CC BY
16УДК 57 (092 Лазарев)
Г.И.Сидорин, А.Д.Фролова, Л.В.Луковникова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОГО БИОМОНИТОРИНГА В ТРУДАХ Н.В.ЛАЗАРЕВА И ЕГО ШКОЛЫ (к 110-летию со дня рождения)
ФГУН «Северо-западный научный центр гигиены и общественного здоровья» Роспотребнадзора,
С. -Петербург
Излагаются основополагающие направления теоретических исследований выдающегося ученого профессора Н.В.Лазарева, послужившие основой для развития современного биомониторинга химических веществ.
Ключевые слова: Н.В.Лазарев, биомониторинг, токсикология, биомаркеры.
Более 70-ти лет назад заслуженным деятелем науки РСФСР, профессором Н.В.Лазаревым были сформулированы многие фундаментальные теоретические положения, объясняющие закономерности процессов поступления, накопления и превращения ядов в организме, которые в дальнейшем получили развитие в работах его учеников и последователей, посвятивших себя исследованию «судьбы ядов», фармако-, токсикокинетики, поиску биомаркеров экспо-зи ции и так на зы ваемых мар ке ров ре а ги рую -щих систем в современной интерпретации.
Еще в 30-е годы прошлого столетия, создавая учение о наркотиках и наркозе, Н.В.Лазарев обратил внимание на то, что все газы и пары обнаруживают свое действие в организме только после абсорбции. Им было впервые показано, что наркотическое действие определяется не абсолютным количеством вещества во вдыхаемом воздухе, прошедшим через легкие, а его концентрацией в крови. Развитие этой идеи до современного представления о поступлении, распределении и выведении из организма газов и паров химических веществ можно найти в трудах Н.В.Лазарева и работах его учеников: Г.В.Гершуни, А.И.Брусиловская [10]; А.И.Бру-силовская, Н.В.Лазарев [5]; Н.В.Лазарев [14, 15, 18]; А.И.Брусиловская [1, 2, 3]. За рубежом эта проблема нашла отражение в публикациях Ф.Флюри, Ф.Церник [25], C. Lapp [31], E. M. Papper et al. [32] и др.
Благодаря экспериментальным исследованиям Н.В.Лазарева в настоящее время общепринятым стало утверждение о переходе чуже-род ных для ор га низ ма па ро об раз ных и га зо об -разных веществ из альвеолярного воздуха в кровь пре и му ще ствен но по за ко нам про стой диффузии [15, 16]. Именно в работах Н.В.Лазарева и его учеников было показано, что между величиной коэффициента распределения кровь/воздух in vivo и коэффициентом раство-
римости этих же веществ в крови in vitro наблюдается почти полное количественное совпадение, которое не зависит от внешних концентраций и времени экспозиции. В дальнейшем справедливость гипотезы Н.В.Лазарева была подтверждена для всех летучих веществ с различными физико-химическими свойствами (этиловый эфир, бензол, толуол, бензин и др.) и показана возможность ориентировочного суж-де ния о сорб цион ной ем ко сти кро ви для ве -ществ с неизвестным коэффициентом кровь/ воздух по величине (к), т.е. по величине коэффициента растворимости в воде [10]. Одновре-мен но бы ло об ра ще но вни ма ние на то, что для веществ, хорошо растворимых в жирах, на величину коэффициента распределения кровь/ воздух, влияют присутствие гемоглобина, белков плазмы и белковых структур форменных элементов крови, которые увеличивают по сравнению с водой способность крови абсорбировать пары жирорастворимых веществ [1, 2, 4, 16]. Наряду с этим, как подчеркивал в своих работах Н.В.Лазарев, на процессы сорбции оказывают также влияние физиологические параметры организма, такие как — величина легочной вентиляции и скорость кровообращения, а также физическая нагрузка и наличие вредных привы чек.
