Автор: Плетенева Т.В.
Теги: фармакология общая терапия токсикология фармация химия токсикологическая химия токсикокинетика
ISBN: 5-9704-0071-8
Год: 2005
Текст
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ
ХИМИЯ
Под редакцией
профессора Т.В. Плетеневой
Учебник
для вузов
Издательская группа «ГЭОТАР-1\Лед1ла»
УДК 615
ББК 52.84 + 51. 1 (2)2
Т51
Авторы:
ТВ. Плетенева, Е.М. Саломатин, А.В. Сыроешкин, Р.М. Бархударов,
Н.А. Денисова, О.А. Избаш, А.Е. Коваленко, П.И. Попов,
Н.А. Ходорович.
Рецензенты:
Заведующий кафедрой общей химии Московской медицинской академии
им. И.М. Сеченова, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик
Академии Образования, доктор фармацевтических наук, профессор
В.А. Попков', заведующий кафедрой судебной медицины Российского госу-
дарственного медицинского университета доктор медицинских наук, про-
фессор ВО. Плаксин', заведующий кафедрой фармацевтической и токсико-
логической химии Сибирского государственного медицинского универси-
тета доктор фармацевтических наук, профессор Е.А. Краснов', проректор
Российского химико-технологического Университета им. Д.И. Менделеева
доктор технических наук, профессор В. А. Колесников
Т51 Токсикологическая химия: Учебник для вузов / Под ред. ТВ. Плете-
невой. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. — 512 с.
ISBN 5-9704-0071-8
В учебнике на основе токсикодинамических и токсикокинети-
ческих закономерностей изложен материал о свойствах и поведе-
нии в организме человека химических веществ (биохимическая то-
ксикология), способах их изолирования и определения (аналитиче-
ская токсикология) при острых и хронических отравлениях. Обсуж-
даются задачи судебно-химического, клинического, наркологиче-
ского и экотоксикологического направлений токсикологической
химии; рассматриваются теоретические основы и примеры исполь-
зования современных физико-химических методов при анализе
различных объектов: биоматериалов, лекарственных средств, воды,
вещественных доказательств отравления.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Фарма-
ция». Учебник может быть использован также студентами, обучаю-
щимися по специальностям химического и биологического профиля.
УДК 615
ББК 52. 84+ 51. 1 (2)2
Право на данное издание принадлежит издательской группе * ГЭОТАР-Медиа».
Воспроизведение и распространение в каком бы то ни было виде части или целого
издания не могут быть осуществлены без письменного разрешения издательской группы.
ISBN 5-9704-0071-8 © Коллектив авторов, 2005
© Издательская группа «ГЭОТАР-Медиа», 2005
03
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений......................................................9
Предисловие......................................................... 10
ЧАСТЬ 1: ОСНОВЫ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ ..............................11
Глава 1. Содержание и задачи токсикологической химии..................11
1. Токсикологическая химия как составляющая комплекса
дисциплин химического и медико-биологического направления........11
2. Направления токсикологической химии ..........................14
3. Структура токсикологической химии как научного направления
и учебной дисциплины.............................................19
Глава 2. История возникновения и развития токсикологической химии.....20
Глава 3. Классификация ядов. Токсические дозы ........................24
1. Термины и определения ........................................24
2. Типы токсических доз и концентраций...........................25
3. Классификация токсикантов ....................................31
Глава 4. Классификация отравлений ....................................34
1. Классификация в соответствии со способом отравления ..........35
2. Клиническая классификация отравлений..........................35
Глава 5. Методы детоксикации. Антидоты............................. 38
1. Периоды отравления............................................38
2. Детоксикация при отравлении...................................40
3. Применение антидотов при отравлениях..........................41
ЧАСТЬ 2: ОСНОВЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ ...........................50
Глава 1. Токсикодинамика..............................................51
1. Типы взаимодействия в системе токсикант—рецептор..............52
1.1 .Стадии формирования токсического эффекта ...................52
1.2 .Взаимодействие химических веществ с рецепторами токсичности.53
ГЗ.Неспецифичеслсие взаимодействия
ксенобиотика с мишенями токсичности..............................61
2. Физико-хллмические характеристики токсиканта
и биологической среды, влияющие на механизмы токсичности ........62
3. Корреляция структуры ксенобиотика и его токсичности.
Топологические индексы...........................................74
Глава 2. Поступление, абсорбция, распределение
и выведение ксенобиотиков.............................................82
1 .Транспорт токсичных веществ через клеточные мембраны..........82
1.1. Пассивный транспорт ........................................82
1.2. Специалылый транспорт ......................................84
2 .Пути поступления и абсорбции ксенобиотиков ..................85
2.1 .Абсорбция через желудочно-кишечный тракт ...................86
4 О Токсикологическая химия'
2.2. Ингаляционное поступление токсикантов ........................88
2.3. Абсорбция токсикантов через кожу .............................90
2.4. Абсорбция токсикантов при специальных способах поступления ...91
З .Распределение ксенобиотиков в организме........................92
3 .1.Объем распределения..........................................92
3 .2.Накопление (депонирование) токсикантов в организме...........93
3 .3. Барьеры при распределении ксенобиотиков ....................95
4. Выведение ксенобиотиков из организма............................96
4.1. Почечная экскреция............................................97
4.2. Кишечная экскреция............................................97
4.3. Легочная экскреция............................................98
4.4. Другие способы элиминации ....................................98
Oiaea 3. Биотрансформация ксенобиотиков ................................98
1. Общие положения ................................................99
1.1. Основные свойства ферментов, участвующих
в биотрансформации ксенобиотиков ..................................99
1.2. Биотрансформация и метаболизм ................................100
1.3. Стереохимические аспекты биотрансформации ....................100
2. Фазы биотрансформании .........................................100
2.1. Распределение ферментов биотрансформации ксенобиотиков ......102
2.2. Ферменты 1-й фазы биотрансформации ксенобиотиков.............102
2.3. Ферментативные реакции 2-й фазы биотрансформации..............116
3. Вторичный метаболизм...........................................124
Глава 4. Токсикокинетика ......................................-.......125
1. Основные понятия...............................................125
2. Классическая токсикокинетика в приложении к процессам
абсорбции, распределения и выведения ксенобиотиков ...............129
2.1. Однокамерная токсикокинетичская модель.....................'.... 130
2.2. Двухкамерная токсикокинетичская модел ь .....................133
2.3. Объем распределения..........................................135
2.4. Клиренс .....................................................136
2.5. Взаимосвязь периода полувыведения ксенобиотика
с объемом распределения и клиренсом ..............................137
2.6. Токсикокинетика насыщения ...................................137
3. Биодоступность.................................................138
4. Физиологическая токсикокинетика................................139
4.1. Структура основных моделей ..................................139
4.2. Камеры.......................................................140
4.3. Параметры ...................................................141
4.4. Камеры с перфузионными ограничениями ........................143
4.5. Модели с диффузионным контролем..............................144
4.6. Специализированные камеры ...................................144
Оглавление 0 5
Diana 5. Комбинированная токсичность. Клеточные модели..................145
1. Характеристика клеточных биосенсоров............................145
2. Кинетика лигандиндуцируемых клеточных переходов S. Ambigua......147
2.1. Клетка как полиферментный химический реактор..................147
2.2. Контроль клеточных превращений методом лазерной дифракции ....147
2.3. Кривые доза-ответ при исследовании
кинетики клеточных превращений ....................................149
2.4. Энергия активации и другие аррениусовские параметры
при оценке токсичности ............................................150
3. Формирование токсического эффекта
при комбинированном воздействии токсикантов .......................154
3.1. Комбинированная токсичность ..................................154
3.2. Неаддитивные эффекты при комбинированном действии токсикантов.157
3.3. Формообразования клетки при комбинированном
токсическом действии ионов цинка (II) и меди (II) .................160
ЧАСТЬ 3: АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ ....................................162
Diaea 1. Методология химико-токсикологического анализа..................162
1. Особенности химико-токсикологического анализа при отравлениях ..163
2. Особенности химико-токсикологического анализа
при проведении судебно-химической экспертизы ......................167
3. Предварительные испытания анализируемой пробы .................173
4. Пробоподготовка .........................'.....................177
Глава 2. Современные методы анализа, применяемые
в химико—токсикологических исследованиях .............................. 182
1. Основы метрологии...............................................182
2. Хроматографические методы определения токсичных веществ ........186
2.1. Физико-химические основы хроматографии........................186
2.2. Тонкослойная и бумажная хроматография ........................187
2.3. Колоночная хроматография .....................................193
3. Атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная
спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
в химико-токсикологическом анализе.................................217
3.1. Основные принципы атомной спектрометрии ......................220
3.2. Атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой .... 223
3.3. Атомно-абсорбционная спектрометрия ...........................228
3.4. Пробоподготовка и концентрирование............................232
4. Масс-спектрометрия элементного анализа ........................239
4.1. Ионизация ....................................................241
4.2. Масс-анализаторы .............................................243
4.3. Детектор......................................................246
4.4. Разновидности масс-спектрального анализа .....................248
4.5. Особенности масс-спектрального анализа .......................252
6 0 Токсикологическая химия
5. Иммунохимические методы анализа
в химико-токсикологических исслеедованиях.........................252
5.1. Общая характеристика иммунохимических методов анализа .......252
5.2. Особенности применения иммунохимических
методов анализа в токсикологической химии ........................260
ЧАСТЬ 4: ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КСЕНОБИОТИКОВ..............................................263
Глава 1. Наркотические вещества .......................................263
1. Общая характеристика отравлений психоактивными веществами......263
2. Химико-токсикологическое определение опиатов и опиоидов.......268
2.1. Общая характеристика.........................................268
2.2. Способы употребления и физиологические эффекты...............270
2.3. Токсикокинетика .............................................271
2.4. Методы определения...........................................273
3. Химико-токсикологическое определение каннабиноидов.............275
3.1. Общая характеристика.........................................275
3.2. Способы употребления каннабиноидов
и физиологические эффекты.........................................277
3.3. Токсикокинетика .............................................277
3.4. Методы определения каннабиноидов ............................279
4. Химико-токсикологическое определение кокаина..................280
4.1. Общая характеристика.........................................280
4.2. Способы употребления кокаина и физиологические эффекты ......281
4.3. Токсикокинетика кокаина .....................................284
4.4. Биологические материалы для определения кокаина .............288
5. Химико-токсикологическое определение психоактивных веществ,
наиболее часто применяемых наркоманами............................288
Пгава 2. Лекарственные средства........................................291
1. Общая характеристика отравлений лекарственными веществами .... 291
1.1. Методы оценки лекарственной патологии .......................292
1.2. Оценка безопасности лекарственных средств
при доклинических токсикологических исследованиях.................298
1.3. Опасность комбинированного применения
лекарственных средств.............................................302
2. Особенности химико-токсикологического анализа
при отравлении лекарственными средствами..........................305
2.1. Отравления барбитуратами ....................................305
2.2. Отравления лекарственными средствами группы бензодиазепинов .307
2.3. Отравление лекарственными средствами группы фенотиазинов ....309
2.4. Отравление лекарственными средствами
группы трициклических антидепрессантов............................311
2.5. Отравление антигистаминными лекарственными средствами .......312
Оглавление 0 7
2.6. Отравление лекарственными средствами
группы сердечных гликозидов .......................................313
Глава 3. Летучие яды....................................................314
1. Общая характеристика летучих ядов ..............................314
2. Распространение в окружающей среде .............................316
3. Преднамеренное употребление летучих ядов
и их физиологические эффекты ......................................317
4. Токсикодинамика и токсикоки нетика летучих ядов ................319
5. Механизмы токсичности летучих ядов ..............................321
5.1. Хлорированные углеводороды....................................321
5.2. Ароматические углеводороды....................................323
5.3. Одноатомные спирты ......................................... 326
5.4. Гликоли ......................................................329
5.5. Газолин.......................................................330
5.6. Ацетон........................................................331
5.7. Ядовитые газы ................................................331
6. Методы изолирования и определения летучих ядов .................335
Глава 4. Пестициды......................................................340
1. Общая характеристика............................................340
2. Химико-токсикологическая характеристика пестицидов..............343
2.1. Хлорорганические соединения ..................................343
2.2. Антихолинэстеразные препараты.................................348
2.3. Производные бипиридила .......................................353
2.4. Нитросоединения...............................................355
2.5. Производные 2, 2 — диметилциклопропанкарбоновой
кислоты — пиретроиды...................’...........................355
3. Определение пестицидов в биоматериалах..........................357
3.1. Способы пробоподготовки ......................................357
3.2. Методы определения пестицидов.................................358
Глава 5. Химико-токсикологическая характеристика
веществ неорганической породы ..........................................358
1. Химико-токсикологическая характеристика металлических ядов .....359
1.1. Макро- и микроэлементы. Необходимые и примесные элементы......359
1.2. Металлом в постгеномную эпоху.................................362
1.3. Поступление металлических ядов в организм,
их распределение, метаболизм и выведение ..........................364
1.4. Механизмы токсичности металлов ...............................368
1.5. Мишени токсического воздействия металлов......................373
1.6. Химико-токсикологические характеристики
токсичных элементов ................................................374
1.7. Химико-токсикологические характеристики
эссенциальных и условноэссенциальных элементов .....................389
8 0 Токсикологическая химия
1.8. Способы лечения при отравлениях металлами.....................396
2. Химико-токсикологическая характеристика кислот,
шелочей и солей щелочных металлов..................................398
3. Химико-токсикологические характеристики
фтора и его соединений.............................................399
3.1. Токсическое действие дифтора .................................400
3.2. Фтороводород..................................................400
З.З. Неорганические фториды .......................................401
3.4. Фторорганические соединения...................................402
Става 6. Яды животного и растительного происхождения.
Токсичность грибов .....................................................406
1. Механизмы действия зоотоксинов..................................406
1.1. Свойства зоотоксинов .........................................406
1.2. Токсины рептилий .............................................407
1.3. Членистоногие ................................................410
1.4. Губоногие (многоножки)........................................412
1.5. Двупарноногие (многоножки) ...................................413
1.6. Насекомые ....................................................413
1.7. Земноводные (жабы)............................................419
1.8. Первая помощь при отравлении ядом животного...................420
2. Химико-токсикологический анализ
при отравлении ядовитыми растениями................................421
2.1. Токсикологическая классификация растений .....................422
2.2. Особенности токсического действия растительных ядов ..........423
2.3. Основные токсичные вещества растений..........................424
2.4. Побочные эффекты компонентов биологически активных добавок....426
3. Отравление грибами ............................................431
3.1. Отравления бледной поганкой...................................433
3.2. Отравления строчками..........................................437
3.3. Отравления красным и пантерным мухоморами ....................443
3.4. Отравления псилоцибинсодержащими грибами .....................447
3.5. Отравления другими видами грибов..............................449
3.6. Грибы как носители экзотоксинов...............................450
3.7. Судебно-химическая диагностика отравлений грибами ............451
Глава 7. Токсическое действие радиации..................................456
1. Основные понятия................................................457
2. Биологическое действие радиации ................................464
3. Принципы нормирования ионизирующего излучения ..................476
4. Облучение населения от различных
источников ионизирующего излучения ................................479
Список литературы.......................................................489
Предметный указатель ...................................................493
Список сокращений С 9
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ААС — Атомно-абсорбционная спектрометрия
АЭС-ИСП — Атомно-эмиссионная
спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
БАД — Биологически активная добавка
БОВ — Боевые отравляющие вещества
БХ — Бумажная хроматография
ВОЗ — Всемирная организация
здравоохранения
ВЭЖХ — Высокоэффективная жидкостная
хроматография
ВЭТСХ — Высокоэффективная тонкослойная
хроматография
ВЭТТ —- Высота, эквивалентная теоретической
тарелке
ГАХ — Газоадсорбционная хроматография
ГЖХ — Газожидкостная хроматография
ГСО — Государственный стандартный образец
ГХ — Газовая хроматография
ДОК — Допустимая остаточная концентрация
ЖЖХ — Жидкожидкостная хроматография
ЖКТ — Желудочно-кишечный тракт
ЖХ — Жидкостная хроматография
ЗД М — Закон действующих масс
ИБ — Индекс безопасности
ИИ — Ионизирующее излучение
ИСО — Международная организация по
стандартизации
ИСП — Индуктивно-связанная плазма
ИФА — Иммуноферментный анализ
ИХА — Иммунохроматографический анализ
К К — Продолжительность клинического курса
ИКСА — Количественная корреляция структура-
активность
КУ — Контрольный уровень
Л11Э — Линейная передача энергии
МКРЗ — Международная комиссия
по радиационной защите
МПД — Мощность поглощенной дозы
МС — Масс-спектрометрия
МТД — Максимальная терапевтическая доза
НКДАР ООН — Научный комитет по действию
атомной радиации ООН
НПВС — Нестероидные
противовоспалительные средства
ОСО — Отраслевой стандартный образец
ОФХ — Обращено-фазовая хроматография
ОЭС — Оптико-эмиссионная спектрометрия
ПД — Поглощенная доза
ПДК — Предельно допустимая концентрация
ПЗС — Прибор с зарядовой связью
ПИД — Плазменно-ионизационный детектор
ПФИА — Поляризационный
флуороиммуноанализ
РБК — Расчетный безопасный курс
РГХ — Реакционная газовая хроматография
РИА — Радиоиммунный анализ
СИ — Международная система единиц
измерений
СИЧ — Счетчик излучения человека
СМЭ — Судебно-медицинская экспертиза
СОП — Стандартный образец предприятия
ТЖХ — Твердожидкостная хроматография
ТЛД — Термолюминесцентная дозиметрия
ТСХ — Тонкослойная хроматография
ФИА — Флуоресцентный иммуноанализ
ФЛД — Фотолюминесцентная дозиметрия
ФОП — Фосфорорганические препараты
ФОС — Фосфорорганические соединения
ФЭУ — Фотоэлектронный умножитель
ХЛБ — Хроническая форма лучевой болезни
ХТА — Химико-токсикологический анализ
ЦНС — Центральная нервная система
ЭД — Эквивалентная доза
ЭфД — Эффективная доза
ADI — Acceptable daily intake — допустимое
суточное поглощение
FDA — Food and Drug Administration — Управление
по контролю пищевых продуктов и лекарств
США
GLP — Good Laboratory Practice — надлежащая
лабораторная практика
QSAR — Quantitative structure-activity relationship —
Количественная корреляция структура-
активность
10 0 Токсикологическая химия
ПРЕДИСЛОВИЕ
Последнее издание учебника профессора М.Д. Швайковой («Судеб-
ная химия», «Токсикологическая химия») увидело свет около 30 лет на-
зад. Учебник стал библиографической редкостью, в связи с чем унифи-
кация преподавания токсикологической химии в разных вузах страны
обеспечивалась только учебной программой.
Современная токсикологическая химия представлена разными на-
правлениями: судебно-химическим, клиническим, наркологическим и
экологическим. Возрастающее потребление химиотерапевтических
средств, техногенная нагрузка на человека, алкоголизм и наркомании
требуют разработки и внедрения новых высокоэффективных методов
определения ксенобиотиков в биообъектах. Методы изолирования ксе-
нобиотиков с использованием современных сорбентов, например, мо-
дифицированных силикагелей с привитой фазой (амилозные, целлю-
лозные, краун-эфирные, полиметакрилатные колонки), позволяют
разделять оптические изомеры ксенобиотиков (энантиомеры). Совер-
шенствование методов анализа, внедрение в практику аналитической
токсикологии хроматографических методов в сочетании с масс-спект-
рометрией (ГХ/МС и ВЭЖХ/МС) позволяют детально исследовать мо-
лекулярные механизмы токсичности ксенобиотиков и их метаболитов.
Исследование метаболома (параллельно геному, протеому, металлому)
— одна из задач токсикологической химии сегодняшнего дня. Совре-
менные диагностика и лечение отравлений неорганическими ядами и
гиперэлементозов проводятся на основе методов атомно-абсорбцион-
ной спектрометрии (ААС) и атомно-эмиссионной спектрометрии с ин-
дуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП).
Учебник состоит из 4 частей. Первая - введение в токсикологиче-
скую химию. В ней рассматриваются исторические аспекты формиро-
вания дисциплины; основные термины и понятия; характеристика кли-
нического, наркологического, судебно-химического и экологического
направлений аналитической токсикологии.
Вторая часть посвящена теоретической основе предмета — биохи-
мической токсикологии. Кроме традиционных подходов на основе то-
ксикодинамики и токсикокинетики, рассматриваются возможности
применения метода ККСА (количественной корреляции структура-ак-
тивность) для прогнозирования токсичности ксенобиотиков разной
природы. Впервые в учебной литературе описан новый метод исследо-
вания индивидуальной и комбинированной токсичности на основе ки-
Предисловие Oil
нетики клеточных превращений с использованием аррениусовских па-
раметров.
Методология химико-токсикологического анализа представлена в
третьей части, где также освещены современные методы анализа при
химико-токсикологических исследованиях: различные виды хромато-
графии, масс-спектрометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии и
атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плаз-
мой, иммунохимического анализа.
В четвертой части рассматриваются конкретные примеры аналити-
ческой токсикологии по группам токсикантов: наркотические вещест-
ва, лекарственные средства, летучие яды, пестициды, яды неорганиче-
ской природы, токсины животного, растительного происхождения и
токсины грибов, а также токсическое действие радиации.
Особо следует отметить вклад в создание учебника профессоров ме-
дицинского факультета РУДН, курировавших отдельные направления
токсикологической химии: докт. фарм. наук Е.М. Саломатина — судеб-
но-химическое направление, докт. биол. наук А.В. Сыроешкина — сов-
ременные биохимические (токсикодинамические и токсикокинетиче-
ские) и аналитические достижения, докт. мед. наук Н.А. Ходорович —
патофизиологические проблемы отравлений.
Специалисты отдельных научных направлений подготовили следу-
ющие главы: Р.М. Бархударов — «Токсическое действие радиации»,
Н.А. Денисова — «Иммунохимические методы анализа», О.А. Избаш —
«Основы метрологии», «Атомно-абсорбционная спектрометрия и
атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плаз-
мой» и «Масс-спектрометрия», А.Е. Коваленко — «Хроматография».
Существенный вклад в создание учебника внес аспирант кафедры
фармацевтической и токсикологической химии РУДН П.И. Попов, на
котором лежала не только ответственность за техническое оформление
рукописи, но и подготовка текста отдельных глав, включающая работу
с иностранными источниками, и раздела по методу ККСА.
Авторы благодарны всем оказавшим помощь и поддержку в период
становления дисциплины на медицинском факультете РУДН и подго-
товки учебника к изданию.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 040500 «Фармация», а также для хими-
ческих и экологических специальностей при изучении дисциплины
«Основы токсикологии».
Авторы заранее признательны за предложения по совершенствова-
нию издания (pleteneva@med.pfu.edu.ru).
Часть 1.
основы
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ
химии
Ключевые моменты:
• Токсикологическая химия — наука о методах изучения неблаго-
приятного воздействия ксенобиотиков на живые системы.
• Основные понятия токсикологической химии, классификация
ядов и отравлений.
• Методы детоксикации, химическая природа и механизмы дейст-
вия антидотов.
ГЛАВА 1. СОДЕРЖАНИЕ И ЗАДАЧИ
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
1. Токсикологическая химия как составляющая
комплекса дисциплин химического
и медико-биологического направления
Основу токсикологической химии составляют две естественно-науч-
ные дисциплины: токсикология и химия.
Токсикология (от греч. toxikon — яд и logos — учение) — наука, изуча-
ющая свойства ядов и физических факторов, механизмы их действия на
организм человека и разрабатывающая методы диагностики, лечения и
профилактики отравлений. Механизмы воздействия химических аген-
тов и физических факторов исследуют на биологических объектах раз-
личного иерархического уровня — от молекулярного до организма че-
ловека. Чем выше уровень биологической организации, тем сложнее
методы исследования (рис. 1).
На популяционном уровне используются токсико-эпидемиологиче-
ские методы. При клинических испытаниях новых лекарственных
средств их токсическое действие изучают на добровольцах (индивиду-
альный организм). Воздействие токсиканта на организм в целом, а так-
же на отдельные органы и ткани изучают, применяя физиологические
методы. Химические и биологические методы используют для изучения
токсичности на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях
действия токсикантов.
Глава 1. О Содержание и задачи токсикологической химии Ф 13
МЕТОДЫ
УРОВНИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ
Пациенты
Токсико- (фармако- Популяции
эпидемиологические у
Клинические
(лекарственные
средства)
Добровольцы
Физиологические
Экспериментальные
животные
Ткани и органы
Химические,
биологические
* Молекулы
Клетки
Рис. 1. Уровни биологической организации
и методы исследования токсичности ксенобиотиков.
Каждый иерархический уровень для изучения воздействия токси-
кантов требует использования химических, биологических или физио-
логических методов. В связи с этим токсикологическую химию можно
охарактеризовать как науку о методах изучения неблагоприятного воз-
действия ксенобиотиков на живые системы.
Токсикологическая химия — наука о молекулярных и физиологиче-
ских механизмах действия токсичных веществ и продуктов их метабо-
лизма, химических методах их изолирования, идентификации и коли-
чественного определения в различных объектах. Объектами анализа
могут быть биологические материалы, вода, воздух, продукты питания,
лекарства и вещественные доказательства с места отравления.
Медицинская и химическая составляющие токсикологической хи-
мии тесно связаны между собой. Решение задач токсикологии возмож-
но лишь на базе достижений химии, а необходимость определения ток-
сикантов в биоматериалах стимулирует развитие аналитической,
физической и органической химии (рис. 2).
Междисциплинарные связи демонстрируют, в частности, что фар-
макология, изучающая ответы организма на действие лекарственных
средств, тесно связана с их анализом (фармацевтическая химия). Хими-
ческие аспекты токсикологии (токсикодинамика, токсикокинетика,
14 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
определение ксенобиотиков в биоматериалах) являются предметом то-
ксикологической химии.
Токсикологическая химия тесно связана с фармацевтической хими-
ей, что объясняется, с одной стороны, использованием лекарственных
средств при лечении отравлений, а с другой — возможностью интокси-
кации организма при приеме многих лекарственных средств, особенно
в случае их передозировки или при иных ошибках применения. Однако
диапазон ксенобиотиков, рассматриваемых в токсикологической хи-
мии, намного шире перечня лекарственных веществ, способных вы-
звать интоксикацию.
Токсикологическая химия является разделом судебной медицины,
изучающей отравления применительно к задачам судебно-медицин-
ской экспертизы.
2. Направления токсикологической химии
В период своего становления токсикологическая химия была связа-
на в основном с задачами судебно-медицинской токсикологии, поэто-
му до 70-х годов XX в. в фармацевтических вузах изучали не токсиколо-
гическую, а судебную химию. В настоящее время токсикологическая
Рис. 2. Кривая доза—ответ—время (D—R—t),
демонстрирующая взаимосвязь токсикологической химии
с дисциплинами медико-биологического и химического профиля.
Глава 1. О Содержание и задачи токсв-зкологИческой химии 0 15
химия имеет несколько направлений: судебно—химическое, клинико-
токсикологическое, наркологическое и экотокс икологическое.
Клинико-токсикологическое направление токсикологической химии
связано с вопросами оказания лечебной помощи при острых и хрониче-
ских отравлениях. Его организационная структура в России представле-
на на рис. 3.
Для сравнения в качестве примера организации сЛУжбы химико-то-
ксикологического анализа за рубежом ниже представлены 3 типа лабо-
раторий для регионов с различной численностью населения (Основы
аналитической токсикологии,— Женева—Москва: ВО3, 1997).
Районный аналитический центр (население 20 ООО—'100 000 человек)
имеет клиническую лабораторию, где выполняют качественный анализ
лекарственных препаратов; идентификацию барбитуратов в биологиче-
ских жидкостях; определение карбоксигемоглобина, метгемоглобина.
В штате такой лаборатории состоит один квалифицированный лабо-
рант, использующий, помимо химических, и физико-химические мето-
ды анализа — ультрафиолетовую спектрофотометрию и тонкослойную
хроматографию. В такой лаборатории делают приблизительно 50 ана-
лизов в год.
Рис. 3. Организационная структура клинико-тшсикол0гического
направления токсикологической химии в РоссИи-
16 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
В региональной лаборатории (население 1—2 млн человек) выполняют
качественный анализ лекарственных препаратов, идентификацию сно-
творных и других лекарственных веществ в биоматериалах, определение
алкоголя и других растворителей в крови. Штат, состоящий из директора,
2—3 врачей и 6 лаборантов, занимает помещение из 9 комнат. Для выпол-
нения анализов используют спектрофотометрию, газовую и высокоэффе-
ктивную жидкостную хроматографию. В течение года в лаборатории ана-
лизируют более 2000 образцов, причем преимущественно это определение
этанола. На другие яды приходится примерно 10% общего числа анализов.
Государственная (федеральная) лаборатория рассчитана на население
2—4 млн. В ее задачи входит руководство районным аналитическим
центрами и региональными лабораториями, проведение научных ис-
следований и обучение специалистов. В лаборатории выполняются
практически любые анализы. В работе такой лаборатории, включаю-
щей более 30 подразделений, участвуют 3—6 врачей и 10—15 специали-
стов-аналитиков, использующих при исследованиях ультрафиолетовую
и инфракрасную спектрофотометрию, газовую и высокоэффективную
жидкостную хроматографию, хромато-масс-спектрометрию, иммуно-
химические методы, денситометрию. Число анализов превышает для
ядов 1000, для этанола — 5000 в год.
В настоящее время в связи с широким распространением наркома-
нии особое значение приобрело наркологическое направление аналитиче-
ской токсикологии. Так, из всех анализов биожидкостей при отравле-
ниях 73% приходится на определение наркотических веществ.
Рассмотрим схему организации наркологического направления токси-
кологической химии (рис. 4).
Эта структура включает Центр наркологии Минздравсоцразвития
РФ, в состав которого входят центры аналитической диагностики нар-
котических средств и психотропных веществ (имеются во всех городах
федерального значения) и наркологические диспансеры, основная за-
дача которых — лабораторная диагностика, коррекция лечения, анали-
тическая диагностика наркотического опьянения.
Ниже приведена структура судебно-медицинского направления анали-
тической токсикологии в России (рис. 5).
Федеральное государственное учреждение (ФГУ) Российский центр
судебно-медицинской экспертизы (СМЭ) Министерства здравоохране-
ния и социального развития РФ координирует деятельность учрежде-
ний и структур СМЭ, осуществляет организационно-методическое ру-
ководство и формирует нормативно-правовую базу в этой сфере. Бюро
СМЭ республик, краев, областей, крупных городов обеспечивают по-
Глава 1. О Содержание и задачи токсикологической химии 0 17
требности медицинских учреждений, судебно-медицинских служб и
правоохранительных органов в судебно-медицинских исследованиях и
экспертизах. В судебно-химическом отделении производится судебно-
химическая экспертиза; оно может включать подразделение по опреде-
лению наркотиков. В отделении геномной дактилоскопии устанавлива-
ют группу крови, материнство или отцовство. Специфические вопросы
решаются на базе биохимического и медико-криминалистического от-
делений, также являющихся структурными подразделениями отдела ве-
щественных доказательств.
Рис.4. Организационная структура наркологического напр!
токсикологической химии в России.
18 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
В состав указанных служб входит около 35 000 человек. Ежегодно
рассматривается около 60 000 различных экспертных дел, 78% которых
составляют СМЭ. Ежегодно исследуется около 500 000 трупов. От отра-
влений погибают 70 000—80 000 человек в год, при этом 52—54% всех
отравлений приходится на отравления алкоголем и его суррогатами.
Экотоксикологическое направление токсикологической химии рас-
сматривает вопросы биомедицинской, профессиональной токсиколо-
гии, а также токсикологии окружающей среды.
В биомедицинской области важны химико-токсикологические иссле-
дования побочного действия лекарств и вспомогательных веществ, т.е.
оценка безопасности или риска, связанного с их применением.
Отдел исследования
вещественных доказательств
Отдел СМЭ живых лиц Отдел СМЭ трупов
(потерпевших, обвиняемых)
Гистологический
отдел
I
Судебно-химическое отделение
(судебно-химическая экспертиза)
Биохимическое отделение
(активность ферментов,
определение биогенных
соединений)
Отделение геномной дактилоскопии
(группа крови, спорное материнство
или отцовство)
Медико-криминалнстичсское
отделение
(идентификация личности,
характер ранения)
Рис.5. Организационная структура судебно-медицинского
направления аналитической токсикологии в России.
Глава 1. Ф Содержание и задачи токсикологической химии 0 19
Профессиональная токсикология оценивает риск работы с химиче-
скими веществами, применяемыми в промышленности, в частности
фармацевтической. На промышленных и сельскохозяйственных пред-
приятиях воздействие токсикантов на организм возможно во время
производства, хранения, упаковки и применения химических веществ.
Например, отравление пестицидами возможно на всех перечисленных
стадиях, а также при использовании загрязненных продуктов сельско-
хозяйственного производства в пищу.
Токсикология окружающей среды имеет дело с потенциально вредны-
ми влияниями на биологические объекты токсикантов, содержащихся в
воде, воздухе, почве. Хотя человек является главной мишенью действия
загрязнителей — ксенобиотиков, другие наземные и водные живые ор-
ганизмы, включая растения, также важны как потенциальные биологи-
ческие мишени и как промежуточное звено между токсикантом и орга-
низмом человека.
3. Структура токсикологической химии
как научного направления и учебной дисциплины
Многообразие направлений токсикологии: экспериментальная, кли-
ническая, промышленная, профессиональная (транспортная, военная,
ветеринарная, фармацевтическая и др.), окружающей среды — объясняет
разнообразие объектов исследования и задач токсикологической химии.
Независимо от объекта и цели исследования основными задачами то-
ксикологической химии являются разработка методов изолирования,
идентификации и количественного определения яда в «живом веществе»
и других объектах окружающей среды, а также изучение молекулярных
механизмов токсического воздействия яда и процессов его дезактивации.
В настоящее время токсикологическая химия как учебная дисцип-
лина включает два основных раздела: биохимический и аналитический.
Биохимическая токсикология изучает токсикодинамику и токсикоки-
нетику ксенобиотиков и их метаболитов (ч. 2): механизмы формирова-
ния токсического эффекта в системе токсикант—рецептор, скорости и
механизмы поступления, распределения, биотрансформации, элими-
нации и экскреции токсикантов и их метаболитов.
Аналитическая токсикология разрабатывает методы анализа для оп-
ределения токсикантов в разнообразных объектах (ч. 3). При этом боль-
шое внимание уделяется подготовке объекта к анализу (пробоподготов-
ке). Пробоподготовка заключается в выделении (изолировании)
ксенобиотика из анализируемого объекта и его концентрировании в
пробе. Например, определение токсичных веществ в биожидкостях
20 0 Часть 1 Q Основы токсикологической химии
(моча, кровь, слюна, спинномозговая жидкость), органах и тканях (пе-
чень, почки, кости, волосы, ногти), рвотных массах и других выделени-
ях человека, остатках лекарств, пище, напитках требует тщательного
обдумывания операций по подготовке пробы для анализа. В зависимо-
сти от природы токсичного вещества и биоматериала для извлечения
используют экстракцию, дистилляцию (перегонку), диализ, микродиф-
фузию, минерализацию (ч. 3, гл. 1).
Своевременное решение этих задач позволяет определить причину от-
равления (диагностика) и оказать быструю помощь (лечение) при отрав-
лении (клиническое направление токсикологической химии). Клиниче-
ская диагностика позволяет определить направление поиска токсиканта.
В результате химико-токсикологического исследования удается оп-
ределить вещество или группу веществ, вызвавших отравление, провес-
ти диагностику, определить фазу отравления и эффективно осущест-
вить детоксикацию.
Химико-токсикологическое исследование должно осуществляться в
предельно сжатые сроки, поскольку отравление как заболевание химиче-
ской этиологии требует неотложной терапии. Ненаправленный анализ, т.е.
поиск неизвестного яда, требует значительно большего времени, чем
направленный анализ, базирующийся на определении природы токси-
канта на начальном этапе химико-токсикологического исследования.
ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Токсикологическая химия имеет интересную и разнообразную исто-
рию. Она зародилась и развивалась, заимствуя черты и содержание мно-
гих дисциплин, в том числе судебно-медицинской токсикологии. При
проведении химических и судебно-медицинских исследований был на-
коплен богатый фактический материал, послуживший основой для
формирования токсикологической химии как науки (табл. 1).
С появлением в России Аптекарского приказа (XVI в.) стало воз-
можным решение судебных дел, «касающихся врачей и аптекарей». Они
были связаны с установлением причин смерти, психического статуса
человека, врачебных ошибок. Химико-токсикологические исследова-
ния в тот период сводились в основном к органолептическим оценкам
(определение запаха, вкуса, цвета вещества или растения).
Развитие химии способствовало зарождению научных судебно-хи-
мических исследований. Во времена М.В. Ломоносова (XVIII в.) в обя-
занности штатного фармацевта входило обнаружение ядов.
Глава 2. О История возникновения и развития токсикологической химии Ф 21
Таблица 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Периоды и даты Характеристика отдельных этапов
Период до н.э. Первые сведения об использовании ядов животных и расте- ний для лечения раненных на войне или охоте можно обна- ружить в древних рукописях. Один из древнеегипетских па- пирусов (около 1500 г. до н.э.) содержит информацию о применении опиума, соединений свинца, меди и сурьмы. В трудах Гиппократа (460—370 г. до н.э.) при описании лече- ния отравлений можно найти черты зарождающейся клини- ческой токсикологии. Первое описание ядовитых растений содержится в трудах Теофраста (372—287 г. до н.э.), ученика Аристотеля (384—322 г. до н.э.)
I в. н.э. Военный врач Диоскорид, служивший при дворе римского императора Нерона (37—68), первым попытался классифи- цировать яды, разделив их на животные, растительные и ми- неральные («De material medica»). 16 столетий его сочинение было непревзойденным учебником по врачеванию
Раннее и развитое Средневековье (V- XV в.) В 758 г. в Багдаде открылась первая аптека и алхимики Вос- тока изобрели водяную баню и перегонный куб, получили азотную и соляную кислоты, хлорную известь и спирт. Май- монид (1135—1204) написал трактат о лечении отравлений, вызванных укусами насекомых, змей и бешеных собак («Яды и их противоядия», 1198). Он впервые описал причину сни- жения активности ядовитого вещества, уменьшение его вса- сывания в кишечнике после приема пищи (молока, масла)
Позднее Средневековье (конец XIV— начало XVI в.) В период Возрождения супруга короля Франции Генриха Второго (1533—1558) Екатерина Медичи контролировала приготовление ядовитых смесей, скрупулезно фиксируя момент наступления токсического воздействия, наблюдала за эффективностью комбинации различных ядов, а также за жалобами жертв (симптомами отравления). Парацельс (Теофраст фон Гогенгейм, 1493—1541), основоположник ятрохимии, разработал свою классификацию болезней и факторов, влияющих на здоровье человека (в современном понимании — отравляющих веществ и возбудителей ин- фекций). Ему принадлежит высказывание: «Все есть яд, одна лишь доза делает вещество или ядом, или лекарст- вом». В своих сочинениях он впервые пытался связать бо- лезни рудокопов и литейщиков с профессиональными от- равлениями свинцом, ртутью, сурьмой
XVIII в. Благодаря классическому трактату основоположника про- фессиональной патологии и гигиены труда Бернардино Ра- маццини (1633—1714) «О болезнях ремесленников» (1700) развивается профессиональная токсикология, все большее
22 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
Продолжение табл. 1
Периоды и даты Характеристика отдельных этапов
внимание уделяется условиям труда мануфактурных рабо- чих. Персиваль Потт (1786—1859), английский хирург, впер- вые указал на токсичность сажи и риск заболевания раком легких у трубочистов. По существу это было первое сообще- ние о токсичности полиароматических гидроксикарбоновых канцерогенов
ХКв. Значительный вклад в токсикологическую химию внес немец- кий химик Луи Левин (1850—1929), опубликовавший работы по токсичности наркотических веществ, метанола, глицери- на, акролеина и хлороформа. Открытие механизма действия яда кураре Клодом Бернардом (1813—1878) послужило новым этапом развития токсикологии и началом исследования меха- низмов действия различных химических веществ
Развитие судебной и токсикологической химии в России Российский ученый А.П. Нелюбин (1785—1858) описал ме- тод минерализации при определении металлических ядов, мышьяка путем восстановления его до арсина. Он подгото- вил руководство «Общая и частная судебно-медицинская и полицейская химия» (1852). Ученый А.А. Иовский (1796— 1857) издал «Руководство к распознанию ядов, противоядий и важнейшему определению первых как в организме, так и вне оного посредством химических средств, названных реак- тивами» (1826). Ю.К. Трапп (1814—1908) опубликовал рабо- ту «Наставление к судебно-химическому исследованию» (1877). Г. Драгендорф (1836—1898), проработавший в России 32 года, издал «Судебно-химическое открытие ядов», выде- лив в самостоятельную дисциплину судебную химию
XX в. В США в 1906 г. вышел первый закон о чистых продовольст- вии и лекарствах. В 1938 г. в США зарегистрировано массо- вое отравление сульфаниламидными препаратами, в связи с этим было создано агентство по контролю за лекарствами и пищей (Food and Drug Administration — FDA). В 1947 г. выхо- дит закон о необходимости проверки пестицидов на безопас- ность из-за неправильного использования их в сельском хо- зяйстве и массовых отравлений в США. В 1958 г. появляются законы, ограничивающие использование тех химических со- единений, канцерогенность которых доказана в испытаниях на лабораторных животных. В 60-е годы из-за приема препа- рата талидомида, обладающего тератогенным свойством, не- сколько тысяч детей появились на свет с врожденными урод- ствами. Это обстоятельство способствовало развитию клеточной и молекулярной токсикологии
Глава 2. О История возникновения и развития токсикологической химии 0 23
Судебная химия была выделена из фармации в качестве самостоя-
тельного предмета в России проф. Г. Драгендорфом (ХЕХ в.). Его моно-
графия «Судебно-химическое открытие ядов» многократно переиздава-
лась.
Большой вклад в современную токсикологическую химию внесли
известные ученые, авторы учебников по судебной и токсикологической
химии профессора А.В. Степанов, М.Д. Швайкова и В.Ф. Крамаренко.
Клиническая токсикология в России получила развитие благодаря
деятельности акад. РАМЕЕ Е.А. Лужникова, возглавляющего Москов-
ский городской центр лечения отравлений НИИ скорой помощи им.
Н.В. Склифосовского, соответствующий международным стандартам.
Токсикологическая химия развивалась вместе со смежными химиче-
скими и медико-биологическими дисциплинами. Так, основы токсико-
кинетики созданы на основе классических кинетических работ, выпол-
ненных биохимиками (Л. Михаэлис и М. Ментен). Уравнение кинетики
ферментативных процессов широко используется в современной ток-
сикокинетике для описания метаболизма ксенобиотиков. В России ста-
новление токсикологической химии было также связано с активным
развитием ее токсикокинетических аспектов (В.А. Филов, В.ЕЕ. Соловь-
ев, С.Д. Варфоломеев, К.Г. Гуревич).
На базе Государственного научно-исследовательского института су-
дебной медицины разрабатывались многочисленные методики: опреде-
ления ртути в биоматериалах, изолирования алкалоидов экстракцией,
определения производных фенотиазина и др.
Учебники А.В. Степанова «Судебная химия» (1951), М.Д. Швайковой
«Токсикологическая химия» (1959, 1965, 1975), В.Ф. Крамаренко «Ток-
сикологическая химия» (1987) способствовали всестороннему изучению
предмета студентами фармацевтических факультетов и институтов.
В 1930 г. начал выходить один из первых в Европе специализирован-
ных журналов по экспериментальной токсикологии «Archiv fur
Toxikologie». В середине XX в. начал издаваться первый американский
журнал, посвященный вопросам токсикологической химии, «Toxicology
and Applied Pharmacology». Международная ассоциация судебных ток-
сикологов (TIAFT) издает журнал «Bulletin of the International association
of forensic toxicologists». В России издаются специализированные жур-
налы «Судебно-медицинская экспертиза», «Фармакология и токсико-
логия», «Судебно-медицинская и экспертная практика». Вопросы хи-
мико-токсикологического анализа рассматриваются в журналах
аналитического профиля: «Аналитическая химия», «Химико-фарма-
цевтический журнал», «Заводская лаборатория» и др.
24 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДОВ.
ТОКСИЧЕСКИЕ ДОЗЫ
1. Термины и определения
Некоторые специфические термины токсикологической химии —
ксенобиотики, изолирование токсиканта, идентификация яда, уже ис-
пользовались в предшествующих главах. Рассмотрим еще ряд важных
понятий, необходимых при изучении токсикологической химии.
Яд — вещество, вызывающее отравление или смерть при попадании
в организм. При воздействии яда на организм происходит отравление —
интоксикация. Интоксикация (лат. in в, внутрь + греч. toxikon яд) — па-
тологическое состояние, вызванное общим действием на организм ток-
сичных веществ эндогенного или экзогенного происхождения. Во мно-
гих случаях отравление и интоксикация используются как синонимы.
Отравление следует рассматривать как заболевание химической этио-
логии, «химическую травму». Последствия «химической травмы» зави-
сят от количества (дозы) поступившего в организм яда. К ядам могут
быть отнесены не только химические соединения, но и другие материа-
лы различной природы, например асбестовые волокна, шерсть живот-
ных, зоотоксины, различные микроорганизмы. Все они способны при-
вести к патологическим изменениям в организме, вызывая те или иные
повреждения в тканях, органах, системах.
Токсин — вещество бактериального, растительного или животного
происхождения, способное при попадании в организм человека или
животных вызывать заболевание или гибель. Таким образом, термин
«токсин» чаще применяют к веществам, которые могут быть выделены
из «живого вещества» — растений, животных, грибов или бактерий.
Термин «токсикант» обычно используется, когда речь идет о ядах антро-
погенного происхождения, например промышленных выбросах и т.д.
Толерантность (от лат. tolerantia — способность переносить, терпели-
вость; переносимость) — способность организма переносить воздействие
яда без развития токсического эффекта. Таким образом, толерантность
проявляется как снижение реакции организма на действие токсичного ве-
щества. Существует два основных механизма возникновения толерантно-
сти. Первый связан с уменьшением количества доставляемого к биомише-
ни токсиканта (диспозиционная толерантность). Второй механизм связан
с уменьшением реакции клеток ткани на данное токсическое воздействие.
Токсичность — способность вещества вызывать нарушения физиоло-
гических функций организма, в результате чего возникают симптомы ин-
токсикации (заболевания), а при тяжелых поражениях — гибель. Иногда
Глава 3. Q Классификация ядов. Токсические дозы 0 25
термин «токсичность» используют как токсикометрический показатель,
равный величине, обратной средней смертельной дозе или средней смер-
тельной концентрации токсичного вещества (I/DL50 или I/CL50).
В токсикологической химии часто используют понятие «избиратель-
ная токсичность», под которой следует понимать токсичность, проявля-
ющуюся в виде поражения лишь определенных биологических структур.
Причины этого будут рассмотрены в разделах, посвященных токсикоди-
намическим характеристикам различных токсикантов (см. ч. 2 гл. 1).
Кумуляция (лат. cumulatio увеличение, скопление) — накопление
биологически активного вещества (материальная кумуляция) или его
эффектов (функциональная кумуляция) при повторных воздействиях.
Кумуляция свойственна веществам, которые медленно выводятся или
медленно инактивируются в организме. При этом количество вещест-
ва, вводимого повторно, суммируется с веществом, сохранившимся в
организме от предыдущего введения, и суммарная действующая доза
возрастает. Кумуляция характерна для соединений ртути, мышьяка,
многих алкалоидов (например, атропина), сердечных гликозидов,
сульфаниламидов.
Реакция организма зависит от механизмов действия токсичного ве-
щества. Проявление токсичности зависит от скорости поступления ве-
щества в системный кровоток, биотрансформации (метаболических
превращений) вещества в крови и тканях внутренних органов, проник-
новения через гематоэнцефалический и плацентарный барьеры и взаи-
модействия вещества с биомишенями.
Жизненно необходимые вещества, например витамины, поваренная
соль, глюкоза, питьевая вода, кислород и т.д., могут оказывать токсиче-
ское действие на организм в результате передозировки, неправильного
применения.
2. Тины токсических доз и концентраций
Степень токсичности вещества определяет доза — количество веще-
ства, введенное или попавшее в организм (отнесенное, как правило, к
единице массы тела человека или животного) и дающее определенный
токсический эффект. При этом чем меньше токсическая доза, тем выше
токсичность яда.
В токсикологии различают несколько типов доз. Доза токсическая —
доза, вызывающая в организме патологические изменения, не приводя-
щие к смертельному исходу. Токсические дозы занимают диапазон от ми-
нимальной токсической до минимальной смертельной. Доза токсическая
минимальная — пороговая доза в отношении эффекта, выходящего за пре-
2b 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
де»ы 1 юрмальных физиологических реакций. Доза смертельная минималь-
ная доза, вызывающая за фиксированный период времени гибель еди-
ничных, наиболее чувствительных подопытных животных; принимается
Hi нижний предел дозы смертельной. Доза смертельная абсолютная — до-
mi, вы бывающая за фиксированный период времени гибель не менее 99%
подопытных животных. Доза смертельная средняя — доза, вызывающая за
фиксированный период времени гибель 50% подопытных животных.
В главе «Токсическое действие радиации» (см. ч. 4) речь пойдет о до-
нн ионизирующего излучения как мере действия ионизирующего излу-
чения в какой-либо среде. Доза ионизирующего излучения выражается
плотностью поглощенной энергии излучения или величиной эффекта
ионизации.
Для обозначения доз пользуются различными типами сокращений:
среднесмертельные дозы (медианосмертельные) — DL50, абсолютно
смертельные — DL90—юо, минимально смертельные — DLo—ю, средне-
><|>фективные (медианоэффективные) — DE50 (рис. 6). Нижний индекс
представляет собой вероятность проявления определенного эффекта —
смерти, порогового действия и др. в процентах.
Рис. 6. Кривые дозы ксенобиотика — ответ в популяции.
1 — интегральные, 2 — дифференциальные кривые;
А — фармакологический ответ; Б — токсический ответ.
Глава 3. О Классификация ядов. Токсические дозы 0 27
Дифференциальные кривые в координатах доза—ответ отражают из-
менение ответа AR на единицу изменения дозы AD в зависимости от до-
>ы (AR/AD — D). Как видно, наибольшее изменение ответа (эффекта)
таблюдается при DE50 и DL50.
Степень токсичности вещества зависит от многих факторов: алло-
гропной модификации (например, желтый и красный фосфор); степе-
-ш окисления элементов [соединения мышьяка (III) и (V)]; раствори-
мости (каломель Hg2C12 и сулема HgCh); фазового состояния (жидкая
путь и ртутные пары); степени дисперсности (диоксид кремния SiO2 в
1иде природного кремнезема или высокодисперсного талька); раство-
римости вещества в полярных и неполярных растворителях и его спо-
собности диссоциировать с образованием ионных форм [гидрофиль-
ный арсенит натрия NaAsO2 и липофильный триметиларсин (СНз)зА8].
Теоретически все известные к настоящему времени химические ве-
щества потенциально могут нанести вред организму. В табл. 2 приведе-
ны среднесмертельные дозы ряда ксенобиотиков для лабораторных жи-
вотных.
Как видно из табл. 2, количественные параметры токсичности раз-
личных веществ могут различаться на несколько порядков. Важно от-
метить, что использование системных единиц измерения токсических
доз (в миллимолях на килограмм) не изменяет общей тенденции увели-
Таблица 2. СРЕДНЕСМЕРТЕЛЬНЫЕ ДОЗЫ КСЕНОБИОТИКОВ ДЛЯ КРЫС (ПЕРОРАЛЬНОЕ ИЛИ ВНУТРИБРЮШИННОЕ ВВЕДЕНИЕ) (ПО EATON D. L., KLAASEN С. D., 2003)
Токсины DL5o, мг/кг DLS0, ммоль/кг
Этанол 10 000 200
Натрия хлорид 4000 70
Железа (II) сульфат 1500 10
Морфина сульфат 900 2
Натрия фенобарбитал 150 0,7
Стрихнина сульфат 2 0,006
Никотин 1 0,006
D-тубокураринхлорид 0,5 0,0007
Диоксин (TCDD) 0,001 0,000003
Ботулинический токсин 0,00001 —
28 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
чения токсичности при использовании традиционной оценки токсич-
ности (в миллиграммах на килограмм). Однако соотношения величин
токсичности значительно меняются. Так, токсичность NaCl и FeSO4 в
массовых единицах различается менее чем в 3 раза, тогда как в моляр-
ных — в 7 раз. Это подтверждает необходимость оценки токсических
доз через количество действующего вещества (моль), а не в единицах
массы. Такой подход позволяет определить действительную оценку то-
ксической дозы ксенобиотика и провести объективное сравнение ток-
сичности ксенобиотиков одного или различных химических классов.
В справочной и научной литературе можно обнаружить представле-
ние токсических доз при внутривенном, внутримышечном, подкожном
и пероральном введении в массовых единицах: миллиграммах (микро-
граммах) на килограмм (мг/кг, мкг/кг). На практике при исследовании
действие яда дозы можно представить в единицах массы на килограмм
(мг/кг) массы тела (см. табл. 2). Однако такой подход совершенно недо-
пустим при сравнении токсичности ксенобиотиков и особенно при изу-
чении их комбинированного действия на организм. ВОЗ рекомендует
проводить оценку токсичности в соответствии с международной систе-
мой (СИ), т.е. через количество действующего токсиканта. Таким обра-
зом, токсические дозы должны измеряться в молях (миллимолях) на
килограмм (моль/кг, ммоль/кг) массы тела «условного» человека (здо-
ровый мужчина массой 70 кг).
Оценка токсичности по DL50 не является полным отражением ток-
сического действия. Например, некоторые вещества с низкой острой
токсичностью могут давать выраженный канцерогенный или терато-
. генный эффект, определяемый при испытаниях во времени (хрониче-
ский эксперимент).
Иногда приводимые в литературе значения летальных доз для чело-
века имеют случайный характер в связи с недостатком информации по
картине отравления. Например, не указывается, выделялся ли яд при
рвоте или диарее; проводились ли терапевтические мероприятия и от че-
го наступила смерть. Значения DL50 для экспериментальных животных
могут быть определены с более высокой точностью и воспроизводимо-
стью при проведении эксперимента в соответствии со стандартизиро-
ванными программами. Однако результаты экспериментов, полученные
у животных, нельзя полностью перенести на человека без учета видовой
реактивности (см. ч. 4 гл.2). Например, DL50 атропина для человека со-
ставляет 1,5 мг/кг, а для кролика это значение в 1000 раз выше — 1,5 г/кг,
что объясняется присутствием у кролика фермента, катализирующего
разрыв сложноэфирных связей тропановых алкалоидов.
Глава 3. О Классификация ядов. Токсические дозы 0 29
Крысы и мыши — самые мелкие лабораторные животные, которые,
как и человек, питаются растительной и животной пищей, а значит,
имеют близкие ферментные системы. Однако никакая оценка риска те-
ратогенного, мутагенного или канцерогенного воздействия на живот-
ных не может быть абсолютно перенесена на человека, так как патоло-
гические изменения, возникающие у человека, могут отсутствовать или
по-другому проявляться у животных.
Для токсичных газов, паров и аэрозолей дозы представляют в виде
объемных концентраций в миллиграммах на литр, миллиграммах или
молях на метр кубический (мг/л, мг/м3, моль/м3). Только последняя
размерность позволяет сравнивать токсичность различных веществ.
Иногда используют так называемые миллионные доли, выраженные в
частях на миллион (ч/млн, ppm — parts per million) или в сантиметрах
кубических на метр кубический (см3/м3).
При представлении результатов определения токсичности летучих
веществ необходимо указать продолжительность ингаляции и время
гибели животного или появление токсического эффекта у человека.
Например, при воздействии токсиканта в течение 4 ч 50% особей по-
гибли в последующие 48 ч наблюдения. Количественной характери-
стикой токсичности при ингаляционном действии вещества является
также произведение концентрации на время воздействия токсиканта
(C-t).
В некоторых странах широко используется термин «допустимое су-
точное поглощение» {acceptable daily intake — ADI), который позволяет
оценить суточную дозу поглощаемого химического вещества, не пред-
ставляющую ощутимого риска в течение жизни человека. t Значения
ADI имеют размерность миллиграммы на килограмм массы тела в сутки
[мг/(кг • сут)] и используются для пестицидов и пищевых добавок. На-
пример, фирма «Кока-кола» дает информацию о величинах AD1 неко-
торых компонентов, содержащихся в производимых напитках.
Степень токсичности вещества характеризуется также предельно до-
пустимой концентрацией (ПДК). ПДК были введены для нормирования
допустимого содержания токсикантов при защите от профессионально-
го воздействия или загрязнений окружающей среды. Это максимальное
количество вещества в единице объема воздуха или воды, которое при
ежедневном воздействии на организм в течение длительного времени
не вызывает в нем патологических изменений, а также не нарушает
нормальную жизнедеятельность человека. В разных странах разработа-
ны инструкции, устанавливающие безопасные ПДК химических ве-
ществ в воздухе рабочей зоны.
30 Ф Часть 1 О Основы токсикологической химии
Для того чтобы учесть различные условия вредных воздействий, ис-
пользуют 3 категории ПДК. Среднесменная ПДК в воздухе рабочей зо-
ны — наибольшая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей
зоны, которая при ежедневной работе (кроме выходных дней), но не бо-
лее 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не может вызывать за-
болевание или отклонение в состоянии здоровья, обнаруживаемое сов-
ременными методами исследований, в процессе работы или в
отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. ПДК
для коротких интервалов времени — максимальная концентрация, ко-
торая не может быть превышена в течение не более чем 15-минутной
экспозиции. Максимальная ПДК — концентрация, которая никогда не
должна превышаться.
Расчет ПДК при комбинированном воздействии ведется в предполо-
жении аддитивности эффектов отдельных компонентов, т.е. как средне-
арифметическая величина. Это порождает принципиальную ошибку
оценки токсичности комбинированного воздействия ксенобиотиков,
поскольку механизмы этих воздействий чаще всего отличаются от адди-
тивных (см. ч. 2, гл. 5).
В соответствии с общепринятыми токсическими дозами вещества
разделяют на чрезвычайно токсичные, высокотоксичные, умеренно ток-
сичные, малотоксичные (табл. 3).
При определении токсической дозы вещества экспериментально ис-
следуют зависимости доза—ответ, которые в классическом варианте
имеют S-образную форму (см. рис. 2). В тройных координатах доза—от-
вет—время учитывается кинетическая (временная) составляющая ток-
сического воздействия.
Таблица 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ПО СТЕПЕНИ ТОКСИЧНОСТИ
Показатель Чрезвычайно токсичные Высоко- токсичные Умеренно токсичные Мало- токсичные
ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3 <0,1 0,1-1 1,1-10 > 10
DL50 при введении в желудок, мг/кг < 15 15-150 151-5 000 >5000
Среднесмертельная концентрация в воздухе, мг/м3 <500 500-5000 5001—50 000 > 50 000
Глава 3. Q Классификация ядов. Токсические дозы Ф 31
Величина токсической дозы и реакции организма на воздействие то-
ксиканта зависит от пути его поступления в организм, вида животных,
индивидуальной реактивности организма (возраст, пол, наследствен-
ные особенности, приобретенные заболевания и способы их лечения).
Следует еще раз подчеркнуть, что данные, представленные в табл. 3,
приведены в массовых единицах, а значит, должны быть пересмотрены
в соответствии с требованиями международной системы, т.е. в едини-
цах количества вещества (в молях). Токсическое действие химического
вещества в организме всегда зависит от его природы, комбинации с
другими веществами, в том числе и с примесями. Таким образом, ток-
сичность — это интегральный показатель реакции организма на воз-
действие токсиканта.
3. Классификация токсикантов
Классификация ядов может быть проведена в соответствии с меха-
низмами и степенью воздействия на организм.
Например, яды можно разделить на две группы по абсорбционной
способности. Токсиканты первой группы вызывают местное раздраже-
ние (воспалительные процессы) кожных покровов или слизистой обо-
лочки и не проникают внутрь организма (например, концентрирован-
ные кислоты, едкие щелочи). Однако чаще встречаются так называемые
абсорбционные яды, попадающие в системный кровоток и вызываю-
щие общие токсические реакции. Токсические эффекты раздражающих
ядов зависят в первую очередь от дозы. При действии абсорбционных
ядов весьма существенным оказывается путь поступления в организм:
пероральный или парентеральный.
Химическая классификация предусматривает деление всех токси-
кантов на органические, неорганические и элементоорганические.
Большое значение для профилактики отравлений имеет практиче-
ская классификация токсичных веществ. В соответствии с этой класси-
фикацией различают:
— промышленные яды: органические растворители (дихлорэтан, че-
тыреххлористый углерод), топливо (пропан, бутан), красители (анилин,
индофеноловые соединения), хладоагенты (фреоны), химические реа-
генты (метанол, уксусный ангидрид), пластификаторы (диметилфталат)
(см. ч. 4 гл. 3);
— пестициды (см. ч. 4 гл. 4), которые в зависимости от назначения
делят на инсектициды (уничтожают насекомых), акарициды (уничто-
жают клещей), зооциды (уничтожают грызунов), фунгициды (уничто-
жают грибковые микроорганизмы), бактерициды (уничтожают бакте-
32 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
рии), гербициды (губительно действуют на растения), в том числе дефо-
лианты (используют для удаления листьев растений) и десиканты (для
высушивания листьев), репелленты (отпугивают насекомых);
— лекарственные средства, имеющие свою химическую или фарма-
кологическую классификацию;
— бытовые токсиканты — пищевые добавки (например, уксусная
кислота); средства санитарии, личной гигиены и косметики; средства
ухода за одеждой, мебелью, автомобилем;
— биологические растительные и животные яды, которые содержат-
ся в различных растениях и грибах (аконит, цикута и др.), животных и
насекомых (змеи, пчелы, скорпионы и др.) и вызывают отравления при
попадании в организм человека;
— боевые отравляющие вещества (БОВ), которые применяются в ка-
честве токсического оружия для массового уничтожения людей (зарин,
иприт, фосген и др.).
Общее признание получила гигиеническая классификация ядов, в
основе которой лежит количественная оценка токсической опасности
химических веществ в соответствии со значениями токсикологических
параметров (DL50, ПДК и др.). Пользуясь этой классификацией, ток-
сичное вещество можно отнести к определенному классу токсичности,
отражающему его большую или меньшую опасность (см. табл. 3).
Для клинической токсикологии имеет значение токсикологиче-
ская классификация ядов, т.е. разделение химических веществ по дей-
ствию на организм (табл. 4). Она выделяет физиологические системы,
работа которых нарушается при действии токсиканта. Такая класси-
фикация помогает установлению первичного клинического диагноза
отравления.
Токсикологическая классификация не ограничивается примерами,
приведенными в табл. 4, многие ксенобиотики этих классов и патофи-
зиологические аспекты их воздействия будут рассмотрены в части 4
учебника.
Токсикологическая классификация ядов носит общий характер. Бо-
лее детально яды можно классифицировать, принимая во внимание
процессы формирования токсических эффектов при их взаимодейст-
вии с рецепторами токсичности, расположенными в органах/систе-
мах—мишенях, т.е. в соответствии с избирательной токсичностью
(табл. 5).
Раздражающие вещества, или ирританты, в незначительных концен-
трациях избирательно возбуждают чувствительные нервные окончания
слизистых оболочек верхних дыхательных путей, глаз и кожных покро-
Глава 3. Q Классификация ядов. Токсические дозы 0 33
Таблица 4. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДОВ
Токсичные вещества Особенности действия
Цианиды и синильная кислота HCN, угарный газ СО, этанол, этиленгликоль Летучие яды (хлорпроизводные угле- водородов, уксусная кислота, арсин AsHj и другие летучие гидриды р-эле- ментов, пары металлической ртути) Фосфорорганические инсектициды (карбофос), алкалоиды (никотин и др.) Наркотические и психотропные вещества (кокаин, опий, диэтиламид лизергиновой кислоты) Оксиды азота N2O, NO, NO2, фосген СОС12 Хлорпикрин (трихлорнитрометан), пары кислот и щелочей Общетоксическое действие (гипоксические судороги, отек мозга, параличи) Кожно-резорбтивное действие с общетоксическими явлениями Нервно-паралитическое действие (бронхоспазм, удушье, судороги и параличи) Психотропное действие (нарушение психической активности) Удушающее действие (токсический отек легких) Слезоточивое и раздражающее действие (раздражение слизистых оболочек)
Таблица 5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДОВ ПО ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ТОКСИЧНОСТИ
Токсичные вещества Действие на орган/ систему-мишень
Сердечные гликозиды, трициклические антидепрессанты, избыток иона калия Кардиотоксическое
Наркотические анальгетики, транквилизаторы, снотворные средства, фосфорорганические соединения, угарный газ, спирты Нейротоксическое
Органические растворители (летучие яды), спирты и гликоли, ядовитые грибы Гепатотоксическое
Соли тяжелых металлов, гликоли Нефротоксическое
Ароматические амины, летучие гидриды p-элементов (арсин, фосфин и др.), нитриты Гематотоксическое
Концентрированные кислоты и щелочи Гастроэнтеротоксическое
34 0 Часть 1 § Основы токсикологической химии
вов. К ним, например, относятся хлорацетофенон и другие летучие яды
(см. ч. 4). К едким ядам относятся сильные неорганические (минераль-
ные) кислоты, щелочи, соли щелочных металлов. Вещества этой груп-
пы взаимодействуют с тканями в месте соприкосновения, вызывают
раздражающий, прижигающий, некротизирующий эффект, т.е. оказы-
вают резко выраженное местное деструктивное действие.
Тяжелые формы острых отравлений сопровождаются выраженным
кислородным голоданием организма — гипоксией, поэтому для клини-
ческой токсикологии важна классификация ядов по типу развиваю-
щейся гипоксии. Например, гемическая гипоксия выражается в нару-
шении транспорта кислорода кровью, тканевая гипоксия связана с
нарушением окислительно-восстановительных процессов в связи со
снижением или потерей активности ферментов, в частности семейства
цитохромов Р450.
Как видно из многочисленных примеров, одно и то же химическое
вещество может относиться к различным классам токсикантов, что
лишний раз подчеркивает ограниченность любой классификации.
ГЛАВА 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОТРАВЛЕНИЙ
По данным токсикологических центров, спектр острых отравлений
в разных странах примерно одинаковый. В развитых странах преобла-
дают отравления психотропными средствами, нестероидными проти-
вовоспалительными средствами и препаратами бытовой химии, в
странах Африки и Латинской Америки — химическими веществами,
применяемыми в сельском хозяйстве. Установлены 10 групп соедине-
ний, наиболее опасных по последствиям отравлений у детей и взрос-
лых. Это антидепрессанты, анальгетики, седативные средства, улич-
ные наркогены, сердечно-сосудистые препараты, спирты, гликоли,
токсичные дымы и газы, химические реагенты, средства для лечения
бронхиальной астмы.
В крупных токсикологических центрах разных стран существуют
банки данных о токсической опасности химических веществ, клиниче-
ских проявлениях и способах лечения отравлений. Эти сведения исполь-
зуются для быстрого получения информации и лечения отравлений.
В детском возрасте до 80% острых отравлений возникает по двум
причинам: ребенок съедает таблетки, оставленные в доступном мес-
те, или родители ошибаются в выборе лекарства и дозы. Подростки
могут сознательно использовать одно или несколько лекарств с це-
лью суицида.
Глава 4. О Классификация отравлений 0 35
1. Классификация в соответствии со способом отравления
Классификация отравлений проводится по причине их возникнове-
ния. Отравления могут быть случайными (авария на производстве или не-
счастный случай в быту, алкогольная или наркотическая интоксикация,
передозировка лекарственных средств) и преднамеренными (криминаль-
ные с целью убийства или приведения в беспомощное состояние, суици-
дальные, полицейские, например в результате применения слезоточиво-
го газа, боевые, например, при применении химического оружия). По
этиологическому и патогенетическому признаку отравления разделяют
на производственные и бытовые, т.е. по условиям и месту развития.
Отравления, возникающие при поступлении яда из окружающей
среды, называют экзогенными, в отличие от эндогенных интоксикаций то-
ксичными метаболитами, которые могут образоваться и накапливаться
в организме при различных заболеваниях, чаще связанных с нарушени-
ем функции органов выделения (почки, печень и т.д.).
Экзогенные отравления разделяют в зависимости от пути поступле-
ния токсичного вещества в организм. Например, среди бытовых отрав-
лений широко представлены пероральные, которые связаны с поступле-
нием ядов через рот. К этой категории относится большая группа
пищевых отравлений, когда яд попадает в организм с пищей. Напротив,
среди производственных преобладают ингаляционные отравления, воз-
никающие при вдыхании токсичных веществ, находящихся в окружаю-
щем воздухе. Кроме того, часто встречаются перкутанные (чрескожные)
отравления при проникновении токсичных веществ через незащищен-
ные кожные покровы.
Инъекционные отравления наблюдаются при парентеральном введе-
нии яда, например при укусах змей и насекомых, а полостные — при по-
падании яда в прямую кишку и влагалище.
Кроме того, в медицинской литературе встречаются обозначения от-
равлений соответственно происхождению вызвавшего их токсичного
вещества. Например, отравления лекарственными средствами получи-
ли наименование лекарственных (медикаментозных, ятрогенных).
2. Клиническая классификация отравлений
Клиническая классификация отравлений основана на особенностях
клинического течения отравления, его тяжести и осложнений. В клини-
ческой токсикологии рассматривают классификацию отравлений, осно-
ванную на воздействии отдельных веществ или их групп. К одной группе
могут быть отнесены вещества, различные по химической природе, но с
идентичным патогенезом токсического действия. В такой классифика-
36 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
ции отравлений могут использоваться названия отдельных химических
веществ (арсин, угарный газ) или групп веществ (кислоты, щелочи).
Отравления бывают легкими, среднетяжелыми, тяжелыми, крайне
тяжелыми и смертельными в зависимости от выраженности клиниче-
ских симптомов.
Действие токсичного агента на животных токсикологи обычно под-
разделяют на 4 категории: острое, подострое, субхроническое и хрониче-
ское. Острое воздействие длится менее 24 ч и, как правило, бывает од-
нократным. При изучении острых воздействий в экспериментах на
животных повторно в течение 1 сут вводят только нетоксичные или ма-
лотоксичные вещества. Продолжительность острого воздействия при
ингаляционном введении химического агента обычно составляет 1—4 ч.
Острые отравления имеют острое начало и выраженные специфические
симптомы. Острое отравление может вызвать необратимые изменения
в организме и привести к хроническим заболеваниям.
Повторные воздействия разделяют на подострые, субхронические и
хронические. Подострое отравление предполагает повторное введение
токсичного вещества в течение 1 мес или менее, субхроническое — от 1
до 3 мес, хроническое — более 3 мес.
Хронические отравления развиваются при длительном, часто пре-
рывистом поступлении ядов в малых, субтоксических дозах (например,
действие тетраэтилсвинца на автотрассах). Заболевание начинается с
появления неспецифических симптомов, свидетельствующих о пора-
жении нервной или эндокринной системы. При воздействии очеред-
ной небольшой дозы могут появиться острые симптомы. Реакцию ор-
ганизма на воздействие токсиканта, проявляющуюся через длительное
время после воздействия яда, называют отдаленным последствием. Та-
кие последствия возможны при хронических отравлениях бензолом,
галогенпроизводными углеводородов, нитрозаминами, органическими
производными фосфорной кислоты, диоксинами (2,3,6,7-тетрахлоро-
дибензодиоксина) и другими химическими соединениями.
DL50 при хроническом отравлении может быть значительно ниже,
чем при острых (рис. 7). Так, например, в хроническом эксперименте на
мышах при введении индометацина DL50 составила 33 мг/кг (наблюде-
ние в течение 14 сут). При оценке острой токсичности DL50 равнялась
892 мг/кг (наблюдение в течение 24 ч). Таким образом, для хроническо-
го и острого опытов значения DL50 имели почти 30-кратное различие
(см. рис. 7).
Граница между острым и хроническим отравлением не абсолютна,
поэтому применяемый в токсикологии термин «подострые отравления»
Глава 4. О Классификация отравлений 0 37
отражает продолжительность или частоту введения яда и длительность
латентного периода — время до проявления признаков токсичности.
При подострых отравлениях при однократном поступлении в организм
токсических доз яда клиническое течение отравления замедлено. По па-
тогенезу и симптоматике этот вид более близок к острому отравлению.
На определенном этапе хронического отравления при повторном
введении яда могут развиться признаки острого отравления, например
повышенная возбудимость при отравлении соединениями или парами
ртути. Некоторые вещества могут проявлять только острую токсичность
(цианид водорода), другие, например порошок кварца, проявляют в ос-
новном хроническую токсичность. Однако большинство токсичных ве-
ществ в зависимости от дозы способны проявлять как хроническую, так
и острую токсичность. Специфические симптомы хронического и ост-
рого отравления наблюдаются, например, при воздействии соединений
мышьяка, барбитуратов, бензола, ртути (см. ч. 4).
Почти все случайные и смертельные отравления относятся к катего-
рии острых. Профессиональные отравления (например, отравление па-
рами металлов в условиях медеплавильного цеха) и воздействие токси-
кантов окружающей среды (токсичные вещества, содержащиеся во
вдыхаемом воздухе, воде и продуктах питания), как правило, хрониче-
Рис. 7. Сравнение хронической (1) и острой (2) токсичности индометацина
(по Beyer К.Н., 1999).
38 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
ские. При хроническом отравлении оценка опасности затруднительна,
так как, кроме поступления ядовитого вещества, организм подвергает-
ся воздействию и других факторов окружающей среды. Таким образом,
организм испытывает комбинированное воздействие химических ве-
ществ и физических факторов (электромагнитные поля, радиоактивное
излучение, ультразвук и др.), поэтому трудно выделить и описать дейст-
вие одного токсиканта. Необходима большая исследовательская работа
по выявлению различных воздействий всех новых химических веществ,
будь то лекарственные средства или компоненты пищи, одновременно
с физическими факторами (см. ч. 4). При изучении хронической ток-
сичности большое внимание следует уделять мутагенным, тератоген-
ным и канцерогенным воздействиям.
Ранее подчеркивалось, что отравления можно рассматривать как
«химическую травму» вследствие попадания в организм токсической
дозы чужеродного химического вещества (ксенобиотика). Диагностику
отравлений проводят по совокупности клинических симптомов, оцени-
вая причины отравления и учитывая результаты химико-токсикологи-
ческого анализа. Правильность диагноза зависит от многих факторов:
состояния больного, отсутствия полных сведений об отравлении, нали-
чия и продолжительности латентного периода при хроническом отрав-
лении, нехарактерных симптомов, возникающих при комбинирован-
ном воздействии токсикантов.
ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ДЕТОКСИКАЦИИ. АНТИДОТЫ
1. Периоды отравления
Рассматривая отравления как заболевания химической этиологии,
остановимся на периодах отравления, методах детоксикации, в частно-
сти, на особенностях антидотной терапии.
Клиническая токсикология рассматривает несколько периодов от-
равления. Скрытый период характеризуется отсутствием соответствую-
щих симптомов. Токсикогенный период начинается с первыми клиниче-
скими симптомами и заканчивается после окончательной элиминации
яда из организма. В соматогенном периоде возникают органные и поли-
органные повреждения уже после элиминации яда. Восстановительный
период может длиться 2 года и более с сохранением остаточных призна-
ков нарушений нервной, эндокринной и иммунной систем.
Периоды отравления можно продемонстрировать с помощью токси-
кокинетической кривой (рис. 8), из которой видно, что клинические
симптомы отравления появляются еще до достижения максимальной
Глава 5. О Методы детоксикации. Антидоты Q 39
концентрации яда в организме, а соматогенный и восстановительный
периоды наступают после полной элиминации яда.
Длительность токсикогенного периода зависит от токсико-кинети-
ческих особенностей токсичного вещества. Например, его продолжи-
тельность для соединений некоторых тяжелых металлов достигает 8—
12 сут, а для цианидов может составлять доли минуты.
Методы детоксикации зависят от периода отравления. В токсико-
генном периоде детоксикация представляет собой этиотропное (от
греч. aitia — причина) лечение. Эффективность лечения выше, если ме-
тоды активной детоксикации применяют как можно раньше — до рас-
пределения яда в организме.
В соматогенном периоде детоксикационные функции органов нару-
шены и методы детоксикации становятся патогенетическими. При тя-
желых отравлениях лечение реанимационное.
Рис. 8. Кинетическая кривая накопления и элиминации токсиканта.
А — скрытый период отравления; Б — токсикогенный период;
В — соматогенный период; Г — период восстановления.
40 Q Часть 1 Q Основы токсикологической химии
2. Детоксикация при отравлении
Для лечения отравлений необходимы прекращение воздействия то-
ксичных веществ и удаление их из организма, т.е. детоксикация. Для
этого применяют стимуляцию естественной детоксикации, а также ме-
тоды искусственной и антидотной детоксикации.
Рассмотрим каждый из методов детоксикации более подробно. Для
стимуляции естественной детоксикации, т.е. усиления физиологиче-
ских процессов выведения яда из организма, используют очищение же-
лудочно-кишечного тракта, форсированный диурез, регуляцию актив-
ности ферментов, создание гипер- и гипотермии. Соответственно
применяют рвотные и слабительные средства, осмотические диуретики
и салуретики, препараты, обеспечивающие водно-электролитный го-
меостаз.
Следует отметить, что стимуляция естественных механизмов деток-
сикации возможна только при условии сохранения функции элимини-
рующих систем организма.
Форсированный диурез — наиболее распространенный метод консер-
вативного лечения отравлений, когда токсичные вещества выводятся
преимущественно почками. Форсированный диурез был впервые ис-
пользован в терапии острых отравлений барбитуратами — внутривен-
ное введение большого количества изотонического раствора хлорида
натрия и ртутных диуретиков. При применении форсированного диуре-
за для восстановления кислотно-основного состояния и эффективного
выведения барбитуратов из организма целесообразно парентеральное
введение раствора водородкарбоната натрия (КаНСОз).
Метод форсированного диуреза остается достаточно универсальным
способом быстрого удаления из организма не только барбитуратов, но и
морфина, фосфорорганических инсектицидов, хинина и пилокарпина,
дихлорэтана, солей тяжелых металлов и других токсикантов, которые
элиминируются почками.
Для очищения желудочно-кишечного тракта применяют простое
или зондовое промывание желудка. Для промывания кишечника ис-
пользуют зондовый лаваж, клизмы, солевые, масляные, растительные
слабительные средства. В некоторых случаях проводят электростимуля-
цию кишечника.
При отравлении токсичными газами, например угарным газом, по-
казана лечебная гипервентиляция легких.
Усиления естественной детоксикации можно достигнуть также регу-
ляцией ферментативной активности, гипербарической оксигенацией.
Глава 5. Q Методы детоксикации. Антидоты <>41
Большинство методов искусственной детоксикации организма осно-
вано на разведении, диализе и сорбции, это разведение и замещение
крови (лимфы), например гемаферез (замещение крови), плазмаферез
(замещение плазмы) с использованием различных крове- и плазмоза-
менителей.
Методики плазмафереза включают в себя извлечение плазмы крови
и ее замещение плазмозамещающими растворами (сухой плазмы, аль-
бумина) или возвращение плазмы в организм больного после ее очище-
ния (диализ, фильтрация, сорбция).
Диализные и фильтрационные методы включают гемо-, плазмо-,
лимфодиализ, перитонеальный и кишечный диализ, ультрафильтра-
цию, гемофильтрацию. Диализ (разделение) — процесс удаления низ-
комолекулярных веществ, основанный на способности полупроницае-
мых мембран пропускать низкомолекулярные вещества и ионы,
соответствующие по размеру их порам (до 50 нм), и задерживать колло-
идные частицы и молекулы высокомолекулярных соединений. Совре-
менные диализаторы снабжены высокопроницаемой полисульфоновой
мембраной, и их можно использовать для ультрафильтрации.
Среди многих методов внепочечного очищения организма перито-
неальный диализ считается наиболее простым и общедоступным. Одна-
ко опасность развития перитонита долго препятствовала широкому
распространению этого метода. Благодаря применению антибиотиков
перитонеальный диализ стал одним из основных хирургических мето-
дов искусственного очищения организма при ряде острых экзогенных
отравлений.
Для искусственной детоксикации используют сорбционные мето-
ды (гемо-, плазмо-, лимфосорбция, энтеросорбция). Сорбция (по-
глощение) — процесс поглощения молекул токсиканта поверхно-
стью твердого тела или жидкости. В отличие от диализа и
фильтрации, позволяющих выводить из организма низкомолекуляр-
ные токсичные вещества, при гемосорбции возможно выведение бо-
лее крупных молекул.
Выбор метода детоксикации обусловлен физико-химическими
свойствами, природой и дозой токсичного вещества, экспозицией яда,
тяжестью отравления.
3. Применение антидотов при отравлениях
Антидотная терапия занимает особое место при детоксикации. Ан-
тидотная терапия эффективна только в раннем токсикогенном периоде
острых отравлений (см. рис. 8).
42 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
Антидот, или противоядие, — лекарственное средство, обезврежи-
вающее яд путем химического или физико-химического взаимодейст-
вия с ним или уменьшающее вызванные им нарушения в организме.
Согласно определению экспертов Международной программы хи-
мической безопасности ВОЗ, антидотом является препарат, способный
ослаблять или устранять специфические эффекты ксенобиотика в ре-
зультате его иммобилизации и уменьшения концентрации (химическое
взаимодействие — окисление, восстановление, осаждение, хелатообра-
зование; изменение метаболизма; адсорбция) или противодействия на
уровне рецептора (фармакологические антагонисты).
Антидотная терапия высокоспецифична и используется только при
достоверно установленном клинико-лабораторном диагнозе. При оши-
бочном введении антидота, особенно в большой дозе, возможно токси-
ческое воздействие на организм самого антидота. Антидотная терапия
нецелесообразна в соматогенном периоде острых отравлений, когда
элиминация яда практически завершена.
Методы детоксикации при подострых и хронических отравлениях
имеют свои особенности. В этих случаях выведение токсичных веществ
затруднено, так как возможно депонирование токсиканта (Тох) в орга-
низме, сопровождающееся его прочным связыванием с клеточными ре-
цепторами (R):
Тох + R -» Тох — R.
Гемодиализ и гемосорбция зачастую оказываются малоэффективны-
ми. При лечении хронических отравлений следует применять лекарст-
венные средства, воздействующие не только на сам ксенобиотик, но и
на продукты его метаболизма.
Средства антидотной детоксикации позволяют непосредственно
воздействовать на токсичное вещество или его рецепторы. Специфиче-
ские антидоты существуют для небольшого числа ксенобиотиков (при-
менение антидотов ограничено 5% острых отравлений), а механизмы их
действия разнообразны, поэтому любая систематизация противоядий
условна. В клинической токсикологии выделяют химические противо-
ядия контактного действия, биохимические (токсикокинетические)
противоядия, фармакологические (симптоматические) антагонисты,
иммунохимические противоядия (табл. 6).
К ним относятся соединения, обезвреживающие яд при различных
химических реакциях: кислотно-основных, окислительно-восстанови-
тельных, комплексообразования, осаждения. Например, тиосульфат-
ном ВгОз2- превращает цианиды CN" в менее токсичные роданиды
SCN"; сульфат-ион SO42“ приводит к осаждению токсичных ионов ба-
Глава 5. О Методы детоксикации. Антидоты 43
Таблица 6. АНТИДОТЫ И МЕХАНИЗМЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ
Антидот
Класс
Характеристика
Активированный
уголь С
Неспецифический
химический
антидот
Адсорбирующее средство.
Поглощает газы, токсины, умень-
шает всасывание и способствует
их выведению из организма
Адсорбирующее средство
с высокой сорбционной
способностью (адсорбирует
алкалоиды, соли тяжелых
металлов, алкоголь
и другие яды)
Неогемодез
Аммония хлорид
(3% раствор) NH4C1
Неспецифический
химический
антидот
Специфический
химический
антидот
Дефероксамин
Дитиоглиперол
н2с—SH
НС —SH
1
н2с—он
Специфи ческий
химический
антидот
Специфический
химический
антидот
Адсорбирующее средство (адсор-
бирует ксенобиотики и бактери-
альные токсины, продукты гемо-
лиза крови, барбитураты и др.)
Образует нетоксичные
или малотоксичные
соединения с формальдегидом
Комплексообразующее средство
при острой и хронической инток-
сикации железом, в том числе
при гемотрансфузиях; не взаимо-
действует с железом цитохрома,
гемоглобина и миоглобина
Связывает ионы мышьяка, сурь-
мы, золота, меди, никеля и ртути,
но неприменим при отравлениях
соединениями свинца, железа,
селена и теллура, а также для па-
циентов с нарушениями функций
печени и гипертонией
44 0 Часть 1 Q Основы токсикологической химии
Продолжение табл. 6
Антидот Класс Характеристика
Кальция глюконат Специфический Образует нетоксичные
„ ОН - химический или малотоксичные соединения
Н2н н 1 н _ Са2+ но-с-с-с— с-с-соо va Г 1 Н 1 он он он J2 антидот со стронцием, радием,
фторид-ионами
Меркаптамин Специфический Комплексообразующее
н химический средство, тиоловый антидот,
’ НС1 s н антидот используемый при отравлениях тяжелыми металлами
Натрия сульфат Специфический Образует нетоксичные
Na2SO4 химический или малотоксичные
f антидот соединения с ионами бария
Натрия тиосульфат Специфический Образует нетоксичные
Na? S2O3 химический антидот или малотоксичные соединения с ионами мышьяка, сурьмы, свинца, ртути, таллия, висмута и цианидами
Натрия хлорид NaCl Специфический химический антидот Образует нетоксичные или малотоксичные соединения с бромидами, нитратом серебра и др.
Пеницилламин Специфический химический Комплексообразующее дезинтоксикационное средство
У— СЛ . / \ Z-E / Я К антидот при отравлении соединениями тяжелых металлов (свинца, золота, кобальта, меди, ртути)
о/хо
Пентацин Специфический Антидот — комплексон
^0 химический при отравлении соединениями
Н2 Н2 H2c'^4ONa NaO"" \ Н jcL )Ca-nH2O H2C’c2Vo антидот свинца, плутония, цезия, цинка, циркония, иттрия
с'° ONa I
Унитиол Специфический Прочное связывание ионов
H2C-SH химический тяжелых металлов
1 НС—SH 1 H2C~SO5Na антидот и мышьяка (III) тиоловыми группами с образованием водорастворимых продуктов
Глава 5. Q Методы детоксикации. Антидоты Q 45
Продолжение табл. 6
Антидот Класс Характеристика
Уротропин (метенамин) Специфический химический антидот Применяется при отравлении фосгеном
Н2с^ СН2 ^сн2
Z=— Ап Я П Z М \ Л Z
Холестира! н? н ЛИН н2 н Специфический химический Применяется при отравлении дигитоксином и другими
I н2 антидот препаратами наперстянки
kJ tHj - сн» J Т Х|_ тсн, ?- Y
1/ бдтл н NaOOCH2Cx I У zCH2COONa Специфический химический антидот Комплексообразующее и дезинтоксикационное средство при отравлениях соединениями тяжелых металлов (свинца, меди, марганца, урана)
НООСН2С'14 СН2СООН
Сыворотка противо- ботулиническая типов А, В, С, Е Иммуноантидот Антидот для токсинов Clostridium botulinum
Метилтиониния хлорид 1 гоа сг ЧН2О Биохимический антидот В низких концентрациях способствует восстановлению метгемоглобина в гемоглобин (акцептор протонов в окисли- тельно-восстановительных реакциях) при отравлениях циа- нидами, оксидом углерода (II), сероводородом, нитратами, анилином
Этанол С2Н5ОН Биохимический антидот Антидот при отравлении метиловым спиртом, этиленгликолем, антифризами
Атропина сульфат О снчоя 1 Биохимический/ фармакологический Применяется при отравлении фос- форорганическими инсектицида-
1 \-CH^—o-JL< :н-Сбн4 ’ HjS°4 * н2° антидот ми (карбофос, хлорофос, метафос
J2 и др.), сердечными гликозидами, к :офе.типом, пилокарпином
46 0 Часть 1 0 Основы токсикологической химии
Продолжение табл. 6
Антидот Класс Характеристика
Викасол о ГТТ -з1ьо SOjNa О Димедрол О н2 Н2 /СНз сн-о—с-с-н -на СНз О Налоксон НгС-сн=сН2 N #Чн0Ил \ /—/ HCI НО О О Налтрексон но,-.^ °' Xх а ' Т*он Прозерин г сг°тЯ - снз^ НзС-в-ОЪ СНз Фентоламин СНз Ч-л С-\ ] НС1 С/1 “ Биохимический/ фармакологический антвдот Биохимический/ фармакологический антвдот Биохимический/ фармакологический антвдот Биохимический/ фармакологический антвдот Биохимический/ фармакологический антвдот Биохимический/ фармакологический антидот Антвдот для неодикумарина, фенилина и других антикоагулянтов непрямого действия Антидот для гистамина Блокатор опиатных рецепторов, ослабляет эффекты опиоидных агонистов Блокатор опиатных рецепторов, ослабляет эффекты опиоидных агонистов Антидот для диплацина и других недеполяризирующих миорелак- сантов (тубокурарин хлорид, ардуан и др.) Антидот для адреналина
Глава 5. Ф Методы детоксикации. Антидоты 0 47
Продолжение табл. 6
Антвдот Класс Характеристика
Фитоменадион О [1 JL JL [ Н2Н2В,Н 1 Флумазенил V--COOC2H5 Xjf 1 U снз о Биохимический/ фармакологический антидот Биохимический/ фармакологический антидот Антидот для неодикумарина, фенилина и других антикоагулянтов непрямого действия Конкурентно блокирует бензоди- азепиновые рецепторы
рия Ва2+ в виде малорастворимого сульфата BaSO4; этилендиаминтет-
раацетат (ЭДТА) связывает токсичный ион свинца в прочный хелатный
комплекс. Эффективность антидотов этой группы зависит от клиниче-
ского состояния больного, а также от токсикокинетических и токси-
кодинамических факторов (поглощенной дозы, типа экспозиции яда,
периода его полувыведения, механизмов связывания яда с клеточными
рецепторами, химической природы метаболитов токсиканта). Если пе-
риод полувыведения антидота меньше, чем токсиканта, то проводят по-
вторные курсы антидотной терапии. Иногда необходимо длительное
применение антидота повторными курсами.
Химические противоядия контактного действия включают в себя
специфические и неспецифические антидоты В основе действия неспе-
цифических антидотов лежит физико-химический процесс — адсорбция.
Например, неспецифическими антидотами являются активированный
уголь, специальные смолы, лигнин.
Специфические метаболические (биохимические, токсикокинетические)
противоядия способны изменять механизмы метаболических процессов
с участием токсичных веществ. Например, при отравлении метгемогло-
бинобразователями, в том числе цианидами, применяют метиленовый
синий — тетраметилтионина хлорид, который в крови способен окислять
железо (II) гемоглобина, т. е. превращать его в метгемоглобин. Попавшие
в кровь цианиды образуют более прочные связи с метгемоглобином, по-
кидая менее прочные центры связывания — геминовые структуры тка-
ней. Происходит восстановление функции цитохромоксидаз тканей.
Комплекс MetHb • CN- постепенно отщепляет цианид в печени и мета-
болизируется до безопасных продуктов.
48 Q Часть 1 Q Основы токсикологической химии
Связывание цианида можно усилить введением специфического хи-
мического антидота — натрия тиосульфата:
S2O32-
CN" —* SCN-
Этанол при отравлениях метанолом или двухатомными спиртами
конкурентно быстро взаимодействует с алкогольдегидрогеназой и пре-
пятствует участию этого фермента в образовании токсичных метаболи-
тов метанола (муравьиной кислоты и формальдегида) и этиленгликоля
(гликолевой, глиоксиловой и щавелевой кислот).
К группе биохимических антидотов следует отнести также цинка
сульфат, используемый при отравлении соединениями меди (II) (см.
ч. 4 гл. 5), в частности при генетическом нарушении контроля со-
держания меди в организме — болезни Вильсона—Коновалова. Вве-
дение ионов цинка катализирует синтез металлотионеинов, а обра-
зующиеся при этом прочные тиолаты меди выводятся из организма
(рис. 9).
Группу фармакологических антагонистов образуют вещества, конку-
рирующие с ядом в действии на клеточные рецепторы. Это реактивато-
ры холинэстеразы при отравлениях фосфорорганическими пестицида-
ми, атропин как антидот при отравлении пилокарпином, налорфин при
отравлении морфином, ионы калия при отравлении сердечными глико-
зидами.
Среди фармакологических антагонистов имеется группа лекарст-
венных средств, относящихся к синаптотропным препаратам. Напри-
мер, флумазенил применяют при отравлении бензодиазепинами.
Рис. 9. Металлотионеиновые кластерные
комплексы двухвалентных металлов
(ЯМР-исследования) (по Cowan J.A., 1997).
Глава 5. О Методы детоксикации. Антидоты Q 49
Фармакологические антидоты позволяют купировать большинст-
во, но не все симптомы интоксикации, так как антагонизм обычно
не бывает полным. При этом могут развиваться побочные эффекты,
поскольку конкурентное действие предполагает использование вы-
соких концентраций антидота-антагониста. В отличие от химиче-
ских антидотов, биохимические (токсикокинетические) антидоты не
образуют прочных ковалентных химических связей с токсичным ве-
ществом.
Большую группу составляют антидоты, используемые для профила-
ктики и коррекции токсических эффектов ряда лекарственных средств.
Амифостин используют для коррекции токсичности препаратов плати-
ны, ацетилцистеин — токсичности парацетамола, кальция фолиат —
токсичности метотрексата.
Для лечения отравлений животными ядами, вызванных укусами
змей и насекомых, применяют иммунологические противоядия (противо-
змеиная, противокаракуртовая сыворотки и др.). Антитоксическая им-
мунотерапия эффективна лишь в первые часы после отравления.
Приведенные примеры не могут охватить широкий круг медикамен-
тов для детоксикации. Более полную информацию можно получить в
учебниках по клинической токсикологии и в соответствующей спра-
вочной литературе.
Таким образом, при острых отравлениях необходимы методы актив-
ной детоксикации, специфической (антидотной) фармакотерапии (ме-
тоды пассивной детоксикации) и симптоматической терапии с учетом
избирательной токсичности вещества.
Часть 2.
основы
БИОХИМИЧЕСКОЙ
ТОКСИКОЛОГИИ
Биохимическая токсикология — раздел токсикологической химии,
в котором рассматриваются токсикодинамические и токсикокинети-
ческие закономерности процессов с участием ксенобиотиков. Токси-
кодинамика изучает механизмы формирования токсического эффекта
на различных уровнях организации биосистемы — от молекулярного
до организма в целом на этапах поступления, распределения, метабо-
лизма (биотрансформации) и выведения токсичных веществ из орга-
низма. Токсикокинетика изучает кинетические закономерности этих
процессов.
ГЛАВА 1. ТОКСИКОДИНАМИКА
Ключевые моменты:
• Механизмы формирования токсических эффектов (равновесные
процессы).
• Типы взаимодействий в системе токсикант — рецептор.
• Физико-химические характеристики токсиканта и биологиче-
ской среды, влияющие на механизмы токсичности (константы кислот-
ной ионизации рКа, pH-диаграммы, диаграммы рН-растворимость;
окислительно-восстановительные потенциалы Е°, диаграммы pH—по-
тенциал для биосред и токсикантов; способность к комплексообразо-
ванию; количественные корреляции структура—токсичность—тополо-
гические индексы; кинетика клеточных превращений).
Токсикодинамика — раздел биохимической токсикологии, изучающий
равновесные процессы с участием ксенобиотиков при формировании то-
ксического эффекта в организме на системном, органном, тканевом,
клеточном, субклеточном, молекулярном, субмолекулярном уровнях.
Механизмы формирования токсических эффектов могут быть опи-
саны на основе II начала термодинамики и вытекающего из него зако-
на действующих масс (ЗДМ) для равновесия.
Для характеристики токсичности в первую очередь необходимо оце-
нить значения энергии Гиббса (AG) и константы равновесия (К) про-
цессов, позволяющие прогнозировать направление химических про-
Глава 1. О Токсикодинамика О 51
цессов с участием токсиканта. Эти и другие физико-химические харак-
теристики биологической среды и токсиканта, влияющие на токсич-
ность, представлены на рис. 1.
Физико-химические
свойства ксенобиотика
Физико-химические свойства
биологической среды
1 1 1 1
Устойчивость вещества - энергия Гиббса Растворимость Окислительно-восста- новительный потенциал
Проницаемость клеточных мембран Липофильность Поверхностная активность
Кислотно-основные свойства Диффузионная способность Адсорбционные свойства
Способность к электролитической
диссоциации (ионизации)
Способность к
комплексообразованию
Рис.1. Физико-химические свойства ксенобиотика и биосреды,
обусловливающие токсические эффекты.
1. Типы взаимодействия в системе токсикант — рецептор
1.1. Стадии формирования токсического эффекта
Механизмы формирования токсического эффекта включают дос-
тавку и взаимодействие токсиканта с эндогенными молекулами-ми-
шенями. В результате изменяются свойства эндогенных биологически
активных веществ и нарушаются структура и функционирование кле-
ток. Одновременно инициируются восстановительные механизмы на
молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом (органном)
уровнях. Таким образом, формирование токсического эффекта вклю-
чает 4 стадии:
52 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
• доставка токсиканта к органу (органам)-мишени;
• взаимодействие с эндогенными молекулами-мишенями и другими
рецепторами токсичности;
• инициирование нарушений в структуре и/или функционировании
клеток;
• восстановительные процессы на молекулярном, клеточном и тка-
невом уровнях.
Если нарушения, вызванные токсикантом, преобладают над вос-
становительными процессами, проявляется токсичность. Роль токси-
канта может играть как исходное химическое вещество, поступившее
в организм, так и его метаболиты, а также образующиеся активные
формы кислорода или азота. Биотрансформация ксенобиотика с об-
разованием токсичных продуктов называется метаболической акти-
вацией или летальным синтезом. Биотрансформация, сопровождаю-
щаяся снижением содержания токсиканта в организме, называется
детоксикацией.
Практически все эндогенные соединения — потенциальные мише-
ни для токсикантов. Обычно роль мишени токсического воздействия
играют макромолекулы, находящиеся либо на поверхности, либо внут-
ри отдельных типов клеток, чаще всего это внутриклеточные ферменты.
Нуклеиновые кислоты (особенно ДНК), белки и клеточные мембраны
также являются токсикологически важными мишенями. При метабо-
лической активации (летальном синтезе) мишенью для токсичного ме-
таболита часто становится фермент, ответственный за его образование,
или близлежащие внутриклеточные структуры.
Таким образом, на молекулярном уровне токсичность определяется
как химическое взаимодействие между токсикантом и молекулой-ми-
шенью. Серия вторичных биохимических процессов, происходящих
вслед за этим, приводит к дисфункции или повреждению систем на
различных уровнях биологической организации (сами молекулы-ми-
шени, клеточные органеллы, клетки, ткани и органы и даже организм
в целом).
Однако взаимодействие ксенобиотика с мишенью не всегда сопро-
вождается токсическим эффектом. Например, ковалентное присоеди-
нение к белкам — металлотионеинам представляет собой способ естест-
венной детоксикации, а не проявление токсичности (рис. 2).
Детоксикация происходит при внутриклеточном образовании липо-
фильных алкилированных продуктов М(А1к)п или восстановлении ио-
нов металлов эндогенным восстановителем до менее токсичной эле-
ментной формы М°.
Глава 1. Q Токсикодинамика <>53
В то же время накопление токсиканта в каком-то органе или ткани
не обязательно свидетельствует о присутствии там молекул-мишеней.
Например, более 90% введенных сердечных гликозидов накапливается
в надпочечниках, а мишенью токсичности является миокард, где их со-
держание незначительно.
1.2. Взаимодействие химических веществ
с рецепторами токсичности
Взаимодействие токсиканта с молекулярными мишенями происходит
по лиганд-рецепторному механизму. Впервые термин «рецептор» ввел
Пауль Эрлих (1900) в работах по иммунохимии. Рецептор токсичности —
это химически активная группировка, в норме участвующая в метаболиз-
ме клетки, к которой способна присоединиться молекула ксенобиотика.
Например, химическими рецепторами для соединений мышьяка
(III) и ртути (II) служат тиоловые (сульфгидрильные) группы (-SH):
НО—As=O + 2RSH — (RS)2As-OH + Н2О
Hg2+ + 2RSH — (RS)2Hg + 2Н+
Без высокой химической специфичности в системе токсикант—ре-
цептор трудно представить себе подобные реакции. Действительно,
размер иона Hg2+ порядка 100 пкм, а размер (длина) клетки в 106 раз
больше (-100 мкм). Без специфичности взаимодействия ион Hg2+ был
бы не способен отыскать нужный рецептор.
Рис. 2. Механизмы взаимодействия соединений металлов с клеткой,
а — связывание с мембраной;
б — восстановление и/или метилирование с образованием летучих соединений;
в — комплексообразование с металлотионеином (МТ);
г — выведение ионов через ионные каналы.
54 Ф Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Специфические и неспецифические рецепторы — мишени токсич-
ности — могут быть локализованы в области клеточной мембраны (ак-
тивные центры G-белков, ионные каналы, мембранные переносчики,
ферменты, белки, липиды), во внутриклеточном пространстве (цито-
плазматические, митохондриальные, ядерные рецепторы) или вне клет-
ки (любые химические структуры, вступающие во взаимодействие с то-
ксикантом).
Связывание с молекулами-мишенями иногда приводит к нелиней-
ной зависимости между дозой и свободной (активной) формой токси-
канта, как это наблюдается, например, при блокировании мишеней то-
ксичности фенилбутазоном (рис. 3).
Взаимодействия в системе токсикант — белок могут обеспечить
межмолекулярные силы, например при образовании водородных свя-
зей или действии сил Ван-дер-Ваальса. Из рис. 3 видно, что в молекуле
фенилбутазона центрами образования водородных или ван-дер-вааль-
совых связей с белком могут быть атомы кислорода и азота, характери-
зующиеся высокой относительной электроотрицательностью и избы-
точным отрицательным зарядом.
Рис. 3. Взаимодействие в системе ксенобиотик—рецептор.
А — изменение содержания свободной (1) и связанной (2) форм
ксенобиотика (фенилбутазон) в зависимости от общего содержания в крови;
Б — молекула фенилбутазона; выделены лигандные атомы,
участвующие в связывании (по Brodie В., 1999).
Глава 1. О Токсикодинамика 0 55
1.2.1. «Оккупационная» теория взаимодействия
ксенобиотика с рецептором
Сродство токсиканта к рецептору можно оценить долей занятых ре-
цепторов (отношение числа занятых рецепторов к общему числу рецеп-
торов: N3aH/NO6m). Согласно «оккупационной» теории, максимальный
токсический эффект наблюдается при полном заполнении рецепторов то-
ксикантом. Сродство токсиканта к рецептору определяется прочностью
возникающей химической связи и количественно может быть оценено
энергией химической связи или величиной константы равновесия К
образования комплекса Тох—R:
Тох + R *♦ Тох—R
[Тох —R]
К [ToxJ-[R] ’
где К — константа равновесия; [Тох] — равновесная концентрация
токсиканта (молекулы, иона, радикала); [R] — равновесная концентра-
ция рецептора (молекулярного, клеточного); [Тох—R] — равновесная
концентрация продукта взаимодействия.
Прочность связывания токсиканта с рецептором можно оценить на
основе квантово-механической трактовки образования химической
связи. Наиболее прочная химическая связь — ковалентная — образу-
ется при формировании молекулрной орбитали из атомных орбиталей
атомов токсиканта Тох и рецептора R (рис. 4). Энергия ковалентной
связи в зависимости от природы элементов изменяется от 400 до 450
кДж/моль.
Рис. 4. Образование ковалентной связи между атомами токсиканта и рецептора
по методу молекулярных орбиталей (МО) из р-орбигалей токсиканта Тох и рецептора R.
1 — линейная комбинация атомных орбиталей; 2 — энергетическая диаграмма.
56 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
Ковалентная связь образуется, например, между мышьяком и угле-
родом As—С при детоксикации соединений мышьяка алкилированием:
СН3 СН3
I |
O^=As ----------* О-----As----ОН -------► O=As---------СН3
ОН ОН он
Мышьяковистая Монометилмышьяковая Диметилмышьяковая
кислота кислота кислота
Практически необратимое ковалентное связывание может привести
к необратимому изменению состояния эндогенных молекул. Примеры
таких взаимодействий рассмотрены выше: взаимодействие электро-
фильных токсикантов — ионов тяжелых металлов с нуклеофильными
центрами эндогенных соединений — тиоловыми группами белков, ами-
нокислот и нуклеиновых кислот.
Молекулярная орбиталь образуется также при линейной комбинации
свободных атомных орбиталей ионов необходимых d-элементов и пол-
ностью заполненной орбитали атома — лиганда эндогенного или лекар-
ственного соединения. Например, изониазид, противотуберкулезное ле-
карственное средство, образует настолько прочные комплексы с медью,
что это приводит к разрушению медьсодержащих ферментов E-Cu(II):
Активная форма
фермента
Фермент-Си(П) + 2
+ Фермент*
Неактивная
форма
фермента
В этом случае образование ковалентной связи протекает по донорно-
акцепторному механизму, а образующиеся продукты называются коор-
динационными соединениями. Такой тип связывания возможен также
при протонировании многочисленных эндогенных аминосоединений и
азотсодержащих гетероциклов в случае отравления кислотами:
Н
r—n: + н+
I
н
н
1
R-------N------Н
I
н
Глава 1. Q Токсикодинамика <>57
Нейтральные свободные радикалы также могут образовывать кова-
лентную связь с биомолекулами. Кроме того, эти радикалы легко отни-
мают водород от эндогенных соединений, превращая их в токсичные
радикалы:
R:H + НОО- — RM Н2О2
Нековалентное связывание обычно обратимо, так как имеет низкую
энергию химической связи. Например, энергия водородной связи (10—
40 кДж/моль) в десятки раз меньше энергии ковалентной связи. Ион-
ная и водородная связь, а также ван-дер-ваальсовы силы характеризуют
обратимое взаимодействие с токсикантом.
1.2.2. Кинетическая теория взаимодействия ксенобиотика с рецептором
Токсический эффект не всегда пропорционален числу рецепторов, за-
нятых токсикантом. Согласно кинетической теории, максимальный ответ
на токсическое воздействие может быть получен тогда, когда вещество за-
нимает лишь незначительную часть доступных рецепторов, и определяет-
ся не числом занятых рецепторов, а скоростью и механизмом связывания то-
ксиканта с рецептором. При этом величина ответа на токсическое
воздействие нелинейно зависит от доли занятых рецепторов. Эффектив-
ность токсического воздействия характеризуется внутренней активностью
(R/N3aH) токсиканта, т.е. способностью давать токсический эффект (ответ
Рис. 5. Влияние природы алкильного радикала в ионе алкилтриметиламмония
(от СНз до CioH2i) на сродство к рецептору и эффективность действия
ксенобиотика (графики построены по данным А. Альберта).
а — изменение сродства токсиканта к рецептору N3aH/No6ul с возрастанием числа атомов
углерода в алкильном радикале; б — зависимость внутренней активности токсиканта
R/N3aH от сродства к рецептору.
б
250
0,1 1 10 100
N3ai/No6m ‘ Ю’3
58 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
организма R) при минимальном заполнении рецепторов (N^). Нагляд-
ным примером может служить зависимость эффективности ионов алкил-
триметиламмония, являющихся агонистами холинергических рецепторов
подвздошной кишки морской свинки, от их сродства к рецептору (рис. 5).
Как видно из рис. 5, наибольшей активностью обладают токсиканты
не с максимальными, а со средними значениями сродства к рецепто-
рам. Это подтверждает зависимость токсического эффекта не только от
числа занятых рецепторов, но и от активности токсиканта, которая в
данном примере снижается с увеличением числа углеродных атомов в
алкильном радикале (при числе углеродных атомов более 5) вследствие
блокирования крупным заместителем центра связывания на рецепторе.
Существуют 3 класса токсикантов, взаимодействующих с рецептора-
ми, — антагонисты, агонисты, частичные агонисты (табл. 1). Токсикант-
антагонист ингибирует действие нативных субстратов (эндогенных со-
единений), блокируя их связывание с рецепторами (рис. 6). При
конкурентном антагонизме происходит смещение кривой доза—ответ в
область больших концентраций, иногда со снижением величины ответа.
Как видно из рис. 6, в присутствии токсиканта-антагониста для по-
лучения аналогичного по силе ответа потребуется более высокая кон-
центрация эндогенного соединения.
Рис. 6. Влияние токсиканта-антагониста на зависимость доза (концентрация) — ответ.
1 — эндогенное соединение в отсутствие токсиканта; 2 — оно же в присутствии
токсиканта-антагониста
Глава 1. О Токсикодинамика 0 59
I ЭФФЕКТЫ ингибитор эффект Мышечный уггл-тт Ингибирование нейронов ЦНС Ингибирование нейронов ЦНС, анестезия Растормаживание двигательных нейронов, столбнячные судороги Антидотный эффект при интоксикации опиатами Антидотный эффект при инток- сикации агонистами р-рецепторов
)В, ИХ МИШЕНИ Г Антагонист- токсикант ТУбокурарин, РЬ2+, общие анестетики Фенциклидин, кетамин, общие анестетики Стрихнин, столбнячный токсин Налоксон Атенолол, метопролол
В И АНТАГОНИСТС -активатор эффект Мышечная фибрилляция Активация нейронов, судороги, повреждение нейронов Ингибирование подвижности нейронов, паралич Ингибирование ! нейронов, V-J1и4*А 1 *1V , угнетение дыхания, запор, задержка мочи Тахикардия, аритмии
ГОВ-АГОНИСТО Агонист токсикант Никотин, анатоксин Ы-метил-Ц- аспартат, каинат, хинолин, квискалат Общие анестетики Морфин и родственные DVIUVVXOU (например, героин) Адреналин, кокаин, амфетамин
’Ы ТОКСИКАН1 пторы локализация Скелетные М1511Х1ЦЫ Нейроны Нейроны ЦНС Нейроны ЦНС 1 Нейроны ЦНС, птпгтдтттга Dnj нейроны органов Сердечная мышца
Таблица 1. ПРИМЕ1 Реце тип Ацетилхолиновый никотиновый Глутаматные Глицинатные Опиоидные Р-адренорецепторы
60 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Действие токсиканта-агониста (полного или частичного) сходно с дей-
ствием эндогенного соединения, поэтому такой токсикант называют «то-
ксикомиметик». Взаимодействуя с теми же рецепторами, полный агонист
активирует их и дает токсический эффект, равный или превышающий эф-
фект нативного субстрата (рис. 7). Токсичность частичного агониста так-
же проявляется вследствие конкуренции с эндогенным субстратом за ак-
тивацию рецептора, но достигаемый при этом ответ значительно ниже.
Рис. 7. Влияние токсиканта-агониста на зависимость доза (концентрация)—ответ.
1 — эндогенное соединение в отсутствие токсиканта (контроль),
2 — полный агонист, 3 —частичный агонист.
Математически зависимость между ответом и дозой (концентраци-
ей) токсиканта можно представить уравнением, аналогичным изотерме
адсорбции Лэнгмюра:
R = Rmax ‘ D/(D +D50),
где R — ответ при дозе токсиканта D; Rmax — максимально возможный
ответ на воздействие; D50 — доза токсиканта, вызывающая ответ, равный
половине максимального. Однотипность уравнений, отражающих зави-
симость адсорбции и токсического ответа от дозы (концентрации), не слу-
чайна, поскольку взаимодействие с рецептором можно рассматривать как
адсорбцию токсиканта на рецепторе. Простым преобразованием преды-
дущего уравнения можно получить уравнение прямой:
1 _ 1 , D50 . 1
R Rmax Rmax О
Глава 1. О Токсикодинамика 0 61
Тогда в координатах 1/R — 1/D тангенс угла наклона прямой равен
отношению Dso/Rmax, а отрезок ординаты от начала осей координат до
ее пересечения с прямой численно равен 1/Rmax (рис. 8). Такая обработ-
ка экспериментальных результатов позволяет определить числовые зна-
чения констант — максимального токсического ответа и дозы D50.
Рис. 8. Нахождение токсикометрических параметров графическим методом.
При рассмотрении механизмов формирования токсического эффек-
та можно провести аналогию с ферментативными процессами. Токси-
канты-антагонисты по отношению к рецепторам ведут себя как инги-
биторы ферментов. Токсиканты-агонисты по отношению к рецептору
можно рассматривать в том же смысле, что и кофермент по отношению
к ферменту.
