05 0,05 1,48; 1,65; 1,68 1,40 ± 0,18 0,600 2,231 + эффек- вое
тивное
1,77; 1,78; 1,82 1,89
0,55; 0,82; 0,84
0,05 1,0 0,1 0,1 1,01; 1,25; 1,48 1,91 ± 0,41 0,500 2,226 + - + Вредное Дейст-
2,54; 2,70; 3,90 вующее
4,05 0,61; 0,76; 0,82
Контроль 0,92; 0,97; 1,05 1,00 - - 3,68 .....
1,06; 1,09; 1,20 1,58
Примечание. Звездочка — определено для уровня значимости а = 0,05 и п = 10; + — соответствие критерию, - — несоответствие критерию.
данной совокупности Диксона (1, 2]. Уровень значимости приняли а = 0,05.
Из таблицы видно, что оба воздействия приводили к изменению распределения значений (в обоих случаях величина критерия Колмогорова-Смирнова превышает критическую), хотя достоверное изменение среднегруп-пового показателя состояния организма 5 не наблюдалось (значения критерия / Стьюдента оказались меньше критических). Одновременно с этим 2-е воздействие привело к появлению вредного эффекта у 2 из 10 животных (их показатели состояния организма 5„ равные соответственно 3,90 и 4,05, превысили границу нормы = 3,68, определенную в контрольной группе), что дает оценку вероятности его наступления, равную ра = 0,2. Следовательно, 1-е воздействие является малоэффективным и должно быть признано пороговым, а 2-е — вредным и действующим. При этом следует отметить, что ни 1-я, ни 2-я комбинация концентраций в этот срок не вызвали статистически значимое изменение средних значений ни у одного из исходных показателей, хотя на 15-е сутки после начала воздействия 2-й комбинации зарегистрировано достоверное уменьшение содержания алани-наминотрансферазы в сыворотке крови и увеличение — кислой фосфатазы в ткани печени. Более подробный анализ показал, что оба воздействия вызвали у ряда животных значительное отклонение некоторых исходных показателей (в частности, церулоплазмина, метгемогло-бина, лактатдегидрогеназы) от из средних значений в контроле. Однако количество таких особей и величина отклонений показателей оказались недостаточными, чтобы привести к достоверному (при заданном уровне значимости) отличию их средних значений от контроля. При этом следует отметить, что в тех случаях, когда достоверные изменения исходных показателей регистрировались при других комбинациях концентраций или в других экспериментах, соответствующие воздействия, эффективность которых оценивалась рассмотренным способом, неизменно квалифицировались как вредные. Очевидно, это свидетельствует об адекватности и чувствительности метода.
Таким образом, предлагаемый подход позволяет на основании накопленного к настоящему времени опыта токсиколого-гигиенического изучения ксенобиотиков достаточно корректно решать проблемы стохастичности, многомерности отклика и оценки вредности воздействия. Он позволяет ввести более подробную классификацию эффективности воздействия с соответствующими достаточно строгими критериями. Этот способ в значительной степени формализует и унифицирует данную процедуру и тем самым уменьшает влияние на нее субъективных факторов, что дает возможность более корректно решать задачу установления гигиенических регламентов.
Литература
1. Закс Л. Статистическое оценивание: Пер. с нем. — М., 1976.
2. Катульский Ю. Н. // Гиг. и сан. - 2001. - № 6. -С. 66-68.
3. Методы определения токсичности и опасности химических веществ (токсикометрия). — М., 1970.
4. Принципы и методы токсикологической оценки химических веществ. — Женева, 1981. — Ч. 1.
5. Токсикометрия химических веществ, загрязняющих окружающую среду. — М., 1986.
Summary. A method is proposed to determine the efficacy of harmful agents, which is based on the assessment of a response of experimental animals by the mathematical-statistical methods formalizing the approaches accepted in hygienic toxicology. It makes it possible to introduce a more detailed classification of their efficacy in accordance with the respective rather strict criteria. This method unifies this procedure to a great extent, thus lowering the influence of subjective factors, which lets us correctly solve the task of establishing the hygienic regulations. The results of evaluation of the efficacy of two combinations of the concentrations of copper, iron, chromium, and zinc contained in the drinking water are given as an example.