Под пристальным вниманием Н.В.Лазарева постоянно находились исследования по изучению в организме процессов поступления, распределения, превращения и выведения промышленных ядов во времени, т.е. проблемы токсикокинетики. В монографии «Основы промышленной токсикологии» [15] Н.В.Лазарев впервые в обобщенном виде представил закономерности поступления промышленных ядов в организм, согласно которым уровень химических ве ществ в кро ви при по стоян ной кон цен -трации их во вдыхаемом воздухе нарастает по экспоненциальному закону. Давление (концен-
трация) вещества, растворенного в крови, также экспоненциально увеличивается, приближаясь к парциальному давлению (концентрации) вещества во вдыхаемом воздухе. Одновременно разность между ними экспоненциально уменьшается вплоть до нуля, характеризуя момент наступления насыщения организма ядом — фазы динамического равновесия. При этом, скорость наступления насыщения организма тем больше, чем ниже коэффициент распределения кровь/воздух. Иначе говоря, чем более выражена способность вещества переходить из окружающей среды в биологические среды организма, тем дан ный про цесс на сы ще ния ве ще ством бо -лее продолжителен и наоборот. Экспериментальные исследования Н.В.Лазарева показали, что задержка вещества в организме, определяемая разностью концентраций во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, также подчиняется экспоненциальному закону и является зеркальным отражением накопления вещества в крови [15]. Установленная Н.В.Лазаревым экспоненциальная зависимость процессов сорбции и накопления в крови в большей степени отражает поступление веществ, скоростью метаболизма которых можно пренебречь. Последующие исследования И.Д.Гадаскиной и В.А.Филова дополнили и расширили представление об этих процессах. Ими было показано, что для веществ, быстро подвергающихся превращениям в организме, насыщение ядом наступает значительно быстрее, а вид кривой его накопления приближается к прямой [6, 7, 24].
Не менее интересны работы Н.В.Лазарева, в которых получило обоснование представление о распределении веществ в организме после сорбции. Было показано, что на первом этапе это го про цес са име ет ме сто ди на ми че ское ра -спределение, обусловленное, прежде всего, интенсивностью кровоснабжения тканей и органов, на втором — статическое распределение, связанное с метаболическими особенностями тканей, определяющими в значительной степени их сорбционную емкость.
В по ис ках об щих зако но мер но стей по ни ма -ния проявлений повреждающего действия химических веществ Н.В.Лазарев ведущую роль отводил показателям липофильности, определяемым коэффициентами распределения (масло/вода, октанол/вода), значимость которых в настоящее время была отмечена в материалах Стокгольмской конвенции по СОЗ, а их граничные величины приняты как обязательные параметры (log Kow), характеризующие токсические свойства и реальную опасность химических загрязнителей [12, 13].
Одним из первых исследователей Н.В.Лазарев обратил внимание на то, что метаболизм чужеродных соединений в организме имеет общую направленность. Сопоставив физико-химические свойства исходных веществ и их метаболитов, Н.В.Лазарев установил, что превращение чужеродных веществ в организме направлено на увеличение растворимости (полярности) в воде. Именно в работе Н.В.Лазарева и Т.В.Старицыной впервые было показано, что «превращение ядов в организме в огромном большинстве приводит к увеличению полярности веществ, чаще всего, способствуя ослаблению био ло ги че ско го дей ствия ме та бо ли тов по отношению к исходной молекуле» [17]. Позднее эти исследования были подтверждены и дополнены. Было показано, что элиминация химических веществ действительно связана с изменениями физико-химических характеристик метаболитов. Липидорастворимые вещества, проходя этап ферментативного превращения исходного продукта с участием микросомальных ферментов в водорастворимые полярные метаболиты, выводятся из организма через почки [9, 20, 23, 26, 33]. Таким образом, установленная Н.В.Лазаревым теоретическая зависимость направленности метаболических процессов явилась основой современного представления о механизмах детоксикации ядов в организме и позволила объяснить уменьшение способности вещества поступать в клетку, благодаря приобретенной полярности, обеспечивающей возможность быстрого освобождения организма от яда. Эта же закономерность позволила в дальнейшем определять приоритетность биосубстратов и биомаркеров экспозиции при проведении биологического мониторинга.
Выполненные в разные годы исследования стали основой сформулированных Н.В.Лазаревым закономерностей поступления газов и паров в организм из внешней среды через дыхательные пути, согласно которым, скорость поступления химического вещества и его концентрация в крови определяется:
- растворимостью вещества в крови, показателем которой является коэффициент распределения между кровью и воздухом, равный отношению между концентрациями в крови и воздухе;
- разностью концентраций вещества во вдыхаемом воздухе и крови;
- скоростью кровообращения;
- величиной легочной вентиляции.
Изучая кинетические зависимости поведения яда в организме, Н.В.Лазарев предложил количественные критерии оценки токсичности
и опасности химических веществ. Фактически характеристики кинетических кривых, полученные в экспериментах на животных, легли в основу прогнозирования токсических концентраций (поглощенных доз) для экспонированных химическими веществами людей. Все это позволило токсикологам вплотную подойти к решению многих практических задач, среди которых можно выделить проблему биомониторинга, предназначенного для целей диагностики профессиональных интоксикаций и оценки гигиенической ситуации на производстве. На основе сведений о токсикокинетике загрязнителей были сформулированы основные критерии биомониторинга — биологические индексы экспозиции (БИЭ) и сделаны первые попытки выявления корреляций между уровнями воздействия промышленных веществ и их содержанием в биологических средах организма.