1.3. Неспецифические взаимодействия ксенобиотика
с мишенями токсичности
Кроме рассмотренных специфических взаимодействий между ток-
сикантом и рецептором, известны многочисленные неспецифические
реакции. При этом токсичные вещества разрушают молекулы-мишени,
изменяют структуры эндогенных субстратов, разрывают существующие
химические связи или участвуют в формировании новых химических
связей.
Примером таких неспецифических взаимодействий являются ради-
кальные реакции, протекающие при избыточном накоплении в организ-
ме активных форм кислорода и азота. Среди последних следует упомя-
нуть супероксидный анион-радикал О2*’, гидропероксильный радикал
НОО", гидроксильный радикал НО*, радикал оксида азота "NO.
62 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
После химической атаки этими химически активными формами
различных молекул может начаться спонтанный распад эндогенных ве-
ществ. Например, образование из молекулярного кислорода Oj супер-
оксид-радикала Ог*- сопровождается увеличением количества гидро-
ксильных радикалов НО’. Другой цитотоксичный радикал — *NO,
образующийся из аргинина:
L-аргинин + О2 -» L-цитруллин + *NO,
реагирует с Ог*-, образуя пероксинитрит-анион
О2*- + *NO ONOO-
При взаимодействии пероксинитрит-аниона с диоксидом углерода
образуются радикал диоксида азота н карбонат аниона:
ONOO- + СО2 — ONOOCO2~
onooco2- — *NO2 + со3-
При атаке гидроксильным радикалом НО* молекулы липида LH
происходят гомолитический распад связи С-Н и образование липидно-
го радикала L*:
LH + НО* — L* + Н2О
Взаимодействие радикала L* с кислородом приводит к образованию
липидпероксильного радикала LOO’, который также вступает в реак-
цию с молекулой липида:
L* + О2 — LOO’
LOO* +LH LOOH+L*
Реакции с участием свободных радикалов в организме очень разно-
образны и не ограничиваются приведенными примерами.
Неспецифическое токсическое действие может проявляться также в
виде изменения параметров отдельных участков биосред, например ве-
личины pH, концентрации окислителей или восстановителей, поверх-
ностной активности, адсорбционных свойств на межфазных границах.
2. Физико-химические характеристики токсиканта
и биологической среды, влияющие на механизмы токсичности
На формирование токсического эффекта влияют физико-химиче-
ские свойства химического вещества и биологической среды: агрегат-
ное состояние вещества, размер частиц дисперсной фазы, природа хи-
мических связей, структура молекул токсиканта, способность к
образованию координационных связей с биолигандами, относительная
молекулярная масса, летучесть, растворимость в липидах и воде в зави-
симости от pH и окислительно-восстановительного потенциала Е° био-
среды и ксенобиотика (см. рис. 1, ч. 2). Рассмотрим более детально роль
этих параметров при воздействии токсикантов на биообъекты.
Глава 1. О Токсикодинамика 0 63
2.1. Влияние растворимости ксенобиотика
в биологических средах на его токсичность
2.1.1. Межфазные переходы тв**ж, диаграммы рН-растворимость
На токсичность твердых химических веществ значительно влияет их
растворимость в жвдких биосредах, т.е. переход из твердой фазы в жид-
кую (тв**ж). Например, малорастворимые высокодисперсные порош-
ки металлов цинка, меди, свинца, железа или их оксиды ZnO, CuO,
РЬО, РегОз независимо от способа поступления в организм проявляют
меньшую токсичность, чем хорошо растворимые нитраты [Zn(NC>3)2,
Cu(NO3>2, РЬ(ЬЮз)г, Ре(ЬЮз)з] или сульфаты [ZnSC>4, CUSO4,
Ре2(8О4)з].
Образование малорастворимых соединений в биосреде приводит к
снижению их всасывания, что снижает токсичность. Например, в нейт-
ральной или слабощелочной среде содержимого кишечника образуют-
ся основные соли сурьмы SbONO3 или железа Fe(OH)Cl, Fe(OH)SO4,
которые незначительно абсорбируются и в основном удаляются с кало-
выми массами.
Прогнозирование устойчивости химической формы того или иного
элемента, а значит, и его токсичности намного упрощается при исполь-
зовании диаграмм pH — растворимость. Это можно показать на приме-
ре соединений мышьяка (III) (рис. 9).
Рис. 9. Диаграмма pH — растворимость оксида мышьяка (III).
1,2,3 — расчетные и 4 — экспериментальная кривая растворимости;
Г, 2' — равновесные прямые кислотно-основной ионизации различных форм As (Ш).
64 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Как видно из рис. 9, растворимость оксида мышьяка (III) AS2O3 («бе-
лый мышьяк») возрастает в кислой среде (содержимое желудка, соки,
вино). При этом образуется устойчивая катионная форма AsO+, которая
легко абсорбируется по ионным каналам катионов биогенных элемен-
тов. Этим можно объяснить известные исторические факты отравлений
вином, в которое добавлен «белый мышьяк».
2.1.2. Межфазные равновесия Ж1**Ж2,
коэффициент распределения
Токсические эффекты ксенобиотиков зависят не только от равнове-
сий между твердой и жидкой фазами, рассмотренными выше, но и от
межфазных равновесий ж । «жг при распределении между двумя несме-
шивающимися жидкостями.
Например, жидкая металлическая ртуть Hg (ж^ не представляет
опасности при попадании в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), по-
скольку не переходит в растворимую ионную форму Hg2+ (жг), способ-
ную транспортироваться через стенки ЖКТ подобно катионам других
металлов.
Важной характеристикой для прогнозирования токсичности хими-
ческого вещества является его липофильность. Согласно липидной тео-
рии клеточной депрессии, вещества, химически инертные в полярном
растворителе — воде, могут оказывать угнетающее действие на клетки,
богатые липидами, особенно на клетки центральной нервной системы.
При этом воздействие ксенобиотика тем эффективнее, чем выше коэф-
фициент распределения К = С[/Сц2о между липофильным растворите-
лем (L) и водой (Н2О).
Рассмотрим пример, в котором исследовали подвижность голова-
стиков в зависимости от минимальной эффективной концентрации
(CEmjn) токсиканта в воде. Оказалось, что эффективная токсическая
концентрация коррелирует со значениями коэффициента распределе-
ния K=Cl/Ch2o (масло/вода): чем больше К, тем выше активность то-
ксиканта (рис. 10).
Таким образом, распределение ксенобиотика между органической
(липидный слой клеточной мембраны) и водной (внутри- или внекле-
точная жидкость) фазами — важная характеристика токсичности.
Высокими значениями коэффициента распределения алкильных
производных ртути [диметилртуть (CH3)2Hg, диэтилртуть (C2H5)2Hg] и
мышьяка [монометилмышьяковая кислота (СНз)АзО(ОН)2 и диметил-
мышьяковая кислота (СНз)2АзО(ОН)] объясняются их избирательное
накопление в тканях мозга и нейротоксичность.
Глава 1. О Токсикодинамика 0 65
Рис. 10. Зависимость минимальной эффективной концентрации (СЕтщ)
токсиканта в воде от коэффициента распределения масло/вода
(по Альберт А. Избирательная токсичность, 1989).
Высокими значениями коэффициентов распределения объясняется
также отсутствие эффективных механизмов элиминации нелетучих ли-
пофильных химических веществ, например, бензола и его гомологов.
Если они не подвергаются биотрансформации до более полярных мета-
болитов, то выводятся очень медленно и накапливаются в организме.
2.1.3. Влияние кислотно-основной природы ксенобиотиков
и pH биосред на межфазные равновесия Ж1**Ж2
Коэффициент распределения K=Cl/Ch2o в значительной мере за-
висит от кислотно-основной природы ксенобиотиков и pH биосред.
Эти факторы определяют пути распределения токсикантов между био-
логическими средами и возможность их извлечения полярными и непо-
лярными растворителями при пробоподготовке к анализу (см.ч.З гл. 1).
Из закона действующих масс для равновесия следует, что при pH,
равном рКа или рКь1, слабые кислоты или основания ионизированы на
50%, т.е. концентрации молекулярной (липофильной) и ионной (гидро-
фильной) форм равны.
Органические кислоты с низкими значениями рКа — более сильные
кислоты, а высокие значения рКа характерны для слабых кислот, на-
пример, протонированных форм оснований (табл. 2).
1 рКд или рКь определяются как отрицательный логарифм константы ионизации слабых
органических кислот или оснований. По уравнению рКа = 14 — рК|, можно рассчитать значе-
ния рКд кислотной ионизации протонированных форм ВН+ слабых органических оснований.
66 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Таблица 2. КОНСТАНТЫ КИСЛОТНОЙ ИОНИЗАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ (ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ)
Ксенобиотик РКа Ксенобиотик РКа
Ампициллин 2,5 Бупивакаин 8,1
Салициловая кислота 3,0 Ацетазоламид 7,2
Фуросемид 3,9 Амилорид 8,7
Ибупрофен 4,4; 5,2 Адреналин 8,7
Варфарин 5,0 Ацетаминофен 9,5
Толбутамин 5,3 Атропин 9,7
Пириметамин 7,0 Амфетамин 9,8
Степень ионизации химического вещества зависит от значения его
рКа и pH биологической среды. Взаимосвязь между рКа и pH описыва-
ется уравнением Хендерсона—Хассельбаха:
[ионизированная форма]
для кислот: pH = рКа + log------------------------
[неионизированная форма]
[неионизированная форма]
для оснований: pH = рКа + log------------------------
[ионизированная форма]
Рассмотрим примеры, демонстрирующие зависимость распределе-
ния токсиканта между биологическими средами и/или растворами in
vitro от его кислотно-основной природы и от pH среды.
1. Токсикант — слабая кислота, подвергающаяся ионизации в соот-
ветствии с уравнением НА«-»Н+ + А".
Области преобладания (устойчивости, существования) молекуляр-
ной и анионной форм кислоты на pH-диаграмме разграничены прямой
линией при pH = рКа:
О рКа 7 14 pH
В соответствии с уравнением Хендерсона—Хассельбаха
[А'1
pH : рКа + log ---
[НА]
Глава 1. О Токсикодинамика 0 67
соотношение заряженной и незаряженной форм токсиканта кислотной
природы зависит от pH следующим образом:
[А-]
----= ЮРН—рКа
[НА]
откуда следует, что при pH = рКа концентрации заряженной и незаря-
женной формы равны [А-] = [НА].
В качестве примера рассмотрим равновесные процессы в биологиче-
ских средах для ксенобиотика кислотной природы — фуросемида (рКа
3,9). Пользуясь pH-диаграммой, нетрудно обнаружить, что в содержи-
мом желудка (pH 1,5—1,8) преобладает незаряженная (протонирован-
ная) форма фуросемида НА. При изолировании этого ксенобиотика из
рвотных масс при остром отравлении или при извлечении из содержи-
мого желудка в посмертных судебно-химических исследованиях необ-
ходимо использовать неполярный органический растворитель, а анали-
зируемую пробу подкислять.
В крови (pH 7,35—7,45) или моче (pH 4,8—7,4) фуросемид подверга-
ется ионизации с образованием анионной формы (А*):
НА + Н2О «-» А" + НзО+
В связи с этим эффективность изолирования ксенобиотика из крови
или мочи в неполярный растворитель также повышается при подкисле-
нии анализируемых биологических жидкостей. Снижение pH приводит
к переходу заряженной формы фуросемида в неполярную форму:
А* + Н+ ** НА
2. Токсикант — слабое основание В, протонированная форма кото-
рого подвергается ионизации в соответствии с уравнением
ВН+ « В+ Н+.
Как и в предыдущем примере, области преобладания (устойчивости,
существования) молекулярной и анионной форм основания на рН-диа-
грамме разграничены прямой линией при pH =рКа:
В соответствии с уравнением Хендерсона—Хассельбаха
pH = рКа + log
[В]
[ВН+]
68 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
соотношение заряженной и незаряженной форм токсиканта кислотной
природы зависит от pH следующим образом:
--IQpH-pKa
[ВНЧ
откуда следует, что при рН=рКа концентрации заряженной и незаря-
женной формы равны [ВН+] = [В].
В качестве примера рассмотрим равновесные процессы в биологиче-
ски средах для ксенобиотика основной природы — эфедрина (рКа =
9,6). Из pH-диаграммы следует, что в содержимом желудка, крови и мо-
че преобладает протонированная форма эфедрина ВН+, так как значе-
ния pH этих биологических сред ниже рКа эфедрина. При изолирова-
нии этого ксенобиотика из биосред экстракцией в неполярный
органический растворитель необходимо подщелачивание анализируе-
мой пробы. Это приведет к смещению равновесия ионизации эфедрина
в сторону молекулярной формы ВН+ + ОН‘«-»В +Н2О, что повысит сте-
пень экстракции.
Из закона действующих масс для равновесия и вытекающего из него
уравнения Хендерсона—Хассельбаха следует, что доля ионной формы
А' ксенобиотика кислотной природы, как и доля молекулярной формы
В ксенобиотика основной природы, представляют собой не что иное,
как степень ионизации НА и ВН+, и могут быть рассчитаны для различ-
ных значений pH по формуле:
а = 1/(10рКа“рН+1).
Степень ионизации основания В в соответствии с равновесием его
основной ионизации;
В + Н2О ВН+ + ОН"
определяется уравнением:
а = 1/( ЮрН-рКа +1),
где pIQ = 14 — рКь.
Пользуясь этими формулами и рассмотренными выше рН-диа-
граммами, легко прогнозировать распределение слабой кислоты и
слабого основания между водными камерами Организма: мочой (pH
4,8—7,4), плазмой крови (pH 7,35—7,45) и желудочным соком (1,5—
1,8) (рис. 11).
Например, из рис. 11 видно, что содержание фуросемида в крови
значительно превышает его содержание в содержимом желудка, что
свидетельствует о чрезвычайно высокой степени его абсорбции.
Глава 1. О Токсикодинамика 0 69
Фуросемид (рКа = 3,9)
Эфедрин (рКа = 9,6)
[А]
1g—-=рН —рКа
[НА]
[ВН+]
lg i-- = рКа—pH
[В]
4 -
3 -
2 -
1 -
О -
-1 -
-2
-3
ig^l
[НА]
Кровь
Моча
CQ
к
Желудочный сок
[В]
к
я
<и
g
Моча
Желудочный сок д
Кровь
- 9
= - 8
- 7
- 6
- 5
- 4
- 3
2
- 1
X
S
я
s
2
НА—
£3
НА + Н2О—»А'+ Н3О+ НА »НА + Н2О —»А' + Н3О
В—।
р* в + н2о-»ВН' + ОН' в —» В + Н2О-* ВН+ + ОН'
ЁЗ
Содержимое Плазма
желудка
крови
Рис. 11. Распределение слабой кислоты (фуросемид)
и слабого основания (эфедрин) между жидкими средами организма
Для эфедрина, напротив, всасывание в кровь незначительно, так как
преобладающая форма в содержимом желудка — ионная ВН+.
Транспорт веществ из крови в мочу протекает в направлении увели-
чения доли ионизированных форм А" и ВН+ . Искусственное увеличе-
ние pH мочи в случае фуросемида, как и уменьшение pH при выведении
эфедрина, повышают почечную экскрецию рассматриваемых ксеноби-
отиков.
Таким образом, накопление ксенобиотика в той или иной камере
протекает в результате транспорта незаряженных (гидрофобных, липо-
фильных) форм через липидный слой клеточных мембран. Этому про-
цессу способствует образование ионных (гидрофильных, полярных)
форм ксенобиотика в конечной камере.
70 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
2.1.4. Влияние окислительно-восстановительного
потенциала Е° и pH среды на токсичность ксенобиотика.
Диаграммы pH-потенциал для биосред и токсикантов
Чрезвычайно важной характеристикой токсиканта, используемой
для прогнозирования механизмов токсичности, являются окислитель-
но-восстановительные потенциалы токсикантов и биосред, в которые
они попадают (табл. 3).
Одновременное рассмотрение значений окислительно-восстанови-
тельных потенциалов Е°, констант кислотной ионизации токсичного ве-
щества Ка и pH биосреды дает возможность прогнозировать форму суще-
ствования токсиканта в той или иной среде организма. Для этого удобно
пользоваться диаграммами pH-потенциал для жидких биосред (рис. 12).
Действительно, жидкие биосреды представляют собой не что иное, как
водные растворы биогенных соединений с определенными значениями
pH и Е° в локальных точках. Область существования жидких биосред ог-
раничена областью устойчивости воды. Стандартные значения потенци-
алов, ограничивающие эту область, соответствуют окислительно-восста-
новительным парам Ог/НгО.НгО/Нг и равны соответственно 0,82 В и
0,00 В. Любой токсикант, область устойчивости которого находится вне
области существования жидких биосред, проявляет свойства окислителя
или восстановителя по отношению к биогенным соединениям или воде.
Рис. 12. Диаграмма pH-потенциал биологических жидкостей.
Глава 1. О Токсикодинамика 0 71
Таблица 3. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ
ПОТЕНЦИАЛЫ НЕКОТОРЫХ НАТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Полуреакции Е°, В
1/4 О2 + Н+ + е' -» 1/2Н2О Fe3+ + е' -» Fe2+ 0,816 0,771
NO3" + е“ -» NO2" Цитохром A (Fe3+) + е~ -» Цитохром A (Fe2+) Цитохром С (Fe3+) + е" -» Цитохром С (Fe2+) Цитохром В (Fe3+) + е" -» Цитохром В (Fe2+) Цитохром F (Fe3+) + е“ -» Цитохром F (Fe2+) 0,421 0,290 0,254 0,077 0,365
1/2 Убихинон Q + Н+ + е' -» 1/2 Убихинон QH2 1/2 Фумарат + Н+ + е" -» 1/2 Сукцинат 1/2 Оксалоацетат + Н+ + е" 1/2 Малеат 1/2 Пируват + Н+ + е" -» 1/2 Лактат 1/2 Ацетальдегид + Н+ + е" -* 1/2 Этанол 1/2 ФМН + Н+ + е" -» 1/2 ФМН Н2 1/2 ФАД + Н+ + е" -» 1/2 ФАД Н2 1/2 Глутатион (окисленный) + Н+ + е" 1/2 Глутатион (восстановленный) 1/2 Липоевая кислота + Н+ + е" -> 1/2 Дигидролипоевая кислота 1/2 НАД + 1/2 Н+ + е" -» 1/2 НАД Н 0,100 0,031 -0,166 -0,185 -0,197 -0,219 -0,219 -0,230 -0,290 -0,320
1/2 НАДФ + 1/2 Н+ + е" -» 1/2 НАДФ Н 1/2 Сукцинат + 1/2 СО2 + Н+ + е~ -» 1/2 а-кетоглутарат + 1/2 Н2О -0,320 -0,670
Ксенобиотики, участвуя в переносе электронов, т.е. окисляя или
восстанавливая нативные соединения (см. табл. 3), способствуют обра-
зованию токсичных побочных продуктов и нарушают естественные ме-
таболические пути. Например, возможно окисление Fe (II) в гемогло-
бине до Fe (III) с образованием метгемоглобина веществами разных
химических классов — метгемоглобинообразователями.
При одновременном рассмотрении диаграмм pH — потенциал для
биосреды и токсиканта возможно прогнозирование его химических
превращений в организме. В качестве примеров рассмотрим диаграммы
серебра и мышьяка (рис. 13 и 14).
72 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Значение окислительно-восстановительного потенциала E°(Ag+/Ag°)
= 0,81 В свидетельствует о протекании в биологических средах, в первую
очередь в крови, восстановления ионной формы до элементной (метал-
лической):
Ag+ + е -» Ag°
Участвующие в этом процессе биогенные восстановители Rd под-
вергаются окислению:
Rd -* Ох + пе
Глава 1. О Токсикодинамика 0 73
Для ионов серебра в организме характерна также конкурирующая
реакция с устойчивыми в биосредах тиоловыми соединениями. При
этом образуются прочные тиолатные производные серебра:
Ag+ + RS—Н -> RS-Agl + Н+.
Тиолаты, как и элементное серебро, придают тканям темную окра-
ску, что является признаком аргирии — отравления солями серебра.
Только в кислых средах в достаточно ограниченном интервале значений
потенциалов может существовать ионная форма серебра (см. рис. 13).
Эта форма обеспечивает бактерицидный эффект при использовании
«серебряной» воды и других лечебных средств, содержащих серебро в
ионной Аё+-форме. Действие высокодисперсной элементной формы
(«металлического» серебра) Ag° или координационных соединений
(протаргол, колларгол, повиаргол) основано на смещении равновесия:
Ag° + е Ag+
в сторону образования ионной формы.
Диаграмма pH-потенциал мышьяка (см. рис. 14) также позволяет
сделать несколько заключений о механизмах токсического действия
различных химических форм этого элемента.
В крови устойчивой формой мышьяка (III) является протонирован-
ная форма мышьяковистой кислоты HAsO2, которая, блокируя тиоло-
вые группы ферментов, приводит к потере ими активности:
2RSH + O=As— ОН -* (RS)2—As-OH + Н2О
Соединения мышьяка (V) менее токсичны, чем соединения мышья-
ка (П1), но механизмы их токсичности более разнообразны. Это не слу-
чайно, так как из диаграммы видно, что арсенат (равновесные формы
HAsO42'/H2AsO4*), подобно фосфату (НРО42'/Н2РО4~), устойчив в
крови и может замещать его в многочисленных реакциях фосфорилиро-
вания. Достаточно вспомнить процесс гликолиза, чтобы оценить мно-
гообразие вызываемых арсенатом нарушений естественных (нативных)
процессов в организме.
Область существования на диаграмме арсина АзНз (нижняя часть —
высокие отрицательные значения окислительно-восстановительного
потенциала) объясняет его свойства как гемолитического яда. Главной
молекулярной мишенью любого летучего гидрида (сильного восстано-
вителя) и арсина в том числе является в первую очередь гемоглобин:
ЗНЬ О2 + 4АзНз -» Змет—Hb + 4As + 6Н2О
В связи с этим все летучие гидриды называют ядами гемолитическо-
го действия.
Диаграммы pH-потенциал могут иметь различные модификации.
Например, окислительно-восстановительный потенциал может
74 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
быть заменен энергией Гиббса, так как они связаны известным тож-
деством:
AGO = -nFAEO
При такой замене рассматриваемый диаграммный метод становится
универсальным, так как энергия Гиббса является термодинамической
функцией, позволяющей количественно оценивать возможность про-
текания любых химических реакций, включая окислительно-восстано-
вительные.
3. Корреляция структуры ксенобиотика и его токсичности.
Топологические ицдексы
Установление взаимно однозначных соответствий между строением
и биологическими свойствами химических соединений положило нача-
ло поиску химических групп или ядер (циклических систем), ответст-
венных за биологическую активность, в частности токсичность. Объяс-
нение отмеченной корреляции появилось лишь в самом конце
прошлого века после развития идей о рецепторах лекарственных ве-
ществ и открытия некоторых аналогичных явлений в химии ферментов.
Например, было обнаружено, что при замене метильного радикала
водородом в пиримидиновом или тиазольном цикле тиамина
Тиамин
снижается его активность, а при введении дополнительной метильной
группы в тиазольный цикл (между атомами азота и серы) тиамин пол-
ностью теряет свою активность.
Биологическая активность химических веществ не всегда зависит от
структуры заместителей. Например, длинную алифатическую боковую
цепь в молекуле витамина К
сн2—сн2-сн2-сн
СН3
— сн3
3
Витамин К
Глава 1. О Токси ко динамика 0 75
можно заменить атомом водорода, не вызывая изменений в биологиче-
ской активности этого витамина.
Зависимость биологической активности от структуры заместителей
обнаруживается не только у витаминов, но и у синтетических лекарст-
венных веществ. В молекуле бензолсульфамида аминогруппу можно
ввести в 3 различных положения. В двух случаях это приводит к образо-
ванию неактивных соединений, в третьем — образуется обладающий
высокой антибактериальной активностью сульфаниламид — стрепто-
цид.
При создании нового лекарства сначала синтезируют ряд его анало-
гов, содержащих заместители в ароматическом, гетероароматическом
кольцах или доступных функциональных группах. В качестве кандида-
та на лекарственное вещество выбирают аналог с оптимальными физи-
ческими и химическими свойствами, конфигурацией, обеспечивающей
возможность взаимодействия с рецепторами, токсико-кинетическими
характеристиками распределения, биотрансформации и с минималь-
ной токсичностью. При этом очевидна необходимость рационального
выбора соответствующих заместителей, что достигается использовани-
ем метода количественных корреляций структура—активность (ККСА
или QSAR — Quantitative structure-activity relationship), оказавшегося
чрезвычайно полезным при решении указанных задач.
Используя метод ККСА и количественно описывая структуры моле-
кул разных аналогов в зависимости от физико-химических, фармаколо-
гических и токсических свойств некоторых уже синтезированных со-
единений, можно прогнозировать показатели биологической
активности (например, токсичности) у нового аналога.
Выявление количественной корреляции свойств химических соеди-
нений с их молекулярными структурами становится возможным только
после математического описания и цифрового представления структу-
ры молекулы.
В настоящее время предложено более 1000 различных видов струк-
турного описания (дескрипторов) для химических соединений. Для ко-
личественного описания молекулярной структуры наибольшую попу-
лярность получили топологические индексы. Первый топологический
индекс, отражающий химическую структуру, был предложен X. Вине-
ром в 1947 г. Топологические индексы можно вычислить на основании
молекулярной структуры, они позволяют учесть ее разветвленность,
форму, цикличность, симметрию и т.п.
По существу топологические индексы являются числовыми молеку-
лярными дескрипторами химического соединения. Топология молеку-
76 О Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
лы определяется порядком взаимосвязи атомов и рассматривается с по-
зиции теорий графов. Любую молекулярную структуру можно предста-
вить в виде графа, в вершинах которого находятся атомы. Ребра графа —
это ковалентные химические связи. Водородные атомы при построении
графов исключаются из расчетов.
В качестве примера рассмотрим схему расчета топологических инде-
ксов для молекулы метилциклопентана QHn- На рис. 15 показаны
структурная формула молекулы и соответствующий ей топологический
граф. Числа 1, 2, —, 6 — это присваиваемые номера атомов в графе.
zCH3
Н2С — СН
/ \
Н2С СН2
сх
н2
Рис. 15. Молекулярная структура и соответствующий
топологический граф метилциклопентана.
Исходя из графа химического соединения, строят топологические
матрицы смежности, расстояния и обхода. Топологические матрицы
содержат N строк и N столбцов, где N — это число атомов в молекуле
(за исключением атомов водорода).
В зависимости от вида матрицы значения ее элементов вычисляют
согласно их определению, приведенному в табл. 4; i и j — порядковые
номера строки и столбца матрицы. Топологическая матрица содержит
диагональные и недиагональные элементы.
Для молекулы метилциклопентана топологические матрицы имеют
значения, представленные в табл. 5.
Действительно, для матрицы смежности метилциклопентана суще-
ствует связь между вершинами 1—2, 2—3, 3—4, 4—5, 1—5 и 1—6, поэто-
му в этих элементах матрицы [A]jj = 1. В остальных случаях связи меж-
ду вершинами нет и [А]ц = 0.
Для i * j элементы матрицы расстояния [D]jj (недиагональные эле-
менты) равны кратчайшему расстоянию между соответствующими дву-
мя вершинами. Например, кратчайшее расстояние между вершинами 2
и 5 равно 2, а между 3 и 6 равно 3. Для i = j (диагональные элементы)
[О]й= 0.
Матрица обхода (ее элементы являются самыми длинными расстоя-
ниями между соответствующими парами атомов). Здесь, как видно из
графа для метилциклопентана (см. табл. 5), в частности, расстояние меж-
Глава 1. О Токсикодинамика 0 77
Таблица 4. МАТРИЦЫ ГРАФА И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Название топологической матрицы Определение элементов матрицы
Матрица смежности (Adjacency Matrix) А (наличие или отсутствие связи) [A]jj = 1, если i * j и имеется связь [А]щ = 0, если i = j или отсутствует связь
Матрица расстояния (Distance matrix) D (наикратчайшая траектория) [D]jj = min(l(pjj)), если i * j, где пйп(1(ру)) является суммой длин ребер наикратчайшей траектории между атомами i и j Pij = E(36/brZjZj), где Zj и Zj — число всех электронов в атомах i и j соответственно; Ьг — кратность связи между атомами i и j [D]jj = 1 — б/Zj (для атома углерода [О]„ = 0)
Матрица обхода (Detour matrix) Д (самая длинная траектория) [Д]щ = тах(1(рщ)), если i * j, где тах(1(ру)) является суммой длин ребер самой длинной траектории между атомами i и j Ру = E(36/brZiZj), где Zj и Zj — число всех электронов в атомах i и j соответственно; Ьг — кратность связи между атомами i и j [Д]„ = 1 — б/Zj (для атома углерода [Д]и = 0)
Таблица 5. ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ СМЕЖНОСТИ, РАССТОЯНИЯ И ОБХОДА МОЛЕКУЛЫ МЕТИЛЦИКЛОПЕНТАНА
Матрица смежности (А) Матрица расстояния (D) Матрица обхода (А)
i/j 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
1 0 10 0 11 0 12 2 11 0 4 3 3 4 1
2 10 10 0 0 10 12 2 2 4 0 4 3 3 5
3 0 10 10 0 2 10 12 3 3 4 0 4 3 4
4 0 0 10 10 2 2 10 13 3 3 4 0 4 4
5 10 0 10 0 12 2 10 2 4 3 3 4 0 5
6 1 0 0 0 0 0 1 2 3 3 2 0 1 5 4 4 5 0
ду вершинами 1 и 2 равно 4, между 2 и 5 равно 3, между 3 и 6 равно 3. Для
i = j (диагональные элементы) значения элементов матрицы равны нулю.
Примеры некоторых наиболее часто используемых топологических
индексов приведены в табл. 6.
78 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
таблица 6. формулы расчета топологических индексов ВИНЕРА, БАЛАБАНА И ИНДЕКСА ОБХОДА
Название нцдекса Определение
Индекс Винера (Wiener index) W W = XDjj + 1/2 XDjj, i i > j, где Djj является элементом в матрице расстояний
Индекс Балабана (Balaban index) J G 1 = (ЦТГ)2:ВД)-|/21’ где Sj и Sj означают суммы расстояний вершин i и j в матрице расстояний; q — число связей; р — число циклов
Индекс обхода (Detour index) О) ы = l/2SS(A)ij, где Ду является элементом в матрице обхода
Используя соответствующую топологическую матрицу, рассчитыва-
ют выбранный топологический индекс. Для расчета индексов Винера и
Балабана используется топологическая матрица расстояний, для расче-
та индекса обхода — топологическая матрица обхода.
Например, величина индекса Винера для метилциклопентана равна:
W= 6 • 0 + 0,5 • [(1 +2+2+1+1)+(1+2+2+2)+(1+2+3)+(1+3)+2) =13.
Индекс Балабана для метилциклопентана равен 2,184. Индекс обхо-
да для метилциклопентана равен 54.
Некоторые топологические индексы учитывают присутствие в молеку-
ле гетероатомов. При этом диагональные элементы соответствующих ге-
тероатомов матриц расстояний и обхода будут отличны от нуля (табл. 7).
В табл. 8 представлены значения параметра ру для связей различных
типов.
При использовании современных компьютеров и соответствующего
программного обеспечения расчет топологических индексов сколь
Таблица 7. ЗНАЧЕНИЕ Он ДЛЯ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ АТОМОВ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ
Da Атом i Dn Атом i
0 Углерод 0,333 Фтор
0,143 Азот 0,647 Хлор
0,25 Кислород 0,6 Фосфор
0,625 Сера
Глава 1. О Токсикодинамика 0 79
Таблица 8. ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРА Рц ДЛЯ СВЯЗЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Р« Тип связи Ру Тип связи
1 С-С 0,735 N-N
0,5 С = С 0,368 N = N
0,333 С = С 0,667 C-F
0,67 Ароматическая СС 0,353 С-Cl
0,857 C-N 0,375 C-S
0,429 C = N 0,187 C = S
0,571 Ароматическая CN 0,141 s = o
0,75 С-О 0,321 S-N
0,375 с = о 0,643 О —N
угодно сложных молекул органических веществ не представляет боль-
ших трудностей.
Таким образом, топологические индексы, рассчитанные для гомоло-
гичных рядов химических соединений, вместе с информацией о физико-
химических свойствах используются для установления корреляционной
зависимости между индексами и параметрами молекул, а также прогнози-
рования изменения токсического действия при введении заместителей.
Примером использования индекса Винера в конкретных исследова-
ниях может служить обнаруженная корреляция индекса Винера с мак-
симальной суточной дозой 15 различных нестероидных противовоспа-
лительных средств (НПВС) с моно-, би- и трициклическими
структурными формулами:
• моноциклическая структура — ацетилсалициловая кислота (I);.
ибупрофен (II).
• бициклическая структура — напроксен (III); мефенамовая кисло-
та (V); набуметон (VI); кетопрофен (VIII); диклофенак (XIII); флюрби-
профен (XIV); пирпрофен (XV).
• трициклическая структура — фенилбутазон (IV); кеторолак (VII);
индометацин (IX); сулиндак (X); пироксикам (XI); мелоксикам (XII).
На рис. 16 представлена зависимость между максимальной суточной
дозой и рассчитанным индексом Винера для указанных НПВС. Корреля-
ция индекса Винера с максимальной суточной дозой для моно- и бицик-
лических соединений оказалась весьма высокой (коэффициент регрес-
сии R = 0,94). Корреляция для трициклических соединений отсутствует,
80 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Рис. 16. Корреляция между максимальной суточной дозой Н11ВС
и топологическим индексом Винера.
Светлые кружки —- для моно- и дициклических структурных формул;
темные кружки — для трициклических структурных формул.
что может свидетельствовать о другом механизме взаимодействия этих
соединений по сравнению с моно- и бициклическими соединениями.
Для получения взаимно однозначных соответствий структура-ак-
тивность среди органических соединений разной природы возможно
Комбинированное
воздействие
Фармако-
и токсикокинетика
{Ст, Hi(r) е.с.}
экспериментальных
популяций
Рис. 17. Многомерный вектор,
составленный из топологических индексов и параметров токсичности.
Топологические
индексы
W,J,X
Терапевтический
индекс
TI = DL50/DE50
Антагонистические
синергические эффекты
Глава 1. О Токсикодинамика 0 81
Таблица 9. ПРИМЕРЫ ККСА-ИССЛЕДОВАНИЙ В ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ И МЕДИЦИНЕ
Топологический индекс Область применения Автор, журнал, год публикации
OASIS Бронхоспазмолитическая и токсическая активность теофиллиновых производных Mekenyan О. et al., Arzneimittelforschung, 1999
Винера Прогнозирование терапевтических характеристик НПВС В.А. Быков и др., Химико-фармацевти- ческий журнал, 2004
Холла Флавоновые производные как ингибиторы HFV-1 интегразы Buolamwini J.K. et al., Pharm. Res., 1996
Винера Антивирусная (против HSV) активность 5-винилпиримидиновых аналогов Goel A. etal., J. Chem. Inf. Comput. Sci., 1994
GROUNDSTAT Активность анестетиков и наркотиков Katritzky AR. et al., J. Chem. Inf. Comput. Sci., 1993
Холла Канцерогенная активность алифатических нитрозаминов Vera A et al., J. Pharm. Sci., 1992
использование многомерного вектора, составленного из топологиче-
ских индексов и параметров токсичности для модельных клеточных си-
стем (рис. 17).
В табл. 9 приведены примеры успешного применения топологиче-
ских индексов для прогнозирования биологической активности и ток-
сичности химических веществ.
В современной практике ККСА-исследований проводится анализ
многомерных массивов данных с использованием максимального чис-
ла дескрипторов. Операции со многими дескрипторами позволяют ис-
ключить случайные корреляции. При этом используются базы данных,
включающие информацию о тысячах химических соединений, содер-
жащие сведения о строении, физических и химических свойствах, ток-
сичности, лекарственной активности.
Использование ограниченных выборок оправдано тогда, когда иссле-
дования проводятся с применением комбинированных подходов, напри-
мер с учетом кинетики клеточных превращений, как показано в гл. 5, ч. 2.
Общедоступной базой такого рода данных является Toxnet —
http://toxnet.nlm.nih.gov/
82 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
ГЛАВА 2. ПОСТУПЛЕНИЕ,
АБСОРБЦИЯ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
И ВЫВЕДЕНИЕ КСЕНОБИОТИКОВ
Ключевые моменты:
• Равновесные процессы при абсорбции, распределении и выведе-
нии токсикантов.
• Клеточные мембраны (пассивный транспорт — простая диффу-
зия, фильтрация; специальный транспорт — активный транспорт, об-
легченная диффузия, дополнительные транспортные процессы).
• Абсорбция (через желудочно-кишечный тракт; через легкие; через
кожу; при специальных способах введения токсикантов).
• Распределение (объем распределения; накопление токсикантов в
тканях — белки плазмы крови, печень, почки, жировая и костная ткань;
гематоэнцефалический барьер; плацентарный барьер).
• Экскреция (почечная, кишечная, при выдыхании; другие способы
элиминации —спинномозговая жидкость, молоко, пот, слюна).
Процессы абсорбции, распределения и выведения ксенобиотиков
подчиняются законам как термодинамики, так и кинетики. В связи с
этим закономерности их равновесной составляющей рассматриваются
сразу вслед за главой «Токсикодинамика» (см. гл. 1), и будут вновь обсу-
ждаться с точки зрения скоростей и механизмов в главах «Биотранс-
формация» и «Токсикокинетика» (гл. 3 и 4).
1. Транспорт токсичных веществ
через клеточные мембраны
При абсорбции, распределении и экскреции ксенобиотиков проис-
ходит их транспорт через клеточные мембраны эпителиальных клеток
кожи, ЖКТ, капилляров, клеток органов (тканей) — мишеней, альвео-
лярные мембраны.
Молекулы токсикантов проникают через мембраны путем пассив-
ного транспорта или специальными энергозависимыми способами.
Ы.Пассивный транспорт
Пассивный транспорт осуществляется простой диффузией или
фильтрацией.
Простая диффузия. Большинство токсикантов проходят через мемб-
рану, используя механизм простой (пассивной) диффузии (рис.1). Пас-
сивная диффузия не требует затрат энергии и возможна в обоих напра-
влениях: как в клетку, так и из нее.
Глава 2. <> Поступление, абсорбция... ксенобиотиков 0 83
Направление и скорость пассивной диффузии определяются разно-
стью концентраций токсиканта по обе стороны клеточной мембраны в
соответствии с законом Фика:
dn/dt = -DSAC/Ax,
где dn/dt — скорость диффузии, моль/с, D — коэффициент диффу-
зии ксенобиотика, м2/с, S — площадь поверхности мембраны, м2, через
которую диффундирует ксенобиотик, ДС/Ах — градиент концентраций
токсиканта по обе стороны мембраны, моль/м3 • м.
Белки, входящие в состав клеточных мембран, могут образовывать
гидрофильные поры (см. рис.1), через которые проходят небольшие
гидрофильные молекулы (с относительной молекулярной массой Мг до
600). Для химических веществ характерно снижение коэффициента
диффузии с ростом молярной массы. Например, при 37° С в воде коэф-
фициент диффузии мочевины (60 г/моль) равен 1.23 • 10~9 м2/с, а саха-
розы (342 г/моль) — на полтора порядка меньше (4,78 • 10’10 м2/с).
Большинство токсикантов — органические вещества с различной рас-
творимостью в липидах; растворимостью определяется их способность
проникать через липидный слой (см. ч.2 гл. 1). Ионизированные формы
слабых органических кислот или оснований (гидрофильные вещества)
обычно имеют низкую раствори мость в лип идах и не способны беспрепят-
ственно преодолеть липидное пространство мембраны (рис.2). Напротив,
неионизированные формы (гвдрофобные/липофильные вещества) хоро-
шо растворимы в липидах и свободно диффундируют через мембраны.
Диффузия Диффузия Активный
через через транспорт
липидный гидрофильный с участием
Рис.1. Возможные пути транспорта токсичных веществ
из межклеточного пространства внутрь клетки.
84 0 Часть 2. С Основы биохимической токсикологии
Внутриклеточная Клеточная Внеклеточная
жидкость мембрана жидкость
Высокая растворимость в липидах
Низкая растворимость в липидах
Рис-2. Концентрационный профиль липидной мембраны, разделяющей внутри-
и внеклеточную жидкости, содержащие вещества с высокой и низкой липофильностью.
Как видно из рис. 2, липофильный ксенобиотик накапливается в
мембране со значительным градиентом концентраций АС. Низкая рас-
творимость в мембране гидрофильного ксенобиотика практически не
изменяет его содержание внутри клетки, поскольку величина АС ни-
чтожно мала.
Фильтрация — это прохождение воды через поры мембраны внутрь
клетки. Молекулы растворимых веществ небольшого размера способны
проникнуть через поры вместе с водой. Например, диаметр пор в мемб-
ранах эпителиальных клеток кишечника составляет около 4 • 10-10 м (для
сравнения длина связи С-Н составляет 154 пм, т.е. 1,54 • 10-Ю м). Лишь
молекулы с относительной молекулярной массой не более нескольких
сотен (Mr < п • 100) могут преодолевать поры в клеточных мембранах.
Через них диффундируют вода, некоторые ионы, небольшие гидро-
фильные молекулы, например мочевина. В почечных клубочках через
поры проходят молекулы меньше молекул альбумина (Мг = 60 000).
1.2. Специальный транспорт
Существуют системы специального транспорта; активный транс-
порт и облегченная диффузия.
Активный транспорт токсиканта происходит против градиента кон-
центраций (из области с меньшей концентрацией в область с большей
концентрацией) или традиента электрохимического потенциала и тре-
бует энергетических затрат, т.е. сопряжения с реакцией гидролиза аде-
нозинтрифосфата (АТФ).
Глава 2. О Поступление, абсорбция... ксенобиотиков б 85
Известны специфически активные транспортные системы для
эндобиотиков и ксенобиотиков. Многочисленные «антилекарствен-
ные» белки, или гликопротеины, выводят лекарственные вещества из
клеток, но их предпочтительными субстратами являются продукты вто-
рой фазы метаболизма (глюкурониды или конъюгаты глутатиона) (ч.2,
гл.З). Транспортные пептиды — это переносчики кислот, оснований,
амфотерных соединений. Они играют важную роль в поступлении ксе-
нобиотиков в печень. Имеется группа переносчиков, особенно эффек-
тивно действующих при транспорте органических анионов в почки.
Облегченная диффузия. Облегченная диффузия представляет собой
транспортировку токсичного вещества с помощью переносчиков. Этот
тип трансмембранного переноса токсиканта имеет все характеристики
активного транспорта за исключением того, что перенос субстрата про-
текает в соответствии с градиентом концентрации и электрохимическо-
го потенциала и поэтому не требует затрат энергии.
Дополнительные транспортные процессы. Другие формы эвдоцитоза — фа-
гоцитоз, пиноцитоз — предполагают участие клеточных мембран. При этом
клетка обволакивает и поглощает твердые или жидкие частицы токсиканта.
2. Пути поступления и абсорбция ксенобиотиков
Известно, что одинаковые дозы ксенобиотиков могут давать различ-
ные токсические эффекты. Это в первую очередь обусловлено разными
способами поступления их в организм, а также особенностями абсорб-
ции, распределения, механизмов биотрансформации и способов экс-
креции (рис.З).
Поступление токсикантов в организм может осуществляться энте-
ральным и парентеральным (par — минуя) путями. Энтеральное поступ-
ление токсиканта в организм означает его проникновение через рот
(перорально) с последующим всасыванием в ЖКТ (см. рис.З). Паренте-
ральные пути поступления разнообразны: трансдермальный, внутри-
венный, внутримышечный, ингаляционный, подоболочечный.
Абсорбция (всасывание) — это перенос токсиканта из места поступле-
ния (введения) в системный кровоток. Механизмы абсорбции ксенобио-
тика в значительной степени зависят от пути поступления в организм. Ко-
жа, легкие, ЖКТ — главные барьеры между внутренней средой организма
и окружающей средой, в которой находится огромное число химических
веществ — токсикантов. Преодолевая защитные барьеры, токсикант по-
ступает в кровоток и распределяется по всему организму. Исключение со-
ставляют едкие и разъедающие вещества (кислоты, основания, соли,
окислители), оказывающие местное (локальное) токсическое действие.
86 Q Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Поступление Абсорбция (всасывание) и распределение Выведение
Рис.З. Пути поступления, абсорбции, распределения и выведения токсикантов.
2.1. Абсорбция через желудочно-кишечный тракт
ЖКТ — один из наиболее важных центров абсорбции ксенобиоти-
ков. Многие токсиканты из окружающей среды входят в пищевые цепи
и абсорбируются вместе с компонентами пищи из ЖКТ.
Содержимое ЖКТ можно рассматривать как часть внешней среды.
Токсичные вещества, за исключением прижигающих ядов, до всасыва-
ния в кровоток не оказывают повреждающего действия на организм, и
только после всасывания можно говорить о формировании токсическо-
го эффекта.
Абсорбция токсиканта возможна во всех отделах ЖКТ, от роговой
полости до прямой кишки. Большинство токсикантов всасываются по
механизму простой диффузии. Липофильные вещества абсорбируются
быстрее и эффективнее, чем водорастворимые соединения. Если токси-
кант — органическая кислота или основание, то абсорбция протекает в
тех частях ЖКТ, где преобладают неионизированные формы [кислоты
— при низких pH (рН<рКа), основания — при высоких pH (рН>рКа)].
Константы кислотности или основности (Ка и Кь) ксенобиотика, пло-
щадь всасывающей поверхности, скорость кровотока — важные пара-
метры процесса абсорбции.
Глава 2. О Поступление, абсорбция... ксенобиотиков О 87
Таблица 1. ЦЕНТРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ В КИШЕЧНИКЕ ЧЕЛОВЕКА
(ПО ROZMAN К.К., 2003)
Место абсорбции
Субстраты тонкая кишка толстая кишка
верхний отдел средний отдел нижний отдел
Углеводы (глюкоза, галактоза и т.д.) ++ +++ ++ 0
Нейтральные аминокислоты ++ +++ ++ 0
Анионные (основные) формы аминокислот ++ ++ ++ 7
Гамма-глобулин (новорожденные) + ++ +++ 7
Пиримидины (тимин и урацил) + + ? 7
Триглицериды ++ ++ + 7
Жирные кислоты (абсорбция и превращение в триглицериды) +++ ++ + 0
Соли желчных кислот 0 + +++ 7
Витамин В12 0 + +++ 0
Ионы Na+ +++ ++ +++ +++
Ионы Н+ 0 + ++ ++
Ионы Са2+ +++ ++ + 7
Ионы Fe2+ +++ +4- + 7
Ионы СГ +++ ++ + 0
В ЖКТ млекопитающих содержатся специальные транспортные си-
стемы для абсорбции питательных веществ и электролитов (табл. 1), не-
которые из них снижают абсорбцию ксенобиотиков.
Большое значение имеет способность токсичного вещества подвер-
гаться химическому превращению в кислой среде желудка. Если токси-
кант долго находится в кишечнике, то пропорционально возрастает про-
должительность абсорбции. Время пребывания химического вещества в
кишечнике зависит от его растворимости и от кишечной моторики.
Экспериментально показано, что энтеральная токсичность некото-
рых химических соединений возрастает с разведением поглощенного
токсичного раствора. Это объясняется более интенсивным всасывани-
88 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
ем в результате возрастания поверхности всасывания при увеличении
объема токсичного раствора.
Абсорбция химического вещества зависит не только от способности
ксенобиотика к комплексообразованию с биогенными макромолекула-
ми, но и от других физико-химических характеристик — растворимости
в воде, липидах, степени диссоциации, значений окислительно-восста-
новительного потенциала.
Пресистемная элиминация. Пресистемной элиминацией, или эффек-
том первого прохождения называется процесс удаления химического ве-
щества до поступления его в системную циркуляцию (см. рис.З). Пре-
системной элиминации подвергаются химические вещества,
абсорбируемые в ЖКТ. Мукоциты ЖКТ и печень могут удалять значи-
тельную долю токсиканта. Например, при пероральном поступлении
после всасывания в кишечнике ксенобиотик доставляется с кровью по
портальной венозной системе в печень, где подвергается внутриклеточ-
ной биотрансформации и экскреции гепатоцитами в желчь.
Таким образом, при пероральном поступлении проникновение ток-
сиканта в системный кровоток зависит от эффективности абсорбции в
желудке и кишечнике, биотрансформации и элиминации в желчь. Пре-
системная элиминация обычно уменьшает токсическое действие хими-
ческого соединения.
Следует особо подчеркнуть, что при введении ксенобиотика через
прямую кишку, а также при сублингвальном всасывании происходит
практически полная абсорбция в системный кровоток.
2.2. Ингаляционное поступление токсикантов
В альвеолах абсорбируются газы, пары летучих жидкостей и аэрозо-
ли. Площадь активной поверхности альвеол составляет 90— 100 м2. Аль-
веолы имеют мощное кровоснабжение.
Прежде чем «летучий» яд попадет в альвеолы, он проходит через но-
совой ход с носовыми пазухами, в результате чего значительно увеличи-
вается площадь абсорбирующей поверхности. Частицы яда при доста-
точно хорошей растворимости в воде и высокой реакционной
способности могут сохраняться в носовой слизи и удаляться при дыха-
нии и чиханье, не попадая в легкие.
При попадании в легкие «летучий» яд диффундирует через альвеоляр-
ные мембраны в кровь и растворяется до тех пор, пока не установится
равновесие между кровью и газовой фазой альвеол Тохддьв *♦ Тохкр
(рис.4). Равновесие количественно характеризуется отношением концен-
трации токсичного вещества, растворенного в крови (Скр), к концентра-
Глава 2. О Поступление, абсорбция... ксенобиотиков Q 89
ции в газовой фазе альвеол (СалЬВ) — коэффициентом распределения к =
Скр/Садьв- При достижении динамического равновесия скорость перено-
са молекул «летучего» яда из альвеол в кровь становится равна скорости
удаления его молекул из крови в альвеолы. Значение коэффициента рас-
пределения зависит в первую очередь от химической природы яда.
Для «летучих» ядов с низкими значениями коэффициента распреде-
ления (Скр«Сальв) абсорбция зависит в основном от скорости крово-
тока через легкие (перфузионные ограничения). Для летучих веществ с
высоким отношением коэффициента распределения (Скр»Сальв) аб-
сорбция является функцией частоты и глубины дыхания (вентиляцион-
ные ограничения).
Кровь переносит молекулы «летучего» яда по всему организму. Мо-
лекулы яда перемещаются из крови в ткани. После частичного высвобо-
ждения токсиканта в ткани кровь возвращается к легким для дополни-
тельного насыщения. Это продолжается до достижения равновесия
между кровью и отдельной тканью: Тохкр ♦* Тохте. С этого момента при
постоянстве экспозиционной концентрации всасывания «летучего» яда
не происходит. В случае биотрансформации или экскреции альвеоляр-
ная абсорбция продолжается до достижения устойчивого равновесного
состояния.
На абсорбцию аэрозолей влияют размер частиц дисперсной фазы и
растворимость в воде химических веществ, присутствующих в аэрозоле.
Место осаждения частиц зависит от их размера. Частицы размером бо-
Рис.4. Абсорбция и распределение химических веществ
при ингаляционном поступлении.
90 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
лее 5 мкм обычно оседают в носоглотке и удаляются с носовой слизью
при дыхании и чиханье.
Покрытые слизью носовые реснички при движении ускоряют пере-
мещение нерастворимых частиц. Эти частицы и частицы, вдыхаемые
через рот, заглатываются в течение нескольких минут. Растворимые ча-
стицы могут растворяться в носовой слизи и также заглатываются или
абсорбируются через носовой эпителий в кровь.
Очищение воздухоносных путей от частиц размером от 2 до 5 мкм
происходит обратным переносом из реснитчатых отделов слизистой
оболочки. В итоге частицы также могут заглатываться и абсорбировать-
ся из ЖКТ.
Частицы размером 1 мкм и меньше попадают в альвеолы. Они могут
абсорбироваться в кровь или удаляться через лимфатическую систему
после поглощения альвеолярными макрофагами.
Удаление или абсорбция частиц аэрозолей из альвеол протекает по
трем основным механизмам. Во-первых, частицы могут удаляться из
альвеол механически, путем мукоцилиарного клиренса. Они попадают
в рот и могут заглатываться. Во-вторых, частицы из альвеол могут быть
удалены фагоцитозом с участием большого числа макрофагов легких,
поглощающих частицы экзогенного происхождения. В-третьих, воз-
можно их удаление через лимфатическую систему, причем макрочасти-
цы могут долго оставаться в лимфатических узлах.
Полного удаления частиц из альвеол не происходит. Обычно в 1 -е
сутки удаляется около 20% частиц; оставшиеся частицы выводятся
очень медленно. Скорость выведения веществ можно прогнозировать
на основании их растворимости в альвеолярной жидкости: чем меньше
растворимость, тем медленнее удаление.
2.3. Абсорбция токсикантов через кожу
Кожные покровы человека контактирует со многими токсичными
агентами. Кожа представляет собой защитный барьер организма, отде-
ляющий его от окружающей среды. Тем не менее некоторые химиче-
ские вещества абсорбируются через кожу в значительных количествах,
оказывая токсическое воздействие на весь организм.
При абсорбции через кожу токсикант должен пройти через эпидер-
мис или придатки кожи (потовые и сальные железы и волосяные фол-
ликулы). Прежде чем попасть в кровеносную или лимфатическую си-
стему, химические вещества проходят через несколько клеточных
слоев. Кожную абсорбцию химических веществ лимитирует переход
через верхний слой эпидермиса с близко расположенными ороговев-
Глава 2. Q Поступление, абсорбция... ксенобиотиков 0 91
шими клетками, потерявшими ядра и поэтому биологически неактив-
ными.
Все токсиканты проникают через ороговевший слой путем пассив-
ной диффузии. Полярные вещества, по-видимому, диффундируют че-
рез внешнюю поверхность гидратированных белковых молекул рогово-
го слоя. Неполярные молекулы растворяются и диффундируют через
липидные слои. Проницаемость кожи определяется как диффузионной
способностью токсиканта, так и толщиной ороговевшего слоя. Его тол-
щина больше на ладонях и подошвах (400 — 600 мкм в загрубевших ча-
стях) и меныце на спине и животе (5—15 мкм).
Подкожная абсорбция включает диффузию токсиканта через ниж-
ние слои эпидермиса и дерму. Эти барьерные слои, располагающиеся
глубже рогового слоя, содержат поры, неселективные водно-диффузи-
онные среды. Токсиканты проникают через них путем диффузии и по-
падают в общий кровоток через многочисленные кровеносные и лим-
фатические сосуды дермы.
2.4. Абсорбция токсикантов
при специальных способах поступления
Кроме абсорбции в ЖКТ, в альвеолах легких, через кожу, химиче-
ские агенты, например лекарственные вещества, могут быть введены
человеку внутрибрюшинно, подкожно, внутримышечно, внутривенно,
в лимфатическую систему. При внутривенном введении токсикант по-
падает непосредственно в кровоток, т.е. при этом процесс абсорбции
исключается. Внутрибрюшинная инъекция приводит к быстрому вса-
сыванию ксенобиотика благодаря хорошему кровоснабжению и отно-
сительно большой площади брюшины. Вещества, введенные внутри-
брюшинно, абсорбируются главным образом в портальную вену и
попадают в печень прежде, чем достигнут других органов. Соединения,
введенные внутрибрюшинно, могут быть полностью экскретированы в
желчь и не попасть в общий кровоток. Вследствие пресистемной эли-
минации при внутрибрюшинном введении токсичность проявляется
меньше по сравнению с внутривенным, внутримышечным или подкож-
ным введением.
Токсиканты, введенные подкожно или внутримышечно, обычно мень-
ше абсорбируются, но попадают непосредственно в общий кровоток. Эф-
фект первого прохождения значительно снижен при сублингвальном,
трансдермальном и ректальном (нижний отдел прямой кишки) способах
введения токсикантов. При этом токсиканты имеют прямой доступ к си-
стемным венам, минуя портальные.
92 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
3. Распределение
ксенобиотиков в организме
Распределение токсиканта осуществляется при переносе кровото-
ком к органам и тканям (см. рис.З). При распределении токсикант до-
стигает органов/тканей — мишеней, где проявляет токсичность. Нако-
пление токсиканта может происходить не в органе-мишени, а в ином
органе. В этом случае токсичность будет менее выражена.
3.1. Объем распределения
В организме имеются различные жидкостные камеры: межклеточ-
ная, внутриклеточная, интерстициальная, плазма, жировая ткань, мас-
сы которых зависят от массы тела. Внеклеточная жидкость состоит из
плазмы крови и интерстициальной (межтканевой) жидкости. Свобод-
ные частицы (молекулы и ионы), не связанные с белками-переносчика-
ми или другими веществами с донорными лигандными атомами, могут
проникать из одной жидкостной камеры в другую (рис. 5).
Содержание токсиканта в крови в значительной степени зависит от
объема распределения Vd:
Vd = D/C,
где D — доза токсиканта в моль/кг массы тела, С — концентрация
токсиканта в крови в моль/л (см. гл. 4).
О свободные молекулы и ионы
связанные молекулы и ионы
Рис.5. Основные жидкостные камеры организма
(цифрами указаны массовые доли камер относительно массы организма).
Глава 2. О Поступление, абсорбция... ксенобиотиков 0 93
Ксенобиотики, не способные беспрепятственно проникать через кле-
точные мембраны, имеют ограниченное распределение, другие, напро-
тив, легко транспортируются через липидные слои мембран и распределя-
ются по всему организму. При распределении токсиканты могут
накапливаться в различных депо, например, в печени, жировой или кост-
ной ткани. Накоплению ксенобиотика в тканях способствуют высокая
растворимость в липидах, образование ковалентных связей с белками.
Центры накопления токсиканта могут оказаться одновременно центрами
проявления основной токсичности. Однако в некоторых случаях токси-
кант аккумулируется в тех частях организма, которые не являются орга-
ном или тканью-мишенью. При этом концентрация в плазме, а значит, и
проявление токсичности в центре-мишени уменьшается, и такой процесс
может рассматриваться как защитный. Любой токсикант в центре накоп-
ления находится в динамическом равновесии со свободной формой веще-
ства в плазме, поэтому он способен переходить в системный кровоток.
3.2. Накопление (депонирование) токсикантов в организме
Связывание с белками или депонирование в отдельных органах и
тканях препятствует свободному перемещению ксенобиотика из одной
жидкостной камеры в другую. Ксенобиотик высвобождается из центров
депонирования для биотрансформации или экскреции, но пребывание
ксенобиотика в депо может быть достаточно длительным.
3.2.1. Белки плазмы крови как депо при накоплении токсикантов.
Некоторые плазменные белки способны прочно связывать ксенобиоти-
ки. Альбумин связывает множество химических соединений разных
классов (рис. 6). Связывающая функция присуща и другим белкам, на-
пример, трансферрину, глобулинам, церулоплазмину и липопротеинам.
Среди белков плазмы альбумин присоединяет преимущественно кис-
лотные формы токсикантов и катионы d-элементов; р-глобулин, глико-
протеины связывают преимущественно токсиканты основной природы.
Из-за высокой относительной молекулярной массы комплексы белков
плазмы и токсикантов не способны проникнуть через стенку капилляров,
т.е. связанная форма токсиканта не может транспортироваться во внесосу-
дистое пространство. Однако взаимодействие химических веществ с бел-
ками плазмы обратимо. После насыщения центров связывания возрастает
доля несвязанного токсиканта, как это показано для фенилбутазона (см.
гл.1 рис.З), что влияет на распределение ксенобиотика в организме.
По мере диффузии несвязанных молекул токсиканта происходит
распад белковых ассоциатов до тех пор, пока концентрация свободной
фракции не достигнет равновесных значений во внутри- и внесосуди-
94 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Альбумин
1 Cu2+, Fe2*, Zn2+, витамины А, К, D, Е, В12, гемоглобин,
липиды, сиаловая кислота, стероидные гормоны,
тироксин, трансферрин, холестерол, церулоплазин
Cu2+, Zn2+,
аденозин,
барбитураты,
билирубин,
витамин С,
гистамин,
жирные кислоты,
кислотные красители,
мочевая кислота,
парааминосалицилат,
салицилат,
пеницилин,
стрептомицин,
тетрациклины,
сульфаниламиды,
хлорамфеникол,
тироксин,
трийодтиронин,
феноловый красный
Рис.6. Примеры ксено- и эндобиотиков, взаимодействующих
с белками плазмы крови (по Curtis D. Klaasen, 2003).
стом пространстве. Далее во внесосудистом пространстве происходит
диффузия в более удаленные от капилляров области распределения, и
возрастающий градиент концентраций приводит к дальнейшей диссо-
циации ассоциатов белок—токсикант.
Возможно замещение токсиканта в комплексе с белком плазмы дру-
гим токсическим агентом. Результатом такого конкурирующего заме-
щения могут быть увеличение равновесной концентрации токсиканта в
органе-мишени и как следствие — возрастание токсичности. Ксеноби-
отики могут также конкурировать с эндогенными соединениями за свя-
зывание с белками плазмы.
3.2.2. Печень и почки как депо при накоплении токсикантов. Печень и
почки накапливают значительно больше разнообразных химических
веществ, чем другие органы. Белки лигандины и металлотионеины,
синтезируемые в печени и почках, имеют высокое сродство к органиче-
ским соединениям и ионам металлов и играют роль лигандов при депо-
нировании токсикантов.
Глава 2. О Поступление, абсорбция... ксенобиотиков 0 95
3.2.3. Жировая ткань как депо при накоплении токсикантов. Многие ли-
пофильные соединения с высоким значением коэффициента распреде-
ления K=Cl/Ch2o (масло/вода) накапливаются в жировой ткани. Нако-
пление токсиканта в жировой ткани приводит к снижению его
концентрации в органе-мишени. Отмечена меньшая токсичность хими-
ческих веществ у тучных людей. При высвобождении токсиканта из жи-
ровой ткани наблюдается увеличение его содержания в крови и, следова-
тельно, в органе-мишени, что приводит к возрастанию токсичности.
3.2.4. Костная ткань как депо при накоплении токсикантов. Накопле-
ние ксенобиотиков в костной ткани — гетерогенный процесс с участи-
ем кристаллов гидроксиапатита Саю(РО4)б(ОН)2 и внеклеточной жид-
кости, находящейся в контакте с костной тканью. Депонирование и
высвобождение токсикантов обратимы:
Саю(РО4)б(ОН)2 + AsO43“ *-» Caio(As04)6(OH)2 + РО4З-
Са10(РО4)б(ОН)2 + 2F- - CaI0(PO4)6F2 + 2ОН’
Са10(РО4)б(ОН)2 + 2Cd2+ « Cdl0(PO4)6(OH)2 + 2Са2+
Однако при длительном воздействии значительных доз ксенобиоти-
ка на организм эти процессы могут привести к необратимым физиоло-
гическим изменениям. Так, свинец не вызывает явных нарушений в ко-
стной ткани, но хорошо известны хронические эффекты отложения
фтора (скелетный флюороз), кадмия (кадмиевый токсикоз — болезнь
itai-itai) и радиоактивного стронция (остеосаркома и другие новообра-
зования).
3.3. Барьеры при распределении ксенобиотиков
3.3.1. Гематоэнцефалический барьер. Энцефалический барьер менее
проницаем для токсических агентов, чем другие органы и ткани. Про-
никновению токсикантов в ЦНС препятствует, во-первых, то, что эндо-
телиальные клетки ЦНС тесно примыкают друг к другу. Во-вторых, эти
клетки содержат АТФ-зависимый белок-переносчик, который способен
переносить некоторые химические вещества в кровь. В-третьих, эндоте-
лий капилляров ЦНС покрыт снаружи глиальными клетками (астроци-
тами), липидные мембраны которых играют роль дополнительной за-
щиты. В-четвертых, концентрация белка в интерстициальной жидкости
ЦНС намного меньше, чем в других клетках организма. Это приводит к
ограничениям в перемещении гидрофильных белковых ассоциатов. Та-
ким образом, только несвязанные токсиканты находятся в равновесии с
тканью мозга. Липофильность и степень ионизации — важные характе-
ристики при оценке способности соединения проникать в ЦНС. Иони-
зация вещества значительно ограничивает этот процесс.
96 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Активный транспорт снижает концентрацию ксенобиотиков в моз-
ге. Белки-переносчики эндотелиальных клеток мозга ответственны за
транспорт некоторых химических соединений из эндотелия в кровь.
3.3.2. Плацентарный барьер. Многие ксенобиотики могут преодоле-
вать плацентарный барьер. Кроме химических соединений липофиль-
ной природы, через плаценту могут проникать вирусы, клеточные пато-
гены (например, бледная трепонема), глобулиновые антитела и
эритроциты. Плацента содержит активную транспортную систему и
биотрансформационные ферменты, которые защищают плод от попа-
дания в него ксенобиотиков.
Среди веществ, проникающих через плацентарный барьер путем
пассивной диффузии, больше веществ с липофильными свойствами,
которые быстрее достигают равновесия в системе мать-плод. В услови-
ях устойчивого равновесного состояния концентрации токсичного ве-
щества в плазме крови матери и плода обычно одинаковы. Концентра-
ции в различных тканях плода зависят от их способности накапливать
токсикант. Разница концентраций токсиканта в организме матери и
плода может быть обусловлена рядом причин. Например, поскольку
плод содержит незначительное количество жировой ткани, накопление
в нем липофильных веществ ограничено.
3.3.3. Перераспределение токсикантов. Интенсивность кровотока и
сродство органов и тканей к токсиканту — наиболее важные критиче-
ские факторы, влияющие на распределение ксенобиотиков. Органы с
интенсивным кровотоком (например, печень), содержат большие
количества ксенобиотиков. Другие органы и ткани могут накапливать
ксенобиотики в результате специфического связывания.
4. Выведение ксенобиотиков из организма
Выведение токсикантов из кровотока или организма в целом может
осуществляться разными способами. Экскреция — это удаление (выве-
дение) ксенобиотиков во внешнюю среду, например, с мочой, потом,
выдыхаемым воздухом или другими путями (см. рис.З этой главы). Поч-
ки наряду с легкими и печенью играют важную роль в выведении боль-
шинства токсикантов.
Снижение содержания токсикантов в системном кровотоке проис-
ходит также при биотрансформации или депонировании в отдельных ча-
стях организма (депо). Биотрансформация ксенобиотика приводит к
образованию как менее, так и более токсичных метаболитов. Печень
— наиболее важный орган при биотрансформации токсикантов.
Обычно биотрансформация предшествует почечной экскреции. В
Глава 2. Q Поступление, абсорбция... ксенобиотиков 0 97
первую очередь это касается липофильных веществ, которые био-
трансформируются в полярные (водорастворимые) соединения, спо-
собные экскретироваться почками. Полное выведение токсиканта из
организма, включающее биотрансформацию и экскрецию, носит на-
звание элиминация.
Чем больше скорость элиминации токсиканта и его метаболитов из
организма, тем ниже его содержание в органе-мишени и меньше ток-
сичность. Например, при накоплении ксенобиотика в жировой ткани
его элиминация снижена из-за низкого содержания в плазме, что пре-
пятствует быстрой почечной экскреции или выведению токсиканта
другими способами.
4.1. Почечная экскреция
Токсичные соединения, как и продукты их биотрансформации, по-
ступают в мочу в результате клубочковой фильтрации, экскреции путем
пассивной диффузии или активного транспорта. Соединения с относи-
тельной молекулярной массой до 60 000 фильтруются в клубочках. Сте-
пень связывания белков плазмы влияет на скорость фильтрации, так
как комплекс белок—ксенобиотик слишком велик, чтобы проникнуть
через поры клубочков.
Токсикант, прошедший гломерулярную фильтрацию, попадает в ка-
нальцевый аппарат нефрона, откуда может реабсорбироваться (т.е. воз-
вратиться в кровоток) или экскретироваться с мочой. Токсиканты с вы-
сокими коэффициентами распределения масло/вода подвергаются
значительной реабсорбции, тогда как полярные соединения легко экс-
кретируются с мочой.
Ксенобиотики могут поступать в мочу и путем активной экскреции
с использованием различных групп переносчиков в почках.
4.2. Кишечная экскреция
Относительно медленная кишечная экскреция является основным
способом выведения соединений, не подвергающихся биотрансформации
или имеющих невысокий почечный или желчный клиренсы. Многие хи-
мические соединения, подвергающиеся кишечной экскреции, транспор-
тируются из крови в содержимое кишечника путем пассивной диффузии.
Значительная доля ксенобиотиков, экскретируемых с фекалиями,
связана с кишечными бактериями. При участии бактерий токсиканты
могут значительно изменять свою химическую форму. В фекалиях нахо-
дят ксенобиотики, образовавшиеся в процессе бактериальной био-
трансформации. В некоторых случаях биотрансформация под воздейст-
98 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
вием кишечной флоры способствует реабсорбции, а не экскреции ток-
сичных метаболитов.
4.3. Легочная экскреция
Вещества, находящиеся при 37°С в газовой фазе, и летучие жидкости, на-
пример, этанол, выделяются из организма преимущественно через легкие.
В легких отсутствует специфическая транспортная система экскре-
ции токсичных веществ, и летучие вещества выделяются по механизму
простой диффузии. Эффективность выведения газов обратно пропор-
циональна их абсорбции. Скорость элиминации газа с низкой раство-
римостью в крови контролируется интенсивностью кровотока. При вы-
сокой растворимости газа вступает в силу вентиляционный контроль,
определяемый частотой и глубиной дыхания.
4.4. Другие способы элиминации
Токсичные продукты экскретируются в молоко простой диффузией.
Поскольку молоко имеет pH 6,5, в нем концентрируются вещества,
проявляющие основные свойства. Уровень веществ, проявляющих кис-
лотные свойства, в молоке ниже, чем в плазме. Молоко содержит 3—4%
жиров, поэтому липофильные ксенобиотики диффундируют с жирами
из плазмы крови в молочные железы и экскретируются с молоком при
лактации, попадая в организм ребенка.
Экскреция токсичных агентов потовыми и слюнными железами не-
значительна. Токсичные вещества при выведении с потом могут вызы-
вать дерматиты. Вещества, экскретируемые со слюной, обычно загла-
тываются, после чего подвергаются абсорбции в ЖКТ.
ГЛАВА 3. БИОТРАНСФОРМАЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ
Ключевые моменты
• Биотрансформация большого числа ксенобиотиков разных хими-
ческих классов протекает с использованием ограниченного числа фер-
ментов.
• Процессы 1-й фазы биотрансформации — гидролиз, восстановле-
ние и окисление. Эти реакции обычно завершаются незначительным
увеличением гидрофильности молекулы.
• Процессы 2-й фазы биотрансформации включают глюкурониро-
вание, сульфатирование, ацетилирование, метилирование, а также
конъюгацию с аминокислотами и глутатионом. Эти процессы обычно
завершаются увеличением гидрофильности и элиминации.
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 99
Биотрансформация — метаболическое превращение эндогенных и эк-
зогенных химических веществ в более полярные (гидрофильные) соедине-
ния. Обычно при биотрансформации свойства ксенобиотика изменя-
ются от липофильных, благоприятствующих абсорбции через
липидные мембраны, к гидрофильным, способствующим почечной
экскреции. Исключение из этого общего правила — выведение липо-
фильных летучих соединений через органы дыхания (ч.4, гл.З). Изме-
нение химической формы ксенобиотика при биотрансформации при-
водит и к изменению его биологической активности. Некоторые
ксенобиотики при биотрансформации превращаются в более актив-
ные метаболиты с более выраженными терапевтическими (в случае
лекарств) или токсическими свойствами (летальный синтез). Напри-
мер, из метанола образуются высокотоксичные формальдегид и му-
равьиная кислота (ч.4, гл.З), из малотоксичного пестицида паратиона
(ч,4, гл.4) образуется токсичный параоксон — ингибитор холинэстера-
зы, амидопирин метаболизируется в более токсичный диметилнитро-
замин. Однако в большинстве случаев биотрансформация приводит
как к снижению биологической активности (терапевтического эффе-
кта) лекарственного средства, так и к уменьшению токсичности любо-
го другого ксенобиотика. Ферменты, катализирующие реакции био-
трансформации, определяют интенсивность и продолжительность
действия лекарств и играют ключевую роль в проявлении ксенобиоти-
ком химической токсичности.
1. Общие положения
1.1. Основные свойства ферментов,
участвующих в биотрансформации ксенобиотиков
Процессы биотрансформации многочисленных ксенобиотиков ка-
тализируются ограниченным числом ферментов. В некоторых случаях
синтез этих ферментов усиливается при абсорбции ксенобиотика (ин-
дукция фермента), но обычно внешние факторы не влияют на процесс
синтеза фермента.
Ферменты могут стимулировать противоположные эффекты. Изве-
стно, что синтез стероидных гормонов катализируется с участием цито-
хрома Р450. В то же время в печени это семейство ферментов катализи-
рует превращение стероидных гормонов в растворимые в воде
метаболиты, что способствует их экскреции.
Строение ферментов, катализирующих процессы биотрансформа-
ции в организме человека, имеет заметные индивидуальные различия.
100 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Это в свою очередь приводит к различиям в скорости биотрансформа-
ции ксенобиотиков у разных людей. Изучением причин и последствий
наследственных особенностей каталитической активности ферментов,
участвующих в процессах биотрансформации ксенобиотиков, занима-
ется наука фармако(токсико)генетика.
1.2. Биотрансформация и метаболизм
Термины биотрансформация и метаболизм имеют определенное
сходство и в то же время различаются по смыслу, хотя применитель-
но к лекарствам их часто используют как синонимы. Термин метабо-
лизм применяется для описания полной «судьбы» ксенобиотика,
включая абсорбцию, распределение, биотрансформацию и выведе-
ние. Иногда термин биотрансформация заменяют на метаболизм и
продукты биотрансформации называют метаболитами. Организм
человека с генетическим дефицитом ферментов биотрансформации
ксенобиотика называют слабым метаболизатором, но не биотранс-
форматором.
1.3. Стереохимические аспекты биотрансформации
Многие ксенобиотики, например, около 400 известных рацемиче-
ских лекарственных веществ, содержат центры хиральности и могут су-
ществовать в виде стереоизомеров (энантиомеров). Биотрансформация
некоторых хиральных ксенобиотиков протекает стереоспецифично.
При этом скорость биотрансформации одного из энантиомеров может
быть выше, чем у его оптического антипода.
2. Фазы биотрансформации
Реакции, катализируемые ферментами биотрансформации ксено-
биотиков, обычнр разделяют на реакции 1-й и 2-й фазы (табл.1). Ре-
акции 1-й фазы — это гидролиз, восстановление и окисление. Эти
реакции протекают с участием функциональных групп —ОН, —NH2,
— SH и —СООН и приводят к незначительному увеличению гидро-
фильности. Реакции 2-й фазы биотрансформации включают глюку-
ронирование, сульфатирование, ацетилирование, метилирование,
конъюгацию (соединение) с глутатионом (синтез меркаптуровой ки-
слоты) и с аминокислотами (глицином, таурином и глутаминовой
кислотой). Большинство реакций 2-й фазы биотрансформации за-
вершаются значительным увеличением гидрофильности ксенобио-
тика, что способствует выведению из организма чужеродных хими-
ческих веществ.
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 101
Таблица 1. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ БИОТРАНСФОРМАЦИИ КСЕНОБИОТИКОВ И ИХ ЛОКАЛИЗАЦИЯ
Реакция Фермент Локализация
1-я фаза
Гидролиз Эстераза Пептидаза Эпоксид гидролаза Микросомы, цитозоль, лизосомы Лизосомы, внеклеточно в крови Микросомы, цитозоль
Восстановление Ферменты восстановления азо- (-N=N-) и нитро- (-NOj) трупп Ферменты восстановления карбонильной группы (С=О) Ферменты восстановления дисульфидов (RS-SR) Ферменты восстановления сульфоксидов (R2S=O) Ферменты восстановления хинонов Ферменты восстановительного дегалогенирования Микросомы, цитозоль, в составе микрофлоры Цитозоль, микросомы Цитозоль Цитозоль Микросомы, цитозоль, митохондрии Микросомы
Окисление Алкогольдегидрогеназа Альдегиддегидрогеназа Альдегидоксидаза Ксантиноксидаза Моноаминоксидаза Диаминоксидаза Простагландин - Н - синтетаза Флавин-монооксигеназа Цитохром Р450 Цитозоль Митохондрии, цитозоль Цитозоль Цитозоль Митохондрии Цитозоль Микросомы Микросомы Микросомы
2-я фаза
Ферменты конъюгации с глюкуронидом Ферменты конъюгации с сульфатом Ферменты конъюгации с глутатионом Ферменты конъюгации с аминокислотами Ацетилирование Метилирование Микросомы Цитозоль Цитозоль, микросомы Митохондрии, микросомы Митохондрии, цитозоль Цитозоль, микросомы
102 <) Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
2.1. Распределение ферментов биотрансформации ксенобиотиков
Ферменты биотрансформации ксенобиотиков распределены по всему
организму и присутствуют в основном в микросомах и в цитозоле; незна-
чительная часть ферментов локализуется в митохондриях, ядре и лизосо-
мах (см. табл. 1). У позвоночных печень — наиболее богатый источник
ферментов, катализирующих реакции биотрансформации. Ферменты
биотрансформации находят в ЖКТ, легких, почках, коже, слизистой обо-
лочке носа, в тканях глаза и других тканях. Важную роль в биотрансфор-
мации некоторых ксенобиотиков играет кишечная микрофлора (см.гл.2).
Таким образом, биотрансформация ксенобиотиков осуществляется пре-
имущественно в печени, но может проходить в стенке желудка и кишечни-
ка, в почках, сердце, легких, мозге и в крови. Все изменения токсичных ве-
ществ до поступления в системный кровоток называются пресистемным
метаболизмом (см. эффект первого прохождения в ч. 2, гл.2). Пресистемно-
му метаболизму подвергаются многие лекарственные вещества, в том числе
верапамил, морфин, фенацетин, метопролол, аспирин. Некоторые ксено-
биотики, достигнувшие кровяного русла, подвергаются изменению в самой
крови (см. табл. 1). Например, в крови при участии эстераз происходит раз-
рыв сложноэфирной связи в молекулах атропина и кокаина (ч.4, гл.2) или
метилирование неорганических соединений ртути и мышьяка (ч.4, гл.5).
2.2. Ферменты 1-й фазы биотрансформации ксенобиотиков
2.2.1. Гйдролиз при биотрансформации
Ферментативный гидролиз ксенобиотиков протекает по общей схеме:
НОН, Е о
R—-------------► R— + НХ
X = OR', SR’, Cl, NR'2
Карбоксилэстеразы, псевдохолинэстеразы и параоксоназа. Гидролиз
эфиров карбоновых кислот, амидов и тиоэфиров в значительной степе-
ни катализируется карбоксилэстеразой и двумя эстеразами: истинной
ацетилхолинэстеразой в мембране эритроцита и локализованной в
плазме крови псевдохолинэстеразой, которая также известна как бути-
рилхолинэстераза. Эфиры фосфорной кислоты гидролизуются при уча-
стии параоксаназы, фермента сыворотки крови, известного также, как
арилдиалкилфосфатаза. Эстеразы играют важную роль в снижении то-
ксичности органических фосфатов.
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 103
Карбоксилэстеразы представляют собой гликопротеины, которые
присутствуют в плазме крови и большинстве тканей. Карбоксилэстера-
зы участвуют в гидролизе многочисленных эндогенных липидных со-
единений.
Многочисленные пептиды организма человека и несколько реком-
бинантных пептидных гормонов, факторы роста, цитокины, раствори-
мые рецепторы и моноклональные антитела используются в терапии
различных заболеваний. Эти пептиды гидролизуются в крови и тканях
с участием пептидаз, которые разрывают амидную связь между смежны-
ми аминокислотами.
Эпоксидная гидролаза присутствует фактически во всех тканях и ката-
лизирует присоединение воды к эпоксидам алкенов и оксидам аренов:
У млекопитающих известно 5 различных форм эпоксидных гидро-
лаз. Они обеспечивают быструю детоксикацию эпоксидов, образую-
щихся при окислительной биотрансформации ксенобиотиков.
Таким образом, в организме человека гидролизу подвергаются ксе-
нобиотики разных химических классов — эфиры, тиоэфиры, производ-
ные карбоновых кислот (хлорангидриды, ангидриды, амиды), а также
липиды, пептиды, эпоксиды и другие соединения.
2.2.2. Восстановление при биотрансформации
Некоторые металлы и ксенобиотики, относящиеся к классам альде-
гидов, кетонов, дисульфидов, сульфоксидов, хинонов, алкенов, азо- и
нитросоединений, подвергаются в организме ферментативному восста-
новлению с участием коферментов — никотинамидадениндинуклеоти-
да (НАД+/НАДН, НАДФ+/НАДФН) и флавинадениндинуклеотида
(ФАД/ФАДНг). В некоторых случаях реакции восстановления протека-
ют без участия ферментов под воздействием глутатиона.
Восстановление азо- и нитросоединений происходит под воздействи-
ем кишечной микрофлоры и с участием двух ферментов печени: цито-
хрома Р450 и НАДФН-хинон оксидоредуктазы:
[Н], Е
C6H5-NO2 -----------
[Н].Е
с6н5—nh2
R — С6Н4 — N = N — С6Н4- R,
R — С6Н4 — NH2 + H2N — С6Н4 — R,
104 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Эти реакции ингибируются кислородом, поэтому анаэробная среда
нижнего отдела ЖКТ благоприятствует восстановлению.
Восстановление карбонильных соединений. Восстановление некото-
рых альдегидов до первичных, а кетонов до вторичных спиртов катали-
зируется алкогольдегидрогеназой и группой ферментов — карбониль-
ных редуктаз:
R-C-H
ОН
R-C-R'
Карбонильные редуктазы — мономерные НАДФН-зависимые фер-
менты, которые присутствуют в крови и цитозоле клеток различных
тканей. Активность карбонилредуктаз печени обнаруживается при от-
делении цитозольной фракции, например, в микросомах.
Восстановление дисульфидов:
[Н],Е
RS - SR —-----► 2 RSH
глутатионом происходит с участием глутатионредуктазы, глутатион - S-
трансферазы или неферментативно.
Восстановление сульфоксидов. В печени и почках протекает фермен-
тативное восстанавление сульфоксидов при участии цитохрома Р450 и
НАДФН.
Восстановление хинонов до гидрохинонов:
+2е, +2Н+
ОН
происходит при участии НАДФН-хиноноксидоредуктаз, флавопротеи-
нов цитозоля в отсутствие кислорода. Двухэлектронное восстановление
хинонов также может катализироваться карбонилредуктазой. Этот путь
восстановления хинона не опасен для организма и не связан с оксида-
тивным стрессом.
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 105
Второй путь восстановления катализируется микросомальной
НАДФН-цитохром Р450 редуктазой и сопровождается присоединением
одного электрона к молекуле хинона с образованием активного анион -
радикала семихинона:
Окисление анион-радикала семихинона приводит к образованию
чрезвычайно цитотоксичных активных форм кислорода (см. гл.1, ч.2),
вызывающих оксидативный стресс.
Дегалогенирование. Удаление галогенов (F, С1, Вг и 1) из молекулы ксе-
нобиотика алифатического ряда происходит по различным механизмам.
Возможно окислительное дегалогенирование, сопровождаемое заменой
галогена и водорода у одного и того же атома углерода на кислород:
СНС13-----► CICOCI + HCI
Хлороформ Фосген
Двойное дегалогенирование (элиминация) сопровождается удале-
нием двух атомов галогена с образованием двойной связи:
Разновидностью механизма элиминации является дегидрогалогени-
рование — удаление водорода и галогена от соседних углеродных ато-
мов с образованием двойной связи между ними
2.2.3. Окисление при биотрансформации
Алкоголвдещдрогеназа (АДГ) — цитозольный фермент, присутствующий
в некоторых тканях, включая печень, где его уровень наиболее высок, а так-
же в почках, легких и слизистой оболочке желуд ка. Различают 4 класса АДГ.
Класс I АДГ -изоферментов (а-АДГ, р- АДГ и у- АДГ) ответствен за окисле-
ние этанола и других алифатических спиртов небольших размеров (рис. 1).
106 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Рис. 1. Окисление этанола до ацетальдегида
при участии алкогольдегидрогеназы (АДГ) и каталазы.
Класс II АДГ (л-АДГ) проявляет свое действие в первую очередь в
печени, где происходит окисление более крупных алифатических и аро-
матических спиртов. Длинноцепочечные алифатические спирты (начи-
ная от пентанола) и ароматические спирты являются субстратами для
класса III АДГ (х-АДГ). Класс IV АДГ (о- или ц-АДГ) — один из наибо-
лее активных ферментов при окислении ретинола.
Альдегцд-дегцдрогеназа (АЛДГ) участвует в окислении альдегидов до
карбоновых кислот (кофактор НАД+) (см. рис.1). АЛДГ обладает также
эстеразной активностью.
Дигидродиолдегидрогеназа. Семейство альдо-кето-редуктаз включает
несколько форм дигвдродиолдегидрогеназ, являющихся цитозольными
НАДФН-зависимыми оксидоредуктазами, участвующими в окислении
полициклических ароматических углеводородов.
Молибденовые гидроксилазы. В биотрансформации ксенобиотиков уча-
ствуют два основных молибденсодержащих фермента — альдегидоксидаза
и ксантиндегидрогеназа/ксантиноксидаза. Сульфитоксидаза, еще один
молибденсодержащий фермент, окисляет токсичный сульфит до относи-
тельно безопасного сульфата. Все три фермента являются флавопротеина-
ми. При окислении субстрата альдегидоксидаза и ксантиноксидаза восста-
навливаются, а затем вновь окисляются молекулярным кислородом.
Ксантиндегцдрогеназа (XD) и ксантиноксидаза (ХО) — две формы од-
ного фермента, различающиеся акцептором электронов на заключи-
тельной стадии катализа. У XD роль акцептора электронов играет
НАД+, у ХО — кислород. В связи с тем, что оксидазная активность ХО
проявляется при участии молекулярного кислорода, возможно образо-
вание активных форм кислорода. ХО участвует в процессах, связанных
с оксидативным стрессом, пероксидном окислении липидов.
Альдегидоксидаза существует только в оксидазной форме и участвует
в переносе электронов на молекулярный кислород, который может пе-
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков Ф 107
реходить в активные формы, участвующие в пероксидном окислении
липидов. Альдегидоксидаза играет важную роль в катаболизме биоген-
ных аминов и катехоламинов.
Моноаминоксидаза участвует в окислительном дезаминировании
первичных, вторичных и третичных аминов, включая серотонин и раз-
нообразные ксенобиотики. Окислительное дезаминирование первич-
ных аминов приводит к образованию аммиака и альдегида:
Н2О
RCH2NH2 -----► RCH = NH --------► R-C +NH3
^11
Окислительное дезаминирование вторичного амина сопровождает-
ся образованием первичного амина и альдегида.
Образующиеся альдегиды окисляются далее до соответствующих
карбоновых кислот, но при участии иных ферментов. Моноаминокси-
даза локализована в ткани мозга, во внешней мембране митохондрий
клеток печени, почек, кишечника, а также тромбоцитов. При окисле-
нии субстрата сама моноаминоксидаза восстанавливается с использова-
нием флавинадениндинуклеотида (ФАД).
Пероксидаза-зависимое окисление. Оксидативная биотрансформа-
ция ксенобиотиков с участием пероксидаз протекает в виде сопряжен-
ных процессов (соокисление) при восстановлении пероксида водорода
и его производных, например, липидных гидропероксидов LOOH или
простагландинов (рис.2). Одна из пероксидаз — простагландин - Н -
синтетаза — активирует два процесса: циклооксигеназа превращает ара-
хидоновую кислоту в простагландины и пероксидаза катализирует пре-
вращение гидропероксида в соответствующий спирт. Пероксидазы уча-
ствуют в превращении ксенобиотиков в токсичные метаболиты,
особенно вне печени, в тканях с низким уровнем цитохрома Р450.
В некоторых случаях окисление ксенобиотиков пероксидазами
включает прямой перенос пероксидного кислорода к ксенобиотику, т.е.
превращение его в окисленную форму Тох -» ТохО (см. рис.2). Напри-
мер, при образовании простагландинов из арахидоновой кислоты, со-
держащейся в липидах, может происходить соокисление токсикантов.
Такие ксенобиотики, как амины или фенолы, содержащие электронодо-
норные группы, также окисляются пероксидом водорода в присутствии пе-
роксидаз с образованием свободных радикалов. Образующиеся метаболиты
— реакционноспособные электрофильные соединения, способные вызы-
вать повреждения тканей вплоть до появления новообразований. Циклоо-
ксигеназа может выполнять по крайней мере две различные функции в
формировании опухоли: инициировать образование опухоли, превращая
108 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Простагпандин-Н-синтетаза
Циклооксигеназа
СООН О2 Оу
Арахидоновая
кислота
ООН
PGG2
Тох ТохО или
2Тох’ + Н,О
,СООН i
Пероксидаза
о
Рис.2. Соокисление ксенобиотика (Тох) при окислении арахидоновой кислоты
под воздействием простагландин - Н - синтетазы (PGG2, PGH2 — простагландины),
некоторые ксенобиотики в метаболиты, взаимодействующие с ДНК, и сти-
мулировать последующий рост опухоли при образовании эйкозаноидов.
Флавинмонооксигеназа. В печени, почках и легких содержится одна
монооксигеназа (ФМО) или более, которые окисляют нуклеофильный
азот, серу и фосфор — гетероатомы, входящие в молекулы различных
ксенобиотиков. Монооксигеназы млекопитающих включают 5 микро-
сомальных ферментов. Многие реакции, катализируемые ФМО, также
могут катализироваться цитохромом Р450.
Цитохром Р450 занимает ключевое место среди ферментов 1-й фазы
биотрансформации по числу реакций детоксикации ксенобиотиков.
Микросомы печени млекопитающих содержат более 15 групп Р450 фер-
ментов, каждый из которых катализирует реакции с различными ксено-
биотиками, частично представленными в табл. 2. Ферменты семейства
Р450 объединяют в группы по идентичности аминокислотной последо-
вательности.
Все Р-450 ферменты содержат гем. Основная реакция, катализируе-
мая цитохромом Р450, — это перенос одного атома кислорода на суб-
Ксенобиотик
(субстрат)
(Fe3*) -------- ROH(Fe3*) <
ROH
Продукт
RH(Fe3*-O)
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 109
Таблица 2. ПРИМЕРЫ КСЕНОБИОТИКОВ, АКТИВИРУЕМЫХ ФЕРМЕНТАМИ Р450 ЧЕЛОВЕКА
Фермент Ксенобиотик
CYP1A1 Бензопирены и другие полициклические ароматические углеводороды
CYP1A2 Ацетаминофен, 2-ацетиламинофлуорен, 4-аминобифенил, 2-аминофлурен, 2-нафтиламин, нитрозамин табака — (4-метилнитрозамино)-1 -(3-пиридил)-1 -бутанон, продукты пиролиза аминокислот
CYP2A6 N-питрозодиэтиламин, нитрозамин табака — (4-метилнитрозамино)-1 -(3-пиридил)-1 -бутанон
CYP2B6 Циклофосфамид и фосфамид
CYP2C8,9,18,19 Вальпроевая кислота
CYP2D6 Нитрозамин табака — (4-метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)- 1-бутанон
CYP2E1 Ацетаминофен, акрилонитрил, бензол, тетрахлорметан, хлороформ, дихлорметан, 1,2-дихлорпропан, дибромэтилен, дихлорэтилен, этилкарбамат, галотан, N -нитрозодиметиламин, трихлорэтилен, винилхлорид
CYP3A4 Ацетаминофен, афлатоксин В1 и G1, бензопирены 7,8-дигидродиол, циклофосфамид и фосфамид трис (2,3-дибромопропил) фосфат
CYP4A9/1I Ксенобиотики неизвестны
страт, при этом второй атом кислорода восстанавливается до воды при
участии НАДФН:
Цитохром Р450 катализирует следующие реакции окисления: гидрокси-
лирование алифатических и ароматических углеводородов; эпоксидирова-
ние двойной связи; окисление гетероатомов (О-, S-, N-, Si-) и N-гидрокси-
лирование; деалкилирование гетероатомов (О-, S-, N-, Si-), окислительный
перенос группы; разрыв сложноэфирной связи; дегидрирование.
Толбутамид (бутамид), обладающий антидиабетическими свойства-
ми, подвергается гидроксилированию в боковой цепи:
Толбутамид
Гидроксимети лтолбутамид
110 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
В организме происходит гидроксилирование лауриновой кислоты,
входящей в состав триглицеридов молочных жиров:
12-Гидроксилауриновая кислота
Аналогичным образом протекает окисление тестостерона, мужского
полового гормона:
Тестостерон
6-ГидрокситестосТерон
Гидроксилирование ароматического атома углерода, катализируемое
цитохромом Р450, характерно для кумарина, лактона о-оксикоричной
кислоты, поступающего в организм с растительной пищей:
Кумарин
7-Гидроксикумарин
(S) - Мефенитоин также гидроксилируется в ароматическое кольцо:
(8)-Мефенитоин
4'-Гидрокси-(8)-мефенитоин
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 111
Окисление ксенобиотиков, катализируемое цитохромом Р450, мо-
жет протекать с образованием эпоксидов, являющихся как промежу-
точными соединениями, так и продуктами реакций. Биотрансформа-
ция с образованием эпоксидов характерна для токсикантов и
лекарственных веществ:
Карбамазелин
Карбамазелин-10,11 -эпоксид
(стабильный эпоксид)
Карбамазелин-2,3-эпоксид
(нестабильный ареноксид)
Кумарин
Кумарин-3,4-эпоксид
о -Гидроксифенилацетальдегид
Одной из разновидностей процессов окисления, катализируемых
цитохромами Р450, являются реакции окисления гетероатомов, напри-
мер, S- и N-окисление. Так, окислению серы до сульфонов подвергают-
112 Ф Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
ся рацемические лекарственные средства омепразол и лансопразол,
применяемые как противоязвенные препараты:
Лансопразол
Окисление по азоту характерно для нитрозамина табака:
NNK-N-оксид
4-(Метилнитрозамино)-1 -(3-пиридил)бутан-1 -он
(NNK)
и д ля производных хинолина и изохинолина, например, мышечного ре-
лаксанта 6,7 -диметокси-4-(4'-хлорбензил)изохинолина:
6,7-Диметокси-4-(4'-хлоробензил)изохинолин
Деалкилирование ксенобиотиков, катализируемое цитохромами
Р450, происходит по гетероатомам:
Глава 3. О Биотрансформация ксенобиотиков 0 113
О-деметилирование
S-деметилирование
6-Меркаптопурин
N -деметил ирование
114 Ф Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Процессы деалкилирования ксенобиотика сопровождаются окисле-
нием уходящей алкильной группы до соответствующего альдегида. Об-
разование токсичного продукта метаболизма усиливает токсический
эффект, т.е. эти процессы можно рассматривать как примеры летально-
го синтеза.
Образование более токсичных продуктов наблюдается и в реакциях
разрыва эфирной связи, катализируемых цитохромами Р450. Так, окис-
ление лоратадина (антигистаминное, противоаллергическое лекарст-
венное средство) сопровождается образованием токсичного уксусного
альдегида:
Р450 (CYP3A4)
CHjCHO + CQ,
Лоратадин
Дезлоратадин
Образование побочных токсичных соединений происходит при
окислительном дезаминировании амфетамина:
Амфетамин
[О]
или окислительном десульфировании тиопентала:
Тиопентал
Пентабарбитал
Глава 3. Q Биотрансформация ксенобиотиков Ф 115
Дегидрирование, катализируемое цитохромами, характерно для эн-
догенных соединений, лекарственных веществ и токсикантов:
Нифедипин
(S)-Hhkothh
(8)-Никотина-Г,5'-иминный ион
Котинин
116 Ф Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Содержание и активность отдельных Р450 ферментов весьма инди-
видуальны и зависят от экологических и/или генетических факторов.
Так, снижение активности Р450 может быть результатом генетической
мутации, приводящей к блокированию синтеза или получению катали-
тически неактивного фермента.
При ингибировании цитохрома Р450 каким-либо лекарством может
нарушаться биотрансформация другого лекарственного вещества, в ре-
зультате чего усиливается или ослабляется его терапевтическое действие.
Активация ксенобиотиков цитохромом Р450. Цитохром Р450 человека
способен активировать образование проканцерогенов и протоксикан-
тов. Многие химические вещества, напротив, могут снижать свою ток-
сичность в реакциях биотрансформации, катализируемых цитохромом
Р450, превращаясь в менее токсичные метаболиты. В некоторых случа-
ях один и тот же фермент катализирует реакции и детоксикации, и ак-
тивации токсиканта. Например, CYP3A4 активирует афлатоксин В1 в
гепатотоксичный 8,9-эпоксид, но при участии этого же фермента про-
исходит его детоксикация по реакции гидроксилирования. Это свиде-
тельствует о существовании комплекса факторов, определяющих ба-
ланс между активацией и детоксикацией ксенобиотика.
2.3. Ферментативные реакции 2-й фазы биотрансформации
Реакции 2-й фазы биотрансформации включают глюкуронирование,
сульфатирование, ацетилирование, метилирование, конъюгацию с глу-
татионом, с аминокислотами — глицином, таурином, глутаминовой ки-
слотой. Кофакторы (косубстраты) этих реакций разнообразны (рис. 3).
Косубстраты взаимодействуют с функциональными группами моле-
кул ксенобиотика или метаболита, образовавшегося в 1-й фазе био-
трансформации. За исключением процессов метилирования и ацетили-
рования, реакции 2-й фазы биотрансформации завершаются
увеличением гидрофильности ксенобиотика, что способствует его вы-
ведению из организма. Глюкуронирование, сульфатирование, ацетили-
рование и метилирование протекают с участием высокоэнергетических
косубстратов (см. рис. 3), тогда как конъюгация (соединение) с амино-
кислотами или глутатионом проходит с участием активированных мо-
лекул ксенобиотиков.
Большинство ферментов 2-й фазы биотрансформации локализова-
ны в цитозоле. На этом этапе реакции обычно протекают значительно
быстрее, чем реакции 1-й фазы. В связи с этим скорость элиминации
экскретируемых веществ определяется 1-й фазой биотрансформации,
например, скоростью окисления ксенобиотика цитохромом Р450.
Глава 3. (> Биотрансформация ксенобиотиков 0 117
Глюкуронирование
он он
Уридин-5'-дифосфо-а-
D-глюкуроновая кислота
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосульфат
Ацетилирование
о он, о
и I и
NH-C-CH-C-CHt-O-P-i
I III.
сн2 он сн, о
I
сн,
<r=° f?
NH-CH^CH^-S-с-сн3
S-Аденозилметионин
Ацетил коэнзим А
Глутатионовая конъюгация
соо о о
I II II
CH-СН-СН.-С-NH .CNH-CH.-COO
| 2 2 'СН 2
NH2 СН2
SH
Аминокислотная конъюгация
у-глутаминовая цистеин глицин
кислота
Глутатион
h2n.CH2COO
Глицин
H2N'ch2-ch-so3-
Таурин
H,N^ ^СОО
2 СН
1
сн2
сн2
о nh2
I лутамин
Рис. 3. Структуры косубстратов 2-й фазы биотрансформации.
Выделены функциональные группы, которые взаимодействуют с ксенобиотиками.
2.3.1. Глюкуронирование
Глюкуронирование протекает с участием косубстрата — уридинди-
фосфата глюкуроновой кислоты (УДФ-глюкуроновая кислота) и фер-
мента УДФ-глюкуронозилтрансферазы. Примеры ксенобиотиков, ко-
торые подвергаются глюкуронированию, представляют собой О-, N-,
S- и С-глюкурониды и приведены на рис. 4.
118 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
О - Глюкурониды (простые эфиры)
Нафтол Хлорамфеникол
О - Глюкурониды (сложные эфиры)
Билирубин Анилин
N - Глюкурониды
Фенилбутазон
S - Глюкурониды
н5с2х SH
N-C
Н5С/ S
Диэтилдитиокарбамат Тиофенол
Рис. 4. Примеры реакции гпюкуронирования для ксенобиотиков
и эндогенных субстратов. Стрелками указаны центры воздействия глюкуронида.
Центр глюкуронирования — это электрононасыщенный нуклео-
фильный гетероатом (О, N или S) алифатических спиртов, фенолов,
карбоновых кислот, первичных и вторичных ароматических и алифати-
ческих аминов и свободных тиоловых (сульфгидрильных) групп. Изве-
стны эндогенные субстраты глюкуронирования — билирубин, стероид-
ные гормоны и гормоны щитовидной железы.
Глюкуронидные конъюгаты ксенобиотиков и эндогенных соедине-
ний полярны и растворимы в воде. Будут ли глюкурониды экскретиро-
ваться с желчью или мочой, зависит от размера агликона (исходный
ксенобиотик или метаболит 1-й фазы биотрансформации).
Глава 3. 0 Биотрансформация ксенобиотиков 0 119
Карбоксильная группа глюкуроновой кислоты при физиологиче-
ских значениях pH ионизирована, что увеличивает экскрецию. В связи
с высокой растворимостью анионной формы ксенобиотика в воде и,
как установлено, существованием желчных и почечных транспортных
систем для органических анионов глюкурониды при физиологических
значениях pH легко выводятся с мочой и желчью.
Глюкурониды ксенобиотиков являются субстратами для р-глю-
куронидаз, присутствующих в кишечной микрофлоре. Кишечный
фермент может высвобождать агликон, который подвергается энте-
рогепатической циркуляции, что задерживает выведение ксенобио-
тика.
2.3.2. Сульфатирование
Сульфатная конъюгация заключается в ферментативном сульфати-
ровании ксенобиотика и образовании сульфоната (в связи с этим неко-
торые авторы пользуются терминами «сульфонатная конъюгация»,
«сульфонирование»).
Сульфатная конъюгация катализируется сульфотрансферазами —
семейством цитозольных ферментов. Косубстратом для реакции явля-
ется 3'-фосфоаденозин-5'- фосфосульфат (см. рис. 3).
Сульфатные конъюгаты ксенобиотиков экскретируются преимуще-
ственно почками. Сульфатазы находят в эндоплазматическом ретику-
луме и лизосомах, где они в первую очередь гидролизуют сульфаты эн-
догенных соединений. Некоторые сульфатные конъюгаты являются
субстратами последующих реакций биотрансформации.
Сульфатный донор синтезируется из неорганического сульфат-иона
(SO42-) и АТФ в двустадийной реакции. Главный источник сульфата,
требуемого для синтеза, по-видимому, образуется из цистеина через
сложную цепь реакций окисления. Клеточные концентрации сульфат-
ного донора (~75 мкМ) значительно ниже по сравнению с содержанием
УДФ-глюкуроновой кислоты (-350 мкМ), что ограничивает возмож-
ность сульфатирования ксенобиотика.
Разнообразные сульфотрансферазы обнаружены у всех млекопитаю-
щих. Каждое семейство трансфераз отличается аминокислотной после-
довательностью и, по-видимому, катализирует реакции с определенны-
ми функциональными группами отдельных классов соединений
(фенолов, спиртов, аминов).
Сульфатирование — эффективный способ снижения токсичности
ксенобиотиков. Однако при этом возможна активация ароматических
аминов с образованием токсичных метаболитов.
120 С Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
2.3.3. Метилирование
Метилированию отводится значительное место среди реакций био-
трансформации. При метилировании обычно происходит снижение
растворимости ксенобиотиков в воде. Метильная группа маскирует
функциональные группы, которые могли бы участвовать во 2-й фазе
биотрансформации.
Структура косубстрата процесса метилирования — S-аденозилмети-
онина — представлена на рис. 3. Метильная группа, связанная с ионом
сульфония, переносится на ксенобиотики и биогенные субстраты при
нуклеофильной атаке электрононасыщенных гетероатомов (О, N, S).
Косубстрат метилирования превращается в S-аденозилгомоцистеин.
Метилированию подвергаются ксенобиотики и эндогенные субстраты,
например, L-допа, гистамин, 6-меркаптопурин:
SAM
Л/-Метилгистамин
SAM
О-Метилирование фенолов и катехоламинов происходит при уча-
стии двух различных ферментов, известных как фенол-О-метилтранс-
фераза и катехол-О-метилтрансфераза, обнаруженные в микросомах.
S-Метилирование — важный путь биотрансформации тиолсодержа-
щих ксенобиотиков. У человека S-метилирование катализируется дву-
мя ферментами: тиопуринметилтрансферазой цитозоля и микросо-
мальной тиолтрансферазой.
Глава 3. 0 Биотрансформация ксенобиотиков 0 121
2.3.4. Ацетилирование
N-Ацетилирование — главный путь биотрансформации ксенобио-
тиков, которые содержат ароматический амин (R-NH2) или гидразино-
вую группу (R-NH-NH2). Они превращаются в ароматические амиды
(R-NH-COCH3) и гидразиды (R-NH-NH-COCH3) соответственно. Ко-
субстратом ацетилирования является ацетил коэнзим А (см.рис.З, гл.З,
ч.2). Подобно метилированию, N-ацетилирование маскирует амино-
группу и многие N-ацетилированные метаболиты оказываются менее
растворимы в воде по сравнению с исходными соединениями. Однако
N-ацетилирование некоторых ксенобиотиков этой группы, например
изониазида, облегчает их почечную экскрецию.
2.3.5. Конъюгация с аминокислотами
Конъюгацию с аминокислотами рассмотрим на примере бензойной
кислоты, которая претерпевает превращение в гиппуровую кислоту:
О
II
С —О"
Бензоил-КоА
Гиппуровая кислота
Как видно из схемы реакции, биотрансформация протекает с образо-
ванием промежуточного соединения — бензоил-КоА. По такому меха-
низму происходит конъюгация ксенобиотиков, содержащих карбоксиль-
ную группу; роль косубстратов играют глицин, глутамин, таурин (см. рис.
3, гл.З, ч.2). После активации ксенобиотика связыванием с КоА, ацил-
КоА тиоэфир реагирует с аминогруппой аминокислоты с образованием
амидной связи. Второй путь аминокислотной конъюгации включает свя-
зывание ксенобиотиков, содержащих ароматический гидроксиламин, с
карбоксильной группой аминокислот типа серина и пролина.
122 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
2.3.6. Конъюгация с глутатионом
Конъюгация ксенобиотиков с глутатионом включает многочислен-
ные взаимодействия электрофильных ксенобиотиков или ксенобиоти-
ков, которые могут быть биотрансформированы в электрофильные со-
единения. Трипептид глутатион состоит из глицина, цистеина и
глутаминовой кислоты (см. рис. 3). Глутатионовые конъюгаты — это
тиоэфиры, образующиеся при нуклеофильной атаке глутатион-тиолат-
ным анионом (GS~) электрофильного атома ксенобиотика.
Реакции присоединения катализируются семейством глутатион
S-трансфераз, присутствующих в большинстве тканей, где они лока-
лизованы в цитоплазме (>95%) и эндоплазматическом ретикулуме
(<5%).
Субстраты глутатион S-трансферазы гидрофобны, содержат элек-
трофильный атом и неферментативно взаимодействуют с глутатио-
ном с заметными скоростями. Механизм, по которому глутатион
S-трансфераза увеличивает скорость присоединения к глутатиону,
включает депротонирование GSH в GS-. Высокое содержание глута-
тиона в печени (~ 10 мМ) способствует неферментативному связыва-
нию некоторых ксенобиотиков. Однако другие ксенобиотики присо-
единяются к глутатиону стереоселективно только с участием
глутатион S-трансферазы. Подобно глутатиону, глутатион S-транс-
феразы содержатся в клетке в большом количестве — до 10% внутри-
клеточной белковой фракции. Эти ферменты связывают, депониру-
ют и транспортируют соединения, не являющиеся субстратами
глутатионовй конъюгации. Цитоплазматический белок, известный
ранее каклигандин, свяывающий билирубин, стероиды, азосоедине-
ния, полициклические ароматические углеводороды, представля-
ет собой не что иное, как один из ферментов семейства глутатион
S-трансфераз.
Глутатионовая конъюгация может происходить путем замещения
электрон-акцепторной группы:
С1 С1
no2 no2
1,2-Дихлоро-4-нитробензол
Глава 3. Q Биотрансформация ксенобиотиков 0 123
или при непосредственном присоединении глутатиона, например, при
разрыве л-связи между атомами углерода:
О
нс-с-ос2н5 Gis-н+
II 2 5 Ь_____________>
НС—С—ОС,Н-
II 2 5
О
Диэтилмалеат
Ч II
нс-с-ос2н5
н,с-с-ос,н.
2 П 25
о
Таким образом, реакции конъюгации с глутатионом можно разде-
лить на реакции замещения, в которых глутатион замещает группу, уно-
сящую электрон, и реакции присоединения, в которых глутатион присое-
диняется к двойной связи.
Замещение типично для субстратов, содержащих галогенид-, сульфат-,
сульфонат-, фосфат-, нитро-группы (те. хороню уходящие группы), свя-
занные с углеродным атомом. Присоединение глутатиона к двойной связи
также возможно в случае соседства с электрононасыщенными атомами.
Таким образом, субстраты для этой реакции обычно содержат двойную
связь вблизи групп — CN, —СНО, —COOR или —COR.
Кроме того, возможна конъюгация глутатиона с электрофильными
гетероатомами (О, N, S):
Н2С-О-NO2
нс—о—no2
h2c-o-no2
Тринитроглицерин
Н_С-О-SG
GS* 1
--- --ч » hc-o-no2
no; H2C-O-NO2
Нитрит
!
NO
Оксид азота (II)
н2с-ОН
нс-о-NO2
| н2с—о—no2
Динитроглицерин
GSSG
Окисленный
глутатион
При этом типе конъюгации вслед за связыванием глутатиона происхо-
дит его отщепление с образованием окисленного глутатиона (GSSG) при
участии второй молекулы глутатиона. Первая стадия катализируется глута-
тион-8-трансферазой, вторая стадия неферментативная. Глутатион-S-
трансферазы представляют собой димеры, которые состоят из идентичных
субструктур, хотя некоторые формы являются гетеродимерами. Каждая суб-
структура содержит 200—240 аминокислот и один каталитический центр.
Образовавшиеся в печени конъюгаты глутатиона выделяются в
желчь в неизмененном виде или превращаются в меркаптуровые кисло-
ты в почках и экскретируются с мочой.
124 Ф Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Конъюгация с глутатионом является важной реакцией детоксика-
ции электрофильных соединений — потенциальных ядов, способных
взаимодействовать с нуклеофильными центрами белков и нуклеино-
вых кислот, вызывая повреждения клеток и генетические мутации.
Глутатион является также кофактором для глутатион-пероксидазы,
которая играет важную роль в защите клеток от пероксидного окисле-
ния липидов.
Однако в некоторых случаях связывание с глутатионом увеличивает
токсичность ксенобиотика. Глутатионовые конъюгаты ряда соединений
могут активировать ксенобиотики, которые превращаются в токсичные
метаболиты.
Скорость биотрансформации зависит не только от физико-химиче-
ских свойств ксенобиотика, но и от функционирования элиминирую-
щего органа и организма в целом. Нарушение гемодинамики, падение
артериального давления, гипоксия, ацидоз влияют на метаболизм и
экскрецию. Следует принимать во внимание, что при комбинирован-
ном воздействии одни ксенобиотики могут подавлять или усиливать
биотрансформацию других (гл.5, ч.2).
Следует подчеркнуть, что скорость и механизмы биотрансформации
ксенобиотиков зависят от индивидуальных генетических особенностей,
возраста, патологических изменений, длительного приема некоторых
лекарственных средств.
3. Вторичный метаболизм
Особое место среди реакций биотрансформации занимают посмерт-
ные метаболические процессы — «вторичный метаболизм». Вторично-
му метаболизму подвергаются как эндогенные вещества (гниение бел-
ков, разложение липидов под действием бактериальных ферментов),
так и экзогенные, например, лекарства. Многие продукты вторичного
метаболизма, например амины, высокотоксичны. Их присутствие в
пробе экстрактов трупного материала может мешать химико-токсико-
логическому определению ксенобиотиков.
Стабильность ксенобиотика зависит от температуры и длительности
хранения трупного материала. Например, элениум разрушается в тече-
ние 1—8 нед; сибазон практически не разрушается в плазме при ком-
натной температуре в течение 3 нед, а при 4° С — в течение 8 нед. Атро-
пин сохраняется в трупном материале в течение 3 лет, а производные
фенотиазина — 4-8 нед. Консервирование трупного материала этано-
лом значительно продлевает сохранение ксенобиотиков.
Глава 4. О Токсикокинетика Ф 125
ГЛАВА 4. ТОКСИКОКИНЕТИКА
Ключевые моменты:
• Токсикокинетические закономерности описания процессов аб-
сорбции, распределения, биотрансформации и экскреции ксенобиоти-
ков. Частевые (камерные) модели. Организм как совокупность отдель-
ных камер.
• Кинетические характеристики процессов всасывания, распреде-
ления, элиминации: скорость (v), константа скорости (к), период полу-
выведения (t]/2).
• Кажущийся объем распределения Vj — кажущееся пространство
организма, в котором находится некоторое количество химического ве-
щества при данной концентрации его в плазме.
• Клиренс (CL) как характеристика скорости выведения химическо-
го вещества из организма.
1. Основные понятия
Токсикокинетика (от греч. toxicon — яд, kinetikos — движение) — нау-
ка, изучающая кинетические закономерности поступления, распреде-
ления, метаболизма (биотрансформации) и выведения токсичных ве-
ществ из организма.
Ответ организма на воздействие токсиканта есть функция дозы и
времени, поэтому характеризуется токсикодинамическими и ток-
сикокинетическими закономерностями (см. ч. 1, гл. 1). Формиро-
вание токсического эффекта, связанное с равновесными процесса-
ми, зависящими от структурной специфичности молекул
токсиканта по отношению к рецепторам (токсикодинамика), — не-
обходимое, но недостаточное условие биохимической оценки ток-
сичности (табл. I). Токсический эффект также определяется изме-
нением во времени концентраций токсиканта и его метаболитов в
органах и тканях (камерах) организма. Количественно эти измене-
ния характеризуются значениями констант скорости (к), периода
полувыведения (ti/2), объема распределения (V^), клиренса (CL)
(токсикокинетика).
В классической токсикокинетике поведение токсичных веществ в ор-
ганизме рассматривается как движение между камерами, которые могут
не иметь физиологических или анатомических аналогов. Камера пред-
ставляет собой ограниченный в пространстве объем жидкости или тка-
ни с одинаковой концентрацией токсиканта во всех точках ее простран-
ства (рис. 1).
126 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Глава 4. О Токсикокинетика 0 127
Однокамерная модель
Двухкамерная модель
Рис. 1. Частевые (камерные) токсикокинетические модели.
ка — константа скорости первого порядка для процесса абсорбции ксенобиотика
из внесосудистого пространства в центральную камеру (1); к,л — константа скорости
первого порядка для процесса элиминации из центральной камеры; к|_2, к2.| —
константы скорости первого порядка для распределения ксенобиотика в периферическую
камеру (2) и из нее для двухкамерной модели.
Такому определению могут удовлетворять кровь, лимфа, межткане-
вая жидкость. Как внутри камер, так и между ними происходят процес-
сы распределения, метаболизма и выведения токсичного вещества.
В физиологической токсикокинетике организм рассматривается как
набор уравнений массопереноса между отдельными органами и тканя-
ми. Между классическими и физиологическими моделями нет проти-
воречий; напротив, они дополняют друг друга.
Практическая цель токсикокинетики определяется в первую очередь
количественной оценкой концентрации ксенобиотика в разных средах
организма во времени. Эти данные необходимы при диагностике и ле-
чении отравлений, а также при химико-токсикологических исследова-
ниях и судебно-химическом анализе.
Токсикокинетические характеристики ксенобиотика зависят от
многих факторов: физических и химических свойств вещества (см. гл. 2,
ч.2, рис. 1), объема органов и тканей, скорости кровотока, проницаемо-
сти капилляров и клеточных мембран, pH биосред и характеристик рас-
пределения между кровью и тканями. Формализовать влияние этих фа-
кторов удается, используя математический аппарат, описывающий
токсикокинетические закономерности.
В основе изучения токсикокинетических параметров ксенобиотика
лежит закон действующих масс для скорости. Например, скорость био-
трансформации ксенобиотика Тох с образованием метаболита М:
Тох-»М для процесса первого порядка уменьшается прямо пропорцио-
нально концентрации v = кС'тох и представляет собой изменение кон-
128 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
центрации токсиканта в биоматериале в единицу времени (рис. 2): v = -
dCTOX/dt, где t — время; Стох — концентрация ксенобиотика; к — кон-
станта скорости биотрансформации.
Из уравнения для скорости следует, что скорость процесса с участи-
ем ксенобиотика может быть определена как тангенс угла наклона каса-
тельной к кинетической кривой С—t в определенный момент времени
tj. На практике рассчитывают не скорость, а константу скорости про-
цесса (скорость при единичной концентрации, 1 моль/л), используя по-
лулогарифмические координаты 1пС—t.
При интегрировании кинетического уравнения д ля однокамерной мо-
дели получают линейную зависимость: InC = -kt + 1пСо. Подобный вид мо-
жет иметь и кинетическое уравнение для двухкамерной модели (см. рис. 2).
Константы скорости элиминации кэл и 0 определяют по наклону
прямых в полулогарифмических координатах. Начальная концентра-
ция Со — концентрация ксенобиотика при t=0 — определяется экстра-
поляцией прямой для однокамерной модели в координатах InC (t) на
ось у при t=0. Период полувыведения tj/2 — время, необходимое для
уменьшения содержания ксенобиотика в крови наполовину.
Рис. 2. Кривые концентрация—время для ксенобиотиков
в однокамерной (а, б) и двухкамерной (в, г) токсикокинетической модели
в прямых (а, в) и полулогарифмических (б, г) координатах.
Глава 4. 0 Токсикокинетика Q 129
2. Классическая токсикокинетика в приложении к процессам
абсорбции, распределения и выведения ксенобиотиков
Наиболее доступный и информативный способ получения сведений
об абсорбции, распределении, биотрансформации и экскреции ксено-
биотика — анализ проб крови и мочи, отбираемых во времени.
Компартментные (частевые) токсикокинетические модели не тре-
буют информации о физиологии ткани или ее анатомическом строе-
нии. Пользуясь такими моделями, можно прогнозировать концентра-
цию токсиканта в камере при различных дозах ксенобиотика,
определять степень накопления его при хроническом введении и вре-
мя введения антидота. Каждый ксенобиотик будет иметь характерную
токсикокинетическую кривую, отражающую изменения его содержа-
ния в плазме во времени (рис. 3).
Из кривых С—t и IgC—t получают основные токсикокинетические
характеристики: Стах — максимальная концентрация ксенобиотика в
крови, tmax — время достижения максимальной концентрации, Со —
начальная концентрация ксенобиотика в камере, 11/2 — полупериод вы-
ведения (элиминации) ксенобиотика, ка, кэл — константы скорости аб-
сорбции и элиминации ксенобиотика, AUCO°° (area under curve) — пло-
щадь под кривой концентрация — время (от to до too).
Рис. 3. Изменение концентрации ксенобиотика
в плазме крови во времени (токсикокинетическая кривая).
130 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
2.1. Однокамерная токсикокинетическая модель
Простейшая токсикокинетическая модель ксенобиотика — это од-
нокамерная (одночастевая) модель без всасывания. Такая модель соот-
ветствует, например, внутривенному введению токсиканта в кровь.
Роль камеры, или части, в этой модели играет кровь (рис. 4).
В рассматриваемой модели единственная камера — кровь. При вну-
тривенном введении токсиканта, когда ксенобиотик попадает непо-
средственно в системный кровоток, стадия всасывания отсутствует
(токсикокинетическая модель без всасывания). При внесосудистом
поступлении ксенобиотика в организм рассматривается модель со вса-
сыванием, что предполагает стадию всасывания ксенобиотика в сис-
темный кровоток.
При проведении токсикокинетического исследования после внут-
ривенной инъекции через определенные промежутки времени отбира-
ют пробы и измеряют концентрацию ксенобиотика в плазме. Если при
этом в полулогарифмических координатах IgC—t получается прямая
линия, то кинетика ксенобиотика может быть описана однокамерной
моделью и соответствует первому порядку (см. рис. 1 этой главы).
Рис. 4. Однокамерная токсикокинетическая модель,
к^, ^иотр- ^экс» *Чл — константы скорости абсорбции,
биотрансформации, экскреции и элиминации.
Глава 4. О Токсикокинетика <>131
2.1.1 .Элиминация
Процесс элиминации включает биотрансформацию, выдыхание и экс-
крецию. Элиминация ксенобиотика, присутствие которого в организме
описывается однокамерной моделью, обычно соответствует кинетике
первого порядка. Это означает, что скорость элиминации в любой момент
времени пропорциональна количеству вещества в организме v= к • п.
Однокамерную модель можно применять, например, для токсико-
кинетической характеристики наркотиков при внутривенном введе-
нии. При этом учитывают, что токсикант сразу (одномоментно) попада-
ет в камеру — кровь. Для оценки скорости его выведения используют
константу элиминации кэл и период полувыведения 11/2- Эти параметры
рассчитывают графически или с использованием выражения закона
действующих масс для скорости:
V= kCn для n= 1 V= kC или dC/dt = -кэл С,
где V = dC/dt — скорость процесса; кэл — константа скорости элимина-
ции; С — концентрация токсиканта; п — порядок реакции.
Концентрация токсиканта в камере в отдельные моменты времени оп-
ределяется уравнением, получаемым после интегрирования предыдущего:
С = Со ехр[-кэл1] (С=СО -e-Ct),
где С — концентрация ксенобиотика в крови (камере) через время t;
Со — начальная концентрация в крови при t= 0; кэл — константа скоро-
сти элиминации реакции первого порядка.
После логарифмирования интегрального уравнения получают урав-
нение: 1пС = 1пСо — kMt. В полулогарифмических координатах InC — t
тангенс угла наклона прямой равен константе скорости элиминации
кэл. По ординате 1пСо в начальный момент времени (1=0) определяют
начальную концентрацию Со ксенобиотика (см. рис. 2 этой главы).
Единицы измерения константы скорости первого порядка кэл об-
ратны времени, например с-1, мин-1 или ч-1, и не зависят от концент-
рации (дозы). Доля дозы, остающаяся в организме через какой-то про-
межуток времени С/Со, также может быть рассчитана из уравнения
кинетики реакции первого порядка:
С/Со = antilog [(-кэл/2,303) • t] или С/Со = е*кал t
Кроме того, из кинетического уравнения рассчитывают время полу-
выведения токсиканта из камеры — время достижения концентрации
вдвое меньше начальной (1/2 Со):
1п(Со/2) = 1пСо - k3JItl/2, ti/2 = 1п2Дэл = 0,693/ кэл.
Таким образом, для процесса первого порядка полупериод не зави-
сит от начальной концентрации токсиканта.
132 Q Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
2.1.2. Однокамерная модель со всасыванием
При внесосудистом поступлении ксенобиотика используется модель со
всасыванием (абсорбция в кровь). Например, при приеме токсиканта внутрь
он распределяется между содержимым желудка, кровью и мочой (рис. 5).
Кинетические кривые в координатах С—t отражают экспоненциальное
снижение концентрации токсиканта в содержимом желудка, прохождение
через максимум его содержания в крови, рост концентрации в моче.
Скорость убыли токсиканта из содержимого желудка (скорость аб-
сорбции в кровь) прямо пропорциональна его концентрации в содер-
жимом желудка Сж:
dCjn/dt — -каб Сж.
Поскольку скорость накопления токсиканта в крови представляет
собой разницу между скоростью поступления токсиканта из полости
желудка в кровь и скоростью элиминации токсиканта из крови:
dC/dt — каб Сж кэл Ск ,
можно рассчитать концентрацию токсиканта в крови в момент t:
Ск = Со (ехр[-кэл t] — ехр[-ка6t]),
где Со = то каб /V(kag — кэл); V — объем камеры; то — начальная масса
токсиканта.
Таким образом, скорость элиминации процесса первого порядка в
любой момент прямо пропорциональна содержанию ксенобиотика в
организме, полулогарифмические координаты зависимости концентра-
ции от времени дают прямую линию; константы скорости элиминации,
кэл (или р), полупериод (t 1/2)» а также кажущийся объем распределения
(Vd) и клиренс (CL) (см. разделы 2.3 и 2.4) не зависят от дозы; концент-
рация химического вещества в крови и других тканях снижается сим-
батно (однотипно) на постоянную долю в единицу времени.
Рис. 5. Изменение концентрации токсиканта во времени при приеме внутрь.
Ск — концентрация в крови, Сж — в желудке, См— в моче.
Глава 4. <> Токсикокинетика 0 133
2.2. Двухкамерная токсикокинетическая модель
При внутривенном введении некоторых ксенобиотиков изменение
их концентрации в плазме крови во времени в полулогарифмических
координатах может быть непрямолинейным (см. рис. 2 этой главы). В
таком случае для токсикокинетического анализа используют многока-
мерные модели, а для характеристики выведения (элиминации) ксено-
биотика из плазмы применяют многоэкспоненциальные математиче-
ские уравнения. Двухкамерная (двухчастевая) модель демонстрирует
распределение вещества между центральной и периферической камера-
ми (рис. 6).
В общем случае токсикокинетическая кривая этого типа может быть
описана в виде суммы двух экспонент
С = А • е-«‘ + В • e-₽t,
где А и В — коэффициенты пропорциональности; аир — константы
скорости элиминации первого порядка (см. рис. 2 этой главы).
Из рис. 6 видно, что ксенобиотик находится в динамическом равно-
весии между двумя камерами — центральной и периферической.
Рис. 6. Двухкамерная кинетическая модель.
каб, кбишр> *Чкс> ^1-2> ^2-1 — константы скорости абсорбции, биотрансформации,
экскреции, элиминации, перехода из центральной камеры в периферическую и обратно.
134 О Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
На стадии распределения концентрация химических веществ в плаз-
ме крови снижается значительно быстрее (начальный участок кинетиче-
ской кривой) (см. рис. 2). Для установления концентрационного равно-
весия между кровью и тканями требуется время. Стадия распределения
в случае однократно введенной дозы может длиться несколько минут,
часов, дней. После завершения распределения снижение концентрации
в плазме крови происходит медленнее и характеризуется константой
скорости р. Константа скорости р в двухкамерной модели совпадает по
смыслу с константой элиминации кэл в однокамерной модели.
Одна из реальных аналогий двухкамерной модели — система, в кото-
рой рассматриваются две камеры: кровь и костная ткань. Накопление
токсиканта в костной ткани (депо) может увеличиваться с возрастом и
зависит от экологических факторов, как это обнаружено для зон с раз-
личной техногенной нагрузкой (рис. 7).
В течение жизни человека равновесие обмена ионами свинца между
обеими камерами — костной тканью и плазмой крови — смещается в ту
или иную сторону в зависимости от присутствия ксенобиотика в окру-
жающей среде: СК1 (РЬ2+) «-* Ск (РЬ2+).
Рис.7. Накопление свинца в костной ткани человека с возрастом.
1 — рабочие металлургических заводов; 2 — жители крупных промышленных центров;
3 — сельские жители (экологически безопасная местность). W % — массовая доля свинца
в расчете на обезжиренную сухую костную ткань (эпифиз бедренной кости человека)
(Ю.А.Ершов).
Глава 4. Ф Токсикокинетика Ф 135
2.3. Объем распределения
Объем распределения ксенобиотика (Vd) (от англ, distribution) пред-
ставляет собой постоянную величину, связывающую общее его количе-
ство в организме с концентрацией в плазме крови:
Vd = DB/B/(p • AUC0°°),
где DB/B — внутривенная доза или известное количество ксенобиоти-
ка в организме в начальный момент времени t=0; р — константа скоро-
сти элиминации; AUCq°° — площадь под токсикокинетической кривой
(см. рис. 3 этой главы). Произведение ((> • AUCo°°) представляет собой
концентрацию ксенобиотика в плазме крови.
Поскольку невозможно определить количество токсиканта в отдель-
ных органах и тканях, Vd иногда называют кажущимся объемом распре-
деления, который соответствует данной концентрации токсиканта в
плазме.
Для однокамерной модели математическое выражение Vd можно уп-
ростить:
Vd ~ DB/B/C0,
где Со — концентрация ксенобиотика в плазме крови в начальный мо-
мент времени. Значение Со можно определить из кинетической прямой
InC — t, отражающей убыль токсиканта в плазме, при экстраполяции ее
к t=0 (см. рис. 2 этой главы). Объем распределения имеет размерность
литры или литры на килограмм массы тела (л или л/кг) (см. табл. 1).
Значения Vd зависят от природы ксенобиотика и отражают его рас-
пределение в разных тканях организма. Для химических веществ с вы-
соким сродством к тканям характерны большие объемы распределения.
Напротив, вещества, преимущественно остающиеся в плазме крови,
имеют низкие значения Vd, соизмеримые с ее объемом.
Для некоторых гидрофильных токсикантов объем распределения
может принимать реальные значения, соответствующие объему крови
(0,08 л/кг), плазмы крови (0,04 л/кг), внеклеточной жидкости (0,2 л/кг)
или всей водной фазы организма (0,6 л/кг). Токсиканты, которые пол-
ностью задерживаются в сосудистом русле, имеют минимально возмож-
ный объем распределения (табл. 1 и 2).
Однако, как видно из табл. 2, Vd может превышать, и даже значи-
тельно, реальный физический объем жидкостных камер. Токсиканты с
очень высокими объемами распределения накапливаются преимущест-
венно не в крови, а в других тканях. Для жирорастворимых веществ Vd
на I —2 порядка превышает объем организма вследствие избирательной
кумуляции вещества липофильными тканями.
136 Ф Часть 2. Ф Основы биохимической токсикологии
Таблица 2. ОБЪЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КСЕНОБИОТИКОВ
Ксенобиотик Vd, л/кг
Этанол 0,6
Этиленгликоль 0,8
Анаприлин 3,5
Дигоксин 7,1
Амитриптилин 20,0
Галоперидол 23,0
При известном объеме распределения и данной концентрации ксе-
нобиотика в плазме можно рассчитать количество токсиканта в орга-
низме в любой момент времени по формуле:
nt = vd ™Ct,
где nt — количество ксенобиотика в организме; — его концент-
рация в плазме в текущий момент времени.
2.4. Клиренс
Клиренс CL (от англ, clearance — очищение) — скорость очищения
крови или других сред и тканей организма от ксенобиотика в процессе
его химических превращений, перераспределения в организме и/или
выведения из организма. Клиренс определяется как объем крови (в л,
мл), полностью освобождаемой от вещества за единицу времени (с, ч).
Таким образом, для процессов элиминации, характеризующихся кон-
стантой скорости первого порядка, единицы измерения клиренса (объ-
ем/время) литр в секунду, минуту или час (л/с, л/мин или л/ч) или в рас-
чете на единицу массы тела литр на килограмм в секунду, минуту или в
час [л/(кг • с), л/(кг • мин) или л/(кг • ч)].
Например, клиренс 100 мл/мин означает, что 100 мл крови, содержащей
ксенобиотик, полностью очищаются от него в течение 1 мин. Уменьшение
обычных значений клиренса означает, что токсикант накапливается в орга-
низме из-за нарушения функций жизненно важных органов и систем.
После внутривенного введения дозы DB/B общий клиренс организма
определяется как:
CL = DB/B/AUCo°°.
Клиренс можно также рассчитать при известных значениях объема
распределения и константы скорости элиминации для одночастевой
модели CL = Vd • кэл и для двухчастевой модели CL = Vd •£.
Глава 4. О Токсикокинетика 0 137
Общая эффективность удаления химического вещества из организ-
ма характеризуется общим клиренсом (СЬОбЩ), который определяется
как сумма клиренсов отдельных органов элиминации:
Cl-общ — CLn + CLKIim+ СЕлег...,
где CLn — почечный, CLne4 — печеночный, СЬКИШ — кишечный,
СЬлсг — легочный клиренс. Высокие значения клиренса указывают на
эффективность и высокую скорость выведения вещества, низкий кли-
ренс означает медленное и менее эффективное удаление ксенобиотика
из организма.
2.5. Взаимосвязь периода полувыведения ксенобиотика
с объемом распределения и клиренсом
Период полувыведения (t1/2) — время, необходимое для снижения
концентрации ксенобиотика в крови или плазме наполовину, зависит
как от объема распределения, так и от клиренса. Его можно рассчитать,
если известны Vd и CL:
ti/2 = (0,693 -Vd)/CL.
Период полувыведения можно рассчитать по формуле 11/2 = 0,693/кэл
после определения константы элиминации кэл (или р) по наклону пря-
мой InC—t, соответствующей фазе элиминации (см. рис. 2 этой главы).
За период, равный 7 полупериодам элиминации, ксенобиотик выво-
дится на 99,2%. Это соответствует практически полной элиминации.
Полупериод элиминации первого порядка не зависит от дозы и не из-
меняется при увеличении дозы.
2.6. Токсикокинетика насыщения
При значительном увеличении дозы ксенобиотика скорость его рас-
пределения или элиминации может изменяться в соответствии с кине-
тикой насыщения. В этих случаях в токсикокинетических моделях на-
сыщения используется уравнение Михаэлиса — Ментен, включающее
два параметра (vmax и Км):
v — (vmax * ССвоб)/(Км + Ссвоб),
где vmax — максимальная скорость распределения или элиминации;
Км — постоянная Михаэлиса, или концентрация ксенобиотика при
скорости процесса, равной половине максимальной l/2vmax; Ссв0б —
концентрация свободного (не связанного с белками или другими ре-
цепторами) ксенобиотика.
При концентрации ксенобиотика в организме, много большей Км,
скорости распределения и элиминации перестают быть пропорцио-
нальны дозе. Превращения ксенобиотиков, соответствующие кинетике
138 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
насыщения, подчиняются закономерностям процессов нулевого по-
рядка:
v = dC/dt = koC0 = ко-
Таким образом, в этом случае скорость процессов не зависит от кон-
центрации, т.е. представляет собой постоянную величину.
Переход от кинетики первого порядка к кинетике насыщения
очень важен для токсикологии, поскольку может привести к длитель-
ному пребыванию ксенобиотика в организме возрастанию концентра-
ции в органе/ткани-мишени, увеличению токсичности.
Нелинейная токсикокинетика имеет следующие отличия: 1) отсут-
ствует экспоненциальное снижение уровня токсиканта в организме;
2) площадь под токсикокинетической кривой AUCq°° не пропорцио-
нальна дозе; 3) Vj, CL, кэл (или р), 11/2 изменяются с увеличением до-
зы; 4) состав выводимых продуктов изменяется качественно и количе-
ственно с изменением дозы; 5) происходит конкурентное
ингибирование веществами, которые подвергаются биотрансформа-
ции или активному транспорту с участием тех же ферментативных си-
стем; 6) кривые доза—ответ отражают непропорциональные измене-
ния ответа при увеличении дозы, начиная с доз, при которых
становятся очевидны эффекты насыщения.
3. Биодоступность
Биодоступность F — степень абсорбции (всасывания) ксенобиотика
в кровь при внесосудистом введении относительно внутривенного вве-
дения.
Например, биодоступность при любом внесосудистом способе вве-
дения ксенобиотика определяется следующим образом:
F = (AUCBH/DBH) • (DB/B / AUCB/B),
где ALCBH, AUCB/B, DBH, DB/B представляют собой соответствующие
площади под кривыми концентрация — время и дозы при внесосуди-
стом и внутривенном поступлении ксенобиотика.
Биодоступность можно определять при различных дозах вплоть
до перехода от кинетики первого порядка к кинетике насыщения.
Токсикокинетические данные после внутривенного введения ис-
пользуются для сравнения с любым внесосудистым введением, по-
скольку все химические вещества в конечном счете поступают в сис-
темный кровоток. Биодоступность для химических веществ имеет
значения от 0 до 1. Гипотетически полное всасывание соответствует
F = 1. Реальные значения биодоступности F < 1 свидетельствуют о
частичной абсорбции ксенобиотиков в системный кровоток. Опре-
Глава 4. 0 Токсикокинетика <>139
деление доли химического вещества, достигающей системного кро-
вотока, чрезвычайно важно в токсикологии, особенно в клиниче-
ской. Иногда биодоступность ксенобиотика оценивают по индексу
биодоступности I = Свн/Св/в, где Свн и Св/в — концентрации ксено-
биотика в плазме крови при внесосудистом и внутривенном спосо-
бах введения.
На величину биодоступности влияют ограниченное всасывание ксе-
нобиотика при приеме токсиканта внутрь, эффект первого прохожде-
ния через кишечник, эффект первого прохождения через печень, хими-
ческая природа вещества, от которой зависит, например, растворимость
или способность к мицеллообразованию (для липофильных веществ), и
другие факторы.
4. Физиологическая токсикокинетика
В классической токсикокинетике константы скорости определяются
по экспериментальным данным, эти модели часто называют экспери-
ментальными. В физиологических токсикокинетических моделях констан-
ты скорости отражают реальные или гипотетические биологические
процессы. Физиологические модели имеют ряд преимуществ: они могут
описывать распределение ксенобиотиков к любому реальному органу и
ткани во времени; позволяют установить влияние физиологических па-
раметров на содержание ксенобиотика в тканях; доступно описывают
сложные режимы дозирования и процессы насыщения при метаболизме
и комплексообразовании.
4.1. Структура основных моделей
Физиологические модели часто выглядят как набор классических
одночастевых моделей, связанных друг с другом. Структура модели —
взаимосвязь ее отдельных камер — фактически зависит от природы ксе-
нобиотика и состояния организма. Важно понять, что не существует ка-
кой-то исходной физиологической модели. Модели представляют со-
бой упрощенные реальные системы и в идеале должны содержать
структурные составляющие, необходимые для описания распределения
химического вещества.
На основе физиологического моделирования облегчается прогнози-
рование поведения токсиканта в организме. Поскольку кинетические
константы в физиологических моделях получают при исследовании ре-
альных биологических или химических процессов, возможна экстрапо-
ляция получаемых кинетических параметров на другие внешние усло-
вия и физиологические состояния.
140 <> Часть 2. <> Основы биохимической токсикологии
Физиологические модели создаются в результате объединения мно-
гочисленных модельных уравнений, в которые входят эксперименталь-
ные результаты (например, концентрации ксенобиотика в крови или
ткани) за период наблюдения с использованием совокупности началь-
ных условий (например, значений введенных доз) и значений парамет-
ров (например, массы органа или тела).
Основу модели составляют измеряемые биологические и химиче-
ские характеристики, некоторые из них, полученные для отдельных ви-
дов животных, можно экстраполировать на другие виды животных. На-
пример, модели для исследования токсикокинетики химических
веществ у грызунов и человека могут быть идентичны по растворимости
в тканях. Другие модели, в которых в качестве параметров используют
массу органа или частоту сердечных сокращений, значительно различа-
ются для разных видов животных.
4.2. Камеры
Структурная основа физиологической модели — это камера, которая
является областью организма с одинаковой концентрацией ксенобио-
тика. Камера может быть специфической функциональной или анато-
мической частью органа, включающей отдельный кровеносный сосуд с
окружающей его тканью. Камеры состоят из 3 тесно связанных подка-
мер: сосудистого пространства, которое снабжает камеру кровью; внут-
ритканевого (интерстициального) пространства, где формируется клет-
ка; внутриклеточного пространства (рис. 8).
Рис. 8. Камера в физиологической
токсикокинетической модели (общая схема).
QK — кровоток; Свход— концентрация ксенобиотика на входе в камеру;
Свыход — концентрация ксенобиотика на выходе из камеры.
Глава 4. 0 Токсикокинетика Ф 141
Рис. 9. Модель распределения ксенобиотика
между жидкостными камерами организма.
Как показано на рис. 8, скорость поступления ксенобиотика оп-
ределяется произведением скорости кровотока (QK, л/ч) на концен-
трацию ксенобиотика в крови (Свход, моль/л). В пределах данной
камеры ксенобиотик перемещается из внутрисосудистого про-
странства во внутритканевое пространство (потоку и из внутритка-
невого пространства во внутриклеточное (потокг). Некоторые ксе-
нобиотики могут связываться с клеточными компонентами
(центры связывания). Таким образом, внутри камеры могут присут-
ствовать свободные и связанные формы ксенобиотика. Ксенобио-
тик покидает сосудистое пространство при концентрации свобод-
ной формы Свыход.
В качестве реальной физиологической модели может быть рассмот-
рена модель из 4 подкамер, являющихся жидкостными камерами орга-
низма (рис. 9). Поступив из капилляров в интерстиций, ксенобиотик
перемещается по трем направлениям: к клетке, обратно в кровеносный
капилляр и в лимфатическую систему.
Получаемые из такой модели данные о скорости распределения ксе-
нобиотика между жидкостными камерами организма могут быть ис-
пользованы, например, при лечении гиперэлементозов (см. ч. 4, гл. 5) и
других заболеваний химической этиологии.
4.3. Параметры
Для создания физиологических моделей необходима информация об
анатомических, физиологических, термодинамических и транспортных
параметрах системы.
Анатомические параметры обычно используют для физического
описания различных камер. В физиологической модели должен быть
142 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
известен размер каждой камеры. Размер обычно представляют в виде
объема (миллилитры или литры) камеры, принимая плотность равной
единице (несмотря на то, что часто масса может быть определена экспе-
риментально). Если камера содержит подкамеры (см. рис. 8), то их объ-
емы тоже должны быть известны. Объемы камер можно найти в спра-
вочнике или определить экспериментально при токсикокинетических
исследованиях.
Физиологические параметры включают скорость кровотока, интен-
сивность газообмена и скорость выведения. Помимо скорости кровото-
ка QK (мл/мин или л/ч) к отдельным камерам, необходимо учитывать
частоту сердечных сокращений Qc, а также скорость альвеолярного га-
зообмена Qr при поступлении и выведении ксенобиотика через органы
дыхания.
Скорость почечного клиренса и параметры, описывающие скорость
биотрансформации, используют для характеристики процессов элими-
нации ксенобиотиков.
Термодинамические параметры связывают общую концентрацию
ксенобиотика в тканях (С) с концентрацией свободного ксенобиотика
Ссвоб- При этом предполагают, что связанная и свободная формы ксе-
нобиотика находятся в равновесии друг с другом, и только свободная
форма может проникать через межкамерные границы, подвергаться
метаболизму и выводиться из крови. Экспериментально можно опре-
делить общую концентрацию ксенобиотика. Между концентрацией
свободной формы и обшей концентрацией существует пропорцио-
нальная зависимость: С = Ссвоб • К, где К — коэффициент распределе-
ния. При известном К можно вычислить концентрацию свободного
ксенобиотика:
Ссвоб ~ С/К.
Транспорт ксенобиотика через клеточную мембрану — сложный
процесс, который, как уже рассматривалось в главе 2 (ч.2) включает
пассивную диффузию, активный транспорт с использованием перенос-
чиков, облегченную диффузию или комбинацию этих процессов. Са-
мый простой процесс — пассивная диффузия, это процесс первого по-
рядка. Диффузия ксенобиотика может происходить через мембраны
кровеносных капилляров (поток() и через клеточные мембраны (по-
Т0К2) (см. рис. 8). При простой диффузии скорость переноса ксенобио-
тика dn/dt (поперечный перенос через границу раздела двух подкамер)
можно описать согласно закону Фика (см. гл.2).
Для транспорта ксенобиотика через мембраны существуют перфузи-
онные и диффузионные ограничения.
Глава 4. О Токсикокинетика 0 143
4.4. Камеры с перфузионными ограничениями
Камеры с перфузионными ограничениями называют также камера-
ми с ограниченным кровотоком. В этом случае скорость захвата ксено-
биотика тканью ограничена не скоростью транспорта ксенобиотика че-
рез клеточные мембраны сосудов, а скоростью, с которой кровь,
содержащая ксенобиотик, поступает в ткань. Перфузионные ограниче-
ния характерны для большинства тканей. При этом возможно объеди-
нение сосудистой и тканевой подкамер в одну общую подкамеру, кото-
рую называют экстрацеллюлярным (внеклеточным) пространством
(рис. 10).
Для некрупных молекул с относительной молекулярной массой ме-
нее 100 или для липофильных соединений процесс проникновения в
клетку не является лимитирующим, т.е. определяющим скорость. Для
этих молекул скорость транспорта через клеточные мембраны заметно
выше скорости тканевой перфузии, поэтому скорость движения ксено-
биотика внутрь камеры и из нее можно описать уравнением:
VT • dC/dt — QK • (Свход Свыход),
где VT — объем тканевой камеры; С — концентрация свободного ксе-
нобиотика в камере; VT • dC/dt — изменение количества ксенобиоти-
ка в камере в единицу времени (скорость движения ксенобиотика);
QK — кровоток к ткани; Свход — концентрация ксенобиотика на вхо-
де в камеру; Свыход — концентрация ксенобиотика на выходе из ка-
меры.
На рис. 10 прерывистая линия показывает, что переход ксенобиоти-
ка между внеклеточным и внутриклеточным пространствами не имеет
диффузионных ограничений.
В случае перфузионных ограничений Свыход, или венозная концент-
рация, равна концентрации несвязанного (свободного) ксенобиотика
ССВоб- В соответствии с линейной зависимостью Свыход = Ссвоб =• С/К
дифференциальное уравнение, описывающее скорость изменения ко-
личества ксенобиотика в ткани, имеет вид:
VT dC/dt = QK (СвхОД — С/ К).
Рис. 10. Модель распределения ксенобиотика с ограниченным кровотоком.
144 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
4.5. Модели с диффузионным контролем
Если поступление в камеру ограничено проницаемостью клеточной
мембраны и общей поверхностью мембраны, это модель с ограниченной
диффузией. Диффузионно контролируемый транспорт происходит тогда,
когда скорость прохождения ксенобиотика через мембрану меньше, чем
скорость кровотока к тканям. На рис. 11 приведена структура камеры тако-
го типа. Сосудистая и тканевая подкамеры объединены в одну внеклеточ-
ную подкамеру, поступление вешеств в которую не ограничено скоростью
кровотока. Скорость поступления ксенобиотика через клеточную мембра-
ну (во внутриклеточное пространство из внеклеточного) ограничена про-
ницаемостью клеточной мембраны, т.е. контролируется диффузионно.
4.6. Специализированные камеры
В качестве специализированных камер можно рассматривать легкие,
печень и другие органы. Для примера рассмотрим печень как одну из
наиболее наглядных физиологических моделей, в которой происходит
биотрансформация ксенобиотиков. Простая камерная структура для
печени предполагает контроль кровотока и подобна тканевой камере на
рис. 10, за исключением того, что для печени дополнительно возможны
процессы выведения. Одно из выражений для этого процесса — элими-
нация первого порядка:
VM — Ссво5 • Vne4 • к,
где vM — скорость метаболизма, ммоль/ч; Ссвоб — концентрация сво-
бодного ксенобиотика в печени, ммоль/л; Vne4 — объем печени, л; к —
константа скорости первого порядка для метаболизма, ч-].
Поскольку многие ксенобиотики подвергаются ферментативной
биотрансформации, что соответствует метаболизму насыщения, для ус-
пешного описания физиологических моделей применяют уравнение
Михаэлиса—Ментен.
В физиологических моделях могут быть использованы другие, более
сложные уравнения, учитывающие биотрансформацию ксенобиотиков.
Q. х с^, Внеклеточное просгранство Qk Х Qiwxod
Внутриклеточное просгранство
Рис. 11. Камера с диффузионным контролем распределения ксенобиотика.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 145
ГЛАВА 5.
КОМБИНИРОВАННАЯ ТОКСИЧНОСТЬ.
КЛЕТОЧНЫЕ МОДЕЛИ
Ключевые моменты:
• Клетки как биосенсоры для изучения индивидуальной и комбини-
рованной токсичности.
• Кинетические механизмы действия токсикантов на уровне фер-
ментов и на клетку в целом.
• Энергия активация гибели S. ambigua как универсальный параметр
токсичности химических веществ.
1. Характеристика клеточных биосенсоров
Индивидуальное и комбинированное действие ксенобиотиков мож-
но изучать на основе кинетики превращений клеточных культур или
простейших организмов. Такой подход имеет ряд преимуществ перед
использованием лабораторных животных (млекопитающих): снимается
ряд этических проблем; одноклеточные организмы дают обширную ин-
формацию при относительно небольших материальных затратах; упро-
щается трактовка механизмов токсичности на субклеточном и надмоле-
кулярном уровнях.
Для изучения токсичности ксенобиотиков органической и неорга-
нической природы можно использовать инфузорию Paramecium cauda-
tum и дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiaea. Для исследования
водных растворов сложного состава (в том числе содержащих высоко-
молекулярные соединения, поверхностно-активные вещества) пред-
почтительнее использовать свободноживущих в объемной фазе про-
стейших Spirostomum ambigua.
Spirostomum ambigua (Muller O.F., 1786) — одна из наиболее распро-
страненных спиральноресничных инфузорий (Spirostomidae,
Heterotricha, Ciliophora), классический объект исследований в биологии
клетки. S. ambigua широко используется в качестве биоиндикатора при
исследовании состояния окружающей среды.
Тело инфузории — одна лентовидная, несколько дорсовентрально
уплощенная клетка длиной около 1 мм (рис. 1).
Отношение длины к ширине тела примерно 1:10, макронуклеус чет-
ковидный, ротовой аппарат доходит до задней трети тела. При малей-
шем воздействии клетка дает мгновенный ответ, сокращаясь по длине в
2—3 раза. Параметры сокращения зависят от температуры. В норме 5.
ambigua совершает свободные передвижения в толще раствора с чередо-
146 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Рис. 1. Изменение формы клетки S. ambigua (наблюдения под микроскопом).
1 — исходный организм; 2 — лиганд (токсикант) — индуцированное переходное состояние;
3 — клетка или ее фрагмент после гибели (мертвая клетка).
ванием сжатия/вытягивания. В среде, содержащей компоненты лекар-
ственных препаратов, такое передвижение может сопровождаться кон-
вульсивными подергиваниями, фиксацией около стенки ячейки и дру-
гими отклонениями. Клетки S. ambigua в благоприятных условиях
(слабоминерализованная среда культивирования или дистиллирован-
ная вода, 19 — 29 °C) не гибнут в течение времени, превышающего кле-
точный цикл (—20 ч). При внесении в среду токсикантов клетки погиба-
ют в течение интервала времени, являющегося функцией как
концентрации ксенобиотика, так и температуры. Гибели клетки пред-
шествует переходное состояние С • Ln с изменением морфометрических
характеристик и оптических свойств (зернистости цитоплазмы), комп-
лексом специфических поведенческих реакций. Например, клетка мо-
жет утолщаться по центру (см. рис.1). По мере истощения токсиканта в
среде клетка может вернуться из переходного лигандиндуцируемого в
исходное состояние, принимая естественную форму. Таким образом,
устанавливается динамическое равновесие С (cell) *♦ С • Ln. Смещение
равновесия вправо сопровождается гибелью клетки, которую констати-
руют по разрыву мембраны или по обездвиживанию без сократитель-
ной реакции на механическое раздражение.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 147
2. Кинетика лиганд-индуцируемых клеточных переходов S. ambigua
2.1. Клетка как полиферментный химический реактор
Для описания развития клеточных популяций под действием ингиби-
торов и промоторов, при культивировании в ферментерах, а также при раз-
витии раковых опухолей успешно используются закономерности химиче-
ской кинетики. В основе применения химической кинетики к клеточным
превращениям находится представление о клетке как о полиферментном
химическом реакторе. В соответствии с этим деление клетки или ее гибель
представляет собой обобщенное отражение усиления или прекращения тех
или иных ферментативных химических процессов. Кинетическая схема
гибели клетки с формированием промежуточного состояния эквивалентна
кинетике образования комплекса фермента с субстратами/продуктами ре-
акции. Такой схемой можно описать взаимодействие с клеткой ксенобио-
тиков (лигандов) различной химической природы: как заведомо токсич-
ных соединений (например, дихромат-ионов СГ2О72"), так и природных
метаболитов (например, аминокислоты глицина). Кинетическая схема ли-
гавд-индуцируемой гибели S. ambigua имеет следующий вид:
Кр fm
(быстро) (медленно)
С (cell) + nL -4-------► С • Ln -------------► DC
Рис. 2. Кинетическая схема лиганд-индуцируемой гибели S. ambigua.
С — клетка; L — лиганд; п — стехиометрический коэффициент; С • Ln — клетка
после взаимодействия с лигандом (промежуточное состояние); Кр — константа равновесия;
fm — константа скорости перехода клетки в мертвое (DC) состояние (частота гибели клетки).
На основании этой схемы можно определить время жизни клетки
Дж) после взаимодействия с лигандом (ксенобиотиком):
1+-^-
нт
1m
2.2. Контроль клеточных превращений методом лазерной дифракции
Промежуточное состояние, которое на рис. 2 обозначено как С • Ln,
можно легко обнаружить на размерных спектрах описываемой тест-
культуры. Такие спектры (рис. 3) получают с помощью прибора, изме-
ряющего дисперсность, тогда, когда в качестве частиц дисперсной фа-
зы рассматриваются клетки. Левый максимум на рисунке соответствует
клеткам (частицам) в промежуточном состоянии (С • Ln).
148 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Результаты морфометрии, представленные на рис. 3, подтверждают-
ся и при микроскопических исследованиях (см. рис. 1), позволяющих
визуально идентифицировать промежуточное состояние С • Ln. Низко-
молекулярные лиганды, как правило, приводят к утончению клетки,
как показано на рис. 1.
При воздействии других ксенобиотиков возможно иное морфометри-
ческое изменение формы клеток 5. ambigua, например в 2% растворе тя-
желой воды D2O клетка инфузории приобретает колбообразную форму.
Стадия связывания лиганда (см. рис. 2) — быстрая, может длиться
секунды. Стадия клеточного перехода (гибель С • Ln) — медленная, за-
нимает десятки минут. Соотношение длительности этих стадий обычно
остается постоянным, т.е. не зависит от природы токсиканта. Однако
время полного связывания токсиканта с клеткой может быть значитель-
но больше. Так, например, в 1,5% растворе поливинилпирролидона на-
блюдаются осцилляции S. ambigua из исходного в промежуточное со-
стояние (С • Ln) и обратно в исходное (С) с интервалами времени
прямого перехода около 5 мин, а обратного 20 мин (при 25 °C).
V7V к
* г * общ
Рис. 3. Действие токсикантов на формообразование инфузории S. ambigua при 20"С.
Vj — объем, занимаемый клеткой размером г,. Кривые объемного распределения
культуры клеток получены с помощью лазерного дифракционного определителя размеров
частиц Malvern 3600 Ес. 1 — контрольная культура без токсикантов (общее число клеток
1000, концентрация 100 клеток/мл); 2 — в присутствии диметилсульфоксида (ДМСО) 5%;
3 — в присутствии сульфаметоксазола 20 мМ.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 149
2.3. Кривые доза—ответ при исследовании
кинетики клеточных превращений
На практике при исследовании токсичности удобно использовать
диаграммы доза—ответ (см. ч.1). В данном случае при характеристике
биологической активности химических соединений с использованием
кинетики клеточных переходов в качестве ответа рассматривают время
жизни S. atnbigua (рис. 4).
На рис. 4 представлены зависимости времени жизни (tx) от концен-
трации исследуемого химического вещества. При фиксированной тем-
пературе можно получить линеаризованные зависимости 1Ж от [L]"n при
подборе параметра п методом последовательных разведений. В качест-
ве примера на рис. 5 одновременно представлены диаграмма концент-
рация-время жизни S. ambigua для лиганда Zn2+ и соответствующая
линеаризованная зависимость.
Рис. 4. Диаграммы доза—ответ (концентрация—время жизни S. ambigua)
для ксенобиотиков разных химических классов.
150 О Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
[Zn2+], мМ
Рис. 5. Концентрационная зависимость времени жизни
5. ambigua в растворе сульфата цинка.
2.4. Энергия активации и другие аррениусовские параметры
при оценке токсичности
Энергия активации Еа процесса клеточного превращения зависит от
природы ксенобиотика. Для определения величины Еа применяют ар-
рениусовские характеристики кинетики гибели (логарифм константы
скорости реакции к от обратной температуры 1/Т), с экспоненциальной
или логарифмической формой уравнения Аррениуса:
к = А • е -Еа/Нт
Ink = InA — (Ea/R) • (1/Т),
где к — константа скорости процесса; А — предэкспоненциальный
множитель; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура по
шкале Кельвина.
Последнее уравнение представляет собой уравнение прямой у = а + Ьх,
поэтому в полулогарифмических координатах Ink — 1/Т по тангенсу угла
ее наклона к оси абсцисс (tg р) можно определить энергию активации ги-
бели клеточной культуры при воздействии того или иного ксенобиотика:
tg р = -Ea/R. Линеаризация аррениусовской кривой наглядно представле-
на на рис. 6 и 7 для клеточных превращений, вызванных действием глици-
на и ДМСО.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 151
[Gly], М
Рис. 6. Кинетика глицин-индуцируемых клеточных переходов 5. ambigua.
А — концентрационная зависимость времени жизни в растворе глицина;
Б — зависимость времени жизни S. ambigua от температуры при инкубации
инфузории в 0,125 М растворе глицина в прямых координатах;
В — то же, что и Б, но в аррениусовских координатах.
Интервал температур от 19 до 31 °C.
t,°C 1/т, к-i
Рис. 7. Температурная зависимость кинетики гибели
тест-культуры 5. ambigua в 10% ДМСО.
А — прямые координаты; Б — аррениусовские координаты.
152 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
Как видно из рис. 6 и 7, температурная зависимость кинетики гибели
5. ambigua в 0,125 М растворе глицина и 10% ДМСО в аррениусовских
координатах имеет линейный характер, который сохраняется и при дру-
гих значениях концентрации глицина и ДМСО. Однако Еа является
функцией концентрации токсиканта (табл. 1), т.е. кажущейся величи-
ной, не соответствующей истинной энергии активации. Действительно,
для некоторых ксенобиотиков угол наклона в аррениусовских координа-
тах, а следовательно, и значение энергии активации изменяются при из-
менении концентрации. Это наблюдается у типичных неорганических и
органических токсикантов неприродного происхождения (например,
дихромата калия, ДМСО). Эти ксенобиотики демонстрируют сильную
зависимость кажущейся энергии активации от концентрации (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость кажущейся энергии активации
Еа кинетики гибели 5. ambigua от концентрации токсиканта.
Таблица 1. ЗАВИСИМОСТЬ НАБЛЮДАЕМОГО ЗНАЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ Еа ДЛЯ ГИБЕЛИ 5. AMBIGUA ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ДМСО В СРЕДЕ
Концентрация ДМСО, % Кажущаяся энергия активации, Еа процесса гибели (кДж/моль) *
5 292
7,5 173
8,5 222
10 157
* Относительная ошибка определения 15% при доверительном интервале <0,04.
Глава 5. 0 Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 153
В ряде случаев, напротив, величина энергии активации не зависит от
концентрации (например, для глицина в интервале от 60 до 250 мМ). Это
может быть связано с высоким значением стехиометрического коэффи-
циента п при образовании комплекса С • Ц, отражающего высокое срод-
ство клетки к природному лиганду — аминокислоте глицину. Постоянст-
во энергии активации сохраняется для ряда других нативных (биогенных)
веществ — некоторых аминокислот, их комбинаций, ионов жизненно не-
обходимых микроэлементов (например, Zn2+), минеральных вод.
Таким образом, энергия активации является важнейшим критерием
клеточных переходов. Кажущееся «бессмертие» простейших обусловле-
но, по-видимому, тем, что время жизни клетки превышает время деле-
ния. Добавление в среду низкомолекулярных лигандов (ксенобиоти-
ков) фактически катализирует процесс гибели, снижая время жизни до
регистрируемых интервалов (минуты). При таком рассмотрении схема
на рис. 2 близка по смыслу к схемам лиганд-зависимой инактивации
ферментов, а константа скорости и, следовательно, энергия активации
отражают условия катализа гибели клетки. Энергия активации Еа может
служить количественным критерием для определения апоптозной и не-
крозной гибели клеток.
В связи со специфичностью механизмов взаимодействия ксенобио-
тиков разных химических классов с клеткой понятна зависимость энер-
гии активации от природы ксенобиотика (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость энергии активации лигандиндуцируемой
гибели 5. ambigua от природы низкомолекулярного соединения.
154 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Действительно, величина Еа отражает интенсивность перестройки
клеточных структур, индуцированной лигандом. По аналогии с электро-
химической кинетикой по значениям энергии активации можно разли-
чать диффузионно-контролируемые процессы и процессы, контролиру-
емые кинетически. При диффузионно-контролируемых процессах
(скорость гибели клетки зависит от скорости диффузии ксенобиотика
при доставке к клетке или ее компонентам) значения энергии активации
Еа < 10 кДж/моль. Процессы, контролируемые кинетикой (скорость ги-
бели клетки зависит от скорости и механизмов взаимодействия клетки с
токсикантом), имеют Еа > 10 кДж/моль. Низкая скорость лиганд-инду-
цируемой гибели 5. ambigua (см. рис. 2 этой главы) и высокие значения
энергии активации указывают на значительные конформационные пе-
рестройки в клетке. Из примеров, приведенных на рис. 9, только аланин
близок к диффузионному контролю. Все остальные вещества имеют ки-
нетические ограничения при взаимодействии с клеткой.
Таким образом, энергию активации гибели S. ambigua при воздействии
ксенобиотика можно считать универсальным параметром токсичности.
Кинетические характеристики клеточных переходов S. ambigua (от образо-
вания промежуточного состояния до гибели), морфометрическое описание
изменения формы, подвижности объекта, строения цитоплазмы зависят и
от природы, и от концентрации химического соединения. Принципиально
возможна идентификация природы химического соединения в зависимо-
сти от количественных и качественных показателей клеточных переходов S.
ambigua, в том числе и для природных метаболитов (например, аминокис-
лот). В этом смысле данный тест-объект является клеточным биосенсором,
позволяющим выявлять и идентифицировать (теоретически вплоть до оп-
ределения концентрации) химические соединения, обладающие биологи-
ческой активностью в одно- и многокомпонентных растворах.
3. Формирование токсического эффекта
при комбинированном воздействии токсикантов
3.1. Комбинированная токсичность
Действие токсичных соединений имеет различные механизмы. Воз-
можно изменение физических и химических характеристик биосистем:
изменение абсорбции, нарушение проницаемости клеточных мембран,
связывание с белками, изменение метаболизма и экскреции как натив-
ных соединений, так и токсикантов. При комбинированном действии то-
ксикантов ответ организма может усиливаться, ослабляться или не изме-
няться в зависимости от природы ксенобиотиков и мишени их действия.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 155
Аддитивным называют комбинированное действие токсикантов, ес-
ли по силе оно равно сумме индивидуальных эффектов (2+3 -» 5).
Синергическим называют комбинированное действие токсикантов, в
десятки раз превосходящее индивидуальный эффект (2+2 -» 20). Напри-
мер, четыреххлористый углерод ССЦ и этанол С2Н5ОН являются гепа-
тотоксичными веществами; при совместном воздействии они вызывают
значительно большие повреждения печени, чем по отдельности.
Потенцирование эффекта наблюдается в тех случаях, когда вещество
не вызывает повреждений органа/ткани, но при совместном воздейст-
вии с другим ксенобиотиком усиливает эффект токсичного компонента
(0+2 10). Например, изопропанол не является гепатотоксичным со-
единением, но в комбинации с четыреххлористым углеродом усиливает
его гепатотоксичность.
Антагонизм при комбинированном воздействии возникает в случае
взаимодействия двух токсичных веществ между собой или при их кон-
курирующем влиянии на мишень токсичности. Различают 4 основных
вида антагонизма: функциональный, химический, рецепторный и дис-
позиционный. Функциональным называют такой антагонизм, при кото-
ром оба химических вещества компенсируют действие друг друга, ока-
зывая противоположное влияние на орган или систему. Химический
антагонизм, или инактивация, возникает при обычном химическом
взаимодействии двух химических веществ. Например, хелатные анти-
доты снижают токсичность металлов за счет образования координаци-
онных соединений (хелатов). Диспозиционный антагонизм проявляется
при снижении абсорбции токсиканта, изменении механизмов его био-
трансформации, распределения или экскреции, способствующих сни-
жению токсичности одного из компонентов комбинированной смеси
под влиянием другого. Так, можно снизить всасывание токсиканта с по-
мощью активированного угля, усилить активность ферментов, участву-
ющих в метаболизме, или ускорить экскрецию токсикантов из организ-
ма, назначая диуретики. Рецепторный антагонизм возникает тогда,
когда два токсиканта связываются с одним рецептором и их совмест-
ный эффект меньше индивидуального или по действию на рецептор
они являются антагонистами.
Для оценки воздействия на живые организмы индивидуальных токси-
кантов существует ряд общепринятых токсикометрических характери-
стик. Однако возрастание антропогенной нагрузки на биогеоценозы,
многочисленные отравления несколькими токсикантами требуют изу-
чения одновременного (комбинированного) воздействия нескольких
химических соединений. Комбинированное воздействие химических
156 0 Часть 2. 0 Основы биохимической токсикологии
агентов редко дает аддитивный эффект (сумма индивидуальных эффек-
тов), оценка которого принята в санитарно-эпидемиологической прак-
тике в России и в некоторых других странах по формальному параметру
суммарной ПДК (см.ч. 1). В действительности гораздо чаще встречает-
ся синергический эффект (усиление воздействия по сравнению с теоре-
тическим аддитивным эффектом) или антагонистический эффект (ос-
лабление токсического воздействия по сравнению с теоретическим
аддитивным эффектом).
Изучение комбинированной токсичности в обобщенном виде сво-
дится к экспериментальному определению функции S = f(n], пг, ..., Щ,
t), где S (survival) — выживаемость организмов, щ - п, — число токси-
кантов i-компонентной системы, t — время наблюдения. Последний
параметр крайне важен, так как, с одной стороны, длительность инку-
бации с токсичным веществом отражается на интенсивности его воз-
действия на биосистему, а с другой — защитные системы организма ак-
тивизируются не сразу, а с запаздыванием (лаг-период). Кинетические
закономерности действия токсичных соединений (функция St) практи-
чески не изучены. Комбинированное воздействие токсикантов иссле-
дуется с начала 80-х годов, но результатов опубликовано мало и они за-
трагивают в основном двухкомпонентные системы металлов (рис. 10).
24 Cr
25
25 Мп Mn 28
28 Ni Ni 29
29 Си H Си 30
30 Zn a Zn 31
31 Ga H Ga 47
47 Ag H H H H Ag 48
48 Cd a a c a/c Cd 80
80 Hg c c Hg
82 Pb a
Рис. 10. Комбинированное токсическое действие ионов металлов в бинарных системах,
а — антагонистический, с — синергический, н — неаддитивный эффект. Пустая клетка означает
отсутствие данных. Исследования проводились на низших ракообразных — Daphnia magna,
дрожжах Saccharomyces cerevisiae, культурах клеток гепатоцитов, фибробластов и др.
Глава 5. Ф Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 157
Как видно из рис. 10, число исследованных бинарных систем ограниче-
но, и в некоторых случаях результаты противоречивы, как, например,
для системы цинк — кадмий.
Исследование комбинированной токсичности требует большого
числа экспериментов в широком интервале концентрационных сочета-
ний химических соединений, которые способны обеспечить токсико-
метрическую и статистическую достоверность результатов. Ни одна из
биосистем, использующая многоклеточный организм, не может удов-
летворить этим требованиям вследствие сложности жизненного цикла,
поведенческих реакций и пр.
3.2. Неаддитивные эффекты
при комбинированном действии токсикантов
Комбинированное действие ксенобиотиков различной природы, в
том числе и многокомпонентных фармацевтических препаратов, при
условии, что после взаимодействия с лигандами возникает одно проме-
жуточное (предсмертное) состояние — С*, могут быть описаны кинети-
ческой схемой:
4-L2
C + L| ------► CL| ----------► •••
+ L|
с + l2 ------► cl2
► DC
Применение этой схемы для описания многокомпонентных систем
(лекарственные препараты для лечения острых лейкозов у детей, лечеб-
но-столовые минеральные воды и др.) продемонстрировало аррениу-
совскую зависимость кинетики гибели. Это указывает на однонаправ-
ленность биологического действия компонентов этих препаратов.
Нарушения аррен иусовской кинетики в ряде случаев свидетельствова-
ло о возникновении как минимум двух типов промежуточных состоя-
ний (С|* и С2* ) с разными константами скорости гибели Ит и 2fm:
'fm
C + L, «4-----► CL| ◄-------► С,* ---------
C + L2 -----► CL2 ----► C2*
Последняя кинетическая схема предполагает нарушения аррениу-
совской зависимости, как это наблюдается для комбинации сульфалена
и ДМСО (рис. 11).
158 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
Рис. 11. Отклонение от аррениусовской зависимости кинетики гибели
5. ambigua при комбинированном действии ДМСО и сульфалена.
Пунктиром показана экспоненциальная кривая
при ДМСО-индуцированной гибели (концентрация 10%).
Нарушения аррениусовской зависимости [нелинейность в коорди-
натах ln(l/tx) от 1/Т, число перегибов] могут служить критериями одно-
типности или разнонаправленности действия компонентов фармацев-
тических препаратов.
Рис. 12. Температурная зависимость кинетики комбинированного действия
глицина и сульфата цинка на S. ambigua (Czn2, : С(Ду = 1:10).
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 159
На рис. 12 приведен пример обнаружения сильного антагонистиче-
ского эффекта при комбинированном действии глицина и ионов цинка.
Начальный участок (см. рис. 12) подчиняется аррениусовской зависимо-
сти и может быть описан по кинетической схеме, где в качестве лиганда
выступает комплекс глицина с ионами цинка (концентрация свободно-
го Zn2+ подобрана так, что не влияет на тест-объект). После достижения
температуры 29 °C наблюдается триггерный эффект, проявляющийся в
многократном увеличении продолжительности жизни клеток 5. ambigua.
Комбинации глицина и солей цинка дополнительно усиливают неспе-
цифическую резистентность и адаптационные свойства организмов, на-
блюдаемые при индивидуальном действии глицина и ионов Zn2+.
Вид неаддитивных эффектов при комбинированном действии мож-
но определить при использовании упомянутых выше диаграмм доза-
ответ. Классическим примером синергического противомикробного
действия является препарат бисептол — сочетание сульфаметоксазола и
триметоприма. На рис. 13 продемонстрирован синергический эффект,
выражающийся в неаддитивном уменьшении времени жизни S. ambigua
при комбинированном действии указанных субстанций.
Вид комбинированного воздействия химических соединений можно
использовать на ранних стадиях доклинических испытаний лекарствен-
ных средств. По действию химического соединения на S. ambigua мож-
но прогнозировать особенности его биологической активности при
воздействии на клетки человека.
100 п
5 80-
Я
со
I
! 60-
&
PQ
<D
S 40-
5
Ё
| 20-
о
0 । . Концентрация
0 20 40 60 80 100 120 сульфаметоксазола, мМ
Рис. 13. Синергический эффект при комбинированном действии
сульфаметоксазола и триметоприма.
160 0 Часть 2. О Основы биохимической токсикологии
3.3. Формообразования клетки при комбинированном
токсическом действии ионов цинка (II) и меди (II)
Главными особенностями метаболизма цинка и меди, характерными
для различных организмов — от одноклеточных дрожжей до млекопитаю-
щих, является продуцирование в клетке низкомолекулярных белков, свя-
зывающих ионы металлов (см. ч. 1, гл. 5, рис. 9). Эти белки называют ме-
таллотионеинами, они имеют высокое содержание цистеина. Синтез
металлотионеинов индуцируют не только ионы меди и цинка, но и ионы
других d-элементов. Жизненно необходимые (эссенциальные) микроэле-
менты — медь и цинк в определенных концентрациях проявляют токсич-
ность. Например, ионы Си2+ и Zn2+ влияют на рост культуры дрожжей
S. cerevisiae (рис. 14) и на формообразование клеток/колоний (рис. 15).
При использовании данных гистограмм можно обнаружить антаго-
нистический эффект ионов Си2+ и Zn2+ (см. рис. 14 и 15). Например,
при подавлении роста клеточной культуры под действием ионов Zn2+
ионы Си2+ в сравнительно невысоких концентрациях восстанавливают
численность культуры.
При сравнении гистограмм численного и объемного распределений
можно охарактеризовать распределение субпопуляций клеток (коло-
ний) по форме. Антагонистическое действие ионов цинка или меди не
может быть описано лишь механизмом клеточной защиты по пути
уменьшения соотношения поверхность/объем. Необходимо также учи-
тывать генную регуляцию синтеза металлотионеинов путем Ме2+-зави-
симой активации соответствующего гена. Увеличение синтеза тионеи-
Рис. 14. Кинетика роста дрожжей S. cerevisiae при действии ионов Сн2+ и Zn2b.
А — индивидуальное действие; Б — комбинированное действие.
Глава 5. О Комбинированная токсичность. Клеточные модели 0 161
нов приводит к снижению концентрации свободных форм ионов ме-
талла в результате их хелатирования и связывания с тиоловыми группа-
ми. Фактор активации транскрипции гена металлотионеина дрожжей
(АСЕ1) синтезируется у S. cerevisiae в ответ на добавление ионов меди.
В связи с этим наблюдается высокая эффективность антагонистическо-
го (защитного) действия ионов меди, проявляющаяся при концентра-
ции Си2+ на 3 порядка ниже, чем Zn2+ (см. рис. 15, Д). Таким образом,
только химическая конкуренция между ионами меди и цинка не может
быть причиной антагонистического действия, как обычно полагают.
Рис. 15. Индивидуальное и комбинированное действие ионов Zn2+ и Си2+
на численное и объемное распределение клеток/колоний S. cerevisiae.
1 — объемное распределение (масштаб ординат 0—20%); 2 — численное распределение
(масштаб ординат 0—100%). А — в культуральной среде отсутствуют ионы металлов;
Б — добавлено 10 мМ Zn2+; В — добавлено 1 мМ Zn2+; Г — добавлено 1 мМ Си2+;
Д — добавлено 0,01 мМ Си2+ и 10 мМ Zn2+; Е — добавлено 1 мМ Си2+ и 0,1 мМ Zn2+.
Часть 3
АНАЛИТИЧЕСКАЯ
ТОКСИКОЛОГИЯ
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЯ
ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Ключевые моменты:
• Особенности химико-токсикологического анализа при острых от-
равлениях.
• Особенности судебно-химического анализа трупного материала.
• Отбор проб доя анализа.
• Предварительные испытания.
• Подготовка пробы для анализа — изолирование (выделение), очи-
стка и концентрирование токсичного вещества.
Химико-токсикологический анализ (ХТА) — это обнаружение и коли-
чественное определение ядовитых и сильнодействующих веществ и их
метаболитов в биопробах живых лиц, в трупном материале и в вещест-
венных доказательствах отравления.
При ХТА требуется быстро получить достоверные результаты, позво-
ляющие установить диагноз и приступить к лечению или сделать судеб-
но-медицинское заключение.
В химико-аналитической лаборатории в первую очередь необходимо
освоить методики определения:
• алкоголя и его суррогатов (алифатические спирты, их эфиры, хло-
рированные, ароматические углеводороды, кетоны, тормозные жидко-
сти с этиленгликолем);
• алкалоидов;
• снотворных и психотропных лекарственных средств;
• фармакопейных настоек;
• фосфорорганических инсектицидов;
• прижигающих жидкостей (концентрированных растворов кислот
и щелочей).
Работа специализированного центра по лечению острых отравлений
осуществляется в соответствии с требованиями Министерства здраво-
охранения и социального развития РФ и рекомендациями ВОЗ. В лабо-
ратории специализированного токсикологического стационара исполь-
Глава 1. 0 Методология химико- токсикологического анализа 0 163
зуют в первую очередь различные виды хроматографии (тонкослойная,
газовая, высокоэффективная жидкостная хроматография) и спектро-
фотометрические методы (электронная спектрометрия в ультрафиоле-
товой и видимой частях спектра). Эти методики надежны, экспрессны
и позволяют работать с небольшим количеством биоматериала.
В крупных административных центрах целесообразно создание цент-
рализованных лабораторий аналитической диагностики отравлений ток-
сичными веществами. В них должен быть информационный банк анали-
тических и клинических данных по различным классам токсикантов и
экологической обстановке в регионах. Для проведения испытаний в та-
ких центрах необходимо иметь набор стандартных образцов сравнения
лекарственных средств, вновь синтезированных наркотических и допин-
говых веществ, новой продукции бытовой химии и других токсикантов.
1. Особенности химико-токсикологического анализа
при отравлениях
Главным требованием к ХТА является быстрое получение результа-
тов. Работа лаборатории должна быть круглосуточной, а расположение
должно обеспечивать незамедлительную доставку проб.
Объектами ХТА являются кровь, спинномозговая жидкость, моча,
рвотные массы, промывные воды желудка, а также связанные с отрав-
лением вещественные доказательства: лекарственные препараты, рас-
тительные объекты (например, маковая соломка), органические рас-
творители, средства бытовой химии, остатки пищи, неизвестные
жидкости и др.
В некоторых перечисленных объектах возможно низкое содержание
яда. Содержание некоторых сильнодействующих лекарственных средств
(например, клофелина, резерпина, сердечных гликозидов) в организме
пострадавшего может быть ниже предела обнаружения. Для их опреде-
ления требуются специальные методы выделения (изолирования) и вы-
сокочувствительные физико-химические экспресс-методы анализа.
Современные методы ХТА являются объективной основой правильного
клинического диагноза, позволяют контролировать выведение токсич-
ных веществ из организма в процессе детоксикации (мониторирование
лечения).
Надежность получаемых результатов зависит от момента взятия био-
пробы. Для токсикантов разной химической природы существует опре-
деленный временной интервал между отравлением и отбором пробы,
что связано с механизмами поступления, распределения, а также пери-
одом полувыведения токсиканта (см. ч. 2).
164 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Кроме того, при проведении ХТА следует принимать во внимание:
• характер отравления (острое или хроническое);
• количество принятого яда и массу тела (доза на единицу массы);
• биодоступность токсиканта и его связывание с белками;
• синергизм/антагонизм действия с другими химическими вещест-
вами;
• пол пострадавшего;
• состояние здоровья (сопутствующие заболевания).
Пренебрежение любым из перечисленных факторов может стать
причиной ошибки анализа и привести к ложноотрицательному или
ложноположительному результату. Получение ложноотрицательного
результата возможно при малой дозе токсиканта, неправильном хране-
нии биопробы, отсутствии токсикокинетических характеристик,
умышленном разбавлении пробы или ее подмене. Ложноположитель-
ный результат может быть получен, например, при обнаружении в био-
пробе лекарств, не являющихся причиной отравления и применявших-
ся пострадавшим перед отравлением. В целом достоверность
отрицательных заключений составляет около 70%, а достоверность по-
ложительных заключений превышает 90%.
Например, при определении опиатов (методы ГХ/МС и поляризаци-
онного флуороиммуноанализа — ПФИА) в 730 образцах мочи наркома-
нов, находящихся на лечении в одной из городских наркологических
больниц, из 437 положительных анализов 7 оказались ложноположитель-
ными (1,6%), а из 273 отрицательных ошибочными оказались 13 (4,8%).
В химико-токсикологической лаборатории ведется журнал регистра-
ции анализов. Это юридический документ. Журнал должен быть прош-
нурован и содержать пронумерованные страницы. В журнал вносят:
• название отделения, дату, номер анализа, фамилию и инициалы
пострадавшего, номер истории болезни, диагноз (предварительный и
окончательный);
• объект исследования (кровь, моча, волосы);
• время отбора и доставки биологической пробы;
• выбранный метод исследования и результат проведенного анализа.
Регистрацию завершает подпись специалиста клинической лабора-
тории, выполнявшего анализ.
Для быстрого лабораторного определения природы токсиканта необ-
ходим первичный клинический диагноз отравления, на основании кото-
рого можно провести направленный анализ биожидкости. Ненаправленный
лабораторный поиск токсиканта с последовательным определением в
биологическом материале веществ разных классов (например, барбитура-
Глава 1. Ф Методология химико-токсикологического анализа О 165
тов, фенотиазинов, хлорированных углеводородов, опиатов и др.) занима-
ет много времени, поэтому результат анализа может потерять свое клини-
ческое значение. Чаше всего поступающие для исследования материалы
не содержат указаний на направление поиска. В сопроводительных доку-
ментах, как правило, пишут: «Отравление токсикантом неизвестной при-
роды». В таком случае требуется проведение ненаправленного ХТА.
Схема ХТА обычно следующая. На догоспитальном этапе бригада
скорой помощи проводит сбор вещественных доказательств отравления
(остатки лекарственных препаратов — порошки, таблетки, ампулы, по-
дозрительные жидкости, остатки пищи). Для транспортировки жидко-
сти переливают в чистую емкость и тщательно закупоривают.
Для проведения ХТА у живых лиц берут пробы мочи и промывных
вод желудка при отравлении нераспознанным ядом (первая порция 200
мл). Жидкости наливают в чистую сухую посуду, которую закупоривают
пробкой. На посуду наклеивают этикетку с указанием даты отбора про-
бы, фамилии, имени, отчества пострадавшего, номера истории болезни.
Кровь объемом 10 мл отбирают в чистый сухой флакон, содержащий
2—4 капли антикоагулянта (гепарина, цитрата натрия). Флакон закры-
вают пробкой, содержимое флакона перемешивают и пробу маркируют.
При взятии пробы крови для исследования на содержание алкоголя
нельзя дезинфицировать поверхность кожи этанолом или органически-
ми растворителями. При хранении более 1 сут при комнатной темпера-
туре в крови образуется до 1 %о этанола.
Для замедления метаболических процессов отобранные пробы хра-
нят в холодильнике. Однако низкие температуры не всегда предотвра-
щают биотрансформацию ксенобиотиков, например при хранении
мочи здорового человека в холодильнике в ней образуется за сутки до
0,5 %о этанола, а при хранении мочи больного сахарным диабетом об-
разуется до 1,1 %о этанола. В воздушном слое над кровью или мочой во
флаконе возможно окисление этанола, что приводит к снижению его
содержания в анализируемом образце.
При подозрении на отравление веществами, имеющими очень корот-
кую токсикогенную фазу, например угарным газом, берут кровь из вены
в чистые флаконы из-под антибиотиков с резиновыми пробками, куда
заранее добавляют гепарин как антикоагулянт (1 капля на 5 мл крови).
При поступлении пострадавшего в стационар до начала инфузионной
терапии берут пробы крови и мочи. В стационаре врач-токсиколог на
основании клинических симптомов и результатов предварительных ис-
пытаний биожидкостей и вещественных доказательств определяет на-
правление поиска токсиканта.
166 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
При химико-токсикологическом исследовании сначала анализиру-
ют пробы мочи, осуществляя некоторые частные капельные химиче-
ские реакции, хроматографический скрининг щелочных, нейтральных
и кислых извлечений (при определении лекарственных токсикантов),
летучих веществ (при определении алкоголя и его суррогатов).
На начальном этапе ХТА изолируют токсичное вещество из биоло-
гического материала. Это достигается экстракцией органическими рас-
творителями при различных pH, реэкстракцией, дистилляцией, сорб-
Рис. 1. Общая схема изолирования и определения яда органической природы при
проведении химико-токсикологического анализа биоматериала.
Глава 1. О Методология химико токсикологического анализа 0 167
цией или минерализацией органической матрицы (при определении
металлических ядов).
Далее проводится качественное определение токсиканта химиче-
скими реакциями или инструментальными методами. При качествен-
ном обнаружении какой-либо группы веществ возможно их одновре-
менное количественное определение в той же пробе.
Независимо от природы яда общая схема изолирования его из био-
материала включает этапы подкисления/подщелачивания пробы, экс-
тракции в органический/водный растворитель, реэкстракции в вод-
ный/органический раствор при разных значениях pH (рис. 1).
Возможны изменение числа и последовательность стадий экстракции,
природы растворителей, оптимизация значений pH и выбора органиче-
ского растворителя. Особенности проведения ХТА при определении ал-
калоидов, лекарственных веществ и других токсикантов изложены в ме-
тодиках отечественных и зарубежных ученых.
Современное аналитическое оборудование химико-токсикологиче-
ской лаборатории и специфика объектов исследования требуют разносто-
ронней медико-биологической и физико-химической подготовки врача
клинической лабораторной диагностики или химика-аналитика. Как пра-
вило, для интерпретации результатов анализа и оперативного лечения от-
равления необходим тесный контакт специалиста, осуществляющего ана-
лиз, и врача-токсиколога. Например, химик-аналитик, не имеющий
специальной медико-биологической подготовки, может не знать, что
присутствие метгемоглобина или ацетона в крови иногда связано не толь-
ко с отравлением, но и с заболеванием, а отсутствие или обнаружение эта-
нола в крови может быть результатом неправильного хранения пробы.
Окончательный диагноз отравления ставит врач-токсиколог на основа-
нии результатов ХТА в комплексе с данными клинического обследования.
2. Особенности химико-токсикологического анализа
при проведении судебно-химической экспертизы
Рассмотрим кратко общие и частные вопросы, которые приходится
решать химику-токсикологу и врачу химического отделения при прове-
дении судебно-химической экспертизы. Основные действия сотрудни-
ков судебно-медицинской лаборатории регламентированы «Правилами
производства экспертизы вещественных доказательств в судебно-хими-
ческих отделениях...» (1996).
Цель судебно-химического анализа — обнаружение и определение
содержания вещества, вызвавшего отравление. Его результаты ис-
168 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
пользуются для установления факта покушения на жизнь или причи-
ны смерти.
Ежегодно в РФ в судебно-химических отделениях Бюро судебно-ме-
дицинской экспертизы выполняется около 80 000 экспертиз, 12% из
них составляют экспертизы живых лиц.
Большая доля экспертиз приходится на отравления этанолом (около
90%), угарным газом — оксидом углерода (II) (около 4%). Остальные 6%
токсикантов распределяются так: наркотические вещества — около 32%,
лекарственные вещества — около 30%, растворители и технические жид-
кости — примерно 28%, кислоты и щелочи — 4%, пестициды — 3%, «ме-
таллические» яды — 0,3%.
Среди наркотических веществ на первом месте по числу отравлений
находятся опиаты (77%), затем каннабиноиды (14%), производные ам-
фетамина (4%), кокаин (0,1%), остальное составляют прочие наркотики.
Среди отравлений лекарственными веществами бензодиазепины со-
ставляют 22%, снотворные препараты — 18%, фенотиазины — 6%, антиде-
прессанты — 5%. На остальные лекарственные средства (более 100 наиме-
нований) приходятся оставшиеся почти 50% экспертных определений.
При смертельных отравлениях необходимы патоморфологическая
судебно-медицинская диагностика и идентификация специфических
посмертных признаков отравления. Рассмотрим некоторые примеры
таких специфических признаков.
При смертельном отравлении цианидами отмечаются специфиче-
ский запах горького миндаля изо рта, при осмотре трупа — характерные
вишнево-красные трупные пятна. Вишнево-красный цвет имеют уш-
ные раковины, губы, лицо, а при вскрытии и внутренние органы, от ко-
торых также исходит запах горького миндаля.
При отравлении солями ртути поражаются преимущественно почки
и толстая кишка. В почках развивается острый нефроз («сулемовая поч-
ка»), изменения толстой кишки напоминают дизентерию («сулемовая
дизентерия»). В других внутренних органах, особенно в печени, миокар-
де, надпочечниках, также обнаруживаются более или менее выраженные
дистрофические изменения. Смерть при остром отравлении наступает
обычно через несколько суток после поступления яда в организм.
Важное судебно-медицинское значение имеют яды, вызывающие
первичные изменения в крови, определяющие всю картину отравле-
ния — гемоглобинотропные яды, превращающие гемоглобин в неак-
тивные формы: метгемоглобин и карбоксигемоглобин.
Метгемоглобин образуется при действии на кровь калия перхлората,
нитритов, нитросоединений (нитробензол, нитроглицерин), анилина и
Глава 1. 0 Методология химико- токсикологического анализа 0 169
его производных. Клинические проявления интоксикации наблюдают-
ся при 30% содержании метгемоглобина, смерть наступает при 50%. Со-
держание метгемоглобина определяют биохимическим и спектральным
методами. Яды, индуцирующие образование метгемоглобина, приводят
к окислению железа (II) в железо (III). Метгемоглобин придает крови,
органам и тканям буровато-коричневый цвет. Это стабильное соедине-
ние не способно к переносу кислорода.
Морфологические признаки отравления ядами, способствующими
образованию метгемоглобина, — интенсивные буровато-красные труп-
ные пятна. В крупных сосудах и полостях кровь темно-красная, на воз-
духе становится коричневой.
Карбоксигемоглобин образуется в результате взаимодействия гемо-
глобина с оксидом углерода во вдыхаемом воздухе, образующимся
вследствие неполного сгорания углеродсодержащих веществ. Причи-
ной смерти при отравлении оксидом углерода является острая гемиче-
ская гипоксия. Средняя физиологическая норма содержания карбокси-
гемоглобина в крови до 5%, но у некоторых людей (например, у
курильщиков) концентрация карбоксигемоглобина в крови может уве-
личиваться до 10—16%. Развитие гемической гипоксии связано с тем,
что оксид углерода обладает высоким сродством к железу гемоглобина.
Константа равновесия образования комплекса НЬ • СО в 300 раз выше,
чем НЬ • Оз- Вследствие конкурирующего комплексообразования угар-
ный газ замещает кислород гемоглобина, образуя карбоксигемоглобин.
Тяжесть отравления определяется степенью насыщения крови карбок-
сигемоглобином. Смерть возможна при связывании 60% гемоглобина
крови и более. При легочных и сердечно-сосудистых заболеваниях, ал-
когольной интоксикации смерть может наступить при меньшем содер-
жании карбоксигемоглобина.
При смертельном отравлении оксидом углерода (И) кровь, ткани и
трупные пятна ярко-розовые. Морфологические изменения при отрав-
лениях оксидом углерода (И) — неспецифическая дистрофия. На инто-
ксикацию указывает присутствие в крови трупа карбоксигемоглобина, а
в мышцах — карбоксимиоглобина. Карбоксигемоглобин придает кож-
ным покровам и видимым слизистым оболочкам трупа ярко-розовый
или малиновый цвет. Трупные пятна разлитые, обильные, с четкими гра-
ницами, также ярко-розовые.
Приведенные примеры демонстрируют многогранность судебно-хи-
мических исследований. Многообразие ядов, возможная загрязненность
биопробы, видоизменение токсического агента и биологического объек-
та (вторичный метаболизм) и другие факторы определяют особенности
170 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
судебно-химических исследований. Необходимость проведения экспер-
тизы обосновывает следователь в постановлении органов дознания.
В постановлении о проведении судебно-химической экспертизы
указывают фамилию эксперта или наименование учреждения, в кото-
ром должна быть произведена экспертиза, формулируют вопросы, по-
ставленные перед экспертом, и перечисляют материалы, предоставляе-
мые в его распоряжение. Следователь обязан ознакомить обвиняемого
с постановлением о назначении экспертизы, после чего составляется
протокол, подписываемый обвиняемым и следователем.
Таким образом, основанием для производства судебно-химической
экспертизы внутренних органов, тканей и биологических жидкостей
трупов является письменное постановление следователя (или судебно-
следственных органов) или направление судмедэксперта. Экспертизу
биологических жидкостей, выделений человека, смывов с поверхностей
кожи при подозрении на отравление или немедицинское потребление
наркотических и других токсичных средств производят в Бюро судебно-
медицинской экспертизы также по направлению врача.
На экспертизу вместе с вещественными доказательствами направ-
ляют постановление органов дознания или следствия о назначении экс-
пертизы; выписку из акта судебно-медицинского исследования трупа;
копию карты стационарного больного. При повторных экспертизах на-
правляют заверенную копию первичного «Акта судебно-химического
исследования» (или заключения эксперта).
Эксперт судебно-химического отделения знакомится со всеми со-
проводительными документами и характеристиками поступивших объе-
ктов; все данные о вещественных доказательствах регистрирует в регист-
рационном и рабочем журналах. Экспертизу от начала до конца должен
производить один эксперт. Если экспертиза или химико-токсикологиче-
ское исследование производится несколькими специалистами, это
должно быть зафиксировано в акте судебно-химической экспертизы.
Перед началом экспертизы составляют план, в котором указывают
метод исследования, методики определения яда и регламентируют рас-
ход анализируемого материала. Экспертиза ведется в установленные
«Правилами» сроки, т.е. в течение 30 сут. По результатам экспертизы со-
ставляют документы (в 2 экземплярах): «Акт судебно-химического ис-
следования» (если материалы на экспертизу направлял судебно-меди-
цинский эксперт) или «Заключение эксперта» (если экспертиза
проводилась на основании постановления органов дознания).
«Акт судебно-химической экспертизы» состоит из вводной части,
описания объектов исследования, исследовательской части и выводов.
Глава 1. О Методология химико- токсикологического анализа 0 171
Содержание заключения эксперта регламентируется Приказом № 407
Минздрава РФ 1998 г., а также ст. 57 УПК РФ. В ст. 57 УПК указано, что
следователь вправе присутствовать при производстве экспертизы. При
составлении заключения эксперта судебно-медицинский эксперт-хи-
мик расписывается в том, что в соответствии со ст. 307 УК РФ он несет
административную и уголовную ответственность за уклонение или от-
каз от проведения экспертизы или заведомо ложные результаты экс-
пертного исследования.
При подозрении, что смерть наступила при отравлении ядовитым ве-
ществом, в судебно-медицинскую лабораторию направляют комплекс
внутренних органов. Это желудок с содержимым, 1 м тонкой кишки из
наиболее измененных отделов, 1/3 печени, 1 почка, а также вся моча и не
менее 200 мл крови. При ингаляционном отравлении для анализа ис-
пользуют 1 легкое и ткани головного мозга. Каждый орган, кровь, мочу
помещают в отдельные чистые сухие стеклянные банки. Печень, голов-
ной мозг, все биожидкости следует также оставить на хранение для воз-
можного проведения дополнительных (проверочных) испытаний в слу-
чае необходимости (в спорных случаях). Судебно-химическая экспертиза
должна быть начата в день поступления объектов в лабораторию.
В судебно-химических отделениях вещественные доказательства
биологического происхождения (внутренние органы, части трупов, вы-
деления человеческого организма), подвергающиеся гниению, хранятся
в течение 1 года (п. 6.8 «Правил»). Эти биологические материалы могут
быть уничтожены раньше по письменному разрешению судебно-меди-
цинского эксперта или правоохранительных органов. При хранении
биообъектов в морозильной камере (—18 °C) сохраняемость и стабиль-
ность определяемых веществ значительно увеличиваются. Так, напри-
мер, опиаты и бензодиазепины могут быть определены в экспертном ма-
териале (печень) через 10 мес хранения в указанных условиях.
Для обнаружения токсикантов изъятие других органов и тканей из
трупа, включая и ткань головного мозга, не является обязательным. Они
могут быть изъяты по распоряжению эксперта как дополнительные. На-
пример, при подозрении на отравление летучими хлорорганическими
растворителями (хлороформ, четыреххлористый углерод, дихлорэтан) и
хлорорганическими пестицидами дополнительно для судебно-химиче-
ского исследования изымают сальник и 1/3 головного мозга.
При консервации биологического материала, изъятого из трупа для
производства судебно-химического исследования, следует применять
этиловый спирт. Объекты исследования консервируют только при подо-
зрении на отравление сердечными гликозидами, производными феноти-
172 0 Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
азина, фосфорорганическими пестицидами, алкалоидами и трицикличе-
скими антидепрессантами. Уровень спирта-ректификата, используемого
для консервации, должен превышать уровень внутренних органов в бан-
ках для хранения не менее чем на 1 см. Одновременно в судебно-химиче-
ское отделение направляют контрольную пробу спирта (около 300 мл),
взятую из той же тары, что и для консервирования (п. 11.1.11 «Правил»).
Для установления количества и времени приема алкоголя погибшим
необходимо направить на судебно-химическое исследование кровь, мочу,
спинномозговую жидкость и содержимое желудка. Кровь берут шприцем
из бедренной вены трупа, спинномозговую жидкость — при люмбальной
пункции. Для оценки количества алкоголя в организме необходимо опре-
делить массу трупа. Следует помнить, что фаза резорбции длится от 1 до 3
ч, а примерно через 1 ч после приема алкоголь равномерно распределяет-
ся по всему организму. После полного всасывания из желудка и кишечни-
ка содержание алкоголя в крови снижается, а в моче повышается. Паде-
ние концентрации алкоголя в крови в течение 1 ч в среднем равно 0,15 %о.
При подозрении на отравление одно- или двухатомными спиртами
следует иметь в виду, что механизм токсического действия метанола на
организм человека связан с угнетением ЦНС, развитием тяжелого мета-
болического ацидоза, поражением сетчатки глаза и дистрофией зри-
тельного нерва. При подозрении на отравление этиленгликолем на су-
дебно-химическое исследование направляют мочу, при отсутствии
мочи — стенку мочевого пузыря.
Активность холинэстеразы в трупной крови сохраняется в течение 3
сут после смерти. Этот показатель свидетельствует о том, что причиной
смертельного отравления является прием необратимых ингибиторов
холинэстеразы. Все фосфорорганические пестициды ингибируют хо-
линэстеразу, что используется при диагностике отравлений. Однако
аналогичным свойством обладают и другие химические соединения
(например, некоторые лекарственные средства — прозерин, физостиг-
мин и др.).
Амфетамин, барбитураты длительного действия, тяжелые металлы,
бромиды и некоторые другие токсиканты не подвергаются изменению в
биоматериалах при длительном хранении.
Для судебно-химической экспертизы расходуют 1 /3 анализируемо-
го объекта для качественного обнаружения яда, 1/3 для проведения
количественного анализа экспертом-химиком. Последняя треть объе-
кта должна быть возвращена в учреждение, направившее материал на
судебно-химическое исследование, или храниться в Бюро судебно-
медицинской экспертизы для использования при повторных исследо-
Глава 1. О Методология химико-токсикологического анализа 0173
ваниях по заданию правоохранительных органов или судебно-меди-
цинского эксперта.
В последнее время расширяется круг биообъектов для анализа на
наркотические средства. Часто исследуют «нетрадиционные» объекты —
волосы, ногти, пот, слюну, синовиальную жидкость.
Отдельные детали пробоподготовки (включающей извлечение, очи-
стку и концентрирование определяемого токсичного вещества) и ана-
лиза биологических объектов при отравлениях и судебно-химических
исследованиях рассмотрены в ч. 4, посвященной частным вопросам то-
ксикологической химии.
Независимо от целей обязательны следующие этапы химико-токси-
кологического исследования:
• отбор проб;
• предварительные испытания;
• подготовка пробы к анализу (пробоподготовка);
• собственно анализ и обработка результатов анализа.
Поскольку состав биологических жидкостей человека меняется во
времени, а трупный материал подвергается вторичному (посмертному)
метаболизму, отбор проб невозможно повторить ни для живых лиц, ни
для трупа. В связи с этим необходимо обеспечить условия для минималь-
ных потерь определяемых веществ в пробах, отобранных для анализа.
3. Предварительные испытания анализируемой пробы
При осмотре вещественных доказательств отравления в первую оче-
редь следует отметить их внешний вид: агрегатное состояние (твердое,
жидкое, коллоидное), цвет, запах. При отравлении лекарственными
средствами это могут быть различные лекарственные формы — таблет-
ки, порошки, капсулы, настойки с соответствующей маркировкой, по-
зволяющей сузить круг определяемых веществ.
Предварительные испытания жидкости неизвестного состава. Жид-
кость, доставленную на исследование, сначала подвергают органолеп-
тическому анализу — определяют цвет и запах. Затем измеряют pH,
проверяют смешиваемость с водой, отмечая полярность и плотность. С
водой смешиваются низкомолекулярные одноатомные спирты (мета-
нол, этанол, пропанол), гликоли, эфиры этиленгликоля, ацетон. С во-
дой не смешиваются высшие спирты (с > 4); эфиры алифатических
спиртов и ароматические углеводороды (р < рн2о)! хлорированные уг-
леводороды (р > рн2о)- После фракционной перегонки измеряют пока-
затель преломления жидкости на рефрактометре, делая предваритель-
ное заключение о природе органического растворителя.
174 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Далее приступают к проведению качественных реакций. При ис-
пытаниях инъекционных растворов определению основного вещества
могут мешать вспомогательные вещества: пропиленгликоль, этилоле-
ат, бензилбензоат, фенол, крезол, хлорбутанол, бензиловый спирт, ци-
траты, ацетаты, фосфаты. Присутствие пропиленгликоля в вещест-
венных доказательствах может привести к ошибочному обнаружению
этиленгликоля.
Предварительные испытания порошка неизвестного состава. Для
идентификации порошка на первом этапе проводят органолептический
анализ и физико-химические испытания.
Сначала отмечают внешний вид доставленного на анализ образца,
степень его дисперсности, цвет, запах. Далее проверяют растворимость
образца в воде. Хорошо растворимы в воде некоторые соли, углеводы.
Определяют pH водного раствора порошка. Малорастворимые гидро-
ксиды растворимы в растворах кислот, твердые кислоты — в растворах
щелочей.
Далее определяют природу порошка: неорганические вещества при
внесении в пламя спиртовки на предварительно прокаленной платино-
вой петле не обугливаются. При прокаливании кислых и средних кар-
бонатов щелочных или щелочноземельных металлов масса остатка все-
гда меньше массы исходного образца. При растворении в воде продукта
прокаливания раствор имеет щелочную реакцию вследствие гидролиза
соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой.
Если порошок состоит из органических веществ, то наблюдаются
обугливание и сгорание с образованием СО2 и HjO (твердые углеводо-
роды), а также азота или SO2 (азот- или серусодержащие соединения).
Запах жженого сахара при прокаливании свидетельствует о присут-
ствии в пробе углеводов. Запах жженого волоса указывает на белковую
природу пробы. Аммиак выделяется при прокаливании аммонийных
солей или мочевины.
Далее проводят реакции подлинности капельным анализом или ме-
тодом тонкослойной хроматографии (ТСХ).
Предварительные испытания таблеток неизвестных лекарственных
средств. При подготовке неизвестных таблеток к проведению анализа
прежде всего пытаются выяснить по маркировке, к какому химическому
классу относится лекарственное вещество. Если это удается, то по реак-
циям на определенные функциональные группы подтверждают природу
ксенобиотика и проводят его количественное определение. При нали-
чии оболочки таблетку отмывают под струей воды, измельчают и раство-
ряют в метаноле или этаноле. Нерастворимые в спирте наполнители,
Глава 1. О Методология химико-токсикологического анализа О 175
входящие в состав таблетки, отделяют от раствора. Фильтрат используют
для проведения предварительных испытаний: хромогенных реакций
(цветных тестов), ТСХ, электронной спектрофотометрии.
Вспомогательные вещества, содержащиеся в таблетках, — консер-
ванты, стабилизаторы, наполнители — могут мешать определению ос-
новного вещества. При анализе таблеток можно обнаружить гипс, фос-
фаты, тальк, желатин, агар, салицилаты, маннитол.
Предварительные испытания объектов растительного происхождения,
грибов, насекомых и некоторых других объектов животного происхождения
проводят при консультации специалиста-фармакогноста. Перед хими-
ческим анализом объектов растительного происхождения проводят их
органолептическое исследование (запах, цвет). Например, маковая со-
ломка имеет цвет от серо-зеленого до серого, гашиш — от серо-зеленого
до коричневого. Обращают внимание на присутствие семян (мак, чили-
буха). Далее проводят экстракцию токсичных компонентов. Для этого
навеску растительного объекта массой около 1 г обрабатывают 10 мл
смеси этанола и хлороформа (1:2). Полученный экстракт нагревают на
водяной бане до начала кипения, фильтруют и исследуют, используя
хромогенные реакции (цветные тесты) или метод ТСХ.
Предварительные испытания тканей и жидкостей человека. Прежде
всего необходимо визуально установить, какие органы и ткани достав-
лены на анализ. При транспортировке биологического материала допу-
скается его консервирование этанолом. О способе консервирования
должно быть указано в акте судебно-медицинского исследования или
других сопроводительных документах. Недопустимо консервирование
биоматериала в формалине, глицерине, феноле и других растворителях.
При ошибочном использовании формальдегида становится невозмож-
ным обнаружение метанола, аналитические реакции которого основа-
ны на его окислении до формальдегида. Формальдегид вступает в реак-
ции присоединения с рядом токсичных веществ, например с аммиаком
NH3 и цианидом водорода HCN. Использование формалина в качестве
консерванта затрудняет судебно-химическое исследование этих и дру-
гих токсичных веществ, взаимодействующих с формальдегидом. Если
применены неправильно выбранные консерванты, составляют акт с
указанием их возможного влияния на результаты химического анализа.
Экземпляр акта представляется в организацию, направившую объекты
в лабораторию.
Внешний вид доставленных объектов может помочь в определении
природы токсиканта. Например, цвет содержимого желудка и мочи за-
висит от того, какой яд вызвал отравление (табл. 1,2).
176 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Таблица 1. ОКРАС КА СОДЕРЖИМОГО ЖЕЛУДКА ПРИ ОТРАВЛЕНИИ РАЗЛИЧНЫМИ ЯДАМИ
Токсикант Цвет содержимого желудка
МпО4' Пурпурный или розовый
Си2+ Голубой или зеленый
Ni2+ Зеленый
Со2+ Розовый
HNO3 Желтый
Пикриновая кислота Желтый
h Сине-бурый
H2SO4 КОНЦ. Вид кофейной гущи
НС1 Вид кофейной гущи
Щавелевая кислота Вид кофейной гущи
Таблица 2. ОКРАСКА МОЧИ ПРИ ОТРАВЛЕНИИ РАЗЛИЧНЫМИ ЯДАМИ
Токсиканты Цвет мочи
Производные пиразола Фенотиазин Ферроцерон Рифадин Фенол Метиленовый синий Фенацетин Производные нитрофурана Пикриновая кислота Красно-коричневый Красно-коричневый Красно-коричневый Красно-коричневый Сине-зеленый Сине-зеленый Желто-зелены й Желто-зеленый Желто-зеленый
По запаху мочи можно сделать предварительное заключение об от-
равлении скипидаром (запах фиалок) или изопропанолом (запах аце-
тона).
Далее проводят предварительные хромогенные реакции (цветные
тесты) с небольшим количеством мочи, используя белые пластинки или
Глава 1. О Методология химико-токсикологического анализа 0 177
тест-пробирки. Для уточнения окраски параллельно проводят реакцию
со стандартом (контроль). Для проведения тестов используют концент-
рированную азотную и серную кислоты или их смесь в объемном соот-
ношении 1:1, 3% раствор хлорида железа (III), реактив Марки (1 мл
H2SO4kohu, 1 капля 40% формалина) и реактив FPN (5 мл 5% раствора
FeClj, 45 мл 20% НСЮд, 50 мл 50% HNO3). Отрицательный результат
позволяет сузить круг поиска токсичного вещества.
Часть доставленной на анализ мочи подвергают экстракции органи-
ческим растворителем при разных значениях pH среды. Другую часть
мочи подвергают кислотному гидролизу, нагревая ее в течение 30 мин с
концентрированной соляной кислотой. После охлаждения смесь под-
щелачивают и проводят экстракцию токсичных веществ органически-
ми растворителями при различных pH. Например, щелочное извлече-
ние из мочи после гидролиза можно использовать для испытаний на
присутствие производных 1,4-бензодиазепина, морфина и кодеина.
Полученные при разных pH извлечения раздельно испаряют на ча-
совых стеклах. Сухие остатки на стеклах рассматривают визуально и под
микроскопом. Каждый из остатков исследуют методом ТСХ или ис-
пользуют спектрофотометрический метод анализа.
4. Пробоподготовка
При диагностике отравлений в судебно-химических исследованиях
преимущественно анализируют кровь (цельная, сыворотка или плаз-
ма), мочу, ткани различных органов. В крови и моче содержание опре-
деляемых токсичных веществ и их метаболитов может быть ниже преде-
ла обнаружения. В этих биожидкостях присутствуют фоновые
эндогенные соединения: белки, жиры, пептиды, аминокислоты, угле-
воды, стероиды, пигменты.
В большинстве случаев для идентификации ксенобиотика его необ-
ходимо изолировать (выделить) из биологического материала. Другими
словами, яд должен быть отделен от белков и липидов, с которыми он
может быть прочно связан по лигандорецепторному механизму. Изоли-
рование токсиканта обычно приводит к увеличению его концентрации
в пробе. Следовательно, под термином «изолирование» следует понимать
процесс выделения токсиканта из биоматериала, его очистку от эндоген-
ных веществ и концентрирование в анализируемой пробе.
При подготовке органов и тканей к анализу в первую очередь необ-
ходимо разрушить целостность тканей и клеточных структур. При этом
значительно повышается эффективность экстракции и концентрирова-
ния определяемого токсичного вещества.
178 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Образец можно измельчить с помощью ножниц до 0,5—2 см3; путем
растирания в ступке с песком, стеклом, солями; с помощью ножевых
гомогенизаторов или современных высокоскоростных турбин — ульт-
ратураксов. Возможна обработка биоматериала ультразвуком.
Лиофилизацию (обезвоживание) проводят с использованием обезво-
живающих веществ (№286)4, СаБОд) под вакуумом в эксикаторах или с
помошью лиофильных сушек (сублимационное высушивание заморо-
женного при температуре —5 15 °C материала в вакууме).
Удаление белков (депротеинирование) можно проводить обработкой
материала этанолом (абсолютным или 95 %) и другими органическими
растворителями (метанолом, ацетоном или ацетонитрилом), кислотами
(соляной, хлорной, трихлоруксусной, вольфрамовой и др.), солями
(вольфраматами, сульфатами, нитратами, фосфатами, хлоридами и
др.). После коагуляции белки отделяют фильтрованием или центрифу-
гированием. Фильтрат используют для анализа. Содержание белка в
плазме 6%, в тканях более 50%.
Липиды удаляют из образцов экстракцией органическими раствори-
телями в ходе изолирования определяемых веществ, хроматографиче-
скими методами (колоночной или тонкослойной хроматографией), се-
парационными методами, вымораживанием.
Таким образом, цель пробоподготовки — максимально возможное кон-
центрирование определяемых веществ и удаление фоновых веществ. Спо-
соб пробоподготовки зависит от природы объекта, химического класса оп-
ределяемого вещества, а также от используемого метода анализа. Результат
ХТА зависит от качества пробоподготовки. В пробе, подготовленной к ана-
лизу, токсикант должен находиться в форме, подходящей для его качест-
венного и количественного определения. Следует принимать во внимание,
что токсикант может быть подвержен биотрансформации. Образующиеся
метаболиты могут влиять на методики пробоподготовки и самого анализа.
Например, если с мочой выводятся вещества в виде эфиров (глюкурони-
дов), требуется проведение предварительной стадии гидролиза.
Как при отравлениях, так и при судебно-медицинской экспертизе
трупного материала для определения лекарственных, наркотических,
допинговых и других веществ органической природы хроматографиче-
скими методами для пробоподготовки обычно используют парофаз-
ную, жидкофазную или твердофазную экстракцию.
Для определения неорганических ядов при пробоподговке применя-
ют минерализацию органической матрицы.
Парофазная экстракция. Для анализа веществ с низкими темпера-
турами кипения, так называемых летучих токсикантов (в основном
Глава 1. О Методология химико-токсикологического анализа Ф 179
органических растворителей), используется газожидкостная хромато-
графия (ГЖХ) в газовой фазе. Для анализа отбирают газовую фазу (па-
ры) летучего токсичного соединения. В ряде случаев токсичные веще-
ства предварительно переводят в газовую фазу, например спирты с
высокой молекулярной массой дериватизируют в летучие эфиры, на-
ходящиеся в газовой фазе при нормальной температуре, и анализиру-
ют методом ГЖХ.
Жидкофазная экстракция в системе жидкость — жидкость остается
самым распространенным приемом выделения лекарственных, нарко-
тических и допинговых средств из биообъектов. В основе лежит распре-
деление вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами,
которое зависит от природы исследуемого вещества, природы жидких
фаз, значений pH, внешних факторов (температуры, техники переме-
шивания и т.п.). Как правило, используют последовательную экстрак-
цию хлороформом, эфиром или другими растворителями при различ-
ных значениях pH пробы. Полученные экстракты концентрируют,
удаляя избыток растворителя, повышая таким образом концентрацию
определяемого вещества в пробе. Далее для анализа используют хрома-
тографические или иммунохимические методы. В ряде случаев образцы
предварительно хроматографически очищают.
Твердофазная экстракция. В основе твердофазной экстракции ле-
жит адсорбция компонентов пробы на твердом сорбенте с последую-
щим фракционным элюированием соответствующими растворителя-
ми или их смесями. По сути это вариант микроколоночной
препаративной жидкостной хроматографии. В качестве сорбентов в
зависимости от исследуемого вещества можно использовать нейтраль-
ные макропористые сорбенты типа Полисорб, ионообменные смолы,
модифицированные силикагели с привитой фазой (рис. 2). Выпуска-
ют патроны для твердофазной сорбции, на которых можно разделять
вещества даже с одинаковыми физико-химическими свойствами, но с
различной пространственной структурой — энантиомеры (оптические
изомеры). Полученные элюаты упаривают и анализируют выбранным
методом.
Для экспресс-методов, таких как иммунологические и хромогенные
(цветные) реакции, не требуется сложной пробоподготовки. Зачастую
она сводится к разбавлению образца или центрифугированию для уда-
ления крупных частиц. Чаще всего очистка пробы включена в аналити-
ческий процесс и имеет вид твердофазной сорбции.
Минерализация биоматериалов лежит в основе пробоподготовки био-
логических образцов для определения токсикантов неорганической
180 О Часть 3. О Аналитическая токсикология
Амилозные нормально-фазные колонки
Краун-эфирные хиральные HPLC колонки
Рис. 2. Современные типы адсорбентов ксенобиотиков
для разделения и определения энантиомеров.
Целлюлозные нормально-фазные колонки
природы (тяжелые металлы, мышьяк, сурьма, селен, теллур и другие
р- и d- элементы) (см. ч. 4 гл. 5).
Для хранения пробы ее замораживают в жидком азоте или в моро-
зильной камере холодильника. Перед началом анализа пробы высуши-
вают до постоянной массы в лиофильных сушках (не размораживая об-
разцы) или в сушильном шкафу при температуре не выше 35—45 °C.
Методика пробоподготовки образцов для элементного анализа: 0,1 г высу-
шенных или влажных образцов инкубируют в царской водке (2—6 мл) в те-
чение 1 сут в тефлоновых бомбах. Далее минерализацию образцов прово-
дят под давлением в специализированных микроволновых печах. Пример
режима для микроволновой печи MDS: 2 мин 20 с при 80% мощности,
5 мин при 100% мощности. Во всех опытах параллельно ведут обработку и
последующий анализ как минимум 3 проб. Следует избегать ранее широко
применявшихся методов мокрого озоления в кислотах-окислителях или
сжигания пробы в открытых системах, так как при этом происходят некон-
тролируемые потери элементов. Единственной заменой пробоподготовки
в микроволновых печах является метод минерализации в автоклавах.
Общая схема пробоподготовки биоматериала для анализа заключается в
следующем (см. рис. 1). При использовании современных методов опре-
деления токсичных веществ достаточна проба биоматериала массой 5—
15 г. На аликвоту жидкого биоматериала (кровь, моча) воздействуют реа-
гентом, вызывающим осаждение белков. Пробу ткани точной массы
Глава 1. О Методология химико-токсикологического анализа 0 181
желательно предварительно высушить и обескровить. Затем пробу гомо-
генизируют с водой или буферным раствором. После отделения жидкой
фазы (фильтрование или центрифугирование) к точному ее объему также
добавляют реагент д ля осаждения белков. Затем проводят вторичную экс-
тракцию различными органическими растворителями при pH 1,0—14,0,
извлекая незаряженные формы кислот, оснований или амфолитов. Пробу
концентрируют жидкостной или твердофазной экстракцией. Токсичное
вещество обнаруживают иммунохимическими тестами, методами газовой
хроматографии, ТСХ (для летучих соединений с одновременной парофаз-
ной экстракцией), спектрофотометрии, высокоэффективной жидкостной
хроматографии с хроматомасс-спектрометрией (ВЭЖХ/МС).
В качестве примера можно привести пробоподготовку свежего труп-
ного материала, не подвергнутого путрификации (гниению), — печени,
почек, крови, мочи — после отравления 1,4-бензодиазепинами (диазе-
пам), опиатами (морфин), барбитуратами (фенобарбитал). Для первич-
ного изолирования этих полярных соединений используют воду, в кото-
рой мало растворимы липиды и эндогенные флурофоры, мешающие
определению на заключительной стадии ПФИА. Время экстракции око-
ло 30 мин. Массовое соотношение биоматериал.экстрагент равно 1:9. По
мере снижения основности вещества (морфин > фенобарбитал > диазе-
пам) увеличивают pH пробы. Степень экстракции максимальна для мор-
фина при pH 1,0, для фенобарбитала при pH 4,2, для диазепама при pH
7,4. Однако при pH >1,0 происходит заметная экстракция фоновых ве-
ществ, мешающих дальнейшему анализу. Оптимальным оказалось при-
менение водного раствора трихлоруксусной кислоты pH 1,0. Кислота
обеспечивала экстракцию веществ основной природы и способствовала
коагуляции белков, которые легко отделялись центрифугированием.
Методика жидкофазной экстракции морфина, фенобарбитала, диазе-
пама из печени трупа (с последующим ПФИА). В полиэтиленовые цен-
трифужные стаканы вместимостью 100 мл помещают 5 г измельченной
ткани печени. К содержимому добавляют по 45 мл 6% трихлоруксуной
кислоты pH 1,0. Экстракцию проводят в течение 30 мин при постоян-
ном перемешивании. После центрифугирования (6000 об/мин в тече-
ние 10 мин) надосадочную жидкость переносят в мерную колбу на 50
мл, добавляют для нейтрализации (pH 6,0 — 7,0) небольшими порция-
ми во избежание ценообразования 22% раствор карбоната натрия. При
этом степень извлечения составляет от 50 до 80%.
При анализе «нетрадиционных» биологических объектов — волос и
ногтей — методика пробоподготовки мало отличается от таковой при
работе с другими биологическими объектами.
182 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
Методика пробоподготовки волос и ногтей для анализа методом ПФИА
при определении опиатов. Волосы и ногти для удаления внешних загряз-
нений отмывают 2 М раствором соляной кислоты и метанолом. Затем
образец массой 40 мкг измельчают, заливают I мл метанола и обрабаты-
вают ультразвуком в течение 1 ч. Экстракт декантируют. Образец про-
мывают 1 мл метанола и объединяют метанольные экстракты. Экстракт
упаривают досуха. Сухие экстракты растворяют в 50 мкл ацетонитрила
на ультразвуковой бане в течение 5 мин, затем добавляют 150 мкл фос-
фатного буфера pH 7,4 и повторяют обработку ультразвуком в течение 5
мин. Полученный раствор после разведения используют для анализа.
Таким образом, при клинико-токсикологическом или судебно-хи-
мическом исследовании биологического материала на присутствие ле-
карственных средств, наркотических и одурманивающих веществ, а
также других химических соединений органической природы пробо-
подготовка образца для анализа включает выделение (чаще всего экс-
тракцией), очистку от сопутствующих эндогенных веществ и концент-
рирование определяемых веществ в анализируемой пробе.
ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ
В настоящей главе рассматриваются современные физико-химиче-
ские методы, используемые в ХТА: разные виды хроматографии, масс-
спектрометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмис-
сионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и
иммунохимические методы. Независимо от того, какой из перечислен-
ных методов используется в клинико-токсикологических или судебно-
химических исследованиях, выполнение анализа строго подчиняется
современным метрологическим требованиям.
1. Основы метрологии
Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспе-
чения их единства и требуемой точности измерения. Измерение, в том
числе определение химического состава вещества, является одним из
основных понятий метрологии. Каждый результат анализа (как и любо-
го измерения) имеет случайную (неопределенную) и систематическую
(определенную) погрешности.
Случайные погрешности имеют вероятностную природу, их нельзя
устранить, так как в каждом физическом измерении допускается неточ-
Глава 2. О Современные методы анализа... О 183
ность. При расчетах используется среднее нескольких параллельных
определений. Случайную погрешность вычисляют с использованием
положений теории вероятности и выражают через среднеквадратичное
или стандартное отклонение S (или о), а также через относительное
стандартное отклонение Sr (или ог)
S =
" (X-Xj)2
п=1 n-1
S
Sr~x~
где X — среднее значение результатов анализа; Xj — единичное значение
результата анализа; п — число параллельных определений.
Систематическая погрешность характеризует правильность анализа,
чем она ближе к нулю, тем выше правильность. Причинами системати-
ческих погрешностей могут быть недостатки метода анализа, неисправ-
ность прибора или ошибки оператора.
Чаще всего для оценки систематической погрешности применяют
следующие методы.
Метод добавок — это анализ проб исследуемого вещества с добавками
известных количеств определяемого компонента в соответствующей хи-
мической и физической форме. Если найденное содержание определяе-
мого элемента в пределах погрешности методики равно количеству этого
элемента в добавке, то можно считать, что систематическая погрешность
существенно меньше случайной и анализ выполнен правильно.
Метод кругового анализа — это анализ одного и того же вещества раз-
личными методами. Например, если результаты определения какого-то
компонента методами атомно-эмиссионного, рентгеноспектрального и
полярографического анализа оказываются равнозначными в пределах
случайной погрешности, то их можно считать правильными, так как ве-
роятность появления одних и тех же систематических погрешностей
при анализе различными методами очень мала.
Метод стандартных образцов состава использует государственные
стандартные образцы (ГСО), отраслевые стандартные образцы (ОСО),
стандартные образцы предприятий (СОП). Стандартные образцы счита-
ют адекватными анализируемому веществу, если их различие в химиче-
ском составе и физических свойствах не приводит к различию аналити-
ческих сигналов (результатов прямых измерений) при одинаковом
содержании определяемого компонента в образце и веществе. Контроль
правильности по стандартным образцам является основным при анали-
зе органических веществ и биологических объектов. Вместе с тем иногда
не удается воспользоваться этим способом контроля правильности. Это
184 О Часть 3. О Аналитическая токсикология
связано с отсутствием или высокой стоимостью стандартных образцов
состава анализируемого материала, трудностью изготовления однород-
ного материала, сложностями аттестации стандартных образцов.
Для получения надежных и достоверных результатов анализа во всех
случаях необходимо оценивать его точность и правильность.
В соответствии с требованиями Международной организации по
стандартизации (ИСО) и ГОСТ Р ИСО 5725 «Точность (правильность и
прецизионность) методов и результатов измерений» при выполнении
анализа проводится контроль повторяемости, внутрилабораторной
прецизионности, воспроизводимости и правильности.
Повторяемость — степень близости друг к другу независимых результа-
тов единичного анализа, полученных по одной и той же методике, на од-
них и тех же пробах, в одинаковых условиях и практически одновременно.
При контроле повторяемости (сходимости) абсолютное значение
разности результатов параллельных определений, регламентированных
методикой анализа, не должно превышать предела повторяемости (схо-
димости) г, приведенного в методике (ранее он назывался нормативом
сходимости), т.е. должно выполняться условие:
I \nax Xmjn | < Г
Если указанное условие не выполняется, анализ повторяют. Далее по-
ступают следующим образом. Среди прежних и вновь полученных резуль-
татов анализа (их общее число равно п) находят максимальное и мини-
мальное значение и снова оценивают абсолютное значение их разности.
Оно не должно превышать значения критического диапазона CRq55(H),
который рассчитывается при доверительной вероятности 0,95 с помощью
коэффициентов критического диапазона и предела повторяемости, при-
веденного в методике анализа, т.е. должно выполняться условие:
I Xmax Xmjn | < CRo,95(n)
Если данное условие выполняется, то за результат анализа принима-
ют среднее арифметическое значение всех полученных результатов па-
раллельных определений. Если оно не выполняется, то анализ повторя-
ют, рассчитывают новый критический диапазон и оценивают все
полученные результаты параллельных определений.
Внутрилабораторная прецизионность — степень близости друг к другу
независимых результатов анализа, полученных по одной и той же мето-
дике, на одних и тех же пробах, но в различных условиях (разное время,
разные операторы, разные реактивы).
При контроле внутрилабораторной прецизионности абсолютное
значение разности двух результатов анализа одной и той же пробы не
должно превышать предела промежуточной внутрилабораторной пре-
Глава 2. О Современные методы анализа... О 185
цизионности 1(ТО), приведенной в методике анализа (прежний норма-
тив воспроизводимости ), т.е. должно выполняться условие:
| X] —Х21 < 1(ТО),
где Т — различия, обусловленные периодом времени; О — различия,
обусловленные сменой оператора.
Если указанное условие не выполняется, анализ повторяют. Среди всех
полученных результатов анализа (п) находят максимальный и минималь-
ный и оценивают абсолютное значение их разности. Оно не должно превы-
шать предела критического диапазона CRq ^b), рассчитанного с помощью
коэффициента критического диапазона и предела воспроизводимости, ука-
занного в методике анализа, т.е. должно выполняться условие:
I ^тах ^min I < ^-^0,95(п)
Если данное условие выполняется, то за результат анализа принимают
среднее арифметическое значение всех полученных результатов анализа.
Если оно не выполняется, то анализ повторяют, рассчитывают новый
критический диапазон и оценивают все полученные результаты анализа.