Во многом благодаря работам, выполненным Н.В.Лазаревым и его учениками по изучению закономерностей токсикокинетики ядов в организме, стали возможными современные методические подходы идентификации и количественного определения ксенобиотиков и их метаболитов в организме. В практику санитарного контроля, основанного на химическом мониторинге величин ПДК, ОБУВ, было введено новое понятие — максимально допустимая биологическая доза, которая на Пражском Международном Симпозиуме 1959 г. получила название «Предельно допустимая биологическая концентрация» (БПДК). Одновременно находит распространение термин — экспозиционная проба, также предназначенный для суждения о критической границе (пределе), характеризующей безвредное содержание яда или его метаболитов в биосредах, превышение которого является индикатором неблагополучия производственной среды и может сопровождаться появлением признаков интоксикаций. Таким образом, зависимость «доза-эффект» получила дополнительные количественные критерии — биологические индексы экспозиции для интерпретации клинических проявлениях воздействия у че ло века и оцен ки ги ги ени че ской си -туации на производстве.
В настоящее время для оценки риска воздействия химического фактора на производстве предлагается применение как химического, так и биологического мониторинга [3, 26, 27]. Биологический мониторинг обеспечивает гигиенистов и профпатологов дополнительным инструментом для оценки количества, поступившего в организм химического вещества, включая все пути (через легкие, кожу, в том числе и непрофессиональный контакт), и тем самым позво-
ляет более полно представить суммарное воздействие токсиканта для прогнозирования риска профессионального воздействия [8, 9, 19, 28, 29, 30, 34].
В по след нее вре мя для оцен ки рис ка хи ми -ческого воздействия стали использовать термины — биологические маркеры (Вюшагкеге), среди которых различают биомаркеры экспозиции (воздействия) и биомаркеры ответа (эффекта и повреждения). Если биомаркеры эффекта отражают изменения биохимических, физиологических, иммунологических а также показателей других систем и характеризуют неспецифический ответ организма на вредное действие химического фактора, то биологические маркеры экспозиции по своему смыслу приближаются к понятию биологический индекс экспозиции (БИЭ), поскольку основаны на определении самого вещества или его метаболитов в биосредах [21, 22].
Уже в 60-х годах прошлого столетия учениками Н.В.Лазарева были предприняты первые попытки обоснования биологических тестов (индексов) экспозиции в нашей стране [8, 9]. Со вре мен ные пу бли ка ции по ис поль зо ва нию кинетических и метаболических критериев в токсикологической оценке химических веществ появились значительно позднее [22, 23, 26 и др.]. В отечественной практике данные биомониторинга впервые приобрели официальный статус при пересмотре ПДКрз свинца [11], когда на уровне ПДКр з стало обязательным определение свинца в крови с указанием величин, превышение которых недопустимо. Новый комплексный подход гигиенической оценки условий труда нашел отражение в рекомендациях ВОЗ [29] и в Санитарных Правилах при работе со свинцом (СП 2.2.5.780-99).
Отдавая должное уважение огромной научной интуиции Н.В.Лазарева, его творческому наследию, следует признать необходимость дальнейшего развития его научных идей и восстановления в России утраченных позиций в решении современных проблем токсикологии.
Список литературы
1. Брусиловская А.И. Исследования сорбции летучих наркотиков кровью. Сообщение 2. Сорбция паров толуола кровью // Фармакология и токсикология, 1939. - № 3. - С. 15.
2. Брусиловская А.И. Исследования о сорбции летучих наркотиков кровью. Сообщение 3. Сорбция паров гексана и гептана кровью // Там же, 1940. - № 1-2. - С. 23.
3. Брусиловская А.И. Исследования о сорбции летучих наркотиках кровью. Сообщение 4. Сорбция паров этилового эфира кровью.// Там же, 1942. - № 1-2. - С. 28.
4. Брусиловская А.И., Иконникова С.А., Крепс-Аунапу И. Ф. и др. Сорбция газов и паров кровью // Сборник шестого Всесоюзного съезда физиологов (Токсикология, фармакология). - Тбилиси, 1937.
- С. 585.