Воспроизводимость — степень близости друг к другу независимых ре-
зультатов анализа, полученных по одной и той же методике, на одних и тех
же пробах, но в различных условиях (разное время, разные операторы, раз-
ные партии реактивов одного типа, разные наборы мерной посуды, разные
экземпляры средств измерений одного типа, разные лаборатории).
При контроле воспроизводимости абсолютное значение разности
двух результатов анализа одной и той же пробы, полученных в условиях
воспроизводимости, не должно превышать предела воспроизводимости
R, приведенного в методике анализа.
Правильность — степень близости среднего значения из серии ре-
зультатов единичного анализа X к истинному (аттестованному или
опорному) значению Хат. Контроль правильности проводят путем ана-
лиза контрольных образцов (ГСО, СОП) или при их отсутствии рабочих
проб с установленным опорным значением. При этом абсолютное зна-
чение разности результата анализа контрольного образца X и принято-
го опорного (аттестованного) значения Хат не должно превышать кри-
тического значения К, т.е. должно выполняться условие:
|Х-Хат|<К
Значения норматива К рассчитывают по формуле:
К = уА2дт + А2,
где Ддт — погрешность опорного (аттестованного ) значения; А — гра-
ница интервала погрешности анализа, приведенная в методике анализа.
186 Ф Часть 3. О Аналитическая токсикология
Точность — степень близости результата анализа к истинному значению.
Наряду с оценкой правильности и воспроизводимости большую
роль в анализе веществ имеет понятие предела обнаружения.
Предел обнаружения — это минимальное содержание искомого ком-
понента, которое может быть определено данным методом с довери-
тельной вероятностью 0,95 или 0,99. Это значит, что в 95 или в 99 случа-
ях из 100 измерительный сигнал соответствует определяемому элементу
и не является ложным. Обычно предел обнаружения устанавливается на
основе контрольного (холостого) опыта, который полностью повторяет
ход анализа реальной пробы.
Предел обнаружения (С) рассчитывают по формуле:
С = х + ks ,
где х— среднее значение поправки контрольного (холостого) опыта; s —
стандартное отклонение результатов определения этой поправки; к —
константа (для указанных выше вероятностей к=2-^-3).
2. Хроматографические методы определения токсичных веществ
В современных химико-токсикологических исследованиях наиболее
часто применяют различные типы хроматографических методов: тон-
кослойную хроматографию (ТСХ), высокоэффективную жидкостную
хроматографию (ВЭЖХ), газовую хроматографию (ГХ).
2.1. Физико-химические основы хроматографии
Хроматографией называется разделение веществ, основанное на рас-
пределении компонентов смеси между неподвижной (стационарной) и
подвижной (мобильной) фазами.
Молекулы разделяемых веществ диффундируют через поверхность
раздела фаз и в зависимости от химической природы удерживаются той
или иной фазой по-разному. При продвижении компонентов смеси в
разделяющей среде диффузия между фазами осуществляется много-
кратно, причем каждый раз достигается небольшое разделение. Чем вы-
ше эффект разделения, тем точнее конечный результат анализа.
Хроматографию сравнивают с ректификацией и пользуются поняти-
ем «теоретическая тарелка». Однако если для оценки эффективности
ректификационной колонки используют понятие «число теоретических
тарелок», то в хроматографии для оценки эффективности системы при-
меняют понятие «высота, эквивалентная теоретической тарелке»
(ВЭТТ). ВЭТТ соответствует расстоянию между двумя соседними тео-
ретическими тарелками. Лабораторные установки для ректификации
имеют обычно 10—100 теоретических тарелок.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 187
Таблица 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ ПОДВИЖНОЙ И НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗ
Неподвижная фаза Подвижная фаза
ЖИДКОСТЬ газ
Твердая Твердожидкостная хроматография (ТЖХ) (адсорбционная, ионообменная, аффинная) Газоадсорбционная хроматография (ГАХ)
Жидкая Жидкожидкостная хроматография (ЖЖХ) (распределительная) Газожидкостная хроматография (ГЖХ) (распределительная)
В ТСХ — наиболее простом варианте хроматографии используют
хроматографические пластинки эффективностью несколько тысяч тео-
ретических тарелок. Современная хроматография (в частности ВЭЖХ)
располагает высококачественными сорбентами (см. гл. 1, ч. 3), позволя-
ющими готовить хроматографические колонки эффективностью не-
сколько десятков тысяч теоретических тарелок.
В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают
жидкостную и газовую хроматографию (табл. 1).
В основе газовой хроматографии лежат процессы распределения и
адсорбции. Свойства подвижной фазы (газа-носителя) имеют второсте-
пенное значение для процесса разделения.
В ТЖХ и ЖЖХ процесс разделения в значительной степени опреде-
ляется составом подвижной фазы. В качестве подвижной фазы исполь-
зуется множество веществ, поэтому для каждого специального случая
можно подобрать подходящую систему разделения. ГЖХ применяют
главным образом для аналитических целей, а жидкостную хроматогра-
фию чаще используют для препаративных целей.
2.2. Тонкослойная и бумажная хроматография
Методы тонкослойной и бумажной хроматографии (ТСХ и БХ) ос-
нованы на различии скоростей перемещения компонентов анализируе-
мой смеси в плоском тонком слое сорбента при движении растворите-
ля (элюента). Растворитель перемещается под действием капиллярных
или гравитационных сил. Разница между этими методами заключается
лишь в способе формирования рабочего слоя. В ТСХ слой сорбента на-
носят на поддерживающую подложку (пластинку, пленку). В БХ роль
рабочего слоя играет лист специальной бумаги для хроматографии.
188 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Преимущество ТСХ заключается в том, что при небольших затратах
можно быстро и эффективно разделять различные смеси. Пластинки
для хроматографии производятся промышленным способом.
Разделение в ТСХ осуществляется вследствие многократного пересече-
ния молекулами веществ границы фаз твердая — жидкая или жидкая —
жидкая, т.е. вследствие многократного распределения вещества между
подвижной и неподвижной фазами (рис. 1). Неподвижной фазой служит
либо сухой сорбент (адсорбционная хроматография), либо сорбент, по-
крытый жидкой фазой (распределительная хроматография). Систему рас-
творителей подбирают в соответст вии со свойствами разделяемых веществ.
Полярные вещества следует разделять в полярных растворителях, ма-
лополярные — в менее полярных или неполярных растворителях. В раз-
личных системах растворителей вещества обладают различной подвиж-
ностью. Количественно подвижность выражается величиной Rf —
фактором удерживания, равным отношению расстояний от стартовой
точки до середины пятна вещества (1) и от стартовой точки до линии
фронта растворителя (L). Значение Rf практически не зависит от дли-
тельности проявления, но зависит от множества других факторов (в том
числе и от влажности воздуха) и. следовательно, представляет собой
лишь предварительную ориентировочную характеристику.
Большинство химических соединений бесцветно, и для их обнару-
жения на пластинке используют различные физические и химические
методы. Многие ароматические соединения имеют собственную флуо-
ресценцию при 360 нм, при такой длине волны они обнаруживаются в
виде желтых флуоресцирующих пятен на темном фоне. Большинство
готовых ТСХ-пластинок содержит люминофоры; при облучении ульт-
Рис. 1. Пластинка ТСХ.
1—фронт растворителя; 2 — пятно целевого вещества; 3 — стартовая точка;
L — расстояние старт—фронт; I — расстояние старт—пятно целевого вещества.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 189
рафиолетовыми лучами с длиной волны 254 нм наблюдается равномер-
ное желто-зеленое свечение. Вещества, поглощающие свет в ультрафи-
олетовой области, обнаруживаются в виде темных пятен на светлом фо-
не. Функциональные группы веществ способны вступать в реакции со
специфическими реагентами с образованием хромофоров (аминогруп-
пы белков и пептидов проявляются с помощью нингидрина, соедине-
ния, содержащие третичный азот, образуют окрашенные комплексы с
реактивом Драгендорфа и т.д.).
2.2.1. Сорбенты, применяемые в тонкослойной хроматографии
На ТСХ-пластинках сорбенты закрепляют при помощи неорганиче-
ских или органических связующих материалов. Такой слой держится
достаточно прочно, на нем можно даже делать пометки мягким каран-
дашом. Результаты разделения хорошо воспроизводятся. Сорбционный
слой поглощает летучие вещества из воздуха, поэтому пластинки нужно
хранить соответствующим образом. Для большинства экспериментов
вполне подходят стандартные пластинки. Пластинки высшего качества
(высокоэффективные ТСХ-пластинки или ВЭТСХ-пластинки) исполь-
зуют лишь при количественном анализе. Свойства наиболее важных
сорбентов для ТСХ приведены в табл. 2.
Таблица 2. СОРБЕНТЫ ДЛЯ ТСХ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Сорбент Область применения Примечания
Силикагель Разделение неполярных веществ; выделение веществ, обладающих основными свойствами; рекомендуется ис- пользовать элюенты с основными свойствами Неполярные вещества разделяют методом распределительной хроматографии
Оксид алюминия Разделение слабополярных основных веществ Поверхность сорбента сильнополярная
М одифицирован- ный силикагель Разделение полярных веществ в условиях обращенно- фазовой хроматографии (ОФХ) Поверхность покрыта химически связанными углеводородными группами
Полиамид Разделение веществ, образующих с амидными группами сорбента водородные связи Элюирующие свойства растворителей возрастают в ряду: вода< метанол <ацетон<формамид <диметил формамид
190 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
2.2.2. Аналитическая тонкослойная хроматография. Основы метода
Тонкослойная хроматография позволяет проводить определение ве-
ществ в пределах от 1 до 10 мкг, а на ВЭТСХ-пластинках — в пределах не-
скольких нанограммов. Стартовое пятно должно иметь минимальные раз-
меры, так как при проявлении пластинки пятна размываются вследствие
броуновского движения молекул вещества. Если пробу предполагается
хроматографировать на силикагеле или оксиде алюминия (адсорбцион-
ная хроматография), то образец следует растворять в наименее полярном
растворителе (например, гексане). В этом случае вещество сорбируется на
носителе сразу после выхода из капилляра и формирует точечное старто-
вое пятно. Если анализируемый образец растворяется в неполярном рас-
творителе не полностью, то плохо растворимые компоненты смеси заре-
гистрировать не удается и данные о составе смеси будут недостоверны.
Прежде чем начать проявление, необходимо полностью удалить с
пластинки растворитель, в котором была растворена проба. Для этого
при определении термостабильных веществ используют фен или поме-
щают пластинку на короткое время в сушильный шкаф, а при определе-
нии нестабильных веществ пластинку высушивают в вакуум-эксикаторе.
При нанесении пробы рекомендуется:
— при хроматографии на силикагеле или оксиде алюминия раство-
рять образец в наименее полярном растворителе;
— наносить минимальный объем пробы (примерно 1 мкл);
— пробу наносить узким капилляром (внутренний диаметр не более
0,5 мм) или при помощи шприца;
— при разделении на ВЭТСХ-пластинках для точного дозирования
пробы применять микродозаторы-аппликаторы, рассчитанные на объ-
ем в несколько нанолитров.
2.2.3. Тонкослойная хроматография в химико-токсикологическом анализе
При использовании ТСХ в ХТА необходимо получить как можно боль-
ше информации о природе токсиканта в кратчайший срок при минималь-
ном объеме образца. Токсиканты органической природы и их метаболиты
экстрагируются органическим растворителем из образца с различными зна-
чениями pH (см. гл. 1, ч. 3). Экстракты анализируют методом ТСХ на одной
пластинке с одним и тем же растворителем. Если объем образца ограничен,
экстрагирование из кислой и щелочной среды проводят последовательно из
одной и той же пробы. В этом случае нужно особенно тщательно контроли-
ровать pH между процедурами экстрагирования. Жиры, содержащиеся в
экстрактах содержимого желудка, затрудняют хроматографический анализ.
Глава 2. О Современные методы анализа... 0 191
В этом случае необходима очистка образца методом повторной экстракции
в водную фазу при различных значениях pH (см. рис. 1).
Достоверность идентификации возрастает при использовании реакти-
вов, с которыми определяемое вещество дает окрашенные продукты. На-
пример, реактив, содержащий нитрат ртути, применяют для определения
барбитуратов (белые пятна с серым центром на темном фоне). Реактив, со-
держащий подкисленный или нейтральный йодоплатинат, используют для
идентификации лекарственных веществ и их метаболитов (пурпурные, си-
ние или коричневые пятна). Реактив Манделина (1 г высокодисперсного
порошка ванадата аммония в 100 мл концентрированной серной кислоты,
р = 1,86 г/см3) с веществами основной природы дает окрашивание от си-
него и зеленого до оранжевого и красного. Трициклические антидепрес-
санты, такие, как амитриптилин и нортриптилин, после обработки пла-
стинок этим реактивом образуют пятна, флуоресцирующие в
ультрафиолетовом свете (366 нм). Для обнаружения фенотиазинов и их ме-
таболитов используют серную кислоту (красные, пурпурные или синие
пятна). Смесь метанола с концентрированным аммиаком (99:1) применя-
ют при определении лекарственных веществ основной природы, напри-
мер, при обнаружении морфина и близких к нему опиоидов. Реактив Мар-
ки (H2SO4 + СН2О) также используется для визуализации лекарственных
веществ основной природы: морфин и другие опиоиды дают синее или фи-
олетовое окрашивание. В качестве аэрозольных реагентов можно исполь-
зовать и другие вещества. Окраска образующегося продукта может варьи-
ровать в зависимости от концентрации, присутствия примесных
соединений, длительности и интенсивности опрыскивания, типа силика-
геля, использованного при производстве пластинок, и других факторов. У
некоторых идентифицируемых соединений отмечается переход оттенков
или даже изменение цвета от края пятна к центру (эффект концентрации).
Интенсивность окраски и сам цвет могут меняться во времени. Поскольку
регистрация и интерпретация природы окрашенных продуктов субъектив-
ны, важно одновременно определять реперные соединения (стандартные
образцы) на той же пластинке. Однако даже в этом случае хроматограммы
соединений, содержащихся в экстрактах образцов, иногда несколько отли-
чаются от хроматограмм стандартных образцов из-за присутствия в анали-
зируемой пробе веществ, извлекаемых одновременно с определяемым ве-
ществом. Как уже отмечалось выше, мешающие определению неполярные
вещества, например жирные кислоты содержимого желудка, можно уда-
лить реэкстракцией в водный раствор рН>7 (см. рис.1, гл. 1, ч. 3). Приме-
ры реактивов, используемых для идентификации ряда ксенобиотиков в
ТСХ, а также значения Rf приведены в табл.З.
192 0 Часть 3. Q Аналитическая токсикология
Таблица 3. ВЕЛИЧИНЫ Rf И ОКРАСКА ПЯТЕН ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АЭРОЗОЛЬНЫХ ХРОМОГЕННЫХ РЕАКТИВОВ ПРИ ТСХ
Хромогенный реактив
нитрат подкисленный реактив реактив
Ксенобиотик R. ртути (II) йодоплатннат Мацделина Манделина
(видимый (УФ, 366 нм)
свет)
З-Ацстилморфин 24 — Синий — —
6-Ацетилморфин 48 — Синий — —
Амитриптилин 70 — Синий Голубой Синий (желтый)
Амфетамин 44 — Синий — —
Атропин 25 — Синий — —
Барбитал 33 Бело-серый — — —
Е»С1 воилэкгонин (метаболит кокаина) 2 — Синий — —
Верапамил 74 — Синий — —
Галоперидол 74 — Пурпурный — —
Гсксобарбитал 51 Бело-серый — — —
Героин* 51 — Синий — —
Дезипрамин 41 — Пурпурный Темно-синий —
Дигидрокодеин 27 — Черный 1олубой —
Дифенгидрамин (димедрол) 68 — Синий Желтый Желтый
Изониазид 29 — Синий — —
Имипрамин 67 — Пурпурный Темно-синий Голубой
Кодеин 35 — Черный Голубой —
Кокаин 77 — Пурпурный — —
Котинин (метаболит никотина) 40 — Синий — —
Кофеин 50 — Синий — —
Лидокаин 80 — Синий — —
Метадон 77 — Коричневый Белый —
Метамфетамин 35 — Синий — —-
Морфин 20 — Синий — —
Никотин 61 — Синий — —
Норэфедрин (метаболит эфедрина) 28 Синий — —
Глава 2. Ф Современные методы анализа... Ф 193
Продолжение табл. 3
Ксенобиотик Rf Хромогенный реактив
нитрат ртути (II) подкисленный йодоплатинат реактив Манделина (видимый свет) реактив Манделина (УФ, 366 нм)
Прокаинамид 39 — Синий — —
Стрихнин 33 — Синий __ —
Теофиллин 10 Бело-серый — — —
Тиопентал 49 Бело-серый — — —
Феназон 44 — Синий — —
Фенобарбитал 29 Бело-серый — — —
Хинидин 52 — Пурпурный — Синий
Хинин 52 — Пурпурный — Синий
Этилморфин 36 Синий — —
Эфедрин 27 — Синий — —
*В виде 3- или 6- моноацетил морфина и конъюгатов морфина.
2.3. Колоночная хроматография
Методом колоночной хроматографии (впервые предложенной
М.С. Цветом в 1906 г.) можно разделять смеси веществ как при опреде-
лении их микроколичеств, так и с препаративной целью. Неподвижную
фазу помещают в колонку, затем вносят в нее анализируемую смесь и
элюируют подходящим растворителем. При продвижении по колонке
компоненты смеси удерживаются сорбентом в соответствии с физико-
химическими свойствами и поэтому мигрируют с разной скоростью. На
выходе колонки разделяемые вещества появляются в определенной по-
следовательности и могут быть собраны в виде отдельных фракций.
В колоночной хроматографии конечный результат зависит не толь-
ко от используемого принципа разделения (адсорбция, распределение,
ионообмен или молекулярно-ситовое распределение, гель-хромато-
графия), но и от множества других факторов: условий элюирования
(скорость потока, температура, вязкость элюента); конструкции и раз-
меров колонки; нагрузки на колонку (количество пробы); размера час-
тиц сорбента; конструкции основных элементов хроматографической
системы (блок ввода пробы, мертвый объем в соединительных шлангах
и ячейке детектора); качества подготовки пробы к анализу. Качество
разделения компонентов (эффективность колонки) зависит также от
194 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
равномерности упаковки колонки и от скорости установления равно-
весия адсорбция—десорбция вещества. Мерой эффективности колон-
ки служит число теоретических тарелок N. Эта величина удобна при
сопоставлении колонок, заполненных сорбентом одного типа, но при
помощи этой величины сопоставить разделяющую способность раз-
личных колонок невозможно. Качество колонки удобнее определять
по высоте, эквивалентной теоретической тарелке N. Чем меньше N,
тем выше эффективность колонки. Качество разделения зависит также
от селективности системы сорбент—элюент.
На рис.2 указаны основные параметры, необходимые для описания
процесса жидкостной хроматографии (параметры удерживания). Ме-
рой оценки качества разделения служит разрешение R между двумя со-
седними пиками. В ВЭЖХ и газовой хроматографии используют поня-
тие «время удерживания 1уд», в жидкостной хроматографии низкого
давления — понятие «объем элюции Vx», но между ними нет принципи-
альной разницы.
Значения сщ и о»2 — длины отрезков между точками пересечения
двух касательных каждого пика с осью абсцисс; тогда разрешение R оп-
ределяется по формуле:
R = R2ji = 2(tyfl2 — 1уд])/(а»1 + св2).
Разрешение R — величина безразмерная.
Взаимосвязь селективности и числа теоретических тарелок при за-
данном разрешении показана в табл.4. Разрешение R = 1, т.е. почти
полное разделение двух соседних пиков, может быть достигнуто в зави-
симости от селективности системы при различном числе теоретических
Е
Рис. 2. Разрешение пиков и параметры удерживания,
to — время удерживания несорбируемого компонента; —полное время удерживания;
*уд| и *уд2 — время удерживания компонентов 1 и 2; а( и а2 — высота пиков;
Ьо 5 — ширина пика на половине высоты; Ы| и <о2 — ширина пиков у основания.
Глава 2. Ф Современные методы анализа... Ф 195
Таблица 4. ЧИСЛО ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ R = 1 ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СЕЛЕКТИВНОСТИ КОЛОНКИ а
а ^эфф а ^эфф
1,01 163 216 1,25 400
1,02 41 056 1,50 144
1,05 7056 2,00 64
1,10 1036
тарелок. При низкой селективности (а = 1,01) необходима колонка на
165 000 теоретических тарелок. Если селективность системы увеличива-
ют путем оптимизации до а = 1,25, то для достижения аналогичной эф-
фективности достаточно всего 400 теоретических тарелок. Следователь-
но, для эффективности разделения важнее не число теоретических
тарелок, а селективность системы. Численное значение ВЭТТ (см. разд.
2.1) зависит от условий элюирования и свойств разделяемых веществ.
Колонки для ВЭЖХ имеют 10 000 —40 000 теоретических тарелок, а
колонки для хроматографии низкого давления — несколько сотен тео-
ретических тарелок.
При любом хроматографическом процессе происходит размывание
зон. По мере возрастания времени элюирования зоны уширяются. Глав-
ной причиной этого являются процессы диффузии в колонке. Масшта-
бы диффузии зависят от скорости потока элюента U и диаметра частиц
сорбента d. Мерой размывания зон в колонке является ВЭТТ, на кото-
рую влияют следующие факторы.
1. Вихревая диффузия. Вызвана различием в длине пробега молекул
разделяемых веществ в пространстве между частицами сорбента. В боль-
шой степени вклад вихревой диффузии в ВЭТТ зависит от качества упа-
ковки колонки и пропорционален диаметру частиц сорбента.
2. Массопередача в неподвижной фазе. В порах частиц сорбента жид-
кость практически неподвижна, поэтому часть вещества, попадающая
в поры, отстает в продвижении по колонке в подвижной фазе. Пос-
кольку время удерживания молекул вещества в порах различно, это
приводит к размыванию зон. Влияние этих факторов становится осо-
бенно заметным при возрастании скорости потока. Время удержива-
ния в неподвижной фазе зависит и от размеров частиц сорбента, т.е. от
глубины пор. Общее влияние этого эффекта пропорционально величи-
не U ’d2.
196 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
3. Массопередача в подвижной фазе. У поверхности частиц сорбента
скорость потока практически равна нулю, она возрастает по мере удале-
ния от поверхности гранулы, т.е. формируется градиент скорости.
4. Продольная диффузия (в подвижной фазе). Находясь в состоянии
броуновского движения, молекулы разделяемого вещества передвига-
ются по различным направлениям. К размыванию зон приводит только
их движение вдоль колонки. Чем продолжительнее пребывание вещест-
ва в колонке, чем ниже скорость потока при данной длине колонки, тем
больше вклад продольной диффузии в размывание зон.
Величина ВЭТТ зависит от размеров частиц: она тем меньше, чем
меньше размер частиц и чем более они однородны. Распределение час-
тиц по размерам (однородность фракции) столь же существенно, как и
абсолютные размеры частиц.
В заключение перечислим факторы, которые обеспечивают опти-
мальное разрешение в жидкостной хроматографии: небольшие размеры
частиц сорбента; возможно более узкий фракционный состав; неболь-
шая скорость подачи элюента; небольшая вязкость элюента (вследствие
чего быстро устанавливается диффузионное равновесие); возможно бо-
лее высокая температура.
2.3.1. Жидкостная хроматография низкого давления
В жидкостной хроматографии низкого давления компоненты смеси
разделяют на хроматографической колонке при нормальном (гидроста-
тическом) или несколько повышенном давлении.
Хроматографию на мягких сорбентах, таких как сефадексы, биогели,
агарозы и многие полистирольные гели, проводят при атмосферном да-
влении. Этот вид хроматографии применяют для переработки больших
объемов жидкости, если не нужно высокое разрешение, свойственное
ВЭЖХ. Во многих случаях удовлетворительное разрешение обеспечива-
ется высокой селективностью системы сорбент—элюент. В лаборатори-
ях хроматографию проводят на сорбентах с частицами диаметром 40—60
мкм, на производстве — диаметром 100—200 мкм и более. При исполь-
зовании частиц диаметром более 40 мкм достаточно высокая скорость
подачи элюента обеспечивается гидростатическим давлением, опреде-
ляемым высотой вертикального столба жидкости. Для хроматографии
этого типа используют более простую аппаратуру, чем для ВЭЖХ, поэто-
му разрешение здесь несколько ниже, а продолжительность экспери-
мента несколько больше.
Хроматографическая система для жидкостной хроматографии
низкого давления включает резервуар или градиентный смеситель;
Глава 2. О Современные методы анализа... О 197
насос; устройство ввода пробы; колонку; детектор обнаружения ве-
ществ в элюате; самописец; автоматизированный коллектор для сбо-
ра фракций.
В качестве соединительных шлангов между отдельными блоками
хроматографической системы используют тефлоновые капилляры с
внешним диаметром 1,6 мм и внутренним диаметром 0,3—0,5 мм.
В хроматографии при заполнении колонки и подаче в колонку элю-
ента (в том числе при регенерации) используют насосы.
Перистальтические насосы широко применяются при биохимиче-
ских исследованиях, так как в насосах этого типа исключается контакт
элюента с металлом. В устаревших и дешевых моделях насосов жид-
кость подается путем прокатывания роликов по мягкому шлангу,
вследствие чего шланг быстро изнашивается и его приходится заме-
нять. Определенным достоинством обладают насосы с планетарным
механизмом, где ролики воздействуют на шланг, прижатый к покры-
тому тефлоном желобу. Эластичный шланг прижимается роликом к
желобу, жидкость в шланге перемещается в направлении движения
ролика. Здесь исключаются принудительное растяжение и последую-
щее сокращение шланга, в результате чего механический износ суще-
ственно меньше. Работа шланговых насосов ограничена давлением
200 кПа.
Мембранные насосы обладают достаточной мощностью, они безынер-
ционны, сравнительно дешевы. Корпус насоса выполнен из нержавею-
щей стали, поэтому в целом насос долговечен и пригоден для работы с
разнообразными растворителями. Если присутствие ионов металлов в
растворе нежелательно, корпус насоса изготавливают из инертных мате-
риалов (керамики или тефлона). В насосах этого типа ход поршня и ча-
стота перемещения регулируются раздельно. Следует отметить, что
плавность потока (минимальная пульсация) достигается небольшим хо-
дом поршня и высокой частотой перемещения. В зависимости от осо-
бенностей конструкции насосы этого типа создают давление до 3,5
МПа. Пульсацию потока также компенсируют при помощи демпфиру-
ющего устройства.
Колонки. Для эффективности разделения первостепенное значение
имеет конструкция хроматографической колонки. Колонки, снабжен-
ные адаптером и краном для ввода пробы, более современны, чем стек-
лянные колонки, имеющие стеклянную пористую перегородку и теф-
лоновый шланг на выходе. Для изготовления деталей, контактирующих
с органическими растворителями, используют инертные материалы,
такие, как стекло, тефлон и нержавеющая сталь.
198 Ф Часть 3. О Аналитическая токсикология
2.3.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография
ВЭЖХ — метод разделения веществ на мелкозернистых сорбентах
(с частицами размером менее 15 мкм) при повышенном давлении. Ме-
тод обеспечивает высокую эффективность и быстроту разделения оп-
ределяемых веществ. Вследствие небольших размеров частиц сорбен-
та и их однородности разделяющая способность ВЭЖХ-колонок
существенно выше по сравнению с хроматографией низкого давле-
ния. Из-за высокого рабочего давления (десятки атмосфер) приборы
для ВЭЖХ отличаются от приборов для классической колоночной
хроматографии.
Чем меньше частицы, тем меньше ВЭТТ и тем выше соответственно
достигаемое разделение по всей колонке. Сорбент с частицами диамет-
ром 5±1 мкм обладает более высокой разделяющей способностью, чем
сорбент с более крупными и менее однородными частицами. Мини-
мальный размер частиц равен приблизительно 3 мкм, поскольку более
мелкие частицы образуют довольно стойкие конгломераты. Приготов-
ление стабильных суспензий из частиц диаметром менее 20 мкм удает-
ся только при обработке ультразвуком; работа с более мелкими частица-
ми еще более сложная.
Применение мелких и однородных фракций целесообразно во мно-
гих отношениях. Чем меньше размер частиц, тем меньше зависимость
ВЭТТ от скорости потока элюента, поэтому в отличие от классической
колоночной хроматографии скорость элюирования в ВЭЖХ сущест-
венно выше (рис. 3). Кривые на рис. 3 иллюстрируют зависимость
ВЭТТ (Н) от скорости элюирования (U) при элюировании на сорбентах
с частицами различного диаметра. При минимальном размере частиц (3
и 4 на рис.З) увеличение скорости потока несущественно влияет на из-
Рис. 3. Зависимость ВЭТТ (Н) от скорости элюирования (U)
при элюировании на сорбентах с различными размерами частиц.
1 — зипак (37 мкм); 2 — силикагель (10 мкм); 3 — зорбакс (5 мкм); 4 — микросорб (5 мкм).
Глава 2. О Современные методы анализа... 0 199
менение значения Н. Чем частицы крупнее, тем заметнее изменение
значений ВЭТТ. Высокое разрешение, а следовательно, возможность
использования коротких колонок позволяют ускорить процесс и умень-
шить расход растворителей.
Растворители для ВЭЖХ должны соответствовать стандарту «особо
чистые растворители», иметь минимальную вязкость, обеспечивать ма-
ксимальную селективность разделения; не должны содержать взвешен-
ных частиц (фильтрование на входе колонки на металлическом фильт-
ре с порами диаметром менее 4 мкм) и комплексообразующих ионов
(например, галогенид- или ацетат-ионы), способствующих коррозии
металлических частей насоса.
Хроматографы для ВЭЖХ состоят из насоса, обеспечивающего ра-
бочее давление до 200 • 105 Па; манометра, рассчитанного на 400 • 105
Па; капилляров из нержавеющей стали (внешний диаметр 1,5 мм, вну-
тренний диаметр 0,3 мм); устройства для ввода пробы (автосемплер);
колонок и высокочувствительного детектора.
Для всех вариантов ВЭЖХ, за исключением аффинной хроматогра-
фии, выпускаются специальные сорбенты. Нерегулярные и сфериче-
ские сорбенты имеют размер частиц 5—10 мкм. Трудности появляются
при работе с мелкими фракциями, в частности, сложно приготовить
стабильные суспензии. Высокой воспроизводимости колонки достига-
ют также при использовании поверхностно-пористых сорбентов (непо-
ристое ядро и пористый поверхностный слой) с частицами диаметром
20—30 мкм, особенно при сухом способе набивки. Эти сорбенты обла-
дают небольшой емкостью и используются главным образом для анали-
тических целей.
Хроматографические детекторы представляют собой приборы, поз-
воляющие выявлять целевые вещества в потоке элюента по характер-
ным свойствам (цвету, флуоресценции, поглощении в ультрафиолето-
вой области спектра и др.).
Для определения веществ многих классов применяют спектрофото-
метрические и рефрактометрический детекторы. Гораздо реже применя-
ются детекторы других типов. Флюориметрический детектор регистри-
рует флуоресценцию веществ. Разнообразные электрохимические
детекторы, например, проточные pH-детекторы; ион-селективные
электроды для обнаружения некоторых видов ионов; проточные детек-
торы по электропроводности; вольтамперометрические детекторы, ам-
перометрические детекторы, находят все более широкое применение.
Радиоактивационные детекторы регистрируют интенсивность р- и у-из-
лучения радионуклидов.
200 Q Часть 3. G Аналитическая токсикология
В настоящее время наиболее широкое применение получили спект-
рофотометрические детекторы. Они бывают одно- и двухлучевые или
однолучевые с диодной матрицей, позволяющей регистрировать ульт-
рафиолетовые и видимые области спектра. Спектрофотометры с пере-
менной длиной волны (200—600 нм) используют для количественного
анализа. Регистрация ведется при длине волны, соответствующей мак-
симуму поглощения анализируемых веществ, или при длине волны, при
которой не поглощают сопутствующие примеси. Сканирующий спект-
рофотометр применяют для снятия полного спектра поглощения ве-
ществ в потоке элюата и проведения количественного анализа даже при
весьма условном разделении компонентов анализируемой смеси. Для
обработки получаемого при этом объема информации требуется приме-
нение вычислительной техники. На рис. 4 изображена оптическая схе-
ма ультрафиолетового детектора.
Рис. 4. Оптическая схема двухлучевого ультрафиолетового детектора.
1 — регулирующая фотоячейка; 2 — ртутная лампа низкого давления; 3 — отражатель;
4 — фильтр-отсекатель (входит в состав сменного фильтра); 5 — фосфоресцирующий
или люминесцирующий экран-усилитель (входит в состав сменного фильтра); 6 — алюминиевая
фольга (входит в состав сменного фильтра); 7 — рабочее положение сменного фильтра;
8 — фильтр с флуоресцирующим слоем; 9 — фотоумножитель; 10 — измерительная кювета;
11 — сравнительная кювета; 12 — калибровочный стандарт; 13 — диафрагма; 14 — рукоятка.
Глава 2. (> Современные методы анализа... О 201
Действие рефрактометрического детектора основано на том, что
при прохождении луча света через две кюветы, заполненные жидкостя-
ми с различными показателями преломления (измерительная кювета
заполнена элюатом из колонки, а сравнительная кювета — чистым рас-
творителем), луч отклоняется на угол, пропорциональный разности
показателей преломления. Отраженный луч фокусируется на фотосо-
противлении, которое вырабатывает электрический сигнал, регистри-
руемый самописцем.
Эти детекторы применяют для обнаружения веществ, не поглощаю-
щих свет в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Затруднения возникают при градиентном элюировании, так как
растворители для хроматографии, как правило, имеют различные по-
казатели преломления. В этом случае стараются использовать раство-
рители с близкими показателями преломления. Рефрактометрические
детекторы менее чувствительны по сравнению с ультрафиолетовыми
детекторами.
В настоящее время все большее применение получает ВЭЖХ с масс-
селективным детектором. Так, прибор компании «Waters» сочетает вы-
сокоэффективную жидкостную хроматографию с ультрафиолетовым
детектированием на фотодиодной матрице и метод масс-селективного
детектирования с ионизацией при атмосферном давлении (в данном
случае происходит так называемая мягкая ионизация, нет полной фраг-
ментации молекул). Конструктивные особенности масс-детектора
Waters-ZQ2000 позволяют регистрировать как положительные, так и от-
рицательные ионы. Помимо этого, возможно одновременное сканиро-
вание по нескольким потенциалам ионизации, диапазон детектируе-
мых масс до 2000 m/z (масса/заряд). Детектор обладает очень высокой
скоростью сканирования — 5000 скан/с и высокой скоростью переклю-
чения для детекции положительных/отрицательных ионов. Детектор
Waters-ZQ2000 поставляется с собственной компьютерной станцией
Mass Lynx. Станция имеет широкие возможности по обработке хрома-
тограмм, масс-спектров и ультрафиолетовых спектров, кроме того,
обеспечивает интегрирование и количественную обработку получен-
ных результатов, построение калибровочных графиков, мониторинг и
управление всеми модулями хроматографической системы. Имеется
возможность создания библиотеки масс-спектров.
Выбор принципа разделения зависит от информации о свойствах ана-
лизируемых веществ. Так, например, только данные о растворимости
целевых веществ позволяют сделать достаточно серьезные выводы
(табл. 5) о возможной схеме исследования.
202 (> Часть 3. (> Аналитическая токсикология
Таблица 5. ВЫБОР ПРИНЦИПА РАЗДЕЛЕНИЯ И ТИПА СОРБЕНТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАСТВОРИМОСТИ ЦЕЛЕВОГО ВЕЩЕСТВА
Растворимость целевого вещества Принцип разделения Сорбент
хроматография низкого давления хроматография высокого давления
Только в воде Ионообмен Гель- хроматография Дауэкс, сефадекс, ионообменная целлюлоза Сефадекс G, биогель, гидрогель, сефакрил, агароза Ионообменники на основе силикагеля Пористое стекло (CPG), TSK-гель
В воде и этаноле Распределение Гель- хроматография Целлюлоза или модифицированный декстран (сефадекс LH), элюент: малопо- лярный + сильнопо- лярный растворитель Сефадекс LH Силикагель Порагель, порасил, пористое стекло (CPG)
В этаноле и дихлорметане (хлористом метилене) Адсорбция или распределение Гель- хроматография Силикагель, сефадекс LH Сефадекс LH Модифицированный кизельгель (-ОН, -NO2, -CM, RP 18) Полистирагель (например, стирагель)
В дихлорметане и гептане Адсорбция или гель- хроматография Силикагель, оксид алюминия Полистирагель (например, био-бедс) Силикагель Полистирагель (например, стирагель)
Если имеется какая-либо предварительная информация о свойствах
анализируемых веществ, то, руководствуясь данными, приведенными в
табл. 6, можно выбрать принцип разделения.
Анализируемые вещества распределены по полярности функцио-
нальных групп (возрастает слева направо). Неполярные вещества разде-
ляют при помоши нормально-фазовой хроматографии. Соединения,
содержащие, например, больше двух амидных групп, разделяют мето-
дом обращенно-фазовой хроматографии. Вещества с двумя амидными
группами разделяют методом распределительной хроматографии. Ве-
щества с ионогенными группами разделяют при помощи как распреде-
лительной, так и ионообменной хроматографии. По мере увеличения
Глава 2. О Современные методы анализа... <> 203
Таблица 6. ПРИНЦИП РАЗДЕЛЕНИЯ ДЛЯ КСЕНОБИОТИКОВ РАЗНЫХ ХИМИЧЕСКИХ КЛАССОВ
Неполярные соединения Полярные соединения
Углеводороды и их производные Кислородсодержащие соединения Доноры протонов (ОН- и NH-кислоты) Ионогенные соединения
RH RX RNO2 О ООО II II II II ROR RC-OR RCR RCH RCNHR RNH2 ROH АгОН RCO2H +NH3-R-CO2-
Нормально- фазовая хроматография Обращенно-фазовая хроматография Распредели- тельная хроматография Ионообмен- ная хромато- графия
числа заряженных групп, а также общей полярности соединений стано-
вится предпочтительнее ионообменная хроматография.
Выбор системы элюентов определяется рядом факторов. В гель-хро-
матографии вещества должны хорошо растворяться в элюенте, а вяз-
кость элюента и раствора пробы должна быть минимальной. Селектив-
ность ионообменной хроматографии зависит не только от ионной силы
буфера, но и от природы противоионов буфера. В адсорбционной хро-
матографии в большинстве случаев подходят системы метанол—вода
или ацетонитрил—вода. Вторая система предпочтительнее, так как вяз-
кость элюента по мере возрастания концентрации ацетонитрила убыва-
ет. Сопротивление колонки для системы метанол—вода выше, чем для
системы ацетонитрил—вода. Влага существенно влияет на селектив-
ность неполярной системы растворителей. На рис.5 показана зависи-
мость качества разделения от содержания воды в элюенте. Данные при-
ведены для колонки размером 2 • 500 мм, давления 5,6 МПа, скорости
потока 300 мл • ч-1, сорбента Перисорб А, элюента н-гептана. Чувстви-
тельность детектора выше, соответственно выше и пики. В целом хро-
матография в абсолютированных растворителях не обеспечивает наи-
лучшего разделения. Товарный хлороформ содержит в качестве
стабилизатора 1% этанола, что заметно влияет на качество разделения.
Органические растворители сначала очищают на оксиде алюминия
и/или силикагеле. Не следует использовать в качестве осушителей мо-
лекулярные сита, так как в них всегда присутствуют механические при-
меси (пыль), забивающие колонку. Элюенты необходимой влажности
готовят смешиванием с насыщенными водой растворителями.
204 О Часть 3. Ъ Аналитическая токсикология
Рис. 5. Зависимость качества разделения смеси
от содержания воды в элюенте н-гептане.
а — н-гептан обезвожен; б — н-гептан на 30% насыщен водой.
1— бензол; 2 — дифенил; 3 - м-трифенил; 4—м-тетрафенил; 5 м-пентафенил.
Качество разделения смеси зависит от размера частиц сорбента: чем
меньше размеры частиц сорбента, тем выше разрешение (рис. 6) и рабо-
чее давление (сопротивление колонки) (рис. 7).
Рис. 6. Зависимость качества разделения от размеров частиц сорбента
при высокой линейной скорости потока элюента (Merck, Darmstadt),
а — диаметр частиц 30 мкм; б — диаметр частиц 5 мкм (колонка размером 3-190 мм;
сорбент лихросорб Si-100; элюент н-гептан; скорость потока 2 мл/мин-1).
Рис. 7. Взаимозависимость высоты колонки, размеров частиц и рабочего давления
(число теоретических тарелок 3000, скорость подачи элюента 1 см • с'1).
1 — кривая давления; 2 — кривая ВЭТТ; 3 — кривая высоты колонки
(при диаметре частиц 10 мкм высота колонки должна быть 20 см, рабочее
давление составляет 1,8 -107 Па, ВЭТТ — 0,3 мм).
Глава 2. Q Современные методы анализа... Q 205
Чем однороднее частицы, тем лучше упаковка колонки и выше разре-
шение. Использование сорбентов с частицами размером менее 10 мкм ве-
дет к увеличению рабочего давления при сохранении постоянной скорости
подачи элюента. Для единичных экспериментов, а также для серийных
анализов оптимальны материалы с частицами размером 7 или 10 мкм.
После того как определен принцип разделения, подобраны элюент и
размеры частиц сорбента, необходимо определить, какое разрешение
должно быть достигнуто, какое количество вещества необходимо разде-
лить и насколько важен фактор времени.
На практике все параметры взаимосвязаны и условия хроматографи-
ческого разделения можно оптимизировать только по одному из трех
параметров.
2.3.3. Газовая хроматография
Газовая хроматография — метод разделения летучих веществ: газов
(при нормальной температуре) или паров (при повышенной температу-
ре). В качестве неподвижной фазы в газовой хроматографии применя-
ют твердые материалы (насадочные или набивные колонки), твердые
материалы, покрытые слоем жидкости, или капилляры с нанесенным
на внутреннюю поверхность слоем жидкости (капиллярные колонки).
В зависимости от состояния фаз различают газотвердофазную или газо-
адсорбционную хроматографию и газожидкостную или распредели-
тельную хроматографию. В качестве подвижной фазы используют газ-
носитель, переносящий разделяемые вещества через колонку.
Разделение анализируемой смеси происходит за счет различного време-
ни удерживания веществ в неподвижной фазе.
Газ и парообразные вещества в качестве подвижной фазы имеют ряд
преимуществ по сравнению с жидкостью:
— относительно малая вязкость газов и паров позволяет использо-
вать колонки большей длины, чем в жидкостной хроматографии, что
дает очень высокую эффективность разделения. Можно разделить дос-
таточно сложные смеси, содержащие большое количество соединений
одного класса (нефть, природный газ, природные жиры);
— сильное различие свойств газов или паров (элюентов) и разделяе-
мых соединений породило разнообразные методы детекции веществ,
выходящих из колонки. Ввиду специфичности и высокой чувствитель-
ности метода возможно определение компонентов в пробе с концентра-
цией порядка 1—10 пг (10-12 — 10’11 г).
Первое упоминание об использовании газа в качестве элюента относит-
ся к 40-м годам. В 50-х годах были поставлены опыты по хроматографиче-
206 <> Часть 3. О Аналитическая токсикология
скому разделению изотопно-замещенных соединений, газов и легких угле-
водородов на набивных колонках, заполненных активными адсорбентами
(силикагелем, оксидом алюминия и др.). Газовая хроматография, где в ка-
честве неподвижной фазы используется адсорбент; была названа газовой
адсорбционной хроматографией. Адсорбционная способность веществ
быстро возрастает с увеличением их молекулярной массы, поэтому метод
газоадсорбционной хроматографии используется главным образом при
анализе и разделении относительно низкомолекулярных веществ.
Значительно более удобен и эффективен метод газожидкостной хрома-
тографии, где как неподвижная фаза используется слаболетучая жидкость,
нанесенная на инертный твердый носитель либо на стенки капилляра.
Для лучшей селективности при разделении близких по свойствам со-
единений используют жидкие неподвижные фазы с прямолинейными
изотермами сорбции. Если изотерма непрямолинейная, то форма хро-
матографического пика далека от гауссовой кривой (пик «размазан»).
Газожидкостная хроматография дала возможность разделять смеси
исключительно близких по свойствам веществ (изомеров, изотопно-за-
мещенных соединений и др.). Современная газожидкостная хромато-
графия применяется для анализа и разделения очень широкого круга
веществ — от легких газов до высокомолекулярных компонентов неф-
ти, топлива, триглицеридов жирных кислот, летучих производных мно-
гих металлов, а также с применением определенной пробоподготовки
веществ, в обычных условиях нелетучих.
Газожидкостная хроматография получила большое распространение в
химико-токсикологическом анализе. Этим методом исследуют биологи-
ческие пробы с целью обнаружения и количественного определения ле-
карственных веществ, токсичных технических продуктов, наркотических
и допинговых веществ. Газовая хроматография не была бы настолько вос-
требована, если бы не использовала для детекции разделенных веществ
масс-спектрометрию. Методы, содержащие хроматографию и масс-спек-
трометрию, называют гибридными; они общепризнаны как референсные.
В качестве элюента для газовых хроматографов используют сжатый
газ из баллонов или генераторов газов (водорода, азота).
Аналитическую колонку помещают в термостат с заданной темпера-
турной программой. Анализы проводят при температурах как ниже нуля
при наличии соответствующего криогенного аппаратурного оформления,
так и при температурах 350—400 °C и выше. Анализы наркотических и ле-
карственных веществ проводят при температуре от Г00 до 250—300 °C.
Газохроматографические колонки, применяемые в газожидкостной
хроматографии, могут быть как набивными, так и капиллярными. На-
Глава 2. <> Современные методы анализа... О 207
бивные колонки представляют собой металлические или стеклянные
трубки длиной 0,2—5 м. Эти трубки заполнены инертными порошкооб-
разными твердыми носителями с зернами 0,1—0,5 мм, на которые нане-
сены неподвижные жидкие фазы от 0,1 до 15—20% массы носителя. Сов-
ременная хроматография для определениия наркотических, допинговых
и лекарственных веществ в основном использует только капиллярные
колонки. Они представляют собой трубки длиной до 100 м и диаметром
0,1—0,5 мм, изготовленные из металлов, стекла, а в последние годы пре-
имущественно из плавленого кварца. Внутренняя поверхность капилля-
ров покрыта тонкой пленкой неподвижной фазы строго заданной тол-
щины. Большая толщина дает хроматографическую емкость, малая —
низкий унос фазы, а следовательно, небольшой уровень шума.
Сначала бурно развивающаяся газовая хроматография использовала
разнообразные специфичные неподвижные фазы различной природы.
С появлением капиллярной газовой хроматографии их число значи-
тельно сократилось. Сейчас для этой цели используют в основном си-
ликоновые полимеры, причем часть метильных групп в этих полимерах
может быть заменена фенильными, цианопропильными или трифтор-
пропильными группами, это придает неподвижным фазам специфиче-
ские селективные свойства, в частности, увеличивает их полярность. Во
время нанесения неподвижной фазы в нее добавляют небольшое коли-
чество сшивающего агента (пероксид трет-бутила и т.п.), что приводит
к сшиванию отдельных полимерных цепей и делает неподвижную фазу
нерастворимой в органических растворителях, а также обеспечивает
подшивку фазы к стенке капилляра.
В нормальных условиях эти высокомолекулярные соединения пред-
ставляют собой вязкие жидкости или студенистые массы. Их относи-
тельная молекулярная масса составляет от 100 000 до 500 000. Они хоро-
шо растворимы в бензоле, хлороформе и метиленхлориде, термически
устойчивы, что допускает рабочий температурный диапазон 300—350 °C.
При изготовлении набивных колонок жидкие фазы наносят на твердый
носитель в количестве от 2 до 10% массы носителя. При изготовлении
же капиллярных колонок фазу наносят на стенки тонким слоем толщи-
ной от 0,25 до 1,5 мкм.
В газовой хроматографии для качественного определения веществ без
стандартов пользуются индексами удерживания Ковача, которые по суще-
ству являются относительными параметрами удерживания. Стандартами в
этом случае служат алканы, введенные в колонку, а искомые вещества
«привязывают» к ним по относительным временам удерживания. Для рас-
чета берут два соседних алкана, один из которых элюируется до, а второй —
208 О Часть 3. <> Аналитическая токсикология
после исследуемого соединения, т.е. C'r(Z)< t’R(X)< t’R(z+i), где t* — исправ-
ленное время удерживания. Исправленное время удерживания равно ис-
тинному времени удерживания минус время удерживания неудерживаемо-
го компонента (например, растворителя), z — число атомов углерода в
алкане. Логарифмический индекс удерживания рассчитывают по формуле:
1-100 + |00z
lgtR(z+l) — lgtR(z)
В табл. 6 приведены данные по параметрам удерживания для некото-
рых лекарственных и наркотических веществ.
Таблица 6. ГАЗОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ ИНДЕКСЫ УДЕРЖИВАНИЯ НЕКОТОРЫХ НАРКОТИЧЕСКИХ И ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ НА КОЛОНКАХ С ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНОВЫМИ НЕПОДВИЖНЫМИ ФАЗАМИ
Вещество Индекс Вещество Индекс
Амитриптилин 2200 Метилендиоксиамфетамин (МДА) 1470
Варфарин 1460 Метилэфедрин 1400
Галоперидол 2940 Морфин 2435
Гептабарбитон 2100 Никотин 1340
Гиосциамин 2225 Нитразепам 2675
Диазепам 2410 Оксазепам 2335
Дигидрокодеин 2365 Оксиморфон 2520
Дигидроэрготамш i 2310 Пахикарпин 1765
N, N-Диметиламфетамин 1230 N-Пропиламфетамин 1330
N, N-Диметилфенетиламин 1150 Пропранолол 2145
Диметилхлорпромазин 2480 Тебаин 2525
Йохимбин 3290 Теофиллин 1485
Ипрониазид 1580 Фендиметразин 1440
Кетамин 1830 Фентанил 2700
Кодеин 2385 Фенциклидин 1870
Кокаин 2180 Флуфеназин 3045
Котарнин 1780 Фторпромазин 2175
Кофеин 1810 Эргокриптин 2180
Мескалин 1690 Эргокристин 2500
Метаквалон 2180 Эрготамин 2360
Метилдиметоксиамфетамин 1620 Эфедрин 1350
Глава 2. <> Современные методы анализа... <> 209
Таким образом, между жидкостной и газовой хроматографией нет
принципиальной разницы. Газовая хроматография отличается лишь
свойствами подвижной фазы: высокой скоростью диффузии газа-носи-
теля и его способностью сжиматься. Ниже приведено упрощенное урав-
нение Ван-Деемтера для описания высоты теоретической тарелки, со-
храняющее свое значение и в газовой хроматографии:
H-A+B/U+CU,
где Н — высота, эквивалентная теоретической тарелке; U — линейная
скорость газа-носителя в колонке; А — член, учитывающий турбулент-
ную диффузию; В — член, учитывающий продольную диффузию; С —
член, учитывающий массопередачу.
Слагаемое А учитывает турбулентную диффузию, возникающую
из-за многообразия путей, по которым молекулы разделяемых ве-
ществ проходят между частицами сорбента. При расчете для капил-
лярных колонок, где удерживание происходит только в пленке жидко-
сти на стенке колонки, этим слагаемым пренебрегают. Слагаемое B/U
в газовой хроматографии приобретает существенно большее значение
по сравнению с жидкостной хроматографией. Положение минимума
на графике Ван-Деемтера, а следовательно, максимальная разделяю-
щая способность колонки в газовой хроматографии зависят от коли-
чества неподвижной фазы (качество упаковки, толщина слоя); разме-
ра частиц или диапазона размеров частиц материала-носителя;
размеров колонки; вязкости газа-носителя (а следовательно, и темпе-
ратуры колонки).
При количественной оценке результатов разделения методом газо-
вой хроматографии большое значение имеет форма пика. Симметрич-
ность пика зависит от растворимости анализируемых веществ в жидкой
(неподвижной) фазе. В свою очередь растворимость определяется зави-
симостью давления паров растворенного вещества от его концентрации
в жидкой фазе. При постоянной температуре эта зависимость имеет вид
изотермы (рис. 8). Если давление пара вещества, растворенного в жид-
кой фазе, линейно растет с повышением температуры, изотерма линей-
на. В этом случае на графике элюирования получают симметричный
пик. Пик обычно симметричен, если разделяемые вещества и жидко-
сти, применяемые в качестве неподвижной фазы, принадлежат к одно-
му классу (идеальная смешиваемость). Отклонения от случая идеальной
смешиваемости приводят к искривлению изотермы и образованию не-
симметричных пиков (см. рис. 8, б, в) с размытой восходящей (фронт)
или нисходящей (хвост) ветвью. Этот эффект становится особенно за-
метным при увеличении нагрузки на колонку.
210 0 Часть 3. О' Аналитическая токсикология
Рис. 8. Влияние формы изотермы распределения на форму пика.
а — изотерма линейная, пик симметричен; б — изотерма выпуклая, пик имеет «хвост»;
в - изотерма вогнутая, пик имеет «фронт».
Время удерживания зависит от вероятности попадания молекул ве-
щества в подвижную фазу. При этом компоненты с высоким давлением
паров и соответственно низкой растворимостью в неподвижной фазе
удерживаются слабее. Напротив, вещества с низким давлением пара и
высокой растворимостью элюируются медленнее.
На рис. 9 приведена хроматограмма, полученная при постоянной
температуре, на примере которой можно рассмотреть основные поня-
тия газовой хроматографии. Если в процессе разделения температуру
повышают, то говорят о газовой хроматографии при программируемой
температуре.
Газовая хроматография—наиболее разработанный в аппаратурном
оформлении хроматографический метод. Устройство наиболее просто-
го газового хроматографа показано на рис. 10. Он состоит из газового
баллона, содержащего подвижную инертную фазу (газ-носитель), чаще
всего гелий, азот, аргон и др. С помощью редуктора, уменьшающего да-
вление газа до необходимого, газ-носитель поступает в колонку, пред-
ставляющую собой трубку, заполненную сорбентом или другим хрома-
тографическим материалом, играющим роль неподвижной фазы.
Скорость потока в зависимости от размера колонки составляет, как
правило, 20—50 мл/мин. Жидкие пробы вводят инжекционными шпри-
цами (0,5—20 мкл) в поток газа-носителя (в испаритель) через мембрану
из силиконовой самоуплотняющейся резины. Проба должна испаряться
практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме расширяются и
точность анализа снижается. Дозирующее устройство хроматографа
снабжено нагревателем, что позволяет поддерживать температуру доза-
тора примерно на 50 “С выше, чем температура колонки.
Глава 2. О Современные методы анализа... 0 211
Рис. 9. Хроматограмма, полученная в изотермических условиях.
А — момент ввода пробы; Б — пик несорбируемого компонента; to — время удерживания
несорбируемого компонента; —время удерживания компонентов 1, 2, 3;
<о — ширина пика (расстояние между точками пересечения двух касательных
к пику линий с нулевой линией).
Температура колонок определяется главным образом летучестью
пробы и может изменяться от 20 до 350 °C. Температуру колонки конт-
ролируют с точностью до десятых градуса и под держивают с помощью
термостата. Прибор дает возможность в процессе хроматографирова-
ния повышать температуру с постоянной скоростью (линейное про-
граммирование температуры).
Для непрерывного измерения концентрации разделяемых веществ в
газе-носителе в комплекс газового хроматографа входит несколько раз-
личных детекторов.
Рис. 10. Устройство газового хроматографа.
1 — баллон высокого давления с газом-носителем; 2 — стабилизатор потока;
3 и 3' — манометры; 4 — хроматографическая колонка; 5 — устройство для ввода пробы;
6 — термостат; 7 — детектор; 8 — самописец; 9 — расходомер.
212 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
Детектор по теплопроводности (катарометр). Универсальный де-
тектор наиболее широко используется в газовой хроматографии. В по-
лость металлического блока помещена спираль из металла с высоким
термическим сопротивлением (платина, вольфрам, их сплавы, ни-
кель).
Через спираль проходит постоянный ток, в результате чего она на-
гревается. Если спираль омывает чистый газ-носитель, она теряет по-
стоянное количество теплоты и ее температура не меняется. Если газ-
носитель содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и
соответственно температура спирали.
Детектор электронного захвата представляет собой ячейку с двумя
электродами (ионизационная камера), в которую поступает газ-носи-
тель, прошедший через хроматографическую колонку.
В камере он облучается постоянным потоком электронов, посколь-
ку один из электродов изготовлен из материала, являющегося источни-
ком излучения, например 63Ni, 3Н, 226Ra. Наиболее удобный источник
излучения — титановая фольга, содержащая адсорбированный тритий.
В детекторе происходит взаимодействие свободных электронов с моле-
кулами определенных типов с образованием стабильных анионов.
В ионизированном газе-носителе (N2, Не) в качестве отрицательно
заряженных частиц присутствуют только электроны. В присутствии со-
единения, которое может захватывать электроны, ионизационный ток
детектора уменьшается. Этот детектор регистрирует соединения, содер-
жащие галогены, фосфор, серу, нитраты, свинец, кислород; на боль-
шинство углеводородов он не реагирует.
Пламенно-ионизационный детектор (ПИД). Устройство ПИД показа-
но на рис. 11. Выходящий из колонки газ смешивается с водородом и
поступает в форсунку горелки детектора.
Образующиеся в пламени ионизированные частицы заполняют
межэлектродное пространство, в результате чего сопротивление снижа-
ется, ток резко усиливается. Стабильность и чувствительность ПИД за-
висят от скорости потока всех используемых газов (газ-носитель 30—50
мл/мин, водород ~30 мл/мин, воздух 300—500 мл/мин). ПИД реагирует
практически на все соединения, кроме водорода, инертных газов, кис-
лорода, азота, оксидов азота, серы, углерода, а также воды. Этот детек-
тор имеет широкую область линейного отклика (6—7 порядков), поэто-
му он наиболее пригоден при определении следов.
Для достижения максимальной чувствительности пламенно-иони-
зационного детектора в качестве вспомогательного газа лучше исполь-
зовать азот, а не гелий.
Глава 2. С Современные методы анализа... О 213
Рис. 11. Устройство пламенно-ионизационного детектора
для капиллярной газовой хроматографии.
В капиллярной газовой хроматографии используются в качестве де-
текторов масс-спектрометры. Физическим принципом масс-спектро-
метра является поведение заряженной частицы в электромагнитном по-
ле. Исследуемое вещество вводят в ионный источник, где оно обычно
ионизируется. Образующиеся положительно заряженные ионы прохо-
дят ряд электронных диафрагм, ускоряются в электрическом поле и по-
падают в магнитное или высокочастотное поле. При заданном ускоря-
ющем электрическом поле искривление пучка ионов в поле магнита
или в высокочастотном поле зависит от отношения массы к заряду
(m/z) иона. Каждый вид ионов дает свой сигнал. Современная комби-
нированная система ГХ—МС позволяет проводить анализ смеси из 25
компонентов в течение 30 мин. Хромато-масс-спектрометр позволяет
сравнить полученный газохроматографический пик с соответствующим
масс-спектром из библиотеки спектров, хранящейся в базе данных.
Стандартный спектр известного соединения сравнивают со спектром
неизвестного вещества. Возможности хромато-масс-спектрометрии
обусловлены сочетанием разделительной способности газовой хрома-
тографии, идентификации анализируемых соединений по специфиче-
ским масс-спектрам и количественной оценки по площадям пиков.
214 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
Популярность масс-спектрометров как детекторов для газовой хрома-
тографии в первую очередь вызвана тем, что использование гибридного
метода позволяет получать большое количество специфической инфор-
мации. По сравнению с другими детекторами масс-спектрометр более
универсален, а получаемая с его помощью информация более специфич-
на. В отличие от других детекторов, чувствительных лишь к определен-
ным классам соединений (электронно-захватный детектор чувствителен
только к галогенсодержащим соединениям, а пламенно-ионизацион-
ный — к углеводородам), масс-спектрометр позволяет детектировать лю-
бые органические соединения. Различие между масс-спектрометром и
другими ГХ-детекторам и состоит в том, что детектирование осуществля-
ется в соответствии с массой, т.е. с тем физическим свойством, которое
присуще всем органическим соединениям.
Масс-спектр состоит из отдельных полос, высота которых соответ-
ствует относительному содержанию отдельных ионов анализируемого
соединения как функции массы. Эти ионы несут информацию о моле-
кулярной массе и наиболее электронно-стабильных фрагментах исход-
ной молекулы. По таким специфическим фрагментам можно, основы-
ваясь на атомной структуре, определить молекулу анализируемого
соединения.
Масс-спектрометр состоит из ионного источника, масс-анализато-
ра, детектора и системы управления и обработки данных (рис. 12).
Источник ЙОНОВ Масс- анали- затор Детектор Система обработки данных
Рис. 12. Схема устройства масс-спектрометра
с ионным источником электронного удара, квадрупольным
анализатором масс, электронным умножителем непрерывного типа.
Глава 2. (> Современные методы анализа... 0 215
Нить
_»П Ьи“
-+ ©©_©©-►
ОтГХ .А,® Г К квадрупольному
| | | масс_а|1ализатОру
Источник ионов электронного удара
Рис. 13. Ионный источник электронного удара для генерирования ионов
из парообразных молекул, выходящих из газохроматографической колонки.
Ионный источник. Для получения ионов в масс-спектрометрах наи-
более часто используется ионизация посредством электронного удара
или химическая ионизация. До настоящего времени большинство масс-
спектров получали в результате ионизации электронным ударом.
На рис. 13 представлена схема устройства ионного источника элек-
тронного удара.
Масс-анализатор. Для разделения ионов, образовавшихся в ионном
источнике, используются магнитные, электростатические, времяпро-
летные, ионно-циклотронного резонанса и квадрупольные анализато-
ры (модификации на основе квадрупольных анализаторов масс). Наи-
большее распространение получили квадрупольные анализаторы. В них
осуществляется разделение ионов в результате их различного поведения
в поле высокочастотного и постоянного тока.
В масс-спектрометрах используют детекторы различных типов, но
наибольшее распространение получили электронные умножители дис-
кретного диодного и непрерывного диодного типов. Оба этих устройст-
ва обеспечивают большое усиление (до 107), что позволяет детектиро-
вать чрезвычайно малые ионные токи.
Рассмотрим примеры определения лекарственных веществ на газо-
вом хроматографе с масс-селективным детектором.
Пробоподготовка лекарственных препаратов (капотен, атенолол и
седуксен) для определения действующего вещества включала измельче-
ние анализируемого образца; взятие навески; растворение навески в
метаноле; тщательное перемешивание; центрифугирование; взятие на-
досадочной жидкости.
Результаты анализов полученных проб путем исследования на газо-
вом хроматографе с масс-спектрометром представлены на рис. 14—16.
Газовая хроматография — один из самых современных методов мно-
гокомпонентного анализа. Экспрессность, точность, необходимый пре-
дел обнаружения, достигаемый при использовании этого метода, позво-
216 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00
72
Рис. 14. Хроматограмма и масс-спектр атенолола.
450000
400000
350000
300000
250000
200000
150000
100000
50000
' ..................................т...................।............................................................
4.00 6.00 6.00 7.00 ’ 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00
Рис. 15. Хроматограмма и масс-спектр седуксена.
ляют решать многие аналитические задачи. Количественный ГХ-анализ
можно рассматривать как самостоятельный аналитический метод, более
эффективный при разделении веществ одного и того же химического
класса (углеводороды, органические кислоты, спирты и т.д.).
Глава 2. О Современные методы анализа... <>217
Рис. 16. Хроматограмма и масс-спектр капотена.
Возможности газовой хроматографии существенно расширяются
при использовании реакционной газовой хроматографии (РГХ) вслед-
ствие того, что многие нелетучие, термонеустойчивые или агрессив-
ные вещества непосредственно перед введением в хроматографиче-
скую колонку можно перевести с помощью химических реакций в
более летучие и устойчивые. Химические превращения осуществляют
чаще на входе в хроматографическую колонку, иногда в самой колон-
ке или на выходе из нее перед детектором. Значительно удобнее про-
водить химические превращения вне хроматографа. Недостатки РГХ
связаны с появлением новых источников ошибок и увеличением вре-
мени анализа.
3. Атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная
спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой
в химико-токсикологическом анализе
При определении металлических ядов в биоматериалах или вещест-
венных доказательствах отравлений перед химиком-экспертом стоит
сложная задача, связанная с необходимостью фиксации малого сигнала
из-за низких содержаний определяемого элемента (табл.7) одновремен-
но с сильными фоновыми помехами, поступающими из внешней среды
и от различных компонентов анализируемого образца.
218 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
Таблица 7. СРЕДНЯЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ (по данным разных авторов)
Элемент Кровь Моча Ткани
Кальций Са 4,6—5,2 ммоль/л 9,3— 10,Змг/100мл 5—22 ммоль/сут 100—450 мг/сут
Магний Mg 1,8 ммоль/л 2,15мг/100мл 8—25 ммоль/сут 100—300 мг/сут В золе костей 0,6%
Калий К 3,1—5,5 ммоль/л 12-22 мг/100мл 53—91 ммоль/суг 2120—3640 мг/сут
Натрий Na 140 ± 7 ммоль/л 322 ± 17мг/100мл 40—156 ммоль/сут 920—3590 мг/сут
Литий Li 1 • 10-6% 1 мг/100мл
Железо Fe мужчины женщины 125 мкг/100 мл 90 мкг/100 мл До 1 мг/сут
Мель Си 0,9— 1,0 мкг/мл До 50 мг/сут
Цинк Zn 120 мкг/100 мл 300-600 мкг/сут Костная ткань 100—200мкг/г Сосудистая оболочка глаза 274 мкг/г
Свинец РЬ 20—30 мкг/100 мл 10—75 мкг/сут
Мышьяк As 3,5—7,2 мкг/100 мл 0,20 мг/сут
Бор В 0,1—0,2 мкг/мл В тканях 0,5—1 мкг/г
Берилий Be В печени 0,012 мкг/100 г
Кадмий Cd 2—40 мкг/сут В золе ночек 2—6 мг/г
Хром Ст 0,14—0,15 • 10-’г/мл 0,26—028 • 10-9 г/мл (в плазме)
Марганец Мп 8,4 мкг/л 0,8 мкг/сут
Никель Ni 2,2 мкг/100 мл 30 мкг/сут
Кобальт Со 4,3 мкг/100 мл 10 мкг/сут
Стронций Sr В костях 0,01—0,25%
Для решения такой задачи необходимо применение высокочувстви-
тельных (с пределами обнаружения 1—100 мкг/л) и высокоточных
(имеющих малую погрешность определения) методов элементного ана-
лиза, к которым в первую очередь относятся атомно-абсорбционная
спектрометрия (ААС) и атомно-эмиссионная спектрометрия с индук-
тивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП) (табл.8).
Глава 2. О Современные методы анализа... 0 219
Таблица 8. ПРЕДЕЛЫ ОБНАРУЖЕНИЯ (ПО З-о КРИТЕРИЮ) РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, мкг/л (поданным фирмы Perkin Elmer)
Элемент Пламя AA Печь AA ИСП- АЭС ИСП- MC Элемент Пламя AA Печь AA ИСП- АЭС ИСП- MC
Ag 1,5 0,02 0,9 0,0001 Na 0,3 0,02 3 0,003
Al 45 0,1 2 0,006 Nb 1500 10 0,0009
As 150 0,2 20 0,006 Nd 1500 2 0,002
Au 9 0,15 8 0,001 Ni 6 0,3 3 0,005
В 1000 20 0,8 0,08 Os 120 6 0,0005
Ba 15 0,35 0,09 0,0005 P 75 000 130 10 0,3
Be 1,5 0,008 0,03 0,003 Pb 15 0,06 7 0,001
Bi 30 0,25 30 0,0005 Pd 30 0,8 3 0,003
Br 0,2 Pr 7500 2 0,0004
C 75 150 Pt 60 2 10 0,002
Ca 1,5 0,01 0,02 0,05 Rb 3 0,03 30 0,002
Cd 0,8 0,008 0,7 0,003 Re 750 3 0,0006
Ce 5 0,00004 Rh 6 5 0,0005
Cl 10 Ru 100 1 6 0,002
Co 9 0,15 1 0,0002 S 30 70
Cr 3 0,03 1,5 0,02 Sb 45 0,15 9 0,001
Cs 15 0,0005 Sc 30 0,05 0,03
Cu 1,5 0,1 0,4 0,003 Se 100 0,3 30 0,06
Dy 50 1 0,001 Si 90 1 3 0,7
Er 60 1 0,0008 Sm 3000 2 0,001
Eu 30 0,2 0,0007 Sn 150 0,2 60 0,002
F 10 000 Sr 3 0,025 0,03 0,0008
Fe 5 0,1 1 0,005 Ta 1500 10 0,0006
Ga 75 4 0,001 Tb 900 2 0,0005
Gd 1800 0,9 0,002 Те 30 0,4 10 0,01
Ge 300 10 20 0,003 Th 30 0,0003
Hf 300 4 0,0006 Ti 75 0,35 0,3 0,006
Hg 300 0,6 2 0,004 T1 15 0,15 20 0,0003
Ho 60 0,4 0,0005 Tm 15 0,6 0,0003
I 0,008 U 15 000 15 0,0001
In 30 9 0,0003 V 60 0,1 0,5 0,002
Ir 900 3 5 0,0006 w 1500 5 0,001
К 3 0,008 14 0,010 Y 75 0,4 0,0009
La 3000 0,6 0,0005 Yb 8 0,9 0,001
Li 0,8 0,06 0,1 0,0002 Zn 1,5 0,1 0,5 0,003
Lu 100 0,2 0,0005 Zr 450 0,3 0,004
Mg 0,15 0,004 0,06 0,007 Tc 0,0003
Mn 1,5 0,035 0,3 0,002 Np 0,0001
Mo 45 0,08 2 0,003 Pu < 30 0,0001
220 Q Часть 3. Q Аналитическая токсикология
ААС и АЭС-ИСП — мультиэлементные методы анализа, позволяю-
щие определять несколько элементов одновременно. Кроме того, в ря-
де случаев этими методами можно проводить прямой анализ исследуе-
мого объекта без предварительного выделения и концентрирования
определяемого элемента. Атомно-спектральные методы анализа нашли
широкое применение для контроля содержания тяжелых металлов и
других элементов в объектах окружающей среды и биообъектах.
3.1. Основные принципы атомной спектрометрии
Атомно-спектральные методы анализа основаны на измерении спек-
тров электромагнитного излучения, обусловленных химической инди-
видуальностью определяемых компонентов. Возбуждение атомов пробы
происходит при воздействии тепловой, электромагнитной, химической,
электрической энергии и др. Все эти воздействия приводят к испуска-
нию света частицами пробы. Рассмотрим этот процесс подробнее.
Атом представляет собой ядро, окруженное электронами, которые
находятся на атомных орбиталях с определенными уровнями энергии.
Чем дальше от ядра расположена орбиталь, тем выше уровень ее энер-
гии (рис.17).
Когда электрон размещается на ближайших к ядру орбиталях с наи-
меньшей энергией, атом находится в устойчивом, основном состоянии.
При получении энергии в результате электромагнитного излучения или
столкновения с другой частицей электрон перемещается с орбитали ос-
новного состояния на более удаленную орбиталь с более высоким уров-
нем энергии. При этом атом переходит в возбужденное состояние. Атом
в возбужденном состоянии неустойчив, и электрон возвращается на ор-
биталь с меньшим уровнем энергии с испусканием электромагнитного
излучения энергии hv.
Световая (электромагнитная) энергия излучается атомами в виде ли-
нейчатого спектра с дискретными значениями длин волн. Для испуска-
ния квантов света определенной частоты, т.е. для появления в спектре
определенной спектральной линии, необходима совершенно опреде-
Рис. 17. Переходы электрона на атомных орбиталях при возбуждении и релаксации.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 221
Таблица 9. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Элемент Первый потенциал ионизации Длина волны, нм Характеристика линии
Na 5,14 589,6 589,0 Дублет наиболее ярких желтых линий
Al 5,98 466,3 Яркая синяя
Са 6,11 422,7 Яркая фиолетовая
Сг 6,76 429,0 427,5 425,5 520,9 520,5 Триплет ярких фиолетовых линий Дуплет ярких зеленых линий
Sn 7,38 646,3 563,1 452,4 Красная Желто-зеленая Ярко-синяя
Pb 7,41 600,2 589,6 560,9 537,2 Оранжевая Желтая (мешает Na) Желтая Зеленая
Мп 7,43 482,3 476,7 476,4 476,3 Группа ярких синих линий
Ag 7,57 546,5 520,9 Зеленая Наиболее яркая зеленая (мешает Сг)
Ni 7,63 547,7 508,3 Яркие зеленые
Mg 7,64 518,4 517,3 516,7 Триплет ярких зеленых линий
Си 7,72 515,3 510,6 Яркие зеленые
Fe 7,86 440,4 438,3 432,5 430,7 427,1 Группа ярких фиолетовых линий
Zn 9,39 636,2 Яркая красная
S 10,36 545,2 543,3 542,9 532,0 Группа ярких зеленых линий
P 10,98 604,3 603,4 602,4 Триплет ярких красных линий
222 О Часть 3. О Аналитическая токсикология
ленная энергия, которую называют потенциалом возбуждения. Величи-
на потенциала возбуждения зависит от строения атома, массы и заряде
ядра, числа электронов и других характеристик. Каждому виду атомог
соответствуют характеристическое излучение, собственный ряд длил
волн поглощения и эмиссии (табл. 9). Характеристическое излучение
может наблюдаться в ультрафиолетовой и видимой частях электромаг-
нитного спектра (160—800 нм).
Если поглощенная атомом энергия достаточно высока, электрон мо-
жет вообще покинуть атом. В этом случае образуется ион с положитель-
ным зарядом. Энергия этого процесса ионизации называется потенци-
алом ионизации. Ионы тоже имеют основное и возбужденное
состояние, вследствие чего они могут поглощать или испускать энер-
гию в таких же, как у атомов, процессах возбуждения и перехода в со-
стояние с более низкой энергией.
На рис. 18 представлена схема энергетических переходов, соответст-
вующих определенным спектральным линиям. Линии, соответствующие
переходам из возбужденных состояний в основное (1), образуют главную
серию линий спектра, наиболее интенсивны и исчезают последними при
уменьшении содержания элемента в пробе. Линии главной серии назы-
Рис. 18. Энергетические переходы.
Е1 — Е5 — энергия атомов в возбужденных состояниях; Ео — энергия в основном состоянии;
1 — энергетические переходы, соответствующие главной серии спектра;
2 — переходы между возбужденными состояниями, определяющие побочные
серии линий спектра; 3 — переходы из состояния выше уровня ионизации,
определяющие появление сплошного спектра.
Глава 2. Q Современные методы анализа... О 223
вают резонансными. Переходы между возбужденными состояниями (2)
образуют побочные серии, а переходы из состояний выше уровня иони-
зации образуют непрерывный спектр (3) (фон в эмиссионном анализе).
Так как энергии переходов, соответствующие разным линиям, зна-
чительно различаются, их легко разделить.
Переход из одного энергетического состояния в другое с поглоще-
нием или выделением энергии описывается уравнением:
ЛЕ = Е| — Ег = hv,
где ЛЕ — изменение энергии атомов; Ej и Ег — энергии начального и
конечного состояний; h — постоянная Планка; v — частота поглощае-
мого или испускаемого излучения.
Подставляя вместо v =с/Х, получим связь между разностью энергии
и длиной волны:
Е = hc/X,
где с — скорость света; X — длина волны.
Очевидно, что интенсивность непрерывного спектра велика вблизи
наиболее коротковолновой области спектра (близкий ультрафиолет) и
уменьшается по мере удаления от нее.
3.2. Атомно-эмиссионная спектрометрия
с индуктивно-связанной плазмой
В атомно-эмиссионной спектрометрии (АЭС, другое название мето-
да — оптико-эмиссионная спектрометрия — ОЭС) анализируемая про-
ба подвергается действию высоких температур, достаточных не только
для диссоциации на атомы, но и для возбуждения и ионизации атомов.
Возвращаясь из возбужденного в состояние с меньшей энергией, атомы
испускают электромагнитное излучение на определенных длинах волн,
которое измеряется и используется для идентификации исследуемых
элементов. Так как количество передаваемой от атома к атому энергии
изменяется в широких пределах, разные атомы оказываются в различ-
ных возбужденных состояниях, т.е. их электроны находятся на разных
энергетических уровнях. Эмиссионный атомный спектр крайне слож-
ный, многолинейчатый, так как выделение энергии происходит со всех
энергетических уровней, расположенных выше основного.
В качестве источника возбуждения в АЭС используются:
— пламя (2000—3000 °C);
— печи (3000—4000 °C);
— электрические разряды, имеющие более высокую температуру,
чем пламена и печи;
— ИСП 10000 °C (в настоящее время применяется наиболее широко).
224 О Часть 3. О Аналитическая токсикология
Плазма — ионизированный газ с высокой энергией. Аргоновая плазма
является идеальным источником возбуждения атомов вещества. Для
получения аргоновой плазмы используют электрический разряд, кото-
рый возникает в газе при наложении магнитного поля. Для этого к верх-
нему концу горелки подводится катушка индуктора, соединяемая с ге-
нератором радиочастоты. Электроны инертного газа захватываются
магнитным полем и ускоряются. Такое увеличение энергии электронов
называется индуктивным связыванием.
Работа атомно-эмиссионного спектрометра сводится к следующе-
му. Электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ато-
мами пробы, фокусируется на входную щель диспергирующего уст-
ройства. Это ус тройство разлагает свет на составные части, превращая
его в спектр. Такие устройства могут быть двух типов: призменные и
дифракционные. В призменных устройствах световой поток разлага-
ется призмой вследствие разных показателей преломления для лучей
разной длины волны. В дифракционных устройствах дисперсия про-
исходит при попадании света на дифракционную решетку, которая
представляет собой зеркало с близко расположенными линиями, на-
несенными или вытравленными на его поверхности. Попадающий на
дифракционную решетку свет отражается под углом, зависящим от
длины волны и плотности линий решетки. У большинства приборов
плотность составляет от 600 до 4200 линий на миллиметр. Дифракци-
онные решетки имеют большую разрешающую способность, чем
призмы.
Под разрешающей способностью (Р) понимают способность прибора
давать разделенное изображение двух близко расположенных линий.
Р = Х./ДХ,
где X — средняя длина волны двух близко расположенных линий; АХ —
разница длин волн двух близко расположенных линий.
Например, для разделения двух спектральных линий с длинами волн
321,75 нм и 321,70 нм нужен прибор с наименьшей разрешающей спо-
собностью 6500.
В настоящее время в спектральных приборах применяется еще один
вид диспергирующего устройства — решетка Эшелле, представляющая
собой сочетание двух диспергирующих устройств (например, дифрак-
ционной решетки и призмы или двух дифракционных решеток). Такие
устройства имеют наиболее высокое разрешение.
Излучение, разложенное диспергирующим устройством по длинам
волн, фокусируется на плоскость или на круг (круг Роуланда) и затем
регистрируется детектором.
Глава 2. Q Современные методы анализа... О 225
В монохроматоре используется только одна щель на входе и один де-
тектор. При многоэлементном анализе на монохроматоре осуществля-
ется последовательное сканирование от одной спектральной линии к
другой. Это достигается либо изменением угла поворота дифракцион-
ной решетки при ее вращении, либо перемещением детектора в плоско-
сти щели монохроматора при фиксированном положении решетки.
Если на выходе спектрометра установлено множество щелей и дете-
кторов, устройство называется полихроматором (квантометром). Каж-
дая щель полихроматора настроена на одну эмиссионную линию опре-
деленного элемента, что позволяет одновременно анализировать более
30 элементов (в силу пространственных ограничений не более 60 ще-
лей).
Таким образом, основное преимущество полихроматора — экс-
прессность, недостаток — возможность анализа только на выставлен-
ных длинах волн. Преимущество монохроматора — возможность анали-
за на любой длине волны (выбор свободной от помех линии) и более
надежные результаты.
Существует несколько способов наблюдения и регистрации спект-
ров: визуальный, фотографический, фотоэлектрический, термоэлект-
рический и др. В современных спектральных приборах используется
фотоэлектрический метод. При этом световая энергия направляется на
фотоэлемент, превращается в электрическую, которая после усиления
регистрируется измерительным прибором. В качестве фотоэлементов
до последнего времени использовались фотоэлектронные умножители
(ФЭУ), твердотельные устройства (транзисторы, диоды). Датчики на
основе кремния отвечают на воздействие света, их стали применять как
твердотельные детекторы. С развитием быстродействующих микропро-
цессоров стало возможным использование этих детекторов в спектро-
метрии. Последнее достижение — детектор с сегментированной матри-
цей и устройством с зарядовой связью (ПЗС-детектор) — представляет
собой кремниевый чип с совокупностью субматриц, содержащих от 20
до 80 элементов, так называемых пикселов. Каждый пиксел способен
сохранить заряд, генерированный фотоном.
Полученная с детектора информация обрабатывается компьютером,
который также управляет прибором. Атомно-эмиссионная спектромет-
рия позволяет осуществлять качественный и количественный анализ
пробы. Поскольку строение электронной оболочки уникально для каж-
дого химического элемента, регистрация излучения определенной дли-
ны волны позволяет определить, какие атомы содержатся в пробе, т.е.
провести качественный анализ. Помехи спектральных линий других
226 $ Часть 3. Q Аналитическая токсикология
элементов могут внести неопределенность, поэтому исследуют по край-
ней мере 3 наиболее интенсивные спектральные линии (для качествен-
ных анализов не следует использовать полихроматоры). Положение ли-
ний в спектрах анализируемого образца сравнивают с положением
линий в образце сравнения.
Количественный анализ основан на зависимости интенсивности
спектральных линий от содержания измеряемого элемента. При прове-
дении количественного эмиссионного анализа необходимо учесть вли-
яние различных факторов на интенсивность спектральных линий: доли
возбужденных атомов в атомном газе, степени ионизации атомов, само-
поглощения, взаимного влияния элементов и др.
В атомном паре, полученном при нагревании образца, только неко-
торая часть атомов N i переходит в возбужденное состояние, а часть No
остается в основном. Равновесное соотношение между ними описыва-
ется уравнением Больцмана:
N!/No = А ехр(-АЕ/кТ),
где А — константа, зависящая от свойств атомов и условий их возбуж-
дения; АЕ — разность между энергиями возбужденного и основного со-
стояния; к — константа Больцмана; Т — температура.
Интенсивность спектральной линии определяется главным образом
N1 и Т. Соотношение N i/No у большинства элементов очень мало. Для
понимания этого рассмотрим процессы, происходящие с пробой в раз-
ряде плазмы на примере химических соединений типа МеХ, где Me —
катион, X — анион.
1. Испарение пробы [МеХ] МеХ
2. Диссоциация (атомизация) МеХ Ме + Х hv
3. Возбуждение атомов Me «2 Me* hv
4. Ионизация Me Z* М+ + е hv
5. Возбуждение ионов Ме+ «2 (Ме+Г
Все процессы, происходящие в плазме, равновесные и зависят от
температуры. Для повышения интенсивности линий, казалось бы, це-
лесообразно повышать температуру. Однако при Т>3000 К возрастает
ионизация. При этом число нейтральных атомов и интенсивность их
линий снижаются. Д ля подавления ионизации и поддержания постоян-
ной температуры в пробу вводят буферные компоненты, содержащие
элементы с подходящими потенциалами ионизации, или используют
для анализа эмиссионные линии возбужденных ионов.
Глава 2. Q Современные методы анализа... О 227
На рис. 19 показана естественная форма эмиссионной линии. Ее ши-
рина связана с тепловым движением атомов и молекул, так называемым
эффектом Допплера. Ширина эмиссионной полосы линии с повыше-
нием температуры увеличивается.
Обычно излучение возбужденных атомов, сформированное в цент-
ральной (горячей) зоне источника, проходит через периферийную (более
холодную) зону, где преобладают невозбужденные атомы определяемого
элемента. При этом происходит резонансное поглощение излучения воз-
бужденных атомов невозбужденными, что называется эффектом самопо-
глощения. В некоторых случаях самопоглошение настолько усиливается,
что происходит самообращение линии. Самопоглошение и самообраще-
ние тем больше, чем больше концентрация атомов в разряде.
Изучая зависимость интенсивности спектральных линий определяе-
мого элемента от его содержания, можно увидеть, что эта зависимость не-
линейна и выражается эмпирическим уравнением Шайбе — Ламакина.
I = аСь,
где I — интенсивность спектральной линии; а — коэффициент, обусло-
вленный свойствами источника возбуждения; С — концентрация ио-
нов; b — коэффициент, обусловленный самопоглощением.
После логарифмирования получаем уравнение:
Igl = Iga + b IgC ,
которое используется для построения линейных градуировочных хара-
ктеристик Igl (IgC).
Градуировку прибора и построение градуировочной зависимости
проводят по стандартным образцам с известным содержанием опреде-
Рис. 19. Форма спектральной линии в эмиссионно-спектральном анализе.
1 — нормальный профиль; 2 — самопоглощение; 3 — самообращение.
228 Q Часть 3. Q Аналитическая токсикология
ляемого элемента. Существенное преимущество атомно-эмиссионного
анализа с плазмой заключается в том, что линейный динамический ди-
апазон эмиссионных линий достигает 3—5 порядков по сравнению с
одним порядком в атомно-абсорбционной спектрометрии или при ис-
пользовании дуговых или искровых источников возбуждения.
3.3. Атомно-абсорбционная спектрометрия
Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС), предложен-
ный Уолшем в 1955 г., основан на явлении селективного поглощения
свободными атомами ультрафиолетового и видимого излучения. Если
на свободные атомы подействовать пучком света от специального ис-
точника излучения, то эти атомы будут поглощать световую энергию.
Поглощенное количество электромагнитного излучения описывается
зависимостью, аналогичной закону Ламберта—Бугера—Бера:
I = 10 10-klc
lg Io/I = А = klc,
где А — абсорбция (оптическая плотность поглощающего вещества);
То — интенсивность падающего монохроматического света; I — интен-
сивность света, прошедшего через поглощающий слой атомов; с — кон-
центрация вещества; I — длина светопоглощающего слоя; к — коэффи-
циент поглощения.
Уолш, рассчитав соотношение числа атомов в возбужденном состоя-
нии и числа атомов в основном состоянии, показал, что оно очень мало
даже при 3000 К и составляет для разных элементов 10-3—10~\ При воз-
действии энергии на атомный пар, когда основная масса атомов нахо-
дится в невозбужденном состоянии, наиболее вероятны абсорбцион-
ные переходы электронов с основного уровня на самый низкий
возбужденный уровень. Линии, соответствующие этим переходам, на-
зываются резонансными. Поглощение энергии атомами, находящимися
в возбужденном состоянии, происходит крайне редко.
Обычно атомно-абсорбционные спектры гораздо проще эмиссион-
ных и состоят преимущественно из резонансных линий. Благодаря это-
му уменьшается вероятность наложения линий других элементов и по-
явления спектральных помех.
Таким образом, если в АЭС концентрация вещества связывалась с
интенсивностью излучения атомов, находящихся в возбужденном со-
стоянии, то в ААС аналитический сигнал (уменьшение интенсивно-
сти излучения) связан с числом атомов, находящихся в основном (не-
возбужденном) состоянии. Бесспорным преимуществом ААС
является меньшая температурная зависимость абсолютного количе-
Глава 2. О Современные методы анализа... О 229
ства невозбужденных частиц по сравнению с количеством возбужден-
ных частиц.
Этим объясняется более высокая чувствительность ААС по сравне-
нию с АЭС.
Атомно-абсорбционные спектрометры состоят из источника линей-
чатого спектра (в отличие от атомно-эмиссионных спектрометров, в ко-
торых анализатор является одновременно источником возбуждения);
атомизатора, который служит для перевода пробы в атомный пар; мо-
нохроматора, выделяющего область спектра с резонансной линией оп-
ределяемого элемента; фотоэлектрического детектора, преобразующего
электромагнитное излучение в электрический сигнал.
В атомной абсорбции в качестве источника излучения применяются
лампы, имеющие линейчатый спектр с тонкими линиями резонансного
излучения. В противном случае при использовании источников сплош-
ного спектра потребовались бы спектральные приборы с разрешающей
способностью порядка 500 000.
Лампы с полым катодом состоят из катода, выполненного из опреде-
ляемого металла или его сплава, вольфрамового анода и заполнены
инертным газом. При пропускании тока газ ионизируется, вызывая ха-
рактеристическое излучение атомов определяемого элемента.
Используются также безэлектродные газоразрядные лампы с микро-
волновым возбуждением, которые наиболее эффективны при определе-
нии летучих легкоионизируемых элементов, таких, как As, Se, Те, Hg и др.
В качестве атомизаторов наибольшее распространение получили
пламенные и электротермические атомизаторы.
Пламенные атомизаторы. Для получения пламени в атомной абсорб-
ции используют горючее и окислитель. Для определения легколетучих и
легкоатомизируемых элементов применяют смесь воздух—ацетилен
(температура пламени 2180 °C), для труднолетучих — смесь закись азо-
та—ацетилен (температура пламени 2930 °C). В качестве горючих газов
используются также пропан, бутан, водород. - л
При использовании пламени различного вида выполняются следую-
щие условия.
1. Пламя должно быть высокопрозрачным (высокая пропускная
способность в интервале 193—852 нм).
2. Собственное излучение пламени должно быть слабым. Если ин-
тенсивность собственного излучения атомизатора в 10 раз превышает
интенсивность излучения источника, модулятор не может устранить
влияние этого излучения, и спектрофотометр регистрирует не только
поглощение, но и частичное излучение пламени.
230 Q Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
3. Эффективность атомизации в пламени должна быть как можно
больше. Этому способствуют углеводородные радикалы продуктов сгора-
ния, повышающие температуру пламени и увеличивающие атомизацию.
4. Ионизация атомов должна быть низкой.
Эти требования часто противоречат друг другу. Например, высоко-
температурное пламя обеспечивает высокую атомизацию пробы, но
имеет большую собственную эмиссию, что приводит к значительной
ионизации атомов определяемого элемента.
Главным недостатком пламени является присутствие в нем наряду с
атомными парами других высокореакционных частиц.
В пламени процесс получения свободных атомов аналогичен тому,
который происходит в ИСП. В результате столкновения и получения
дополнительной энергии атомы могут переходить не только в возбуж-
денное, но и в ионизированное состояние, в результате чего уменьшает-
ся количество свободных атомов. Степень атомизации различных эле-
ментов в одном и том же анализаторе изменяется в широких пределах,
что заметно влияет на аналитический сигнал.
Для устранения этих недостатков, а также для повышения чувстви-
тельности метода применяют непламенные атомизаторы.
Электротермические атомизаторы. Это трубчатые печи, выполнен-
ные чаще всего из графита, закрепленные торцами между водоохлаждае-
мыми контактами. Трубка нагревается электрическим током силой до
400 А, что обеспечивает температуру до 3000 °C. Впервые такая конструк-
ция была предложена Б.В. Львовым, который затем усовершенствовал ее
специальным испарителем—лодочкой из пиролитического покрытия.
Применение графитовой печи Львова позволило понизить пределы
обнаружения до 10-6—10-8%, что сделало ААС одним из наиболее чув-
ствительных методов.
Недостатком непламенных методов атомизации является сильное
неселективное поглощение, вызываемое рассеиванием света дымом,
содержащим частицы пробы, а также молекулярной абсорбцией не пол-
ностью диссоциированных компонентов матрицы.
Для устранения неселективных помех используют автоматическую
коррекцию с применением вспомогательного источника сплошного
спектра — дейтериевой лампы и способ, основанный на эффекте Зеема-
на — расщепления спектральных линий в магнитном поле.
Модулятор применяется для устранения спектральных помех, созда-
ваемых собственным излучением атомизатора. Для пламени это излуче-
ние продуктов горения, для электрического атомизатора это излучение
печи, имеющее спектр черного тела. Устранение этих помех достигает-
Глава 2. б Современные методы анализа... О 231
ся амплитудным модулированием с определенной частотой светового
потока от первичного источника резонансного излучения и настройкой
усилителя, принимающего сигналы детектора на эту частоту.
Атомно-абсорбционные спектрометры подразделяются на однока-
нальные и многоканальные в зависимости от числа одновременно оп-
ределяемых элементов, а также на однолучевые и двухлучевые в зависи-
мости от оптической схемы.
В однолучевых приборах световой поток проходит только через слой
атомного пара, и для того чтобы получить величину поглощения, необходи-
мо сделать два отсчета сигнала: при введении образца в атомизатор и без не-
го. При этом измеряют величину выходящего из атомизатора света. В связи
с этим необходимо, чтобы интенсивность излучения первичного источни-
ка была постоянной. Это требует высокой стабильности источника.
В двухлучевых приборах этот недостаток устраняется. Для этого из-
лучение резонансного источника при помощи прерывателя и поворот-
ных зеркал разделяют на два луча. Один луч проходит через поглощаю-
щий слой, а другой обходит его. Затем оба пучка соединяются,
попадают в детектор, будучи сдвинутыми по фазе, и получаемые сигна-
лы сравниваются. Колебания интенсивности источника излучения из-
мерительных схем сказываются на значении I и Iq, не меняя значения
А = 1g (Io/I). Двухлучевые приборы обеспечивают значительно лучшую
воспроизводимость сигнала — до 0,2%. К недостаткам этих приборов
можно отнести 3—5-кратное уменьшение энергии падающего на детек-
тор света, что ухудшает пределы обнаружения.
Для определения содержания элементов в анализируемой пробе в
ААС применяют методы градуировочного графика или метод добавок.
Метод градуировочного графика. Для построения градуировочного
графика готовят серию растворов сравнения (3—5 растворов), содержа-
щих те же компоненты, что и анализируемый раствор. Измеряют опти-
ческие плотности растворов и строят график в координатах А — С. В тех
же условиях измеряют сигнал абсорбции анализируемого раствора и по
градуировочному графику находят его концентрацию.
Метод добавок применяется при анализе сложных по составу объек-
тов, когда не удается устранить мешающее влияние матрицы. При этом
от анализируемого раствора отбирают несколько аликвотных частей и
добавляют к ним известное количество определяемого компонента. До-
бавка должна быть в 1,5 раза больше определяемого содержания. В од-
ну из аликвот добавку не вводят. Затем проводят измерение приготов-
ленных растворов и находят содержание определяемого компонента
вычитанием заранее известного содержания добавки.
232 0 Часть 3. 0 Аналитическая токсикология
3.4. Пробоподготовка и концентрирование
Как уже говорилось, элементный айализ органических веществ и
биологических объектов представляет собой задачу обнаружения ма-
лого сигнала на фоне сильного шума. Самый привлекательный спо-
соб решения такой задачи в аналитической химии — использование
прямых инструментальных методов анализа, когда применяемое обо-
рудование, современные методы распознавания образцов и обработ-
ки информации позволяют отделить аналитический сигнал от всех
видов наложений и искажений и измерить его в чистом виде. Однако
в большинстве случаев даже с помощью самой современной аппара-
туры и вычислительной техники не удается с достаточной точностью
учесть влияние состава пробы (особенно биологической матрицы) на
результат анализа. Чаще всего аналитики вводят операции разложе-
ния (минерализации) пробы и последующего концентрирования ми-
кропримесей.
Разложение пробы. Разложение проб биологических материалов
можно осуществлять тремя способами: разложением легкорастворимых
соединений в воде, малорастворимых соединений при обычном давле-
нии и трудно растворимых соединений в замкнутых реакционных сосу-
дах при повышенных давлениях.
К легкорастворимым соединениям относится большинство солей,
гидроксиды и некоторые другие соединения. Растворение их в воде не
представляет особых трудностей. Основную роль в этом случае играет
чистота воды. Так как на растворение 1 г пробы расходуется в среднем
5— 15 мл, то растворитель должен быть как минимум на 2—3 порядка
чище анализируемого образца. Воду достаточно высокой чистоты полу-
чают при ионообменной очистке, но она может быть загрязнена орга-
ническими примесями из ионообменных смол. Удовлетворительного
качества воду можно получить в результате двойной или тройной пере-
гонки, причем последняя перегонка осуществляется в кварцевом при-
боре с добавлением в кубовую емкость 3—5 см3 серной кислоты. Полу-
ченная перегонкой высокочистая вода может недолго храниться в
специальной посуде из кварца, поэтому рекомендуется использовать
свежеперегнанную воду.
При разложении малорастворимых соединений их переводят в рас-
твор непосредственно или путем образования нового, хорошо раство-
римого соединения. При анализе органических веществ и биологиче-
ских объектов используют следующие способы растворения
(минерализации) пробы:
Глава 2. О Современные методы анализа... О 233
— сухая минерализация, в том числе озоление на воздухе и в атмо-
сфере кислорода или иных реакционных газов; термическое разложе-
ние или пиролиз;
— мокрая минерализация азотной, хлорной, серной, другими кисло-
тами и их смесями, в том числе в присутствии пероксида водорода или
других окислителей.
Озоление стараются проводить при не слишком высоких температу-
рах, скажем, не выше 400—500 °C, поскольку даже высушивание проб
до воздушно-сухого (20—30 °C) или абсолютно сухого (100—120 °C) со-
стояния сопровождается частичной или полной утратой легколетучих
соединений Zn, Hg, Cd, Se и др. Сухое озоление (сжигание) биопробы
проводят следующим образом: подготовленный к минерализации объ-
ект исследования (например, растительные консервы или части орга-
нов) высушивают, обугливают в фарфоровой чашке при осторожном
нагревании на песчаной бане. Когда объем остатка уменьшится, оста-
ток обуглится или даже превратится в пепел, его смачивают концентри-
рованным раствором нитрата аммония или концентрированной серной
кислотой, высушивают на водяной бане, помещают в фарфоровый ти-
гель и осторожно нагревают на слабом пламени. Полученную черную
или серую золу смачивают раствором нитрата аммония, высушивают на
водяной бане и прокаливают. Золу обрабатывают при нагревании азот-
ной или соляной кислотой и фильтруют. Полученный раствор выпари-
вают досуха на водяной бане, остаток растворяют в небольшом количе-
стве воды и после обработки азотной или соляной кислотой исследуют
на содержание соответствующего элемента методом ААС или АЭС-
ИСП. Сухое озоление применяется все реже, так как при сжигании воз-
можны потери анализируемого элемента. Сухую минерализацию соче-
тают с различными методами анализа. Так, например, при определении
никеля в древесной коре и листьях проводят озоление образцов, доводя
постепенно температуру до 550 °C. Время озоления 2 ч. Остаток раство-
ряют в концентрированной НО или HNO3, разбавляют водой, распы-
ляют в пламя и определяют никель методом ААС.
Для разложения пробы при анализе крови и тканей человека мето-
дом ААС предложен способ выделения селена из биообъектов, основан-
ный на сжигании пробы в токе кислорода и водяного пара.
Мокрая минерализация во многих случаях удобнее сухой: уменьша-
ется вероятность потерь легколетучих форм определяемых микроэле-
ментов. Для растворения некоторых соединений их достаточно обрабо-
тать кислотой при температуре ее кипения. При этом легколетучие
кислоты и аммиачная вода обычно очищаются дистилляцией. Для ана-
234 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
лиза применяют свежеперегнанные кислоты. В качестве материалов
для реакционных сосудов обычно используют высокочистый кварц,
фторопласт, стеклоуглерод.
Минерализация биообъектов смесью азотной и серной кислот: подго-
товленный для минерализации объект помещают в колбу Кьельдаля вме-
стимостью 500—800 мл и заливают 75 мл (из расчета на 100 г биологиче-
ского материала) смеси из равных объемов дистиллированной воды,
серной и азотной кислот. Над колбой, закрепленной в штативе на рассто-
янии 1—2 см от асбестовой сетки, помещают делительную воронку, со-
держащую азотную кислоту (1:1). Колбу нагревают сначала очень осто-
рожно во избежание обильного ценообразования, выброса и испарения.
Во избежание потерь легколетучих элементов и внесения загрязне-
ния минерализация биопробы проводится в аналитических автоклавах —
герметически замкнутых химических реакторах. Использование авто-
клавов позволяет разлагать материалы, которые при атмосферном дав-
лении трудно или невозможно растворить. Кроме того, сокращается
расход реагентов и разложение ускоряется. При этом в зависимости от
задач подбирается автоклав, позволяющий осуществить всю серию про-
боподготовки от вскрытия, разделения, концентрирования и очистки
реагентов до передачи готовой аналитической формы в анализатор
(аналитический интерфейс).
Пробу помещают во внутреннюю тефлоновую камеру с крышкой,
добавляют растворяющие реагенты, закрывают камеру и герметизиру-
ют в металлическом корпусе, помещают в электронагреватель и выдер-
живают в выбранном температурном режиме. После охлаждения до
комнатной температуры автоклав подвергают разгерметизации. Полу-
ченный раствор анализируют.
Еще более эффективным способом минерализации является приме-
нение специальных тефлоновых камер (бомб), которые вместе с пробой
и реагентами-окислителями помещают в микроволновые печи, т.е. ми-
нерализация происходит при повышенном давлении и температуре при
воздействии микроволнового излучения (табл. 10).
Подготовленный для минерализации объект помещают в тефлоновый
сосуд, добавляют смесь кислот-окислителей (см. гл.1, ч.З). Сосуд закры-
вают плотно завинчивающейся крышкой и помещают в микроволновую
печь на срок, соответствующий интенсивности выбранного излучения.
При окончании процесса деструкции биоматериала образуется про-
зрачная желтая или бурая жидкость. После окончания процесса мине-
рализации полученный раствор обычно бесцветен или имеет слабо-
желтую окраску.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 235
Таблица 10. МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ОКИСЛИТЕЛЯМИ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ (по R.K. Muller)
Реагент Образцы Особенности применения
H2SO4 + HNO3 Растительные Опасность потери As, Se, Hg и других летучих элементов
H2SO4 + Н2О2 Растительные Потеря Pb, Se
HNO3 Биоматериалы Быстрое озоление в специальных контейнерах: автоклавах при температуре 350° С, тефлоновых сосудах в микроволновой печи
HNO3 + н2о2 Биоматериалы Быстрое озоление некрупных образцов при низкой температуре
нсю4 Биоматериалы В качестве катализатора добавляют (NH4)2MoO4
H2SO4 + нсю4 Биоматериалы Только для очень маленьких образцов. Опасность взрыва (НС1О4)
HNO3 + нсю4 Белки (но не липиды) Возможна потеря РЬ
H2SO4 + HNO3 + НС1О4 (универсальный реагент) Любые биоматериалы, включая жиры Могут быть потеряны As, Sb, Hg, Au, Fe и некоторые другие элементы. Минерализация при нагревании
Н2О2 + Ее2+ Многие образцы, за исключением жиров, пластмассы Озоление происходит за счет °ОН- радикалов при температуре 100° С при минимальной потере летучих элементов. Минерализация крупных образцов для контроля уровня радиоактивности
Источники погрешностей при разложении веществ. Вероятность по-
грешностей при анализе особенно велика на стадии разложения пробы.
Погрешности вызваны потерями пробы или ее компонентов, а также за-
грязнениями.
Потери пробы в результате разбрызгивания и распыления. Если при
растворении пробы выделяются пузырьки газа или пробу растворяют
236 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
при кипячении, то всегда возможно разбрызгивание раствора. Потери в
результате разбрызгивания уменьшаются при использовании для рас-
творения колбы Кьельдаля или обычного химического стакана, закры-
того часовым стеклом. Потери от разбрызгивания исключаются при ис-
пользовании колбы Кьельдаля с пробкой из хлопковой ваты или колбы
с гидравлическим затвором, через который выходят газы.
Потери летучих соединений. Соединения легколетучих кислот, на-
пример галогеноводородных, кислоты H2S, HCN, HSCN, ангидриды
кислот SO2, СО2, а также ряд других неорганических и органических
соединений могут быть потеряны при растворении пробы. В элемент-
ном виде могут улетучиваться Н2, N2, О2, CI2, Вгг, I, Hg, в виде гидри-
дов — С, Si, N, Р, As, Sb, S, Se, Те, в виде оксидов — С, S, N, Re, Os, Ru,
в виде галогенидов — Ge, Sb, Sn, Hg, As, В, Si, в виде оксихлоридов —
Сг, Se, Те.
Потери летучих соединений можно предотвратить, используя замк-
нутые системы при пробоподготовке. В некоторых случаях достаточно
проводить разложение в колбе с обратным холодильником.
Потери в результате сорбции. При длительном хранении очень разба-
вленных растворов их концентрация постоянно уменьшается, что обу-
словлено различными причинами. После выщелачивания ионов ще-
лочных металлов с поверхности стеклянных сосудов, помимо обычной
физической абсорбции, на поверхности стекла могут протекать реак-
ции осаждения и ионного обмена.
На поверхности пластмасс или бумаге возможны адсорбция, ион-
ный обмен, восстановление [например, золота (III)], диффузия в твер-
дую фазу и некоторые химические реакции ионов [например, ртути (II)
или серебра (I)].
При определении микропримесей следует иметь в виду возможность
десорбции сорбированных соединений или ионов с поверхности сосу-
дов. Компоненты, сорбированные из одной пробы, могут перейти в
раствор при повторном использовании посуды и загрязнять другую
пробу. Это особенно относится к посуде из пластмасс, так как газы и не-
полярные соединения могут сорбироваться и выделяться этими матери-
алами, а также диффундировать через них.
Погрешность анализа, обусловленную сорбцией, можно исключить
путем подбора материала сосуда. Например, не следует хранить раство-
ры неполярных неорганических соединений в пластмассовых сосудах.
Холостой опыт. Поправка, определяемая в холостом опыте, может
быть вызвана неочищенными реагентами или растворителями, загряз-
нениями материалом сосуда, использованием грязной посуды, соеди-
Глава 2. О Современные методы анализа... О 237
нениями, присутствующими в воздухе (включая пыль), а также в газах
пламени, используемого в спектральном анализе.
Теоретически всегда существует вероятность загрязнения пробы мате-
риалом химической посуды. Обычно для проведения анализов выбирают
посуду из химически инертных по отношению к применяемым реагентам
материалов, поэтому загрязнения могут быть заметными лишь при опре-
делении микропримесей или при работе с малыми количествами пробы.
Грязная посуда является основным источником погрешностей ана-
лиза. Тигли могут содержать остатки растворов или плавов от предыду-
щих анализов. Кварц содержит Al, Fe, Mg, Na, Ti, Sb, которые в следо-
вых количествах могут переходить в анализируемое вещество. При
определении микропрймесей рекомендуют применять посуду из опти-
ческого кварца (например, «Spektrosil»).
При выпаривании жидкостей при мокром окислении образцов, особен-
но биологического происхождения, возможно нежелательное вспенивание
раствора, которое предотвращают различными способами. Вспенивание
при разложении растительных материалов кислотой-окислителем снижа-
ется, если образец обрабатывают некоторое время концентрированной
азотной кислотой (10 мл кислоты на 1 г пробы). По рекомендациям других
исследователей, пробу, смоченную концентрированной азотной кислотой
(2 мл кислоты на 2 г проб), следует оставлять на ночь. Иногда перед мокрым
озолением можно обуглить органическое вещество при 300 — 400°С.
Концентрирование микропримесей. За операцией разложения пробы
обычно следует операция концентрирования микропримесей, в резуль-
тате которой увеличивается отношение содержания микрокомпонента
(примеси) к содержанию макрокомпонента (основы). Основные мето-
ды концентрирования — экстракция, сорбция, электролитическое вы-
деление и др. При анализе биологических объектов применяют сочета-
ние различных методов разложения и концентрирования. Например,
Al, Со, Сг, Мп, Mo, Ni и Vопределяли в сыворотке крови с использова-
нием электротермической ААС следующим образом. Пробу заморажи-
вали при -20°С и проводили сублимационную сушку. Высушенную про-
бу озоляли в муфельной печи, выдерживая по 1 ч при температурах 100,
150, 200, 250°С и в течение ночи при 480°С. Остаток растворяли в HNO3
(1:20) и вносили в электротермический атомизатор.
Можно привести примеры минерализации в сочетании с экстракци-
ей. При анализе растительных материалов на содержание Со, Мп, Мо,
Ni, Pb, V и Zn воздушно-сухую пробу массой 10 г озоляли 16—18 ч при
430—450°С, сухой остаток растворяли в НО. Осадок силикатов от-
фильтровывали, обрабатывали смесью HF и H2SO4, растворяли в НС1 и
238 0 Часть 3. Q Аналитическая токсикология
смешивали с фильтратом. Прибавляли сульфосалициловую кислоту и
аммиак до pH 4,8, осаждали микропримеси в виде пирролидиндитио-
карбаминатов, добавляли хлороформ до полного растворения осадка,
встряхивали смесь и отделяли органический слой. Экстрат смешивали с
графитовым коллектором, упаривали досуха, прокаливали 30 мин при
450°С и анализировали методом АЭС.
При атомно-абсорбционном определении свинца в растениях пробу
высушенного и измельченного материала растворяли последовательно
в HNO3 и НСЮ4, упаривали раствор, остаток растворяли в воде. Затем
хлороформом экстрагировали микроэлемент в виде пирролидиндитио-
карбамината.
Мышьяк в объектах растительного происхождения (плоды и листья)
определяли путем его отделения от макроколичеств алюминия и щелоч-
ных металлов и экстракционного концентрирования из кислой среды в
виде йодида с последующим атомно-абсорбционным определением в
графитовом атомизаторе.
Минерализацию сочетают с сорбционными методами. При опреде-
лении Be, Hf, Nb, Та и Zr в растениях пробу минерализуют при 500°С,
растворяют сухой остаток. При pH 4,0 Hf, Nb, Та и Zr сорбируют на 50 мг
пирогаллолформальдегидной смолы в статических условиях, бериллий —
при pH 8,5—8,7. Концентрат смешивают с графитовым коллектором и
анализируют методом АЭС. При анализе сыворотки крови либо живот-
ных тканей для определения Cd, Со, Fe, Mo, Уи Zn пробу после мокрой
автоклавной минерализации нейтрализуют и выделяют Cd, Со, Mo, V
(pH 4,5) и Fe, Zn (при pH 8,0) на колонке, заполненной комплексооб-
разующим сорбентом с дитиокарбаминатными группами. Сорбент раз-
лагают пероксидом водорода и азотной кислотой, после чего анализи-
руют полученный раствор методом АЭС-ИСП.
При определении ртути в натуральном и порошковом молоке, горо-
хе, картофеле и тканях рыб гомогенизированную пробу разлагают в ав-
токлаве смесью равных объемов концентрированных HCJ, H2SO4 и
HNO3 в присутствии пероксида водорода при 85 °C в течение 2 ч. Затем
электролитически выделяют ртуть и определяют ее атомно-флуорес-
центным методом.
Предложен способ выделения и концентрирования селена из био-
объектов, основанный на сжигании пробы в токе кислорода и водяного
пара. Показано, что селен в различных степенях окисления эффектив-
но разделяется методом избирательного сорбционного концентрирова-
ния силикагелем. Достигнутые методом электротермической ААС пре-
делы обнаружения составили 3 • 10-5% по массе.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 239
4. Масс-спектрометрия элементного анализа
Масс-спектрометрия является одним из наиболее универсальных и
информативных методов анализа веществ. Сегодня этот метод анализа
используется во всех сферах человеческой деятельности (табл. 11).
Таблица 11. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАСС-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
(по данным фирмы «Finnigan»)
Область применения Объект анализа Метод анализа Определяемые компоненты Комментарии
Биохимия Дрожжи жх/мс/мс Протеом дрожжей Исследован 131 протеин
Клиническая химия Моча мс/мс Наркотики: мепередин, метадон, кокаин, бензойлектонин, нордиазепам, кодеин, морфин и др. Отсутствует влияние матрицы, пределы обнаружения 0,01 мг/л
Минеральная вода мс изотопный Изотопный состав водорода Определение места происхождения воды по изотопному составу водорода
Биологические жидкости исп-мс Следовые количества элементов Исследование про- фессионального риска и функцио- нальных нарушений
Косметика Зерно жх/мс Микотоксин — фумонизин В1 Определение низких концентраций в сложной матрице
Медицина Биологические жидкости человека мс/мс Гормоны: эстрон, эстрадиол Исследование балан- са липопротеинов в крови,гормональ- ная терапия. Достигнутые пределы обнаруже- ния 1 пг/мкл
Пищевые продукты Корма для скота жх/мс Витамин D Прямой анализ
Коньяк жх/мс Сиреневый альдегид, ванилин, эфиры высших кислот Изучение возраста и места изготовления коньяков и бренди
Мясные продукты жх/мс Кленобутерон Контроль ароматиче- ских стероидов в животноводстве
240 Q Часть 3. О Аналитическая токсикология
Продолжение табл 11
Область применения Объект анализа Метод анализа Определяемые компоненты Комментарии
Криминалистика Бивни слона исп-мс Следовые концентрации металлов Использование следовых концентраций металлов как трейсера нелегальных поставок слоновой кости
Моча гх/мс/мс Допинговые агенты: 19- норандростерон, эпиметендион, 3-гидроксисто- мазол Определяемый уровень 0,2 мг/мл
Моча гх/мс/мс Анаболические стероиды Предел обнаружения 1 мг/мл
Кровь гх/мс/мс Марихуана Однозначная иденти- фикация, предел обнаружения 1 мг/мл
Фармацевтика Биологические образцы МС/МС Дексаметазон, преднизолон Определяемый диапазон 0,01—0,5 мкг/мл
Токсикология Коровье молоко, почва гх/мс/мс 2,3,7,8-замешен- ные диоксины и фураны Определяемое содержание 2 пг/мкл
Экология Осадочные породы исп-мс Радионуклиды плутония Исследование источников ядерного загрязнения
Грунтовые и поверхност- ные воды жх/мс/мс Пестициды: фенилмочевина, метилкарбаматы, триацины Определяемые содержания 0,08—3,6 мг/л
Моча ИСП-МС Уран Мониторинг заражения окружающей среды обедненным ураном, используемым в современном вооружении
Примечание. ЖХ/МС — масс-спектрометрия с жидкостной хроматографией, ИСП-
МС — масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, ГХ/МС — масс-спектро-
метрия с газовой хроматографией, МС/МС — тандемная масс-спектрометрия.
Глава 2. Ф Современные методы анализа... Ф 241
Основное отличие масс-спектрометрии от других физико-химиче-
ских методов состоит в том, что оптические рентгеновские анализаторы
детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или ато-
мами, а масс-спектрометрия определяет сами частицы вещества (моле-
кулы, атомы) и основана на разделении атомов различных элементов по
отношению массы к заряду. Так как атомы различных элементов имеют
неодинаковую массу, их можно отличить друг от друга. В процессе ана-
лиза измеряется отношение массы частицы к заряду, для чего использу-
ются законы движения заряженных частиц материи в магнитном и
электрическом полях. Следовательно, для проведения масс-спектраль-
ного анализа необходимо прежде всего перевести нейтральные молеку-
лы и атомы, составляющие любое органическое или неорганическое ве-
щество, в заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется
ионизацией и по-разному осуществляется для органических и неоргани-
ческих веществ.
В целом масс-спектрометрию можно рассматривать как совокуп-
ность ионизации, разделения ионов по массам и регистрации образую-
щихся ионов.
4.1. Ионизация
Из множества методов ионизации для анализа органических соеди-
нений наиболее широко применяется электронный удар. Если анализи-
руется газообразное вещество, то поток его частиц (молекул, атомов)
вводят в источник ионов, где подвергают бомбардировке пучком элект-
ронов. Жидкость, твердое вещество для ионизации нужно перевести в
газовую фазу и затем подвергнуть бомбардировке электронным лучом.
При этом из нейтральных частиц выбиваются электроны и образуются
положительные ионы (реже электрон присоединяется к частице, что
приводит к образованию отрицательного иона). Если время жизни об-
разующегося молекулярного иона меньше 10*6 с, то он не достигает ре-
гистрирующего устройства. В этом случае фиксируются лишь продукты
распада молекулярного иона, время жизни которых превышает 10-6 с.
Этот процесс называется фрагментацией, а продукты распада — фраг-
ментарными, или осколочными ионами. Вид и количество образующихся
фрагментов строго соответствуют данной молекуле, их даже называют
«отпечатком пальцев». В результате этого процесса получается масс-
спектр — набор рассортированных по массам ионов, несущий инфор-
мацию о структуре анализируемой частицы.
Во избежание фрагментации используют мягкую химическую иони-
зацию. Источник ионов заполняется каким-либо газом, который иони-
242 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
зируется электронным ударом. Молекулы анализируемого вещества,
попадая в источник, превращаются в ионы, взаимодействуя с ионами-
реагентами или с медленными электронами. Образовавшиеся ионы не
разваливаются на мелкие фрагменты, в ряде случаев становятся боль-
ше, чем исходная молекула, в результате присоединения других ионов.
Этот метод дает меньше информации о структуре молекулы, зато позво-
ляет определить молекулярную массу.
Другим методом мягкой ионизации является полевая десорбция, ос-
нованная на образовании ионов в сильном электростатическом поле
(108 В/см). Полевая десорбция может происходить при низких темпе-
ратурах вплоть до 4 К с образованием молекулярных и квазимолекуляр-
ных ионов, которые получаются путем присоединения протона к моле-
куле анализируемого вещества.
Перечисленные методы используются для определения молекуляр-
ной массы и структуры тех органических веществ, которые легко пере-
ходят в парообразное состояние. В случае анализа термически нестой-
ких (тех, которые невозможно испарить без разложения) и
труднолетучих соединений используются специальные способы иони-
зации. Следует отметить, что к нелетучим соединениям относится боль-
шинство тяжелых органических молекул, а именно составные части
живой ткани (белки, ДНК), лекарственные вещества, токсины и т.д.
Для ионизации таких веществ в настоящее время применяют два
способа. Первый заключается в использовании матрицы. Оказалось,
что если большая нелетучая молекула изолирована от себе подобных
и окружена природными телами (изолирована в матрице), то ее мож-
но выбить из этого окружения без разрушения. Выбивание ионов
осуществляется лазерным лучом с поверхности мишени, на которую
нанесен образец со специально подобранной матрицей (глицерин).
Этот метод получил название лазерной десорбции в матрице (MALDI
от англ. Matrix Laser Desorption Ionization). Другой метод — электро-
распылительная ионизация (ESI от англ. Electrospray Ionization) — ос-
нован на взаимодействии сильного электростатического поля с по-
верхностью жидкости, которая вырывается под давлением из узкого
капилляра с огромной скоростью. В этой струе с оболочек молекул
срываются электроны, превращая их в ионы. Техника ионизации
MALDI и ESI в сочетании с современными масс-анализаторами по-
зволяет успешно определять такие молекулы, как т-РНК (транспорт-
ная РНК) — диапазон масс 25 000 а.е.м., ДНК для последовательно-
сти в 100 нуклеотидов в диапазоне 31 000 а.е.м., белок альбумин
массой 66 000 а.е.м.
Глава 2. О Современные методы анализа... G 243
В ряде случаев для анализа твердых веществ используют мощный ла-
зерный луч (лазерная абляция), который выбивает с поверхности иссле-
дуемого материала атомы сфокусированным потоком фотонов, в ре-
зультате чего происходит их ионизация. Для ионизации твердых
неорганических соединений, в большинстве случаев труднолетучих, ис-
пользуются другие способы. Так как энергии связи атомов неорганиче-
ских соединений значительно больше, чем органических, для иониза-
ции таких веществ необходимо использование более высоких энергий.
В случае анализа твердого вещества чаще всего применяют искровой или
лазерный способ ионизации. Пучок ионов получают при искровом разря-
де либо между двумя электродами, сделанными из анализируемого ма-
териала, либо между плоским электродом из исследуемого материала и
металлическим противоэлектродом в виде иглы. Источником возбуж-
дения искрового разряда служит высокочастотный генератор, обеспе-
чивающий высокое напряжение в несколько десятков киловольт. Воз-
никающий при искровом разряде плотный пучок электронов разрушает
поверхность пробы и переводит атомы пробы в ионизированную плаз-
му. В отличие от электронной бомбардировки газового потока, мы име-
ем дело со значительно более высокими энергиями электронов, способ-
ными разрушить любое твердое вещество.
4.2. Масс-анализаторы
Образовавшийся в источнике любого вида пучок ионов поступает в
масс-анализатор, где происходит разделение составляющих ионного пучка
по массе. Здесь магнитные и электрические поля заставляют заряженные
частицы (ионы) двигаться по индивидуальным траекториям (рис. 20).
Согласно физическим законам, при наложении магнитного поля за-
ряженные частицы ускоряются и движутся по изогнутым кривым, ради-
ус кривизны которых зависит от массы частиц. Эту зависимость можно
вывести следующим образом.
Рис. 20. Устройство масс-спектрометра.
Магнитное поле разделяет потоки ионов по различным траекториям
в соответствии с отношением масса/заряд ионов.
244 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
Потенциальная энергия иона zV превращается в кинетическую
энергию mv2/2.
В магнитном поле центробежная сила----уравновешивается цен-
тростремительной силой Hzv:
Из уравнения (2) находим зависимость радиуса кривизны от массы
частиц:
Преобразуя уравнения (1) и (3) для исключения v получим:
m Н2г2
z 2V ’
где m — масса иона; z — заряд иона; Н — напряженность магнитного
поля; г — радиус полуокружности; V — ускоряющий потенциал.
При некотором постоянном магнитном поле поток ионов, содержа-
щий ионы с одинаковым соотношением масса/заряд, попадает на кол-
лектор. Здесь при разряде ионов возникает ток, пропорциональный ко-
личеству ионов с соответствующей массой. Путем изменения
магнитного поля на коллектор переводят потоки ионов с другим отно-
шением масса/заряд.
Детектор
Ионный
источник
Квадрупольный
фильтр
Рис. 21. Устройство квадрупольного масс-спектрометра.
Глава 2. Q Современные методы анализа... О 245
В квадрупольном масс-спектрометре (рис. 21) разделение по массе
достигается иным образом. Четыре постоянных магнита образуют вы-
сокочастотное электрическое поле.
Когда пучок ионов попадает в это поле, только ионы с определен-
ным отношением m/е имеют стабильную траекторию и регистрируются
коллектором. Детектирование пучков с различным отношением ш/е
проводят варьированием электрического поля.
Сложнее и имеют лучшие характеристики приборы с двойной фокуси-
ровкой, в которых используется комбинация магнитного и электростати-
ческого полей (рис. 22). Ионы, имеющие одинаковую энергию, но раз-
личную массу, входят в магнитное поле перпендикулярно его
направлению и пролетают по круговым траекториям, радиусы которых за-
висят от массы. Разделение по массам обеспечивается помещением вход-
ной щели позади магнитного поля в точке фокуса, что приводит к детек-
тированию специфической массы. Любое распределение по энергиям
будет ухудшать разрешение, поэтому используется дисперсия энергии
электрического поля, точно компенсирующая дисперсию энергии магни-
та так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и элект-
ростатический анализаторы способны к угловому фокусированию, и их
комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам, и по энергиям.
Рис. 22. Устройство масс-спектрометра с двойной фокусировкой.
1 — ИСП-источник ионов; 2 — интерфейс с передающей и фокусирующей оптикой;
3 - электромагнит; 4 — электростатический сектор; 5 — электронный умножитель;
6 — конверсионный диод; 7 — выходная щель.
246 0 Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
В настоящее время все большую популярность приобретают время-
пролетные масс-анализаторы, в которых заряженные частицы движутся
в бесполевом пространстве. Ионы из источника разгоняются электриче-
ским полем, приобретая достаточно большую кинетическую энергию, и
вылетают в бесполевое пространство. На входе в это пространство все
ионы имеют одинаковую кинетическую энергию Е = mv2/2, в зависимо-
сти от массы будут двигаться с разными скоростями и в разное время до-
стигнут детектора, который расположен в конце трубы их пролета.
Измерив время пролета, можно посчитать массу зарегистрирован-
ных ионов. Все процессы происходят за миллионные доли секунды. Та-
кой масс-спектрометр является экспресс-анализатором. Другое его
преимущество — возможность определять широкий диапазон масс, в
том числе очень больших органических молекул.
Для обеспечения беспрепятственного движения ионов внутри масс-
спектрометра необходим глубокий вакуум. С ионного источника до де-
тектора масс-спектрометр представляет собой вакуумный прибор. В про-
тивном случае анализируемые ионы будут сталкиваться с частицами
посторонних газов, рассеиваться, рекомбинировать и менять свою тра-
екторию. На современных моделях достигается разрежение 10*7 Па.
4.3. Детектор
После ионизации и разделения исследуемых частиц вещества про-
исходит их регистрация на детекторе. Это может быть фотопластинка
с чувствительной эмульсией (масс-спектрограф). В настоящее время
используют электронные умножители (масс-спектрометр). Кроме то-
го, используются многоканальные диодные матрицы и коллекторы,
собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства. Реги-
стрирующее устройство связано непосредственно с компьютером, ко-
торый проводит обработку результатов и управляет масс-спектромет-
ром в целом.
Основными характеристиками масс-спектрометров являются диа-
пазон измеряемых масс, разрешающая способность и чувствитель-
ность. В наиболее распространенных и недорогих приборах диапазон
измеряемых масс лежит в интервале от 500 до 1500 а.е.м. Болеедорогие
масс-спектрометры с двойной фокусировкой имеют диапазон изме-
ряемых масс, превышающий 10 000 а.е.м. Для простоты будем рас-
сматривать связанную с чувствительностью характеристику — предел
обнаружения (минимально определяемое количество вещества).
Масс-спектрометрия имеет рекордно низкие пределы обнаружения
(рис. 23) на уровнях ppq.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 247
Под разрешающей способностью (разрешением) понимают способ-
ность анализатора разделять ионы с близкими массами. Разрешение по
массам R определяется:
R = —
Am
где Am — разность масс соседних пиков одинаковой интенсивности на
массах m и (m + Ат), которые регистрируются отдельно при условии,
что их перекрывание не будет превышать 10% полусуммы их интенсив-
ностей (уровень фона).
Поскольку интенсивности соседних пиков редко бывают одинако-
выми (квадрупольные, времяпролетные анализаторы), то разрешение
имеет другое определение. При этом Ат приравнивается к ширине пи-
ка в точке его профиля, которая соответствует 50% его высоты. Шири-
на пика на полувысоте, равная единице, означает, что масс-анализатор
способен различать номинальные массы, отличающиеся на единицу во
всем рабочем диапазоне. Номинальной массой, или массовым числом,
называют ближайшее к точной массе иона целое число в шкале атом-
ных единиц массы. Например, масса иона водорода Н+ равна 1,00787
а.е.м., а его массовое число равно 1. Анализаторы, которые измеряют
номинальные массы, называют анализаторами низкого разрешения
Рис 23. Пределы обнаружения элементов
методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой,
ppq — одна частица на квадрильон (IO15); ppt — одна частица на триллион (1012).
248 0 Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
(квадрупольные). К анализаторам высокого разрешения, позволяющим
добиться разрешения до нескольких тысяч, относятся масс-спектро-
метры с двойной фокусировкой и времяпролетные.
Необходимо подчеркнуть, что теоретическая величина разрешаю-
щей способности является только приблизительной оценкой, так как в
большинстве случаев интенсивности интерферирующих сигналов (по-
мех) превышают интенсивности анализируемых пиков на порядки.
Возможные причины спектральных помех:
— изобарные атомные ионы. Изобарные наложения существуют вслед-
ствие того, что изотопы различных элементов совпадают по номинальной
массе. Для каждого элемента, за исключением индия, может быть найден
по крайней мере один изотоп, свободный от изобарного наложения, но эти
изотопы в большинстве случаев не являются интенсивными;
— многозарядные ионы. Вклад в масс-спектр дают главным образом
двухзарядные ионы основных компонентов матрицы и многозарядные
ионы, образующиеся в процессах перезарядки с участием аргона;
— наложения больших сигналов. Очень интенсивные сигналы со-
седних ионов, которые дают элементы матрицы, приводят к значитель-
ному искажению аналитического сигнала, когда изотопическая чувст-
вительность недостаточна;
— полиатомные ионы. Полиатомные ионы создают наиболее серьез-
ные проблемы. Наложения полиатомных ионов могут вызываться са-
мим анализируемым образцом. Например, оксиды могут оставаться не-
разрушенными после прохождения через горячую зону плазмы из-за
высокой энергии связи. Это могут быть наложения примесей, внесен-
ных в процессе химической пробоподготовки или из воздуха.
Наиболее яркий пример спектральных наложений наблюдается при
определении 75As в том случае, когда в анализируемом образце присутству-
ет хлор (в ввде соляной кислоты для разложения пробы). Мышьяк являет-
ся моноизотопным элементом. Для измерений никакого альтернативного
изотопа выбрать нельзя, а необходимое разрешение должно быть увеличе-
но до 7800. Однако для разделения пиков ионов 40Са+ (39,962591 а.е.м.) и
40Аг+ (39,962384) необходимо разрешение R = 39,962591/(39,962591 —
39,962384) = 193057, которое технически неосуществимо.
4.4. Разновидности масс-спектрального анализа
Очевидно, что масс-спектрометрия с различными источниками ио-
нов и масс-анализаторами является универсальным методом исследо-
вания, позволяющим анализировать твердые, жидкие и газообразные
вещества. Масс-спектры неорганических веществ малолинейчатые и
Глава 2, 0 Современные методы анализа... О 249
простые по сравнению со спектрами органических веществ со сложной
структурой. При развитии метода за последние 20 лет на первом этапе
органическая масс-спектрометрия вытеснила неорганическую, а теперь
на первое место выходят масс-спектральные исследования больших мо-
лекул. Особый интерес вызывают природные соединения, пептиды и
протеины, полисахариды и полинуклеотиды.
Для анализа жидкостей применяется высокоэффективная масс-
спектрометрия с формированием ионного пучка в индуктивно-связан-
ной плазме. Этот метод сочетает низкие пределы обнаружения с хоро-
шей воспроизводимостью результатов.
Если источником ионов служит электронная пушка, масс-спектро-
метр применяют для анализа газовых или парогазовых сред. Из-за ме-
шающего влияния высокого парциального давления основы прямой
масс-спектральный анализ не дает хороших результатов. Для достиже-
ния пределов обнаружения примесей на уровне 10"6—10-7% предвари-
тельно концентрируют примеси.
Природа и человек создали неисчислимое многообразие органиче-
ских соединений сложной структуры, представляющих собой много-
компонентные смеси. Например, показано, что запах курицы создают
400 индивидуальных органических соединений. Можно представить се-
бе, с какими трудностями придется столкнуться при попытке расшиф-
ровать масс-спектр такого образца.
Для решения таких задач используют гибридные методы, сочетаю-
щие масс-спектрометрию с выделением и концентрированием. Сочета-
ние газовой хроматографии с масс-спектрометрией дает метод ГХ/МС,
с помощью которого сложную трехсоткомпонентную смесь можно раз-
делить и идентифицировать компоненты, если даже содержание ком-
понентов в пробе составляет около 10“12 г. При хроматографии проис-
ходит предварительное разделение исходной сложной смеси на
относительно простые фракции.
Некоторые органические соединения невозможно разделить с помо-
щью газовой хроматографии, но можно с помощью жидкостной хрома-
тографии (ЖХ/МС).
Если газовый или жидкостный хроматограф сочетают с масс-спект-
рометрическим детектором, то возможности системы увеличиваются
экспоненциально. Полученные спектры дают информацию о качест-
венном и количественном составе пробы, позволяя идентифицировать
структуру вещества.
Первым шагом при хромато-масс-спектрометрическом анализе обыч-
но бывает сканирование по всему диапазону масс (рис. 24). Идентифици-
250 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
рование проводят с помощью библиотеки спектров, чаще всего заложен-
ной в память ЭВМ, которая одновременно и управляет работой детектора
Следующий шаг — качественный анализ, для чего используют реги-
страцию отдельных ионов. Чтобы исследовать только несколько видов
ионов и тем самым повысить чувствительность, применяют фильтр.
Наконец, суммируют все осциллограммы по отдельным ионам и на-
носят на диаграмму с единым масштабом времени (рис. 25), чтобы по-
лучить хроматограмму по всем ионам в пробе.
Пример применения хромато-масс-спекгрометрии для разделения
смеси лекарственных веществ приведен на рис. 26.
Другим примером гибридных методов является тандемная масс-спек-
трометрия (МС/МС), когда масс-анал изаторы выстраиваются друг за дру-
гом. При анализе сложной органической молекулы ее разрывают на фраг-
менты и выделяют в первом масс-анализаторе те, которые представляют
интерес. Во втором масс-анализаторе эти фрагменты разбивают на более
мелкие и сортируют по массам. Однако последовательных масс-анализа-
Рис. 24. Масс-спектр всего диапазона измеряемых масс.
Рис. 25. Образец хроматограммы по всем ионам
Глава 2. <> Современные методы анализа... О 251
1. Барбитал
2. Пентобарбитал
3. Дифенгидрамин
4. Фенобарбитал
5. Метаквалон
6. Кодеин
7. Морфин
8. Хинин
9. Галоперидол
10. Стрихнин
15 20 Время, мин
Рис. 27. Хроматограммы стандарта (а, в) и реального образца (б, г)
по полному спектру (а, б) и МС/МС (в, г).
Рис. 26. Масс-спектры ряда лекарственных веществ.
б Стандарт
мс/мс
ИС - 2,3,7.8-TCDF
Молочный экстракт
МС/МС
17.5 18,0 18,5 19,0 19,5 20.0
Время (мин)
252 0 Часть 3. О Аналитическая токсикология
торов иногда недостаточно для того, чтобы расшифровать структуру моле-
кул. В этом случае используют ионные ловушки, с помощью которых
можно удерживать представляющие интерес ионы, а остальные выбро-
сить из нее (рис. 27). Оставшиеся в ловушке ионы можно подвергнуть де-
струкции (управляемая фрагментация), зарегистрировать их, оставить в
ловушке те, которые представляют интерес, остальные выбросить и т.д.
4.5. Особенности масс-спектрального анализа
Масс-спектрометрия с рекордно низкими пределами обнаружения
позволяет идентифицировать и количественно определять очень малые
(следовые) содержания. Однако при анализе реальных образцов чрез-
вычайно низкие пределы обнаружения достижимы далеко не всегда.
Приходится учитывать многие факторы, искажающие измерение —
атмосферный фон, поверхностные загрязнения, матричный эффект и др.
Особые требования при проведении масс-спектрального анализа
предъявляются к чистоте химической посуды, реактивов, лабораторных
помещений, которые могут стать источниками неконтролируемых за-
грязнений с сильным искажением результата. Необходимо использова-
ние реагентов марки ос.ч., металлы должны содержать не менее 99,99 %
основного компонента.
При анализе растворов погрешность взвешивания должна быть не
более 0,00002 мг, а мерная посуда иметь 1 -й класс точности. Мерную по-
суду необходимо ежегодно калибровать и изымать из обращения в слу-
чае неудовлетворительного результата калибровки.
Для хранения проб используют посуду из полиэтилена низкого дав-
ления с притертой пробкой. Стеклянная посуда может сорбировать и
десорбировать некоторые элементы (As, Se, Al) в качестве своеобразно-
го ионообменника.
5. Иммунохимические методы анализа
в химико-токсикологических исследованиях
5.1. Общая характеристика иммунохимических методов анализа
Иммунохимические методы анализа, основанные на специфическом
связывании определяемого соединения соответствующими антителами,
широко вошли в практику химико-токсикологических исследований. Им-
мунохимические методы определения лекарственных и наркотических ве-
ществ высокочувствительны, имеют групповую специфичность, просты в
исполнении, позволяют одновременно исследовать большое число проб
без специальной подготовки и потому удобны для скрининг-диагностики.
Глава 2. О Современные методы анализа... О 253
Иммунохимическая реакция в растворе между антителами и антиге-
нами — сложный процесс, протекающий в несколько стадий. На пер-
вом этапе происходит образование комплекса антиген — антитело. Об-
разовавшийся комплекс в растворе можно идентифицировать, если в
один из исходных компонентов реакционной системы ввести метку, ко-
торая легко детектируется соответствующим высокочувствительным
физико-химическим методом.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ИММУНОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
Иммунохимическмй метод Способ детектирования
Радиоиммунный анализ (РИА) Иммуноферментный анализ (ИФА) Поляризационный флуороиммуноанализ (ПФИА) Иммунохроматографический анализ (ИХА) Металлоиммуноанализ Рефрактометрический иммуноанализ Радиоактивность Ферментативная активность Интенсивность флуоресцентной поляризации Образование окрашенного комплекса в тест-зоне Атомные спектры поглощения Преломление света
Весьма удобны для этой цели радионуклидные, ферментные, флуо-
ресцентные, парамагнитные метки, использование которых дало воз-
можность увеличить чувствительность иммунохимических методов в
миллионы раз и значительно сократить время анализа. Новые иммуно-
химические методы с применением меченых реагентов используют для
количественного определения биологически активных соединений от
низкомолекулярных гормонов до высокомолекулярных вирусов и це-
лых клеток.
Классические методики иммунохимического анализа основаны на
образовании осадка в присутствии антигена (иммунный комплекс). За
этим процессом обычно наблюдают визуально и обнаруживают или
полуколичественно определяют относительно высокие концентрации
компонентов. Такой вариант иммунохимического анализа длителен и
трудоемок. Примером является реакция флоккуляции (преципитации)
для определения количества антигенных единиц в профилактических
препаратах — анатоксинах. Если раствор антигена в определенном со-
от-ношении смешать с антисывороткой, то образуется преципитат
(рис. 28).
254 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
Осаждение
иммуннных
комплексов
Рис. 28. Образование иммунных комплексов при реакции преципитации.
Как следует из кривой преципитации, по мере добавления антигена
сначала достигается оптимум (равное соотношение антитело:антиген),
а затем количество образующегося преципитата постепенно уменьша-
ется. Рассматриваемый метод можно использовать преимущественно
как качественный, что является его несомненным недостатком. Опре-
деление малых содержаний комплекса антиген—антитело, образовав-
шегося в растворе, становится возможным, если:
— использовать антитела строгой специфичности. В современной
иммунохимии применяется технология получения гибридом клеток,
продуцирующих моноклональные антитела. Такие антитела обеспечи-
вают идентификацию инсулина, гормонов и ряда других веществ;
— в антиген или антитело ввести метку, которая легко детектируется
соответствующим высокочувствительным инструментальным методом.
Поскольку комплекс определяемого соединения (антигена) и специфиче-
ского антитела образуется строго стехиометрично, экспериментально оп-
ределяется количество метки, входящей в состав образующегося иммуно-
химического комплекса, которая соответствует концентрации антигена.
Для проведения такого анализа необходимо эффективное отделение
комплексов от свободных компонентов. Это достигается, если антиген
либо антитело иммобилизовать на твердом носителе. Иммобилизация по-
зволяет предотвратить агрегацию в растворе и разделить иммунные комп-
лексы и свободные компоненты. Возможность прочного связывания ан-
тигенов или антител на носителе с сохранением их способности к
Глава 2. Ф Современные методы анализа... О 255
специфическому образованию и ммунных комплексов способствовала по-
явлению и развитию твердофазных иммунохимических методов, широко
используемых в настоящее время в химико-токсикологическом анализе.
Наибольшее развитие получил радиоиммунный анализ (РИА), пред-
ложенный в конце 50-х годов. Возможность определять метку радиону-
клида 1251 в очень малых концентрациях значительно повысило чувст-
вительность анализа (на уровне пикограммов в миллилитре).
Разработка первого варианта РИА стала поворотным пунктом в разви-
тии методов с использованием других радионуклидов. Наряду с несом-
ненными достоинствами РИА имеет недостатки:
— ограниченный срок жизни радиоактивной метки, что требует по-
стоянной замены реактивов;
— относительно дорогое специальное оборудование для регистра-
ции радиоактивности;
— возможность радиоактивного загрязнения окружающей среды
при осуществлении большого числа анализов;
— необходимость соблюдения специальных мер предосторожности
и высокой квалификации обслуживающего персонала.
Эти трудности побудили исследователей к поиску методов, альтер-
нативных РИА, но сохраняющих его высокую чувствительность, специ-
фичность и экспрессность.
Для идентификации и локализации антигенов в гистохимических пре-
паратах и выявления полос преципитации в иммунодиффузионных и им-
муноэлектрофоретических методах стали использовать метод иммунофер-
ментного анализа (ИФА) с высокочувствительной меткой — молекулами
ферментов. Как мощные химические катализаторы ферменты способны
эффективно осуществлять наработку легко детектируемого продукта, что
делает возможным определение ферментной метки в весьма малых кон-
центрациях (менее 10"12 М). Как правило, используют различные оксида-
зы, участвующие в окислении субстрата с образованием окрашенных про-
дуктов. По интенсивности окраски судят, например, о присутствии и
количестве наркотического вещества в анализируемой пробе. По технике
выполнения различают два типа ИФА: гомогенный и гетерогенный.
Гомогенный ИФА основан на различиях каталитических свойств фер-
ментной метки в свободном виде и в иммунохимическом комплексе. В го-
могенном ИФА все компоненты реакции — антитела (антисыворотки),
определяемое вещество, меченое определяемое вещество (конъюгат), хро-
могенный субстрат образуют гомогенную фазу и находятся в растворе.
На первой стадии гомогенного ИФА в реакционной среде присутст-
вуют одновременно аликвота анализируемой биопробы, конъюгат (оп-
256 Ф Часть 3. О Аналитическая токсикология
ределяемое вещество с ферментной меткой) и антитело (антисыворот-
ка) (рис.29). Вследствие обратимости реакции связывания антитело —
антиген определяемое вещество биопробы (гаптен) и конъюгат (мече-
ный гаптен) конкурируют между собой за ограниченное число центроь
связывания антитела.
На второй стадии анализа к реакционной смеси добавляется хромо-
генный субстрат, который под действием фермента-метки претерпевает
химическое превращение с образованием окрашенного продукта. Ок-
раска регистрируется визуально или спектрофотометрически. Фермент
меченого антигена, связанного с антителом, не обладает каталитиче-
ской активностью из-за пространственных затруднений (блокируется
доступ субстрата к активному центру фермента).
Интенсивность окраски анализируемого раствора после добавления
субстрата прямо пропорциональна концентрации не связанного с анти-
телом меченого гаптена, т. е. пропорциональна содержанию ксенобио-
тика в биопробе.
Гомогенный ИФА более экспрессный, занимает от 1 до 30 мин, вклю-
чая обработку результатов. Предел обнаружения составляет 10б г/мл.
В дальнейшем термин «гомогенный иммуноанализ» стали применять
к любой системе иммуноанализа, в которой специфическая реакция вза-
имодействия антигена с антителом протекает в растворе. Отсутствие ста-
дии разделения свободного и меченого анализируемого соединения
привело к сокращению продолжительности анализа до нескольких ми-
нут. Это исключительно важное обстоятельство позволило разработать
диагностические иммуноферментные тест-системы экспресс-определе-
ния биологически активных соединений, нашедшие широкое примене-
ние в химической токсикологии, фармакологии, эндокринологии.
Антиген
Антиген,
меченный
ферментом
। (меченый антиген)
Антитело
2
Химически
неактивный
фермент
Химически
активный
фермент
Хромогенный субстрат
-------► Окрашенный продукт
Рис. 29. Стадии гомогенного иммуноферментного анализа.
1 — конкуренция антигена и конъюгата (меченного ферментом антигена)
за центры связывания антитела; 2 — ферментативное превращение
хромогенного субстрата в окрашенный продукт.
Глава 2. Ф Современные методы анализа... ф 257
Внедрение гомогенного мультиканального варианта ИФА способ-
ствовало созданию высокочувствительных методов количественного
определения как низкомолекулярных соединений, так и высокомоле-
кулярных антигенов: альбумина, иммуноглобулинов, гормонов, нар-
котических и лекарственных веществ, пептидных и стероидных гормо-
нов, вирусных и бактериальных антигенов, пестицидов, появилась
возможность изучать их фармакокинетику и метаболизм в организме.
Преимущества этого метода заключаются в возможности использова-
ния малых объемов анализируемого образца (5—50 мкл) и отсутствии
предварительной подготовки пробы.
Использование твердых носителей для сорбционной или ковалентной
иммобилизации антител с последующим специфическим связыванием
анализируемого соединения на иммуносорбенте и выявлением образо-
вавшихся иммунных комплексов с помощью меченных ферментами ком-
понентов положило начало методам твердофазного (гетерогенного) ИФА.
При проведении гетерогенного ИФА (рис.30) антитело иммобилизует-
ся на твердом носителе — на полистирольных планшетах, пробирках, бу-
Твердый Антитело
носитель
Химически
активный
фермент
-г Хромогенный субстрат
Окрашенный продукт
Рис. 30. Стадии гетерогенного иммуноферментного анализа.
1 — конкурентное связывание меченого и немеченого гаптенов с антителом,
иммобилизованным на твердой матрице; 2 — ферментативное превращение
хромогенного субстрата в окрашенный продукт после стадии отмывки.
258 Ф Часть 3. ф Аналитическая токсикология
сах. Кроме того, предусматривается стадия разделения реагирующих ком-
понентов, называемая отмывкой: после связывания гаптенов (меченого и
немеченого) с антителом на твердом носителе непрореагировавшие реа-
генты удаляются из реакционной смеси, например, 0,015 М раствором
цитрата натрия pH 7,0. Добавленный после отмывки хромогенный суб-
страт каталитически (при участии фермента гаптена, связанного с иммо-
билизованным на твердом носителе антителом) превращается в окрашен-
ное соединение. Если концентрация определяемого вещества в пробе
значительно превышает концентрацию гаптена, меченного ферментом,
хромогенный субстрат не образует окрашенных продуктов (положитель-
ный ответ). В гетерогенном методе ИФА в качестве метки наиболее часто
используют пероксидазу, р-галактозидазу, алколин-фосфатазу, реже аце-
тилхолинэстеразу, глюкоамилазу и ппокозооксидазу.
Гетерогенный ИФА высокочувствителен (IO-6—10-8 г/мл), но более
длителен (2—4 ч) по сравнению с гомогенным методом.
Поскольку на активность ферментов влияют многие факторы, воз-
можны ложноположительные и ложноотрицательные результаты ИФА.
В первую очередь необходимо исключить влияние химических ингиби-
торов ферментов: ионов тяжелых металлов (например, ртутьсодержащих
консервантов), антикоагулянтов (например, ЭДТА), некоторых метабо-
литов лекарственных веществ, загрязнений микроорганизмами и др.
Специфичность реакции может быть снижена присутствием ревматоид-
ного фактора, который дает положительную реакцию в отсутствие анти-
тел. Активность ферментов изменяется также под действием таких фак-
торов, как температура, разведение пробы, pH, присутствие солей
тяжелых металлов, антикоагулянтов, микроорганизмов. Анализируемые
биологические жидкости могут влиять на активность фермента-метки
(ионная сила и pH). При размораживании и повторном замораживании
биологической пробы происходит ее необратимое повреждение.
Для уменьшения вероятности ложноположительных результатов
ИФА используют в комбинации с соответствующими хроматографиче-
скими и другими подтверждающими методами анализа. В настоящее
время показана возможность использования ИФА при исследовании
трупного материала.
Еще один вариант иммуноанализа — флуороиммуноанализ (ФИА) с
использованием флуоресцентных меток. Потенциальная чувствитель-
ность флуоресцентных методов очень высока, но на практике она лими-
тируется сигналом фона, который может возникать из-за присутствия в
растворе других флуорофоров. Существует огромное количество как го-
могенных, так и гетерогенных разновидностей ФИА.
Глава 2. Ф Современные методы анализа... О 259
Наиболее удобным из гомогенных флуоресцентных методов ока-
зался поляризационный ФИА, основанный на измерении поляризации
флуоресценции. Впервые поляризационный флуороиммуноанализ
(ПФИА) быт применен для измерения гентамицина. В качестве метки
использовали флуоресцеин изотиокарбонат. Поляризацию флуорес-
ценции комплекса антитело—антиген, меченного трассером-флуорес-
цеином, замеряют прямо в растворе, используя особые свойства мет-
ки. Изменение степени поляризации испускаемого флуоресцентного
света зависит от степени связывания трассера с антителом. Известно,
что флуоресцеин поглощает голубой свет и флуоресцирует зеленым
после времени жизни в возбужденном состоянии примерно в течение
4 нс (4 • 10-9 с). Если молекулу флуоресцеина возбуждать плоскополя-
ризованным светом, то она также излучает поляризованный свет.
Флуоресцентная поляризация маленькой метки возрастает тогда, ко-
гда антиген свяжется с антителом и приобретет время вращательной
релаксации большой молекулы антитела. Поляризацию флуоресцен-
ции измеряют с помощью специальной оптической системы детек-
ции. Содержание ксенобиотика в образце может быть определено из
калибровочного графика зависимости значения поляризации от кон-
центрации. В странах ЕС и США даный метод широко используется
как для определения лекарственных веществ в крови, так и при конт-
роле злоупотреблений наркотическими и одурманивающими вещест-
вами (моча или плазма крови).
Перспективным вариантом иммуноанализа является иммунохрома-
тографический анализ (ИХА), который в литературе называют стрип-те-
стом (тест-полоска). В тест-зоне полоски нанесены искусственные ан-
тигены (аналогичные анализируемым веществам). Антитела к ним,
связанные с красителем, также нанесены на полоску у линии ее погру-
жения в исследуемый образец биожидкости. При погружении тест-по-
лоски в биожидкость происходит ее миграция по принципу ТСХ. Вме-
сте с биожидкостью движутся антитела. Если в биожидкости
отсутствует исследуемый антиген, то антитела доходят до искусствен-
ных антигенов, связываются с ними, и в тест-зоне появляется окраши-
вание. Если исследуемый антиген присутствует в биожидкости, он свя-
зывает антитела и окрашивания в тест-зоне не наблюдается. Отсутствие
или появление окрашивания в тест-зоне говорит о положительном или
отрицательном результате анализа соответственно.
В настоящее время выпускаются как стрип-тесты на отдельные груп-
пы наркотиков, так и мульти-тесты — на несколько групп одновремен-
но. Предел обнаружения для опиатов, метадона, кокаина, бензодиазе-
260 Ф Часть 3. Ф Аналитическая токсикология
пинов, барбитуратов составляет 300 нг/мл, каннабиноидов — 50 нг/мл,
метамфетамина — 500 нг/мл, амфетамина — 1 мкг/мл.
Недостатком этого метода, как и других иммунохимических мето-
дов, является кросс-реактивность.
5.2. Особенности применения
иммунохимических методов анализа в токсикологической химии
Наибольшее распространение в химико-токсикологическом анализе
наркотических и лекарственных веществ получили ПФИА, ИФА и РИА.
Наиболее чувствительным и удобным среди иммунологических ме-
тодов количественного определения наркотических и лекарственных
средств в биожидкостях является поляризационный иммунофлуорес-
центный анализ (ПФИА).
При проведении ПФИА для мониторинга лечения и определения
лекарственных и наркотических веществ при отравлениях широко при-
меняются зарубежные и отечественные анализаторы (например, поля-
ризационный флуоресцентный анализатор АФП-2, Россия, или автома-
тизированная система TDx, фирма "Эбботт", США).
Для поляризационного иммунофлуоресцентного анализа мочи с по-
мощью TDx -анализатора используют набор реагентов-стандартов:
опиаты, барбитураты, бензодиазепины, каннабиноиды, амфетамин-ме-
тамфетамин, амфетамин, метамфетамин, кокаин, метадон, фенцикли-
дин, эфедрин, фенобарбитал, барбамил.
Образцы мочи должны быть собраны в стеклянные флаконы, оп-
ломбированы и оформлены сопроводительными документами. Хранить
образцы мочи следует в холодильнике при температуре — 12—18°С в за-
мороженном состоянии. Перед выполнением анализа размороженные
образцы следует хорошо перемешать.
Методика проведения анализа включает несколько этапов — калиб-
ровку, собственно анализ, подтверждающий анализ. Для калибровки в
анализатор помещают 12 измерительных кювет и 12 картриджей (патро-
нов для образцов), в которые с помощью автоматической пипетки вно-
сят не менее 60 мкл каждого из 6 стандартов (по 2 параллельные пробы).
В анализатор вводят также набор реагентов для определения конкрет-
ного соединения или группы веществ. Калибровка проводится для каж-
дого нового набора реагентов, но не реже 1 раза в месяц.
Для анализа образцов мочи в карусель для анализа помещают необхо-
димое число измерительных кювет и катриджей, соответствующее числу
образцов (максимально 20 шт.). В катриджи вносят не менее 60 мкл ка-
ждого из образцов мочи. Прибор автоматически проводит анализ в тече-
Глава 2. Ф Современные методы анализа... Ф 261
ние 15—20 мин и выдает распечатку с указанием содержания анализиру-
емого вещества в образцах мочи.
При получении положительного результата, т.е. когда концентрация
анализируемого вещества превышает пороговую концентрацию, требу-
ется провести дальнейшее исследование образца мочи подтверждаю-
щими альтернативными методами: хромато-масс-спектрометрией,
ГЖХ, ВЭЖХ. При отрицательном результате дальнейшее исследование
на данное соединение или группу веществ не проводят.
Рассмотрим некоторые аналитические характеристики стандартных
реагентов, используемых в TDx-анализаторе:
— пределы обнаружения (нг/мл): опиаты — 25, барбитураты — 60,
каннабиноиды — 10, бензодиазепины — 40, амфетамин — 30, метамфе-
тамин — 25, эфедрин — 30, метадон — 10, фенциклидин — 5, кокаин —
30, фенобарбитал — 90, барбамил — 50;
— пороговая концентрация (достоверно устанавливаемая концентра-
ция вещества, нг/мл): опиаты — 200, баррбитураты — 500, каннабинои-
ды — 25, бензодиазепины — 200, амфетамин — 500, метамфетамин —
300, эфедрин — 500, метадон — 250, фенциклидин — 75, кокаин — 300,
фенобарбитал — 500, барбамил — 300.
Рассмотрим частные примеры использования иммунохимического
анализа при определении лекарственных и наркотических веществ.
Производные амфетамина. ИФА позволяет детектировать амфетамин и
метамфетамин в образцах мочи (предел обнаружения 1 мкг/мл). Для ам-
фетамина этот метод менее чувствителен, чем РИА, позволяющий опре-
делять вещество в моче в диапазоне концентраций от 0,25 до 0,5 мкг/мл.
Техника проведения анализа: в мочу (18—25° С), на 30—60 с опуска-
ют тест-полоску. По истечении указанного времени тест-полоску из-
влекают, помещают на ровную, чистую, сухую поверхность и через 5
мин визуально оценивают результат реакции.
При использовании любого иммунохимического метода важны пере-
крестные реакции определяемого соединения с другими лекарственными
веществами. Относительная реактивность представляет собой отношение
чувствительности определения данного соединения к чувствительности
определения другого при тех же условиях (при использовании одного и
того же набора реагентов, одного типа антител, конъюгата и т.д.).
Производные барбитуровой кислоты. ИФА барбитуратов позволяет
детектировать свободные барбитураты короткого (гексенал), среднего
(барбамил) и длительного (фенобарбитал) действия. Среди различных
методов детекции барбитуратов (ТСХ, ГЖХ, ультрафиолетовая спект-
рофотометрия, РИА й ИФА) наименьшая доля ложноположительных
262 Q Часть 3. 9 Аналитическая токсикология
результатов наблюдается при использовании ИФА (около 2% по срав-
нению с 3—4% для других методов). Кроссреактивность барбитуратов в
ИФА значительно ниже, чем амфетаминов. Содержание барбитуратов в
моче и сыворотке крови колеблется в одном диапазоне концентраций:
моча — 1—5 мкг/мл, сыворотка — 3 мкг/мл).
Производные 1,4-бензодиазепина. При ИФА 1,4-бензодиазепинов в мо-
че используют конъюгаты фермента с оксазепамом, поскольку это об-
щий метаболит для всех бензодиазепинов. Кроссреактивности с другими
лекарственными веществами не обнаружено, анализ высокоспецифичен,
предел обнаружения 0,5 мкг/мл. Достаточно большой период полувыве-
дения оксазепама и высокая чувствительность метода позволяют детек-
тировать метаболит спустя 48 ч после приема 10 м г диазепама и более.
Метаболиты кокаина. Основные метаболиты кокаина — бензоилэк-
гонин и экгонин — определяются в моче. Ввиду малой растворимости в
органических растворителях при использовании хроматографических
методов (ТСХ, ГЖХ) в ряде образцов не удается определить присутст-
вие метаболитов кокаина даже при поступлении в организм больших
доз наркотика. Процедура ИФА исключительно проста, предел обнару-
жения около 1 мкг/мл, анализ высокоспецифичен. Чувствительность
РИА выше — около 0,1 мкг/мл, но простота и доступность ИФА делают
его незаменимым при определении соединений этого класса.
Метадон. Обнаружение метадона основано на определении свобод-
ного метадона, неспецифично для метаболитов этого соединения. ИФА
позволяет детектировать 0,5 мкг/мл свободного метадона в моче, чувст-
вительность РИА приблизительно в 5 раз выше, а тонкослойной хрома-
тографии — в 4 раза ниже, чем ИФА. Преимущество ИФА состоит в бы-
строте и сравнительной простоте.
Опиаты. Иммунохимические методы не позволяют различать опиа-
ты индивидуально, поэтому для их идентификации обычно используют
методы газовой и тонкослойной хроматографии, флуориметрию. ИФА,
в отличие от ТСХ и ГЖХ, для определения опиатов в моче не требует
предварительного гидролиза. Метод разработан для детектирования
свободного морфина и конъюгатов морфина с глюкуроновой кислотой,
дающих перекрестные реакции с кодеином.
В заключение необходимо отметить, что ИХА находится в постоян-
ном развитии. С одной стороны, расширяется число объектов исследо-
вания, а с другой — углубляются и совершенствуются методики самого
анализа. Упрощается схема анализа, сокращается время его проведе-
ния, уменьшается расход реагентов. Идет постоянный поиск новых ве-
ществ, используемых в качестве маркеров.
Глава 1. О Наркотические вещества О 263
Часть 4.
ХИМИКО-
ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
КСЕНОБИОТИКОВ
ГЛАВА 1. НАРКОТИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Ключевые моменты:
• Психоактивные вещества — наркотики, психотропные лекарст-
венные средства, алкоголь, галлюциногены, никотин, летучие органи-
ческие вещества.
• Законодательные документы по хранению и использованию нар-
котических и психотропных веществ.
• Опиаты и опиоиды, каннабиноиды, кокаин — химико-токсиколо-
гическая характеристика.
1. Общая характеристика
отравлений психоактивными веществами
Вещества наркотического действия (наркотические вещества, нарко-
тики) — это вещества или лекарственные средства разных химических
классов, способные оказывать специфическое (стимулирующее, седа-
тивное, галлюциногенное и др.) действие на центральную нервную си-
стему, имеющие широкое немедицинское применение, законодательно
включенные в список наркотических веществ.
В литературе используется также термин «психоактивное вещество».
Психоактивное вещество способно давать психотропные эффекты —
эйфорию, возбуждение, галлюцинации, седацию, сон. Применение
психоактивных веществ приводит к эмоционально-позитивному состо-
янию и нейтрализует эмоционально-негативное состояние. Понятие
«психоактивное вещество» включает в себя наркотические, психотроп-
ные (лекарственные средства, действующие на ЦНС) вещества, а также
большую группу веществ, не относящихся к наркотическим или психо-
тропным, например табак и летучие органические растворители.
Психоактивные вещества вызывают токсикомании — заболевания со
стойким влечением к регулярному употреблению психоактивного ве-
щества для получения удовольствия, психологического или физическо-
го комфорта. Наркомания — частный случай токсикомании, связанный
с употреблением наркотических веществ. Патологические состояния,
264 <> Часть 4. Q Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
возникающие при этом, называются наркотической, лекарственной
или, более широко, химической зависимостью.
Систематическое употребление психоактивных веществ приводит к
хронической интоксикации. При хронической интоксикации психоак-
тивными веществами признаки зависимости могут возникать не сразу. То-
ксикоманическая интоксикация может иметь черты острого отравления:
нарушение сознания, появление галлюцинаций, неадекватное поведение,
патологические реакции сердечно-сосудистой и дыхательной систем.
Со временем развивается психическая зависимость — болезненное
влечение к употреблению психоактивных веществ с целью подавить со-
стояние психического дискомфорта, а также физическая зависимость —
явления абстиненции (синдром отмены) при прекращении употребле-
ния вещества. Синдром измененной реактивности организма означает
развитие толерантности к психоактивному веществу.
Универсальной классификации психоактивных веществ не сущест-
вует. Согласно Международной классификации болезней, токсикома-
нии разделяют в соответствии с психоактивным веществом: алкоголь,
галлюциногены, летучие растворители, седативные, снотворные веще-
ства, стимуляторы, включая кофеин, табак, опиоиды, каннабиноиды,
кокаин. В табл. 1 представлена классификация наиболее часто исполь-
зуемых психоактивных веществ.
Таблица 1. ПСИХОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА, НАИБОЛЕЕ ЧАСТО УПОТРЕБЛЯЕМЫЕ НАРКОМАНАМИ
№ Наркотик или лекарственное средство, фармакологическая группа Психоактивные вещества
1 Наркотические вещества
1.1 Опиаты Опий — смесь алкалоидов, меконовая кислота
1.1.1 Полусинтетическис опиаты Морфин, героин, кодеин, гидроморфин
1.1.2 Синтетические опиаты Меперидин, проксифен (дарвон), метадон
1.1.3 Антагонисты опия Налорфин, налоксон, апоморфин, лсваллорфан
1.1.4 Комбинированные опиаты, содержащие агонисты и антагонисты Пентазацин (тальвин), буторфанол, бупренорфин
1.1.5 Наркотические анальгетики, используемые в качестве лекарственных средств Морфин, омнопон, кодеин, промедол, фентанил, эстоцин, тилидин, пентазоцин, пиритрамид, тилидин, пентазацин
Глава 1. О Наркотические вещества 0 265
Продолжение табл. 1
№ Наркотик или лекарственное средство, фармакологическая группа Психоактивные вещества
1.2 Каннабис, индийская конопля (марихуана, травка, пот, план, анаша, шмаль, гашиш — смола листьев и стеблей индийской конопли) Смесь каннабиноидов
1.3 Стимуляторы нервной системы Кокаин, амфетамин, листья кустарника Catha edulis содержат алкалоид катинон, близкий по строению к амфетамину, распространен в Африке и арабских странах
1.4 Галлюциногены (психоделические и психотомиметические средства) Псилоцибин, псилоцин, мескалин. Лизергин — этилам ид d-лизергиновой кислоты, ЛСД — диэтиламид d-лизергиновой кислоты, дипропилтриптамин, димстилтриптамин, фенциклидин, каннабиолы, сернил, адренохром
2 Снотворные средства
2.1 Производные барбитуровой кислоты Барбитал (веронал), барбитал-натрий (мединал), фенобарбитал (люминал), барбамил, этаминал-натрий (пентобарбитал, нембутал), циклобарбитал
2.2 Производные пиперидина Ноксирон
2.3 Производные пиридина Тетридин
3 Психотропные средства
3.1 Транквилизаторы. Бензодиазепины Сибазон (диазепам, валиум), нозепам (оксазепам, сераке), хлозепам (хлордиазепоксид, либриум), флурозепам (далман), феназспам, лоразепам, мезапам и др.
3.2 Нейролептики Аминазин, галоперидол и др.
3.3 Антидепрессанты Амитриптилин, имизин и др.
4 Летучие вещества (растворители и аэрозоли) — бензин, жидкость для заправки зажигалок, растворители (ацетон и др.), аэрозоли (краски в спреях), спирты, гликоли, инсектициды и др. Толуол, ацетон, галогенопроизводныс углеводородов, фосфорорганические соединения и др.
266 Q Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
По данным актов судебно-медицинской экспертизы и заключений
экспертов Бюро судебно-медицинской экспертизы Комитета здравоох-
ранения Москвы (2001), из 352 случаев отравлений 156 составили отрав-
ления морфином и его производными (героин, комбинация морфина г
героина). Значительная доля отравлений пришлась на комбинированные
психоактивные средства, чаще опиаты в сочетании с этанолом, опиаты г
лекарственные средства, содержащие кодеин, барбитураты и транквили-
заторы, а также их трехкомпонентные смеси наркотическое вещество —
лекарственное средство (снотворное или психотропное) — этанол.
Большинство смертельных и острых отравлений приходилось нг
возраст 20—25 лет (рис. 1).
Наиболее важные нормативные правовые акты, регулирующие дей-
ствия государственных органов при незаконном обороте наркотические
средств и психотропных веществ:
• Федеральный закон Российской Федерации «О наркотические
средствах и психотропных веществах» (1998);
• Постановление Правительства РФ № 681 от 30.06.98 «Об утвер-
ждении перечня наркотических средств, психотропных веществ и их
прекурсоров, подлежащих контролю в Российской Федерации»;
• Федеральная целевая программа «Комплексные меры противо-
действия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на
1999—2001 ге», утвержденная постановлением Правительства РФ № 1030
от 09.09.99.
Рис. 1. Частота отравлений наркотиками в зависимости от возраста
(по данным О.В. Кригер и соавт.).
Глава 1. О Наркотические вещества 0 267
В соответствии с указанными нормативными правовыми актами М3
РФ принял регламентирующие ведомственные документы по вопросам
профилактики, диагностики и лечения наркомании и реабилитации
наркологических больных.
Задачи аналитической диагностики наркотических отравлений оп-
ределены в Приказе М3 РФ № 289 от 05.10.98 «Об аналитической диаг-
ностике наркотических средств, психотропных и других токсических
веществ в организме человека»; Приказе М3 РФ № 387 от 20.10.99
«О выполнении Федеральной целевой программы «Комплексные меры
противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному
обороту на 1999—2001 гг.».
По состоянию на декабрь 2002 г. в учреждениях здравоохранения
Российской Федерации состояло под наблюдением 448 600 лиц, зло-
употребляющих наркотиками. В настоящее время их число в РФ превы-
шает 4 млн.
Значительное число совершающих административные правонару-
шения и уголовные преступления систематически употребляют нарко-
тические средства или психотропные вещества.
Освидетельствование на предмет употребления наркотических
средств и психотропных веществ обычно проводят врачи психиатры-нар-
кологи, а в случае их отсутствия — врачи других специализаций, нередко
не имеющие достаточной подготовки. Заключение о состоянии здоровья
часто не содержит результатов исследования биологических сред (слюна,
пот, моча, кровь) на наркотические средства и психотропные вещества.
В наркологических учреждениях исследования биологических сред
производятся, как правило, только по направлению врача психиатра-
нарколога наркологического учреждения, имеющего в своем составе
токсикологическую лабораторию.
Принятие нового Уголовно-процессуального кодекса РФ и Феде-
рального закона «О государственной судебно-экспертной деятельности
в РФ» значительно упорядочило назначение и проведение судебно-ме-
дицинских экспертиз.
Согласно названному закону, государственная судебно-экспертная
деятельность в процессе судопроизводства должна осуществляться уч-
реждениями, имеющими статус государственного судебно-экспертного
учреждения, чем практически закрепляется независимость экспертизы.
В административных центрах всех субъектов Российской Федерации
и крупных городах созданы и функционируют химико-токсикологиче-
ские лаборатории, входящие в состав судебно-химических отделов Бю-
ро судебно-медицинской экспертизы (см. ч. I, гл. 1, рис. 5), этилабора-
268 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
тории обязаны обслуживать все правоохранительные органы на закреп-
ленной территории (республики, края, области, автономного округа).
Их мощности позволяют проводить полномасштабный поиск всех из-
вестных наркотических средств, психотропных веществ в биологиче-
ских средах живых людей, а также в трупном материале.
Ежегодно в судебно-химических отделениях Бюро судебно-меди-
цинской экспертизы производится от 25 до 70 % экспертных исследова-
ний биологических жидкостей живых людей на наркотические и одур-
манивающие вещества.
В отличие от токсикологических лабораторий наркологических уч-
реждений субъектов Российской Федерации, химико-токсикологиче-
ские лаборатории бюро судебно-медицинской экспертизы позволяют
проводить исследование во всех случаях освидетельствования на пред-
мет опьянения, в том числе наркотического, на всей территории Рос-
сийской Федерации. Указанные лаборатории имеют статус экспертного
учреждения, оснащены современным оборудованием и укомплектова-
ны высококвалифицированными кадрами, прошедшими соответствую-
щую специализацию в области экспертной деятельности.
В ряде субъектов Российской Федерации (Санкт-Петербург, Липец-
кая область, Московская область, Новосибирская область, Читинская
область, Алтайский край) все исследования биологических сред на
предмет обнаружения наркотиков осуществляют только в химико-ток-
сикологических лабораториях Бюро судебно-медицинской экспертизы.
Высшей экспертной инстанцией в области судебной медицины яв-
ляется Российский центр судебно-медицинской экспертизы Минзд-
равсоцразвития Российской Федерации. Это ведущее организационно-
методическое и научное учреждение.
2. Химико-токсикологическое определение опиатов и опиоидов
2.1. Общая характеристика
Опий — натуральный продукт, получающийся при надрезании голо-
вок мака. Млечный сок, вытекающий из надрезов, собирают и высуши-
вают. При этом образуется опийная смола, или опий-сырец. Трава мака
также используется для получения концентрированного экстракта и ал-
калоидов.
Опий — многокомпонентная смесь сахаров, белков, липидов, смол,
восков, пигментов, воды, более 50 алкалоидов (10—20% общей массы) и
других веществ. Относительные количества этих веществ зависят от ус-
ловий произрастания, климата, сорта и возраста растений.
Глава 1. О Наркотические вещества Q 269
Опиаты — это вещества, близкие по химической структуре к морфи-
ну. Опиоиды — это вещества, оказывающие морфиноподобное действие
на человека (действуют на те же рецепторы), но обладающие иной хи-
мической структурой.
В соответствии с данной классификацией к опиатам относят наибо-
лее распространенные в незаконном обороте наркотические средства
морфин, кодеин, а также их полусинтетические аналоги — героин (диаце-
тилморфин — ДАМ) и его основной метаболит 6-моноацетилморфин (6-
МАМ). Как видно из рис. 2, морфин представляет собой производное
фенантренизохинолина (морфинана).
Кодеин
Диацетилморфин (героин)
Меконовая кислота Меконин
Рис. 2. Основные опиаты.
270 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Героин — наиболее опасный, «тяжелый» наркотик. Производится в
подпольных лабораториях из морфина (или любого морфинсодержаще-
го сырья: морфина-сырца, экстракционного опия, экстракта маковой
соломки) по реакции ацетилирования. Чистый героин — порошок горь-
кого вкуса. В зависимости от количества производственных примесей
или пищевых красителей героин может различаться по агрегатному со-
стоянию (высокодисперсный порошок или гранулы) и цвету (от белого
до темно-коричневого).
Качество героина зависит от качества используемого сырья д ля ацетили-
рования, содержания в нем морфина, а также от собл юдения условий реак-
ции, хранения и транспортировки. В героине могут присутствовать добавки
различной природы; число примесных компонентов достигает 30—40.
Среди опиоидов наибольшее значение имеют фенциклидин, метадон,
фентанил.
2.2. Способы употребления и физиологические эффекты
К началу XIX в. опий повсеместно продавался легально в виде раз-
личных лекарственных препаратов, а выделенный из опия в 1803 г. мор-
фин оказался основным обезболивающим средством при тяжелых ране-
ниях. В 1874 г. был синтезирован героин, который также использовали в
качестве эффективного лекарственного средства.
Параллельно шло немедицинское «освоение» опия, морфина и геро-
ина, от приема внутрь и курения переходили к инъекциям. Уже к концу
XIX — началу XX в. стали очевидны тяжелейшие последствия употреб-
ления опиатов. Юридическое преследование нелегального изготовле-
ния и распространения опиатов в США привело к полному запрету ис-
пользования героина в 1924 г. С тех пор борьба с нелегальным
изготовлением и распространением героина ведется во всех цивилизо-
ванных странах. Международный контроль и борьбу с наркотиками
возглавляет ВОЗ под эгидой ООН.
В настоящее время основными производителями мака являются Ин-
дия, Австралия, Китай, Корея, Япония, страны Среднего Востока (Аф-
ганистан, Пакистан, Иран), Юго-Восточная Азия (Лаос, Бирма, Таи-
ланд), Мексика. Новые производители — страны Балканского региона
и среднеазиатские страны СНГ. Только четверть всего объема произво-
димого опия используется для медицинских целей.
В настоящее время в РФ опий и героин, вызывающие сильную зависи-
мость уже после нескольких инъекций, запрещены к производству, рас-
пространению и употреблению и внесены в Список № 1 Перечня нарко-
тических средств Постоянного комитета по контролю качества
Глава 1. Q Наркотические вещества 0 271
наркотических средств. Некоторые опиаты, например морфин, кодеин,
относят к разрешенным лекарственным средствам, используемым под оп-
ределенным контролем при соответствующих медицинских показаниях
(см. Перечень наркотических средств, психотропных веществ и их пре-
курсоров, подлежащих контролю в Российской Федерации, Список № 2).
2.3. Токсикокинетика
При внутривенном введении морфина максимальный фармакологи-
ческий эффект развивается через несколько минут, при подкожном и
внутримышечном введении — через 15 мин. В дальнейшем содержание
морфина в крови резко падает. Около 80% введенной дозы выделяется с
мочой в течение 8 ч. Однако следы морфина можно обнаружить в моче
спустя 72—100 ч. Время полувыведения морфина 2—3 ч.
При приеме внутрь за 24 ч с мочой выводится 64—90% препарата, но
только менее 3% в неизмененном виде.
Морфин образуется в ощутимых количествах при метаболизме опи-
атов: кодеина, героина и др.
Концентрация морфина в волосах связана с интенсивностью его упо-
требления. Концентрации морфина в волосах ниже 0,3 нг/мг рассматри-
ваются как незначимые; концентрации от 0,3 до 0,7 нг/мг могут быть свя-
заны со злоупотреблением кодеином, но не позволяют утверждать о
злоупотреблении морфином; концентрации до 1,5 нг/мг, вероятно, соот-
ветствуют злоупотреблению морфином или героином. При содержании
морфина в волосах свыше 1,5 нг/мг можно предполагать наркоманию.
Кодеин обладает значительно меньшей активностью по сравнению с
морфином и его производным — героином. Он быстро всасывается по-
сле парентерального введения. Кодеин метаболизируется в печени в ре-
зультате О- и N-деметилирования соответственно до морфина или нор-
кодеина (рис. 3). Около 80% кодеина, принятого внутрь, выделяется с
мочой в виде свободного кодеина (5—17%), конъюгатов кодеина с глю-
куроновой и серной кислотами (32—64%), конъюгатов норкодеина
(10—21%), конъюгатов морфина (5—13 %).
В начальный период выведения кодеина в моче обнаруживаются в
основном конъюгаты кодеина, спустя 20—40 ч их заменяют конъюгаты
морфина.
Героин подвергается быстрой биотрансформации в организме. Время
обнаружения героина в крови живых лиц не превышает 3—7 мин после
введения. При деацетилировании происходит образование 6-моноаце-
тилморфина, морфина и его коньюгированных форм — морфин-6-глю-
куронида (М-6-Г) и морфин-3-глюкуронида (М-З-Г).
272 Q Часть 4. Ф Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
При приеме морфина образуются М-6-Г и М-З-Г, при приеме коде-
ина — кодеин-6-глюкуронид. Эти соединения являются основными
при химико-токсикологических и судебно-химических исследованиях
крови. До 80% введенной дозы героина выделяется с мочой в течение
24 ч в виде М-З-Г (50—60%), морфина (5—7%), 6-МАМ (1%).
Для доказательства употребления героина необходимо идентифици-
ровать его метаболит 6-МАМ (другие опиаты его не образуют). Следует
также иметь в виду, что героин может содержать в качестве примеси
ацетилкодеин, иногда в больших количествах, который при метаболиз-
ме дает кодеин и морфин.
Таким образом, токсикокинетические данные позволяют сделать
следующие выводы. Присутствие в моче исключительно морфина или
его конъюгатов указывает на употребление чистого препарата морфина
или на злоупотребление героином 1 или 2 днями ранее. Присутствие в
моче морфина и кодеина одновременно может свидетельствовать о ме-
Конъюгаты с глюкуроновой кислотой
Рис. 3. Метаболизм опиатов.
Глава 1. Q Наркотические вещества Ф 273
дицинском использовании препаратов кодеина (в этом случае концен-
трация морфина ниже, чем кодеина). Употребление кодеина в терапев-
тических дозах (до 30 мг) дает возможность обнаруживать свободный
морфин или кодеин только в течение нескольких часов после употреб-
ления, хотя другие метаболиты могут быть обнаружены спустя 2—3 дня
после введения. При низких концентрациях в моче морфина и кодеина
невозможно сделать строго однозначный вывод о веществе, который
был употреблен (морфин, героин или кодеин).
2.4. Методы определения
При химико-токсикологических анализах на опиаты и их метаболи-
ты исследуют преимущественно плазму и/или сыворотку крови живых
лиц. Концентрации опиатов в цельной крови выше, чем в сыворотке или
плазме (табл. 2). Особое значение имеет методика изолирования и иден-
тификации морфина и кодеина в трупной крови, в том числе гнилостно
измененной, при судебно-химическом исследовании. При судебно-хи-
мических исследованиях анализируют, как правило, цельную кровь как
наиболее представительный объект. Морфин, например, преимущест-
венно накапливается в эритроцитах, глюкурониды морфина аккумули-
руются в плазме. В моче определяют героин (ДАМ) преимущественно в
виде его метаболита 6-МАМ, морфин (в том числе как метаболит герои-
на) и кодеин (в том числе как примесь к «уличному» героину).
В табл. 3 приведены обобщенные данные по определению целевых
метаболитов опиатов в крови людей, погибших от отравления героином
(403 случая). Представленные данные получены при анализе методами
ГХ-МС и ВЭЖХ.
Как видно из табл.З, диапазон концентраций опиатов и целевых ме-
таболитов при смертельных отравлениях героином достаточно велик.
Это зависит от принятой дозы, времени между приемом наркотика и
смертью, индивидуальных токсикокинетических параметров (период
полувыведения, объем распределения).
Таблица 2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ОПИАТОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ, МГ/Л
Доза Морфин Кодеин
Терапевтическая 0,08-0,12 0,01-0,25
Токсическая 0,15-0,50 0,3-0,5
Летальная 0,05-4,0 Более 1,6
274 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 3. СОДЕРЖАНИЕ ОПИАТОВ И ИХ МЕТАБОЛИТОВ В КРОВИ ПРИ СМЕРТЕЛЬНЫХ ОТРАВЛЕНИЯХ ГЕРОИНОМ
Опиаты Диапазон концентраций, нг/мл
Морфин (метаболит) свободный 0-3300
Морфин (метаболит) общий 50-5400
6-Моноацетилморфин 0-83
Морфин-6-глюкуронид 316-2300
Морфин-З-глюкуронид 481-5800
Кодеин свободный (примесь к героину) 10-221
Определяемые концентрации 6-МАМ в моче составляют 5,6—2756
нг/мл.
Рассмотрим в качестве примера схему изолирования морфина и ко-
деина из 2,5 мл трупной крови (табл. 4).
После отделения органической фазы экстракт доводят до опреде-
ленного объема в мерной колбе. Далее аликвотные части экстракта ис-
следуют на морфин и кодеин методом ГХ-МС.
Следует иметь в виду, что результаты судебно-химического исследо-
вания крови на опиаты во многом зависят от условий отбора и хранения
образцов. Необходимы возможно быстрое замораживание крови и ее
Таблица 4. СТАДИИ ИЗОЛИРОВАНИЯ ОПИАТОВ ИЗ ТРУПНОЙ КРОВИ
Стадия Условия проведения
Кислотный гидролиз Осаждение белков (депротеинизация) Отделение осадка белков Очистка кислого водного супернатанта от липидов экстракцией Отделение кислой водной фазы Экстракция морфина, кодеина из водного извлечения Центрифугирование экстракта Кровь: НС1 = 1:1, 100 °C, 30 мин 50% раствор трихлоруксусной кислоты 1,1 мл, 10 мин Центрифугирование (4000 об/мин, 10 мин); отделение супернатанта Экстрагент — гексан, 10 мл, 3 мин Карбонатный буфер pH 9,4 Экстрагент — хлороформ-н-бутанол (9:1), 50 мл, взбалтывание 30 мин, pH водного извлечения 8,9—9,0 4000 об/мин, 10 мин
Глава 1. Ъ Наркотические вещества 0 275
хранение до анализа в замороженном состоянии при —20 °C. В процес-
се анализа исследуемые экстракты следует хранить в холодильнике при
температуре не выше 4 °C, а сухие остатки экстрактов — в морозильной
камере.
Изучение сохраняемости опиатов в крови при добавлении консер-
вантов, например кристаллического фторида натрия, показало, что
концентрация общего морфина в крови остается стабильной при ком-
натной температуре в течение 2 лет.
Современная аналитическая токсикология позволяет обнару-
жить опиаты в 20 мг волос иммунными методами (предел обнаруже-
ния 0,5 нг/мг) и хромато-масс-спектральными методами (предел об-
наружения 0,3 нг/мг).
3. Химико-токсикологическое определение каннабиноидов
3.1. Общая характеристика
В группу каннабиноидов входят препараты различных частей коно-
пли (Cannabis sativa).
Наиболее распространенные формы нелегальных наркотических
средств группы каннабиноидов — марихуана, анаша, гашиш, гашишное
масло, различающиеся количественным и качественным составом ал-
калоидов и степенью очистки.
Марихуана — высушенная и измельченная верхняя часть растения с
листьями и цветками, где содержание активных веществ наиболее вы-
соко (13—15%).
Гашиш — смола, выделяемая каннабисом в определенный период ве-
гетации, зеленого, темно-коричневого или черного цвета. Содержание
основного психоактивного вещества — тетрагидроканнабиола — около
2%, но может достигать 9—10%.
Гашишное масло — концентрированный темный жидкий и вязкий
экстракт растительного материала или смолы каннабиса с содержанием
психоактивных веществ от 10 до 60%.
Биологическая активность этих средств длительно сохраняется в
этаноле или в кунжутном масле, но при хранении на свету или при до-
ступе кислорода со временем уменьшается из-за деградации основного
активного компонента.
Марихуана — исходный продукт, получаемый из листьев и цветков
верхних частей растения каннабис, содержащих микроскопические
капсулы со смолой. Высушенная марихуана содержит более 400 хими-
ческих компонентов. При курении в результате пиролитических пре-
276 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
вращений они трансформируются в 2000 химических веществ. Более 70
из 400 ингредиентов марихуаны составляют группу каннабиноидов —
биологически активных веществ особого строения, встречающихся ис-
ключительно в конопле (рис. 4).
Активными ингредиентами марихуаны (каннабиса) являются кан-
набиноиды: каннабинол (КБ), каннабидиол, Л^-тетрагидроканнабинол
(Д9-ТГК), а также соответствующие им кислоты. В марихуане содержит-
ся 0,5—5% А9-ТГК, в гашише — 2—10%, в гашишном масле — 10—30%.
Повсеместно распространенная дикорастущая конопля с давних пор
использовалась в медицине, а также как эйфоригенное и галлюцино-
генное средство.
Марихуану долго считали безопасной и отрицали привыкание к ней.
Марихуану считают одним из «легких» наркотиков, в отличие от «тяже-
лых» (героина). Каннабис снижает внутриглазное давление, что умень-
шает вероятность повреждения глазного нерва при глаукоме, но побоч-
ные эффекты (тахикардия, гипертензия) делают невозможным его
применение для лечения глаукомы.
В США до 1942 г. препараты конопли были разрешены в качестве ле-
карственных средств, входили в фармакопею и продавались в аптеках.
До 1992 г. в США марихуана входила в Список № 2, что означало воз-
можность ограниченного использования в медицинских целях (в ос-
новном для предотвращения тошноты и рвоты у больных СПИДом, при
онкологических заболеваниях, при радиоактивном облучении). С 1992 г.
только основной психоактивный ингредиент марихуаны — ТГК, ле-
гально производимый в США, разрешен в некоторых странах (США и
Германия) к использованию в медицине под контролем медицинского
Каннабинол
6,6,9-триметил-З-пентин-бснзо
Д9-тетрагидроканнабинол (ТГК)
6,6,9-триметил-3-пентил-6а,7,8,10а-
теграгидро-6Н-бензо[с]хромен- 1-ол
Рис. 4. Примеры активных ингредиентов марихуаны (каннабиса).
Глава 1. <> Наркотические вещества 0 277
персонала и в основном для лечения глаукомы и токсикоза у больных
раком или у онкологических больных, прошедших курс химиотерапии
[препараты дронабиол (маринад) и набинол (цезамет)].
В Нидерландах и Испании не преследуются законом выращивание не-
большого количества конопли и ее использование для собственных нужд.
В настоящее время каннабис, его препараты и все изомеры ТГК вхо-
дят в Список № 1 Конвенции ООН и соответствующий ему Список
№ 1 Постоянного комитета по контролю качества наркотических
средств РФ, что означает запрет на использование в любых, в том числе
и в медицинских, целях.
3.2. Способы употребления каннабиноидов
и физиологические эффекты
Для курения (вдыхания дыма) используют сигареты с марихуаной
(500—750 мг) или обычные сигареты с добавкой гашиша или небольшо-
го количества гашишного масла. Иногда для курения используют осо-
бые стеклянные трубки. Распространено также вдыхание паров масла,
нагреваемого в пламени на алюминиевой фольге или на лезвии ножа.
Пероральное потребление — жевание, заваривание кипящей водой
или как добавка к пище. Внутривенное введение применяют редко.
Каннабиноиды воздействуют на нейромедиаторы головного мозга, в
частности на ацетилхолин.
3.3. Токсикокинетика
Рассмотрим скорости абсорбции, распределения, метаболизма и вы-
ведения каннабиноидов в зависимости от способа введения.
При курении каннабиноиды всасываются в течение нескольких ми-
нут. Содержание КБ и Д9-ТГК в крови становится максимальным через
5—30 мин. Их концентрация в крови быстро снижается вследствие ак-
тивного метаболизма и распределения по тканям (депонирование в пе-
чени и других тканях).
При приеме внутрь всасывание каннабиноидов замедлено: содержа-
ние в крови достигает максимальных значений через 1,5—3 ч. Это свя-
зано с попаданием вещества в систему воротной вены, в печень, а затем
уже в мозг.
Абсорбция Д9-ТГК при курении и приеме внутрь индивидуальна и
составляет соответственно 2—50 и 5—20%.
Механизмы распределения и связывания каннабиноидов сущест-
венно отличаются от таковых наркотических веществ других химиче-
ских классов. В первую очередь необходимо отметить высокую липо-
278 Ф Часть 4. Ф Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
фильность каннабиноидов и их метаболитов. Много каннабиноидов и
продуктов их метаболизма в ткани мозга, легких, печени, почках.
Каннабиноиды метаболизируются в основном в печени. Основным
неактивным метаболитом ТГК в моче является 9-гидрокси-Д9-ТГК-9-
карбоновая кислота (рис. 5) и ее конъюгат с глюкуроновой кислотой.
Некоторые метаболиты ТГК активны, а 9-гидрокси-метил-Д9-ТГК да-
же превосходит ТГК по своей фармакологической активности. Значи-
тельно активен также 8-гидрокси Д9-ТГК.
9-гидроксиметил-Д9-ТГК
8-гидрокси-Д9-ТГК
Д9-ТГК-9-карбоновая кислота
Рис. 5. Пути метаболизма тетрагидроканнабинола.
Глава 1. Ф Наркотические вещества Ф 279
За 5 дней выводится 80—90% принятой дозы Д9-ТГК. Около 20% вы-
деляется с мочой, а 80% — с калом в виде метаболитов, связанных с
глюкуроновой или серной кислотой.
Метаболиты ТГК определяют иммуноферментным методом в моче
(предел обнаружения 20 нг/мл). Длительность присутствия метаболи-
тов в крови различается: у хронических наркоманов — до 77 дней, у
«умеренных» потребителей — до 29 дней.
3.4. Методы определения каннабиноидов
Определение каннабиноидов представляет собой непростую задачу
из-за их высокой растворимости в липидах и низкого содержания в
крови и моче. Иногда употребление наркотика легче доказать путем
его обнаружения в смывах рук и полости рта. Для этого из спиртовых
смывов рук и полости рта каннабиноиды экстрагируют этилацетатом,
гексаном или петролейным эфиром. Экстракт после упаривания ис-
пользуют для цветных экспресс-реакций и в ТСХ. Проводят двукрат-
ное хроматографирование в системе петролейный эфир — диэтило-
вый эфир (4:1). Пластины опрыскивают 0,5% раствором прочного
синего Б или ББ на 10% растворе натрия карбоната. Rf каннабинола
0,76, Д9-ТГК 0,84.
Хромогенные реакции проводят с аликвотой спиртового смыва, к
которой добавляют смесь соли прочного синего Б с сульфитом натрия,
несколько капель хлороформа и 0,1 М раствора NaOH. В присутствии
каннабиноидов образуется пурпурно-красное окрашивание.
Для обнаружения каннабиноидов (Д9-ТГК и его метаболитов) в био-
жидкостях применяют простые и чувствительные иммунохимические
методы. Предел обнаружения около 20 нг/мл.
Обнаружение каннабиноидов в волосах с использованием иммун-
ных методов затруднительно из-за их низкого содержания. При опреде-
лении каннабиноидов предпочтительна хромато-масс-спектрометрия в
различных ее модификациях (рис. 6).
При подготовке пробы мочи к анализу методами ГЖХ и ГХ-МС не-
обходимо провести щелочной гидролиз конъюгатов Д9-ТГК-кислоты.
Образующуюся после гидролиза Д9-ТГК-кислоту экстрагируют и после
упаривания растворителя переводят в метиловый эфир. Фрагменты ме-
тилового эфира Д9-ТГК-кислоты имеют характерные отношения мас-
са/заряд (m/z): 372, 357, 313.
Анализ плазмы крови проводят по той же схеме, но без предвари-
тельного гидролиза. Характерные масс-фрагменты для Д9-ТГК 314, 299,
а для метилового эфира Д9-ТГК — 328, 313.
280 Ф Часть 4. ф Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
Тетрагидроканнабинол
ионы 314, 299, 271 m/z
f/уу_л
Рис. 6. Хроматограммы характеристических ионов тетрагидроканнабинола
и каннабинолов, выделенных из волос курильщика марихуаны (Е.А.Симонов и др.).
4. Химико-токсикологическое определение кокаина
4.1. Общая характеристика
Кокаин — алкалоид, выделяемый из листьев (содержание ~ 1 %) кустар-
ника коки (Erythroxylon coca), культивируемого в высокогорных районах.
Кокаин сильно стимулирует ЦНС, способен изменять сознание,
снимать усталость, подвергается активному метаболизму. Биотранс-
формапия кокаина представлена на рис. 7. Синтетический кокаин по-
лучают из экгонина.
Впервые кокаин был выделен в 1860 г. и считался совершенно без-
вредным стимулятором. Кокаин применяли для местного обезболива-
ния, он входил в состав многих лекарственных средств и напитков,
включая кока-колу. В то же время обнаружились опасные эффекты воз-
действия кокаина: психозы, смертельные передозировки, развитие
сильной наркотической зависимости. Одновременно продолжали сом-
неваться в способности кокаина вызывать наркотическое пристрастие,
появлялись требования его легализации.
В настоящее время кокаин включен в Список № 2 Конвенции ООН
по наркотикам и в соответствующий Список № 2 Постоянного комите-
та по контролю качества наркотических средств РФ. Это означает воз-
можность легального использования кокаина по определенным меди-
цинским показаниям при международном и внутреннем контроле за
производством, употреблением и распространением.
Глава 1. Q Наркотические вещества Ф 281
Норкокаин
О
'с-О-СН3
Пиролиз
косина - гидрохлорида
Кокаэтилен
алкоголь
°\
Хс-о-снз H3C'N.
Пиролиз \
Н кокаина - основания /
H3C"N
н
Н
о
\\
с-о-сн3
Карбометоксициклогептатриен
(изомеры)
Ангидроэкгонин-
метиловый эфир ((АЭМЭ)
О—С—СВН.
II 6 5
О
Экгонин
Рис. 7. Биотрансформация кокаина (Н.В. Веселовская, А.Е. Коваленко и др.).
4.2. Способы употребления кокаина и физиологические эффекты
Кокаин в качестве наркотического средства используют в различных
химических формах (основание, соль), а также в смеси с другими нар-
котиками или лекарствами.
Листья коки. В некоторых регионах земного шара есть обычай же-
вать листья коки. В листьях содержится 0,5—1,5% кокаина и небольшие
количества других алкалоидов: около 1% норкокаина, цис- и транс-
циннамоил-кокаина, тропакокаина, псевдококаина, гидроксикокаина,
метилового эфира экгонина.
282 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Паста коки. Паста коки—дешевый продукт, получаемый на начальных
стадиях производства кокаина при экстракции из листьев коки. Это обыч-
но сырой желтоватый порошок, содержащий агрегаты, легко разрушаю-
щиеся при легком надавливании, и имеющий характерный запах. В состав
пасты, помимо кокаина и других алкалоидов коки, входят вещества, доба-
вляемые при экстракции. Содержание кокаина в пасте от 40 до 90%. Пасту
коки используют при курении, часто в смеси с табаком или марихуаной.
«Уличные» формы кокаина часто содержат примеси других веществ,
например различные сахара, а также более дешевые наркотические и
лекарственные средства: стимуляторы (амфетамин, кофеин), местные
анестетики (лидокаин, прокаин). Содержание кокаина в них может
быть менее 10%. Кокаин из растения коки, в отличие от синтетическо-
го кокаина, обязательно содержит примеси различных алкалоидов.
Кокаина гидрохлорид. Хотя формы нелегального кокаина менее раз-
нообразны, чем героина, практически не существует двух полностью
идентичных нелегальных проб кокаина. В большинстве случаев это бе-
лый высокодисперсный порошок, иногда влажный, имеющий харак-
терный запах.
Кокаин, поступающий из производящей страны, обычно содержит
80—90% кокаина-гидрохлорида и редко имеет примеси и добавки.
Для нелегальной продажи в кокаин добавляют до 12—75% неконтро-
лируемых синтетических местных анестетиков (лидокаин, прокаин,
бензокаин) или углеводы (маннитол, лактозу, глюкозу, крахмал), а так-
же борную кислоту или соду. Внешний вид нелегальных образцов кока-
ина при этом практически не меняется.
Кокаина гидрохлорид вводят интраназально (вдыхание или втягива-
ние через нос), внутривенно и внутримышечно, перорально, сублин-
гвально, вагинально, ректально.
Крэк (Crack) — кокаин-основание, получают из гидрохлорида при
щелочной экстракции органическими растворителями (эфиром). Кока-
ин-основание при подщелачивании выделяется в виде осадка от белого
до коричневого цвета. После высушивания массу разламывают на ма-
ленькие кусочки, кристаллы или гранулы.
Крэк курят при помощи специальных трубок, самодельных прими-
тивных устройств или в сигаретах с добавками табака или марихуаны.
Спидболл — смесь крэка и героина с высоким наркотическим потен-
циалом. Спидболл преимущественно курят.
Скорость привыкания к кокаину зависит от способа его потребления и
используемых доз. При интраназальном введении зависимость возникает
постепенно, а при курении и внутривенном введении развивается быстро.
Глава 1. 0 Наркотические вещества 0 283
Терапевтическая (кокаина гидрохлорид — местный анестетик) и ле-
тальная дозы кокаина различаются в тысячи раз. Так, средняя терапев-
тическая доза составляет 1,5 мг/кг; разовая «уличная» доза для вдыха-
ния через нос («дорожка» длиной 3—5 см) — до 50—100 мг; токсическая
доза внутрь— 500 мг; летальная доза — 1,2 г (при индивидуальных от-
клонениях в организме может быть менее 20 мг).
Кокаин является эффективным стимулятором, вызывает эйфорию,
блокируя реабсорбцию дофамина. Повторяющиеся приемы кокаина
могут исчерпать запас дофамина, что становится причиной «ломки» к
концу действия наркотика. Это также объясняет развитие физической
зависимости и толерантности к кокаину.
Особенно опасно воздействие кокаина на ЦНС, проявляющееся в
поведенческих отклонениях, тяжелой депрессии, параноидных рас-
стройствах, психозах (для которых введен термин «кокаиновый пси-
хоз»), галлюцинациях.
На первых порах употребление кокаина трудно доказать. Однако в
дальнейшем появляются очевидные признаки: похудание, покраснение
кожи из-за расчесывания кажущихся укусов так называемых кокаино-
вых клопов, хронический насморк, частые респираторные инфекции.
Под воздействием кокаина человек может оставаться бодрым несколь-
ко часов, а затем надолго заснуть.
Психические отклонения могут проявляться в совершении повторя-
ющихся конвульсивных движений, подобных работе пальцев при печа-
тании. При острой передозировке отмечаются расширенные зрачки, та-
хикардия, потливость, гипертензия. Кокаин может вызывать слуховые
галлюцинации (человек слышит голоса) и тяжелую депрессию, а также
резкую смену настроения. Потребители кокаина часто нетерпеливы и
агрессивны, нервозны и чрезвычайно озлоблены.
Особенности действия крэка. При курении или ингаляции через
трубку пары кокаина попадают прямо в легкие, сильный эффект начи-
нается практически мгновенно и длится лишь 10 мин, а затем требуется
следующая доза. Передозировка возникает легко и может привести к
тяжелым последствиям и смерти.
Особенности действия спидболла. Крэк в составе спидболла является
стимулятором с коротким, от 8 до 10 мин, и чрезвычайно интенсивным
эффектом. После этого наступают сильное нервное возбуждение и тяже-
лая депрессия. Героин, проявляя седативное действие, длящееся до 4 ч,
противодействует депрессии, вызываемой крэком. Настроение потреби-
теля спидболла меняется быстро и непредсказуемо. Постоянное курение
спидболла вызывает заболевания горла, легких (эмфизема, бронхит).
284 0 Часть 4. О Химике»-токсикологическое определение ксенобиотиков
4.3. Токсикокинетика кокаина
Рассмотрим зависимость скорости абсорбции, распределения, мета-
болизма и выведения от способа введения кокаина.
При курении содержание кокаина в крови становится максималь-
ным через 5 мин (2—10 мин), а затем быстро и резко снижается. При
этом (через 6—8 мин) наблюдается выраженный, но непродолжитель-
ный (10—20 мин) наркотический эффект. При внутривенном введении
используют раствор кокаина гидрохлорида в воде или в изотоническом
растворе; эффект наступает через 0,5—2 мин.
Биодоступность как при интраназальном введении, так и при прие-
ме внутрь составляет 20—40 %.
Интраназальное введение и курение дают также сходные концентра-
ционные профили в плазме: максимум содержания кокаина достигает-
ся приблизительно за 30—60 мин (табл. 5). Однако при интраназальном
введении эффект наступает быстрее и его продолжительность больше
(60—90 мин).
Распределение кокаина и его метаболитов имеет специфические
особенности. Кокаин и норкокаин — липофильные соединения, легко
Таблица 5. СОДЕРЖАНИЕ КОКАИНА (В НГ/МЛ) И ЕГО МЕТАБОЛИТОВ В ПЛАЗМЕ ПОСЛЕ КУРЕНИЯ ИЛИ ВНУТРИВЕННОГО ВВЕДЕНИЯ (Н.В. Веселовская, А.Е. Коваленко и др.)
Время, мин Курение Внутривенное введение
кокаин бензоилэкгонин кокаин бензоилэкгонин
2 153 0 244 14
5 120 < 1 217 7
10 103 11 234 16
15 91 21 222 36
30 69 49 173 80
60 39 65 124 128
120 23 70 66 155
240 6 58 20 135
480 0 24 2 109
720 0 13 < 1 59
1440 0 < 1 0 11
Глава 1. О Наркотические вещества 0 285
преодолевают гематоэнцефалический и плацентарный барьеры. В вы-
соких концентрациях кокаин накапливается в жировых депо.
Метаболиты кокаина — бензоилэкгонин и экгонин (см. рис. 7), высо-
кополярные соединения, не способны преодолеть гематоэнцефалический
барьер, по крайней мере, в фармакологически значимых концентрациях.
Подкожная жировая клетчатка и ороговевшие частички кожи людей
(верхний слой эпидермиса), в течение 40 нед употреблявших кокаин,
также содержат небольшие количества наркотика.
В подкожной жировой клетчатке максимальная концентрация дости-
гается через 1—2 ч и составляет для кокаина 1—11,4 нг/мг, а для бензои-
лэкгонина 0,2—5 нг/мг. В течение 1—2 сут после введения кокаин сохра-
няется в подкожной жировой клетчатке в определяемых концентрациях.
Кокаин и его метаболиты накапливаются в волосах. Содержание ко-
каина в волосах наркоманов колеблется от 0,037 до 129,68 нг/мг. Осо-
бенно заметны индивидуальные вариации у «умеренных» (прием кока-
ина 1—2 раза в неделю) и «тяжелых» (прием кокаина более 3 раз в
неделю) наркоманов. Содержание кокаина в волосах снижается после
прекращения его приема (табл. 6).
При длительном потреблении кокаина до появления признаков ост-
рой интоксикации в волосах (2 см. от корней) наркомана было обнару-
жено 53,7 нг/мг наркотика. После острого отравления его содержание в
волосах выросло до 98,0 нг/мг (при концентрации в крови 2,3 мкг/г).
Относительно высокое содержание кокаина в мозге (табл. 7), а так-
же стабильность этих значений позволяют использовать мозговую
ткань при судебно-химическом анализе.
Кокаин быстро метаболизируется в плазме и печени в процессах фер-
ментативного гидролиза (с участием холинэстеразы плазмы) цометилэк-
гонина (с потерей бензоила), неэнзимного гидролиза до бензоилэкгонина
(с потерей сложноэфирной метиловой группы) и N-деметилирования до
Таблица 6. ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КОКАИНА В ВОЛОСАХ ВО ВРЕМЕНИ ПОСЛЕ ОДНОКРАТНОГО ПРИЕМА 0,6 МГ/КГ КОКАИНА
Время отбора пробы, день Содержание кокаина, нг/мг
26-й 1,20
47-й 1,26
62-й 0,83
103-й 0,11
286 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 7. СОДЕРЖАНИЕ КОКАИНА И БЕНЗОИЛЭКГОНИНА В ОРГАНАХ ЧЕЛОВЕКА
Органы Содержание, мкг/г
кокаин бензоилэкгонин
Кровь 0,01 2,9
Печень 0,04 2,3
Почки 0,12 2,9
Мозг 10,40 1,0
норкокаина. Кроме того, образуются минорные метаболиты кокаина: эк-
гонин, норкокаин, бензоилэкгонин. В присутствии этанола можно обна-
ружить кокаэтилен, норкокаэтилен, этиловый эфир экгонина.
Метилэкгонин не накапливается в крови, а непрерывно выводится с
мочой, где его можно обнаружить.
Бензоилэкгонин образуется из кокаина в процессе химического гид-
ролиза при физиологических значениях pH 7,4, устойчив к гидролизу в
интервале pH 5,0 — 8,0. Метилэкгонин превращается в экгонин по это-
му же механизму. При подщелачивании гидролиз метилэкгонина в эк-
гонин может проходить и в моче. Содержание экгонина в моче часто
может превышать содержание бензоилэкгонина.
Поскольку экгонин является конечным продуктом химического
гидролиза кокаина, метилэкгонина и бензоилэкгонина in vivo и in vitro,
его можно использовать как маркер при отравлениях кокаином.
В процессе ферментативного гидролиза под действием холинэстера-
зы плазмы кокаин теряет бензоильную группу с образованием метабо-
лита метилэкгонина. Бензоилэкгонин к действию фермента инертен, и
холинэстераза не участвует в процессе его образования или деградации.
При химическом гидролизе в крови при физиологических значени-
ях pH 7,4 кокаин и метилэкгонин теряют сложноэфирную метильную
группу с образованием соответственно бензоилэкгонина и экгонина.
В результате гидролитического превращения содержание кокаина и
метилэкгонина быстро снижается.
Таким образом, в общем случае при физиологических значениях pH
в отличие от бензоилэкгонина метилэкгонин не аккумулируется в кро-
ви. Кокаин претерпевает спонтанный гидролиз в моче, плазме, крови
живых людей и водных щелочных растворах. Его метаболиты бензои-
лэкгонин и метилэкгонин при щелочных значениях pH в моче гидроли-
зуются в экгонин (табл. 8).
Глава 1. О Наркотические вещества 0 287
Таблица 8. ВРЕМЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БЕНЗОИЛЭКГОНИНА В ПРОБАХ МОЧИ ПОСЛЕ КОНТРОЛИРУЕМОГО ВВЕДЕНИЯ КОКАИНА
Время обнару- жения после введения, ч Число проб, в которых обнаружен метаболит Интервал содержания, нг/мл Средняя концентрация в моче, нг/мл
24-й 12 67-2459 727
48-й 9 93-387 187
72-й 3 60—88 72
При совместном употреблении кокаина и этанола образуется актив-
ный токсичный продукт кокаэтилен. Полупериод его образования 148
мин. Концентрация кокаэтилена иногда превышает концентрацию ко-
каина в крови, печени, мозге, моче. Кокаэтилен может образоваться
также при длительном хранении кокаина в спиртовом растворе, а также
долго сохраняется в печени трупа.
Таблица 9. ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ (МКГ/МЛ) КОКАИНА И БЕНЗОИЛЭКГОНИНА В МОЧЕ ПОСЛЕ ИНТРАНАЗАЛЬНОГО И ВНУТРИВЕННОГО ВВЕДЕНИЯ 100 МГ КОКАИН А-ГИДРОХЛОРИДА
Время, ч Кокаин Бензоилэкгонин
0,5 9,60 19,10
1-й 9,30 43,50
3-й 4,00 52,50
4-й 6,60 32,00
5-й 2,40 34,40
6-й 0,70 39,80
10-й 0,48 35,20
12-й 0,20 20,50
18-й — 14,80
20-й — 18,50
36-й — 2,20
60=й — 0,45
288 0 Часть 4. Ф Химико- токсикологическое определение ксенобиотиков
При внутривенном введении 100 мг кокаина-гидрохлорида в первые
6 ч выводится 14,5—45% дозы, причем 1—21% составляет неизменен-
ный кокаин (табл. 9).
Таким образом, содержание кокаина в крови после быстро достига-
емого максимума (через 5—8 мин) экспоненциально снижается, тогда
как концентрация бензоилэкгонина в моче достигает максимума через
3 ч после введения.
4.4. Биологические материалы для определения кокаина
Выбор метода определения кокаина определяется его содержанием в
биологическом материале. Предел обнаружения кокаина в плазме со-
ставляет 50—300 нг/мл при использовании кокаина в лечебных целях (в
терапевтических концентрациях), 200—900 нг/мл при отравлениях (то-
ксическая концентрация), 1—20 мкг/мл при летальных исходах.
Для обнаружения наркотиков можно исследовать слюну. После вну-
тривенного введения 44,8 мг кокаина максимум концентрации в слюне
колеблется в интервале от 428 до 1927 нг/мл. После курения эти значе-
ния выше: 15 852 — 504 880 нг/мл.
Употребление кокаина можно установить при исследовании волос.
В результате пиролиза кокаина основания при курении образуется
летучий продукт ангидроэкгонин-метиловый эфир (АЭМЭ), который мо-
жет служить маркером курения крэка (кокаина основания). Содержание
АЭМЭ в слюне достигает 558—4374 нг/мл через 2 мин после курения.
Для быстрого неинвазивного обнаружения кокаина можно исполь-
зовать пластыри для поглощения выделяемого пота, легко фиксируе-
мые на коже.
5. Химико-токсикологическое определение психоактивных
веществ, наиболее часто применяемых наркоманами
Метадон (6-диметиламино-4,4-дифенил-3-гептанон) — синтетический
опиоид.
Метадон
Глава 1. О Наркотические вещества 0 289
Использовался как наркотический анальгетик, эффективен при
приеме внутрь (в отличие от морфина). Имеет высокое сродство к опио-
идным рецепторам и применяется для лечения больных с героиновой
зависимостью (дозу следует все время уменьшать, чтобы предупредить
развитие физической зависимости). Многие наркологи сомневаются в
его пользе.
Фентанил (N- Фенил- 1\-[1-(2-фенилэтил)-4-(1-фенэтил)-4-пипери-
динил] пропионамид) — синтетический наркотический анальгетик высо-
кой эффективности (в 100 раз выше морфина) и короткого действия.
Фентанил
Используется в клинической практике как внутривенный анестетик
для пре- и постоперативной медикации (кардиохирургия). Эффект на-
ступает через 1—2 мин и длится 30—60 мин.
Известно более сотни его аналогов, 12 из них циркулируют на неле-
гальном рынке наркотиков. Действие всех запрещенных аналогов фен-
танила подобно опиатному и различается только по выраженности и
продолжительности.
Психотомиметики — психоактивные вещества, вызывающие обрати-
мые психотические нарушения без выраженных соматических рас-
стройств.
Фенциклидин [ 1 -(1 -фенилциклогексил)-пиперидин]
Фенциклидин
Фенциклидин был синтезирован в США для внутривенного нарко-
за. В отличие от опиатов, не угнететает сердечно-сосудистую деятель-
ность или дыхание. В процессе клинического применения выявлены
токсические побочные эффекты, включающие послеоперационные
290 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
галлюцинации, возбуждение, депрессивные состояния. Исключен из
клинической практики. Поступает из подпольных лабораторий. Входит
в группу диссоциативных анестетических галлюциногенов.
Амфетамин (фенил-изопропиламин) является химическим родо-
начальником нового класса наркотических веществ, образующихся
при введении циклического 3,4-метилендиоксизаместителя (группа
«экстази»).
Амфетамин
МДМА
Одно их них — 3,4-метилендиоксиметамфетамин (МДМА) некото-
рое время использовали в психиатрии для снятия беспокойства, дости-
жения эмоциональной открытости. Вещества этого класса запрещены
для употребления и введены в Список № 1 Конвенции ООН и Постоян-
ного комитета по контролю качества наркотических средств РФ. При
длительном употреблении возникают необратимые последствия — тя-
желые нейротоксические нарушения серотонинергической системы с
длительными депрессиями, паническими состояниями, параноидаль-
ными реакциями.
Исходное соединение и его метаболиты можно обнаружить в био-
жидкостях методами ПФИА и ГХ-МС спустя 1—2,5 сут после употреб-
ления.
ЛСД (диэтиламид d-лизергиновой кислоты) — сильный галлюцино-
ген. Начинает действовать через 30—90 мин, продолжительность дейст-
вия 2—12 ч. Минимальная эффективная доза 10—25 мкг. Период полу-
выведения 3,6 ч. Метаболизм до конца не изучен. Наиболее серьезные
последствия — хромосомные нарушения, психические нарушения, суи-
цидальные попытки.
лсд
Глава 2. О Лекарственные средства О 291
ГЛАВА 2. ЛЕКАРСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА
Ключевые моменты:
• Особенности исследования токсичности новых лекарственных
средств.
• Экстраполяция на человека данных, полученных в токсикологиче-
ских экспериментах на животных.
• Расчетный безопасный курс и индекс безопасности.
• Полипрагмазия. Токсикологическое взаимодействие лекарств на
доклиническом этапе.
• Особенности ХТА при отравлении лекарствами.
1. Общая характеристика
отравлений лекарственными веществами
По статистике около трети смертельных отравлений происходит в
результате приема барбитуратов или транквилизаторов в комбинации с
наркотическими веществами различных классов (см. ч. 4 гл. 1; рис. 1).
Лекарственные средства становятся причиной примерно половины
острых отравлений.
Отравления лекарственными средствами возможны не только при
передозировке или приеме с суицидальной целью, но и при использо-
вании терапевтических доз. Отравления лекарствами являются предме-
том лекарственной токсикологии — раздела токсикологии и токсиколо-
гической химии.
Токсическое действие лекарственных веществ, как и других ксено-
биотиков, рассматривается как химическая патология, связанная с на-
рушением функции гомеостатических систем разных уровней (см. ч. 1).
Влияя на молекулярные механизмы функционирования биохимиче-
ских систем (рецепторов, ферментов, биологических мембран), лекар-
ственные вещества нарушают процессы гомеостаза.
Развитие производства химиотерапевтических средств привело к не-
обоснованному их применению. Особенно опасным оказалось исполь-
зование комбинаций лекарственных веществ. Только в США побочные
реакции, вызываемые лекарствами, приводят к госпитализации до 9 млн
больных в год, из которых около 1% умирают.
Прежде чем лекарственное средство будет использоваться челове-
ком, необходима оценка его опасности на экспериментальных живот-
ных. Токсикологические исследования на животных незаменимы, если
их нельзя провести на людях. Исследования мутагенного или канцеро-
генного действия лекарственных веществ, гистологические исследова-
292 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ния изменения структуры внутренних органов, влияния на внутриут-
робное развитие плода возможны только на животных.
Правила, регламентирующие токсикологические исследования хи-
мических веществ, предназначенных для клинических испытаний в ка-
честве лекарств, впервые были разработаны в 1979 г. Управлением по
санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов
Министерства здравоохранения, просвещения и социального обеспече-
ния США. Эти правила, видоизмененные и усовершенствованные, в
форме GLP (Good Laboratory Practice — надлежащая лабораторная пра-
ктика) используются во многих странах при создании новых лекарст-
венных средств. Хельсинкской декларацией закреплена необходимость
проведения токсикологических исследований на животных перед пер-
вым испытанием новых лекарств на людях. Обязательное изучение без-
опасности лекарственных средств на животных до начала клинических
испытаний предусмотрено в законе РФ «О лекарственных средствах».
1.1. Методы оценки лекарственной патологии
Основной задачей лекарственной токсикологии является оценка бе-
зопасности нового лекарственного средства. Классическая токсиколо-
гия изучает токсичность веществ и определяет их уровни, безопасные
для человека. Лекарственная токсикология оценивает патологические
проявления, вызываемые тем или иным лекарственным веществом, а
также композициями лекарственных и вспомогательных веществ —
компонентов фармацевтических препаратов.
1.1. 1. Экспериментальные животные
при изучении токсичности лекарств
Основные экспериментальные модели при оценке токсичности буду-
щего лекарства — это мыши, крысы, морские свинки, кролики, собаки.
В настоящее время активно обсуждаются этические проблемы ис-
пользования животных в эксперименте. На проведение эксперимен-
тальных работ на животных требуется разрешение этического комитета.
Использование культуры тканей, клеточных культур и субклеточных
структур, как и прогнозирование токсических параметров веществ с по-
мощью топологических индексов, не дает исчерпывающей информа-
ции, получаемой в опытах на животных. Эти методы являются лишь до-
полнительными. Применение альтернативных методов возможно для
установления молекулярных механизмов токсического действия ле-
карств, а также в сравнительных экспериментах с близкими по структу-
ре и действию химическими веществами (ККСА-метод) (см. ч. 2, гл. 1).
Глава 2. О Лекарственные средства О 293
При токсических исследованиях на животных правильный прогноз
побочных эффектов у человека не превышает 70%, что объясняется
сложностью экстраполяции данных, полученных в эксперименте. Ви-
довые особенности токсикокинетики, процессов абсорбции, распреде-
ления и выведения могут быть причиной разной биологической актив-
ности лекарственных веществ, поэтому изучение токсичности нового
лекарственного средства проводят на нескольких видах животных. Чув-
ствительность лабораторных животных к воздействию ксенобиотиков,
как правило, снижается в ряду: собаки > кошки > кролики > морские
свинки > мыши > крысы > обезьяны.
Доклиническое токсикологическое изучение противоопухолевых
лекарственных средств можно проводить на мышах и собаках. Однако
малый размер мышей затрудняет некоторые исследования гомеостаза.
Более информативные результаты можно получить на крысах. Хрони-
ческая токсичность ряда противоопухолевых препаратов (продимин,
фотрин, фопурин, проспидин, спиробромин, цисплатин) у крыс полно-
стью совпадает с таковой у человека. Крыс используют для гистологи-
ческих исследований, установления зависимостей доза—ответ, монито-
рирования эффекта после прекращения применения препарата.
Большинство ведущих фармацевтических фирм проводят оценку
безопасности новых лекарственных средств при исследовании острой
токсичности, используя мышей и крыс; хроническую токсичность изу-
чают на крысах и собаках.
Многие модели патологических состояний (диабета, гепатотоксич-
ности, пиелонефрита) разработаны на крысах. Однако из-за отсутствия
рвотного рефлекса на крысах нельзя обнаружить такие побочные эффе-
кты лекарственных веществ, как тошнота и рвота. На крысах нельзя
изучить различия воздействия отдельных лекарственных форм (табле-
ток, капсул). Исследование токсичности потенциальных лекарствен-
ных веществ — «претендентов» должно быть дополнено опытами на
крупных животных, например на собаках.
В соответствии с рекомендациями ВОЗ при доклинических токсико-
логических исследованиях для определения острой или хронической
токсичности нового лекарственного средства необходимо использова-
ние не менее двух видов животных, один из которых — не грызуны.
Необходимость статистической обработки результатов эксперимен-
та для подтверждения их достоверности предполагает использование в
эксперименте не менее 10 мелких лабораторных животных. В экспери-
менте на крупных животных (собаки, обезьяны) выборка может быть
меньше.
294 <> Часть 4. ОХимико-токсикологическое определение ксенобиотиков
1.1. 2. Общие принципы исследования
токсичности лекарственных веществ
При изучении токсичности новых лекарственных средств необходи-
мо выявить органы/ткани-мишени, возможные нежелательные реак-
ции, их обратимость.
Мишени воздействия (наиболее чувствительные органы или систе-
мы организма) можно выявить при однократном (острая токсичность)
или многократном (подострая или хроническая токсичность) введении
лекарственного вещества. Специфические эффекты ксенобиотика про-
являются на ранней стадии острого отравления до появления органной
недостаточности (соматогенный период) (см. ч. 1, гл. 5).
Острая токсичность. При оценке острой токсичности ксенобиотика
чаще всего определяют DL50, используя мелких лабораторных живот-
ных: белых мышей в возрасте 60—75 сут массой 18—20 г; белых крыс в
возрасте 75—120 сут массой 150—240 г; морских свинок в возрасте 90—
120 сут массой 450—500 г. Средняя смертельная доза является очень
важной характеристикой вещества и зависит от вида, пола, возраста,
массы, условий содержания животного, объема вводимого препарата.
На оценку острой токсичности влияет длительность наблюдения за жи-
вотными после однократного введения вещества. Хотя обычно устанавлива-
ют двухнедельный срок наблюдения, гибель животных при воздействии ксе-
нобиотика может наступить значительно позднее. Например, гибель мышей
и крыс при введении диоксидина (антибактериальное лекарственное
средство) продолжалась в течение 2 мес наблюдения (см. ч. 1, гл. 4, рис. 7).
Показатели острой токсичности лекарственного средства при раз-
личных путях введения (внутривенном, пероральном) отражают осо-
бенности его токсикокинетики (см. ч. 2, гл. 4). Например, большая раз-
ница в величинах DL50 ПРИ парентеральном и пероральном введении
свидетельствует о низкой биодоступности при внесосудистом поступ-
лении лекарственного вещества (см. ч. 2 гл. 4). Например, DL50 проти-
воопухолевого препарата спиробромина для мышей при внутривенном
введении составила 520—710 мг/кг, а при пероральном — 2200 мг/кг,
для крыс — соответственно 740—820 и 2400 мг/кг. Различия летальных
доз связаны со слабой абсорбцией или биотрансформацией ксенобио-
тика до поступления в системный кровоток при пероральном введении.
Хроническая токсичность. Хроническую токсичность лекарственно-
го препарата изучают на различных видах лабораторных животных.
Требования к продолжительности введения лекарственных средств
экспериментальным животным различаются в разных странах. В евро-
Глава 2. О Лекарственные средства О 295
пейских странах максимальная продолжительность введения составля-
ет 6 мес, в США — 12—18 мес, в Японии — 12 мес. В некоторых случа-
ях, например, при изучении эффективности противотуберкулезных ле-
карственных средств, продолжительность изучения хронической
токсичности может быть увеличена.
Длительность введения лекарственного средства лабораторным жи-
вотным в хроническом токсикологическом эксперименте обычно зави-
сит от рекомендуемой длительности его приема человеком при лечении.
Например, при однократном приеме фармацевтического препарата че-
ловеком длительность введения его лабораторным животным составля-
ет 5—7 дней. Если препарат принимают в течение 2—14 дней, то введе-
ние в эксперименте более длительное — в течение 1 мес.
Введение лекарственного вещества экспериментальным животным
должно соответствовать способу введения фармацевтического препара-
та в клинике. На стадии доклинического испытания нового лекарствен-
ного вещества для всесторонней оценки токсичности необходимо ис-
пользовать несколько путей введения.
При хронических токсикологических исследованиях целесообразно
введение ксенобиотика не менее чем в 3 дозах, чтобы можно было оценить
широту терапевтического действия. Максимальная доза вещества должна
обязательно вызывать симптомы интоксикации, чтобы можно было вы-
явить органы-мишени или системы-мишени. Однако эта доза не должна
вызывать гибель всех лабораторных животных до окончания эксперимен-
та. Минимальная доза лекарственного средства может быть близка к тера-
певтической. Во всех случаях экспериментального изучения токсичности
лекарственных средств на мелких лабораторных животных (мыши, кры-
сы) пользуются коэффициентом пересчета для человека.
В хронических токсикологических экспериментах лабораторные по-
казатели и параметры гомеостаза исследуют у экспериментальных жи-
вотных до введения препарата и в конце эксперимента, например спус-
тя 6 мес от начала введения препарата. Это особенно важно при
изучении хронической токсичности лекарственных препаратов на мел-
ких лабораторных животных, для которых 6 мес составляют примерно
1/4 продолжительности жизни.
Методы исследования параметров гомеостаза экспериментальных
животных при введении им лекарственных средств могут быть разнооб-
разными и отражать влияние изучаемого вещества на отдельные органы
и системы организма. При исследовании функционального состояния
органов и систем организма можно использовать физиологические,
биофизические, биохимические методы.
296 Ф Часть 4. Ф Химики-токсикологическое определение ксенобиотиков
Действие лекарственного средства может быть специфическим и не-
специфическим. Неспецифическое действие чаще появляется в орга-
нах, ответственных за метаболизм и экскрецию лекарственного средст-
ва. Метаболизм большинства лекарственных средств происходит в
печени, поэтому она наиболее подвержена действию ксенобиотика.
Для контроля функционального состояния печени Минздравсоцразви-
тия РФ рекомендует следующий перечень тестов: гексеналовый сон,
бромсульфалеиновая проба, общий белок сыворотки крови, белковые
фракции сыворотки крови, общий холестерин сыворотки крови, глю-
коза крови, активность щелочной фосфатазы, активность трансаминаз
крови, желчные кислоты.
При обнаружении каких-либо отклонений в показателях функции
или структуры печени необходимо определить значимость выявленной
патологии и степень ее обратимости.
Комплексная оценка влияния лекарственного средства на печень
позволяет выявить патологию, установить дозовую зависимость данно-
го эффекта и степень его обратимости, а также дать прогноз возможной
гепатотоксичности препарата в клинике, определить противопоказания
и ограничения при его использовании.
Нежелательному воздействию лекарств подвергаются и почки, это ос-
новной орган, обеспечивающий экскрецию многих лекарственных ве-
ществ. Возможность влияния новых лекарственных препаратов на почки
объясняет функциональные и гистологические исследования этого орга-
на. Основные показатели нарушения функций почек: изменение скоро-
сти клубочковой фильтрации, канальцевой реабсорбции, почечного кро-
вотока, величины суточной экскреции мочи и электролитов,
относительной плотности и кислотности мочи, а также протеинурия.
Важная роль отводится определению в моче лактатдегидрогеназы, ще-
лочной фосфатазы и других ферментов, а также морфофункциональному
исследованию состояния тубулярного и клубочкового аппаратов почек
при хроническом введении терапевтических и токсических доз исследуе-
мых лекарственных средств. Экскреция ферментов с мочой может ока-
заться ранним и чувствительным индикатором повреждения почек, кото-
рый позволяет дифференцировать поражения канальцев и клубочков.
В соответствии с рекомендациями Минздравсоцразвития РФ пере-
чень показателей функционального состояния почек в хронических то-
ксикологических экспериментах включает диурез (спонтанный или с
водной нагрузкой); плотность мочи; мочевину крови и ее суточную экс-
крецию; калий сыворотки крови и его суточную экскрецию; натрий сы-
воротки крови и его суточную экскрецию.
Глава 2. О Лекарственные средства О 297
При оценке безопасности нового лекарственного вещества следует
обращать внимание на функциональное состояние ЦНС, сердечно-со-
судистой и кроветворной систем. Несмотря на то что гематоэнцефали-
ческий барьер непроницаем для многих лекарственных веществ, очень
важна оценка влияния новых фармакологических средств на ЦНС. При
изучении хронического токсического действия новых лекарственных
веществ на ЦНС наблюдают за поведенческими реакциями, двигатель-
ной активностью, реакциями на внешние раздражители эксперимен-
тальных животных.
Состояние сердечно-сосудистой системы в эксперименте на живот-
ных отражают электрокардиография и артериальное давление. При бо-
лее детальных исследованиях сердечно-сосудистой системы определя-
ют скорость кровотока, объем циркулирующей крови, реографические
показатели, а также проводят реокардиографию, векторкардиографию,
электрокардиотопографию.