5. Брусиловская А.И., Лазарев Н.В. Исследование о сравнительной силе действия различных наркотиков. Сообщения 1,2. Противоречивость современных представлений о зависимости силы действия наркотиков // Физиологический журнал СССР, 1935. - Т.19. - С. 1092.
6. Гадаскина И.Д. Абсорбция раздражающих газов и паров в дыхательных путях //Физиологический журнал СССР, 1937. - Т. 23. - № 4. - С. 782.
7. Гадаскина И.Д. Задержка паров некоторых наркотиков в верхних дыхательных путях// Фармакология и токсикология, 1949. - № 4. - С. 26.
8. Гадаскина И.Д., Гадаскина Н.Д., Филов В.А. Определение промышленных неорганических ядов в организме. - Л.: Медицина, 1975. - 287с.
9. Гадаскина И.Д., Филов В.А. Превращения и определение промышленных органических ядов в организме. - Л.: Медицина, 1971. - 303 с.
10. Гершуни Г.В., Брусиловская А.И. // О распределении паров некоторых летучих органических веществ между альвеолярным воздухом и артериальной кровью // Физиологический журнал СССР,1933. - Т.16. - № 5. - С. 843.
11. Измеров Н. Ф., Корбакова А.И., Молодкина Н.Н. и др. Новые подходы к регламентации свинца в воздухе рабочей зоны (по вопросам дискуссии на страницах журнала «Токсикологический вестник» // Гигиена и санитария, 2000. - № 5. - С. 37-40.
12. Курляндский Б.А. Стратегические подходы к обеспечению безопасности производства и использования химических веществ для здоровья человека //Российский химический журнал. Журнал Российского химического общества им.Д.И.Менделеева. Проблемы экологии, 2004. - Т. XLVIII. -№ 2. - С. 8-16.
13. Курляндский Б.А., Хамидулина Х.Х., Куди-нова О.Н. Современные тенденции промышленного развития России и токсикологические проблемы химической безопасности // Токсикологический вестник, 2005. - № 1. - С. 2-14.
14. Лазарев Н.В. Распределение в крови и сила действия наркотиков. Доклады АН СССР, 1936.
- Т. 1. - № 5. - С. 233.
15. Лазарев Н.В. Основы промышленной токсикологии. Наркомздрав СССР: Медгиз, 1938. -388 с.
16. Лазарев Н.В. Наркотики. - Л.: Институт гигиены труда и профзаболеваний Ленгорздравот-дела, 1940. - 399 с.
17. Лазарев Н.В., Старицына Т.В. Опыт сопоставления физико-химических свойств органиче-
ских ядов и продуктов их превращений в животном организме // Физиологический журнал СССР, 193S. - Т. 18. - M S. - С. 834.
18. Лазарев Н.В. Общее учение о наркотиках и наркозе. (S публичных лекций). — Л.: Военно-медицинская академия, 19S8. - 204 с.
19. Основные показатели физиологической нормы у человека: Руководство для токсикологов / Под ред. И.М. Трахтенберга. - Киев: Авиценна, 2001. - 372 с.
20. Пиотровски Е. Использование кинетики метаболизма и выведения токсических веществ в решении проблем промышленной токсикологии. -М.: Медицина, 1976. - 19S с.
21. Профессиональный риск для здоровья работающих (руководство) /Подред. Н.Ф.Измерова, Н.И.Денисова. - М.: Тровант, 2003.
22. Ткачева Т.А. Биомаркеры в токсикологии и оценке риска // Тезисы докладов 2-го съезда токсикологов России. - М.: Российский регистр потенциально опасных химических и биологических веществ Минздрава России, 2003. - С. 2S6-2S8.
23. Уланова И.П. Кинетические и метаболические критерии в токсикологической оценке химических соединений // Токсикометрия химических веществ, загрязняющих окружающую среду. - М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1986. -С. 188-216.
24. Филов В.А. Задержка и превращение в организме низкомолекулярных сложных эфиров // Гигиена труда и профзаболевания, 1961. - M 3. -С. 14-19.
25. Флюри Ф, Церник Ф. Вредные газы. Редакция химической литературы. - М.: ГОНТИ НКТП, 1938. - 3S0 с.
26. Фролова А.Д., Луковникова Л.В., Чащин В.П. и др. К проблеме мониторинга химических веществ //Медицина труда и промышленная экология, 2003. - M 8. - С. 1-6.
27. Циркт М. Биологическая оценка профвред-ностей // Профидактическая токсикология. Сборник учебно-методических материалов. Т.1. -М.: Центр международных проектов ГКНТ, 1984.
- С. 16S-18S.