В соответствии с рекомендациями Минздравсоцразвития РФ пе-
речень тестов при оценке показателей периферической крови жи-
вотных в хронических токсикологических экспериментах включает
определение количества эритроцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов
и лейкоцитов, лейкоцитарной формулы, количества гемоглобина,
гематокрита, времени свертывания крови, резистентности эритро-
цитов.
Влияние лекарственного средства на организм отражает гемограмма.
По данным литературы, наиболее частым осложнением при использо-
вании лекарств становится агранулоцитоз, возникающий при длитель-
ном приеме большинства лекарственных средств. Количество лейкоци-
тов в периферической крови и лейкоцитарная формула дают
возможность обнаружить влияние исследуемого вещества на лейкопоэз
в хроническом эксперименте. Осложнением при применении цитоста-
тиков является развитие апластической анемии. При изучении хрони-
ческой токсичности соединений с потенциальной противоопухолевой
активностью экспериментальные исследования на животных позволя-
ют прогнозировать это побочное действие.
Эндокринная система ответственна за гомеостаз организма человека
и животных. При доклиническом исследовании токсичности лекарст-
венных средств определяют эффекты природных гормонов или их хи-
мических аналогов в хроническом эксперименте; дополнительные спе-
цифические эффекты гормонов или их дефицита; существенные
патологические изменения, вызываемые химическими аналогами гор-
монов; влияние лекарств на гормональные эффекты.
298 Ф Часть 4. Ф Химико- токсикологическое определение ксенобиотиков
1.2. Оценка безопасности лекарственных средств
при доклинических токсикологических исследованиях
Для оценки безопасности нового лекарственного средства необхо-
дима экстраполяция на человека данных, полученных в токсикологических
экспериментах на животных. Величина коэффициента экстраполяции
зависит от видовой чувствительности животных. Например, морские
свинки высокочувствительны к лекарственным средствам пеницилли-
нового ряда, тетрациклинам, диоксидину, хиноксидину и другим анти-
бактериальным препаратам, кролики — к антиаритмическим средст-
вам. Упьцерогенный эффект ибупрофена у собак проявляется в очень
низких дозах, но для человека ибупрофен считается одним из наименее
опасных по этому показателю по сравнению с другими НПВС.
При значительных различиях межвидовой чувствительности для пра-
вильной оценки коэффициента экстраполяции необходимо использо-
вать несколько видов экспериментальных животных. Если у животных
различных видов реакции однотипны, полученные результаты можно
перенести на человека. Например, при изучении токсичности диокси-
дина была установлена его адреналовая токсичность у мышей, крыс,
кроликов и морских свинок. Прогнозируемая адреналовая токсичность
диоксидина была подтверждена в клинике при его передозировке.
При решении вопроса о возможности применения лекарственного
средства в медицинской практике важно определить соотношение его
эффективности и безопасности.
В профилактической токсикологии существуют расчетные значения
ПДК, методы определения безопасных уровней веществ и классифика-
ции уровней токсичности веществ по показателям острой токсичности
(см. ч. 1, гл. 3). Наибольшее распространение при оценке безопасности
лекарственных препаратов имеет терапевтический индекс — соотноше-
ние дозы, вызывающей гибель 50% животных (DL50), и дозы, дающей
терапевтический эффект у 50% животных (DE50). Чем выше этот пока-
затель, тем безопаснее препарат. Возможно также использование отно-
шения DLiq и ОЕод. При этом следует иметь в виду, что показатель DLi0
достоверно не отличается от максимальной терапевтической дозы
(МТД): коэффициент корреляции DLio и МТД составляет 0,94.
Однако терапевтический индекс не учитывает продолжительность ле-
чения и терапевтическую дозу для человека. Метод, учитывающий эти
параметры, был разработан в лаборатории лекарственной токсикологии
ЦХЛС-ВНИХФИ (1990). Согласно этому методу, в первую очередь опре-
деляют механизмы действия препарата на наиболее чувствительные орга-
Глава 2. О Лекарственные средства Ф 299
ны или системы, т.е. выявляют органы-мишени. Суммарную дозу препа-
рата, вызывающую обратимые патоморфологические изменения органа
животного, рассчитывают в мг/кг. (Как уже подчеркивалось в ч.1, пра-
вильнее дозу представлять в молях на килограмм, т.е. в единицах СИ.)
При пересчете дозы с экспериментальных животных на человека
учитывают размеры лабораторных животных, так как чем меньше раз-
меры млекопитающих, тем больше отношение поверхности тела к мас-
се и выше скорость окислительных процессов. Уцельная площадь по-
верхности тела человека составляет 257 см2/кг, кролика 826 см2/кг,
морской свинки 1200 см2/кг, крысы 1517 см2/кг, мыши 3050 см2/кг.
Для упрощения используют уже известные коэффициенты пересчета
(Кп) дозы с каждого вида экспериментальных животных на человека, ко-
торые определяют как отношение массы и площади поверхности тела
человека к этим параметрам экспериментального животного: мышь —
11,8; крыса — 5,9; морская свинка — 4,7; кролик — 3,2.
Далее на основании доз, вызывающих патологические изменения в
органах-мишенях у животных, используя значения коэффициента пе-
ресчета, рассчитывают суммарную дозу лекарственного вещества для
человека. Отнеся полученный результат к суточной дозе препарата, ре-
комендованной инструкцией по клиническому изучению или примене-
нию препарата, получают продолжительность безопасного курса при-
менения в клинике — расчетный безопасный курс (РБК, сут):
1)ж *t
РЬК=Т^Г
где 1ЭЖ — суточная доза для животных, мг/сут; D4 — суточная доза для
животных, мг/сут; t — длительность введения, сут; Кп — коэффициент
пересчета.
Используя полученные значения продолжительности безопасного
курса (РБК) и реального клинического курса (КК) применения, указан-
ного в инструкции по клиническому изучению или применению лекар-
ственного средства, вычисляют индекс безопасности (ИБ):
РБК
ИБ —
кк ’
где РБК — расчетный безопасный курс, сут; КК — продолжитель-
ность клинического курса, сут.
И Б служит критерием безопасного применения препарата у челове-
ка. Чем выше ИБ, тем безопаснее лекарственное средство по влиянию
на жизненно важные органы и системы.
300 О Часть 4. О Хи мико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рассмотрим в качестве примера расчет И Б для арбидола (табл.1), при-
меняемого для лечения и профилактики острых респираторных вирус-
ных инфекций (ОРВИ) и как иммуномодулятор при вторичных иммуно-
дефицитных состояниях различной этиологии. Лечебная доза арбидола
10 мг /кг • сут в течение 3—5 дней; профилактическая доза 3 мг/кг 2 раза
в неделю в течение 3—4 нед.
Доклиническое изучение токсичности отечественного препарата ар-
бидола включало исследование хронической.токсичности на крысах.
При введении им арбидола внутрь в дозе 250 мг/кг в течение 130 дней
были обнаружены обратимые дистрофические неспецифические изме-
нения в печени и почках. Те же дозы, но при введении арбидола мор-
ским свинкам в течение 90 дней, также приводили к патологическим
изменениям в печени и почках. У кроликов обратимые дистрофические
изменения наблюдали через 60 дней при тех же дозах. Других патологи-
ческих изменений зафиксировано не было.
Таблица 1. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ БЕЗОПАСНОГО КУРСА И ИНДЕКС БЕЗОПАСНОСТИ АРБИДОЛА (по Т.А.Гуськовой)
Животные Применение арбидола Расчетный безопасный курс Индекс безопасности
Крысы Лечение 250 мг/кг • 130 сут 130 сут
ОРВИ = 550 сут = ПО
10 мг/кг • 5,9 5 сут
Профилактика 250 мг/кг • 130 сут 1836 сут
= 1836 сут = 61
3 мг/кг • 5,9 30 сут
Морские Лечение 250 мг/кг • 90 сут 478 сут
СВИНКИ ОРВИ = 478 сут =95
10 мг/кг *4,7 5 сут
Профилактика 250 мг/кг • 90 сут 1595 сут
= 1595 сут =53
3 мг/кг • 4,7 30 сут
Кролики Лечение 250 мг/кг • 60 сут 468 сут
ОРВИ = 468 сут =95
10 мг/кг • 3,2 5 сут
Профилактика 250 мг/кг • 60 сут 468 сут
= 1562 сут =95
3 мг/кг • 3,2 30 сут
Глава 2. Q Лекарственные средства 0 301
Таким образом, ИБ лечебного применения арбидола для разных жи-
вотных составляет 93 — ПО, а при профилактическом применении —
52-61.
Близкие значения И Б арбидола, полученные при использовании
различных моделей животных, позволили провести клинические испы-
тания (более 10 000 пациентов) и рекомендовать его к применению.
Лекарственные средства можно классифицировать в соответствии со
значениями И Б. Лекарственные вещества, относящиеся к 1-му классу
токсичности (опасности), имеют ИБ < 1 и могут быть разрешены к при-
менению в клинике только по жизненным показаниям. К ним относит-
ся, например, противоопухолевый препарат цисплатин (см. ч. 4, гл. 5),
индекс безопасности которого по нефротоксичности (крысы) равен
0,32. Цисплатин применяют по специально разработанной схеме, поз-
воляющей значительно снизить его нефротоксичность.
Лекарственные средства, относящиеся ко 2-му классу токсичности
(опасности), — умеренно токсичные вещества, их ИБ = 1—5. К ним от-
носятся гидрокортизон, дексаметазон, диоксидин, кальцитонин, ме-
тилпреднизолон, норэтистерон, преднизолон, спиробромин фоскар-
нет, хиноксидин — представители разных фармакологических групп.
Их применяют под строгим медицинским контролем; отпуск возможен
только по рецепту.
Большинство лекарственных средств относится к 3-му классу ток-
сичности (опасности), это малотоксичные вещества, имеющие ИБ > 5.
При использовании этих лекарственных средств, например, арбидола,
атенолола, кетамина, метронидазола, напроксена, нитразепама, ри-
фампицина, бисептола, этазола, но-шпы, в соответствии с инструкци-
ей риск развития токсических эффектов незначителен.
Применение различных схем лечения может приводить к значитель-
ному изменению ИБ. Так, например, при назначении диклофенака на-
трия (НПВС) для лечения ревматизма доза не превышает 150 мг — при-
мерно 2 мг/(кг • сут). Это соответствует расчетному безопасному курсу
225 дней (крысы-самцы) и 45 дней (крысы-самки). Применение дикло-
фенака натрия в качестве анальгетика-антипиретика (50—75 мг/сут,
примерно 1 мг/кг) соответствует РБК 450 дней для самок и самцов, а
ульцерогенный эффект считают низким при продолжительности лече-
ния от 1 до 1,5 мес (ИБ при этом снижается с 7,5 до 5). Применение ди-
клофенака натрия в течение 2—7 мес сопровождается реальным риском
ульцерогенного действия (ИБ снижается с 5 до 1). Интенсивное и про-
должительное лечение (12 мес и более) небезопасно, поскольку сопря-
жено с высоким риском ульцерогенного действия (ИБ < 0,63). Наиме-
302 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
нее опасны поддерживающие дозы диклофенака натрия (до 75 мг/сут),
курс до 15 мес. Относительно безопасно кратковременное (в течение
3 дней) применение диклофенака натрия в качестве анальгетика-анти-
пиретика в суточной дозе 50—75 мг.
Многочисленную группу лекарственных средств, относящихся к 3-му
классу токсичности (ИБ > 5), делят на подгруппы (категории) с учетом
возможного развития побочных реакций, отмеченных при клинических
испытаниях и медицинском применении.
Категория А: ИБ 5 — 10. В ряде случаев развивались те или иные по-
бочные реакции.
Категория В: ИБ > 10. При клинических испытаниях не были выяв-
лены токсические эффекты, но длительность использования препара-
тов в медицинской практике невелика и необходима информация о воз-
можных побочных реакциях при широком медицинском применении.
Категория С: ИБ >10. При контролируемых клинических испытани-
ях или длительном использовании в медицинской практике токсиче-
ские эффекты не обнаружены. Хотя эти лекарственные средства не
представляют риска при применении в соответствии с инструкцией,
возможна повышенная индивидуальная чувствительность.
Методология оценки опасности лекарственных средств не учитыва-
ет возможные нарушения параметров гомеостаза организма при раз-
личных заболеваниях. Чувствительность органов и систем организма к
лекарственному веществу может существенно меняться, особенно если
это органы/системы-мишени. Примером может служить применение
лекарственных средств, являющихся энантиомерами. Так, терапевтиче-
ский эффект ибупрофена в основном приписывают S-изомеру. В орга-
низме R-ибупрофен превращается в S-энантиомер. Процесс превраще-
ния нарушается при болевых синдромах, циррозе печени,
хирургических вмешательствах, что в конечном итоге снижает терапев-
тическую активность препарата и требует увеличения применимых доз.
1.3. Опасность комбинированного
применения лекарственных средств
Комбинированная фармакотерапия широко используется при лече-
нии различных заболеваний. По данным различных авторов, до 40% па-
циентов принимают одновременно более 6 лекарственных средств. На
материале более 10 000 больных установлено, что назначение 1—5 пре-
паратов приводит к развитию нежелательных эффектов у 4% пациен-
тов. При одновременном применении 16—20 медикаментов осложне-
ния наблюдаются у 54% больных.
Глава 2. О Лекарственные средства О 303
Полипрагмазия — одновременное или последовательное употребле-
ние нескольких препаратов — часто приводит к нежелательному изме-
нению эффекта лекарственных средств и проявлению комбинирован-
ной токсичности.
При комбинировании 2 лекарственных средств и более в одной ле-
карственной форме фармакологический эффект часто усиливается (ад-
дитивность, потенцирование, синергизм) (см. ч. 2, гл. 5). Это позволяет
снижать дозы отдельных компонентов. Рациональной может быть ком-
бинация лекарственных веществ с различными механизмами действия
на одну и ту же мишень. Примером такой комбинации является котри-
моксазол (бисептол, септрим), применяемый в качестве антибактери-
ального средства. Оба компонента — сульфаметоксазол и триметоприм —
обладают бактериостатической активностью. Сульфаметоксазол влияет
на превращение парааминобензойной кислоты в дигидрофолиевую, а
триметоприм действует на следующий этап, т.е. на превращение фоли-
евой кислоты в тетрафолиевую, что приводит к ингибированию био-
синтеза ДНК и РНК, необходимых для жизнедеятельности бактериаль-
ной клетки. Таким образом, происходит потенцирование
антибактериального эффекта.
В одной лекарственной форме сочетают противотуберкулезные пре-
параты с разным механизмом действия на микобактерии туберкулеза.
Оценка токсичности таких комбинаций при длительном применении
чрезвычайно важна.
Одновременное применение монопрепаратов также может приво-
дить к комбинированным токсическим эффектам. Это в первую очередь
касается противоопухолевой терапии. В анестезиологии применяют
нейролептики и другие средства, повышающие эффективность общих
анестетиков, анальгетиков и снотворных препаратов. Диуретики комби-
нируют с антигипертензивными средствами при лечении больных арте-
риальной гипертензией. Совместное применение многих других препа-
ратов позволяет повысить эффективность лекарственной терапии.
Комбинированное воздействие химических веществ происходит и
при монотерапии, так как лекарственная форма содержит вспомога-
тельные вещества, т.е. является композицией из нескольких химиче-
ских веществ. Таким образом, действие лекарственных препаратов при
монотерапии или комплексной терапии отличается от действия лекар-
ственной субстанции в отсутствие наполнителей, консервантов, стаби-
лизаторов и других вспомогательных веществ (см. ч. 2, гл. 5).
Данные о побочных эффектах при комбинированном применении ле-
карственных средств базируются в основном на результатах фармакоки-
304 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
нетических исследований. В настоящее время какие-либо специальные
токсикологические исследования перед внедрением комбинированных
препаратов в практику не проводятся. Биохимический и фармакокине-
тический методы изучения взаимовлияния компонентов комбинирован-
ных лекарственных средств на их биологическую активность не позволя-
ют полностью оценить безопасность, особенно таких показателей
токсичности, как мутагенность, иммунотоксичность, канцерогенность.
Актуальность исследования комбинированного действия лекарст-
венных веществ возрастает в связи с использованием лекарственного
растительного сырья и биологически активных добавок (БАД) неконт-
ролируемого качества *.
По данным Комитета по безопасности лекарств Великобритании,
непродуманное назначение препаратов такого доступного и «безобид-
ного» лекарственного растения, как зверобой, индуцирует активность
ферментов, участвующих в метаболизме многих лекарственных препа-
ратов, что может дать непредсказуемые токсические эффекты.
Взаимное влияние биологически активных веществ на скорость и ме-
ханизмы всасывания, распределения, биотрансформации, экскреции
при их комбинированном использовании может давать непрогнозируе-
мые токсические эффекты (см. ч. 2, гл. 2). Химического взаимодействия
несовместимых лекарств можно избежать при создании комбинирован-
ного препарата, но значительно труднее предвидеть при смешивании ле-
карственных веществ, например, в шприце или при взаимодействии в
организме.
Усиление эффекта одного лекарства под влиянием другого может
увеличить терапевтическое действие без повышения токсичности. Это
пример рациональной комбинации лекарственных средств. Ослабление
эффекта вследствие взаимодействия лекарств может быть также желае-
мым результатом, когда уменьшается или предотвращается токсическое
действие, например, при антидотной терапии. Однако в некоторых слу-
чаях взаимодействие лекарственных средств может привести к новым
фармакологическим и токсическим эффектам, нехарактерным для ком-
понентов лекарственной композиции.
Полипрагмазия особенно опасна в случае применения лекарствен-
ных средств с небольшой широтой терапевтического действия (сердеч-
ные гликозиды, антиаритмические, психотропные).
1 Этой проблеме посвящены материалы журнала «Безопасность лекарств», издающе-
гося в РФ под патронажем акад. В. К. Лепахина, представителя ВОЗ по проблеме безопас-
ности лекарств.
Глава 2. О Лекарственные средства О 305
Изменение эффективной концентрации в результате взаимодейст-
вия или изменения чувствительности органов-мишеней при комбини-
рованном использовании этих лекарственных веществ может привести
к токсическим эффектам.
Изучение токсикологического взаимодействия на доклиническом
этапе и применение универсальных критериев для оценки важны для
полноты характеристики безопасности лекарственных средств.
Большинство оригинальных и многие воспроизведенные (дженери-
ковые) препараты не имеют полных токсикологических данных по ком-
бинированному применению с другими лекарс твенными средствами.
Необходимы единая методология, использование стандартизованных
методов исследования для оценки комбинированного действия лекар-
ственных веществ или их композиций со вспомогательными вещества-
ми. Пока такие регламенты отсутствуют, что затрудняет всестороннее
изучение безопасности лекарств.
2. Особенности химико-токсикологического анализа
при отравлениях лекарственными средствами
Как и в случае любых химических токсикантов, специфическое ток-
сическое действие лекарственных веществ проявляется на ранней стадии
острых отравлений — в токсикогенном периоде (см. ч. 1). Неспецифиче-
ское действие характерно для соматогенного периода. Специфическое
действие токсиканта приводит к многочисленным патологическим про-
цессам, поэтому важно определить природу лекарственного вещества в
начале токсикогенного периода.
В настоящем разделе рассматриваются результаты химике-токсико-
логического исследования лекарственных средств, отравления которы-
ми происходят наиболее часто.
2.1. Отравления барбитуратами
Производные барбитуровой кислоты оказывают тормозящее действие
на ЦНС. Лекарственные средства этой группы используют в качестве ус-
покоительных, снотворных, противосудорожных и средств для наркоза.
Барбитураты быстро всасываются из желудочно-кишечного тракта
(см. ч. 2, гл. 2). Их действие различается по продолжительности и зависит
от степени связывания с белками плазмы, скорости биотрансформации и
выведения из организма. В табл. 2 приведены фармакокинетические па-
раметры отдельных представителей лекарственных средств этого класса.
Для скринингового определения барбитуратов используют иммуно-
химические методы (ИФА, РИА, ПФИА) (см. ч. 3, гл. 2).
306 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 2. ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БАРБИТУРАТОВ
Лекарственное вещество Доля связы- вания с белками, % Период полувы- ведения из плазмы, Ч Выведение с мочой, % Концентрация в плазме крови, мкг/мл
терапев- тическая токси- ческая леталь- ная
Фенобарбитал (люминал) н' / zN“4 .С2Н5 о=с с' н о \=/ 50-80 24-140 10-25 Метаболиты: глюкуронид — 30, 4-гидрокси- производное — 17 4-26 4-27 4-120
Барбитал натрий ONa zN=< ,с2н5 О=с сС 'n-CZ C2Hs / \\ н о 5 70 70-90 5-40 20-80 >90
Циклобарбитал Ч z° zN“Cx ,СЛ о=с zN-< Y J н о 70 8-75 10 — неизме- ненное вещест- во; основной метаболит — кетоцикло- барбитал 2-10 8-30 >20
Гексобарбитал (гексенал) ONa Н3С О 20 4-15 4 — неизмененное вещество 1-5 8-20 50
При проведении химико-токсикологического исследования при-
меняют ТСХ и УФ-спектрофотометрию. При определении барбиту-
ратов методом ТСХ их экстрагируют из биожидкости, которую пред-
варительно подкисляют. В качестве экстрагентов применяют
различные растворители, а также двух- и трехкомпонентные смеси:
бензол-этилацетат (2:1), хлороформ-изопропанол-аммиак (5:5:1). В
качестве реагентов для проявления используют сернокислый раствор
Глава 2. О Лекарственные средства 0 307
сульфата ртути и дифенилкарбазон. Сине-фиолетовое окрашивание
пятен, совпадающих по Rf со стандартами определяемых веществ,
позволяет сделать вывод о присутствии барбитуратов в анализируе-
мой пробе.
Количественное определение производных барбитуровой кислоты
можно проводить спектрофотометрически в ультрафиолетовой области
по полосе поглощения с = 260 нм, измеряя разность абсорбции
щелочного раствора барбитурата (тетраборатный буфер) при pH среды
10,0 и 13,0.
Производные барбитуровой кислоты определяют также методом
ГЖХ с использованием полярных и неполярных жидких фаз. Опреде-
ление осложняется адсорбцией барбитуратов на твердых носителях.
Для подготовки пробы в образец вводят 0,25 М серную кислоту и очи-
щенный хлороформ. Проводят экстракцию и центрифугируют (8000
об/мин). Для анализа отбирают 1—5 мкл хлороформного извлечения.
Используют ступенчатые температурные режимы колонки, например
180, 200 °C для барбитала, барбамила, нембутала и 230 °C для фено-
барбитала.
Определение барбитуратов методом ГХ-МС проводят, используя их
летучие производные (дериваты) или элюаты нативных соединений с
ТСХ-пластин.
Для определения барбитуратов можно применить метод ВЭЖХ. В ка-
честве подвижной фазы используют смеси ацетонитрил—дистиллиро-
ванная вода (35:65) или 0,05 М водный раствор кислого фосфата аммо-
ния (ТЧНгОзНРОд—метанол (60:40). Детектирование проводят в
ультрафиолетовом свете при 220 или 240 нм.
Подготовка пробы биожидкости к анализу включает осаждение бел-
ков 40% трихлоруксусной кислотой и центрифугирование. Суперна-
тант — плазму крови — после отделения белковой фракции исследуют
на барбитураты. В некоторых случаях для изолирования барбитуратов
проводят экстракцию хлороформом, смесью хлороформа с изопропа-
нолом или эфиром. Затем экстракт, содержащий барбитураты, упари-
вают, а твердый остаток растворяют в подвижной жидкой фазе.
2.2. Отравления лекарственными средствами
группы бензодиазепинов
Лекарственные средства группы бензодиазепинов (около 100 наиме-
нований), например хлордиазепоксид (хлозепид), медазепам, диазепам
(сибазон), оксазепам, нитразепам, феназепам, алпрозолам — высокоак-
тивные транквилизаторы с относительно малой токсичностью. Эта
308 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
группа лекарственных средств ежегодно пополняется вновь синтезиро-
ванными соединениями структуры 1,4- или 1,5-бензодиазепина с раз-
личными заместителями. Например, сибазон (диазепам) — 1-метил-2-
оксо-5-фенил-7-хлорбензо-1,4-диазепин, используемый для лечения
различных психических расстройств, имеет структуру:
С6н5
СНз
Диазепам
Относительная доступность бензодиазепинов приводит к злоупот-
реблениям и передозировкам.
Производные бензодиазепина легко всасываются из желудочно-ки-
шечного тракта, максимальное количество в крови обнаруживается че-
рез 1—3 ч. Степень связывания с белками плазмы высокая (например
для диазепама степень связывания достигает 98%). Производные бензо-
диазепина как липофильные вещества депонируются в жировой ткани
с последующим постепенным высвобождением в кровь. По этой причи-
не бензодиазепины имеют довольно большой период полувыведения,
например, для диазепама он составляет около 98 ч. Экскреция веществ
этой группы — почечная (более 60% дозы) и кишечная.
Биотрансформация производных бензодиазепина происходит в пе-
чени по реакциям окисления, деметилирования, дезаминирования, гид-
роксилирования, восстановления. Вторая фаза биотрансформации —
конъюгация с глюкуроновой кислотой (см. ч. 2, гл. 3). Часть первичных
метаболитов обладает фармакологической активностью.
Экспресс-анализ бензодиазепинов проводят имунными методами
(ИФА, РИА, ПФИА), оценивая общее содержание этих соединений
(см. ч. 3, гл. 2).
Определение бензодиазепинов проводят или по продуктам гидроли-
за — бензофенонам, или по исходным веществам и их метаболитам. Для
проведения гидролиза анализируемую пробу биожидкости помещают в
6 М НС1 и нагревают при 140 °C в течение 60 мин. Экстракцию образу-
ющихся в процессе гидролиза аминобензофенонов проводят гептаном
при pH 6,0—8,0. Анализ экстрактов проводят хроматографическими
методами.
Глава 2. О Лекарственные средства Q 309
При определении бензодиазепинов методом ТСХ в качестве подвиж-
ной фазы используют бензол. Обнаружение после разделения проводят
по собственной желтой окраске с флюоресценцией в ультрафиолетовом
свете. Предел обнаружения составляет 1—5 мкг в пятне. Элюаты хрома-
тограмм используют для снятия электронного спектра или газохромато-
графического исследования. Основные полосы поглощения аминобензо-
фенонов в этаноле 230—240 и 390—400 нм. Количественное определение
можно проводить фотоколориметрическим методом по окрашенным
продуктам реакции бензофенона с образованием азокрасителя.
Анализ биологической пробы без предварительного гидролиза поз-
воляет обнаружить индивидуальные вещества и их метаболиты. Для
этого проводят экстракцию бензодиазепинов из биообъектов органиче-
скими растворителями при pH 6,0—8,0 и последующее хроматографи-
ческое определение.
Для определения методом ТСХ применяют системы хлороформ—
метанол (9:1), этилацетат—метанол—аммиак (85:10:5). Используя элю-
аты с ТСХ-пластин, проводят определение методом ГХ-МС по натив-
ным соединениям или их летучим производным (дериватам).
Возможно ВЭЖХ-определение производных бензодиазепина по на-
тивным веществам или продуктам гидролиза. В качестве подвижной
фазы можно использовать смесь ацетонитрил—0,05 М водный двузаме-
щенный фосфат аммония (35:65 для нативных соединений или 55:45
для бензофенонов). Детектирование в ультрафиолетовых лучах прово-
дят при 230—220 нм.
2.3. Отравление лекарственными средствами группы фенотиазинов
Лекарственные средства группы фенотиазина используются как
транквилизаторы, антидепрессанты, антигистаминные и антианги-
нальные средства. Из алкильных производных фенотиазина наиболее
известны аминазин (хлорпромазин), пропазин (промазин), левомепра-
зин (тизерцин), метеразин (прохлорперазин), тиоридазин, хлорпротик-
сен, трифтазин. Например, аминазин [2-хлор-10-(3-диметиламинопро-
пил)-фенотиазина гидрохлорид] имеет структуру:
I СН2 N
СН2/ \н2Сz сн3
310 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Из ацильных производных фенотиазина широко применяются эта-
цизин, этмозин, нонахлазин и др.
Производные фенотиазина химически очень лабильны и в орга-
низме подвергаются биотрансформации. На первой стадии биотранс-
формации происходят сульфоокисление, N-деметилирование, гидро-
ксилирование, окисление, на второй — конъюгация с глюкуроновой
кислотой.
Для экспресс-определения фенотиазинов в моче используют реак-
цию с FNP-реактивом, который состоит из смеси водного раствора
хлорида железа (III), хлорной кислоты (HCIO4) и азотной кислоты
(1:9:10). Появляющаяся окраска от розовой до сине-фиолетовой сви-
детельствует о присутствии фенотиазинов или их метаболитов. Вслед-
ствие недостаточной специфичности реакции возможно получение
ложноположительных результатов. Определению мешают салицила-
ты, желчные пигменты и другие соэкстрактивные вещества биологи-
ческой пробы.
Дальнейшее определение проводят методами ТСХ, ГЖХ, ВЭЖХ,
ГХ-МС (см. ч. 3, гл. 2). При подготовке проб мочи и крови для ана-
лиза проводят гидролиз. Затем экстрагируют фенотиазины смесью
гептан—3% изопентанол. Для ТСХ используют системы бензол—
диоксан—25% аммиак (60:35:5) и этилацетат—ацетон—25% аммиак
в этаноле 1:1 (50:45:4). Применяют также системы толуол—ацетон—
этанол—25% аммиак (45:45:7,5:2,5) и диоксан—хлороформ—аце-
тон—25% аммиак (47,5:45:5:2,5). Детектирование проводят спирто-
вым раствором концентрированной серной кислоты (9:1) или
реактивом Марки (H2SO4 + СН2О). Все фенотиазины дают красное
или темно-красное окрашивание, кроме левомепразина, имеюще-
го голубую окраску. Количественное определение проводят фото-
метрическим методом по окрашенному продукту взаимодействия
производного фенотиазина с метиленовым оранжевым или кисло-
тами.
Для определения фенотиазинов методом ГЖХ используют тот же
экстракт, температура колонки 230 °C или программирование от 130 до
290 °C со скоростью 20 °С/мин при температуре испарителя 250 °C.
Для определения фенотиазинов используют ГХ-МС элюатов с ТСХ-
пластин по нативным соединениям или ацето- и фторзамещенным де-
риватам.
Возможно ВЭЖХ-определение производных фенотиазина в моче и
сыворотке крови с использованием автоматических анализаторов; пре-
дел обнаружения 0,1 мкг/мл.
Глава 2. Ф Лекарственные средства 0 311
2.4. Отравление лекарственными средствами
группы трициклических антидепрессантов
К группе трициклических антидепрессантов относятся амитрипти-
лин, имизин, соответствующие N-дезметильные аналоги нортрипти-
лин и дезипрамин. Амитриптилин [5-(3-диметиламинопропилиден)~
10,11-дигидродибензоциклогептен гидрохлорид] имеет следующую
структуру:
N-дезметильные метаболиты обладают самостоятельной фармако-
логической активностью. Фармакологические и токсикологические па-
раметры этих соединений представлены в табл. 3.
В рутинном анализе химико-токсикологические лаборатории вы-
полняют качественное обнаружение амитриптилина в моче методом
ТСХ. При скрининговых исследованиях проводят экстракцию из мочи
хлороформом или эфиром при pH 10,5—11,0. Упаренный экстракт на-
носят на пластинку и проводят хроматографирование в различных сис-
темах, например этилацетат—ацетон—раствор аммиака в этаноле
(50:45:5), бензол—диоксан—аммиак (60:35:5). Проявление проводят оп-
рыскиванием концентрированной серной кислотой; наблюдается оран-
жево-кирпичная окраска. Предел обнаружения составляет 0,1 мкг в
пятне.
Количественное определение амитриптилина и нортриптилина про-
водят экстракционно-фотометрическим методом по комплексу с бром-
феноловым синим после экстракционной и хроматографической очи-
стки. Предел обнаружения составляет 1 мкг/мл (в случае смертельных
отравлений).
Для экспресс-диагностики антидепрессантов в крови и моче ис-
пользуют также иммунохимические методы, например ПФИА. При
этом удается снизить предел обнаружения на порядок — до 0,01 мкг/мл.
Таким образом, иммунохимический метод позволяет выявить передо-
зировку лекарственного средства, что особенно важно в связи с малой
312 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 3. ФАРМАКОКИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРИЦИКЛИЧЕСКИХ АНТИДЕПРЕССАНТОВ
Лекарственное вещество Доля связы- вания с белками, % Период полувы- ведения из плазмы, ч Метаболиты, доля выведения вещества с мочой, % Доза, мкг/мл
терапев- тическая токси- ческая леталь- ная
Амитриптилин (ХУ} н2"^ ''СН,-НС1 86-98 17-40 Нортриптилин, N-оксид, 10,11-оксинор- триптилин, 10,11-оксиами- триптилин, 0,2-5 0,035 0,202 0,046 0,427 0,55 16,7
Имизин (имипрамин) " н^ЧНн,- 76-95 17-90 2-Оксиимизин, 8-оксидезими- рамин, N-оксид, 1—3 0,009 0,126 0,1 3,2 0,85 13,1
Дезипрамин Ул 1 хсн3 70-98 14-60 8-Оксидезими- прамин, 2-окси-дезими- прамин, 5 0,011 0,11 0,40 1,5 3,8 16,8
широтой терапевтического интервала (близость терапевтических и ток-
сических доз).
Для дифференциальной диагностики, изучения фармако- и токси-
кокинетики используют методы ГЖХ и ВЭЖХ (предел обнаружения
1 мкг/мл). При определении токсических концентраций в крови для
снижения предела обнаружения (до 0,2 мкг/мл) проводят предвари-
тельное превращение в трифторацетатные производные.
2.5. Отравление антигистаминными лекарственными средствами
К антигистаминным средствам относятся вещества, блокирующие
Н-гистаминовые рецепторы. Это представители разных химических
классов органических веществ (например, димедрол, супрастин, таве-
гил, дипразин, диазолин), что объясняет применение различных мето-
Глава 2. О Лекарственные средства 0 313
дик для их определения. Например, из структуры дифенилгидрамина
(димедрола) (Р-диметиламиноэтилового эфира бензгидрола гидрохло-
рида) следует, что данное вещество относится к простым эфирам и од-
новременно является диметилпроизводным ароматического амина:
•HCI
Дифенилгидрамин довольно легко всасывается после приема
внутрь (биодоступность 50%). Связывание с белками плазмы достига-
ет 72—98%, период полувыведения из крови 3—10 ч. Основные пути
метаболизма — N-дезалкилирование, окислительное дезаминирова-
ние, конъюгация. Лишь 2—4% дозы выводится в неизмененном виде
с мочой.
Анализ на дифенилгидрамин проводится после экстракции веществ
основного характера. Определение методом ТСХ проводят в общих си-
стемах, например бензол—диоксан—аммиак (60:35:5); проявляют оп-
рыскиванием концентрированной серной кислотой — образуется ли-
монно-желтое окрашивание.
Для ГЖХ-анализа используют тот же экстракт; температура колонки
230 °C или программирование от 130 до 290 °C со скоростью 20 “С/мин,
температура испарителя 250 °C.
2.6. Отравление лекарственными средствами
группы сердечных гликозидов
К группе сердечных гликозидов относятся дигитоксин и другие кар-
диотоксичные гликозиды, которые содержатся, например, в наперстян-
ке. Их применяют как антиаритмические средства. Из структуры диго-
ксина следует, что гликозиды имеют высокую молярную массу,
химически неустойчивы. Их терапевтические и токсические концент-
рации очень низкие, в связи с чем определение этих веществ, особенно
в биологических материалах, представляет определенные трудности.
Токсикокинетические и токсикодинамические параметры дигоксина:
терапевтическая доза 0,0004—0,0023 мкг/мл, токсическая 0,0014—
0,0070 мкг/мл, летальная 0,0015—0,0300 мкг/мл; доля связывания с бел-
ками 20—40%, доля выведения с мочой 60—90%, период полувыведения
из плазмы 4—100 ч.
314 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Методы ВЭЖХ, ТСХ можно применять для определения сердечных
гликозидов в сырье или в вещественных доказательствах, но не в биоло-
гических жидкостях, где их концентрация очень мала. Для определения
гликозидов в моче используют иммунохимические методы.
ГЛАВА 3. ЛЕТУЧИЕ ЯДЫ
Ключевые моменты:
• Липофильность и низкие температуры кипения.
• Специфичность путей поступления в организм.
• Главные органы-мишени — центральная нервная система, печень
и почки.
• Особенности изолирования и определения при анализе биомате-
риалов - микродиффузия, перегонка с водяным паром, газожидкостная
хроматография, газовая хроматография.
1. Общая характеристика летучих ядов
Под термином «летучие яды» подразумевают класс токсичных жид-
ких органических веществ высокой липофильности и летучести; к лету-
чим ядам также относят токсичные газы. Исторически в судебной хи-
мии считали летучим ядом вещество, изолируемое из биоматериала
перегонкой с водяным паром.
Включение органического вещества в группу летучих ядов определя-
ется, во-первых, его летучестью, т.е. низкой температурой фазового пе-
рехода жидкость -» газ. Токсиканты этой группы в обычных условиях на-
ходятся в газовой фазе или легко в нее переходят из жидкого состояния.
Во-вторых, летучие яды можно изолировать из биологических материа-
лов методом перегонки (дистилляции) или микродиффузии. В-третьих,
токсиканты этой группы идентифицируют и количественно определяют
методом газовой хроматографии (ГХ) и газожидкостной хроматографии
(ГЖХ) (парофазный метод).
Глава 3. О Летучие яды О 315
К летучим ядам относятся продукты перегонки нефти и большинст-
во органических растворителей, применяемых в промышленности и
быту, которые используют для растворения, разбавления или дисперги-
рования материалов, нерастворимых в воде. Многие летучие раствори-
тели, например, керосины и бензины, являются сложными смесями со-
тен химических компонентов. В число летучих ядов включают
алифатические углеводороды и их хлорпроизводные, спирты, эфиры,
альдегиды, кетоны, разнообразные ароматические соединения и мно-
гочисленные токсичные газы. Летучие яды классифицируют в основ-
ном согласно их химической природе с учетом молекулярного строения
и присутствующих в молекуле функциональных групп. Незначитель-
ные различия химической структуры летучего яда могут привести к
ощутимым различиям токсичности.
Рассмотрим некоторые примеры летучих ядов различных химиче-
ских классов: алифатические углеводороды и их галогенопроизводные
(хлороформ, хлоралгидрат, четыреххлористый углерод, дихлорэтан,
1,1,1-трихлорэтан, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен, метиленхлорид,
хлорфторуглероды и др.); циклические алканы и их галогенопроизводные
(гексан, гексахлороциклогексан и др.); алканолы (алифатические спир-
ты: метанол, этанол, спирты С3—С5, диолы — этиленгликоль и др.);
альдегиды (муравьиный, уксусный и др.); кетоны (ацетон и др.); карбо-
новые кислоты (муравьиная, уксусная кислоты и др.); ароматические со-
единения (бензол, хлорзамещенные производые бензола, нитробензол,
толуол, этилбензол, ксилолы и др.); фенолы (фенол, крезолы, пента-
хлорфенол и хлорофенолы и др.); простые газообразные вещества (хлор
CI2, фтор F2 и др.); летучие оксиды и гидриды (угарный газ СО, диоксид
азота NO2, фтороводород HF, сероводород H2S, селеноводород b^Se,
арсин AsHj, фосфин РН3, стибин 5ЬНз и др.); цианид водорода (HCN);
акрилонитрил (CH2=CHCN); ацетонитрил (CH3CN); диметилформамид
[HCON(CH3)2].
Некоторые консерванты, стабилизаторы, растворители, аэрозоль-
ные пропелленты в лекарственных формах представляют собой «лету-
чие» яды:
Аэрозоли: фторуглеводороды — трифторметан,
дихлорфторметан.
Ингаляторы: инертные газы.
Инъекционные растворы: пропиленгликоль, этилолеат,
бензилбензоат, фенол, крезол,
хлорбутанол, бензиловый спирт.
Свечи: пропиленгликоль.
316 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Летучие яды легко абсорбируются через легкие, кожу и желудочно-
кишечный тракт. Липофильность растворителей возрастает с увеличе-
нием молярной массы, а летучесть при этом уменьшается.
До сих пор нет единого мнения, может ли хроническое воздействие
незначительных количеств органического растворителя или их смеси
вызвать хроническую энцефалопатию, сопровождающуюся головной
болью, усталостью, беспокойным сном. Обратимая форма хронической
энцефалопатии носит название «нейроастенический синдром». Умерен-
ные и острые формы хронической энцефалопатии могут иметь призна-
ки нейропсихической дисфункции. Окончательное решение вопроса
возможно только после проведения клинических эпидемиологических
исследований.
Дети и пожилые люди потенциально чувствительны к действию ле-
тучих ядов. Токсические дозы для детей и взрослых различаются в 2—3
раза. Чем меньше возраст ребенка, тем больше проявляется токсиче-
ский эффект растворителя. Доля жировой ткани в организме ребенка в
возрасте 0,5—3 лет больше, чем у взрослого, и уменьшается к 14—16 го-
дам. Липофильные растворители концентрируются преимущественно в
жировой ткани и медленно выводятся. У пожилых людей доля жировой
ткани в организме увеличивается в результате снижения содержания
воды и общей массы тела. Кроме того, в пожилом возрасте сердечный
выброс, почечный и печеночный кровоток снижены, выведение токси-
кантов и их метаболитов затруднено. Содержание в крови полярных
растворителей относительно выше, чем неполярных.
2. Распространение в окружающей среде
Практически каждый человек ежедневно подвергается воздейст-
вию летучих ядов. Летучие органические соединения переходят в газо-
вую фазу из аэрозольных пропеллентов, лакокрасочных покрытий,
очистителей, почвенных фумигантов. Загрязнение атмосферы проис-
ходит при производстве, обработке, хранении и транспортировке ор-
ганических растворителей. Ветер снижает содержание летучих ядов в
отдельных областях атмосферы и рассеивает их по всему атмосферно-
му слою Земли. Атмосферные концентрации большинства летучих ве-
ществ обычно низки; в городах они выше, особенно вблизи нефтехи-
мических заводов.
Присутствие растворителей в питьевой воде — главная опасность
для здоровья человека. Хотя большая часть растворителя, разлитого на
землю, испаряется, возможны его проникновение и миграция до грун-
товых вод.
Глава 3. О Летучие яды 0 317
В поверхностном слое наземных вод выше содержание токсичных
органических растворителей низкой плотности. Растворители, плот-
ность которых выше плотности воды, концентрируются в глубинных
слоях водоемов. Летучие вещества, концентрирующиеся в поверхност-
ном слое вод, легко испаряются. Это одна из причин появившейся в XX в.
проблемы токсичности морских аэрозолей, особенно замкнутых аква-
торий.
Установлены значения ПДК более чем 100 растворителей. Обычно
это ПДК, соответствующие 8-часовому рабочему дню, 40-часовой рабо-
чей неделе, а также острым краткосрочным воздействиям высоких доз
растворителей (см.ч. 1, гл. 3). Использование в быту воды, загрязненной
растворителями, может вызвать дерматиты, ингаляционное или перо-
ральное отравление. При хлорировании питьевой воды также возможно
отравление летучими ядами, например, образующимся хлороформом.
Большинство растворителей представляет собой не индивидуальные
вещества, а смесь химических соединений. Сведения о комбинирован-
ной токсичности летучих ядов весьма ограничены (см. ч.2, гл. 5). Как и
для других классов токсикантов, комбинированные воздействия лету-
чих ядов мотуг быть аддитивные, синергические или антагонистиче-
ские (см. ч.2, гл. 5).
Несмотря на различную степень опасности, все летучие яды дают то-
ксические эффекты. Например, при воздействии органических раство-
рителей наблюдаются наркотический эффект, раздражение кожных по-
кровов и слизистых оболочек. Многие растворители — канцерогены
для животных, но только часть из них проявляет канцерогенные свой-
ства у человека.
3. Преднамеренное употребление летучих ядов
и их физиологические эффекты
Органические растворители редко используют с целью суицида. Ча-
ще летучие яды вдыхают или принимают внутрь преднамеренно для до-
стижения эйфории, зрительных и слуховых галлюцинаций, помутнения
сознания. Часто используют смеси растворителей или их сочетания с
лекарственными средствами и наркотиками. Растворители в составе
препаратов бытовой химии ввиду доступности представляют опасность
для детей и подростков.
Болезненное пристрастие к химическим веществам, не отнесенным
к наркотическим, называется токсикоманией. Классифицировать ве-
щества, применяемые токсикоманами, практически невозможно. Их
перечень постоянно меняется в связи с появлением новых препаратов
318 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 1. ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ОБНАРУЖЕННЫЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ 61 ТРУПА ТОКСИКОМАНОВ
Токсичные вещества Число отравлений
Бензин 15
Толуол 4
Ацетон 5
Клей «Момент» 1
Фреон (хладон) 2
Фосфорорганические вещества 4
Комбинация токсичных веществ 10
Лекарственные средства 18
Неизвестный яд 2
Всего 61
бытовой химии. Проблема токсикоманий существует во многих стра-
нах. Иногда лица, пристрастившиеся к наркотикам и не имеющие воз-
можности их приобретения, применяют случайные лекарственные пре-
параты, растворители, технические жидкости, краски. Чаще всего им не
известны токсические свойства летучих ядов и у них наступают острые
отравления. Диагностика и проведение судебно-химического исследо-
вания в этих случаях затруднительны, так как не известна природа яда
(ненаправленный анализ).
Летучие яды могут быть идентифицированы при судебно-меди-
цинском исследовании трупов. Токсичные вещества, вызывающие
смертельные отравления (табл. 1), поступают в организм ингаляцион-
ным путем или перорально. Токсикоманы вдыхают пары летучих ядов
из различных емкостей, полиэтиленовых мешков, надетых на голову,
и другими способами. Токсикоманы умирают прямо на месте или в
стационаре, куда они попадают в бессознательном состоянии. Клини-
ческая картина в большинстве случаев нечеткая и затрудняет диагно-
стику.
В последние годы увеличилось число отравлений токсикоманов
многокомпонентными смесями, содержащими 5 компонентов и более,
включающими как наркотические и лекарственные вещества, так и ор-
ганические растворители. В некоторых случаях комбинации токсичных
веществ включали только летучие яды.
Глава 3. О Летучие яды 0 319
4. Токсикодинамика и токсикокинетика летучих ядов
Токсикодинамика и токсикокинетика летучих ядов устанавливают
связь между дозой, скоростью и механизмами при абсорбции, распре-
делении и выведении летучего яда (см. ч. 2, гл. 1 и 4).
Летучесть и липофильность органических растворителей влияют на
степень абсорбции, механизмы и пути распределения и выведения. По-
скольку многие летучие яды липофильны и имеют относительно низ-
кую молекулярную массу, они свободно проникают через биологиче-
ские мембраны путем пассивной диффузии в соответствии с законом
Фика (см. ч. 2, гл. 2).
Абсорбция. Всасывание паров летучего соединения происходит преи-
мущественно в альвеолах, хотя отчасти абсорбция начинается в верхних
отделах дыхательных путей. Практически сразу устанавливается равно-
весие между молекулами газообразного соединения в альвеолярном воз-
духе и крови капилляров легких. Коэффициент распределения может
быть определен как отношение концентраций летучего вещества между
указанными средами в состоянии равновесия: К = СКрОВЬ/СалЬВеолы. Гид-
рофильные растворители, например, спирты и гликоли, имеют относи-
тельно высокие коэффициенты распределения в системе кровь—альвео-
лярный воздух, что связано с их высокой растворимостью в водной фазе
(кровь). При абсорбции в кровь для восстановления концентрации ток-
сиканта в альвеолярном воздухе дыхание учащается, соответственно
возрастает кровоток к легким. Таким образом, восстанавливается соот-
ношение концентраций СКрОВь/Сальвеолы,что вновь приводит к увеличе-
нию легочной абсорбции.
Органические растворители хорошо абсорбируются также из желу-
дочно-кишечного тракта. Большинство растворителей полностью вса-
сывается при приеме внутрь. Их всасывание начинается уже в ротовой
полости как через слизистую оболочку, так и в результате заглатывания
слюны, которая содержит растворенный яд. Максимальное содержание
токсиканта в крови достигается в течение нескольких минут после при-
ема внутрь. Содержимое желудочно-кишечного тракта препятствует аб-
сорбции растворителей.
Поступление растворителей в организм через кожу путем пассивной
диффузии может сопровождаться локальными или системными эффек-
тами. Скорость абсорбции через кожу зависит от концентрации раство-
рителя, площади абсорбирующей поверхности, продолжительности
воздействия, повреждений на коже и толщины ороговевшего слоя, ли-
пофильности и молярной массы летучего вещества.
320 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Распределение. Растворители, всасывающиеся из желудочно-кишеч-
ного тракта в систему портальной вены, попадают в печень и выделяют-
ся с желчью. Они могут также элиминироваться органами дыхания. Ра-
створители, которые легко метаболизируются, подвержены элиминации
еще до проникновения в артериальную кровь. Константа скорости пече-
ночной элиминации зависит от количества токсиканта. Элиминация че-
рез легкие, напротив, представляет собой процесс первого порядка и
константа скорости легочной элиминации не зависит от концентрации
растворителя в крови (см.ч.2, гл.4).
Скорость переноса летучих ядов зависит от скорости артериального
кровотока и коэффициента распределения растворителя в системе
ткань—кровь. Относительно гидрофильные вещества имеют разную
растворимость в плазме. Липофильные растворители не взаимодейст-
вуют с белками плазмы и гемоглобином, но способны проникать в гид-
рофобные части их молекул. Липофильные растворители проникают в
фосфолипиды, липопротеины и холестерин крови.
Содержание органических растворителей в крови быстро падает на
начальной стадии элиминации. Это связано с интенсивной диффузией
растворителя из крови в различные ткани. Жировые ткани увеличивают
объем распределения липофильных растворителей, но равновесие с
жировой тканью устанавливается медленно из-за незначительной (око-
ло 3 %) доли кровотока к ней.
В процессе биотрансформации токсичность летучих ядов может из-
меняться. Многие растворители плохо растворимы в воде и превраща-
ются в относительно растворимые гидрофильные метаболиты, которые
легко выводятся с мочой и/или желчью. Некоторые растворители в
процессе метаболизма превращаются в активные метаболиты с цитото-
ксическими и/или мутагенными свойствами (токсикация, метаболиче-
ская активация — см. ч. 2, гл. 3).
Предшествующее введение индукторов или ингибиторов ферментов
биотрансформации приводит к потенцированию или уменьшению ток-
сичности растворителей, подвергающихся метаболизму. Ингибиторы
метаболических ферментов обычно увеличивают токсичность раство-
рителей. Защита от токсичных растворителей повышается при актива-
ции метаболических ферментов.
Для исследования механизмов токсичности летучих ядов использу-
ют различные физиологические модели. Токсикокинетические модели
позволяют установить взаимосвязь между введенной дозой и содержа-
нием биологически активных форм в органе или ткани через опреде-
ленные временные интервалы. Физиологические токсикодинамиче-
Глава 3. О Летучие яды Ф 321
ские модели позволяют, в частности, выявить соответствие воздействия
токсиканта на лабораторных животных и человека. Использование ток-
сикодинамических и токсикокинетических моделей допускает экстра-
поляцию на человека результатов по дозам и эффектам, полученных для
разных биологических видов. Например, в некоторых случаях дозу рас-
творителя, вызывающую злокачественные новообразования у человека,
можно определить по результатам, полученным на экспериментальных
животных.
5. Механизмы токсичности летучих вдов
Летучие яды поражают в первую очередь легкие. Прямое поврежде-
ние легочных капилляров может вызвать химический пневмонит и ге-
моррагическую бронхопневмонию, что способствует возникновению
отека легких. Основным органом-мишенью паров летучих органиче-
ских растворителей является ЦНС. Многие токсичные газы, например
угарный газ СО и летучие гидриды p-элементов (арсин AsHj, стибин
8ЬНз, селеноводород SeH2 и др.), замещают и/или восстанавливают ки-
слород в геме, проявляя, таким образом, свойства гемолитических ток-
сикантов. Несмотря на общие черты токсичности, отдельные предста-
вители этой многочисленной группы токсичных веществ имеют
некоторые особенности.
5.1. Хлорированные углеводороды
Трихлорэтилен (1,1,2-трихлорэтилен) (С12С=СНС1) — растворитель,
широко используемый для обезжиривания металлов. Возможна связь
между воздействием растворителя и возникновением множественной
миеломы, болезни Ходжкина, аденокарциномы простаты, рака кожи,
опухолей цервикального канала и почек.
Токсичность трихлорэтилена связана преимущественно с воздейст-
вием его метаболитов, а не исходного вещества. Например, один из ме-
таболитов — трихлорэтанол угнетает ЦНС. После перорального или ин-
галяционного поступления большая часть трихлорэтилена подвергается
окислению с участием цитохрома Р450, небольшая часть связывается с
глутатионом. Оба направления метаболизма входят в систему канцеро-
генности трихлорэтилена: реакционный метаболит(ы) GSH-пути при-
водит к злокачественным новообразованиям почек у крыс, а метаболи-
ты окислительного пути — к опухолям печени и легких у мышей.
Трихлорэтилен вызывает рак печени у мышей, но не у крыс. Это раз-
личие объясняется большей способностью мышей к окислительному
метаболизму трихлорэтилена.
322 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Ингаляционное или пероральное введение растворителя приводит к
возникновению опухолей почек у самцов (но не у самок) крыс. Воспри-
имчивость самцов можно объяснить их способностью к метаболизму
через GSH-путь. Полагают, что реакционные метаболиты алкилируют
клеточные нуклеофилы, включая ДНК. Мутации ДНК приводят к из-
менениям генной экспрессии, которые в свою очередь ведут к неопла-
стическим трансформациям и образованию опухолей через генотоксич-
ный путь.
Пероральное введение растворителя не вызывает рак легкого в связи
с детоксикацией вещества в печени, которая снижает доступ трихлор-
этилена в легкие.
Тетрахлорэтилен (перхлорэтилен) (С12С=СС12> используется для сухой
чистки, обработки тканей, для обезжиривания, чистки ковров и обивки,
удаления краски и в качестве пятновыводителя, растворителя и химиче-
ского реагента. Наиболее интенсивные ингаляционные воздействия слу-
чаются при профессиональном использовании тетрахлорэтилена.
Распределение и метаболизм аналогичны таковым трихлорэтилена.
Оба растворителя хорошо абсорбируются из легких и желудочно-ки-
шечного тракта, распределяются в тканях в соответствии с содержани-
ем в них липидов. Тетрахлорэтилен окисляется с участием цитохрома
Р450 печени в значительно меньшей степени по сравнению с трихлор-
этиленом, хотя оба растворителя имеют общий основной метаболит —
трихлоруксусную кислоту. Связывание с глутатионом имеет меньшее
значение для метаболизма тетрахлорэтилена, чем для трихлорэтилена.
Остается спорным вопрос о возникновении злокачественных ново-
образований при воздействии тетрахлорэтилена на организм человека.
Вызывают сомнения многочисленные эпидемиологические данные о
возникновении злокачественных опухолей и смертности людей, под-
вергавшихся профессиональному воздействию тетрахлорэтилена. Из-
вестно, что курение и потребление алкоголя — важные сопутствующие
факторы возникновения рака пищевода. Нет доказательств прямой свя-
зи между воздействием тетрахлорэтилена и раком почек.
Метиленхлорвд (дихлорметан, хлорид метилена) (СН2О2) широко
применяется как растворитель в промышленности, как обезжириваю-
щее средство и пропеллент аэрозолей. Отравления происходят в основ-
ном ингаляционным путем.
Токсикокинетика метиленхлорида изучена на моделях животных и
человеке. При поступлении метиленхлорида в организм его устойчивая
концентрация в крови достигается через 1—2 ч. Токсикант выводится из
организма достаточно быстро — в течение 5 дней после экспозиции.
Глава 3. <> Летучие яды <> 323
Хронические ингаляционные воздействия метиленхлорида приво-
дят к незначительным обратимым изменениям в печени грызунов. При
воздействии высоких доз паров метиленхлорида на человека иногда на-
блюдаются повреждения почек. Монооксид углерода [оксид углеро-
да(П), СО] — продукт биотрансформации метиленхлорида— приводит
к дозозависимому образованию карбоксигемоглобина. Имеются дан-
ные об остаточной неврологической дисфункции после отравления у
рабочих промышленных предприятий.
По данным, полученным на грызунах, метиленхлорид можно рас-
сматривать как потенциальный канцероген для человека. Вместе с тем,
эпидемиологические исследования на производстве показали, что
риск возникновения злокачественных новообразований весьма незна-
чителен.
Хлороформ (трихлорметан) (CHCI3) используется в основном в про-
изводстве хладоагента дифторхлорметана. Хлороформ обладает гепато-
токсичностью и нефротоксичностью. В небольших дозах он может про-
воцировать симптомы, напоминающие алкогольное отравление, в
высоких дозах повышает чувствительность миокарда к катехоламинам.
Один из метаболитов хлороформа — фосген (COCI2) ковалентно
связывается с белками и липидами печени и почек. При этом происхо-
дит повреждение клеточных мембран и внутриклеточных структур, на-
блюдаются некроз клеток и последующая клеточная пролиферация, что
стимулирует формирование опухолей у грызунов. В настоящее время
хлороформ рассматривается как возможный канцероген человека.
Четыреххлористый углерод (ССЦ) — классический гепатотоксин; у
людей возможны и повреждения почек.
5.2. Ароматические углеводороды
Бензол (CgHg) получают преимущественно из нефти и используют в
синтезе химических соединений и в качестве антидетонатора в бензи-
нах, не содержащих свинца. Основной путь поступления бензола в ор-
ганизм — органы дыхания; дым сигареты — главный источник бензола
в быту. В организм курильщиков поступает в 6—10 раз больше бензола,
чем в организм некурящих. Пассивное курение может обеспечить по-
ступление существенных количеств бензола в организм некурящих.
Кроме того, возможно отравление бензолом от выбросов паров бензина
при автовыхлопах.
Хроническое отравление бензолом сопровождается нарушениями
гемопоэза в виде анемии, лейкопении, тромбоцитопении или комбина-
ции этих нарушений. У животных и людей наблюдаются дозозависимые
324 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
дегенеративные изменения костного мозга. При длительных воздейст-
виях возможна аплазия костного мозга, часто с летальным исходом.
Эпидемиологическими исследованиями доказано, что воздействие
высоких доз бензола вызывает острую лейкемию у человека. Риск воз-
никновения других онкологических заболеваний не установлен.
Различные метаболиты бензола ковалентно связываются с глутатио-
ном, белками, ДНК и РНК. Это может приводить к нарушению функци-
онирования гемопоэтической системы через ингибирование фермент-
ных систем. Токсичность бензола связывают также с окислительным
стрессом. Поскольку в костном мозге высока активность пероксидазы,
фенольные метаболиты бензола могут превращаться в реакционные
производные хинона (см. ч. 2, гл. 3). Последние вызывают повреждения
ДНК, что может привести к нарушениям гемопоэза.
Летальная концентрация бензола в плазме крови составляет 0,95 мг/л.
Еще большую опасность для человека представляет нитропроизвод-
ное бензола — нитробензол (C6H5NO2).
Толуол (С6Н5СН3) входит в состав изделий бытовой химии: красок,
лаков, клеящих пленок, чистящих веществ, клея, а также используется
в химическом синтезе. Бензин, который содержит 5% толуола по массе,
является главным источником атмосферного загрязнения и токсиче-
ского воздействия на организм человека. Ингаляция — основной путь
поступления толуола в организм, хотя часто происходят отравления при
кожной абсорбции. Толуол чаще других растворителей используется
при преднамеренном вдыхании летучих органических ядов.
Толуол хорошо абсорбируется из желудочно-кишечного тракта и
легких, быстро накапливается в мозге и депонируется в других тканях,
богатых липидами. Толуол почти полностью биотрансформируется, но
некоторая его часть выводится легкими в неизмененном виде.
ЦНС—главный орган-мишень толуола и других алкилбензолов. Сим-
птомы токсического воздействия толуола — от незначительного голово-
кружения и головной боли до бессознательного состояния, подавления
дыхания и смерти. Острые нарушения ЦНС обратимы после прекраще-
ния воздействия. Нейротоксические явления наблюдаются у токсикома-
нов при хронических отравлениях толуолом. Из клинических признаков
отравления отмечены тремор, энцефалопатия, слуховые, зрительные и ре-
чевые нарушения. Методом магниторезонансной томографии выявлены
нарушения в структуре и функции мозга, отмечены изменения на ЭЭГ.
Часть попавшего в организм вещества выделяется через легкие в не-
измененном виде. Так, 16—20% толуола выводится легкими, но 80%
трансформируется в бензойную кислоту, которая в свою очередь пре-
Глава 3. Q Летучие яды Q 325
вращается в гиппуровую кислоту (C6H5CONHCH2COOH), выводимую
почками. Обнаружение гиппуровой кислоты в моче рассматривают как
свидетельство употребления толуола.
Летальная концентрация толуола в плазме крови составляет 10
мг/л. При смертельном ингаляционном отравлении толуолом наблю-
далось следующее распределение токсиканта в организме (мг/100 г
ткани): кровь — 1,7, желчь — 2, моча — 0,9, тонкая кишка — 0,6, го-
ловной мозг — 0,4, печень — 0,2.
Ксилолы и этилбензол [СбН4(СНз)2, CgHsfCjHs)], подобно бензолу и
толуолу, являются главными компонентами бензина и дизельного топ-
лива. Ксилолы применяют в промышленности в качестве растворите-
лей и в химическом синтезе.
Токсикокинетика и эффекты острой интоксикации у толуола, кси-
лолов и этилбензола однотипны. Ксилолы и другие ароматические рас-
творители хорошо абсорбируются из легких и желудочно-кишечного
тракта, распределяются с током крови по тканям, преимущественно в
липиды, метаболизируются в печени с участием цитохрома Р450 и в
значительной степени экскретируются в виде почечных метаболитов.
Незначительная часть ароматических растворителей не подвергается
биотрансформации и элиминируется с выдыхаемым воздухом.
Ксилолы и этилбензол способны вызывать нарушения не только в
ЦНС. Имеются единичные данные о нарушениях в печени и/или в поч-
ках у лиц, подвергавшихся воздействию высоких концентраций паров
ксилолов. Большинство алкилбензолов, по-видимому, не являются ге-
нотоксичными или канцерогенными веществами. Этилбензол и стирол
[СбН5(СН=СН2)1 — известные канцерогены для животных. Канцеро-
генное действие на организм человека изучено недостаточно.
Летальная концентрация ксилола в плазме крови человека составля-
ет 3—40 мг/л.
При отравлении ароматическими соединениями снижаются темпе-
ратура тела и артериальное давление, пульс становится слабым. При тя-
желом отравлении развивается острый интоксикационный психоз, от-
мечаются подергивание мышц, судороги; затем следуют расширение
зрачков, исчезновение рефлексов, потеря сознания, коллапс, кома.
Смерть наступает от паралича дыхательного центра.
При отравлении ароматическими соединениями пострадавшего сле-
дует вынести на свежий воздух. Если бензол, толуол или ксилолы попа-
ли внутрь, необходимо промыть желудок, ввести активированный
уголь, дать вазелиновое масло и солевое слабительное, поставить очи-
стительную клизму. Если вещество попало на кожу, ее следует обмыть
326 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
теплой водой. Этанол, касторовое масло и молоко нельзя применять
для удаления яда, они способствуют его растворению и всасыванию.
Если яды поступили в организм ингаляционным путем, то желудочно-
кишечный тракт очищать не следует.
5.3. Одноатомные спирты
Этанол (С2Н5ОН). Большинство экспериментальных результатов по
Биохимической токсикологии летучих ядов получено для этанола. Эта-
нол применяется в промышленности как растворитель, является ком-
понентом фармацевтических препаратов и алкогольных напитков.
Существуют определенные правила медицинского освидетельствова-
ния на состояние опьянения лиц, управляющих транспортным средст-
вом. Содержание этанола в крови зависит от количества потребленного
этанола и скорости поступления его в организм. В связи с гидрофильны-
ми свойствами этанол распределяется в жидких средах организма и лишь
его небольшое количество попадает в жировую ткань. Этанол подверга-
ется биотрансформации и выводится из организма преимущественно
почками и легкими. В среднем уровень этанола в крови взрослого чело-
века снижается со скоростью 15—20 мг /100 мл в час. При содержании
этанола в крови 120 мг/ 100 мл для его выведения необходимо 6—8 ч.
Биотрансформация этанола до ацетальдегида происходит с участием
3 ферментов (см.ч.2, гл.З):
1. При участии фермента АДГ образуется ацетальдегид, который бы-
стро окисляется в присутствии АЛДГ. Определение ацетальдегида в
крови, моче, спинномозговой жидкости может быть использовано для
оценки тяжести алкогольной интоксикации.
2. Второй фермент, каталаза, участвующий в разложении пероксида
водорода, может замещаться НАДФН-зависимой оксидазой и ксанти-
ноксидазой. С участием этих ферметов метаболизируется около 10%
этанола.
3. Третий фермент, CYP2E1, является главным компонентом систе-
мы микросомального окисления этанола в печени.
У людей белой, желтой и черной расы содержание изоферментов
АЛДГ, влияющих на эффективность метаболизма ацетальдегида, неоди-
наково. Примерно у половины жителей Азии АЛДГ крови практически
не активна. При поступлении этанола в организм наблюдаются резкое
возбуждение, головная боль, тошнота, рвота, тахикардия, тахипноэ.
После поступления в организм равных доз этанола у женщин его уро-
вень в крови несколько выше, чем у мужчин. Это связано с более эффек-
тивным метаболизмом этанола с участием АДГ в слизистой оболочке же-
Глава 3. О Летучие яды Ф 327
лудка у мужчин и меньшим объемов распределения Vd у женщин. Кроме
того, у женщин более выражено гепатотоксическое действие этанола.
Потребление алкоголя во время беременности приводит к нарушени-
ям формирования органов плода. Возможны пороки развития черепа и
мозга, микроцефалия, отставание в физическом и психическом развитии.
При ферментативном окислении этанола (фермент CYP2E1) в орга-
низме образуются чрезвычайно реакционноспособные кислородсодер-
жащие радикалы, которые участвуют в окислении липидов.
При избыточном поступлении этанола в организм наблюдается сни-
жение абсорбции биологически активных веществ из пищи, нарушает-
ся метаболизм фолиевой кислоты, витаминов А и D. Метаболизм эта-
нола с участием АДГ и АЛДГ приводит к сдвигу кислотно-основных и
окислительно-восстановительных равновесий, в результате могут нака-
пливаться токсичные продукты биотрансформации.
Этанол может приводить к опасным изменениям не только в печени,
но и в других тканях. Алкогольная кардиомиопатия может стать резуль-
татом снижения синтеза кардиосократительных белков, воздействия
кислородных радикалов и иммунного ответа на образующиеся продук-
ты присоединения ацетальдегида к белкам. Хронический алкоголизм
приводит к снижению уровня антиоксидантов и повышает риск воз-
никновения инсультов. К органам-мишеням этанола относятся мозг
(возможны энцефалопатии) и поджелудочная железа (панкреатиты).
На основании эпидемиологических исследований была выявлена
зависимость между количеством поступающего в организм этанола и
частотой возникновения злокачественных новообразований. Это об-
стоятельство может быть обусловлено:
• активацией этанолом фермента CYP2E1 и возрастанием метабо-
лической активности проканцерогенов клетки;
• канцерогенностью ингредиентов, добавок и примесей в алкоголь-
ных напитках;
• увеличением абсорбции канцерогенов, хорошо растворяющихся в
этаноле, в верхних отделах желудочно-кишечного тракта;
• влиянием этанола на действие некоторых гормонов, угнетением
функции иммунной системы;
• снижением абсорбции ряда биологически активных веществ из пищи.
Этанол и курение действуют синергически, вызывая злокачествен-
ные новообразования в ротовой полости, глотке, гортани.
Метанол (древесный спирт) (СН3ОН) входит как антиобледенитель
в состав жидкостей для очистки ветрового стекла автомобилей, исполь-
зуется в производстве формальдегида, метил-трет-бутилового эфира.
328 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
При биотрансформации метанола образуются более токсичные, чем
метанол, соединения — формальдегид и муравьиная кислота. Накопле-
ние муравьиной кислоты приводит к снижению pH (ацидоз), что вызы-
вает снижение активности цитохромоксидазы. Образующийся при био-
трансформации метанола формиат-ион или муравьиная кислота (в
зависимости от pH среды) подвергаются дальнейшему превращению в
СО2. Упрощенная схема метаболизма метанола представлена на рис. 1.
После приема внутрь небольших доз метанола отравление остается
бессимптомным в течение 12—24 ч, затем появляются головная боль,
тошнота, рвота, боль в области желудка, головокружение, нарушение
зрения (мелькание «мушек», «туман» перед глазами). При легком отра-
влении нарушение зрения проходит, при среднетяжелом через 2—3 дня
может наступить слепота. При тяжелом отравлении симптомы нараста-
ют, появляются боль в ногах, жажда; наблюдается синюшность кожных
покровов и слизистых оболочек. Смерть наступает от паралича дыха-
тельного центра в течение 2—3 ч.
Индивидуальная чувствительность к метанолу зависит от скорости
клиренса продукта метаболизма — формиата. Минимальная летальная
доза для метанола 100 мл.
При отравлениях метанолом следует промыть желудок раствором
сульфата натрия (~10%). В первые часы после отравления этанол в ка-
честве антидота дают внутрь и вводят парентерально.
Приматы
СН3ОН
Метанол
Алкогольдегидрогеназа
Грызуны
Каталаза
нсно
Формальдегид
I
Формальдегиддегидрогеназа
Формальдегиддегидрогеназа
НСОО-
Формиат
Недостаток
фолиевой кислоты
I
Избыток
фолиевой кислоты
СО2
Диоксид углерода
Рис.1. Метаболизм метанола у приматов и грызунов (по J. V.Bruckner, 2003).
Глава 3. Q Летучие яды Ф 329
5.4. Пшколи
Этиленгликоль — главный компонент антифризов, антиобледените-
лей, гидравлических жидкостей, осушающих агентов, чернил; исполь-
зуется также для изготовления пластмасс и полиэфирных волокон.
Ежегодно в США происходит более 100 смертельных отравлений
этиленгликолем. Острое отравление этим летучим ядом включает ста-
дии опьянения, сердечно-легочной недостаточности (наступает через
12 — 24 ч после отравления, сопровождается тахикардией и тахипноэ
вплоть до остановки сердца и отека легких) и почечной недостаточно-
сти (наступает через 24—72 ч ). Возможно возникновение метаболиче-
ского ацидоза.
У грызунов абсорбция этиленгликоля из желудочно-кишечного тра-
кта быстрая и практически полная.
Как показано на рис. 2, этиленгликоль метаболизируется под дейст-
вием НАД-зависимой АДГ в гликолевый альдегид, а затем в гликолевую
кислоту.
Гликолевая кислота окисляется до глиоксиловой кислоты в присут-
ствии оксидазы гликолевой кислоты и молочной дегидрогеназы. Глио-
ксиловая кислота может превращаться в муравьиную кислоту и СО2 или
окисляться до щавелевой кислоты в присутствии оксидазы глиоксило-
вой кислоты. Метаболический ацидоз в организме человека в значи-
тельной степени обусловлен накоплением гликолевой кислоты.
Гипокальциемия может быть обусловлена хелатированием ионов
кальция щавелевой кислотой с образованием кристаллов оксалата каль-
ция. Отложение этих кристаллов в почечных канальцах и небольших
сосудах мозга представляет опасность для этих органов. Хроническая
токсичность этиленгликоля невелика.
Пропиленгликоль широко применяется в качестве растворителя,
смазочно-охлаждающей эмульсии, антифриза и компонента гидравли-
ческих жидкостей. Поскольку официально пропиленгликоль считается
безопасным веществом, он входит в состав многих косметических
средств и пищевых продуктов. Более того, он используется как раство-
ритель/разбавитель в жидких лекарственных формах и мазях.
Острая и хроническая токсичность пропиленгликоля незначи-
тельна. Однако его высокие дозы вызывают угнетение ЦНС, метабо-
лический ацидоз, энцефалопатию, гемолиз у человека и грызунов.
Пропиленгликоль легко метаболизируется при участии АДГ до альде-
гида молочной кислоты, который окисляется до лактата, вызывая
ацидоз.
330 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
но-сн2—сн2—он
Гликолевая кислота
Муравьиная
кислота
Ч । г
'с—сн2—сн2—с—сн—с
hoz в хон
а-Гидрокси, Р-кетоадипат
Глиоксиловая кислота** х.
чон
✓°
h2n—сн2-с'
он
Глицин
Щавелевая кислота
Бензоат
I
Гиппурат
Рис. 2. Метаболизм этиленгликоля в организме человека (по J. V.Bruckner, 2003).
5.5. Газолин
Газолин содержит смесь различных алифатических углеводородов,
имеющих 4—12 углеродных атомов, а также различные добавки: кси-
лол, толуол, бензол, парафин, нафтены, тетраэтилсвинец.
Насыщенные углеводороды от Сд до Cg после вдыхания вызывают
угнетение ЦНС, органические добавки способствуют его усилению.
Газолин быстро всасывается в легких. Опьянение возникает через 3—5
мин. После 15—20 вдохов паров этого вещества опьянение длится 5—6 ч.
При повторных вдыханиях паров газолина может развиться хрони-
ческое отравление с атаксией, тремором, энцефалопатией.
Содержащийся в газолине тетраэтилсвинец распадается в организме
с высвобождением свинца, в результате чего могут возникнуть типич-
ные признаки отравления свинцом, в частности энцефалопатии. Состо-
яние таких больных может улучшиться после применения хелатирую-
щих средств, например СаЫазЭДТА.
Глава 3. О Летучие яды О 331
5.6. Ацетон
Ацетон (диметилкетон, пропанон) — жидкость с резким запахом,
используется в качестве растворителя лаков, красок, клея.
Прием внутрь вызывает резкое раздражение слизистой оболочки же-
лудочно-кишечного тракта. Симптомы отравления включают в себя
тошноту, рвоту (нередко с примесью крови), понос. Может развиться
токсический гепатит, возможно нарушение функции почек с олигури-
ей, протеинурией, гематурией.
Вдыхание паров ацетона в зависимости от его концентрации может
вызвать раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей и
угнетение ЦНС. В небольших концентрациях ацетон вызывает состоя-
ние, напоминающее опьянение. При отравлении появляются голово-
кружение, шаткость походки, слабость. Токсическая концентрация аце-
тона в плазме крови составляет 200—400 мг/л, летальная — 550 мг/л.
Вдыхание больших концентраций ацетона может вызвать глубокое
угнетение ЦНС, коллапс и кому. Смерть может наступить от остановки
дыхания или острой сердечно-сосудистой недостаточности. У вышед-
ших из комы нередко возникает пневмония с последующей деструкци-
ей легочной ткани.
Тяжелое отравление ацетоном может развиться и при его апплика-
ции на кожу.
5.7. Ядовитые газы
Как уже отмечалось в начале главы, к рассматриваемому классу ле-
тучих ядов относятся ядовитые газы. В качестве примера химико-ток-
сикологического анализа газов уделим особое внимание оксиду углеро-
да (II). Оксид углерода (II) наряду с диоксидом азота и цианидом
водорода является опаснейшим летучим продуктом горения. Эти газы
могут быть обнаружены в крови людей, погибших при пожарах, где
происходило горение полимерных материалов (рис. 3).
Опасность токсичных газов подтверждается статистическими дан-
ными о причинах гибели людей на пожаре. Только 18% пострадавших
на пожаре умирают от ожогов, а около 80% погибают в результате от-
равления токсичными газами. Например, при пожаре в 1987 г. на лон-
донской станции метро Кинг-Кросс из 25 погибших 10 отравились
цианидом водорода (его концентрация в воздухе достигла 1000
мг/м3), 4 — оксидом углерода, 7 человек погибли от комбинирован-
ного воздействия обоих ядовитых газов, 4 умерли от теплового воз-
действия и ожогов.
332 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис.З. Кинетика выделения токсичных летучих веществ
при сгорании полиамидного материала.
В продуктах горения полимеров можно обнаружить более 140 ве-
ществ, т.е. отравление людей происходит при комбинированном воз-
действии многих летучих ядов. Многофакторное влияние при пожарах
затрудняет судебно-химическую экспертизу крови погибших. В боль-
шинстве случаев анализ крови ограничивается обнаружением СО.
Ощутимую опасность представляют газы, применяемые для ингаля-
ционного наркоза. С одной стороны, как и лекарственные средства, эти
газы должны обладать минимальной токсичностью. С другой стороны,
при ингаляционном наркозе могут возникать весьма существенные на-
рушения в организме.
Оксид углерода (II) (угарный газ; СО) — компонент каменноугольно-
го газа, но в природном газе он отсутствует. Распространенными источ-
никами СО являются в первую очередь автомобильный выхлоп, непра-
вильно эксплуатируемые системы обогрева, работающие на газе или
жидком топливе, а также дым, образующийся при любых видах пламе-
ни. Оксид углерода образуется также in vivo в результате биотрансфор-
мации дихлорметана (метиленхлорида).
Оксид углерода (II) чрезвычайно ядовит, так как замещает кислород
в геме гемоглобина и других гемсодержащих белков (миоглобин, цито-
хромоксидазы), тем самым ограничивая доступ кислорода к тканям и
подавляя клеточное дыхание. Прочность химической связи между цен-
тральным атомом Fe (II) гемоглобина и лигандом СО характеризуется
Глава 3. Ф Летучие яды Ф 333
константой образования Кнь-СОг’ которая примерно в 200 раз больше
по сравнению с константой образования оксигемоглобина Кнь" С>2-
Для диагностики острого отравления угарным газом следует неза-
медлительно определить содержание либо карбоксигемоглобина
(НЬ’СО) в крови, либо оксида углерода СО в выдыхаемом воздухе
(ВОЗ, 1998). Предварительно можно провести сравнительно простое
качественное определение СО в крови.
Для анализа используют цельную кровь, обработанную гепарином
или другим стабилизатором, предохраняющим ее от свертывания. К раз-
бавленным пробам (1:4) исследуемой и нормальной крови добавляют
примерно тройной объем 1% раствора танина. Нормальная кровь приоб-
ретает серую окраску, а кровь, содержащая карбоксигемоглобин, не изме-
няется. Аналогичное испытание проводится при добавлении формалина.
При этом нормальная кровь принимает грязно-бурую окраску, а исследу-
емая кровь, содержащая карбоксигемоглобин, сохраняет свою окраску в
течение нескольких недель. При отсутствии в лаборатории указанных ре-
агентов можно использовать 30% раствор гидроксида натрия, который
добавляют к пробам крови, разбавленным водой 1:100. Кровь, не содер-
жащая карбоксигемоглобина, приобретает зелено-черную окраску. В при-
сутствии карбоксигемоглобина сохраняется розовый цвет крови.
Карбоксигемоглобин можно обнаружить в крови, используя метод
микродиффузии, основанный на реакции с хлоридом палладия, и спек-
трофотометрически.
Количественное определение карбоксигемоглобина (НЬ*СО) в крови
основано на том, что как оксигемоглобин (НЬ • О2), так и метгемогло-
бин могут быть восстановлены дитионитом натрия, а НЬ • СО с этим ре-
агентом не взаимодействует.
Для определения необходимы водный раствор аммиака (1 мл/л);
твердый дитионит натрия №28204 • 2Н2О (хранится в эксикаторе); бал-
лон с чистым газообразным СО или смесью СО и азота; баллон с газо-
образным кислородом или сжатым воздухом. Возможно получение СО
взаимодействием концентрированных серной и муравьиной кислот.
Для определения 0,2 мл крови добавляют к 25 мл раствора аммиака и
тщательно перемешивают. Пробу делят на 3 примерно равные порции А,
В и С. Порцию А хранят в закупоренной пробирке. Порцию крови В на-
сыщают оксидом углерода до полного замещения кислорода на СО (т.е.
для получения 100 % НЬ • СО), продувая газ через раствор в течение 5—
10 мин. Порцию С насыщают кислородом, продувая чистый кислород
или сжатый воздух через раствор в течение 10 мин для полного замеще-
ния СО на кислород (0% НЬ • СО). К каждому раствору (А, В, С) добав-
334 О Часть 4. <> Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ляют небольшое количество (около 20 мг) №28204 • 2Н2О и 10 мл рас-
твора аммиака и перемешивают. Снимают спектр в видимой области или
измеряют поглощение при 540 и 579 нм. В качестве раствора сравнения
используют раствор дитионита натрия в водном растворе аммиака.
Долю насыщения карбоксигемоглобином можно рассчитать по сле-
дующей формуле:
„ (Амо/А^ раствор AHAJA,,, раствор С)
НЬСО (%) -------------------------------------х 100,
(А^о / As79 раствор В)-(А,Л0 / раствор С)
принимая во внимание, что
(Амо / А$79 раствор В) = 1,5, что соответствует 100 % НЬСО,
(Амо / А,,,,, раствор С) = 1,1, что соответствует 0 % НЬСО.
Измерения проводят в области максимальной разности между по-
глощением НЬ • СО [Xmax(Hb • СО) =540 нм] и точке равного поглоще-
ния НЬ • СО и НЬ • О2 (579 нм, изобестическая точка) (рис. 4). Присут-
ствие на спектре раствора А двух почти симметричных пиков
(«кроличьи уши») — характерный признак отравления угарным газом.
Рис. 4. Электронные спектры пробы крови после отравления угарным газом.
А—кровь без обработки газами; В —после пропускания избытка СО (100 % НЪ*СО);
С — после пропускания О2 (0% НЬ«СО) (ВОЗ. Женева, 1998).
Глава 3. Ф Летучие яды Ф 335
Клинические признаки острого отравления СО: головная боль, тошно-
та, рвота, гипервентиляция, сердечная аритмия, отек легких, кома и
острая почечная недостаточность. Цианоз, как правило, отсутствует,
поэтому кожа и слизистые оболочки остаются розовыми даже при тяже-
лой гипоксии тканей. Смерть часто наступает вследствие дыхательной
недостаточности.
Лечение заключается в удалении пострадавшего из загрязненной ат-
мосферы и подаче 100% кислорода через хорошо подогнанную маску.
В некоторых случаях может быть показан кислород под повышенным
давлением, что особенно эффективно для предупреждения отдаленных
последствий.
Как только пострадавшего удаляют из загрязненной атмосферы,
карбоксигемоглобин быстро распадается, особенно если лечение
проводится с применением кислорода. Измерение концентрации
НЬ • СО в крови как показателя тяжести отравления становится бес-
полезным, за исключением случаев, имеющих отношение к судебной
токсикологии.
6. Методы изолирования
и определения летучих адов
Традиционно для изолирования летучих ядов используют различные
типы перегонки (дистилляции). Перегонка с водяным паром применя-
ется для изолирования летучих веществ, легко разлагающихся при тем-
пературах ниже температуры их кипения. С помощью этого метода изо-
лируют большую группу ядовитых и сильнодействующих веществ из
биологического материала. Перегонку с водяным паром используют
для изолирования веществ различных химических классов: синильной
кислоты, некоторых спиртов алифатического ряда, альдегидов, кето-
нов, карбоновых кислот, галогенопроизводных углеводородов алифати-
ческого ряда, бензола, фенолов амино- и нитропроизводных аромати-
ческого ряда и других соединений.
Обычно метод применяют для изолирования несмешивающихся
или мало смешивающихся с водой органических веществ, а также ве-
ществ, разлагающихся при температуре кипения. Жидкости, не сме-
шивающиеся друг с другом, образуют два слоя. При нагревании смеси
таких жидкостей давление пара каждого компонента над смесью будет
таким же, как и давление его пара в чистом виде, независимо от при-
сутствия другой жидкости (в жидкой фазе нет взаимодействия между
молекулами несмешивающихся веществ). Каждая жидкость в смеси
336 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
будет вести себя так, как будто второй компонент отсутствует. Общее
давление пара смеси Робщ таких жидкостей равно сумме парциальных
давлений паров компонентов Pi при данной температуре
РСм=Ра+Рв+—+ Pi- Смесь начнет кипеть тогда, когда при данной тем-
пературе сумма давлений насыщенных паров обоих ее компонентов
станет равной внешнему (атмосферному) давлению (рис. 5). Темпера-
туры кипения чистых жидкостей и их смеси соответствуют точкам пе-
ресечения изобары с кривыми давления пара. Таким образом, смесь
взаимно не смешивающихся жидкостей кипит при температуре более
низкой, чем каждая из них в отдельности.
Практически разделение проводят, пропуская через биологический
материал водяной пар (рис. 6). Температуру образца поддерживают
около 90 °C, помещая колбу с пробой на водяную баню. При такой
температуре определяемое вещество сохраняет стабильность и не раз-
лагается.
Собранный в приемник дистиллят представляет собой раствор ток-
сичного вещества в воде (например, HCN) или состоит из двух фаз —
жидкой (вода) и твердой (определяемый токсикант) или двух несмеши-
вающихся жидкостей (вода и жидкий токсикант). Образовавшиеся фа-
зы разделяют соответственно фильтрованием или в делительной ворон-
ке. Первые порции дистиллята объемом 5 мл собирают в раствор
щелочи во избежание потери синильной кислоты.
Рис. 5. Диаграмма состояния (Р-Т) для двух несмешивающихся
жидкостей (А и Б) и их смеси.
Глава 3. О Летучие яды О 337
Рис. 6. Установка для изолирования летучих ядов перегонкой с водяным паром.
1—парообразователь; 2—колба с объектом исследования; 3—холодильник;
4—приемник дистиллята.
Рассмотрим процесс перегонки с водяным паром не смешивающих-
ся с водой веществ на примере бензола. Бензол и вода не взаимодейст-
вуют и практически не смешиваются друг с другом (при 20 °C в 100 мл
воды растворяется 0,054 г бензола, а в 100 мл бензола — 0,082 г воды).
При атмосферном давлении (101,3 кПа) эта смесь кипит при 69,2 °C.
При этой температуре парциальное давление паров бензола составляет
71,3 кПа, а парциальное давление воды — 30,0 кПа. Сумма этих парци-
альных давлений равна 101,3 кПа. Чистый бензол при давлении, равном
101,3 кПа, имеет температуру кипения 80,2 °C, а чистая вода — 100°С.
Смесь этих веществ кипит при 69,2 °C, т. е. ниже температуры кипения
воды и бензола.
Для обнаружения яда, образующего азеотропную смесь, используют
перегонку под пониженным давлением. Так, например, при давлении
101,3 кПа (760 мм рт. ст.) азеотроп этанол — вода (96% этанола по мас-
се) кипит при 78,17 °C без разделения компонентов (состав жидкой и
газовой фазы не различается). При понижении давления до 13,3 кПа
(100 мм рт. ст.) температура перегонки снижается до 34,2 °C, а содержа-
ние этанола в азеотропной смеси увеличится до 99,6%.
Для изолирования летучих веществ, находящихся в биологиче-
ском материале, содержимом желудка, пищевых продуктах, применя-
ют метод микродиффузии. Это переход в закрытой системе через га-
зовую фазу молекул летучего вещества из камеры с высоким его
338 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 7. Микродиффузия молекул летучего яда (Тох) из вытесняющей жидкости
(Ж]) в абсорбирующую жидкость (ж2) через газовую фазу
до выравнивания давления в системе.
содержанием (жидкая фаза 1) в камеру с низким его содержанием
(жидкая фаза 2). В соответствии с законом Рауля процесс будет про-
должаться до выравнивания концентраций в жидких фазах. При этом
станет одинаковым давление пара летучего вещества над обеими ка-
мерами (рис. 7).
Каждую камеру необходимо заполнить соответствующим вытес-
няющим (Ж]) и абсорбирующим (ж2) агентом (табл. 2). При этом ле-
тучее вещество будет перемещаться из одной камеры в другую до до-
стижения постоянного давления Р в рассматриваемой закрытой
системе.
Методом микродиффузии можно изолировать ацетальдегид, ацетон,
этанол, метанол, изопропанол, фенол, толуол и другие летучие яды.
В настоящее время основным, наиболее специфичным широко ис-
пользуемым методом определения растворителей и технических жидко-
стей в различных биологических объектах является ГХ. Метод обладает
ценными преимуществами: точностью, экспрессностью, простотой вы-
полнения, универсальностью, что особенно важно в клинической ток-
сикологии. Метод позволяет в одной пробе малого объема обнаружить
несколько токсичных соединений.
Официальный метод анализа промышленных хлорорганических со-
единений и других летучих растворителей — парогазовый анализ.
Глава 3. Q Летучие яды Ъ 339
Таблица 2. ПРИМЕРЫ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИЗОЛИРОВАНИИ ЛЕТУЧИХ ЯДОВ МЕТОДОМ МИКРОДИФФУЗИИ
Яд Вытесняющий агент Абсорбирующий агент Наблюдаемые изменения
СО H2SO4, 10% раствор Раствор хлорида палладия Серебристый налет металлического палладия на поверхности раствора во внутренней камере
С2Н5ОН Na2CO3, насыщенный раствор К2Сг2О2, сернокислый раствор Окраска от зеленой до фиолетовой (реакция протекает и с другими восстановителями)
НСООН H2SO4, 10% раствор Раствор Na2SO3 и NaHSOj Хромотроповая кислота в концентрированной H2SO4, при нагревании и последующем охлаждении — розовая или фиолетовая окраска
Для анализа менее летучих алифатических спиртов используется
пробоподготовка, сочетающая дериватизацию с переведением в летучие
соединения, например, одноатомных спиртов — в алкилнитриты.
Для экспертизы алкогольного опьянения проводят пробы на алко-
голь в выдыхаемом воздухе, основанные на окислении алкоголя пер-
манганатом калия или хромовым ангидридом в присутствии концент-
рированной серной кислоты. Результат оценивается по количеству
восстановленной формы исходного окислителя. Метод неспецифичен,
поскольку окислению могут подвергаться и другие вещества, присутст-
вующие в анализируемой пробе.
Для обнаружения спиртов предложены биохимические методы, ос-
нованные на окислении спиртов АДГ. Регистрируется восстановленная
форма НАДН, образованием которой сопровождается процесс окисле-
ния. В реакцию вступают и другие спирты, окисляемые АДГ.
Использование иммуноферментного метода определения этанола в
различном аппаратурном оформлении (тест-полоски или стационар-
ный анализатор), основанного на той же биохимической реакции, поз-
воляет достичь большей специфичности метода и снизить предел обна-
ружения.
В настоящее время Для определения этанола в выдыхаемом воздухе
живых лиц применяют метод ГЖХ (парофазный анализ) (см. ч.З, гл.1).
340 Q Часть 4. <) Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ГЛАВА 4. ПЕСТИЦИДЫ
Ключевые моменты:
• Гербициды, фунгициды, инсектициды, акарициды.
• Случайные, суицидальные, профессиональные и бытовые отрав-
ления пестицидами.
• Биохимические, иммуноферментные, химические, в том числе
микрокристаллоскопические, спектрофотометрические методы в ульт-
рафиолетовой и видимой областях, хроматографические методы - ТСХ,
ВЭЖХ, ГЖХ.
1. Общая характеристика
Пестициды — химические вещества, используемые для борьбы с вреди-
телями, наносящими ущерб животным, растениям, грибам или микроор-
ганизмам, а также применяемые в качестве регуляторов роста растений.
В мире используется более 1500 пестицидов, в РФ — около 200, не-
которые из них имеют судебно-химическое значение (например, пире-
троиды).
В разных странах контроль за использованием пестицидов осущест-
вляют государственные органы. Например, в США с 1972 г. все вопро-
сы, связанные с контролем токсического воздействия пестицидов, бы-
ли переданы Агентству по охране окружающей среды США. Законом
определены условия регистрации и исследования химического, токси-
кологического и экологического воздействия; требования маркировки;
ограничения по использованию; допустимые остаточные количества
пестицидов в необработанных сельскохозяйственных продуктах и от-
ветственность за контроль остаточных количеств пестицидов в пище-
вых продуктах. Управление по контролю пищевых продуктов и лекарств
США (FDA) отвечает за контроль остаточных количеств пестицидов и
за конфискацию пищевых продуктов, не соответствующих официаль-
ным требованиям. Министерство сельского хозяйства (USDA) отвечает
за контроль пестицидов и других химикалий в мясе животных и домаш-
ней птице. Особая поправка в федеральном законе касается пестицидов
в детском питании: при недостаточном количестве сведений о безопас-
ности пестицидов для детей необходимо включение дополнительных
параметров контроля (табл. 1).
В РФ функции контроля за токсичностью пестицидов и их остаточ-
ных количеств в лекарственном растительном сырье, продуктах пита-
ния, воде также разделены между соответствующими организациями.
Например, при Министерстве сельского хозяйства действует Государст-
Глава 4. О Пестициды О 341
Таблица 1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ТОКСИЧНОСТИ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ НОВОГО ПЕСТИЦИДА
Воздействие Способ введения пестицида, модели животных
Острая токсичность Перорально, ингаляционно (крысы)
Раздражение Инстилляция в глаз (кролики), накожно (кролики, свиньи)
Нейротокси чносгь Куры
Субхроническая токсичность 90-дневное исследование при введении с пищей — грызуны (крысы, мыши), негрызуны (собаки); накожно, ингаляционно — нагрузка при профессиональном воздействии
Хроническая токсичность Одно- или двухлетнее исследование при пероральном приеме — грызуны (обычно крысы), негрызуны (собаки); онкогенетическое .исследование (крысы или мыши)
Репродуктивная токсичность Мутагенность in vitro (микроорганизмы); воздействие на потомство — тератогенность (крысы, мыши, кролики)
венная химическая комиссия по ядохимикатам, на которую, в частно-
сти, возложены функции официальной регистрации пестицидов. Цент-
ром по испытанию пестицидных препаратов является НИИ химиче-
ских средств защиты растений.
Случайные и/или суицидальные отравления пестицидами невоз-
можно предотвратить с помощью законодательных мер. Однако про-
фессиональные воздействия (производство, загрузка, применение, сбор
урожая и обработка зерновых культур) и отравления при использовании
продуктов питания, содержащих остаточные количества пестицидов
вследствие незаконного их использования или неправильного употреб-
ления, могут регулироваться законодательством.
Даже минимальная зашита отдельных частей тела, подверженных
воздействию пестицидов, заметно снижает возможность отравления.
Защита рук (5,6% поверхности тела) соответствующими химически
стойкими перчатками может уменьшить воздействие пестицида на 33 —
86% в зависимости от способа распыления. Кожная абсорбция макси-
мальна на коже мошонки, меньше в подмышечной впадине, на лбу, ли-
це, коже головы, ладонях рук и предплечье. Низкие уровни пестицидов,
особенно при случайных воздействиях, затрудняют обнаружение зна-
чимых биологических изменений, так как при этом токсическое дейст-
342 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
вие может быть мало выраженным. Затруднено выявление неблагопри-
ятного воздействия пестицидов при ежедневном введении в организм
малых доз с пищей и водой.
Термин «остаточные количества пестицидов» применяется для
оценки содержания пестицидов в продуктах растительного и животно-
го происхождения после определенного периода. Остаточные количе-
ства пестицидов должны быть ниже допустимой остаточной концентра-
ции (ДОК) в пищевых и фуражных продуктах, почве и других
природных объектах.
Пестициды можно классифицировать по видам вредителей, на кото-
рые они воздействуют. Например, акарициды — вещества для борьбы с
клещами, инсектициды — для уничтожения насекомых, фунгициды —
для уничтожения грибов, гербициды — для уничтожения сорных расте-
ний.
В соответствии с химической классификацией пестициды делят на 3
класса:
• неорганические соединения — соединения меди, мышьяка (арсе-
ниты и арсенаты);
♦ органические соединения (синтезированные и природного проис-
хождения);
• металлоорганические соединения (органические соединения рту-
ти и олова).
Органические синтетические пестициды — самый многочисленный
класс, включающий:
• галогенсодержащие углеводороды (хлорорганические: ДДТ и его
аналоги, ГХЦГ, гептахлор и др.);
• амины и соли четвертичных аммониевых оснований (дикват, пара-
кват);
• органические соединения фосфора (фосфорорганические препа-
раты — ФОП или фосфорорганические соединения — ФОС: метафос,
карбофос, фоксим и др.);
• кетоны, спирты, нитрофенолы, простые эфиры (динитрокрезол —
ДНОК, нитрофен);
• алифатические, ароматические, ациклические кислоты и их про-
изводные (пиретроиды): перметрин, дельтаметриф, фенвалерат;
• арилоксиалканкарбоновые кислоты и их производные: 2,4-Д гер-
бицид (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота);
• производные карбаминовой, тио- и дитиокарбаминовых кислот:
карбарил и др.;
• производные мочевины, тиомочевины и сернистой кислоты.
Глава 4. О Пестициды Q 343
Токсичность пестицидов при введении в желудок крысам позволяет
разделить их на 4 группы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕСТИЦИДОВ по токсичности (ПРИ ВВЕДЕНИИ В ЖЕЛУДОК, КРЫСЫ)
Класс DL50, мг/кг
Особо токсичные До 50
Высокотоксичные 50-200
Среднетоксичные 200-1000
Малотоксичные >1000
Пестициды производят и применяют в виде порошков (тальк, AI2O3,
пестициды), гранулированных, микрокапсулированных препаратов,
растворов в воде и органических растворителях, смачивающихся по-
рошков (водных суспензий), концентратов эмульсий (с последующим
разбавлением водой), аэрозолей и фумигантов, пенообразующих пре-
паратов, приманок с пищевыми наполнителями для грызунов, мазей и
мастик для обмазки растений.
2. Химико-токсикологическая характеристика пестицидов
2.1. Хлорорганические соединения
Хлорорганические пестициды используются в основном в качестве
инсектицидов. Они действуют на нервную систему организма-мише-
ни. Действие инсектицидов неселективно и поэтому распространяет-
ся не только на организмы-мишени, но и на другие виды насекомых.
Инсектициды (рис. 1) воздействуют на транспортные системы пере-
носа через мембраны ионов натрия, калия, кальция и хлора; ингиби-
руют ферменты; влияют на высвобождение медиаторов в нервных
окончаниях.
Хлорорганические инсектициды давно и широко используются в
развивающихся тропических странах. Они эффективны, недороги и
стали основными химическими препаратами в сельском хозяйстве, ле-
соводстве и здравоохранении.
Малая летучесть, химическая стабильность, высокая липофиль-
ность и медленное выведение, постоянство содержания в окружающей
среде, способность к биоконцентрированию в пищевой цепи способ-
ствуют сохранению в организме человека определенного уровня этих
пестицидов.
344 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 1. Возможные центры воздействия инсектицидов на аксон
(по Donald J. Ecobichon, 2003).
В течение нескольких десятилетий в качестве инсектицида примени
ли ДДТ [1,1-ди(4-хлорфенил)-2,2,2-трихлорэтан]. Это белое порошке
образное вещество. Технический препарат содержит смесь п, и' — ДД'
(67—85%) и о, и' — ДДТ (8—21%). В организме ДДТ подвергается био
трансформации:
Дихлорфенилдихлорэтилен
Дихлорфен илдихлорэтан
Дихлорфен илуксусная кислота
Глава 4. О Пестициды О 345
ДДТ — высокотоксичное вещество: DL50 (крысы, ингаляционно) -
113 мг/кг, минимальная летальная доза — 30 г. Почти все продукты ме-
таболизма липофильны. Содержание п, п — ДДТ и ДДЭ в жировой тка-
ни при отравлении составляет 129—159 и 1—142 мг/кг соответственно.
При отравлении ДДТ возможны незначительные нарушения ЦНС,
но основные патологические изменения наблюдаются в печени и ре-
продуктивных органах. После воздействия высоких концентраций от-
мечены гипертрофия гепатоцитов и клеточных органелл — митохонд-
рий, пролиферация гладкой эндоплазматической сети, чаще возникают
опухоли печени. ДДТ у крыс-самцов задерживает развитие яичек, а у
крыс-самок возникает угроза прерывания беременности.
У насекомых и млекопитающих, отравленных веществами типа ДДТ,
периодически возникают продолжительный тремор и/или приступы
конвульсий, которые свидетельствуют о повторяющихся разрядах в
нейронах. Токсическое действие ДДТ происходит по 4 различным меха-
низмам, причем одновременно (рис. 2). ДДТ снижает транспорт калия
Рис. 2. Возможные центры воздействия ДДТ.
1 — уменьшение транспорта калия через поры; 2 — инактивация закрытия натриевых каналов;
з — ингибирование Na+ , К+ и Ca2t, Mg21 -АТФаз; 4 — ингибирование связывания кальция
с кальмодулином и высвобождения нейромедиатора (по Donald J. Ecobichon, 2003).
346 Q Часть 4. Q Хи мико-токсикологическое определение ксенобиотиков
через мембрану, влияет на каналы, через которые движутся ионы на-
трия. Эти каналы активируются (открываются), как в норме, но мед-
ленно инактивируются (закрываются), мешая, таким образом, активно-
му транспорту натрия из аксона во время реполяризации. ДДТ
ингибирует АТФазу нейронов, особенно Na+, К+-АТФазу и Са2+-
АТФазу, которые играют жизненно важную роль в нейронной реполя-
ризации. ДДТ также ингибирует способность кальмодулина (медиатора
кальция в нервах) осуществлять транспорт ионов кальция, которые не-
обходимы для высвобождения нейромедиаторов. Все эти ингибируемые
функции уменьшают деполяризацию и повышают чувствительность
нейронов к слабым стимулам, которые не вызвали бы реакции в полно-
стью деполяризованном нейроне.
Биотрансформация и разрушение препаратов типа ДДТ проходят
медленно. Эти вещества хорошо растворяются в жирах и накапливают-
ся в тканях с высоким содержанием жира.
Для определения применяют ГЖХ, ГХ-МС, ТСХ, УФ-спектрофото-
метрию (см.ч.З, гл.2).
Гексахлоран (1,2,3,4,5,6—гексахлорциклогексан; у-ГХЦГ; линдан) —
хлорорганический инсектицид. Обладает инсектицидными и гормо-
нальными свойствами. Используется для борьбы с саранчой и другими
насекомыми. Линдан эффективен для защиты животных от насекомых,
например, клещей. DL50 — 25—200 мг/кг; минимальная летальная доза
200 мг/кг (28 г технического препарата).
Биотрансформация включает несколько стадий:
Линдан
Для определения гексахлорана (линдана) и продуктов его биотранс-
формации применяют ГЖХ, ГХ-МС, ВЭЖХ, ТСХ (см.ч.З, гл.2).
В воде, воздухе, напитках содержатся чрезвычайно токсичные поли-
хлорированные бифенилы (дифенилы) (ПХБ).
(п=1 -9)
Глава 4. С Пестициды Q 347
ПХБ применяют для пропитки древесины с целью защиты от возго-
рания. ПХБ присутствуют в организме практически каждого человека,
их особенно много у жителей прибрежных районов морских акваторий.
Период полувыведения из организма 33—34 мес. Для определения
используют ГЖХ и ГХ-МС (см.ч.З, гл.2).
Препарат 2,4 = Д (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота; акваклин) —
представитель большой группы агрохимических препаратов, относя-
щихся к простым эфирам хлорзамещенных фенолов гидроксиуксусной
или гидроксипропионовой кислоты. Используется как гербицид, а в не-
больших концентрациях как регулятор роста.
ОСН2СООН
С1
DL50 — 350—560 мг/кг, летальная доза 17—22 г.
Около 90% препарата выводится в неизмененном виде, остальная
часть — в виде продуктов метаболизма: 2, 4-дихлорфенола и фенола (в
виде конъюгатов).
Для определения применяют ГЖХ, ГХ-МС (после дериватизации),
УФ-спектрофотометрию, ТСХ и ВЭЖХ (см.ч.З, гл.2).
Диоксин (2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин) очень устойчив, без
изменений сохраняется 7—9 лет. Относится к особо токсичным вещест-
вам: DL50 (обезьяны) 70 мкг/кг. Наибольшая концентрация обнаружена
в жировой ткани — 1,86 мг/кг.
Диоксин
Диоксин — техническая примесь к гербициду, применявшемуся
США во время войны во Вьетнаме (агент «Оранж»), Последствия ток-
сического действия диоксина отмечены в Италии в 1976 г., когда про-
изошел значительный выброс этого вещества во время аварии химиче-
ского реактора.
Случайные и/или профессиональные интоксикации сопровождают-
ся острым раздражением кожи, глаз и дыхательных путей; возникают
348 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
головная боль, головокружение, тошнота, угревые высыпания на коже
сильные мышечные боли в грудной клетке, плечах и конечностях, уста-
лость, нервозность, одышка, снижение либидо.
Для определения диоксина используют ГХ-МС (см.ч.З, гл.2).
2.2. Антихолинэстеразные препараты
На мировом рынке существует около 200 различных инсектицидных
препаратов — фосфорорганических эфиров и эфиров карбаминовых
кислот (рис.З). Хотя все фосфорорганические эфиры были получены из
«нервных газов» (химические яды зоман, зарин, табун), современные
инсектициды являются 4-м поколением и значительно отличаются от
своих токсичных предшественников.
Фосфорорганические эфиры Карбаматные эфиры
\ zO yS ’ll
Pz // R-О-C-N—CH,
Y z О
v Г алкил Г арил г
J алкокси Z J алкил R -1 арил
Y Хамило X алкокси Халкил
Рис. 3. Основные структуры двух типов инсектицидов антихолинэстеразного
класса: фосфорорганических эфиров и эфиров карбаминовых кислот
(по Donald J Ecobichon, 2003).
Инсектициды на основе фосфорорганических эфиров и эфиров
карбаминовых кислот проявляют токсичность, ингибируя ацетилхо-
линэстеразу, фермента, ответственного за разрушение и прекращение
биологической активности медиатора ацетилхолина:
Ацетил холи нэстераза
CH3N+CH2CH2OCOCH3 — CH3N+CH2CH2OH + СН3СООН
Ацетилхолин Холин Уксусная кислота
При воздействии на организм препаратов этой группы наблюдается
стойкий нейротоксический эффект, могут нарушаться нервно-психиче-
ские и нервно-мышечные функции. Эти нарушения могут вызвать же-
лудочно-кишечные расстройства, заболевания сердечно-сосудистой
системы, признаки преждевременного старения, снижение потенции и
либидо, могут развиваться и сохраняться 5—10 лет.
Реакция между фосфорорганическим эфиром и активным центром
фермента ацетилхолинэстеразы (гидроксильная группа серина) приво-
дит к формированию переходного комплекса, который частично гидро-
Глава 4. О Пестициды О 349
лизуется с потерей Z-групп заместителя, образуя устойчивый фосфори-
лированный и нереакционноспособный ингибированный фермент
ФОС-ацетилхолинэстеразу (рис. 4). Ацетилхолинэстераза теряет актив-
ность, поэтому прекращается гидролиз ацетилхолина. Фосфорилиро-
ванная ацетилхолинэстераза может гидролизоваться с восстановлением
ферментативной активности, но очень медленно.
Карбаматные инсектициды, напротив, являются обратимыми ингиби-
торами ацетилхолинэстеразы нервной ткани с быстрой биотрансформа-
цией в организме. Эфиры карбаминовой кислоты, которые связываются с
активным участком ацетилхолинэстеразы, подвергаются двухстадийному
гидролизу: первая стадия — удаление Х-заместителя (арил- или алкил-) с
формированием карбамилированного фермента; вторая стадия — декар-
бамилирование ингибированного фермента с образованием свободного
активного фермента (см. рис. 4). Таким образом, скорость дефосфорили-
рования чрезвычайно мала для фосфорорганических эфиров, тогда как
скорость декарбамилирования высока для карбаматных эфиров, являю-
щихся обратимыми ингибиторами. В связи с этим симптомы острой ин-
токсикации карбаматными инсектицидами отличаются от фосфорорга-
нических соединений по продолжительности и интенсивности.
Инсектициды на основе фосфорорганических или карбаматных
эфиров подвергаются биотрансформации, которая специфична д ля от-
дельных представителей. Первая стадия, включающая окислительно-
восстановительные и гидролитические процессы, и вторая — конъюга-
ции с глутатионом, глюкуроновой кислотой, глицином обнаружены в
растениях, у беспозвоночных и позвоночных животных.
Фосфорорганические эфиры
ХО ZO Х° ХО ZO
Е—ОН + 'р' ----- Е—О—Р=О -------* Е-ОН + >'
YO' 'z yq Yo' 'ОН
+ ZH
Карбаматные эфиры
О О О
II II II
Е-ОН + ХОС—NHCH3 ---------- E-O-C-NHCH3 -------- Е-ОН + HO-C-NHCH3
+ ХОН
Рис. 4. Взаимодействие фосфорорганического или карбаматного эфира
и гидроксильных групп серина в активном центре фермента
ацетилхолинэстеразы (Е-ОН)
(по Donald J. Ecobichon, 2003).
350 0 Часть 4. <> Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
2.2.1. Фосфорорганические соединения
Фосфорорганические инсектициды, имеющие широкий спектр
применения, представляют собой эфиры фосфорной, тиофосфорной и
фосфоновой кислот (табл. 2). Среди них встречаются эфиры тиофос-
форной кислоты и алкантиолов (карбофос, фосфамид) или нитропро-
изводных фенолов (метафос, метилнитрофос). По химической класси-
фикации они относятся к эфирам алкантиолов с тиофосфорными
кислотами (карбофос, фосфамид), к сложным эфирам фенолов, их ни-
тропроизводных и тиофосфорной кислоты (метафос, метилнитрофос).
Таблица 2. ТОКСИЧНОСТЬ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ ПЕСТИЦИДОВ
Название, формула, применение DL50, мг/кг
Производные ортофосфорной кислоты Н3РО4: 80
дихлофос, О — (2,2-дихлорэтинил)-диметил-фосфат (для борьбы с кишечными паразитами животных) ОСН3 Н3СО - Р - О-СН=СС12 II О
Производные фосфоновой кислоты: 560
хлорофос (трихлорфон) — 1-гидрокси-2,2,2-трихлорэтил- О,О-диметилфосфонат (инсектицид) ОСН3 Н3СО-Р-СН-СС13 II 1 О ОН
Производные тиофосфорной кислоты: 25-50
метафос - О,0-диметил-0,п-нитрофенилтиофосфат — инсектицид (для защиты бобовых, ягодных культур и риса) Н3СОЧ р-о—е no2 h3cozh \=/
метилнитрофос (сумитион) - диметил З-метил-4- нитрофенил фосфоротионат (инсектицид) S СН3ОЛ //А Р—О—(' у—NO2 CH3OZ \_/ СН3 470-516
Глава 4. О Пестициды О 351
Продолжение табл. 2
Название, формула, применение DL5o, мг/кг
фоксим - 2-(диэтокситиофосфиноилоксиамино)- 2-фенилацетонитрил (инсектицид) S CN , Н5С2Охц | ZP-O-N=C—<х Л Н5С2О 2000
байтекс (фентион) — О,О-диметил О-З-метил-4- метилтиофенил фосфоротионат (инсектицид) S СН3О, II /=\ P-О—d />—S- СН3 СН3О' V—# СН3 341
Производные дитиофосфорной кислоты:
карбофос - О,О-диметил-8- (1,2-диэтоксикарбонилэтил) дитиофосфат (малатион) (инсектицид, акарицид) осн3 1 Н3СО - р- S-CH — СООС2Н5 S СН2— СООС2Н5 1375
фосфамид — О,О-диметил-8- (N-метилкарбамоилметил) дитиофосфат (для борьбы с вредными насекомыми, в частности, с клещами и жуками) ОСН3 О 1 II Н3СО - Р- s-ch2-c-n- сн3 II н S 250
При попадании в организм насекомого инсектициды могут связы-
ваться с ацетилхолинэстеразой. При блокировании фермента наруша-
ется передача нервных импульсов, поскольку фермент оказывается
недоступен для молекул эндогенного нейромедиатора. Фосфорорга-
нические инсектициды ядовиты не только для насекомых, но и для че-
ловека, поэтому необходима разработка безопасных для теплокров-
ных животных инсектицидов других классов.
352 О Часть 4. О Хим и ко-токсикологическое определение ксенобиотиков
В качестве примера биотрансформации фосфорорганических пести-
цидов рассмотрим механизм превращения в организме метафоса:
Окислительное
Н,СО // десульфирование
>-о—у—no2------------------►
Н3СО II \ — / в печени
S
Метафос
Гидролиз
эстеразы
плазмы
,,и тканей
Н3СО. /) Хч
Р-ОН + НО—<7 —NO2
H3COZH \ /
S
Метаксон
(более токсичен, чем метафос)
Гидролиз
эстеразы
плазмы
и тканей
Н3СО,
Р-ОН
Н3СО'П
О
В процессе биотрансформации в организме насекомого возмож-
но ферментативное образование чрезвычайно токсичного ониевого
иона:
OR1 OR1
/ Е +/
О = Р OR2-7^Т*О = Р
OR3 OR2
Этот катион фосфорилирует ферменты группы холинэстераз, дезак-
тивируя их.
2.2.2. Эфиры карбаминовой кислоты
Эфиры MOHO-N-алкилзамещенной карбамиловой кислоты с фено-
лами и нафтолами проявляют инсектицидные свойства, один из них —
карбарил (севин), а-нафтил-ГЧ-метилкарбамат:
О
II
Карбарил
Для животных (крысы) DL50 310—550 мг/кг.
Глава 4. <> Пестициды 0 353
Биотрансформация карбарила протекает по двум направлениям —
гидролиз эфирных связей и введение гидроксильной группы в пара-по-
ложение.
Карбарил
1-нафтол
п-гидроксикарбарил
Для контроля содержания можно использовать косвенный метод —
определение холинэстеразы в крови. Применяют также различные ана-
литические методы — ГЖХ и ГХ -МС, ВЭЖХ, ТСХ (см.ч.З, гл.2).
2.3. Производные бипиридила
С середины прошлого века большую известность приобрели синте-
тические гербициды пиридинового ряда паракват и дикват. Это кон-
тактные гербициды неизбирательного действия, они уничтожают на-
земную часть сорняка. Дикват обладает также свойствами дефолианта
(удаляет листву деревьев).
Паракват, 1,Г- диметил-4',4'-бипиридил дихлорид:
H3C-N+ Э—d К^-СНз -2СГ
Паракват используется для уничтожения сорняков и посадок ма-
рихуаны более чем в 100 странах и является одним из наиболее специ-
фических легочных токсикантов. Отравления вызывают гипоксию,
одышку, тахикардию, диарею, атаксию, чрезмерную возбудимость и
354 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
конвульсии и сопровождаются высокой смертностью. При вскрытии у
животных обнаруживают геморрагии и отек легких, легочный фиброз,
некроз печени и почечных канальцев. Масса легких значительно уве-
личивается, несмотря на уменьшение массы тела. Гистопатологиче-
ская картина легких идентична у мышей, крыс, собак и людей. Пара-
кват имеет низкую абсорбцию при введении внутрь и в тканях
млекопитающих метаболизируется незначительно. Выводится преи-
мущественно с мочой. Паракват концентрируется в легких из-за уни-
кальной диамин/полиамин-транспортной системы в альвеолярных
клетках. Далее паракват подвергается НАДФН-зависимому одноэлек-
тронному восстановлению до свободных радикалов, действующих на
мембранные липиды (см.ч.2, гл.З). Затем следуют разрушение альвео-
лярных клеток, потеря эластичности легочной ткани и неэффектив-
ный газообмен.
Прием концентратов коммерческого параквата, как правило, закан-
чивается смертью. Наблюдаются раздражение и жжение во рту и горле,
возникает тяжелый гастроэнтерит с поражениями пищевода и желудка,
болью в груди и животе, кровавым стулом, в последующем развиваются
одышка, кислородное голодание, наступают кома и смерть.
Дикват, 1,1- этилен - 2, 2' - дипиридиний дибромид
Дикват
Дикват — быстродействующий контактный гербицид, менее токсич-
ный, чем паракват. Гербицид мало абсорбируется из желудочно-кишеч-
ного тракта. Основные органы-мишени: желудочно-кишечный тракт,
печень и почки. Дикват способствует образованию свободных радика-
лов, некроз тканей связан с пероксидным окислением липидов, как при
действии параквата.
DL50 282 мг/кг. Распределение в органах и тканях животных следу-
ющее: кровь — 0,6 мг/кг, легкие — 0,56 мг/кг, печень — 0,33 мг/кг, поч-
ки — 1,19 мг/кг.
Скрытый период при отравлении составляет 2—3 дня, поэтому спа-
сти пострадавшего очень трудно.
Для определения диквата в биологическом материале используют
ГХ-МС с предварительной дериватизацией, а также ТСХ и ВЭЖХ
(см.ч.З, гл.2).
Глава 4. О Пестициды О 355
2.4. Нитросоединения
Существуют динитрофенолы как с гербицидными, так и рострегули-
рующими свойствами. Например, ДНОК используют для прорежива-
ния цветков и плодов у яблонь.
ДНОК, 2- метил - 4, 6-динитрокрезол (арборол)
ОН
o2n
СН3
no2
ДНОК
DL50 40—85 мг/кг. Для человека DLioo 0,35 — 2 г. Концентрация в
крови при появлении признаков интоксикации составляет 50 мкг/мл.
Метаболические превращения сопровождаются восстановлением
нитрогрупп до аминогрупп и частичным ацетилированием. Полярные
продукты легко выводятся с мочой.
Для определения содержания используют ТСХ, ВЭЖХ (УФ-детек-
тор), ГЖХ с предварительной дериватизацией (см.ч.З, гл.2).
2.5. Производные 2, 2-диметилциклопропанкарбоновой
кислоты — пиретроиды
Циклопропанкарбоновые кислоты (хризантемовая, пиретриновая) в
виде сложных эфиров образуют группу природных контактных инсек-
тицидов — пиретринов:
Препараты природных пиретринов получают экстракцией из цвет-
ков далматской ромашки (Pyrethrum cinerariifolium). В настоящее время
разработаны промышленные методы получения пиретроидов — анало-
гов природных соединений, но со значительно большей фотоустойчи-
востью.
Перметрин — 3-феноксибензил (IRS)-nnc, транс-3-(2,2-дихлорови-
нил)- 2,2-диметилциклопропанкарбоксилат (амбуш) представляет со-
бой феноксибензиловый эфир перметриновой кислоты. Применяется
356 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
главным образом для борьбы с листогрызущими насекомыми, напри-
мер, гусеницами.
ХЬХ2 = С1;
DL50 500 — 4000 мг/кг
Дельтаметрин — (8)-а-циано-3-феноксирбензил (1R, цис)-2,2-диме-
тил-3-(2,2-дибромовинил) циклопропанкарбоксилат.
ХьХ2 = Вг
... GX)
ХСП о
I
CN
DL50 128 мг/кг
Циперметрин — (К8)-а-циано-3-феноксибензил(1И8)-цис-, транс-
3-(2,2-дихлоровинил)-2,2-диметилциклопропанкарбоксилат (цим-
буш).
X,, Х2 = С1
I
CN
DL5o 250 —300 мг/кг
Природный пиретрум состоит из смеси 6 эфиров. Он является силь-
ным контактным и желудочным ядом. Синтетические эфиры селектив-
ны к определенным видам насекомых.
Несмотря на незначительную токсичность для млекопитающих, пи-
ретрум может вызывать контактный дерматит, приступы удушья и кол-
лапс.
Отравления при профессиональной деятельности приводят к разно-
образным токсическим реакциям. Прием внутрь вызывает боль в эпига-
стрии, тошноту, рвоту, головную боль, головокружение, анорексию, ус-
талость, стеснение в груди, тахикардию, нарушение сознания. При
тяжелых отравлениях возможны судорожные припадки с потерей соз-
нания. Данные о хронической токсичности отсутствуют.
Глава 4. Q Пестициды 0 35 7
Хотя эфиры пиретроида гидролизуются неспецифической карбок-
силэстеразой, микросомальная система монооксигеназы, обнаружен-
ная в тканях почти всех видов млекопитающих, в значительной степени
является основой детоксикации эфиров пиретроида в организме.
3. Определение пестицидов в биоматериалах
3.1. Способы пробоподготовки
Для изолирования определяемого вещества используют жидкостную
экстракцию, твердофазную экстракцию, перегонку с водяным паром,
сублимацию в вакууме, минерализацию (см. ч. 3, гл. 1).
Жидкостная экстракция органическими растворителями применяется
для изолирования хлорорганических пестицидов, фосфорорганических
соединений, пиретроидов, производных карбаминовой кислоты, четвер-
тичных аммониевых оснований, металлоорганических пестицидов.
Твердофазная экстракция на химически модифицированных сорбен-
тах с неполярными гидрофобными группами и на силикагелях может при-
меняться при определении пестицидов в природных водах, почвах, моче.
Перегонку с водяным паром используют при определении термиче-
ски неустойчивых летучих соединений, например, для хлорорганиче-
ских пестицидов. Линдан, ДДТ, гептахлор, ФОС и пиретроиды при
обычной перегонке разлагаются. Сублимация в вакууме применяется в
основном для изолирования некоторых ФОС.
Минерализацию используют при определении р- и d-элементов (Hg,
As, Sn) в металлоорганических пестицидах.
Для очистки анализируемой пробы от белков, липидов, углеводов
используют различные методики. Например, проводят жидкостную
экстракцию (н-гексан — диметилформамид) при определении ФОС,
хлорорганических пестицидов и пиретроидов.
Применяется также колоночная адсорбционная и распределитель-
ная хроматография на фторосиле (синтетическом силикате магния),
AI2O3, силикагеле. Препаративная ТСХ на силикагеле, AI2O3 использу-
ется при определении ФОС и пиретроидов.
Если проводится пробоподготовка перед определением пестицидов,
устойчивых к кислотному гидролизу (ДДТ, гептахлор), то для омыления
балластных веществ применяют сульфирование, обрабатывая пробу
серной кислотой.
В качестве частных приемов можно использовать осаждение липи-
дов при охлаждении, высаливание белков с применением трихлорук-
сусной кислоты, солей цинка (ZnCh, ZnSO4).
358 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
3.2. Методы определения пестицидов
Для анализа биоматериалов применяют различные методы (табл. 3).
Таблица 3. МЕТОДЫ АНАЛИЗА БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПЕСТИЦИДОВ
Метод Предел обнаружения
Биологические методы (биологические модели, например, мухи дрозофилы) Биохимические Иммуноферментные Химические, в том числе микрокристаллоскопические Фотометрические в ультрафиолетовой и видимой области Хроматографические методы: ТСХ ВЭЖХ , УФ-детектор (для нелетучих пестицидов) ГЖХ с детекторами: плазменно-ионизационным электронно-захватным термоионным масс-спектрометрическим (с ионизационным электронным ударом) Для ФОС 10'4 г 10-6-Ю-7 г 10-6 г 10-4-10-7 г 10-6 г 10-4 г 10-9-Ю-12 г 43Ni 10-14 г 10-11 г 10-6-10-9 г
ГЛАВА 5. ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
Ключевые моменты:
• Макро- и микроэлементы в живом веществе. Необходимые и ток-
сичные элементы.
• Металлом в постгеномную эпоху.
• Механизмы токсичности металлических ядов. Комбинированная
токсичность.
• Хелатирование при детоксикации. Металлотионеины.
• Химико-токсикологическая характеристика кислот, щелочей и со-
лей щелочных металлов, изолируемых настаиванием в воде.
• Токсичные соединения фтора.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... 0 359
I. Химико-токсикологическая характеристика металлических ядов
Несмотря на широкое распространение d-элементов в природе (в
рудах, почве, воде и воздухе), их содержание в тканях и органах челове-
ка в норме не превышает 10-2% массы тела. С точки зрения токсическо-
ю воздействия металлов на организм наибольшую опасность представ-
ляет постоянно возрастающее антропогенное загрязнение окружающей
среды, включая биоту. Органические и неорганические соединения ме-
таллов широко применяются в промышленности (тяжелая и цветная
металлургия), сельском хозяйстве (пестициды) и медицине (компонен-
ты лекарственных средств и биологически активные добавки).
1.1. Макро- и микроэлементы.
Необходимые, условно необходимые и примесные элементы
В организме человека в настоящее время обнаружен 81 элемент Пе-
риодической системы элементов Д.И. Менделеева (рис. 1).
Элементы-органогены (С, Н, О, N, Р, S), основные компоненты тка-
ней организма, по массе составляют 97,4%. Их содержание в организме,
как и содержание ионов Са2+, Mg2+, Na+, СГ, превышает I0 2 %. Это
макроэлементы.
Содержание микроэлементов в различных органах и тканях организ-
ма колеблется на уровне 10-5— 10-2%. Если содержание элемента в орга-
иизме ниже 10~5 % , он относится к ультрамикроэлементам.
К необходимым (эссенциальным, незаменимым) микроэлементам отно-
сятся металлы d-блока Периодической системы элементов: медь, цинк,
железо, кобальт, молибден, марганец. Эти биогенные элементы называ-
ют металлами жизни, или жизненно необходимыми микроэлементами.
Жизненно необходимые элементы присутствуют в организме чело-
века в постоянных концентрациях (химический гомеостаз), снижение
их содержания изменяет элементный профиль в целом и приводит к по-
явлению характерных симптомов недостаточности.
Некоторые металлы (V, Ni, Сг) присутствуют в организме в микро-
или ультрамикроколичествах, но их биологическая роль до конца не вы-
яснена, поэтому их называют условно необходимыми. Например, установ-
лено, что хром (III) как компонент фактора толерантности к глюкозе [ко-
ординационные соединения Сг (III) с никотиновой, изоникотиновой
кислотами, никотинамидом и некоторыми аминокислотами] влияет на
метаболизм углеводов. Однако для хрома, как и для других условно необ-
ходимых металлов (никель, ванадий), не удалось воспроизвести симпто-
мы недостаточности в эксперименте с дефицитной диетой.
360 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
О “ жизненно необходимые макроэлементы, входящие в состав лекарственных средств;
Q - жизненно необходимые микроэлементы, входящие в состав лекарственных средств;
О — входящие в состав лекарственных средств, необходимость которых ис доказана.
Рис. I. Элементы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, обнаруженные
в организме человека и/или используемые в качестве лекарственных средств.
Элементы с неизвестной биологической ролью, но постоянно
присутствующие в организме, называются примесными. Уровень при-
месных элементов может колебаться в пределах нескольких поряд-
ков. Для этих элементов, как правило, достоверно установлена ток-
сичность.
Деление элементов на необходимые и примесные в определенной
мере условно. Это объясняется прежде всего тем, что неорганические
соединения различных элементов имеют широкий спектр биологиче-
ской активности. И дефицит, и избыток жизненно необходимого эле-
мента наносят вред организму (рис. 2). При дефиците необходимого
элемента организму наносится существенный ущерб, например, из-за
а — для необходимых элементов; б — для примесных (токсичных) элементов.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 361
снижения активности ферментов, содержащих микроэлементы в каче-
стве кофакторов.
Как видно из рис. 2, при повышении дозы необходимого элемента
ответ организма возрастает, достигая нормы (центральная часть кри-
вой). Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функциони-
рования органов и систем организма вследствие токсического дейст-
вия избытка элемента вплоть до летального исхода (правая ветвь
кривой). Для примесных элементов зависимость доза — ответ (см. рис.
2) имеет вид, аналогичный правой ветви кривой для эссенциальных
элементов.
Таким образом, среди d- и p-элементов можно выделить необходи-
мые (по данным о дефиците), условно необходимые (необходимость
окончательно не доказана), примесные (достоверно известны только
токсические свойства) микроэлементы. В первой половине XX в.
акад. В.И. Вернадский указал на эссенциальное участие всех элемен-
тов в жизнедеятельности клетки. С каждым последующим десятиле-
тием группа эссенциальных элементов все больше расширяется за
счет элементов, которые раньше считали только токсичными. Это
объясняется совершенствованием методов анализа, позволяющих до-
стигать все более низких пределов обнаружения элементов в биоло-
гических материалах.
Оценка нормы содержания элементов, необходимость которых пока
не доказана, возможна при определении примесных элементов в орга-
низме сельских жителей, меньше подвергающихся антропогенным вли-
яниям окружающей среды. Полученные результаты используют как
нормативные и сравнивают с ними токсическую нагрузку на организм в
промышленных регионах. Например, были обнаружены близкие уров-
ни свинца, бария, кадмия, стронция, мышьяка в костной ткани (эпи-
физ бедренной кости) жителей разного возраста и обоего пола, прожи-
вающих в одном из регионов Подмосковья.
У жителей промышленных регионов с возрастом увеличивается
содержание некоторых примесных элементов, особенно у рабочих
крупных металлургических и гальванических предприятий. Напри-
мер, содержание кадмия, бария, свинца и стронция в образцах кост-
ной ткани более чем у 3000 человек, проживавших в разных районах
Российской Федерации, различалось в сотни раз. Наименьшие коле-
бания и самый низкий уровень этих элементов отмечены у жителей
сельской местности.
Накопление металлов в организме может быть вызвано природными
факторами (эндемические провинции) или техногенными загрязнени-
362 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 3. Примеры гипермикроэлементозов.
ями (рис. 3). При этом возникают заболевания, называемые гипермик-
роэлементозами, обусловленные избыточным содержанием в организ-
ме того или иного элемента.
1.2. Металлом в постгеномную эпоху
В последние годы для характеристики химических компонентов
клетки и биохимических процессов с их участием широко использу-
ют последовательности нуклеозидных остатков в нуклеиновых кис-
лотах — геном и аминокислотную последовательность в белках — про-
теом. Различные химические формы необходимых и токсичных
металлов в клетке носят название «металлом». Расшифровка метал-
лома позволяет по-новому взглянуть на роль элементов в норме и при
патологии.
Как уже отмечалось выше, недостаток некоторых металлов вызы-
вает заболевания, а присутствие других часто связано с канцеро(Аз,
Сг, Pt)-, иммуно(Аи, Со, Сг, Ni, Pt)-, эмбрио-/терато (Hg)-, спермо
(Cd, Pb, Т1)-, нефро (Cd, U)- или нейро(А1, Hg, Мп)-токсичностью.
Необходимые d- и p-элементы (например, Си, Fe, Se, Zn) использу-
ются клеткой как кофакторы ферментов, но те же самые элементы
обладают цитотоксичностью. Несмотря на то, что содержание метал-
лов в цитозоле составляет микро- или пикомоли, они участвуют в ста-
билизации структуры белка, обеспечивают ферментативную актив-
ность белка (металлоферменты) и выполняют ряд других важных
функций. Активность ионов металлов внутри клетки регулируется
несколькими группами белков, которые проявляют защитные свой-
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 363
ства антидотов. Металлы также могут непосредственно, без участия
белковых лигандов, включаться в клеточные процессы — пролифера-
цию и апоптоз.
Молекулярные механизмы большинства металлозависимых био-
химических процессов до сих пор не выяснены, поскольку практиче-
ски отсутствуют данные по металлому. Остается невыясненной не
только природа компонентов металлома, но и распределение уже из-
вестных химических форм металла в различных компартментах клет-
ки. Среди компонентов металлома могут быть свободные (ионные и
молекулярные) формы металла (например, Hg2+, HgC12, Hg°), алки-
лированные формы [например, Hg(CH3>2, Hg^Hshl и продукты
взаимодействия ионов с аминокислотами, углеводами, нуклеиновы-
ми кислотами, белками и другими нативными соединениями. Част-
ным случаем металлома является металлопротеом — координацион-
ные соединения металлов с белками. Таким образом, детальное
исследование металлома открывает перспективы получения новых
сведений о молекулярных механизмах токсического действия необхо-
димых и примесных элементов.
Расшифровка металлома позволит получить информацию о распре-
делении металлов и биологически активных амфотерных элементов
(например, Se, As, Sb) среди субклеточных структур, охарактеризовать
их координационное окружение (природу биолигандов).
Контроль металлома во времени и при воздействии внешних факто-
ров позволит получать сравнительные данные по токсикокинетике.
При характеристике металлома возникают затруднения, связанные с
необходимостью получения аналитического сигнала от разнообразных
химических форм определенного элемента при минимальном объеме
пробы (порядка пиколитра, что соответствует размеру клеточной ваку-
оли или определяется размером ткани человека, взятой для биопсии).
На рис. 4 представлены этапы исследования металлома на примере се-
ленопротеома. Этот пример является демонстрацией технических воз-
можностей анализа биологических материалов при исследовании ме-
таллома.
Основным методом для исследования металлома в настоящее вре-
мя является масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой
(МС-ИСП) (см. ч. 3, гл. 2), используемая как детектор после разделе-
ния частиц методами хроматографии, капиллярным электрофорезом
и гель-электрофорезом. Метод позволяет идентифицировать ионные
(неорганические) формы металла и его координационные соединения
с органическими лигандами.
364 0 Часть 4. О Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 4. Отдельные стадии исследования селенопротеома
(Analytical and Biomedical Chemistry, N1, Jan 2004).
1.3. Поступление металлических ядов в организм,
их распределение, метаболизм и выведение
В окружающей среде металлы распределяются естественным образом
в соответствии с биогеохимическими циклами (рис. 5). Применение ме-
таллов в промышленности и быту обусловливает их появление в воздухе,
воде, почве, организме животных и растениях. Дожди разрушают горные
Глава 5. О Химике-токсикологическая характеристика веществ... Q 365
породы, обогащают или обедняют почвы теми или иными элементами,
переносят их в океанические воды, где эти элементы концентрируются в
донных осадках или переносятся с течениями в отдаленные регионы.
Внутри биологических циклов происходят распределение и накоп-
ление металлов в растениях и животных, а также их включение в пище-
вые цепи. В живом веществе возможно изменение состава и химиче-
ской формы элементов.
Химические элементы поступают в организм с аэрозолями через ор-
ганы дыхания и кожу, а также с пищей и водой через желудочно-кишеч-
ный тракт (рис. 6).
Контакт химических соединений с кожей, эпителием дыхательных
путей и слизистой оболочкой желудочно-кишечного тракта приводит к
их всасыванию в кровь и лимфу. Завершив цикл прохождения через пе-
чень, соединения некоторых элементов могут реабсорбироваться из же-
лудочно-кишечного тракта. После попадания в системный кровоток
элементы распределяются по органам и тканям.
Как правило, ионные формы неорганических соединений плохо
всасываются из желудка, поэтому основным источником поступления
элементов в кровь и лимфу является кишечник. Большая доля тяжелых
металлов всасывается в двенадцатиперстной кишке и в средней части
тонкой кишки, pH содержимого которых не превышает рК равновес-
ных процессов образования основных солей и гидроксидов. В толстой
кишке (рН=8,0) образуются малорастворимые гидроксиды и основные
соли, всасывание которых затруднено; они подвергаются кишечной
Рис. 5. Распределение металлов в окружающей среде.
366 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Источники
Воздух
Кожа
акт
Желчь
Печень
Кровь
рганы и
Почки
Волосы
Моча
Экскременты
Пог
Внешнее загрязнение
Основные
пути
поступления
Основные
пути
выведения
Распределение,
метаболизм
Воздух, вода
почва и т.д.
елудочно-
кишечныи
Дыхательные
пути
Выдыхание
Вдыхание
а, вода.
лекарственные
средства
Прием внутрь
Рис. 6. Распределение металлических ядов после поступления в организм.
Слущивание
эпителия
экскреции. Например, при попадании внутрь растворимой соли сурьмы
(SbCh) в содержимом кишечника можно обнаружить соли стибида
SbOX (X — однозарядный анион) и гидроксид 8Ь(ОН)з.
Основными механизмами переноса различных химических форм
элементов через слой эпителиальных клеток кишечника — энтероцитов
являются диффузия и активный транспорт (см. ч. 2, гл. 2). В качестве
регуляторов транспорта и переносчиков выступают различные белки.
Неорганические соединения могут поступать в организм через дыха-
тельные пути в молекулярной [летучие карбонилы Ni(CO)4 и оксиды
SeO2, ОзОд, TI2O] или атомарной (пары металлов Hg, Zn, Pb) форме.
Микрочастицы размером от 5 нм до 50 мкм малорастворимых оксидов,
солей, гидроксидов поступают в организм в виде аэрозолей вместе с
вдыхаемым воздухом. Токсичные вещества могут всасываться практи-
чески на любом участке эпителия дыхательных путей. Доля вещества,
поступившего в кровь и лимфу, возрастает с ростом периода задержки в
органах дыхания. Многие металлы поглощаются легкими в десятки раз
эффективнее, чем кишечником. Это вполне объяснимо, поскольку об-
щая площадь внутренней поверхности легких составляет около 60 м2.
Глава 5. Q Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 367
Часть микрочастиц, осевших в альвеолах, захватывается макрофага-
ми. Значительная доля микрочастиц поступает в желудок через носо-
глотку. Вещества, поступившие в желудочно-кишечный тракт, при вса-
сывании попадают в печень через портальную венозную систему, а затем
выделяются с желчью в кишечник или достигают системного кровотока.
Поступление неорганических веществ в организм при абсорбции че-
рез кожу происходит при случайных контактах с ядами, а иногда при
использовании лекарственных средств. Так, например, чрезвычайно
опасно пребывание в помещении с высоким содержанием паров метал-
лической ртути Hg°, которая легко абсорбируется через кожу. При дли-
тельном применении препаратов серебра (протаргола, колларгола, рас-
твора AgNO3) для лечения язв, трещин, эрозий возникает аргирия
(«посиневший» больной), обусловленная образованием металлическо-
го серебра и тиолатов (протеинатов), придающих коже темно-синее ок-
рашивание:
2Ag+ + 2RSH — 2Ag| + RS-SR + 2Н+
Ag+ + RSH RS-Agl + H+
Абсорбция токсикантов осуществляется через эпидермис, сальные
железы и волосяные фолликулы. Эффективность кожной абсорбции в
значительной мере определяется физико-химическими свойствами то-
ксичного агента: размером молекул, растворимостью в воде и липидах,
степенью ионизации, способностью гидролизоваться. На абсорбцию
существенно влияют кислотность (pH) эпидермиса и дермы, температу-
ра, скорость кровотока.
При накожной аппликации происходит абсорбция солей меди, зо-
лота, серебра, бериллия, цинка, ртути, таллия, мышьяка, хрома, ко-
бальта, никеля. Некоторые неорганические соединения этих элементов
вызывают аллергические реакции и дерматиты.
Гораздо более подробно изучена роль кожи как органа выделения.
Некоторые токсичные элементы, например мышьяк, удаляются при
слущивании эпидермиса. Через потовые железы эффективно экскрети-
руются соединения меди, кадмия, цинка, свинца.
Особенно велика опасность токсического воздействия металлов на
детский организм. У детей соединения металлов, например свинца, вса-
сываются из желудочно-кишечного тракта более интенсивно. Актив-
ный рост и быстрое деление клеток в организме ребенка создают усло-
вия для генотоксических воздействий металлов.
Специфика накопления токсичного металла в тканях и органах от-
ражает как недавнее воздействие, так и отдаленное или длительное воз-
действие на организм.
368 0 Часть 4. 0 Химике-токсикологическое определение ксенобиотиков
Обычно для обнаружения и оценки интенсивности токсического
воздействия металла используют кровь, мочу, волосы. При остром воз-
действии металл обнаруживают в крови и моче. При хронических отра-
влениях для определения токсичных элементов, например мышьяка
или таллия, используют волосы.
Выявление химической формы токсичных металлов (металлом) по-
ка не нашло широкого применения в химико-токсикологическом и су-
дебно-химическом анализе, но со временем будет использовано для
диагностики. Например, обнаруженный в плазме или моче металлоти-
онеинат кадмия имеет большее токсикологическое значение, чем об-
щее содержание кадмия в тканях. Действительно, присутствие в орга-
низме комплексов металла с металлотионеином свидетельствует о
длительном пребывании ионов Cd2+ в организме и его депонировании
в почках. Именно в почках и печени происходит активный синтез ли-
гандов — металлотионеинов MT(SH)X, обеспечивающих естественную
детокс икацию:
2MT(SH)X + х Cd2+ MT(S-Cd-S)x МТ + 2ХН+
Токсичность металлов зависит от их химической формы, конкуриру-
ющих взаимодействий с биогенными металлами, устойчивости метал-
лопротеинатных комплексов, а также возраста, образа жизни и иммун-
ного статуса человека.
Курение и прием алкоголя могут напрямую или косвенно влиять на
биологическую активность металлов. Дым сигарет содержит токсичные
металлы, попадающие при курении в легкие. При чрезмерном приеме
алкоголя уменьшаются потребление основных питательных веществ с
пищей и абсорбция необходимых микроэлементов.
1.4. Механизмы токсичности металлов
Токсическое воздействие неорганических веществ проявляется как
общими неспецифическими, так и специфическими признаками.
Имеется много общего в механизмах токсичности разнообразных ме-
таллических токсикантов. Прежде всего это касается механизмов транс-
порта металлов. Для проявления токсических свойств ион металла дол-
жен пересечь биологическую мембрану и проникнуть внутрь клетки.
Если элемент находится в химической форме, растворимой в липи-
дах (например, мышьяк или ртуть в виде алкильных производных), то
диффузия через липидные слои клеточной мембраны происходит бес-
препятственно. При связывании металла с белком, например кадмия с
металлотионеином, металл попадает в клетку путем эндоцитоза, вклю-
чающего пиноцитоз и фагоцитоз.
Глава 5. О Химике-токсикологическая характеристика веществ... О 369
Некоторые ионы могут транспортироваться в свободной форме (на-
пример, ионы свинца) через кальциевые каналы (рис. 7).
Транспорт ионов может осуществляться в виде комплексов с эндо-
генными лигандами по специфическим транспортным системам,
предназначенным непосредственно для их переноса. Известно мно-
жество белков-переносчиков, которые осуществляют транспорт ме-
таллов через мембраны клеток и внутриклеточных органелл. Для пере-
носа через плазматические мембраны ванадаты VO43" и арсенаты
АкОд3-, структурно подобные фосфату РС>43_, используют фосфатные
транспортные системы, тогда как хроматы СгО42-, молибдаты Мо€>42~
и селенаты SeO42- используют транспортные механизмы изоморфно-
го сульфата SO42-.
Токсичные элементы, как и избыточные количества необходимых
элементов, могут вызывать необратимые смещения динамических рав-
новесий в биологических системах, приводящие к развитию патологии
или к смерти. Повреждающее действие химического агента проявляет-
ся на различных структурных уровнях, начиная с молекулярного. Наи-
более важными аномальными эффектами неорганических веществ на
молекулярном уровне являются ингибирование ферментов, необрати-
мые конформационные изменения макромолекул (белков, нуклеино-
вых кислот) и как следствие изменение скорости биосинтеза, биотранс-
формации, а также возникновение мутаций.
Действие неорганических ядов на молекулярном уровне вызывает
изменения на клеточном уровне, которые выражаются в дефиците жиз-
ненно важных метаболитов, нарушении структуры и проницаемости
клеточных мембран. Нарушение нормальной жизнедеятельности кле-
ток обусловливает дисфункцию органов, а в ряде случаев появление но-
вообразований.
Рис. 7. Использование кальциевых каналов для транспорта
ионов РЬ2+ (гипотетическая модель)
(по J.A. Cowan, 1977).
370 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Аномальное изменение функционирования органов определяет у
всех млекопитающих и человека признаки отравления неорганически-
ми веществами на организменном уровне: замедление роста, смещение
физиологических параметров, ослабление репродуктивной функции и
увеличение смертности потомства, появление новообразований, преж-
девременную смерть.
Механизмы токсичности ионов металлов в биосредах во многом оп-
ределяются их химической формой, в которой токсичный элемент име-
ет характерную степень окисления. Зависимость токсичности соедине-
ния от степени окисления элемента при различных значениях pH
физиологических сред демонстрируют диаграммы pH — потенциал.
Диаграммы этого типа суммируют химические свойства водных раство-
ров неорганических соединений и показывают, какие химические фор-
мы элементов устойчивы при данных значениях pH и потенциала среды
Е (см. ч. 2, гл. 1).
Механизмы токсичности ионов металлов определяются также про-
цессами комплексообразования. Существует несколько видов взаимо-
действия металла с белком. Белок может быть мишенью для токсиче-
ского воздействия, при этом наиболее ощутимо взаимодействие с
ферментами. Токсичные металлы могут замещать необходимые эле-
менты в качестве кофакторов ферментов. Конкурирующие реакции с
участием ионов токсичных элементов при метаболизме отражают ос-
новные механизмы токсичности. Например, свинец препятствует
кальцийзависимому высвобождению нейромедиаторов.
Белки могут играть защитную роль, снижая токсичность металла.
Наиболее исследованы в этом плане металлотионеины. Низкомолеку-
лярные металлотионеины (~6000 г/моль) имеют высокое сродство к
жизненно необходимым и токсичным металлам, в первую очередь ио-
нам меди, цинка, ртути, кадмия, серебра (рис. 8). Интенсивность син-
теза металлотионеинов в значительной степени зависит от поступления
в организм токсичных металлов.
Белки, способные к специфическому связыванию металлов, уча-
ствуют во внеклеточном и внутриклеточном транспорте металлов.
Среди них большое значение имеют трансферрин, ферритин, церуло-
плазмин.
Трансферрин — гликопротеин, который связывает большую часть
железа (III), присутствующего в плазме. Транспорт железа через мемб-
раны клеток происходит посредством рецепторного эндоцитоза транс-
феррина и железа (III) (рис. 9). Трансферрин участвует также в транс-
порте А13+ и Мп2+.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 371
Рис. 8. Структура металлотионеина, установленная с помощью ЯМР (а),
и центры связывания кадмия (б)
(noJ.A. Cowan, 1997).
Ферритин является основным белком, содержащим железо в рети-
кулоэндотелиальных клетках печени, селезенки и костей. Ферритин
может играть роль общего детоксиканта металлов, поскольку связы-
вает различные токсичные металлы, включая ионы Cd2+, Zn2+, Ве2+,
ЛР+.
Церулоплазмин — гликопротеиновая оксидаза плазмы, содержащая
медь, катализирующая окисление Fe2+ *♦ Fe3+, теряет активность при
замещении меди в активном центре токсичными ионами.
Неспецифическое связывание с белками, например с сывороточным
альбумином и гемоглобином, также играет значительную роль в транс-
порте ионов металлов и распределении их кровотоком. При возденет-
372 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Внутриклеточное
пространство
Рис. 9. Стадии переноса Fe (III) через клеточную мембрану.
а — взаимодействие комплекса трансферрина с Fe (III) и рецептора клеточной мембраны;
б, г — последовательные стадии эндоцитоза; в — высвобождение иона металла в цитоплазме.
вии Pb2+, Bi3+, Hg2+, 8еОз2~ и других токсичных неорганических ионов
образующиеся металлопротеинатные комплексы представляют собой
морфологически заметные внутриклеточные включения.
Роль переносчиков играют также аминокислоты и пептиды, образу-
ющие комплексные соединения с ионами металлов. Например, клеточ-
ный транспорт меди или цинка может происходить в комплексах с гис-
тидином, метилртути — в виде координационных соединений с
цистеином или глутатионом.
Человеческий геном содержит около 9000 генов, кодирующих транс-
портные белки, из которых 2000 участвуют в транспорте лекарственных
веществ и других ксенобиотиков. Однако накопленных знаний недос-
таточно, чтобы оценить возможный полиморфизм отдельных транс-
портных белков при переносе токсичных неорганических ионов.
Глава 5. Ф Химико-токсикологическая характеристика веществ... Ф 373
1.5. Мишени токсического воздействия металлов
Токсичность металлов проявляется при их взаимодействии с клеточ-
ными мишенями. Такими мишенями чаще всего являются молекуляр-
ные структуры, участвующие в специфических биохимических превра-
щениях, и мембраны субклеточных структур.
Ионы токсичных элементов конкурируют с катионами эссенциаль-
ных элементов во всех метаболических процессах, в первую очередь в
реакциях комплексообразования. Основная мишень токсического воз-
действия металлов — ферменты, взаимодействие с которыми сопрово-
ждается, как правило, их ингибированием, а не активацией. Известны
два основных механизма такого взаимодействия: химическая реакция
иона металла с тиоловой (сульфгидрильной) группой фермента и заме-
щение нативного металлического кофактора фермента токсичным ме-
таллом.
В соответствии с теорией жестких и мягких кислот и оснований
Пирсона токсичные ионы большого радиуса — Cd2+, Hg2+ и Pb2+, про-
являя свойства мягких кислот, образуют прочные связи с мягкими био-
генными основаниями, в первую очередь с SH-группами. Их антагони-
сты — необходимые макроэлементы Mg2+ и Са2+ того же ионного
заряда, но меньшего радиуса (жесткие кислоты) — с тиоловыми группа-
ми не взаимодействуют.
Ион свинца может заместить цинк в дегидратазе 6-аминолевулино-
пой кислоты, ингибируя синтез гема — компонента гемоглобина и гем-
содержащих ферментов типа цитохромов.
Токсичные металлы могут разрушать структуру и функцию ряда ор-
ганелл. Например, они могут ингибировать ферменты, связанные с эн-
доплазматическим ретикулумом, дыхательные ферменты в митохонд-
риях, накапливаться в лизосомах и проникать в ядро клетки.
Многие металлы канцерогенны для людей и животных. Различные
химические формы мышьяка, соединения хрома (VI), никеля (II) из-
вестны как канцерогены человека; соединения бериллия, кадмия, пла-
гины — возможные канцерогены. Канцерогенность может быть связа-
на с процессами взаимодействия иона металла с ДНК клеток.
Токсичность металлов может проявляться нарушением функций ор-
ганов и систем. Например, действие ионов кадмия связано с поврежде-
нием почечной ткани. Неорганические соединения ртути, растворимые
н воде, также проявляют нефротоксичность.
Нервная система является мишенью практически для всех токсич-
ных металлов, особенно для органических производных металлов. В ча-
374 О Часть 4. С Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
стности, метилртуть как липофильное вещество легко проникает через
гематоэнцефалический барьер и концентрируется в нервной ткани.
Есть данные, свидетельствующие о токсическом действии металлов
на репродуктивную систему человека, поскольку мужские и женские
репродуктивные органы находятся под сложным нейроэндокринным
контролем. Любой токсикант, действующий на отдельные звенья этих
процессов, способен нарушить работу системы в целом. Например кад-
мий, как известно, при остром токсическом воздействии вызывает раз-
личные повреждения яичек. Свинец аккумулируется в яичках и инги-
бирует сперматогенез.
При профессиональном воздействии металлической пыли дыха-
тельная система становится одной из главных мишеней токсичности.
Острое воздействие может вызвать раздражение и воспаление дыха-
тельных путей, а хроническое воздействие приводит к фиброзам (на-
пример, алюминий) или злокачественным новообразованиям (напри-
мер, мышьяк, хром, никель).
Как уже отмечалось выше, токсичность кадмия, свинца и ртути за-
висит от возможности их переноса и накопления внутри клетки. Эти
процессы регулируются в определенной степени сродством к некото-
рым белкам цитозоля. Такие белковые лиганды (металлотионеины)
обычно обладают большим числом SH-центров связывания и играют
роль переносчиков ионов металлов, способствуя их накоплению в клет-
ке. В случае высокой концентрации токсичного металла металлотионе-
ины играют роль детоксикантов, ограничивая доступ металла к чувст-
вительным органеллам.
1.6. Химико-токсикологические
характеристики токсичных элементов
В настоящем разделе рассмотрены химико-токсикологические хара-
ктеристики примесных элементов, эссенциальность которых не доказа-
на, но достоверно известны их токсические свойства.
1.6.1. Свинец
Из-за длительного применения в разных сферах деятельности чело-
века свинец оказался наиболее распространенным токсичным метал-
лом. Отравление может происходить ингаляционно (при вдыхании за-
грязненного воздуха) или перорально (с водой и пищей). Основные
источники поступления свинца в организм — пища, старая краска вну-
три жилых помещений, покрытая глазурью керамическая посуда, за-
грязненная питьевая вода, промышленные выбросы.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 375
Большинство стран сократили до минимума использование соеди-
нений свинца в виде присадок к топливу и пигментов в красках, но про-
должается его применение в свинцовых батареях.
Неорганические соединения свинца легко проникают через плацен-
тарный и гематоэнцефалический барьеры. У детей абсорбция свинца
происходит более интенсивно, чем у взрослых. На начальной стадии от-
равления свинец аккумулируется в печени и почках, а при хроническом
воздействии 95% свинца депонируется в костной ткани.
На клеточном и субклеточном уровнях механизмы токсичности свин-
ца изучены довольно подробно, что, в частности, позволило создать кине-
тическую модель стационарных потоков и уровней свинца в гепатоците.
В соответствии с диаграммой pH — потенциал в физиологических
условиях преобладают формы гидратированного двухвалентного катио-
на свинца и гидратированного гидроксида РЬ(ОН)г- Ион свинца РЬ2+ —
одна из наиболее мягких кислот среди рассматриваемых катионов ток-
сичных металлов, поэтому токсичность РЬ2+ обусловлена образованием
прочных соединений с серой, в частности, при взаимодействии с тиоло-
выми группами. Этим объясняется действие РЬ2+ практически на всех
уровнях метаболизма: генетический аппарат, регуляторные системы,
потенциалобразующие мембранные ферменты.
Главные мишени токсичности свинца — гемопоэтическая ткань и
нервная система (табл. 1). Некоторые ферменты, отвечающие за синтез
гема, ингибируются свинцом. Два наиболее чувствительных к действию
свинца фермента — дегидратаза 6-аминолевулиновой кислоты (ALA-D)
и гемсинтетаза. Анемия возникает при умеренной экспозиции свинца,
по изменения биохимических показателей можно обнаружить значи-
тельно раньше. По этой причине ингибирование ALA-D или появление
и моче ALA может использоваться как тест на отравление свинцом.
При анемии, возникающей в результате отравления свинцом, эрит-
роциты уменьшаются в размерах (микроцитоз) и имеют менее интен-
сивную окраску (снижение содержания гемоглобина). Установлено, что
пон свинца резко изменяет порфириновый обмен, блокирует процесс
включения железа в молекулу протопорфирина. Токсическая анемия
является результатом, во-первых, ускоренного старения эритроцитов
(прогерия), а во-вторых, нарушения гемопоэза.
Воздействие свинца на нервную систему приводит к преждевремен-
ному дифференцированию нервной ткани, изменению содержания ме-
диаторов норадреналина, допамина и, возможно, ацетилхолина, замед-
лению нормального кальциевого гомеостаза, замене кальция ионом
свинца в кальций, натрий-АТФ-насосах (см. рис. 7).
376 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 1. ТОКСИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ ПОРОГОВЫЕ УРОВНИ СВИНЦА В КРОВИ
Токсические эффекты Содержание свинца в крови, мкг/100 мл
взрослые дети
Неврологические
энцефалопатия 80-100 100-120
дефекты слуха 20
снижение уровня интеллекта IQ 10-15
снижение нервной проводимости 40 40
Гематологические
анемия 80-100 80-100
ALA-D-ингибирование 10 10
Урологические
нефропатия 40 40-60
Нервная система — одна из главных мишеней свинца, особенно у де-
тей. Даже небольшие дозы свинца при хроническом воздействии вызы-
вают у детей гиперактивность, умственную отсталость. При высоких, то-
ксических дозах энцефалопатия возникает как у детей, так и у взрослых.
Повышенные уровни свинца в крови детей, особенно раннего воз-
раста, могут в дальнейшем проявиться у подростков в виде сниженно-
го внимания, затруднений при чтении и других показателей развития.
У подростков была обнаружена зависимость между слуховым порогом
и содержанием свинца в крови более 20 мкг/100 мл.
Острая свинцовая нефротоксичность выражается в функциональ-
ных и морфологических изменениях в проксимальных канальцах почек
и проявляется аминоацидурией, глюкозурией.
Накопление свинца в костной ткани происходит по механизмам ре-
гулирования кальциевого обмена.
У взрослых свинец может проявлять репродуктивную токсичность.
Соединения свинца канцерогенны. Эпидемиологические исследования
свидетельствуют о связи между профессиональным воздействием свин-
ца и злокачественными новообразованиями в легких, мозге и мочевом
пузыре.
Среднее содержание свинца в организме человека около 120 мг. До-
пустимый уровень свинца в волосах взрослого человека 2—4 мкг/г. У ра-
бочих металлургических заводов он достигает 80—100 мкг/г. Фоновые
значения содержания свинца в крови 20 мкг/100 мл.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... 0 377
1.6.2. Ртуть
Ртуть существует в окружающей среде преимущественно в виде
элементной ртути (Hg°), солей ртути (I) и ртути (II) [например,
llg2C12, Hg(NC>3)2] и алкильных органических производных [напри-
мер, метилртути CH3HgCl или диметилртути (СНз)2Ш]. Каждая хи-
мическая форма ртути оказывает свое специфическое воздействие на
организм.
Большинство отравлений ртутью происходит вблизи производств,
использующих ртутные катоды (получение хлора и щелочей электро-
низом), ее амальгамы (извлечение золота из руд), или при химиче-
ском синтезе. Ртуть поступает в организм человека с морской рыбой,
морепродуктами и рисом [в среднем до 0,2 мг/(кг • сут], загрязнен-
ными преимущественно метилртутью1. Известны случаи отравления
ртутью при использовании ртутьсодержащих фунгицидов и при нару-
шении техники безопасности на производстве и в химических лабо-
раториях.
Пары элементной ртути практически полностью поглощаются ор-
ганами дыхания. Абсорбция паров ртути при ингаляционном поступ-
лении может привести к развитию острого бронхита и пневмонии.
Вдыхание паров ртути приводит в основном к изменениям в цент-
ральной и вегетативной нервной системе. Основные симптомы: го-
ловная боль, слабость, стоматит, некроз слизистой оболочки носа, а
также некронефроз. Это состояние назвают астеническим вегетатив-
ным синдромом или микромеркуриализмом. При острых отравлениях,
если не наступает летальный исход, то возможны нарушения цент-
ральной нервной системы в виде тремора и повышенной возбудимо-
сти. Элементная ртуть после абсорбции окисляется в организме до
ртути (II)
Заглатывание элементной (жидкой металлической) ртути практиче-
ски безопасно, так как абсорбция металла в желудочно-кишечном тра-
1 В 50-е и 60-е годы XX в. в Японии химические заводы и предприятия по производ-
ству полимеров сбрасывали сточные воды с остатками ртути в залив Минимата. Ртуть под
действием бактерий в донных отложениях превращалась в легкоабсорбируемую метил-
ртуть (CHj)HgX (X — однозарядный анион). Потребление рыбы и моллюсков местным
населением привело к массовому отравлению ртутными ядами — болезни Минимата.
К 1970 г. было отмечено 107 случаев со смертельным исходом в связи с отравлением рту-
тью, в 800 случаях была подтверждена болезнь Минимата. У здоровых женщин, употреб-
лявших загрязненную рыбу, рождались умственно отсталые дети. Органические произ-
водные ртути поражали прежде всего нервную систему, причем мозг эмбриона оказывался
более чувствительным к токсическому действию ртути, чем мозг матери.
378 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
кте незначительна1. Имеются данные, что элементная ртуть зубных
пломбировочных амальгам может оказывать токсическое воздействие
на организм, включая центральную нервную систему и почки. Однако,
по мнению ряда авторов, эти признаки проявляются только при повы-
шенной индивидуальной чувствительности.
Дихлорид ртути (I), каломель (Hg2C12), используется в пиротехнике,
а также в качестве фунгицида. В ряде стран каломель продолжают при-
менять в качестве слабительного средства. Дихлорид ртути (II), сулема
(HgCl2), очень токсична. Сулема применяется в медицине как дезинфи-
цирующее средство, в технике ее используют для антисептической об-
работки дерева, травления и чернения стали. Токсическая доза этого ве-
щества 0,1—0,2 г; смертельная доза 0,5 г. Высокая токсичность связана
с липофильностью сулемы, которая практически не диссоциирует на
ионы в жидких средах организма в связи с ковалентной природой хими-
ческих связей Hg—Cl.
При приеме сулемы внутрь возникает жгучая боль во рту, глотке, пи-
щеводе, желудке. Отмечаются упорная, длительная рвота, кровавая ди-
арея и олигурия вплоть до анурии. Раннее возникновение анурии ука-
зывает на развитие синдрома сулемовой почки с почечной
недостаточностью и уремией в дальнейшем. Самым радикальным и
действительно активным способом лечения отравления солями ртути
служит как можно более раннее применение гемосорбции, гемодиали-
за, лимфодиализа.
Токсичность других соединений ртути (II), например оксида HgO
или сульфида HgS, менее выражена в связи с их малой растворимостью.
Хорошо растворимые нитрат (Hg(NOa)2) или сульфат (HgSO4) также
менее токсичны по сравнению с сулемой. Это объясняется слабой аб-
сорбцией основных солей ртути, образующихся при гидролизе в виде
осадка Hg(OH)X в содержимом кишечника.
После абсорбции в системный кровоток ртуть проникает через гема-
тоэнцефалический барьер и попадает в нервную ткань.
1 Опасность представляет газообразная ртуть, которая образуется при испарении с по-
верхности жидкой ртути. В быту и медицинской практике нужно осторожно обращаться
с ртутными термометрами и манометрами. Для предотвращения перехода разлитой ртути
в газообразное состояние необходимо провести демеркулизацию. Для этого надо тщатель-
но собрать капли разлитой ртути (лучше с помощью амальгамированной медной пластин-
ки), затем многократно промыть очищаемое место насыщенным раствором FeCl3 или за-
сыпать порошком серы. При этом образуются малорастворимые нелетучие соединения
ртути — каломель (Hg2C12) или сульфид ртути (HgS):
Hg + FeCl3 -» Hg2Cl2 + FeCl2; Hg + S — HgS.
Глава 5. 0 Химико-токсикологическая характеристика веществ... Ф 379
Предварительное обнаружение ртути при хроническом отравлении
проводят по цветной реакции мочи; при добавлении к ней калия йоди-
да появляется желтая (Hgjh), затем красная (Hgl2) окраска. Фоновое
содержание ртути в моче 2—5 мкг/л. Повышенное содержание ртути
можно обнаружить в волосах (фоновый уровень 0,1—0,5 мкг/г). Допус-
тимым содержанием ртути в крови считают 5 мкг/100 мл.
1.6.3. Кадмий
В природе кадмий находят вместе с цинковыми рудами (лат. cadmea —
цинковая руда). Вблизи шахт рудников и плавильных цехов металлур-
гических предприятий его содержание в воздухе повышено. Чрезвычай-
но опасно воздействие паров металла и аэрозолей соединений кадмия в
рабочей зоне производств. В промышленности кадмий используют как
пигмент красок (металлоорганические краски) и полимерных материа-
лов, для гальванопокрытий, для получения сплавов и щелочных бата-
рей (например, никель-кадмиевые батареи). Загрязнение окружающей
среды связано в первую очередь с обнаружением его в грунтовых водах
вблизи промышленных стоков. Морепродукты (мидии, устрицы), лис-
товые овощи, а также сигаретный дым — основные источники поступ-
ления кадмия в организм1.
В организме человека находится около 50 мг кадмия при среднем
дневном потреблении около 215 мкг.
По размеру и заряду ион Cd2+ является аналогом Са2+, что находит
отражение, в частности, в замещении необходимого кальция токсичным
кадмием в биосистемах, например в костной ткани. Диаграмма pH —
потенциал для кадмия аналогична диаграмме для цинка. По электрон-
ной конфигурации и сродству к органическим лигандам ион кадмия так-
же напоминает ион цинка.
На клеточном уровне кадмий является антагонистом цинка. Меха-
низмы токсичности разнообразны: от ингибирования ДНК-полимераз
до разобщения мембранных потенциалов. Кадмий обладает большим
сродством к тиоловым группам и замещает цинк в металлоферментах.
Кадмий, подобно цинку и меди, индуцирует синтез металлотионеи-
нов. При низких концентрациях кадмий, согласно диаграммам доза —
ответ, обладает свойствами активатора клеточных процессов.
1 Известно, что потребление риса, загрязненного кадмием, привело к массовому за-
болеванию (Itai-ltai) населения одного из регионов Японии. Кадмиевый токсикоз сопро-
вождался нарушениями в структуре костной ткани, что приводило к искривлению труб-
чатых костей.
380 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Острое отравление при ингаляционном поступлении кадмия сопро-
вождается глубоким поражением системы органов дыхания, токсической
пневмонией и отеком легких. При энтеральном отравлении возникает га-
строэнтерит, сопровождающийся быстрым обезвоживанием организма.
После появления первых симптомов отравления наступает период
мнимого благополучия, длящийся до 36 ч; затем картина отравления
бурно прогрессирует.
Кадмий накапливается в организме. Экскреция кадмия очень мед-
ленная, период полувыведения составляет около 30 лет. Хроническое
отравление соединениями кадмия проявляется упорным атрофическим
ринитом и фарингитом, потерей обоняния, возникновением золоти-
стого кадмиевого кольца вокруг шеек зубов.
Основным органом-мишенью при длительном воздействии кадмия
являются почки. В крови кадмий находится в виде соединения с метал-
лотионеинами, образующимися в почках. После клубочковой фильтра-
ции координационное соединение кадмия с металлотионеином реаб-
сорбируется в канальциевом аппарате почек и накапливается в
лизосомах. Высвобождение ионов кадмия при распаде металлотионеи-
натного комплекса приводит к нарушению функции лизосом и вызыва-
ет повреждение клеток. В моче появляется белок, изменяется белковый
состав крови — повышается содержание грубодисперсной фракции.
Постоянный симптом — стойкое повышение СОЭ.
Для определения содержания кадмия в организме человека исполь-
зуют волосы и мочу. Фоновое содержание кадмия в волосах составляет
0,05—0,25 мкг/г, а в моче — 0,03—5,0 мкг/л.
1.6.4. Мышьяк
В природе мышьяк встречается в элементном состоянии, а также в
больших количествах в виде арсенидов и арсеносульфидов тяжелых ме-
таллов.
В морской воде содержится около 5 мкг/кг мышьяка, а в питьевой
воде — обычно менее 1—2 мкг/л. В некоторых частях земного шара
(Тайвань, Южная Америка, высокогорные области Австрии) в воде об-
наружено повышенное содержание мышьяка. В зависимости от содер-
жания мышьяка потребление воды приводит или к активации фермен-
тативных процессов в организме (при низких концентрациях), или к
токсикозам типа кожного гиперкератоза и гиперпигментации (при вы-
соких концентрациях). Увеличение количества мышьяка в воде может
вызвать более серьезные нарушения вплоть до развития гангрены ниж-
них конечностей и рака кожи.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 381
В организме человека содержится около 18 мг мышьяка, его кон-
центрация колеблется от 1,6 мкг/кг в ткани почек до 2,1 мг/кг в во-
лосах.
Главный источник поступления мышьяка в организм человека — во-
да и продукты питания (морепродукты, рыбий жир, морская рыба, ви-
ноградные вина и соки). Дневная доза потребления мышьяка составля-
ет несколько десятков миллиграммов и значительно колеблется в
зависимости от содержания в пище и питьевой воде.
Для человека смертельной дозой мышьяка является 30 мг. Токсиче-
ская доза оксида мышьяка (III) (белый мышьяк) 0,01—0,05 г, смертель-
ная доза 0,06—0,2 г.
Соединения мышьяка неорганической природы и их органиче-
ские (метилированные) производные содержат мышьяк в разной сте-
пени окисления: As (V) и As (III). Основными токсичными неоргани-
ческими формами являются оксид мышьяка (III) AS2O3, арсенит
натрия NaAsO2 и трихлорид мышьяка AsClj; оксид мышьяка (V)
AS2O5, мышьяковая кислота H3A.SO4 и арсенаты, например арсенат
свинца РЬНАзОд и арсенат кальция СаНАзОд, используемые в качест-
ве инсектицидов.
Неорганические соединения мышьяка попадают в окружающую
среду из антропогенных источников. Это предприятия по получению
меди, цинка, свинца (мышьяк — сопутствующий элемент), по произ-
водству стекла и пестицидов. Арсин ASH3, как и другие летучие гидри-
ды p-элементов, используется в промышленности полупроводниковых
материалов и очень токсичен (ПДК в воздухе 0,05 ч/млн).
В настоящее время мышьяк присутствует в большинстве пищевых
продуктов в связи с использованием его соединений в сельском хозяй-
стве в качестве родентицидов, инсектицидов, фунгицидов, древесных
консервантов, стерилизаторов почвы.
Органические формы мышьяка также содержат мышьяк (III) и
мышьяк (V). Метилированные производные образуются в почве, пре-
сной и морской воде, а также в организме млекопитающих при естест-
венной детоксикации. Под действием микроорганизмов происходит
превращение неорганического мышьяка в диметиларсенат (какодилат),
который накапливается в рыбе и моллюсках и может стать причиной
отравления.
Метаболизм и токсичность мышьяка зависят от его химического со-
стояния. При определении причины отравления в первую очередь сле-
дует установить, какое соединение мышьяка находится в воде, пище,
воздухе.
382 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Устойчивость той или иной химической формы зависит от внутрен-
ней среды организма, в первую очередь от pH и окислительно-восста-
новительного потенциала. Формы мышьяка в водной среде соответст-
вуют представленным на диаграмме pH—потенциал (см. ч. 2, гл. 1; рис.
14). Центральную часть физиологической области диаграммы pH—по-
тенциал (-0,41 В <Е< +0,82 В; 1,0<рН<8,0) занимает мышьяковистая
кислота HAsO2. Область более положительных потенциалов принадле-
жит гидро- и дигидроарсенат-ионам (HAsO42-, H2AsO4"). При потен-
циалах, близких к потенциалам восстановления воды (2Н2О+2е -»
Hj+2OH_), в физиологических средах может существовать твердый эле-
ментный мышьяк (As).
В зависимости от окислительно-восстановительного потенциала при
pH 7,4 возможны взаимные превращения устойчивых форм мышьяка:
H2AsO4-
2^ HAsO^*—►As
HAsO42'
Если в биосреду попадают соединения, область существования
которых находится вне физиологических значений pH и редокс-по-
тенциалов, то число их взаимных превращений возрастает. Эти пре-
вращения включают кислотно-основные и окислительно-восстано-
вительные реакции. И в том, и в другом случае проявляется
токсичность АбНз, AsO+, AsO43~, H3ASO4. Например, средняя соль
мышьяковой кислоты, Na3AsO4 в физиологических условиях, соот-
ветствующих pH и потенциалам крови, будет подвергаться следую-
щим превращениям:
диссоциация
протонирование
восстановление
Na3AsO4 -» 3Na++ AsO43"
AsO43"+ H2O —* HAsO42"+ OH"
HAsO42"+ 2H2O + 2e — HAsO2+ 4 OH"
Высокая токсичность арсина связана с тем, что область его устойчи-
вости находится вне физиологических значений pH и потенциалов. Это
очень сильный восстановитель [E°(As/AsH3)= —0,225 В], поэтому он
восстанавливает большинство биогенных соединений. Одна из его
главных мишеней — гемоглобин.
Арсенит взаимодействует с тиоловыми группами ферментов, глута-
тиона, цистеина, липоевой кислоты, присутствующих в биосредах:
zSR
НО As = О + 2HS — R-► НО As + Н2О
SR
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 383
Соединения мышьяка (III) влияют на ферментативную активность
сукцинатдегидрогеназы и разобщают процесс окислительного фосфо-
рилирования. Пируват- и сукцинатдегидрогеназная активность подав-
ляется арсенитом в первую очередь в почках. Вероятно, этим можно
объяснить нефротоксичность мышьяка, симптомом которой является
протеинурия.
Арсенит известен как ингибитор ксантиноксидазы и других молиб-
денсодержащих ферментов.
Высокое сродство As (III) к животным тканям может быть объясне-
но большой скоростью взаимодействия с тиоловыми соединениями.
Например, при реакции арсенита с цистеином in vitro k = 1,37 • 10~2 с-1 и
ti/2 = 52 с.
Токсические дозы арсенатов примерно в 2 раза больше, чем арсени-
тов. Однако нарушения, вызываемые арсенатами, более многочислен-
ны. Это связано, в частности, с тем, что арсенаты, являясь аналогами
фосфатов, прежде всего влияют на процесс окислительного фосфори-
лирования.
Замещение фосфата арсенатом проявляется при соизмеримых ко-
личествах в организме. Известно, что фоновое содержание мышьяка
в организме человека составляет 18 мг (3,4* 10~6 моль/кг при массе
тела 70 кг), содержание клеточного фосфата (4,3 • 10~5 моль/кг) на
порядок выше. Введение арсената мышам в дозе 45 мг/кг (6,4* 10-4
моль/кг), превышающей содержание фосфата в клетке, вызывает по-
Рис. 10. Почечная экскреция мышьяка (доля введенной массы) у человека
при приеме внутрь арсенита (1), монометиларсената (2), диметиларсената (3).
384 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
явление нежизнеспособного потомства с врожденными уродствами.
При таких соотношениях концентраций возможно также замещение
фосфата арсенатом в гидроксиапатите [C|0(AsO4)(,(OH)2] костной
ткани.
Мышьяк выделяется из организма с мочой, калом, молоком, с вы-
дыхаемым воздухом и через кожу. При приеме внутрь арсенита за 48 ч
60—70% мышьяка выделяется с мочой. Органические производные
мышьяка выделяются значительно быстрее. При приеме внутрь добро-
вольцами 500 мкг мышьяка в виде арсенита, монометиларсената и ди-
метиларсената (какодилата) через 24 ч с мочой выделилось соответст-
венно 46, 78 и 75% мышьяка (рис. 10).
Важным моментом распределения и выведения соединений мышья-
ка является метилирование его неорганических соединений. Кинетика
почечного выделения мышьяка с индикацией различных химических
форм показывает, что через 3 ч после внутривенного введения или при-
ема внутрь арсената в тканях преобладает диметил мышьяковая (како-
диловая) кислота. Метилирование происходит медленнее после внут-
ривенного введения по сравнению с приемом внутрь. Возможно,
метилирование протекает не только в печени, но и в кишечнике с уча-
стием бактериальной флоры:
СН3 СН3
I I
O=As -------► O=As------ОН -----► O=As------СН3
I I I
он он он
Мышьяковистая
кислота
Монометилмыш ьяковая
кислота
Деметилмышьяковая
кислота
Соединения мышьяка (III) могут абсорбироваться через кожу. Че-
рез 24 ч после абсорбции мышьяк распределяется по всему организ-
му, взаимодействуя с SH-группами белков тканей. Лишь незначи-
тельное количество мышьяка преодолевает гематоэнцефалический
барьер.
Симптомы отравления мышьяком и его соединениями развиваются
через 1—2 ч после приема мышьяка внутрь. Отмечаются нарушения в
работе желудочно-кишечного тракта: запах чеснока изо рта, тошнота,
рвота, коликообразные боли в животе; сухость кожи из-за обезвожива-
ния. Появляются тахикардия, снижение артериального давления, охри-
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 385
плость голоса, в моче — белок, кровь, цилиндры; олигурия, затем ану-
рия. Могут возникнуть судороги, удушье, потеря сознания, желтуха
вплоть до развития токсического гепатита. Отравление арсином
(мышьяковистым водородом АвНз) ведет к гемолизу, метгемоглобине-
мии; быстро развивается кома.
Для определения мышьяка при отравлениях используют мочу и во-
лосы. Фоновое содержание мышьяка в волосах не должно превышать
1—3 мкг/г.
1.6.5. Алюминий
Алюминий относится к примесным токсичным элементам.
Содержание алюминия в организме человека составляет около
100 мг. Ежедневно с пищей и водой в организм поступает около 45 мг
алюминия. Источниками поступления алюминия в организм могут
быть продукты питания, питьевая вода, а также фармацевтические
препараты.
Всасывание алюминия из пищи или растворимых солей невелико.
Возможно обогащение алюминием пищи в процессе ее приготовления
с использованием алюминиевой фольги или посуды. Небольшое коли-
чество А1 поступает в организм при вдыхании пыли. Особую опасность
представляют промышленные выбросы.
Гидроксид алюминия А1(ОН)з используется в медицине в качестве
адсорбирующего и обволакивающего средства. Ион А13+ образует проч-
ные химические связи с донорными лигандами кислорода, содержащи-
мися, например, в фосфате или цитрате. Это препятствует всасыванию
кислот, углеводов, некоторых антибиотиков, например тетрациклина,
после приема препаратов алюминия.
Диаграмма pH—потенциал для алюминия позволяет прогнозировать
существование в биосредах иона А13+ и гидроксида А1(ОН)з.
Основным механизмом токсического действия алюминия является
связывание его с фосфатом, что влияет на метаболизм кальция. Среди
проявлений токсичности алюминия на клеточном уровне можно отме-
тить его влияние на цитоскелет. У клеток различных типов найдены на-
следственные механизмы толерантности к алюминию.
Органами-мишенями токсического воздействия соединений алю-
миния для человека являются легкие, кости и центральная нервная си-
стема.
Производственные воздействия алюминиевой пыли могут привести
к фиброзу легких. При чрезмерном потреблении алюминийсодержащих
препаратов (антацидов), используемых для нейтрализации желудочной
386 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
кислотности, возникает остеомаляция. Предполагается, что ион алю-
миния, взаимодействуя с фосфатом, препятствует его абсорбции.
Описаны случаи возникновения остеомаляции у больных уреми-
ей, получавших лечение диализом, так как в диализной жидкости со-
держится алюминий. Кроме того, при длительном гемодиализе у па-
циентов увеличивается содержание алюминия в мозге, мышцах и
костной ткани. В некоторых случаях возникают синдромы слабо-
умия, которые можно предотвратить, контролируя содержание алю-
миния в диализате.
Есть данные, хотя и противоречивые, о связи между содержанием
алюминия в организме и болезнью Альцгеймера. Нарушение гемато-
энцефалического барьера при болезни Альцгеймера облегчает про-
никновение ионов алюминия в мозг, поэтому повышенные уровни
алюминия в мозге могут быть скорее следствием, а не причиной дан-
ного заболевания.
Для оценки содержания алюминия в организме используют кровь
(фоновое содержание 2 мкг/л). Данные по летальной дозе для человека
отсутствуют.
1.6.6. Литий
Литий относится к примесным токсичным элементам. Соли лития
давно используются для лечения подагры и растворения почечных
камней. Лития карбонат применяют в психиатрической практике при
лечении маниакальной депрессии. Установлено, что ионы лития нару-
шают транспорт ионов натрия в нервных и мышечных клетках. Под
воздействием лития увеличивается внутриклеточное дезаминирование
норадреналина и уменьшается содержание свободного норадреналина
в тканях мозга.
Литий абсорбируется в желудочно-кишечном тракте и подобно дру-
гим щелочным металлам распределяется в организме сравнительно рав-
номерно. Тем не менее его более высокие концентрации обнаружива-
ются в почках, щитовидной железе и костях. Литий конкурирует с
натрием в процессах реабсорбции в канальцах почек и может замещать
натрий или калий в различных белках-переносчиках.
Особенно токсичен гидрид лития LiH. Это сильный восстановитель,
вызывающий ожоги на коже.
Терапевтическое использование карбоната лития, особенно превы-
шение доз и слишком длительное применение, может привести к раз-
дражению желудочно-кишечного тракта, болям в желудке, мышечной
слабости, тремору рук, атаксии, сонливости, нарушению ритма сердца,
Глава 5. ФХимико-токсикологическая характеристика веществ... О 387
коллапсу. При острых отравлениях возникают нарушения речи, гипер-
рефлексия, тонические и эпилептические судороги, олигурия, потеря
сознания.
При появлении подобных симптомов следует отменить препарат ли-
тия и назначить гидрокарбонат натрия, эуфиллин, диакарб, мочевину.
Риск интоксикации литием оценивают по его содержанию в крови.
При введении карбоната лития в дозе 1 г/сут через 14 сут в крови уста-
навливается концентрация лития 0,6—1,0 ммоль/л. Данные по леталь-
ной дозе L12CO3 отсутствуют.
1.6.7. Платина
Платину можно обнаружить в пыли обочин оживленных автомо-
бильных дорог вследствие ее использования в каталитических присад-
ках к топливу.
Металлическая платина не представляет опасности, но у чувстви-
тельных к ней людей может возникнуть контактный аллергический дер-
матит. Изменения на коже появляются обычно между пальцами и в ло-
ктевых сгибах. Есть данные, что после воздействия платиновой пыли
возникает затруднение дыхания вплоть до астматического статуса с
кашлем, хрипением и развитием дыхательной недостаточности. Изме-
нения кожи и дыхательных путей называются платинозисом.
При воздействии на организм растворимых соединений платины,
например тетрахлорплатината (И) натрия, повышенная чувствитель-
ность к платиновой соли может сохраниться многие годы после прекра-
щения воздействия.
цмс-Дихлордиамин-платина (цисплатин) и его аналоги могут инги-
бировать деление клеток и поэтому обладают антибактериальными
свойствами. Эти соединения могут селективно реагировать с опреде-
ленными химическими участками в белках и нуклеиновых кислотах,
проявляя нейромышечную и почечную токсичность. Платиновые ком-
плексы, особенно цисплатин (рис. 11), являются эффективными про-
тивоопухолевыми средствами и используются для лечения злокачест-
венных новообразований.
В терапевтически эффективных дозах эти комплексы обеспечивают
сильное и продолжительное ингибирование синтеза ДНК и незначи-
тельное ингибирование синтеза белка и РНК.
Цисплатин проявляет нефротоксические свойства. Предваритель-
ное введение субнитрата висмута, являющегося мощным индуктором
металлотионеина в почках, уменьшает нефротоксичность цисплатина,
не снижая его противоопухолевого эффекта.
388 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 11. Молекулярные механизмы действия цисплатина.
а — структурные изменения ДНК; б — биотрансформация в клетке (по J.A. Cowan, 1997).
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 389
1.7. Химико-токсикологические характеристики
эссенциальных и условно эссенциальных элементов
Жизненно необходимые (эссенциальные) d-элементы медь, цинк,
железо, кобальт, марганец, молибден при превышении гомеостатиче-
ских концентраций могут проявлять токсические свойства. В настоя-
щем разделе рассмотрены химико-токсикологические характеристики
этих элементов, а также условно эссенциальных хрома и никеля.
1.7.1. Медь
Медь является незаменимым микроэлементом, необходимым для
нормальной жизнедеятельности человека. Содержание меди в орга-
низме человека около 100 мг, суточная потребность 4—5 мг. Этот эле-
мент — важная составляющая часть ферментов, регулирующих окис-
лительно-восстановительные реакции клеточного дыхания,
фотосинтеза, усвоения молекулярного азота. Медь влияет на рост, раз-
витие, воспроизведение, обмен веществ, процессы гемоглобинообра-
зования, фагоцитарную активность лейкоцитов. Металлоферменты,
содержащие медь (цитохром-с-оксидаза, лизин-2-монооксидаза, тиро-
зин-3-монооксигеназа, ферроксидаза, пероксиддисмутаза), выполня-
ют определенные функции в цепи дыхательных ферментов, окислении
лизина, пигментации кожи, использовании железа. Присутствие меди
в окислительно-восстановительных ферментах объясняется существо-
ванием меди в двух различных степенях окисления — Си (II) и Си (I).
Отмечена также взаимная корреляция между содержанием меди и ви-
таминов А, С, Е и Р.
Токсическому воздействию меди подвергаются шахтеры и рабочие
металлургических предприятий. Пища и питьевая вода являются источ-
никами поступления меди в организм. Много меди обнаружено в морет
продуктах, капусте, крапиве, картофеле, яблоках.
Из диаграммы pH — потенциал следует, что при потенциалах и pH
биосред существуют обе ионные формы меди (Си2+ и Си+), оксиды и
элементная медь. В крови медь (И) находится в связанной форме с био-
генными полидентатными лигандами: альбумином, аминокислотами,
церулоплазмином, транскуприном.
При приеме внутрь растворимых солей меди, например сульфата,
устойчивая ионная форма Си2+ оказывает вяжущее и прижигающее
действие на слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, верхних
дыхательных путей, вызывает токсическое повреждение нервной систе-
мы, почек и печени.
390 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Использование питьевой воды с содержанием ионных форм меди
3 мг/л приводит к нарушению работы желудочно-кишечного тракта:
тошноте, рвоте, диарее. Большие количества сульфата меди (медного
купороса) могут вызвать некроз печени и смерть. Эпидемиологические
исследования свидетельствуют об отсутствии связи между воздействием
соединений меди и новообразованиями.
Избыточное накопление меди в печени, мозге, почках и роговице
отмечается при болезни Вильсона — Коновалова (болезнь курчавых во-
лос), с генетическим нарушением регуляции всасывания и транспорта
меди в организме. Болезнь проявляется с раннего детства микроцефа-
лией, судорогами, курчавые волосы лишены пигмента, происходит их
очаговое выпадение.
Печень — ключевой орган в обмене меди — является главным депо
избыточного количества элемента в организме и местом синтеза церу-
лоплазмина. На избыточное содержание меди в организме указывает
снижение содержания церулоплазмина в сыворотке крови.
Выведение избыточного количества меди из организма возможно
при использовании хелатобразующих средств или солей цинка. Приме-
нение сульфата цинка при отравлении солями меди объясняется осо-
бенностями метаболизма цинка и меди у различных организмов — от
одноклеточных дрожжей до млекопитающих. Эти особенности связаны
с присутствием в организме металлотионеинов и индуцированием их
синтеза ионами d-элементов. По гистограммам численного и объемно-
го распределения клеточной культуры можно детально проследить ан-
тагонизм меди и цинка при комбинированном действии их сульфатов в
разных молярных соотношениях (см. ч. 2, гл. 4; рис. 15).
Токсичность меди объясняют по-разному: сродством ионов Сц2+ к
SH-группам белков, пептидов и аминокислот, окислительно-восстано-
вительными процессами в системе Си (II) «-» Си (I), реакциями компле-
ксообразования с многочисленными азот- и кислородсодержащими
биогенными лигандами.
В норме содержание меди составляет в крови 0,75—1,3 мг/л, в моче
2—25 мг/л, в волосах 7,5—20 мг/кг. Для человека смертельная доза суль-
фата меди 10 г.
1.7.2. Цинк
Цинк — жизненно необходимый микроэлемент. В организме взрос-
лого человека содержится 1,5—3 г цинка.
Цинк присутствует в большинстве пищевых продуктов, воде и возду-
хе. Много цинка в морепродуктах, мясе, цельном зерне, молоке, орехах,
Глава 5. О Химико-токсикологическая хаРаК1'еристика веществ... О 391
бобах, крупах. При суточном поступлении в организм менее ] мг ЦИНКа
могут проявляться симптомы дефицита.
Биохимическая роль цинка связана с ферментативными процесса-
ми. Более 200 металлоферментов основных К-^Цссов, включая оксидре-
дуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, содержат цинк в
качестве кофактора. Цинк участвует в обмене нуклеиновых кислот и
синтезе белков. Будучи связанным с ферментам^, гормонами и витами-
нами, цинк влияет на основные жизненные процессы: кроветворение,
размножение, рост и развитие организма, обк*ен углеводов, белков и
жиров, окислительно-восстановительные реакции, энергетический об-
мен. Цинк необходим для развития и нормальцого функционирования
нервной системы. Цинк, каки медь, активируем синтез металлотионеи-
на, который является регулирующим факторов абсорбции и накопле-
ния не только самого цинка, но и других d-элсментов. Цинк образует
комплексы с цистеином и/или гистидином, формируя «цинковые паль-
цы», которые связываются с определенными Участками ДНК, участка-
ми транскрипции, например, рецепторов стеРоцдных гормонов и поли-
мераз (рис. 12).
Цинк образует химические связи с лигандами клеточных мембран,
стабилизируя структуры мембранных белков и липидов
Цинк имеет единственную степень окисления Zn2+, и его токсич-
ность проявляется при конкуренции с другими двухвалентными катио-
нами (Fe2+, Са2+, Си2+, Мп2+) в реакциях комг[Лексообразования. При
этом возможно изменение исходной структуру биомолекул.
Избыток цинка в организме возникает относительно редко, в основ-
ном у работников гальванических предприятие
Рис. 12. Образование «цинковых пальцев»
при формировании третичной структуры бцомакромолекулы.
392 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Пары цинка и его соединений, в основном оксида, при отравлении
вызывают некроз эпителия легочных альвеол. Отравление проявляет-
ся «литейной лихорадкой», напоминающей малярию. Скрытый пери-
од отравления длится 3—5 ч. Основные симптомы при отравлении со-
единениями или парами цинка: сухость и металлический вкус во рту,
жжение в глотке, гортани, за грудиной. Цинка хлорид и цинка сульфат
вызывают отравления, клинически сходные с отравлением меди суль-
фатом.
Смертельная доза пинка хлорида 3—5 г, цинка сульфата 5—10 г.
Для оценки содержания цинка в организме проводят определе-
ние активности цинксодержащих ферментов, например карбоан-
гидразы и щелочной фосфатазы, а также количества самого элемен-
та в крови.
1.7.3. Железо
Железо — жизненно необходимый элемент. Железо входит в состав
дыхательных ферментов, в том числе гемоглобина, участвует в процес-
сах связывания и переноса кислорода к тканям, стимулирует функцию
кроветворных органов. Лекарственные препараты железа применяют
для лечения анемий.
В организме находятся разнообразные соединения железа: гемопро-
теины (ферритин, гемосидерин, трансферрин), железосодержащие
ферменты (сукцинатдегидрогеназа, ацетилкоэнзим А-дегидрогеназа
цитохромоксидазы и др.). Основная функция железа в организме — пе-
ренос кислорода и участие в окислительно-восстановительных процес-
сах, в основе которых лежит равновесие переноса электрона Fe(lII) «-»
Fe(II). Железо входит в состав гемоглобина (70%), миоглобина (3%),
цитохромов.
В организме взрослого человека содержится 3—5 г железа, суточное
поступление с пищей 10—20 мг. Железо совершает постоянный круго-
оборот в организме. При физиологическом распаде эритроцитов 90%
железа остается в организме и используется на построение новых эрит-
роцитов, а теряемые 10% восполняются из пищи. Много железа нахо-
дится в говядине, говяжьей печени, рыбе, тыкве, устрицах, горохе, ов-
сяной крупе, инжире, изюме, пивных дрожжах.
Отравление железом и его солями, в основном сульфатом (железный
купорос FeSO4 • 7Н2О), возможно в результате приема более 0,5 г в виде
порошка железа или 2,5 г в виде соли. В случае перорального отравле-
ния развивается гастроэнтерит, проявляющийся болями и жжением по
ходу пищевода, тошнотой, обильной рвотой, поносом.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 393
Железо накапливается в печени, выводится с калом и мочой.
При избытке железа возможно развитие хронической интоксика-
ции. Известны 3 основные причины избыточного накопления желе-
за в организме: наследственный гемохроматоз в результате наруше-
ния абсорбции в желудочно-кишечном тракте, избыток поступления
железа с пишей, регулярные переливания крови. Избыточное железо
способствует повышенному перекисному окислению липидов с пос-
ледующим повреждением мембран митохондрий, микросом и других
клеточных органелл. Накопление избыточного количества железа
приводит к нарушениям функции печени, поджелудочной железы,
расстройству деятельности желез внутренней секреции и сердечно-
сосудистой системы. Существуют эпидемиологические данные о за-
висимости концентраций железа и сердечно-сосудистых заболева-
ний.
Среднее содержание железа в плазме крови 0,8—1,4 мкг/л, в моче —
10—25 мкг/л.
1.7.4. Марганец
Марганец наименее токсичный из необходимых d-элементов. Отра-
вления марганцем возможны при вдыхании марганцевой пыли.
В организме человека содержится около 12 мг марганца, а необхо-
димая доза составляет 2—9 мг/сут. В основном марганец находится в ко-
стях, печени, почках, поджелудочной железе, гипофизе (1—3 мг/кг).
Марганец содержится в неочищенных зернах хлебных злаков, зеле-
ных листовых овощах, черном чае, сое, орехах, шиповнике, красной
смородине, бруснике, бананах.
Марганец необходим для формирования нормальной структуры ко-
стей, так как участвует в синтезе мукополисахаридов хрящевой ткани.
С участием марганца в организме осуществляется передача нервных
импульсов. Он входит в состав ферментов, повышает усвоение витами-
на В|. Подобно железу и меди, марганец влияет на процессы кроветво-
рения, при его недостатке может развиться анемия.
Ион Мп2+ является кофактором ферментов углеводного и азотно-
го метаболизма. Ион Мп3+, неустойчивый в водных растворах, в ор-
ганизме стабилизирован биолигандами и входит в состав многих
ферментов. Подобно меди и железу, марганец является переносчи-
ком электронов
е"
Мп(П) ** Мп(Ш),
участвуя в окислительно-восстановительных процессах.
394 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
На диаграмме pH — потенциал в области устойчивости жидких
биосред можно обнаружить Мп2+, МпО(ОН) и Мп(ОН)2. Эти дан-
ные объясняют токсичность других форм, в частности перманганат-
иона МпОд”, область устойчивости которого находится при более
положительных потенциалах. Участие различных марганецсодержа-
щих соединений в окислительно-восстановительных реакциях в ос-
новном определяет его токсичность. Другой механизм токсичности
марганца — замещение кофакторов Mg2+ и Zn2+ ферментов ионом
Мп2+.
Избыток марганца встречается у рабочих при добыче и очистке мар-
ганцевой руды, а также у электросварщиков. Длительное воздействие
марганца вызывает неврологическую симптоматику, напоминающую
паркинсонизм: тремор и затруднение движений.
Среднее содержание марганца в крови составляет 0,3— 1,0 мкг/л, в
моче 0,1—1,5 мкг/л.
1.7.5. Хром
Хром является условно эссенциальным элементом. Содержание хро-
ма в организме человека около 6 мг. Ежедневно с пищей в организм по-
ступает примерно 0,3 мг хрома.
Метаболизм хрома сложен из-за различных степеней окисления в
соединениях. Координационное соединение хрома окончательно не
установленного состава носит название фактора толерантности к
глюкозе. В этом факторе роль центрального атома играет Сг (III), а в
качестве лигандов используются изоникотиновая кислота и некото-
рые аминокислоты. Этот комплекс действует синергически с инсули-
ном. В экспериментах при недостаточности хрома у крыс и мышей
понижается толерантность к глюкозе, развиваются гипергликемия,
глюкозурия.
Согласно диаграмме pH — потенциал, устойчивыми формами при
физиологических значениях pH являются соединения Сг (III) и Сг
(VI) — Сг3+, Сг(ОН)з, НСг2О7-, НСгОд-. Токсичность соединений
хрома (VI) обусловлена реакциями восстановления последних двух
форм Сг (VI) -» Сг (III) с одновременным окислением биогенных со-
единений. Ионы Сг3+ не способны проникать через клеточные мем-
браны, а гидроксид хрома (III) плохо растворим, так что токсичность
этих соединений незначительна. Генотоксичность соединений хрома
обусловлена окислительными свойствами хрома (VI) и способно-
стью хрома (III) к комплексообразованию с нуклеиновыми кислота-
ми.
Глава 5. 0 Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 395
Загрязнение окружающей среды связано с применением соедине-
ний хрома при производстве высококачественных сталей, сплавов и
красок. Содержание металла в воздухе, воде и продуктах питания
обычно очень низкое. Основной источник токсического воздействия
хрома — промышленные предприятия.
Отравления солями хрома (VI) могут произойти при контакте с ко-
жей, попадании в желудочно-кишечный тракт, при вдыхании аэрозо-
лей. Соли хрома (VI) вызывают раздражение и некротические процес-
сы кожи и слизистых оболочек. При острых отравлениях возникают
конъюнктивиты, риниты, фарингиты, бронхиты. Результатом хрони-
ческих отравлений являются фиброз и рак легких. Прием солей хрома
вызывает горький вкус во рту, тошноту, рвоту желтыми, розовыми или
зелеными массами, часто с примесью крови. Быстро развивается яз-
венный колит.
При соприкосновении с кожей металлический хром вызывает кон-
тактный дерматит.
Для оценки содержания хрома в организме исследуют кровь, мочу,
волосы. Фоновое содержание хрома в крови 0,1—0,5 мкг/л, в моче 0,1—
1,5 мкг/л, в волосах 0,2—2,0 мкг/г.
1.7.6. Никель
Никель относится к условно необходимым элементам. В организме
человека содержится около 10 мг никеля. Ежедневно в организм посту-
пает с пищей около 0,1—0,3 мг никеля. Имеются сведения о влиянии
никеля на ферментативные процессы.
Согласно диаграмме pH — потенциал, преобладающая форма нике-
ля в клетке — соединения никеля (II). Гидроксиды и оксиды имеют
низкую токсичность в связи с малой растворимостью. Способность к
образованию комплексов с координационными числами 4, 5,6 обусло-
вливает многие токсические свойства никеля, в том числе влияние на
генетический аппарат.
Токсическое воздействие соединений никеля происходит при вды-
хании аэрозолей. При контакте металлического никеля с кожей (укра-
шения, браслеты часов, застежки на одежде) возникают аллергичес'ие
дерматиты. У больных бронхиальной астмой, гайморитом и при -
сморке содержание никеля в крови в несколько раз больше, чем в к;
ви здоровых людей.
Никель является канцерогенным веществом, поражает преимущест-
венно дыхательные пути, особенно у рабочих металлургических пред-
396 0 Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
приятий. Злокачественные новообразования чаще возникают при ин-
тенсивных воздействиях сульфида никеля, оксида никеля и металличе-
ского никеля.
1.8. Способы лечения
при отравлениях металлами
Для выведения токсичных ионов при отравлении металлически-
ми ядами используют хелатообразующие лекарственные средства,
образующие прочные комплексы с ионами металлов. Идеальный хе-
латообразующий агент должен растворяться в воде, не подвергаться
биотрансформации, не иметь кинетических затруднений при дости-
жении депо металлов и образовывать нетоксичные продукты с ток-
сичными металлами, легко выводимые из организма. В то же время
хелатирующее лекарственное вещество должно иметь низкое сродст-
во к жизненно необходимым (биогенным) металлам, к ионам s- и ci-
элементов. Как правило, хелатирование представляет собой образо-
вание ковалентных связей между ионом токсичного металла и
несколькими лигандами хелатирующего агента, содержащего атомы
кислорода, серы и азота в функциональных группах, например, —
COOH,-S-S-, SH, -NH2.
Первым синтетическим хелатирующим антидотом был британ-
ский антилюизит (БАЛ) (табл. 2), разработанный во время второй
мировой войны в качестве противоядия при отравлении мышьяксо-
держащими отравляющими веществами. В молекуле БАЛ содержат-
ся две тиоловые группы, связанные со смежными атомами углерода,
которые и взаимодействуют с соединениями мышьяка. Выполняя
функцию антидота, сам БАЛ тем не менее является токсичным ве-
ществом.
По аналогии со структурой БАЛ были созданы другие антидоты с по-
добными хелатирующими свойствами.
Абсорбцию токсичных металлов из легких или желудочно-кишечно-
го тракта можно уменьшить, применяя необходимый биогенный ме-
талл с близким гомеостатическим механизмом. Например, кальций и
железо выступают в качестве антагонистов свинца, цинк применяют
как антагонист меди.
При отравлениях тяжелыми металлами необходимо блокировать по-
ступление и распределение яда. Для этого используют те или иные ме-
тоды в зависимости от стадии отравления: промывание желудка и ки-
шечника, гемодиализ, гемосорбцию, лимфодиализ, лимфосорбцию и
антидотную терапию.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 397
Таблица 2. ПРИМЕРЫ ХЕЛАТИРУЮЩИХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ АНТИДОТОВ ПРИ ОТРАВЛЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЯДАМИ
Антидот Химическая формула
2,3-Димерка птопропанол [британский антилюизит, (БАЛ), димеркапрол] Н2С-SH HC-SH 1 н2с-он
2,3-Димеркапто-1 -пропансульфоновая кислота (ДМПС) H2c-SH HC-SH 1 H2c-SO3H
2,3-Димеркапто-1 - пропансульфоновая кислота, натриевая соль (унитиол) H2c-SH HC-SH 1 H2c-SO3Na
2,3-Димеркаптоянтарная кислота (ДМЯК) SH SH 1 1 HOOC-CH-CH-COOH
Этилендиаминтетрауксусная кислота ОДТА) HOOC^ HOOC, ZN, /X N COOH '"COOH
Диэтилентриаминопентауксусная кислота (ДТПА) ^.COOH HOOC^ N^ ^N ^ ^ COOH HOOC^ COOH
Диэтиддитиокарбамат (ДТК) Н5С2. ZSH ZN-C H5C2 s
Пеницилламин SH H3C-C-CH3 chnh2 1 COOH
398 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
2. Химико-токсикологическая характеристика
кислот, щелочей и солей щелочных металлов
Химико-токсикологическое исследование биологических объектов
и вещественных доказательств на присутствие минеральных кислот,
щелочей и некоторых солей проводится на основании положительных
результатов предварительных испытаний. Для исследования можно ис-
пользовать желудок с содержимым (посмертный судебно-химический
анализ), рвотные массы, остатки пищи и другие вещественные доказа-
тельства. Кислоты и щелочи могут быть изолированы из биоматериалов
водной экстракцией (настаиванием в воде). Концентрирование опреде-
ляемых веществ из водных вытяжек проводят методом диализа. Для до-
казательства присутствия минеральных кислот и щелочей в диализатах
определяют pH и проводят испытания на соответствующие анионы.
Обнаружение сульфат- или хлорид-ионов в водных вытяжках или
диализатах не является доказательством природы яда, поскольку мно-
гие ионы имеют биогенную природу. На отравление серной кислотой
может указывать внешний вид объектов исследования. Так, например,
у отравившихся концентрированной серной кислотой обычно повреж-
дены ткани губ, языка, пищевода, желудка. При отравлениях концент-
рированной азотной кислотой поражаются ткани языка, пищевода,
слизистая оболочка желудка, а иногда и кожа лица, которые приобрета-
ют желтую окраску. Если произошло отравление разбавленной азотной
кислотой (<10%), то желтая окраска кожи может отсутствовать.
Для обнаружения серной кислоты в дистилляте применяют реакции
с хлоридом бария, ацетатом свинца. Для обнаружения азотной кислоты
применяют реакцию с дифениламином (синее окрашивание). Реакция
с дифениламином неспецифична и протекает с другими окислителями
(нитратами, нитритами, хроматами).
При отравлении едкими щелочами водные извлечения имеют высо-
кие значения pH и содержат катионы щелочных и щелочноземельных
металлов.
Обнаружение аммиака в биологическом материале не всегда позво-
ляет сделать вывод об отравлении этим веществом, поскольку аммиак
образуется при гниении органов трупов и других объектов биологиче-
ского происхождения. Перед исследованием водных вытяжек из био-
логического материала или диализатов на аммиак необходимо прове-
рить эти жидкости на присутствие сероводорода как одного из
продуктов гниения белковых веществ. При его обнаружении аммиак
не определяют.
Глава 5. Ф Хим и ко-токсикологическая характеристика веществ... О 399
В химико-токсикологические лаборатории могут поступать биоло-
гические объекты, содержащие соли щелочных металлов. Для выделе-
ния этих солей также применяют м 'тод, основанный на изолировании
веществ водой (экстракция, диализ).
3. Химико-токсикологические
характеристики фтора и его соединений
Фтор — химический элемент VI1A группы Периодической системы
Д.И. Менделеева, относится к галогенам, легчайший из них. Известно
более 100 фторсодержащих минералов, важнейшие из них флюорит
(плавиковый шпат) CaF2, фторапатит Са5(РО4)зП криолит Na^AlFg.
Отравления соединениями фтора возможны в условиях производст-
ва. Главным потребителем фторсодержащих минералов является ме-
таллургическая и химическая промышленность. Плавиковый шпат ис-
пользуется при промышленном производстве плавиковой (40%
водный раствор HF) и фтороводородной (более разбавленные раство-
ры) кислот:
130-200 *С
CaF2 + H2SO4(kohh.) = 2HFJ + CaSO4
Безводную или концентрированную (не более 5% воды) кислоту на-
зывают жидкой плавиковой кислотой (Ткип = 19,5 °C).
Газообразный и жидкий фтороводород в свою очередь является ос-
новным сырьем для производства неорганических фторидов и фторуг-
леродов (AIF3 и Na^AlFg), катализаторов для ряда органических реак-
ций, реагентов для травления металлов, стекла.
Фторорганические производные — фторуглероды — применяют-
ся в качестве хладагентов, аэрозолей, пластических масс, диэлектри-
ков, смазочных масел, смачивателей, огнетушащих жидкостей, рас-
творителей, теплоносителей, лекарственных средств (см. ч. 4, гл. 3).
Газообразные фторуглероды — идеальные хладагенты: они нетоксич-
ны, не имеют запаха, стабильны, не вызывают коррозии аппаратуры
и негорючи.
Фтор входит в состав синтетических высокомолекулярных соеди-
нений, наиболее важным из них является тефлон. Эти вещества прак-
тически нетоксичны, так как термостабйльны и негорючи, нераство-
римы в органических растворителях, очень устойчивы к химическим
воздействиям.
Из неорганических фторидов наибольшее значение имеет фторид
натрия, который используется для получения «молочного» стекла, для
консервирования древесины и в инсектицидных композициях.
400 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Тетрафтороборат (III) водорода H|BF4] применяют в гальваниче-
ском производстве и в органическом синтезе. Кремнефтористоводо-
родная кислота H2[SiF^| и ее соли используются в гальваностегии, а
также для пропитки древесины, для получения фторсиликатов и фтори-
дов металлов.
Разнообразие химических соединений фтора объясняет различие в
молекулярных механизмах и клинических проявлениях токсичности.
Встречающийся в литературе неопределенный термин «отравление
фтором» с позиций токсикологической химии, в частности ее клиниче-
ского направления, не имеет практического смысла.
3.1. Токсическое действие дифтора
Газообразный фтор — дифтор (F2) — чрезвычайно активное вещест-
во, вступающее в реакции с большинством органических соединений.
Даже следовые количества F2 раздражают слизистые оболочки глаз и
органов дыхания. При контакте с кожей газообразный фтор вызывает
сильные ожоги. ПДК в воздухе 0,15 мг/м3. Дифтор, реагируя с водой,
образует фтороводород и чрезвычайно реакционноспособные атомар-
ный кислород и дифториды кислорода:
F2 + Н2О = 2HF+O0
F2 + п О° = On F2 (п от 1 до 8)
При контакте фтора с плазмой крови происходит окисление хлорид-
ионов плазмы с образованием молекулярного хлора, что приводит к
отеку легких.
F2 + Cl” = 2F- + Cl2
Таким образом, по прямому и косвенному действию газообразный
фтор является сильным разъедающим ядом, что связано с высоким зна-
чением стандартного окислительно-восстановительного потенциала
пары F2/2F- (+2,77 В).
3.2. Фтороводород
Фтороводород (HF) является разъедающим ядом. ПДК в воздухе
0,5 мг/м3. Вызывает ожог слизистых оболочек рта, гортани, бронхов,
бронхиол, легких, сопровождающийся острой болью. Вдыхание фторо-
водорода может вызвать кашель, приступы удушья, лихорадку, одышку,
цианоз и отек легких. При проглатывании фтористоводородной кисло-
ты могут наблюдаться тошнота, рвота, диарея и боли в животе, а при
кожном контакте — глубокое и болезненное изъязвление. Системные
токсические эффекты включают слабость, тетанию, судороги, угнете-
ние дыхания и острую почечную и печеночную недостаточность.
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... 0 401
При попадании на кожу жидкого фтороводорода возникает болез-
ненная язва. Фтороводород вследствие высокой плотности заряда на
ионе F" прочно притягивает диполи воды, обезвоживая и разрушая
близлежащие ткани. При этом прекращается отделение слюны и мочи.
Кроме того, фторид-ион реагирует с ионами кальция с образованием
малорастворимого фторида кальция:
2F- + Са2+ = CaF2|
Это сопровождается нарушением фосфорно-кальциевого обмена.
3.3. Неорганические фториды
Фторид-ионы, связанные с неорганическими катионами, обнаруже-
ны в тканях животных, преимущественно в костях и зубах. На каждый
килограмм свежей костной ткани приходится 100—300 мг фторидов.
Ежедневно человек получает с пищей в среднем 0,2—0,3 мг фторидов.
Верхний безопасный предел содержания фторидов может быть оценен
по содержанию фторид-ионов в моче — около 5 мг/сут.
Растворимые фториды легко всасываются. Скорость экскреции фто-
рид-ионов, напротив, мала, что приводит к их накоплению в организ-
ме. Токсическое действие растворимых фторидов, например NaF, связа-
но преимущественно с образованием малорастворимого кальция
фторида (CaF2). При этом нарушаются все многочисленные биохими-
ческие процессы с участием Са2+. Фториды служат энергичными инги-
биторами многих ферментов (липазы, эстеразы, уреазы, фосфатазы и
некоторых каталаз). Отравление фторидами влияет на метаболизм в ор-
ганизме в целом, включая и некоторые процессы фосфорилирования.
Симптомы острого отравления фторидами становятся, таким образом,
результатом сложного комбинированного действия.
Натрия фторид (NaF) входит в состав многих порошков, предназна-
ченных для истребления тараканов, мышей, крыс (т.е. инсектицидов и
родентицидов). Ранее в состав многих зубных паст вводили фторид на-
трия, но теперь более безопасным считается использование смешанной
соли — фторфосфата натрия.
Острые отравления NaF чаще всего случайны. Если выпить раствор,
содержащий фторид-ионы, возникнет острое воспаление слизистой
оболочки желудка и кишечника, появляются чувство жжения в полости
рта и горле, жажда, избыточное слюноотделение, рвота и диарея. В тя-
желых случаях отмечаются мышечные судороги, слабость и тремор с
последующим развитием дыхательной и сердечной недостаточности.
Смертельная доза фторида натрия для взрослого человека составля-
ет 5—10 г (по другим данным, летальной для взрослых считается доза
402 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
1—4 г). Симптомы отравления появляются при поступлении в организм
0,25 г натрия фторида. Доза ниже смертельной вызывает нефрит и по-
ражение печени.
Хроническое отравление фторидами называется флюорозом. Флюороз
развивается у людей, работающих с порошками криолита, фторида каль-
ция, если ежедневная доза фторида превышает 20 мг. Там, где в почве или
в воде находятся значительные количества фторида, крупный рогатый
скот и овцы, как правило, больны хроническим эндемическим флюоро-
зом. Поражение фторидной пылью возможно также в районах, где име-
ются цементные или керамические заводы. Признаки хронического
флюороза: поражение зубов (пятна на зубной эмали), хромота. При воз-
действии фторидов происходит замена гидроксила в молекуле гидрокси-
апатита фторид-анионами |Са|0(РО4)б(Р)2 или ЗСазСРО^’ CaF2].
Флюороз зубной эмали отмечается в тех областях, где питьевая вода
содержит от
2* 10-4 до 13,7-10~4% фторида натрия. Если питьевая вода совсем
не содержит фторид-ионов, велика вероятность появления зубного
кариеса.
Противокариесное действие фторид-ионов объясняют образовани-
ем на зубной эмали более устойчивого к кислотной эрозии фторапати-
та ЗСаз(РО4>2 • Са?2. Кроме того, предполагают, что фторид-ионы ока-
зывают антибактериальное действие.
Утверждение о необходимости фторирования питьевой воды как ме-
ры борьбы с кариесом весьма спорно ввиду токсичности фторидов. Бо-
лее безопасным и эффективным способом борьбы с кариесом считают
введение в зубные пасты кислой натриевой соли монофторофосфорной
кислоты (NaHPO3F).
При лечении острых отравлений фторидами необходимо немедлен-
ное промывание желудка. Внутрь дают раствор хлорида кальция для
связывания фторид-ионов в нерастворимый фторид кальция. Полезно
также внутривенное медленное введение растворимой соли кальция
(например, глюконата кальция). Химико-токсикологическое исследо-
вание при отравлении фтором включает определение избыточного ко-
личества F" в рвотных массах или в моче.
3.4. Фторорганические соединения
Исследования токсичности органических соединений, содержащих
фтор, получили значительное развитие в результате разработки боевых
отравляющих веществ во время второй мировой войны. Специфиче-
ское действие оказывают соединения, содержащие связь Р-F, типичную
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... О 403
для фторофосфатов, и соединения, содержащие связь С-F, характер-
ную, например, для фторацетатов.
Фторофосфаты. В начале второй мировой войны были синтезиро-
ваны фторсодержащие отравляющие вещества — диалкилфторофос-
фаты. Эти соединения представляют собой чрезвычайно токсичные
бесцветные стабильные жидкости, почти лишенные запаха. Вещества
этого класса проявляют антихолинэстеразную активность. Первые
признаки отравления — это сужение зрачков (миоз) и затруднение
дыхания.
Диизопропилфторофосфат ([(СНз)2СНО]2Р(О)Р) используют как
эталонное антихолинэстеразное вещество при токсикологических
исследованиях. Это вещество токсично для насекомых и теплокров-
ных. Например, при внутривенном введении обезьянам DL50 равна
0,3 мг/кг.
Отравляющие вещества — зарин и зоман — оказывают нервно-пара-
литическое действие. Зарин — изопропиловый эфир метилфторфосфо-
новой кислоты:
F
I
СН3РОСН(СН3)2
о
При вдыхании в течение 10 мин воздуха с концентрацией зарина
7 мкг/л наступает смерть. При кожной абсорбции смертельная доза
выше и составляет 0,12 мг/л. При приеме внутрь DL50 для человека
равна 0,14 мг/кг.
Зоман — пинаколиловый эфир метилфторфосфоновой кислоты:
[ /СНЗ
СН3РОСН
о С(СН3)3
Действие зомана на организм аналогично действию зарина, но более
выражены кумулятивные свойства яда и отравление труднее поддается
лечению. Смертельная концентрация зомана в воздухе при действии че-
404 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
рез органы дыхания в течение 10 мин 0,003 мг/л, при кожной абсорбции
около 2 мг/кг.
Мускариноподобное действие фторофосфатов до некоторой сте-
пени облегчается атропином, гоматропином и родственными пара-
симпатическими антагонистами. Эфедрин уменьшает бронхоспазм.
При острых отравлениях необходима искусственная вентиляция
легких.
Фторацетаты. Термин «фторацетаты» объединяет многочисленные
производные фторуксусной кислоты — CH2FCOOH, например эфиры
(метилфторацетат, этилфторацетат, 2-фторэтилфторацетат), фтораце-
тилхлорид, ангидрид фторуксусной кислоты, фторацетамид, фторацето-
нитрил и др. Некоторые из этих соединений используют в качестве ро-
дентицидов (см. ч. 4, гл. 4). Фторуксусная кислота и ее производные —
высокотоксичные вещества, действие которых связано с блокированием
цикла трикарбоновых кислот. Производное кофермента А — фтор-аце-
тил-кофермента А — включается в процесс синтеза лимонной кислоты.
Это приводит к ингибированию аконитазы — фермента, обеспечиваю-
щего превращение лимонной кислоты в изолимонную. Применение
фторуксусной кислоты и ее производных в жилых и общественных по-
мещениях запрещено.
Для фторацетатов DL50 находится в интервале от 0,22 до 4 мг/кг (мы-
ши). Смертельная доза фторацетата натрия при попадании в организм
человека около 50 мг.
У животных обычно симптомы отравления проявляются не сразу.
При экспозиции летальных концентраций паров через 30—60 мин
(в зависимости от концентрации) начинаются судороги и обычно
через несколько часов наступает гибель. Для кроликов и морских
свинок CL50 при 10-минутной экспозиции составляет около 0,1
мг/л. Действие ядов этой группы замедлено даже при очень больших
дозах.
Исследования показали, что токсичность этих соединений связана с
присутствием РСНгСО-группы. Так, фторацетамид FCH2CONH2 пред-
ставляет собой такой же судорожный яд замедленного действия, как и
фторуксусная кислота. Степень и механизмы их токсичности позволя-
ют предполагать, что в организме они гидролизуются до фторуксусной
кислоты.
Фторацетаты высокотоксичны для всех млекопитающих, это чрез-
вычайно опасные вещества. У человека, макак резусов и свиней фтор-
ацетаты вызывают депрессию миокарда, аритмии и фибрилляцию же-
лудочков, поражение центральной нервной системы. Причиной смерти
Глава 5. О Химико-токсикологическая характеристика веществ... 0 405
являются остановка сердца, токсическое расстройство дыхания и вазо-
моторных центров.
Большинство насекомых очень чувствительны к фторацетатам.
Фторацетаты и подобные им соединения не поражают растения и мо-
гут использоваться в качестве сельскохозяйственных инсектицидов
(см. ч. 4, гл. 4).
Фторацетаты чрезвычайно легко абсорбируются из желудочно-ки-
шечного тракта и распределяются по всему организму.
При пероральном отравлении фторацетатами необходимо вызвать
рвоту и немедленно сделать промывание желудка. Полагают, что внут-
ривенное введение больших доз глицерилмоноацетата может рассмат-
риваться как антидотная терапия.
Фторированные углеводороды (фторуглероды) малотоксичны. Их ток-
сичность значительно меньше по сравнению с хлорированными углево-
дородами. Например, объемная концентрация хлорпроизводных в па-
рах для умерщвления морских свинок при 10-минутной экспозиции
составляет 7% для CHCI3, 21% для CHCI2F, 63% для CHCIF2. Таким об-
разом, замена одного атома хлора атомом фтора в этом ряду снижает то-
ксичность втрое.
Хладоны (фреоны), насыщенные газообразные фторуглероды или
полифторуглеводороды (часто содержащие атомы С1, реже — Вг), не-
горючи, взрывобезопасны, химически инертны, обладают незначи-
тельной токсичностью. Например, вдыхание 20% смеси с воздухом
фреона CCI2F2, используемого в качестве хладагента в холодильных
установках, не вызывает потери сознания, хотя наблюдаются потеря
чувствительности и беспокойство. Через 10 мин после прекращения
вдыхания все эти признаки исчезают, Фторотан (1,1,1-трифтор-2-
хлор-2-бромэтан, СРзСНВгО) применяют как средство для ингаля-
ционного наркоза.
Перфторалканы CnF2n+2, например политетрафторэтилен (тефлон,
фторопласт [-CF2~CF2-]n) химически инертны и нетоксичны, применя-
ются в качестве высокотемпературных смазок. Однако при нагревании
до 500—800 °C образуются токсичные продукты разложения, содержа-
щие фтороводород и фторуглероды, в том числе перфторизобутилен.
Симптомы отравления горячими испарениями тефлона — кашель,
стеснение в груди, одышка и в серьезных случаях судороги.
Фторированные алкены высокотоксичны, например для перфтори-
зобутилена (СРз)2С=Ср2 ПДК составляет 1 мг/м3. Механизмы токсич-
ности фторированных алкенов обусловлены присутствием двойной
связи.
406 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ГЛАВА 6. ЯДЫ ЖИВОТНОГО
И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.
ТОКСИЧНОСТЬ ГРИБОВ
Ключевые моменты:
• Некоторые токсины животных с повышенной опасностью для че-
ловека.
• Использование зоотоксинов для лечения нервных, иммунных, ге-
матологических заболеваний.
• Судебно-химическая диагностика отравлений грибами.
1. Механизмы действия зоотоксинов
Яды, вырабатываемые живыми организмами, участвуют в межвидовых,
или аллелохимических взаимодействиях. Химические вещества используют
для защиты и нападения как животные, так и растения. Вещества, участву-
ющие в аллелохимических взаимодействиях и приносящие пользу организ-
му-продуценту, называют алломонами. К их числу относятся яды, выраба-
тываемые животными, — зоотоксины и растениями — фитотоксины.
Зоотоксины как химические факторы межвидовых взаимоотноше-
ний занимают особое место среди алломонов, поскольку служат в ко-
нечном счете для убийства хищника или жертвы. Различия заключают-
ся только в использовании яда как орудия защиты или нападения. Даже
в случае агрессии зоотоксины применяются только для добывания пи-
щи, бесцельное убийство не свойственно животным.
Многие ядовитые животные представляют повышенную опасность для
человека. Яды некоторых животных обладают целебными свойствами.
1.1. Свойства зоотоксинов
Зоотоксины имеют разнообразный химический состав и могут
встречаться у животных различных классов — от простейших до млеко-
питающих. Яд вводится в организм жертвы с помощью ядовитого жала
(пчелы, осы, пауки), зубов, имеющих внутренний канал для поступле-
ния яда из ядовитых желез (змеи), или плавников (рыбы). В зависимо-
сти от глубины укуса яд может попасть под кожу, в мышечную ткань
или, что наиболее опасно, в просвет сосуда.
Яды содержат белки, амины, липиды, стероиды, гликозиды, амино-
полисахариды, хиноны, свободные аминокислоты, 5-гидрокситрипта-
мин, гистамин и вещества некоторых других классов.
Накопление яда в организме определяется его химическим составом,
размером молекул, дозой, градиентом концентрации, растворимостью, сте-
Глава 6. Q Яды животного и растительного происхождения 0 407
пенью ионизации, кровотоком в тканях. При укусе яд может абсорбиро-
ваться по механизмам активного или пассивного транспорта (см. ч.2 гл. 1).
Яд может накапливаться в одном или нескольких органах (тканях)-
мишенях. После абсорбции, распределения и биотрансформации про-
исходит выделение яда и/или его метаболитов, причем преимуществен-
но через почки. Почечная экскреция может быть осложнена прямым
воздействием яда на почки.
Основными компонентами животных ядов являются белки, поли-
пептиды и гликозиды. Яды содержат значительное количество фермен-
тов (чаще всего гиалуронидазу, протеазы), вызывающих распад белков
(протеолитический эффект). Компоненты ядов могут способствовать
разрушению клеток тканей (цитолитическое действие) и эритроцитов
(гемолиз). Такие эффекты, в частности при укусе змей, приводят к зна-
чительному поражению тканей, а также нервной, пищеварительной и
сердечно-сосудистой систем, нарушению свертываемости крови.
Кроме того, белки ядов нередко вызывают у человека анафилактиче-
ские реакции, а многие насекомые выделяют при укусе органические
кислоты, раздражающие кожу и вызывающие токсический дерматит по
типу химического ожога.
Разнообразие свойств животных токсинов, механизмов их действия
на организм человека, а также внешних проявлений токсического эф-
фекта столь велико, что более детальное их изучение возможно лишь
при рассмотрении каждой группы ядов в отдельности.
1.2. Токсины рептилий
Змеи. Преимущественно белковый состав змеиных ядов определяет
их нейротоксичность, связанную с поражением центрального и перифе-
рического отделов нервной системы, нарушением ритма и проводимости
сердца. Часто одновременно развивается синдром диссеминированного
внутрисосудистого свертывания, что резко нарушает кровоснабжение
органов и тканей.
По механизму токсического действия яды змей всех видов подразде-
ляются на 3 группы:
— преимущественно нейротоксического (курареподобного) дейст-
вия, вызывающие паралич двигательной и дыхательной мускулатуры.
Возможно угнетение дыхательного и сосудодвигательного центров го-
ловного мозга (яды кобры и других змей семейства аспидов, морских
змей тропических прибрежных вод);
— преимущественно геморрагического действия, свертывающие
кровь и оказывающие местное отечно-некротическое действие (яды га-
408 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
дюковых — гюрзы, эфы, обыкновенных гадюк, а также щитомордников
обыкновенного, дальневосточного, скалистого);
— как нейротоксического, так и геморрагического действия (грему-
чие змеи Центральной и Южной Америки, австралийские аспиды, не-
которые виды гадюковых тропической фауны, обитающие преимущест-
венно в Африке и на Ближнем Востоке).
Поражение ЦНС проявляется оглушением, развитием интоксика-
ционного психоза, нейротоксическое действие обусловливает паресте-
зии, судороги и периферические парезы. Особенно тяжело протекает
токсическая миастения (при отравлении тетродотоксином — ядом коб-
ры), как правило, она сопровождается нарушениями дыхания вплоть до
его полной остановки. При наиболее тяжелых отравлениях, особенно у
детей, к указанным выше проявлениям присоединяется лихорадка, воз-
можно развитие коллапса.
При попадании значительного количества яда змей непосредствен-
но в кровеносное русло развиваются головокружение, головная боль,
тошнота, рвота, понос, тахикардия, снижение артериального давления
вплоть до глубокого коллапса.
В месте укуса змеи, как правило, отмечаются отек тканей, гиперемия
и гематома, которые могут распространяться по пораженной конечно-
сти и вызывать боль.
Если после укуса не обнаруживается значительной местной реак-
ции, то, вероятно, это был укус неядовитого животного.
Среди более чем 3500 видов змей приблизительно 400 ядовиты и
опасны для людей.
Яды змей — это сложные смеси белков (рис. 1) и пептидов; катионов ма-
кроэлементов (Na+, К+, Са2+, Mg2+); небольших количеств микроэлемен-
тов [Zn (II), Fe (II), Fe (III), Co (II), Мп (II), Ni (II)]. Некоторые змеиные
яды также содержат углеводы, липиды, амины, свободные аминокислоты.
В целом в змеиных ядах содержится не менее 25 ферментов, хотя в от-
дельных ядах могут быть обнаружены лишь некоторые из них. Протеолити-
ческие ферменты катализируют разрушение тканевых белков и пептидов.
Их называют также пептидными гидролазами, протеазами, эндопептидаза-
ми, пептидазами и протеиназами. В ядах отдельных видов змей может со-
держаться несколько различных протеолитических ферментов.
Яды гремучих змей вызывают изменения резистентности (а часто и
целостности) кровеносных сосудов, механизмов коагуляции крови,
прямые или косвенные изменения сердечной и легочной динамики, на-
рушения нервной и кровеносной систем. В большинстве случаев смерть
человека наступает через 18—32 ч после укуса.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 409
Рис. 1. Первичная структура нейротоксина II (А) и нейротоксина I (Б)
из яда среднеазиатской кобры.