28. Bernard A., Lauwerys R. Les methodes biolo-gigues devaluation de lexposition aux solvants / Cahiers de Medecine du Travial, 198S. -XXII. - P. 8S-91.
29. Biological Monitoring of Chemical Exposure in Workplase. Guidelines // Genewa: WHO, 1996. -V. 1.
- 300 p.
30. Elkins H.B. Analyses of biological materials as indices of exposure to organic solvents. // Arch. Ind. Hyg. Occup. Med., 19S4. - M 9. - P. 212-221.
31. Lapp C. La cinetique de l elimination des medicaments; application aux substances emplogees en anesthesie. //Anaesthesie at Analgesie, 19SS. - M 3.
- P. 4.
32. Papper E.M. The pharmacokinetics of inhalation anaesthetic: clinical applications // Brit. J. Ana-esth, 1964. - V. 36. - № 3. - P.124.
33. Teisinger J. et al. Chemical methods for the evaluation of biological material in industrial toxicology. - Prague: SZN, 1956. - P 1-128.
34. TLVs and BEIs. Based on the Documentations for Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents Biological Exposure Indices. ACGIH WORLDWIDE, 1999. - 184p.
Материал поступил в редакцию 09.11.05.
G.I.Sidorin, A.D.Frolova, L.V.Lukovnikova
THEORETICAL BASIS OF MODERN BIOMONITORING IN WORKS BY LAZAREV AND OF HIS SCHOOL
(in commemoration of his 110th anniversary)
North-western Scientific Center of Hygiene and Public Health, Federal Service for Surveillance on Consumer Rights Protection and Human Well-being,St.-Petersburg
Are presented fundamental trends of theoretical studies carried out by Prof. N.V.Lazarev, outstanding scientist, and which laid down the foundation for the development of the contemporary biomonitoring of chemicals.
УДК 612.015.3.06:547.31
В.А.Суханов1, А.Н.Саприн1, Е.В.Калинина1, С.К.Абилев2, Л.А.Пирузян1
РОЛЬ МЕТАБОЛИЧЕСКОГО СТАТУСА ОРГАНИЗМА В ВОСПРИИМЧИВОСТИ К ТОКСИЧЕСКОМУ И МУТАГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (исследования на инбредных линиях мышей)
1Центр теоретических проблем физико-химической фармакологии РАН 2Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, Москва
Показано, что мыши линий DBA/2 и С57В1аск/6 обладают разной восприимчивостью к токсическому и мутагенному воздействию бенз(а)антрацена и ингибитора эпоксидгидратазы — 2,2-дибромо-1-(4-нитрофенил)-этанона, а также к их комбинации. Разная восприимчивость мышей может быть связана с метаболическим статусом, прежде всего, с уровнями эпоксидсинтетазной активности цитохрома Р-450 и эпоксидгидратазы.
Ключевые слова: токсикология, фармакогенетика, детоксикация ксенобиотиков, линейные мыши, DBA/2, С57В1аск/6.
Введение. Исследования последних 30 лет, в том числе полная расшифровка генома, показали, что метаболизм биотиков и ксенобиотиков в организмах млекопитающих находится в зависимости от их гено- и фенотипических особенностей, выражающихся в полиморфизме белков, в первую очередь ферментов метаболизма и детоксикации ксенобиотиков (ФМДК), других защитных белков и кодирующих их синтез генов [1-12]. Главной функцией суперсемейства ФМДК, пред ста влен но го мно же ствен ны ми изоформами цитохрома Р-450 (I фаза метаболизма), эпоксидгидратаз (ЭГ), глутатион 8-трансфераз (Г8Т), УДФ-глюкуронозил-тран-сфераз, сульфотрансфераз и других (II фаза метаболизма), является детоксикация ксенобиотиков, некоторых эндогенных метаболитов и поддержание клеточного и органного гомеоста-
за. Нарушение в результате полиморфизма ФМДК сбалансированности либо всей системы детоксикации, либо ее отдельных звеньев является причиной повышенной предрасположенности к развитию различных заболеваний, особенно в экологически неблагоприятных регионах. Известно, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), широко представленные в окружающей среде, являются про-канцерогенами и их метаболизм у млекопитающих проходит через стадии образования чрезвычайно активных интермедиатов типа эпокси-дов и диолов ПАУ, которые могут вызывать токсичные, мутагенные и канцерогенные эффекты. Работы по оценке потенциальной опасности ПАУ в зависимости от активности системы ФМДК были начаты еще в 1970 г. Однако сложности с определением эпоксидсинтетазной ак-