Понижение артериального давления — главное нарушение при уку-
сах змей Crotalids. Это связано с уменьшением объема кровообращения
из-за увеличения проницаемости капилляров, потери жидкости, белков
и эритроцитов.
Лечение укусов ядовитых змей высокоспециализировано, и почти
каждое отравление требует индивидуальных специфических рекомен-
даций. Однако при укусах змей следует помнить, что:
— отравление змеиным ядом требует неотложной медицинской помощи;
— яд это сложная смесь веществ, и адекватность выбора антидота
обусловлена его многофункциональностью;
— не каждый укус ядовитой змеи заканчивается отравлением.
Многие токсины белковой природы приводят к образованию антител.
Механизмы иммунного ответа используются при получении вакцин, при-
меняемых в качестве противоядий. Все противоядия готовят путем имму-
низации животных, что увеличивает вероятность гиперчувствительности
у человека. Это обстоятельство необходимо учитывать при введении анти-
сыворотки, так как есть риск развития анафилактического шока.
410 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Ящерицы. Ящерица-ядозуб {Heloderma suspectum) и четкообразная
ящерица (Н. horridum) выделяют яд из ядовитых желез нижней челюсти
через протоки вблизи основания больших зубов. Затем яд втягивается по
углублениям в зубы. Яд содержит серотонин, аминоксидазу, фосфолипа-
зу А и имеет протеолитическую, а также гиалуронидазную активность.
Большие дозы яда Heloderma вызывают падение системного артериаль-
ного давления с уменьшением объема кровообращения, тахикардию и
дыхательную недостаточность.
1.3. Членистоногие
Существует более миллиона видов членистоногих, которые обычно
делят на 25 классов. Однако только около 10 классов имеют ядовитые
свойства. Среди них класс паукообразных (скорпионы, пауки, сольпу-
ги, клещи), класс многоножек (стоножки, тысяченожки), класс насеко-
мых (водные жуки, клопы-хищники), жуков, чешуекрылых (бабочки,
моль, гусеницы) и перепончатокрылых (муравьи, пчелы, осы). Боль-
шинство членистоногих не имеют достаточно длинных крепких зубов
или жала для проникновения через кожу человека.
Достоверные статистические данные по смертности от укусов чле-
нистоногих отсутствуют. Имеются сведения, что от укусов скорпионов
погибает несколько тысяч человек в год, тогда как смертельные укусы
пауков не превышают 200 случаев в год во всем мире. При подозрении
на укусы пауков трудности связаны с различительным диагнозом, т.е. с
выяснением природы членистоногого. Как и змеи, пауки или любые
другие членистоногие могут кусать или жалить, не извергая яд.
Скорпионы. Опасный скорпион Centruroides exilicauda обитает в не-
плотной коре деревьев, в мертвых деревьях или бревнах, часто в жилье
человека. Он обычно от соломенного до желтовато-коричневого или
красновато-коричневого цвета, что позволяет легко отличить его от дру-
гих скорпионов в той же среде обитания.
Нейротоксические фракции яда скорпиона обычно классифициру-
ют на основе их молекулярного размера. Токсины с короткой цепью со-
стоят из 30—40 остатков аминокислот с 3 или 4 дисульфидными связя-
ми и влияют на калиевые или хлоридные каналы в клеточной мембране.
Токсины с длинной цепью содержат 60—70 аминокислот с 4 дисульфид-
ными связями и влияют на проводимость натриевых каналов.
Симптомы отравления значительно различаются в зависимости от ви-
да скорпиона. Укус скорпиона семейства Vejovidae вызывает незначитель-
ную боль, припухлость, болезненность и слабую парестезию. Системные
реакции редки, хотя есть сведения о слабости, лихорадке и дискоордина-
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 411
ции мышечных сокращений. Укусы некоторых подвидов вида Centruroides
могут быть болезненны, область укуса становится чувствительной к при-
косновению. Ребенок после укуса становится напряженным и беспокой-
ным, совершает непроизвольные движения головой и шеей, наблюдают-
ся блуждающие движения глазных яблок. В большинстве случаев
возникают тахикардия и повышение артериального давления в течение 45
мин после укуса. Возможны нечленораздельная речь и судороги. Если не
наступает смерть, то симптомы отравления исчезают в течение 36—48 ч.
У взрослых клиническая картина аналогична, хотя имеет некоторые
особенности. Почти все взрослые жалуются на немедленно появляющую-
ся боль после ужаления, независимо от вида Centruroides. Укушенные на-
пряжены и беспокойны. У них развиваются тахикардия и гипертензия.
Появляются жалобы на затруднение глотания (у детей этот симптом от-
сутствует). В некоторых случаях наблюдаются общая слабость и боль при
движении пострадавшей конечности. Возможны атаксия и несогласован-
ность в работе мышц. У большинства взрослых симптомы исчезают в те-
чение 12 ч, но жалобы на общую слабость сохраняются еще 24 ч и более.
Действующее начало яда скорпионов представлено нейротоксически-
ми полипептидами, имеющими выраженную видовую специфичность.
Одни из них избирательно парализуют насекомых (так называемые инсек-
тотоксины), другие действуют преимущественно на млекопитающих (ток-
сины для млекопитающих). Нейротоксины для млекопитающих состоят
из 65—67 амино-кислотных остатков, их относительная молекулярная
масса ~ 7000, они содержат 4 дисульфидные связи. Механизм действия
нейротоксинов заключается в замедлении инактивации быстрых натрие-
вых каналов электровозбудимых мембран, что приводит к развитию стой-
кой деполяризации. Этот эффект нейротоксины дают в низких концентра-
циях (10~9—10~7 моль/л), что указывает на высокую селективность их
связывания с компонентами ионного канала. Связывание токсинов с мем-
браной существенно зависит от мембранного потенциала и уменьшается
при его снижении. В результате деполяризующего действия нейротокси-
нов увеличивается высвобождение нейромедиаторов и нейромодуляторов
из нервных окончаний и физиологических депо (катехоламинов, эндор-
финов, циклических нуклеотидов). Нарушение нейрогуморальной регуля-
ции вызывает широкий спектр патологических реакций: нарушения в со-
кращении скелетной и гладкой мускулатуры, изменение тонуса сосудов и
деятельности сердца, поражение нервной и эндокринной систем.
Нейротоксины скорпионов используются при исследовании моле-
кулярных механизмов передачи нервных импульсов и моделировании
патологических состояний (эпилепсии, панкреатита) на животных.
412 С Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Пауки. Существует приблизительно 30 000 видов пауков, укусы по
крайней мере 200 видов зафиксированы. Яды пауков очень сложны по
составу. Нейроактивность проявляют яды паука-вдовы и травяного па-
ука (воздействие на нейромедиаторы), пауков-скакунов и пауков-тка-
чей (яды, блокирующие активность Са2+ каналов).
Химический состав и механизм действия яда пауков разнообразен. Яд
пауков-кругопрядов оказывает парализующее действие на позвоночных и
беспозвоночных животных. Холинергические синапсы позвоночных при-
мерно в 30 раз менее чувствительны к действию яда, чем глутаматергиче-
ские синапсы беспозвоночных. В состав яда входит высокомолекулярный
компонент пресинаптического действия, угнетающий высвобождение
нейромедиаторов в ответ на стимуляцию нерва, но не затрагивающий про-
цесс спонтанного высвобождения. Низкомолекулярный компонент арги-
опин ответствен за блокирующий постсинаптический эффект (рис. 2).
Рис. 2. Химическая формула аргиопина.
Относительная молекулярная масса аргиопина ~ 636. Его молекула
включает 2,4-дигидроксифенолуксусную кислоту и полиамин, нехарак-
терные для биотоксинов. Аргиопин относительно селективно взаимо-
действуете ионными каналами глутаматного рецептора беспозвоночных
(константа диссоциации Кд ~ 6,7—10-7 моль) и менее специфично — с
ацетилхолиновыми рецепторами (Кд~ 2,4—10-5 моль) позвоночных.
Клещи. Клещевой паралич могут вызывать не менее 60 видов клещей
семейств Ixodidae и Argasidae и, возможно, других семейств. Укусы кле-
щей часто не чувствуются, и первое свидетельство интоксикации может
появиться лишь несколько дней спустя. Пациент часто жалуется на за-
труднения при ходьбе, в дальнейшем возможны развитие двигательно-
го пареза, паралича, нарушение речи, затрудненное дыхание. Удаление
клеща обычно приводит к быстрому и полному восстановлению, хотя
регресс паралича может происходить достаточно медленно.
1.4. Губоногие (многоножки)
Удлиненные многосегментные коричневато-желтые членистоногие
найдены во всем мире. Первая пара ног позади головы видоизменена в
ядовитые челюсти. Яд сконцентрирован в пределах внутриклеточных
Глава 6. Q Яды животного и растительного происхождения 0 413
гранул секреторных клеток и перемещается экзоцитозом в просвет же-
лезы, оттуда по протокам яд попадает в челюсти.
Яды многоножек содержат протеиназы, эстеразы, 5-гидрокситрипта-
мин, гистамин, липиды и полисахариды. У людей этот яд вызывает не-
медленное кровотечение, покраснение и опухание в месте укуса, которое
часто сохраняется до 24 ч. Возможно ограниченное изменение тканей
или некроз. Тяжелые отравления вызывают тошноту и рвоту, изменения
сердечного ритма, головокружение и головную боль. В наиболее серьез-
ных случаях наблюдается нарушение высшей нервной деятельности.
1.5. Двупарноногие (многоножки)
Поражения, вызываемые многоножками, обычно включают ощуще-
ния жжения или пощипывания и появление желтоватого или коричне-
во-фиолетового пятна. При попадании яда в глаза могут возникнуть
острый конъюктивит, кератоз и сильная боль.
1.6. Насекомые
Гусеницы, моль и бабочки. Каждая щетинка гусениц связана в осно-
вании с ядовитой железой. Токсин содержит аристолохиновые кислоты,
карденолиды, гистамин и фибринолитический белок. Воздействие ток-
сина приводит к нарушению свертываемости крови (синдром диссеми-
нированного внутрисосудистого свертывания).
Жала Megalopygidae, Dioptidae, Autotneris и видов Hermileucinae чешуе-
крылых вызывают кровоточащий диастезис (приводят к геморрагиям с
возможным смертельным исходом). В большинстве серьезных случаев
наблюдаются локализованная боль, а также папулы (иногда геморраги-
ческие) и гематомы; могут возникнуть головная боль, тошнота, рвота,
гематурия, лимфаденит и увеличение лимфатических узлов.
Муравьи. Опасность представляют муравей-жнец (Pagonomyrmex), ог-
ненные муравьи (Solenopsis) и малые огненные муравьи (Ochetomyrmex).
Муравей-жнец — крупный, красного, темно-коричневого или черного
цвета, размерами от 6 до 10 мм, имеет бахрому из длинных волосков по-
зади головы. Волоски являются жалами, их яд оказывает сильное холи-
нергическое действие.
Яды муравьев сильно различаются. Яды Ponerinae, Pseudomyrmex и
Ecitoninae — белковые, яды Myrmecinae — смесь аминов, гистамина, ги-
алуронидазы и фосфолипазы А. Яд муравья Formicinae содержит при-
близительно 60% муравьиной кислоты. У огненных муравьев мало по-
липептидов и белков, но много алкалоидов, которые приводят к
формированию зудящих гнойничков и некрозу тканей. Ужаление ог-
414 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ненного муравья вызывает болезненное жжение, после чего развивают-
ся волдырь, локализованная эритема, а через несколько часов прозрач-
ный пузырь. В пределах 12—24 ч жидкость становится гнойной, пора-
жение превращается в гнойничок, который может разорваться, стать
струпом или фиброзным узелковым утолщением. При многократных
ужалениях появляются тошнота, рвота, головокружение, потливость,
затруднение дыхания, цианоз; возможны кома и даже смерть.
Пчелы. Наиболее распространенные жалящие пчелы — Apis mellifera
mellifer и африканская пчела A. mellifer adansonii. Яд среди других компо-
нентов содержит апамин и мелитин, синергированные фосфолипазой А2,
гиалуронидазой, гистамином, дофамином и клеточно-дегранулирующим
белком. Считается, что 50 ужалений могут привести к дыхательной дис-
функции, внутрисосудистому гемолизу, повышению артериального дав-
ления, повреждению миокарда, изменениям в печени, шоку и почечной
недостаточности. При 100 ужалениях или более может наступить смерть.
Пчелиный яд — апитоксин — представляет собой бесцветный про-
зрачный коллоидный раствор с характерным запахом, напоминающим
запах меда, и горьким жгучим вкусом. В пчелином яде содержится 41%
твердых веществ.
Химический состав и механизм действия яда весьма сложны и окон-
чательно не изучены. Большинство исследователей представляют пче-
линый яд как сложный комплекс жироподобных и минеральных ве-
ществ, аминокислот и белков.
Химический состав яда изменяется с возрастом пчелы. Так, наиболь-
шее количество мелитина секретируется на 10-й день, а гистамина — на
35—40-й день. Фосфолипаза А2 состоит из 129 аминокислотных остат-
ков (относительная молекулярная масса ~ 14 629) и имеет изоэлектри-
ческую точку р! ~ 10. Содержание этого фермента в яде достигает 12%.
Катализируя гидролиз фосфолипидов, фермент приводит к образова-
нию цитолитика лизолецитина, разрушающего мембраны эритроцитов,
тучных клеток и дающего соответствующие патологические эффекты.
Фосфолипаза А2 оказывает нейротропное действие и нарушает высво-
бождение медиаторов из нервных окончаний. Своеобразие химическо-
го состава пчелиного яда определяет широкий спектр его физиологиче-
ского действия. Пчелиный яд оказывает ганглиоблокируюшее
действие, обусловленное в основном деполяризующим влиянием мели-
тина на мембрану нервных клеток. Пчелиный яд оказывает выраженное
действие на сердечно-сосудистую систему. Под его влиянием значи-
тельно увеличивается мозговой кровоток на фоне снижения артериаль-
ного давления. Это используют при лечении гипертонической болезни.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 415
Яд заметно увеличивает и коронарный кровоток, что в сочетании с его
антиаритмическим действием объясняет его полезные свойства при ле-
чении некоторых заболеваний сердечно-сосудистой системы.
В состав пчелиного яда входят водород, углерод, кислород, азот, калий,
кальций, железо, магний, фосфор, медь, цинк, сера, марганец, йод, хлор.
Пчелиный яд устойчив к действию кислот и щелочей, к колебаниям
температуры. Нагревание до 100 °C и замораживание не изменяют его
состава. Однако при приеме внутрь под влиянием пищеварительных
ферментов пчелиный яд разрушается. На воздухе яд быстро высыхает,
но в сухом виде сохраняет свою активность в течение ряда лет.
Пчелиный яд даже в разведении 1:50 000 сохраняет стерильность, со-
вершенно не содержит микроорганизмов.
Действие пчелиного яда на человеческий организм в значительной
мере зависит от числа и локализации укусов, а также от индивидуаль-
ной чувствительности.
При попадании в организм больших количеств яда наряду с местной
реакцией (появление боли, жжения, припухлости и покраснения на ме-
сте укуса) наблюдается и общая реакция. В легких случаях она может
выражаться в недомогании, повышении температуры, головной боли,
появлении сыпи типа крапивницы. В более тяжелых случаях к перечис-
ленным симптомам присоединяются рвота, понос, одышка, цианоз,
учащение пульса, падение артериального давления, потеря сознания,
гемолиз эритроцитов, гематурия, судороги.
Чувствительность людей к пчелиному яду различна. Механизм токси-
ческого действия пчелиного яда сложен и является результатом комплекс-
ного влияния многих компонентов яда на различные органы и системы.
В токсических дозах яд вызывает разрушение эритроцитов (гемолиз).
В результате угнетения фосфолипазой фермента, необходимого для
нормальной свертываемости крови (тромбокиназы), пчелиный яд по-
нижает ее, поэтому при отравлении возможны повышенная кровоточи-
вость и кровоизлияния под кожу.
Широта терапевтического действия пчелиного яда позволяет подоб-
рать лечебную дозу индивидуально для каждого больного.
Хотя пчелиный яд в больших дозах может вызвать тяжелую общую
реакцию, анафилактический шок вплоть до смертельного исхода, в по-
добранных терапевтических дозах он является ценным лекарственным
средством при самых разных заболеваниях. Фармацевтическая про-
мышленность выпускает ряд очищенных препаратов пчелиного яда в
виде инъекций, втираний, ингаляций. Введение свежего яда более эф-
фективно, чем использование лекарственных форм.
416 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
В настоящее время разработана методика апитерапии и установлены
основные показания и противопоказания для применения пчелиного
яда как лечебного средства.
Апитерапия проводится чаще всего для уменьшения болей и воспа-
лительных явлений в суставах и в мышцах, а также при невралгиях, ос-
теохондрозе позвоночника, гипертонической болезни, мигрени, при
вяло заживающих язвах и ранах, при тромбофлебите, облитерирующем
эндартериите и ряде других заболеваний.
Терапевтическое действие пчелиного яда при облитерирующем эн-
дартериите основано на его спазмолитическом, болеутоляющем и сосу-
дорасширяющем свойствах.
Перед проведением курса апитерапии необходимо тщательно обсле-
довать больного для выявления противопоказаний. В процессе лечения
периодически исследуют мочу и кровь.
Отряд жесткокрылые, или жуки. Это крупный отряд насекомых, на-
считывающий около 25 000 видов, среди которых есть ядовитые.
Семейство нарывники, или майковые. Ядовитые свойства имеют предста-
вители родов маек (Meloe), шпанских мушек (Lyttd), нарывников (Mylabris).
Нарывники распространены в Средней Азии и Казахстане, на Кав-
казе. Надкрылья красные или желтые с черными перевязями, тело
обычно черное с металлическим отливом, густоволосистое.
Гемолимфа всех нарывниковых жуков ядовита. В случае опасности они
выделяют капельки гемолимфы из отверстий, расположенных между го-
ленями и бедрами ног (кровопрыскание). При раздавливании нарывни-
ковые жуки вызывают у человека дерматиты. Наиболее часто поражаются
открытые части тела — руки, шея, лицо. Гемолимфа маек, шпанских му-
шек и нарывников поражает в основном устья фолликуллов, что приводит
к образованию крупных пузырей. Раны, царапины или увлажнение кожи
способствуют увеличению всасывания яда с последующим развитием об-
щих симптомов отравления. В тяжелых случаях возможны гломерулонеф-
рит, цистит. Наблюдается болезненное мочеиспускание.
При системном отравлении рекомендуется тщательно промыть же-
лудок и кишечник, после чего назначают обволакивающие средства.
При обширных поражениях кожи волдыри следует вскрыть и продезин-
фицировать. Важное значение имеют профилактические меры в мест-
ностях, где обитают нарывники. Лучше всего жуков в руки не брать, а
тем более не раздавливать. При специальных работах необходимо поль-
зоваться перчатками, масками, очками.
Действующим началом ядовитой гемолимфы нарывников является
кантаридин:
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 417
Для экспериментальных животных (кошек и собак) DL50 кантари-
дина составляет 1 мг/кг. Попадание жуков или кантаридина в желудоч-
но-кишечный тракт ведет к быстро развивающейся интоксикации. На
вскрытии отмечаются резкая гиперемия слизистых оболочек, образова-
ние язв и очагов геморрагии. Диффузные очаги поражения обнаружи-
ваются в печени и почках. Застойные явления в ЦНС обусловливают
нарушения условно-рефлекторной деятельности и развитие параличей
у экспериментальных животных. Из 100 г сухих шпанских мушек полу-
чают 0,3—1,5 г кантаридина. В прошлом препараты кантаридина ис-
пользовались для приготовления нарывных пластырей.
Семейство стафилинвды. Хищные жуки живут по берегам прудов,
рек, в болотистых лугах. В РФ обитает 12—15 видов, в том числе
Paederus riparius (стафилин береговой) — с черной головой и синими
надкрыльями. Их гемолимфа ядовита и при попадании на кожу вызы-
вает папулезный дерматит, поражающий глубокие слои кожи. Обычно
раздавливают жука, ползающего по открытым частям тела, часто во сне.
Папулезный дерматит выражен в 1-е сутки и прекращается через 3—4
дня. При попадании гемолимфы в глаза возможны конъюнктивиты,
блефарит. При оказании первой помощи рекомендуется делать примоч-
ки теплым раствором борной кислоты. Действующим началом гемо-
лимфы является педерин:
Кроме педерина, биологической активностью обладают его произ-
водные псевдопедерин, педерон. Педерин способен блокировать синтез
белка в цитоплазме эукариот. При попадании педерина в желудочно-
кишечный тракт наблюдаются энтериты. Почки поражаются меньше,
чем при отравлении кантаридином.
Другие вады жуков. Кровопрыскание токсичной гемолимфой приме-
няют не только нарывники, но и другие жуки. Всем известные божьи
418 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
коровки (сем. Coccinellidae) — при опасности выделяют из суставов ка-
пельки окрашенной гемолимфы, имеющей неприятный вкус, который
ей придают горькие алкалоиды адален и кокцинеллин. Водные раство-
ры гемолимфы божьих коровок при инъекциях токсичны для позвоноч-
ных и беспозвоночных животных. Однако токсичность при контактном
способе зависит от состояния кожи. При втирании в кожу человека го-
могената бахчевой коровки Epilachna chrysomelina ярко выраженный
дерматит наблюдается только на пораженной коже, а неповрежденная
кожа устойчива к действию гемолимфы.
Жуки-бомбардиры (Brachinus) являются наглядным примером ис-
пользования ферментативного катализа для целей химической защиты.
При возникновении опасности жук-бомбардир подворачивает брюшко
и из пары отверстий, расположенных на его кончике, с резким хлопком
выпускает едкую струю. Брюшко весьма подвижно, и жук может «стре-
лять очередями». Ядовитый аппарат жука-бомбардира состоит из желе-
зы, соединенной протоком с резервуаром, в котором накапливаются
водные растворы пероксида водорода и гидрохинонов. Через узкий
проток, снабженный мускульным сфинктером, эти вещества попадают
в наружную камеру, сообщающуюся с внешней средой. Клетки стенок
наружной камеры секретируют ферменты каталазу и пероксидазу. Пор-
ции субстрата (гидрохинон, метилгидрохинон, пероксид водорода) вы-
давливаются в наружную камеру, где мгновенно происходит взрывная
реакция. Каталаза разлагает пероксид водорода на воду и молекуляр-
ный кислород, а пероксидаза окисляет гидрохиноны до соответствую-
щих хинонов (рис. 3).
Под давлением образующихся газов смесь выстреливается в виде аэ-
розоля при температуре ~ 100 °C.
Путем выбрызгивания едких или токсичных веществ защищаются
многие жуки. Например, чернотелки и жужелицы выделяют бензохино-
ны и толухиноны. Жуки-плавунцы (Dytiscus) выделяют млечную жид-
кость, содержащую 11-дезоксикортикостерон — предшественник аль-
достерона у позвоночных животных.
Гидрохиноны
Н2Ог
Пероксидаза
------------►- Хиноны + Н2
Каталаза
------------► Н2О + 1/2О2
Н2 + ШО2
Н2О2
Рис. 3. Токсическая реакция каталазы и пероксидазы жука-бомбардира.
Глава 6. Ф Яды животного и растительного происхождения b 419
1.7. Земноводные (жабы)
Наиболее крупная (до 20 см) и широко распространенная в РФ явля-
ется серая или обыкновенная жаба (Bufo bufo L). Встречается в средней
полосе, в Крыму, на Кавказе, в Сибири, на Дальнем Востоке. Эта жаба
бурая сверху и грязно-белая или желтоватая снизу. Бугристая кожа зеле-
ной жабы (В. viridis Law) окрашена сверху в серовато-оливковые тона.
Она менее крупная, чем обыкновенная жаба; ее длина достигает 14 см.
Камышовая жаба (В. calamita Lour) и похожая на нее монгольская жаба
(В. raddei Str.) имеют светлую полосу вдоль спины и менее бугристую
кожу. Монгольская жаба встречается в лесостепном Предбайкалье и За-
байкалье, на юге Дальнего Востока. Камышовая жаба распространена
на западе страны. Восточная граница ее ареала доходит до Минска и Бо-
бруйска. Кожа жаб содержит в себе множество ядовитых желез, среди
которых выделяются две крупные надлопаточные железы (околоуш-
ные, или паротиды). Ядовитые железы в кожных покровах жаб, не за-
щищенных от повреждения кровососущими насекомыми, служат ос-
новным средством защиты от эктопаразитов. Жабий яд выдавливают из
паротид с помощью пинцета с мягкими брашнами либо проводят стек-
лянной пластинкой по спине жабы. Свежеполученный яд жабы пред-
ставляет собой вязкую белую жидкость с характерным запахом. Выб-
рызгивающийся секрет высушивают над СаОг и затем очищают. При
высыхании он превращается в пластинки желтовато-коричневого цве-
та, которые сохраняют токсичность и физиологическую активность в
течение многих лет. У человека попадание яда на слизистые оболочки
глаз вызывает сильное раздражение, боль, конъюнктивит и кератит.
Физиологически активные вещества яда жаб по химической приро-
де могут быть отнесены к нескольким группам соединений. Среди них
важное значение имеют производные индола (триптамин, серотонин,
буфотенин и др.).
Буфотенин имеет формулу:
СН3
1
Эдиметильное производное триптамина, кроме того, обнаружена
его четвертичная соль — буфотенидин. Есть указания на присутствие в
яде катехоламинов, в частности адреналина.
420 0 Часть 4. О Химико- токсикологическое определение ксенобиотиков
Основные токсические эффекты яда обусловлены кардиотониче-
скими стероидами, которые представлены свободными и связанными
генинами (буфотенинами). Карденолиды близки по строению с аглико-
нами сердечных гликозидов наперстянки. Среди связанных генинов
наиболее полно изучен буфотоксин — эфир буфотенина с дипептидом
субериларгинином:
Яды жаб различных видов различаются по набору буфодиенолидов,
входящих в состав буфотоксинов. Так, например, в яде зеленой жабы
присутствует резибуфогенин, но нет буфоталидина и маринобуфагина,
обнаруженных в яде серой жабы. Из ферментов в яде в достоверных ко-
личествах имеется только фосфолипаза.
Жабий яд обладает широким спектром физиологической активно-
сти, обусловленным своеобразием его химического состава.
В нетоксических дозах жабий яд оказывает антигельминтное, проти-
вошоковое, радиозащитное и противоопухолевое действие. Кардио-
тропные свойства яда позволяют рассматривать его как перспективный
источник новых лекарственных средств. В Японии и Индии выпуска-
ются лекарственные препараты на основе яда жаб.
1.8. Первая помощь при отравлении адом животного
В связи с быстрым развитием токсического эффекта большое значе-
ние имеют меры первой помощи.
При укусе ядовитых животных и насекомых (змеи, пауки, пчелы и
т.д.) необходимо отсосать ртом (если слизистая оболочка рта не име-
ет повреждений) кровь из ранки, затем сплюнуть слюну и хорошо
прополоскать рот водой. При укусе пчел можно попытаться извлечь
пинцетом жало с пузырьком, наполненным ядом, а ранку промыть
1 % раствором перманганата калия. Для уменьшения местной реакции
рекомендуются мази с кортикостероидами (полькортолон). При на-
чальных признаках вторичного инфицирования раны показаны мази,
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0421
содержащие антибиотики и кортикостероиды (оксикорт, полькорто-
лон ТС).
Укушенную конечность по возможности следует иммобилизовать
(как при переломе костей) любыми подручными средствами (шиниро-
вание одного сустава при укусе в палец и двух ближайших суставов в ос-
тальных случаях), так как распространение яда из места укуса при дви-
жениях усиливается. К месту укуса прикладывают холод.
Пострадавшему следует обеспечить полный покой и исключить прием
средств, ускоряющих всасывание яда (алкоголь).
Не рекомендуется делать надрезы или прижигать места укуса, а так-
же накладывать жгут на конечность. Это может вызвать развитие ин-
фекции в ране, обширные некрозы тканей и др. После снятия жгута
симптомы интоксикации могут резко усилиться.
При попадании ядовитого вешества на кожу достаточно тщательно-
го промывания поверхности кожи проточной водой с мылом. Затем на-
носят любой питательный крем.
При появлении признаков отравления зоотоксинами необходима
госпитализация пострадавшего. В стационаре вводят специфическую
сыворотку (противозмеиная, противокаракуртовая), проводят детокси-
кацию и симптоматическое лечение.
Ядовитые животные не агрессивны, укусы обычно происходят слу-
чайно, поэтому основой профилактики отравлений является соблюде-
ние мер предосторожности.
2. Химико-токсикологический анализ
при отравлении ядовитыми растениями
Лекарственные растения считают безвредными. К сожалению, это
не всегда соответствует действительности. С одной стороны, на расте-
ния влияют экологическая среда и условия переработки, возможно за-
грязнение трав токсичными веществами, в том числе и радиоактивны-
ми элементами. С другой стороны, многие лекарственные растения
содержат соединения, повреждающие многие органы и системы орга-
низма.
Мы рассмотрим лишь некоторые виды растений, содержащих ток-
сичные химические соединения. Наш выбор основан на трех факторах:
частоте контакта, интенсивности токсического воздействия и механиз-
ме действия химических веществ.
Токсическое воздействие растений зависит от особенностей образо-
вания в них химических веществ. Причины различия в концентрации
токсичных химических веществ:
422 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
— разное распределение токсичных веществ в частях растения (ко-
рень, стебель, листья, семена);
— накопление токсичных веществ в зависимости от возраста расте-
ния. Молодые растения могут содержать больше или меньше токсинов,
чем взрослые растения;
— влияние климата и почвы на синтез химических веществ;
— генетические различия внутри видов. Синтез токсичных химиче-
ских веществ в таксономически связанных видах часто свойствен роду,
а иногда и семейству.
2.1. Токсикологическая классификация растений
Существуют различные классификации ядовитых растений, осно-
ванные главным образом на составе или токсическом действии биоло-
гически активных веществ. Выделяют безусловно ядовитые растения (с
подгруппой особо ядовитых) и условно ядовитые (токсичны лишь в оп-
ределенных местообитаниях или при неправильном хранении сырья,
ферментативном воздействии грибов, микроорганизмов). Например,
многие астрагалы (Astragalus) становятся ядовитыми, лишь произрастая
на почвах с повышенным содержанием селена; токсичность плевела
опьяняющего (Lolitum temulentum) возникает под воздействием парази-
тирующего на его зернах гриба (Stromatinia temulenta)', ядовитый глико-
алкалоид соланин накапливается в позеленевших на свету или перези-
мовавших в почве клубнях картофеля.
Ядовитыми также считают растения, которые вырабатывают ток-
сичные вещества (фитотоксины) и алкалоиды, даже в незначительных
количествах вызывающие смерть или поражение организма человека и
животных.
В этом определении есть известная доля условности. Например, кле-
вер (Trifolium) при произрастании в условиях мягкой зимы (со средней
температурой января выше 5 °C) накапливает в молодых побегах значи-
тельное количество цианогенных гликозидов. Так, клевер защищается
от уничтожения улитками, проявляющими раннюю активность в усло-
виях теплой зимы. Летом интенсивное нарастание побегов делает не-
возможным полное истребление клевера улитками, поэтому подобного
механизма токсической защиты уже не требуется.
Появилось довольно много сообщений о побочных реакциях и ос-
ложнениях, связанных с применением различных трав: окопника (Com-
frey), мать-и-мачехи (Coltsfoot), белокопытника (Butterbar), сенны
(Senna), дубровника (Ggermander), шлемника (Skullcap), валерианы
(Valeriana), стефании (Stefania), магнолии (Magnolia).
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 423
2.2. Особенности токсического действия
растительных адов
Токсическое воздействие растений на животных и человека может
сильно варьировать. Особо токсичные для человека белладонна и дур-
ман совершенно безвредны для грызунов, псовых, кур, дроздов, коло-
радского жука, но вызывают отравление уток и цыплят. Ядовитые ягоды
ландыша, поедаемые даже в больших количествах, не вызывают отрав-
ления у лисиц; многие псовые едят их для освобождения от гельминтов.
Ядовитые для человека плоды омелы распространяются исключительно
птицами. На лягушек не оказывает токсического действия (в экспери-
менте) безвременник. Чувствительность к опию у лошади и собаки в 10
раз меньше, чем у человека, у голубя — в 100, у лягушки — в 1000 раз.
Ядовитые растения являются причиной большинства случаев отрав-
ления человека и животных. Отравления растениями большей частью
пищевые, общерезорбтивные.
Реже токсическое воздействие оказывает вдыхание ядовитых выде-
лений (дистанционное отравление багульником, хвойными, рододенд-
ронами, ароидными). Кроме того, возможны контактные повреждения
кожи и слизистых оболочек по типу сильных аллергических реакций
(крапива, борщевик, молочаи). Известны производственные респира-
торно-контактные отравления при выращивании, заготовке и перера-
ботке растительного сырья (табак, белладонна, чемерица, лютиковые,
красный перец, чистотел и др.). Известно профессиональное заболева-
ние краснодеревщиков, связанное с изготовлением облицовочного
шпона из тиса.
Респираторные (дистанционные) отравления бывают при длитель-
ном пребывании в зарослях растений с сильно пахнущими цветками
(магнолия, лилия, рододендрон, мак, люпин, черемуха, тубероза и др.).
Они сопровождаются удушьем, головной болью и головокружением,
чиханьем, кашлем, слезотечением, насморком, общим недомоганием
при длительном контакте вплоть до потери сознания.
Большой ущерб наносят отравления ядовитыми растениями живот-
новодству, где они проявляются не только в падеже скота, но и в потере
привеса и продуктивности животных от заболеваний, самопроизволь-
ных выкидышей, бесплодия, снижения лактации (хвощи, молочаи, по-
вилика). Животные, как правило, избегают ядовитых растений, имею-
щих горький вкус, резкий запах и т.д., но известны случаи массового
отравления «неопытного» молодняка или животных, перевезенных в
незнакомую местность, а также при сильном голодании.
424 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Яды растений в зависимости от химической природы соединений
различаются по избирательности токсического действия и поражают
различные системы органов.
Часто, особенно в тяжелых случаях, проявляется общее комплекс-
ное воздействие на организм, нередко с коллапсом и коматозным со-
стоянием. Избирательно-токсическое действие любого яда выявляется
по соответствующей симптоматике, свойственной отравлению именно
этой группой соединений.
Однако во многих растениях присутствует целый комплекс биологи-
чески активных веществ различного действия, причем одни из них мо-
гут сенсибилизировать организм к воздействию других. Сильное раз-
дражение желудочно-кишечного тракта тиогликозидами, сапонинами
и некоторыми алкалоидами способствует более интенсивному всасыва-
нию других токсинов. Некоторые токсичные вещества способны к ку-
муляции, постепенно накапливаются в организме (токсины эфедры,
папоротника-орляка, наперстянки и др.).
Кумуляция фитотоксинов в организме животного делает токсичными
продукты животноводства (мяса и т.п.). Токсины могут накапливаться в ор-
ганизме животного постепенно. Известны тяжелые отравления свининой,
в жире которой накопились токсичные вещества из семян пикульников.
Иногда поражение биологически активными веществами растений
проявляется после ультрафиолетового (и другого более длинноволново-
го) облучения животного. Растения повышают чувствительность покро-
вов к ультрафиолетовым лучам. Такой фотосенсибилизцрующий эффект
дает сок многих борщевиков при попадании на кожу, он проявляется
также при поедании животными зверобоя, якорцев, гречихи, проса, кле-
веров. Страдают преимущественно белоокрашенные животные и люди с
индивидуальной чувствительностью (блондины, альбиносы и т.п.).
2.3. Основные токсичные вещества растений
Алкалоиды — азотсодержащие органические основания, обычно ге-
тероциклической структуры. Известно более 5000 алкалоидов, многие
из них в разной степени токсичны. Избирательность действия многих
алкалоидов на различные системы и органы человека и животных поз-
воляет использовать их в качестве лекарств. Алкалоиды классифициру-
ются по гетероциклу (табл. I).
Алкалоиды пирролизидина обладают мутагенными и канцероген-
ными свойствами, присутствуют во многих травах, относящихся к роду
Senecio (семейство Asteraceae — астровые), Crotallaria (семейство
Fabaceue — бобовые) и Heliotropium (семейство Boraginacea — бурачни-
Глава 6. Ф Яды животного и растительного происхождения О 425
Таблица 1. КЛАССИФИКАЦИЯ АЛКАЛОИДОВ
Алкалоиды Важнейший представитель Растение
Пиридиновые и пиперидиновые Кониин Никотин Лобелии Болиголов Табак Лобелия
Пирролидиновые и пиперидиновые Гиосциамин Скополамин Белена Скополия
П ирролизидиновые Платифиллин Сенецифиллин Крестовник Крестовник
Хинолиновые Эхинопсин Мордовник
Бензил изохинол и новые Папаверин Мак
Фенантренизохинолиновые Морфин Кодеин Мак Мак
Дибензилизохинолиновые Даурицин Луносемянник
Бензофенантрединовые Хелидонин Сангвинарин Чистотел Чистотел
Индольные Галантамин Винканин Эрготамин Подснежник Воронова Барвинок Спорынья
Имидазольные Пилокарпин Пилокарпус
Пуриновые Кофеин Теофиллин Чай Чай
Дитерпеновые Аконитин Дельсимин Борец (аконит) Борец (аконит)
Стероидные Соланидин Йервин Картофель Чемерица
Ациклические Эфедрин Эфедра
Колхициновые Колхицин Безвременник
ковые), в меньших количествах в окопнике лекарственном (Symphytum
officinale, Comfrey) и мать-и-мачехе (Tussilagofarfara, Coltsfoot).
Алкалоиды пирролизидина оказывают токсическое воздействие на
многие органы и системы, но печень является их основной мишенью. По-
ражение печени проявляется характерным веноокклюзионным синдро-
мом с гепатомелагией, мегалоцитозом и угнетением клеточного митоза.
426 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Алкалоиды пирролизидина вызывают поражения сердечно-легоч-
ной системы. Это подтверждается многочисленными данными, полу-
ченными в экспериментах на животных, а также на клиническом мате-
риале. Сердечно-легочные осложнения связывают с их способностью
вызывать пролиферацию эндотелиальных клеток, гипертрофию сред-
него слоя артериальных сосудов, легочную артериальную гипертензию,
гипертрофию правого желудочка и легочное сердце.
Стероидные (сердечные) гликозиды — производные циклопентанпер-
гидрофенантрена, делятся на карденолиды и буфадиенолиды. Кардено-
лиды имеют —,—ненасыщенное пятичленное лактонное кольцо уС-17
стероидного скелета. В отличие от карденолидов, буфадиенолиды име-
ют у С-17 стероидного кольца шестичленный дважды насыщенный ла-
ктон. Сердечные гликозиды содержат представители семейств лютико-
вых, крестоцветных, кутровых, ластовневых, лилейных, норичниковых.
Сердечные гликозиды оказывают кардиотоническое действие, но в
больших дозах являются сердечными ядами.
Сапонины в растениях встречаются в виде стероидов спиростанового
ряда, содержаших 27 углеродных атомов в молекуле, и тритерпеновых са-
понинов, являющихся пентациклическими терпеноидами. Водные рас-
творы сапонинов при встряхивании образуют устойчивую пену. Сапони-
ны обладают жгучим горьким вкусом, вызывают раздражение слизистых
оболочек и рефлекторное возбуждение рвотного центра, усиливают сек-
рецию бронхов, сапонины оказывают биоцидное действие, вызывают ге-
молиз эритроцитов. Сапонины почти не всасываются в желудочно-ки-
шечном тракте, но, попадая в кровь, оказывают резорбтивное
токсическое действие, вызывая паралич ЦНС и гемолиз эритроцитов.
Антрахиноны — большая группа антраценовых производных, в боль-
шинстве случаев гликозидов, агликоны которых представлены антрахи-
ноном или его восстановленными формами. Многие антрагликозиды
усиливают перистальтику толстой кишки, что обусловливает их слаби-
тельное действие (лист сенны, кора и плоды крушины ломкой и др.).
Некоторые производные природных антрахинонов вызывают анемию,
нарушают функцию печени и почек.
2.4. Побочные эффекты компонентов
биологически активных добавок
Вещества растительного происхождения используются либо в виде
монокомпонентных и комбинированых препаратов, либо в составе
БАД. Клиническая практика показывает, что растительные средства
могут вызывать различные осложнения, даже с летальными исходами.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения О 427
ВОЗ было зарегистрировано 5000 сообщений о неблагоприятных по-
бочных реакциях, вызванных лекарственными травами. В числе ослож-
нений в послеоперационном периоде зарегистрированы инфаркты
миокарда, инсульты, кровотечения, отторжение трансплантируемых
органов, нежелательные взаимодействия с другими лекарственными
препаратами в условиях интенсивной терапии.
По данным ВОЗ, в пред- и послеоперационный периоды чаще всего
возникают осложнения при использовании эхинацеи, эфедры, чеснока,
гинкго билобы, женьшеня, кавы-кавы, зверобоя и валерианы. Ниже приве-
дены данные по возможным токсическим эффектам указанных растений.
Эхинацея. В доклинических исследованиях были выявлены иммуно-
стимулирующие эффекты эхинацеи, которые и легли в основу предло-
женных рекомендаций для лечения ряда заболеваний вирусной и бакте-
риальной природы. По этой причине не рекомендуются совместное
назначение эхинацеи с иммунодепрессивными препаратами и приме-
нение эхинацеи у больных после трансплантации органов.
Длительное (более 8 нед) применение эхинацеи сопровождается им-
мунодепрессивным эффектом, с которым ассоциируется риск развития
послеоперационных осложнений.
Эхинацея может вызывать аллергические реакции, включающие
анафилаксию, ее следует применять с осторожностью у больных брон-
хиальной астмой, атопией, аллергическими ринитами, а также у боль-
ных с дисфункцией печени. Поскольку неизвестны фармакокинетиче-
ские параметры эхинацеи и последствия ее взаимодействия со многими
другими лекарственными препаратами, рекомендуется прекращать
прием эхинацеи перед оперативными вмешательствами.
Эфедра известна в китайской медицине под названием Ma huang. Ис-
пользуется широко в составе БАД для похудания как иммуностимулятор,
для лечения респираторных заболеваний, бронхиальной астмы и бронхи-
тов. Она содержит алкалоиды эфедрин, псевдоэфедрин, норэфедрин, ме-
тилэфедрин и норпсевдоэфедрин. Коммерческие препараты стандарти-
зируются по фиксированному содержанию эфедрина.
Эфедрин, активный компонент эфедры, прямо и косвенно стимули-
рует а1-,р|-,Р2-адренорецепторы и опосредованно способствует высво-
бождению эндогенного норадреналина.
Эфедра повышает артериальное давление и частоту сердечных со-
кращений, при этом сила воздействия зависит от дозы. В США зареги-
стрировано более 1070 случаев возникновения побочных эффектов,
включая осложнения со стороны сердца и ЦНС, связанных с примене-
нием препаратов на основе эфедры.
428 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Хотя эфедрин достаточно часто используется в процессе операций
при гипотензии и брадикардии, его применение в предоперационном
периоде чревато развитием неблагоприятных реакций. Сосудосужива-
ющее действие, спазм коронарных и церебральных артерий могут
приводить к инфарктам миокарда и инсультам. У принимающих эфед-
ру больных, которым предстоит анестезия с использованием галотана,
имеется риск развития желудочковых аритмий во время операции.
Это объясняется тем, что галотан повышает чувствительность миокар-
да к экзогенным катехоламинам. Эфедра может вызывать кардиомио-
патию с инфильтрацией миокарда лимфоцитами и эозинофилами.
Длительное применение эфедрина иногда приводит к сенсибилиза-
ции в результате истощения запасов эндогенных катехоламинов, и во
время операции у таких больных возможны гемодинамические нару-
шения. В таких ситуациях для коррекции гипотензии и брадикардии в
первую очередь назначают симпатомиметические средства прямого
действия.
Результатом совместного применения эфедры и ингибиторов моно-
аминоксидазы могут быть угрожающие жизни гиперпирексия, артери-
альная гипертензия и кома. Наконец, чрезмерное использование эфед-
ры может стать причиной возникновения почечнокаменной болезни.
Период полувыведения эфедрина составляет 5,2 ч, 70—80% его вы-
водится в неизмененном виде с мочой, поэтому применение эфедры
нужно прекратить по крайней мере за 24 ч до операции.
Чеснок применяется для уменьшения риска развития атеросклероза
и образования тромбов, снижения артериального давления, уровня ли-
пидов и холестерина в сыворотке крови. Эффекты чеснока связывают с
аллицином и продуктами его биотрансформации.
Коммерческие препараты чеснока стандартизируются по фиксиро-
ванному содержанию аллиина и аллицина. Чеснок угнетает агрегацию
тромбоцитов, эффект зависит от дозы.
Полагают, что действие одного из компонентов чеснока, айена, не-
обратимо, он может потенцировать эффекты других ингибиторов агре-
гации тромбоцитов: простациклина, форсколина, индометацина и ди-
пиридамола.
В литературе описан случай возникновения эпидуральной гематомы
в результате злоупотребления чесноком. Потенциально необратимое
угнетение функции тромбоцитов требует прекращать прием чеснока по
крайней мере за 7 дней до хирургического вмешательства. Это особен-
но актуально для больных, которым в послеоперационном периоде по-
казаны другие ингибиторы агрегации тромбоцитов.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения $ 429
Женьшень относят к числу адаптогенов, используют в качестве про-
тектора при стрессе и восстановителя гомеостаза. Действие женьшеня
связывают с так называемыми стероидными сапонинами. Женьшень
имеет широкий круг показаний в связи с различными и иногда прямо
противоположными эффектами.
Механизм действия сходен с механизмом действия стероидных гор-
монов. В исследованиях in vitro и на животных установлено, что жень-
шень может вызывать гипогликемию, влиять на процессы коагуляции,
угнетать агрегацию тромбоцитов, удлинять время коагуляции тромбина
и активированного тромбопластина. Антитромбоцитарная активность
компонента женьшеня панаксинола может быть необратима. Жень-
шень может угнетать процессы коагуляции, но зарегистрированы слу-
чаи значительного снижения под его влиянием антикоагуляционного
эффекта варфарина. В связи со способностью женьшеня угнетать функ-
цию тромбоцитов, возможно, необратимо, рекомендовано прекращать
его применение по крайней мере за 7 дней до операции.
Кава-кава применяется в качестве анксиолитика и седативного средст-
ва. Действующее начало кавы-кавы — кавалактоны, которые оказывают
дозозависимое влияние на ЦНС. Кава-кава может действовать как седа-
тивное и снотворное средство, потенцируя угнетающее действие гамма-
аминомасляной кислоты (ГАМК) на нейрональную передачу. Кавалакто-
ны ответственны за усиление действия барбитуратов, взаимодействие с
алпразоламом. Описаны случаи развития комы у больных, принимавших
одновременно с алпразоламом экстракты кавы-кавы. Длительное исполь-
зование кавы-кавы может приводить к привыканию, развитию толерант-
ности и синдрому отмены. В основе потенцирования кава-кавой седатив-
ного эффекта анестетиков лежит фармакокинетический тип
взаимодействия. С целью профилактики нежелательных последствий вза-
имодействия кавы-кавы с другими препаратами рекомендуется прекра-
щать прием препаратов кавы-кавы по крайней мере за 24 ч до операции.
Зверобой. В недавно проведенных многоцентровых клинических ис-
следованиях было показано, что зверобой неэффективен при больших
депрессиях. Основными действующими веществами в зверобое являются
гиперицин и гиперфорин. Коммерческие препараты стандартизируются
по фиксированному содержанию гиперицина (0,3%). Эффекты зверобоя
реализуются путем угнетения серотонина, норэпинефрина и обратного
захвата нейронами допамина. Зверобой вступает во взаимодействие со
многими лекарственными средствами, что необходимо учитывать при
планировании операций, при которых назначаются жизненно необходи-
мые лекарства. Зверобой вступает во взаимодействие с индинавиром,
430 О Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
этин илэстрад илом, циклоспорином в результате влияния на систему ци-
тохрома Р450. Так, в одном исследовании уровень циклоспорина в крови
был снижен на 49%. Для хирургических больных важны взаимодействия
зверобоя с алфентанилом, мидазоламом, лидокаином, блокаторами
кальциевых каналов, антагонистами серотониновых рецепторов, варфа-
рином, НПВС, дигоксином. В связи с этим не рекомендуется совместное
применение перечисленных препаратов со зверобоем, а больным, кото-
рым предстоит хирургическое вмешательство, следует прерывать лечение
препаратами, содержащими зверобой, не менее чем за 5 дней до опера-
ции (рекомендации с учетом фармакокинетических параметров). Это
особенно актуально для пациентов, которым требуются трансплантация
органов и лечение антикоагулянтами. Рекомендуется избегать приема
зверобоя и в послеоперацинном периоде.
Валериана — седативное и снотворное средство. Потенцирует эффе-
кты барбитуратов, седативный эффект анестетиков и препаратов, кото-
рые влияют на рецепторы ГАМК (мидозалам). Следует соблюдать осто-
рожность при резкой отмене валерианы у лиц с физической
зависимостью из-за риска развития синдрома отмены, сходного с син-
дромом отмены бензодиазепинов. За несколько недель до операции це-
лесообразно свести на нет употребление валерианы. Если это невыпол-
нимо, можно рекомендовать продолжить прием валерианы до
оперативного вмешательства, а в послеоперационном периоде назна-
чать бензодиазепины для лечения синдрома отмены.
Перечисленные лекарственные травы являются компонентами мно-
гочисленных БАД. Только зверобой входит в состав более чем 50 БАД, и
нигде нет указаний на возможность его взаимодействия с другими пре-
паратами. Не учтены противопоказания и взаимодействие многих дру-
гих компонентов БАД. Например, экстракт корня солодки противопо-
казан больным с артериальной гипертензией, циррозом и
холестатическими нарушениями печени, гипокалемией, хронической
почечной недостаточностью, в период беременности; не рекомендуется
его совместное применение с глюкокортикостероидами, спиронолак-
тоном, амилоридом, петлевыми диуретиками (гипотиазидом и сердеч-
ными гликозидами). В России разрешены для применения БАД, содер-
жащие травы, запрещенные к применению в некоторых странах из-за
риска развития тяжелых осложнений и потенциально канцерогенные.
Многие лекарственные травы содержат соединения, оказывающие по-
вреждающее воздействие на различные органы и системы. В последнее
время внимание медицинской общественности привлечено к лекарст-
венным травам, содержащим алкалоиды пирролизидина, обладающие
Глава 6. С Яды животного и растительного происхождения Ф 431
потенциальными мутагенными и канцерогенными свойствами. Алка-
лоиды пирролизидина оказывают токсическое воздействие на многие
органы и системы, но печень является их основной мишенью.
Растительные яды, применявшиеся с давних пор в качестве лечеб-
ных и профилактических средств при многих заболеваниях, могут да-
вать многочисленные побочные эффекты. Необходима тщательная
оценка лечебных свойств компонентов лекарственных растений, по-
бочные эффекты которых особенно вероятны при передозировке и/или
комбинированном воздействии.
3. Отравление грибами
Грибы — обширная группа организмов, насчитывающая около 100 000
видов. Они занимают особое положение в живой природе, сочетая в себе
признаки животных и растений. Вследствие отсутствия хлорофилла грибы
не способны к фотосинтезу и, подобно животным, используют для пита-
ния готовые органические вещества, усваивая их из почвы, растительных и
животных остатков (гетеротрофный способ питания). По способу размно-
жения и неограниченному верхушечному росту они напоминают растения.
В быту грибами называют плодовые тела грибного организма, выступаю-
щие над поверхностью земли и состоящие из шляпки на ножке. Основная
часть гриба, грибница (мицелий), находится в почве. При созревании пло-
довое тело быстро выбрасывает множество спор, которые легко разносят-
ся на большие расстояния и, попадая на питательный субстрат, образуют
новую грибницу (гифы). С помощью нитей грибницы происходит всасы-
вание органических веществ, минеральных солей и воды.
На территории России и стран СНГ встречается около 3000 видов
шляпочных грибов, но в пищу употребляют чуть более 30 широко из-
вестных видов. Особенность грибов как пищевого продукта объясняет-
ся своеобразием их химического состава. Они содержат вещества, свой-
ственные животным и растительным продуктам. Основная часть
углеводов содержится в грибах в виде гликогена, подобного тому, кото-
рый откладывается в печени животных, а не крахмала, как у растений.
Питательная ценность грибов обусловлена присутствием в их плодовых
телах большого количества белка (до 9% у трюфелей и белых грибов),
липидов, аминокислот, аминов, органических оснований, а также вита-
минов, минеральных солей, микроэлементов. Высокое содержание экс-
трактивных веществ (свободных аминокислот, фунгина) стимулирует
желудочную секрецию. Свежие грибы содержат около 90% воды.
Грибы подразделяют на съедобные, условно съедобные, несъедоб-
ные и ядовитые. К съедобным грибам относятся белый гриб, подосино-
432 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
вик, подберезовик, рыжик, лисичка, сыроежка, опенок, масленок, мо-
ховик, шампиньоны различных видов. Условно съедобными считают
грибы, имеющие горький вкус или неприятный запах, содержащие то-
ксичные вещества, но теряющие эти свойства после кулинарной обра-
ботки. Употреблять эти грибы в пищу можно только после вымачива-
ния, отваривания и удаления отвара, после засолки или длительного
высушивания. К условно съедобным грибам относятся грузди, горь-
кушка, сморчок, строчок. Несъедобные грибы не ядовиты, но обладают
неприятным вкусом или запахом, сохраняющимся даже после длитель-
ной обработки. Несъедобными грибами считаются дождевик ложный и
желчный гриб. Ядовитые грибы продуцируют сильнодействующие ток-
сичные вещества, вызывающие отравление. К ядовитым грибам отно-
сятся бледная поганка, мухоморы (пантерный, красный, порфировый,
вонючий, весенний), сатанинский гриб, ложный опенок и др.
В последние годы выделяют группу галлюциногенных грибов, спо-
собных давать у людей психотомиметические эффекты (состояние эй-
фории, галлюцинации). К галлюциногенным грибам относятся грибы
родов Panaeolus, Psilocybe, в плодовых телах которых содержатся психо-
активные индольные производные псилоцин и псилоцибин.
Отравления грибами (мицетизм) относятся к истинным пищевым отра-
влениям. Причиной отравлений может быть и употребление в пищу ста-
рых особей съедобных грибов. Белки и жиры грибов очень быстро разлага-
ются, образуя вещества, подобные рыбным и трупным ядам, поэтому есть
и заготавливать можно только свежесобранные, неиспорченные трибы.
Однако основная причина отравлений грибами — употребление ядовитых
или недостаточно обработанных условно съедобных грибов. Нередко со-
бирают ядовитые грибы, похожие на съедобные. Частота грибных отравле-
ний определяется уровнем плодоношения ядовитых грибов и погодными
условиями в конкретных регионах. В Европе ежегодно регистрируется око-
ло 10 000 отравлений грибами. Летальность составляет от 1 до 8%.
Чаще всего отравления грибами бывают с весны до осени, но могут
возникнуть зимой при употреблении заготовленных впрок несъедобных
грибов или при неправильной обработке и хранении съедобных грибов.
При экспертизе отравлений грибами большое значение имеют обна-
ружение, ботаническое и судебно-химическое исследование частей
грибов в рвотных массах и в содержимом желудка.
Отравления ядовитыми грибами протекают очень тяжело, поэтому
все пострадавшие с подозрением на такое отравление подлежат обяза-
тельной госпитализации по возможности в специализированные реги-
ональные центры по лечению отравлений. При массовых отравлениях
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения Q 433
для улучшения диагностики и единой тактики лечения нужно сосредо-
точить всех пострадавших в пределах одного лечебного учреждения.
Мировой и отечественный опыт свидетельствует, что наиболее час-
той причиной тяжелых отравлений являются грибы рода Amanita, преж-
де всего бледная поганка, пантерный и красный мухоморы, а также гри-
бы рода Gyromitra.
3.1. Отравления бледной поганкой
Бледная поганка {Amanita phalloides) принадлежит к классу базиди-
альных грибов (Basidiomycetes), порядку агариковых {Agaricales), семей-
ству мухоморовых {Amanitaceae), роду мухоморов {Amanita). Этот вид
грибов обитает в широколиственных и смешанных лесах, преимущест-
венно на осветленных местах, в России встречается в средней полосе и
в черноземных областях европейской части, в Приморском крае. Про-
израстает также на Украине, в Белоруссии и странах Балтии. Плодовые
тела бледной поганки появляются в июле—сентябре. Бледную поганку
легко спутать с шампиньонами, сыроежками, зеленушками.
Токсины бледной поганки. Плодовые тела и споры бледной поганки
смертельно ядовиты. Токсины, выделяемые из бледной поганки, явля-
ются циклическими пептидами, содержащими индольное кольцо, и
представлены аматоксинами (их иногда называют аманитотоксинами
или аманитинами) и фаллотоксинами (рис. 4, табл. 2).
В плодовом теле гриба встречается 9 разновидностей аматоксинов,
из которых наиболее ядовиты а-, Р-, у- и е-аманитины.
R*
—CH—NH-C-CH—NH—С —СН2—
I II
сн2 о
COR3
Рис. 4. Общая химическая формула аматоксинов.
434 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 2. РАДИКАЛЫ R' r\ ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ АМАТОКСИНОВ
Разновидность аматоксинов R1 К2 R3 R4 R5
а-Аманитин СН2ОН ОН nh2 он он
Р-Аманитин СН2ОН он он он он
у-Аманитин СНз он nh2 он он
е-Аманитин СН3 он он он он
Аманин СН2ОН он он н он
Аманин амид СН2ОН он nh2 н он
Амануллиновая кислота СНз н nh2 он он
Проамануллин СНз н nh2 он н
По современным представлениям, в патогенезе отравлений бледной
поганкой ведущая роль принадлежит аматоксинам, поскольку фаллото-
ксины не всасываются в желудочно-кишечном тракте. Так, в 100 г све-
жих грибов содержится около 10 мг фаллоидина, 8 мг а-аманитина, 5 мг
Р-аманитина и 0,5 мг у-аманитина. Смертельная доза при отравлении
бледной поганкой для человека — около 30 г свежих грибов, а летальная
доза основного токсического компонента — а-аманитина — составляет
около 0,1 мг/кг, или 5—7 мг для человека.
Основная опасность отравлений бледной поганкой заключается в
исключительной стабильности аматоксинов и фаллотоксинов, которые
не разрушаются при термической обработке и сохраняются в течение
нескольких лет. Более 90% случаев смертельных отравлений грибами
обусловлены употреблением бледной поганки.
В стационарах летальность при отравлении бледной поганкой до сих
пор очень велика (около 20% у взрослых и до 50% у детей) и зависит от
дозы токсина, которую в реальных обстоятельствах трудно определить.
Механизм действия и токсикокинетика. Механизм действия аматок-
синов обусловлен угнетением эукариотической ядерной РНК-полиме-
разы II, ответственной за образование мРНК. В результате блокируется
синтез белка и происходит отсроченная (в течение 24 ч) гибель клетки.
Основной мишенью этих токсинов являются клетки печени, согласно
классификации ядов по избирательной токсичности (Е.А. Лужников),
они относятся к гепатотоксическим ядам. Показано подобное влияние
аматоксинов на проксимальные отделы почечных канальцев и клетки
желудочно-кишечного эпителия.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения О 435
Токсины бледной поганки попадают в организм вместе с пищей через
желудочно-кишечный тракт. Кроме того, установлено токсическое дей-
ствие этих ядов при аппликации на конъюнктиву век и слизистую обо-
лочку влагалища. При попадании в желудочно-кишечный тракт аматок-
сины относительно быстро абсорбируются, подобно большинству
растительных ядов, в нижних отделах тонкой кишки. Даже в случае силь-
ной интоксикации их концентрация в плазме крови составляет около
40—45 нг/мл, а время пребывания в крови не превышает 36 ч. Около 60%
всосавшихся токсинов депонируется в печени и около 3% — в почках.
Аматоксины выводятся преимущественно через почки, причем их
обнаружение в моче возможно только через 17—28 ч после поступления
яда в организм. Элиминация данным путем достигает 96 ч. Через пла-
центарный барьер аманитины не проникают.
Тяжесть отравлений бледной поганкой определяют особенности ток-
сикокинетики аматоксинов. Значительное количество всосавшегося
аманитина экскретируется с желчью с последующим включением в энте-
рогепатическую циркуляцию, продолжающуюся до 48 ч. В результате по-
вторного поступления аматоксинов в печень через систему портального
кровообращения усиливается и удлиняется их гепатотоксический эф-
фект. Обычно при поступлении в кровь ксенобиотиков белки плазмы
крови (преимущественно альбумины) связывают определенную долю чу-
жеродного агента и тем самым играют роль неспецифического защитно-
го барьера организма. В отношении а-аманитина подобный защитный
механизм отсутствует, поскольку этот яд не связывается с альбуминами.
Клиническая картина отравлений (аманитиновый синдром). Обычно отра-
вление бледной поганкой разделяют на латентный, желудочно-кишечный
периоды, период мнимого благополучия и печеночно-почечный период.
При диагностике отравлений бледной поганкой следует учитывать
сезонность: 84% отравлений бледной поганкой приходятся на август-
сентябрь, что соответствует периоду плодоношения этих грибов. Отра-
вления строчками происходят весной, а инфекционным заболеваниям
такая сезонность не свойственна.
Специфическим признаком отравления бледной поганкой является
относительно большой (6 ч и более) латентный период. Более короткий
скрытый период позволяет либо исключить отравление этим видом
грибов, либо предположить сопутствующую интоксикацию каким-ли-
бо другим грибным ядом. По мнению клиницистов-токсикологов, от-
равление грибами летом и осенью с латентным периодом не менее 5 ч и
признаками поражения желудочно-кишечного тракта, печени, почек
следует расценивать как отравление бледной поганкой. Таких больных
436 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
необходимо срочно госпитализировать в специализированные центры
по лечению отравлений.
Важнейшим элементом современной диагностики является опреде-
ление токсинов в биосредах пострадавшего человека и плодовых телах
грибов. Для этого применяются высокочувствительные и специфичные
методы определения аматоксинов и фаллоидинов в грибах и плазме
крови методом ВЭЖХ. Пробоподготовка включает удаление из биоло-
гического образца посторонних компонентов и концентрирование ана-
лизируемых токсинов. При определении токсинов бледной поганки в
плодовых телах грибную массу экстрагируют 96% этанолом и экстракт
концентрируют на ротационном испарителе. Анализ аматоксинов в
плазме крови более сложен и включает такие этапы пробоподготовки,
как осаждение белков ацетонитрилом, центрифугирование, удаление из
образца посторонних компонентов посредством метиленхлорида, твер-
дофазную экстракцию токсинов, ступенчатое элюирование аматокси-
нов и концентрирование элюата.
Количественный анализ экстрактов, содержащих токсины бледной
поганки, выполняется на жидкостном хроматографе со спектрофотомет-
рическим детектором. Спектрофотометрическое детектирование осуще-
ствляется при длине волны 303 нм в условиях контроля гомогенности хро-
матографических сигналов и сканирования в диапазоне от 190 до 350 нм.
Пределы обнаружения при этом составляют 1—20 нг/мл.
В ходе судебно-медицинского исследования трупа в случае отравле-
ния ядами бледной поганки при наружном осмотре отмечают слабо вы-
раженное трупное окоченение, признаки резкого обезвоживания (су-
хость кожных покровов, мягкие глазные яблоки), возможна
желтушность кожных покровов и слизистых оболочек.
При вскрытии умерших в 1-е сутки после приема грибов в желудке
можно обнаружить полупереваренные грибы, которые необходимо на-
править на судебно-химический и ботанический анализ. Слизистая
оболочка желудка и кишечника гиперемирована, с множественными
точечными кровоизлияниями.
Наиболее выраженные морфологические изменения при отравле-
нии бледной поганкой наблюдаются в печени. У умерших печень не-
значительно увеличена, синюшно-красного или желтовато-коричнево-
го цвета. На разрезе паренхима дряблая, глинистого вида, часто с
желтоватым оттенком и сильным блеском. При гистологическом иссле-
довании печени обнаруживают выраженные деструктивные изменения
паренхимы в виде диффузной жировой дистрофии и обширных центро-
лобулярных некрозов гепатоцитов. Почки увеличены, отечны, на разре-
Глава 6. С* Яды животного и растительного происхождения 0 437
зе их кора бледная, серовато-желтого цвета, пирамидки влажные, розо-
ватого цвета. Гистологически обнаруживаются множественные крово-
излияния, набухший эпителий канальцев в состоянии жировой дистро-
фии. В клубочках наблюдаются скопления белковых масс.
В целом макро- и микроскопические патоморфологические измене-
ния при отравлении бледной поганкой свидетельствуют о дистрофиче-
ских нарушениях (прежде всего в печени и почках) и распространенных
расстройствах кровообращения.
При отравлении ядовитыми грибами применяют гистологические,
биохимические и судебно-химические лабораторные исследования.
Д ля обнаружения токсинов наиболее часто применяют хромогенные ре-
акции, а также тонкослойную или бумажную хроматографию. Количест-
венное определение токсичных компонентов осуществляют, как правило,
хромато-масс-спектрометрическим методом. Предлагают диагностировать
отравления бледной поганкой на основании того, что в ткани этого гриба
относительно много серебра, которое присутствует в печени отравленных.
3.2. Отравления строчками
Строчок обыкновенный (Gyromitra esculenta) и строчок большой
(Gyromitra gigas) относятся к классу сумчатых грибов (Ascomycetes), по-
рядку пецицевых (Pezizales), роду строчков (Gyromitra). Шляпка строчка
обыкновенного имеет диаметр 2—10 см, бесформенная, со складками,
напоминающими извилины мозга, со вздутыми выгнутыми дольками,
темно-коричневого или каштанового цвета.
Этот гриб растет на песчаной почве, в хвойных, особенно сосновых,
лесах, на вырубках, гарях и дюнах.
У строчка большого шляпка диаметром 6—30 см, неправильно ок-
руглая или овальная, сильно складчатая, светло-охряная или коричне-
вая. Ножка короткая, 3—6 см длиной и толщиной, белая. Растет на поч-
ве влажных хвойных и лиственных лесов.
Оба вида строчков произрастают на европейской территории Рос-
сии, на Украине, в Белоруссии, Финляндии и других европейских стра-
нах. Благодаря некоторому сходству строчков с другими весенними
грибами — сморчками их иногда называют ложными сморчками.
Строчок обыкновенный широко распространен, строчок большой
встречается редко, но местами обильно. Плодовые тела строчков вызре-
вают в апреле—мае, в этот же период отмечаются и отравления этими
грибами. В России, странах СНГ, Польше строчки относятся к условно
съедобным грибам, их едят после кулинарной обработки. Строчки —
одни из первых весенних грибов, которые охотно собирают после зим-
438 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
него перерыва. Однако даже после обработки возможны отравления из-
за повышенной индивидуальной чувствительности к ядам этих грибов.
В связи с этим в большинстве стран Западной Европы в настоящее
время строчки относят к ядовитым грибам, их консервирование и пере-
воз через границу для продажи запрещены.
Токсины строчков. Строчок (весенний, большой) в сыром виде, не-
достаточно отваренный или вместе с отваром может быть смертельно
ядовитым. Ядовитые свойства строчков определяет группа летучих ве-
ществ ТЧ-метил-ГЧ-формилгидразонов, среди которых основным ток-
сичным компонентом является ацетальдегид 1Ч-метил-1Ч-формилгид-
разона или гиромитрин (рис. 5).
Содержание гиромитрина составляет в среднем 50 мг/кг массы све-
жесобранных грибов, а 8 остальных гомологов ТЧ-метил-1Ч-формилгид-
разона идентифицируются в строчках в следовых количествах.
Считавшаяся ранее токсическим началом строчков гельвеловая кис-
лота представляет собой неядовитую смесь эпоксида фумаровой кисло-
ты и жирных кислот. Среднесмертельная доза гиромитрина для крыс
составляет 330 мг/кг, для кроликов — 70 мг/кг при введении в желудок.
Ориентировочно смертельная для человека доза гиромитрина содер-
жится в 0,2—1,0 кг свежих грибов рода Gyromitra.
Поскольку, несмотря на вкусовые качества, строчки относятся к ус-
ловно съедобным грибам, большое значение имеют условия их обработ-
ки перед использованием в пищу (в том числе и как коммерческого
продукта). Наиболее эффективные способы удаления гиромитрина —
кипячение и сушка грибов. При кипячении в воде в течение 10 мин уро-
,СН3 н+/н2О zz° zCH3
Н3с —CH = N—N4 -------------------► Н3с —Сч + H2N — N
чс=о чн чс=о
I I
н н
Гиромитрин N-Метил-
N-формилгидразин
О zCH3
Н-с' + H2N-N4
он 'н
N -Мстилгидразин
Рис. 5. Механизм биотрансформации гиромитрина и продуктов его гидролиза.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 439
вень гиромитрина в грибах падает ниже 1 % исходного, при этом на 1 кг
сырых грибов должно быть использовано 3 л воды. Более эффективно
двойное кипячение по 5 мин с обязательным удалением отвара.
Содержание гиромитрина в строчках зависит от места сбора, условий
роста и степени зрелости грибов и достигает в отдельных образцах 320
мг/кг свежих грибов. Это обстоятельство, а также индивидуальная чув-
ствительность людей к грибным токсинам объясняют спорадические тя-
желые острые отравления строчками со смертельным исходом в странах,
где эти грибы не отнесены к ядовитым, и обусловливают необходимость
тщательной предварительной обработки перед употреблением в пищу.
На долю отравлений строчками приходится 20% всех отравлений
грибами. Летальность при этих отравлениях составляет 11—14%.
Механизм действия, метаболизм, токсикокинетика ядов строчков.
Гиромитрин в желудке млекопитающих подвергается гидролизу с обра-
зованием последовательно М-метил-М-формилгидразина и N-мегил-
гидразина (см. рис. 5), значительно превосходящих его по токсичности.
Эксперименты показали, что более 25% поступившего в желудок гиро-
митрина в конечном счете метаболически гидролизуется до метилгид-
разина. Известна высокая токсичность синтетических метилгидрази-
нов, используемых как компонент ракетного топлива. Таким образом,
отравление строчками обусловлено совместным действием неметабо-
лизированного гиромитрина и продуктов его биотрансформации.
В основе механизма токсического действия производных гидразина
лежит нарушение пиридоксалевого обмена, в результате чего страдает
функция множества ферментов (трансаминазы, декарбоксилазы, ами-
нооксидазы и др.), кофактором которых является пиридоксальфосфат
— производное витамина Bg. Угнетение активности этих ферментов в
результате снижения содержания в различных тканях пиридоксальфос-
фата приводит к поражениям ЦНС, органов пищеварительной системы
и прежде всего печени, а также, хотя и в меньшей степени, системы
крови, почек и сердечно-сосудистой системы.
В головном мозге в результате ингибирования глутаматдекарбокси-
лазы уменьшается концентрация основного тормозного медиатора
ГАМК, а снижение активности моноаминоксидазы приводит к накоп-
лению биогенных аминов — дофамина, норадреналина, серотонина и
др. В результате этого подавляются тормозные процессы в ЦНС, воз-
можны развитие судорог и нарушение психических функций. Произ-
водные гидразина являются ингибиторами диаминоксидазы кишечни-
ка — фермента, расщепляющего и тем самым обезвреживающего
протеиногенные диамины (путресцин, кадаверин).
440 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Локализация
метаболита
В настоящее время доказано, что образовавшиеся в желудке продук-
ты гидролиза гиромитрина — N-метил-М-формилгидразин и N-метил-
гидразин — подвергаются микросомальному окислению в печени до то-
ксичных и, вероятно, канцерогенных метаболитов. Так, в результате
окисления N-метилгидразина образуется нестабильный диазен, а из не-
го в конечном счете продуцируются высокореактивные интермедиаты
— метильный катион (СН3+) и метильный радикал (СНз*), оказываю-
щие алкилирующее действие. В результате алкилирования фрагментов
печеночных макромолекул они теряют биологическую активность с по-
следующей деструкцией органа (цитолиз клеток печени). Ступени био-
логической трансформации гиромитрина и сопутствующие им патоло-
гические реакции приведены на рис. 6.
Токсины
zCH3
H,C-CH=N-hT
чс=о
I
н
Гиромитрин
I
z° zCH3
н,с-с' + h2n-n
н с=о
I
н
N-Метил
N-формил гидразин
I
z° zCH3
н-с' + h2n-n
он н
N-Метилгидразин
I
H3C-N=N-H
Желудок
Желудок
Печень
Диазен
СН3* СН3’
Метильные радикалы
Рис. 6. Основные стадии метаболизма гиромитрина.
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 441
Как и при отравлениях другими грибами, в большинстве случаев то-
ксины строчков поступают в организм через желудочно-кишечный
тракт. Количество конечного продукта гидролиза гиромитрина — N-ме-
тилгидразина — достигает максимума в желудке через 2 ч. Производные
метилгвдразинов выводятся из организма преимущественно с мочой. В
течение суток этим путем выделяется около 40% исходного количества
монометилгидразина.
Следует отметить, что при заготовке и переработке строчков в ходе
их сушки отмечены случаи повреждения роговицы у заготовщиков
вследствие попадания в глаза паров токсинов строчка.
Клиническая картина отравлений (гиромитриновый синдром). Отравле-
ние строчками имеет латентный (бессимптомный) период длительностью
в среднем 6—8 ч с колебаниями от 2 до 24 ч. Период желудочно-кишечных
расстройств начинается с появления слабости, тошноты, иногда головных
болей. В большинстве случаев затем наблюдаются частая неукротимая
рвота, коликообразные боли в животе, а также частый водянистый стул. В
легких случаях отравление ограничивается этими проявлениями и паци-
ент выздоравливает в течение 2—5 дней без каких-либо последствий.
При среднетяжелых и тяжелых формах отравлений через 36—40 ч по-
сле употребления строчков наступает печеночный период, связанный с
повреждением печени и сопровождающийся желтухой. Поскольку гид-
разины вызывают гемолиз, желтуха может быть гемолитической (надпе-
ченочной) с повышением уровня общего и непрямого билирубина крови,
гемоглобинурией. Вследствие прямого гепатотоксического действия вы-
сокореактивных метаболитов метилгидразинов с развитием цитолитиче-
ского гепатита появляются признаки паренхиматозной (печеночно-кле-
точной) желтухи, о чем свидетельствуют увеличение в крови прямой
фракции билирубина, появление в моче билирубина и уробилиногена.
Печень в этот период умеренно увеличенная, плотная, болезненная при
пальпации, часто увеличена селезенка. Больные испытывают чувство
страха и могут проявлять выраженное двигательное беспокойство. У ряда
пострадавших сохраняются полная ясность сознания и нормальные реф-
лексы, через несколько дней желтуха проходит и наступает выздоровле-
ние. При крайне тяжелых формах отравлений наблюдается резкое увели-
чение печени и нарушения функций ЦНС, сопровождающие токсическую
гепатопатию: выраженная слабость, возможны потеря сознания, наруше-
ние рефлексов. В случае сохранения или восстановления сознания отмеча-
ются психические расстройства по типу деменции. Лабораторными мето-
дами в моче обнаруживаются наряду с уробилиногеном уробилин и
билирубин, белок, лейцин и другие аминокислоты, в крови резко повышен
442 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
уровень билирубина, существенно снижается содержание глюкозы.
Смерть наступает через 2,5—3 сут при явлениях печеночной комы.
При диагностике отравления строчками следует учитывать данные
анамнеза, свидетельствующие об употреблении грибов. Интоксикация
Amanita phalloides и грибами рода Gyromitra сходна по ряду клинических
проявлений. При отравлениях гиромитринового типа развитие желтухи
более раннее и интенсивное, а также есть элементы возбуждения и пси-
хических нарушений. Однако наиболее важный диагностический при-
знак — сезонность. Большинство отравлений наиболее распространен-
ным и употребляемым видом строчков Gyromitra esadenta совпадает со
сроками их плодоношения и происходит в апреле—мае.
Необходимым и наиболее информативным этапом дифференциаль-
ной диагностики является химико-токсикологическое исследование на
гиромитрин и его производные в тканях и органах пострадавших, а также
в сохранившихся грибах. К настоящему времени разработано несколько
количественных методов определения гиромитрина, включая ГЖХ и
ТСХ, хромато-масс-спектрометрию, спектрофотометрический анализ, а
также сочетание этих методов. Методами ГЖХ высокого разрешения и
хромато-масс-спектрометрии эфирных экстрактов строчков удается ко-
личественно определять содержание гиромитрина и 8 его гомологов.
В случае смертельных отравлений при вскрытии трупа морфологиче-
ски определяют желтушное окрашивание кожи, склер и слизистых обо-
лочек, полнокровие органов, выраженный отек головного мозга, увели-
чение печени с пятнистым рисунком на разрезе и множественные
мелкоточечные кровоизлияния во внутренних органах, в том числе пете-
хии и интерстициальные геморрагии в средостении, брыжейке, плевре и
почечных лоханках. Гистологический анализ показывает некрозы гепато-
цитов и деструктивные изменения паренхимы печени, вне зоны некрозов
отмечается выраженная жировая дистрофия. В почках наблюдается набу-
хание эндотелиальных и эпителиальных клеток нефронов, в просветах
канальцев — гиалиновые цилиндры и белковоподобный материал.
Для определения гиромитрина в тканях трупа после смертельного от-
равления строчками внутренние органы (желудок, фрагмент тонкой
кишки, печень, почки), взятые на химико-токсикологический анализ,
гомогенизируют и заливают метанолом. Через несколько дней метанол
декантируют, центрифугируют, отфильтровывают и экстракт центрифу-
гируют в ротационном испарителе. Индикаторным признаком является
специфический неприятный запах экстракта, напоминающий запах мы-
шиной мочи. Затем осуществляют качественную идентификацию гиро-
митрина в экстрактах ткани посредством ТСХ на активированных сили-
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 443
кагельных пластинах с использованием хлороформа в качестве раство-
рителя. Для количественного определения гиромитрина после экстрак-
ции и хроматографии пятно с Rf = 0,90 элюируется этиловым спиртом и
подвергается спектрофотометрическому анализу. Надежность иденти-
фикации обеспечивается сопоставлением спектров выделенного веще-
ства и стандартного образца гиромитрина как в ультрафиолетовой, так и
в инфракрасной области. Таким способом возможна количественная
оценка содержания гиромитрина в экстрактах гомогенатов тканей по
поглощению при 277 нм в диапазоне концентраций от 0,1 до 0,5 мг/мл.
3.3. Отравления красным и пантерным мухоморами
Красный мухомор (Amanita muscaria) и пантерный мухомор (Amanita
pantherina), подобно бледной поганке (Amanitaphalloides), представляют
собой отдельные виды рода мухомор. Красный мухомор имеет шляпку
диаметром 10—20 см от оранжево-красного до темно-красного цвета с
белыми или сероватыми мелкими чешуйками — остатками общего по-
крывала. Пластинки на нижней поверхности шляпки белые. Растет в
лиственных и хвойных лесах по всей территории России. Пантерный
мухомор имеет шляпку диаметром 7—10 см от желто- или оранжево-бу-
рого до черно-бурого цвета. Белые чешуйки на верхней поверхности
шляпки часто расположены почти концентрическими кругами. Этот
гриб широко распространен в хвойных и лиственных лесах России.
Механизм действия токсинов мухоморов. Красный и пантерный мухо-
моры весьма сходны по химической и морфологической структуре и име-
ют небольшие различия по составу обнаруженных в них токсинов. Мус-
карин, долго считавшийся основным токсическим компонентом Amanita
muscaria, содержится в обоих видах мухоморов в весьма малых количест-
вах (от 0,0003 до 0,003%). Учитывая плохую резорбцию мускарина при
приеме внутрь, можно сделать заключение о незначительной роли этого
алкалоида в токсическом действии красного и пантерного мухоморов.
Клиническую картину отравления этими видами мухоморов опреде-
ляют в основном производные изооксазола — иботеновая кислота и
продукт ее декарбоксилирования мусцимол (рис. 7). Содержание этих
соединений составляет 0,015—0,1% массы свежих грибов. Определяе-
мый в мухоморах мусказон, по-видимому, имеет отношение к биосин-
тезу иботеновой кислоты. В A. pantherina наряду с указанными соедине-
ниями установлено присутствие двух аминокислот небелкового
происхождения — стизолобовой и стизолобиновой, являющихся про-
дуктами окисления L-DOPA. В A. muscaria эти аминокислоты обнару-
жены в значительно меньших, следовых количествах, причем только в
444 0 Часть 4. С Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
СОО-
Иботеновая кислота
Стизолобовая кислота
Стизолобиновая кислота
СН3
Мускарин
Метилтетра гидрокарболин-
карбоновая кислота
Рис. 7. Токсины красного и пантерного мухоморов.
грибах с желтоватой шляпкой. Из экстрактов A. muscaria изолирована
метилтетрагидрокарболинкарбоновая кислота (0,001% массы свежих
грибов), близкая по структуре к гармалиновым алкалоидам.
Основные токсические компоненты красного и пантерного мухомо-
ров — иботеновая кислота и мусцимол — стимулируют рецепторы возбу-
ждающих и угнетающих аминокислот соответственно. Иботеновая кис-
лота взаимодействует со всеми подтипами глутаматных рецепторов, но ее
агонистические свойства наиболее селективно проявляются по отноше-
нию к NMDA-рецепторам. Возбуждение этих рецепторов приводит к вы-
раженному повышению двигательной активности с нарушениями регу-
ляции вегетативных функций, судорогами и другим нейротоксическим
проявлениям. Продукт декарбоксилирования иботеновой кислоты мус-
цимол является мощным избирательным агонистом ГАМК-рецепторов,
локализованных преимущественно в ЦНС. Взаимодействие с этим под-
типом рецепторов дает тормозные, угнетающие эффекты, изменяет эмо-
циональное поведение и психическую сферу. Мусказон, стизолобовая и
стизолобиновая кислоты оказывают антихолинергическое действие, яв-
Глава 6. С Яды животного и растительного происхождения Ф 445
ляясь причиной атропиноподобных эффектов, наблюдаемых при отрав-
лении мухоморами. Метилтетрагидрокарболинкарбоновая кислота, по-
добно производным гармалина и гармина, дает галлюциногенный эф-
фект. Подобное сочетание токсических веществ обусловливает пеструю,
неоднородную клиническую картину отравления с широким набором
симптомов, их чередованием, ослаблением или усилением симптомати-
ки. Вариабельность картины интоксикации мухоморами может объяс-
няться значительными колебаниями массового содержания перечислен-
ных токсинов в отдельных грибах в зависимости от их гидратации, места
произрастания и локальных экологических факторов. Имеются сообще-
ния, что ранние летние грибы содержат в 10 раз больше иботеновой кис-
лоты и мусцимола по сравнению с поздними осенними. Различия в ин-
дивидуальной чувствительности также определяют реакцию на грибные
токсины. В силу этих обстоятельств весьма трудно определить количест-
во грибов, способное привести к отравлению. Считается, что 15 мг мус-
цимола, содержащихся в 100 г свежих грибов (2—4 плодовых тела), могут
дать выраженные психоневрологические эффекты.
Токсические эффекты красного и пантерного мухоморов развивают-
ся быстро. Латентный период интоксикации занимает 30—60 мин и
лишь в отдельных случаях достигает 3 ч. Отравление проявляется нару-
шением функций ЦНС и начинается с изменения поведения, обычно в
виде оглушения. У отравившихся появляются атаксия, дизартрия, эйфо-
рия и головокружение. Оглушение сменяется делириозным состоянием
со спутанностью сознания, дезориентацией, визуальными и слуховыми
галлюцинациями. Симптомы возбуждения чередуются с периодами де-
прессии. В этот период интоксикации у пострадавших отсутствует ощу-
щение реальности (в отличие от отравлений псилоцибинсодержащими
грибами), что может быть опасным в смысле неадекватных действий. У
части больных наблюдаются фибриллярные мышечные подергивания,
тремор, возможны судороги. Особенно характерно появление клонико-
тонических судорог у детей. Рвота и понос возможны при тяжелых фор-
мах отравлений. Симптомы, свидетельствующие о вовлечении перифе-
рической холинергической системы, непостоянны, у отравленных
может регистрироваться как умеренная брадикардия с саливацией, так и
тахикардия. Зрачки могут реагировать на действие токсинов как миозом,
так и мидриазом.
Симптомы отравления наблюдаются в течение 6—8 ч и заканчива-
ются глубоким сном, который может продолжаться 10—15 ч. Пробужде-
ние сопровождается ретроградной амнезией. При одномоментном упо-
треблении большого количества пантерных мухоморов проявления
446 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
интоксикации тяжелые с быстрым переходом (в течение 30—60 мин) от
начальных симптомов к глубокой коме без возбуждения и галлюцина-
ций, что требует немедленной интенсивной терапии.
Отравления этими видами мухоморов, как правило, заканчиваются
выздоровлением в течение 24—49 ч, хотя имеются сообщения о единич-
ных смертельных исходах.
Случайные отравления красным и пантерным мухоморами встречаются
относительно редко. Чаще случаются преднамеренные отравления при пе-
редозировке красного и пантерного мухоморов, употребляемых энтерально
для достижения психотомиметического (психоделического) эффекта.
В современной токсикологической практике хорошо отработаны ка-
чественная и полуколичественная методика определения иботеновой
кислоты, мусцимола, стизолобовой, стизолобиновой и метилтетрагид-
рокарболинкарбоновой кислот в плодовых телах этих мухоморов.
Идентификации указанных веществ предшествуют их экстракция 70%
этанолом из гомогенатов грибов, очистка экстракта на анионообмен-
ной смоле и разделение компонентов образцов с использованием бу-
мажной хроматографии, электрофореза или их комбинации. Иботено-
вую кислоту и мусцимол определяют одновременно при одномерном
хроматографировании экстракта на бумаге в системе растворителей бу-
танол-уксусная кислота—вода (12:3:5) с последующей обработкой хро-
матограммы нингидрином. Количественную оценку содержания токси-
нов в образце производят по интенсивности хроматографических зон.
Предел обнаружения составляет 0,3 мкг определяемых веществ в пятне.
Для идентификации иботеновой кислоты и мусцимола используют так-
же менее чувствительные пентацианоферритные реагенты, дающие на
хроматограммах пурпурные пятна.
Разделение и определение стизолобовой и стизолобиновой кислот
осуществляют методом электрофореза при pH 2,0 или двухмерной
хроматографии в системах 1-бутанол—уксусная кислота—вода (12:5:5)
и 2-бутанон—2-бутанол—трет-бутанол—вода (4:8:4:5) с добавлением
0,5% диэтиламина. Детектирование производится с помощью нингид-
рина, дающего устойчивую оранжевую окраску со стизолобовой кис-
лотой и желто-коричневую со стизолобиновой. Обработка изатином
дает обычно розовые пятна.
Анализ мускарина традиционными физико-химическими методами
нецелесообразен вследствие его крайне низкого содержания в плодо-
вых телах и низкой инструментальной чувствительности.
Данные по определению токсинов красного и пантерного мухоморов
в биологических жидкостях крайне ограничены. Описан метод опреде-
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 447
ления мусцимола в моче в виде трифторацетатного производного мето-
дом хромато-масс-спектрометрии. Для анализа стизолобовой и стизоло-
биновой кислот в биологической матрице наиболее перспективным яв-
ляется метод ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием.
3.4. Отравления псилоцибинсодержащими грибами
Индейские племена в Мексике, Центральной и Южной Америке ис-
пользовали псилоцибинпродуцирующие грибы в культовых обрядах и
церемониях с целью получения галлюциногенного эффекта.
К псилоцибинсодержащим относится более 100 видов грибов, наи-
более распространены представители рода Psilocybe semilanceata (Ле-
нинградская область, Дальний Восток), Inocybe corydalina van (Цент-
ральная и Южная Россия) и Panaeolussubbalteatus (Центральная Россия,
Средняя Сибирь).
Грибы рода Psilocybe несъедобны, являются сапрофитами, произра-
стают в лесах, на лугах, болотах, торфе, навозе или поселяются на от-
мерших ветках и стеблях.
Эти грибы собирают летом и осенью. Псилоцибинсодержащие гри-
бы имеют непривлекательные плодовые тела, и грибники-любители их
обычно не берут.
Шляпка этих грибов красновато-желтоватая, сухая или водянистая в
зависимости от места обитания. Пластинки приросшие к ножке либо
слабо нисходящие по ней; споры буро-фиолетового цвета, имеют эл-
липсоидную или зерновидную форму. Покрывало едва заметно, может
отсутствовать ножка хрящеватая.
Основным действующим началом псилоцибинсодержащих грибов
является псилоцибин (4-фосфорилокси-М,М-диметилтриптамин):
Псилоцибин — белое кристаллическое вещество, температура плав-
ления 173—176 °C. Растворяется в воде и разведенной уксусной кислоте.
В галлюциногенных грибах содержится еще одно индольное соеди-
нение — псилоцин (4-окси-М,М-диметилтриптамин), который можно
рассматривать как дефосфорилированный псилоцибин:
448 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ОН
N
Н
сн3
сн3
Механизм действия псилоцибина, как и других психотомиметиков,
остается не выясненным до конца. Однако он во многом напоминает
токсический эффект, возникающий при отравлении ЛСД.
В отличие от ЛСД, симптомы поражения псилоцибином появляют-
ся раньше, его действие более кратковременное, у отравившихся чаще
отмечаются эйфория и выраженные вегетативные расстройства.
Наиболее распространенной теорией, объясняющей механизм ток-
сического действия псилоцибина, является серотониновая, в основе
которой лежит структурное сходство псилоцибина и серотонина.
Псилоцибин — антисеротониновое вещество, приводит к появле-
нию несбалансированной активности нейрональных цепей, связанных
с эмоциональной сферой, а также с обработкой информации, поступа-
ющей от органов чувств.
Доза псилоцибина около 1 мг вызывает у человека опьянение уже че-
рез 20—30 мин после приема, доза до 4 мг — состояние отрешенности от
действительности, а при более высоких дозах (до 12 мг) появляются гал-
люцинации.
Содержание псилоцибина в грибах рода Р. semilanceata, который
наиболее распространен на северо-западе России и в скандинавских
странах, составляет в шляпках 0,74—0,83%, а в ножках — 0,45—0,33%
сухой массы. Наибольшие концентрации псилоцибина выявляются в
молодых грибах. Кроме того, его содержание в грибах может изменять-
ся в зависимости от действия света, повышенной температуры, влаги.
Псилоцибинсодержащие, или «магические», грибы в основном упо-
требляют молодые люди с целью получения наркотического эффекта. В
Дании 3% учащихся высших школ используют псилоцибинсодержашие
грибы, а из 333 опрошенных студентов 9% имеют опыт употребления
этих 1рибов. Это наиболее известные галлюциногенные, психотомиме-
тические средства.
Психической зависимости к галлюциногенам не отмечается, но воз-
можно формирование психологической зависимости, когда их исполь-
зуют для повышения умственной деятельности. Отравления со смер-
тельным исходом встречаются крайне редко.
Глава 6. 0 Яды животного и растительного происхождения 0 449
3.5. Отравления другими видами грибов
Орелановый синдром. Отравление вызывается различными видами гри-
бов из рода паутинник (Cortinarius)-. С. orellanus. С. rubellus, С. genrilis. Гри-
бы этого рода имеют шляпки различного цвета, водянистые, сухие, сли-
зистые, шелковистые, мелкочешуйчатые, гладкие. Пластинки сначала
светлые, затем темнеющие до бурых. Ножка чаще булавовидная, расши-
рена к основанию. Грибы этого рода широко распространены в Европе,
произрастают в хвойных и лиственных лесах, на болотистых, мшистых
местах. Ядовитые свойства паутинников определяются содержанием в
них ореланина и двух циклических пептидов — кортинаринов А и В.
Ореланин — термостабильное биспиридиновос производное, токсиче-
ски действующее на клетки эпителия почечных канальцев. Структура оре-
ланина сходна со структурой гербицида параквата, хотя существенно от-
личается от него по электрохимическим характеристикам. Кортинарины
А и В также обладают нефротоксическими свойствами. Нефротоксич-
ность увеличивается в условиях активации метаболических процессов, на-
пример, при предварительном введении фенобарбитала, индуцирующего
цитохром Р450. Токсины, вызывающие орелановый синдром, достаточно
долго сохраняются в организме и определяются в плазме в концентрации
6—12 мкг/мл через 10 дней после употребления грибов в пищу.
Клиническая картина отравления этими грибами развивается после
инкубационного периода и включает в себя в основном признаки ост-
рого канальцево-интерстициального нефрита.Через 36 ч после употреб-
ления грибов возникают боли в желудке, головная боль, озноб, жажда,
олигурия, затем сменяющаяся анурией. Острая почечная недостаточ-
ность может развиваться через 30 ч—17 дней от начала интоксикации,
исход ореланового синдрома может быть очень различным. Некоторым
пациентам требуется постоянное лечение с помощью гемодиализа.
Ореланин идентифицируют в образцах грибов и в биосредах челове-
ка с помощью методов ТСХ и ВЭЖХ.
Мускариновый синдром. Мускарин в высоких концентрациях опреде-
ляется в некоторых видах грибов рода волоконница (Jnocybe) и рода го-
ворушка (Clitocybe), особенно в волоконнице Патуйяра (/. patouillardii).
Волоконница Патуйяра имеет шляпку диаметром 3—8 см, колоколь-
чатой формы, ярко окрашенную, красноватую, с бугорком посередине.
Пластинки приросшие, широкие, розовые, затем коричневые с красно-
ватыми пятнами. Ножка одного цвета со шляпкой, но более светлая,
ровная, к основанию вздутая. Растет в лиственных и хвойных лесах с ав-
густа по сентябрь.
450 Q Часть 4. Q Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
В 100 г свежего плодового тела этого гриба может содержаться до 240
мг ареколина, т.е. больше смертельной дозы для взрослого человека.
Интоксикация волоконницами и говорушками проявляется муска-
риновым синдромом, обусловленным перевозбуждением центральных
и периферических М-холинорецепторов. Симптомы отравления (сали-
вация, слезотечение, выраженная потливость, тошнота, рвота, боли в
животе и понос) развиваются в течение 30—60 мин после употребления
грибов. Кроме того, у больных наблюдаются миоз, нарушение аккомо-
дации, брадикардия, в тяжелых случаях возможны бронхоспазм и гипо-
тония. Продолжительность отравления от 6 до 24 ч.
Паксилюсный синдром. После употребления в пищу грибов, относя-
щихся к роду свинушка (Paxillus involutus), развивается паксилюсный
синдром. Шляпка этого гриба диаметром 6—18 см, сначала выпуклая,
затем плоская, в центре воронковвдно вдавленная, с завернутым вниз
краем, желтовато-буроватая или бурая. Мякоть рыхлая, желтоватая,
на разрезе темнеющая. Пластинки желтоватые, желтовато-буроватые,
при прикосновении темнеющие. Ножка 4—9 см длиной, 1—2 см тол-
щиной, цилиндрическая, сплошная, гладкая. Широко распростране-
на в лесах, у оснований стволов, на муравейниках, обычно грибы рас-
тут большими группами. Нередко встречаются у жилья, в садах и
парках.
Токсин или антиген, вызывающий паксилюсный синдром, не иден-
тифицирован. Полагают, что продукты окисления токсинов обуслов-
ливают коричневую окраску грибов. Интоксикация развивается через
1—2 ч после употребления грибов и проявляется желудочно-кишечны-
ми расстройствами.
3.6. Грибы как носители экзотоксинов
Являясь гетеротрофами, грибы усваивают из почвы питательные ве-
щества и вместе с ними могут накапливать в плодовых телах некоторые
опасные для здоровья человека элементы. Это свойство делает грибы
чувствительными экологическими индикаторами загрязнения окружа-
ющей среды наряду со мхами и лишайниками.
Особенно опасно для человека накопление в грибах тяжелых ме-
таллов, которых много в почве вблизи промышленных предприятий,
теплоэлектростанций, автомобильных и железных дорог. Свинец, тал-
лий, а также мышьяк не накапливаются в грибах селективно, и поэто-
му их концентрация в плодовых телах грибов, как и в овощах и фрук-
тах, находится в прямой зависимости от содержания этих элементов в
соответствующих участках почвы. Кадмий способен избирательно ак-
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения 0 451
кумулироваться в некоторых видах шампиньонов: шампиньоне обык-
новенном (Agaric us campeSter), шампиньоне лесном (A. silvaricus), шам-
пиньоне полевом (A. arvensis), достигая концентрации 50 мг/кг сухой
массы, что соответствует коэффициенту кумуляции 50—300 по отно-
шению к окружающей почве. При концентрации в воде или пище бо-
лее 15 мг/кг возможно проявление острой токсичности кадмия, а при
постоянном многолетнем потреблении его в количестве 350 мкг в день
возможны деформации скелета и повреждение почечной паренхимы.
Однако не следует преувеличивать опасность случайного употребле-
ния в пищу умеренно контаминированных кадмием грибов, посколь-
ку только 3—8% этого металла абсорбируется при приеме внутрь.
Некоторые грибы способны селективно накапливать в себе ртуть. В
частности, высокий уровень этого металла возможен в грибах семейст-
ва рядовковых (Tricholo-mataceae), шампиньоновых (Agaricaceae), дож-
девиков (Lycoperdales).
В плодовых телах белого гриба (Boletus edulis), калоцибу майского
(Calocybe gambosa) и съедобных видов рядовок (Lepista) уровень ртути
может превышать 10 мг/кг сухой массы (соответственно 1 мг/кг влаж-
ной массы), а пороговая доза, по данным ВОЗ, составляет около 0,3 мг
в день. Концентрация железа, кобальта, марганца в грибах обычно ни-
же, чем в зеленых растениях, а содержание меди, свинца, цинка и сере-
бра обычно такое же, как в окружающих почвах.
Определенные грибы способны аккумулировать радионуклиды. По
накоплению радионуклидов грибы сильно различаются. Радионуклиды
особенно накапливаются в свинушках, моховике желто-буром, поль-
ском грибе, сыроежках и лисичках и в белом грибе. За аккумуляцию ра-
диоактивности в грибах ответственны полициклические пигменты ба-
дион и норбадион, придающие шляпке гриба коричневый цвет. Эти
пигменты образуют комплексы с 40К и особенно с 137Cs. Грибы с ярки-
ми шляпками более интенсивно аккумулируют радиоактивные вещест-
ва, чем грибы со светлой шляпкой. В среднем удельная активность ра-
дионуклидов в грибах в 10—30 раз выше, чем в овощах и фруктах,
причем она выше в грибах, растущих в хвойных лесах, по сравнению с
грибами, собранными в лиственных лесах, в полях и на лугах.
3.7. Судебно-химическая диагностика отравлений грибами
Для идентификации токсинов бледной поганки используют хромато-
графию на бумаге и спектрофотометрию, хроматографию в тонком слое
силикагеля, ВЭЖХ, радиоиммунный метод. Отравление бледной поган-
кой диагностируется по увеличению содержания серебра в печени.
452 0 Часть 4. 0 Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
При выборе качественных реакций учитывают прежде всего химиче-
ское строение токсинов наиболее распространенных ядовитых грибов.
Необходимы определение концентрации токсинов и ее выражение в
виде тех или иных индексов. Такой подход дает возможность оценить с
точки зрения токсичности и съедобные грибы.
Изолирование грибных токсинов из грибов. 5 г измельченного гриба
растирают в ступке с 50 мл 96% этанола. Смесь фильтруют. К фильтрату
добавляют по 20 мл воды и хлороформа и встряхивают 1—2 мин. Ниж-
ний слой отделяют и испаряют в фарфоровой чашке при комнатной
температуре досуха. Остаток растворяют в 5 мл 96% этанола.
Идентификация производных холина и индола. Капли извлечения на-
носят на пластинку «Сорбфил». После испарения растворителя добав-
ляют каплю реактива Драгендорфа в модификации Дельвиче. В присут-
ствии производных холина и индола появляется оранжевое пятно.
Каплю извлечения испаряют на предметном стекле. Остаток растворя-
ют в капле 0,1 н. соляной кислоты и добавляют каплю раствора соли
Рейнеке. В присутствии производных холина и индола возникают кри-
сталлы в виде пластинок и шариков.
Идентификация фенолов. Каплю извлечения испаряют в фарфоровой
чашке. Остаток растворяют в капле воды и добавляют каплю 5% раство-
ра хлорного железа. В присутствии фенольных соединений возникает
зеленое окрашивание. К остатку после испарения капли извлечения до-
бавляют 2 капли 2% раствора 4-аминоантипирина, 5 капель 10% раство-
ра аммиака и 5 капель 2% раствора феррицианида калия. В присутствии
фенольных соединений появляется красное окрашивание.
Идентификация ароматических аминов. После испарения капли извле-
чения к остатку добавляют каплю диазотированного о-дианизидина и ка-
плю 30% раствора едкого натра. В присутствии ароматических аминов
возникает красное окрашивание. Фенолы дают коричневое окрашивание.
Идентификация производных гидразина. После испарения капли извле-
чения к остатку добавляют 5 капель раствора ванил ина в концентрирован-
ной серной кислоте. В присутствии производных гидразина появляется
красно-фиолетовое окрашивание, особенно яркое при исследовании ядо-
витых грибов.
Идентификация свинца и серебра. 1 г гриба тщательно измельчают, до-
бавляют 5 мл концентрированной азотной и 2 мл концентрированной
серной кислоты. Смесь кипятят до прекращения выделения окислов
азота и появления тяжелых белых паров окислов серы, а затем разбавля-
ют водой до 5 мл. Идентификацию свинца и серебра в минерализате
проводят по методу А. Н. Крыловой. К 2 мл минерализата добавляют 1 мл
Глава 6. О Яды животного и растительного происхождения (> 453
10% раствора хлорида гидроксиламина и 25% раствор аммиака до pH 8,0.
Добавляют 3 мл хлороформа и 3 капли 0,01 % раствора дитизона в хлоро-
форме. В присутствии свинца нижний слой окрашивается в красный
цвет. К 2 мл минерализата добавляют 2 мл 0,01% раствора дитизона в
хлороформе. В присутствии серебра нижний слой окрашивается в жел-
тый цвет, исчезающий от добавления 18% серной кислоты.
Определение металлов в грибах проводят методами ААС или АЭС-
ИСП (см. ч. 3 гл. 2).
Определение алкалоидных веществ (холиновый индекс). Суммарную кон-
центрацию алкалоидных веществ определяют фотоэлектроколориметри-
ческим методом, применяемым для определения тропапина. Сначала
строят калибровочный график в интервале от 20 до 200 мкг ацетилхолин-
хлорида в 5 мл 0,01 М соляной кислоты. Шаг 20 мкг. К 5 мл каждой стан-
дартной пробы добавляют 10 мл хлороформа, 0,5 мл раствора бромтимоло-
вого синего и 10 мл фосфатного буфера pH 7,6. Смесь встряхивают 3 мин.
Нижний слой отделяют. Операцию повторяют еще 2 раза. Хлороформные
слои объединяют и 2 раза встряхивают с 15 мл 0,01 М едкого натра. Объем
щелочных извлечений доводят до 50 мл раствором едкого натра. Абсорб-
цию определяют спектрофотометрически (X = 610—620 нм). Закон Буге-
ра—Ламберта—Бера соблюдается в интервале от 20 до 400 мкг. Для опреде-
ления концентрации алкалоидных веществ 1 мл извлечения испаряют в
токе горячего воздуха. Остаток растворяют в 5 мл 0,01 М соляной кислоты.
Определение ароматических аминов (анилиновый индекс). Исследование
проводят фотоэлектроколориметрическим методом. К 5 мл каждой стан-
дартной пробы добавляют 0,3 мл 0,2 М соляной кислоты, 0,3 мл 20% рас-
твора нитрата натрия и 0,3 мл 0,1% раствора 1-нафтола в 1 М едком на-
тре. Абсорбцию определяют на фотоэлектроколориметре (X =550 нм).
Закон Бугера—Ламберта—Бера соблюдается в интервале от 10 до 500 мкг.
Для определения содержания ароматических аминов 1 мл извлечения ис-
паряют в фарфоровой чашке в токе горячего воздуха. Остаток растворя-
ют в смеси 5 мл воды и 0,3 мл 0,2 М соляной кислоты. Раствор кипятят
1 мин, охлаждают и далее исследуют так же, как при построении калибро-
вочного графика. Концентрацию выражают в микрограммах в 1 г гриба.
Определение фенольных веществ (фенольный индекс). Исследование
проводят методом фотоэлектроколориметрии. График строят в интер-
вале от 10 до 100 мкг фенола в 10 мл воды. Шаг 10 мкг. К 10 мл каждой
стандартной пробы добавляют 0,3 мл 1% раствора 4-аминоантипирина,
0,1 мл 10% раствора аммиака и 0,2 мл 1% раствора феррицианида калия.
Смеси перемешивают и измеряют абсорбцию (X =550 нм). Закон Буге-
ра—Ламберта—Бера соблюдаеся в интервале от 10 до 500 мкг.
454 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Приведенные в табл. 3 данные свидетельствуют, что наиболее специ-
фичной для ядовитых грибов является реакция с реактивом Драгендор-
фа в модификации Дельвиче, ванилином, хлорным железом и 4-амино-
антипирином. Реакции с двумя последними реактивами положительны
для свинушки. Высокие концентрации алкалоидных веществ и арома-
тических аминов определялись во всех ядовитых грибах, кроме сви-
нушки.
Токсинов больше в перезревших съедобных грибах, поэтому их ток-
сичность можно связать со сроками сбора грибов.
Хроматография в тонком слое сорбента. Для идентификации муска-
рина и холина используется хроматография на бумаге, но хроматогра-
фия в тонком слое сорбента обладает значительно более высокими раз-
решающими возможностями. На стартовые линии двух пластинок
«Сорбфил» наносят каплю исследуемого извлечения и по 1 капле мет-
чиков-извлечений из заведомо известных ядовитых грибов. Пластинки
хроматографируют в системе хлороформ—метанол—5 н. уксусная кис-
лота (35:14:1). Длина пути фронта растворителя 8 см. Пластинки высу-
шивают на воздухе. Одну из них опрыскивают раствором FPN [смесь
5% раствора хлорида железа (III), 20% хлорной кислоты и 50% азотной
кислоты в соотношении 1:9:10] и 1% раствором калия гексацианофер-
рата (III). В присутствии грибных токсинов появляются синие пятна.
Другую пластинку опрыскивают 0,1% раствором бромфенолового сине-
го. Грибные токсины дают желтые пятна. Значения Rf окрашенных пя-
тен приведены в табл. 4, из которой видно, что ядовитые грибы можно
дифференцировать по количеству пятен и значению Rf. Использование
двух проявителей повышает достоверность диагностики.
Исследование биологического материала. При отравлении грибами на
судебно-химическое исследование могут быть направлены грибы, взя-
тые на месте происшествия, кровь, моча, промывные воды желудка,
внутренние органы умершего. Разработаны следующие методики:
1. Изолирование токсинов из грибов (описано выше).
2. Изолирование токсинов из биологических жидкостей. К 5 мл кро-
ви, 50 мл мочи и 50 мл промывных вод добавляют равный объем смеси
хлороформа с 96% этанолом (4:1) и встряхивают 1 мин. Нижние слои
отделяют, испаряют в токе теплого воздуха. Остатки растворяют в 1 мл
96% этанола.
3. Изолирование токсинов из внутренних органов. 50 г измельченно-
го органа (желудок, тонкая кишка, печень, почка) заливают 100 мл 96%
этанола и оставляют на 2 ч при перемешивании. Затем смесь центрифу-
гируют 20 мин при 3000 об/мин. Центрифугат отделяют, добавляют по
Глава 6. <> Яды животного и растительного происхождения 0 455
В ё 1 U5 S в. X 2 Ё хопиновый анилиновый фенольный 5 5 0 5 5 0 ООО ООО 10 25 0 10 25 10 5 10 0 0 5 0 5 5 0 0 5 0 0 5 0 0 25 0 0 5 0 70 50 0 60 40 0 50 40 0 50 45 0 50 50 0 50 50 0 0 5 80 ииательная (-).
О к X 2 X РЗ О ts ш р= о 2 » К ! к £ о с _ 1 -А 11 h и 5 i Съедобные грибы + + - + + + + + + + + + + +++ + Ядовитые грибы +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ ++ +), положительная (++), резко положительная, (+++>, отр
’X S х У Sg U1 £ Л f I 11 I « 3 1 5 + + + 4- 4- + л b»»* + +<i+'*'» 4- + 4- + 4- + 1 + 4-4-4-4-4- Е
2 2 feg S х £3* ©-• S rt 1 £ I ’К Ё £ « § S В 5 Й Я tt ® 6 S S Й я g & О О g 9 ° к ;S « « 8 § £ ? з & ’§ 3 3 В °- Д 8 t | I 5 В § i i f s 14 § j Hl ё i IВ |H§|ssc ww^Sc^ocSoefi'fci w S в; ca и п и
456 0 Часть 4. QХимико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 4. ЗНАЧЕНИЯ Rf КОМПОНЕНТОВ НЕКОТОРЫХ ЯДОВИТЫХ ГРИБОВ
Гриб Значение Rf при проявлении
FPN (FeC13 + НС1О4 + HNO3), K3[Fe(CN)6] бромфеноловым синим
Бледная поганка 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 0,5; 0,7
Мухомор 0,15; 0,22 0,07; 0,4
Шампиньон желтокожий 0,22; 0,32; 0,9 0,05; 0,7; 0,6
Ложный опенок серо-желтый 0; 0,15; 0,9 0,07; 0,6
Лепиота гребенчатая 0; 0,2; 0,42; 0,6 0,04; 0,6
Волоконница волокнистая 0,15;0,3 0,1; 0,3
100 мл воды и хлороформа. Смесь встряхивают. Нижний слой отделяют
и испаряют. Остаток растворяют в 1 мл 96% этанола.
4. Идентификация токсинов. Используют описанные выше реакции
с реактивом Драгендорфа в модификации Дельвиче с хлорным желе-
зом, аминоантипирином, диазотированным о-дианизидином и ванили-
ном, а также хроматографируют в тонком слое сорбента. По совокупно-
сти результатов делают заключение о присутствии токсинов бледной
поганки, мухомора, шампиньона желтокожего, ложного опенка серо-
желтого, лепиоты, волоконницы или свинушки.
ГЛАВА 7. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИИ
Ключевые моменты:
• Явление радиоактивности, основные характеристики радиоактив-
ного распада.
• Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.
• Методы измерения ионизирующего излучения.
• Механизмы воздействия ионизирующего излучения на биологи-
ческую ткань.
• Медицинские последствия радиационного воздействия.
• Нормы радиационной безопасности.
• Естественный радиационный фон.
• Техногенный радиационный фон.
• Медицинское облучение.
• Проблема радиационного риска.
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 457
1. Основные понятия
Радиоактивные материалы входят во все объекты природной среды
планеты. В организме человека присутствуют незначительные количе-
ства радиоактивных веществ. Естественный радиационный фон являет-
ся постоянным фактором развития живых организмов. Однако природа
не наделила человека органами чувств, способных реагировать на иони-
зирующее излучение.
Со дня открытия явления радиоактивности прошло немногим более
100 лет. В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель обнаружил на
фотопластинках следы неизвестного излучения. Он предположил, что
излучение это исходит от урана, содержащегося в минерале, кусками
которого были придавлены фотопластинки. Глубокие и тщательные ис-
следования этого явления выполнили супруги Мари и Пьер Кюри, ко-
торые и ввели в обиход слово «радиоактивность». В 1898 г. они обнару-
жили появление в уране в процессе радиоактивного распада новых
химических элементов, в частности, они открыли новые элементы, на-
званные полонием и радием. Открытию Беккереля и исследованиям су-
пругов Кюри предшествовало великое событие в научном мире — от-
крытие в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном нового
вида ионизирующего излучения, названного рентгеновскими лучами. О
биологическом действии радиации в то время ничего не было известно,
хотя Беккерель получил ожог кожи, положив пробирку с радием в кар-
ман. Мари Кюри умерла от злокачественного заболевания крови, вы-
званного, как предполагают, воздействием радиации. Более 300 ученых,
изучавших радиоактивность и рентгеновское излучение в первые годы,
умерли в результате облучения.
Термин «ионизирующее излучение» (радиация) означает вид излуче-
ния, который при прохождении через вещество вызывает образование
ионов. Ионизирующее излучение (ИИ) может возникать в установках,
созданных человеком (например, рентгеновские трубки, ускорители,
реакторы), либо при распаде радиоактивных элементов (явление радио-
активности) естественного и искусственного происхождения. Обладая
высокой начальной энергией, ИИ при прохождении через вещество су-
щественно изменяет состояние атома: происходит отрыв электрона от
атома (ионизация) или перевод электрона с ближайшей к ядру оболоч-
ки на более удаленную (возбуждение). Единицей энергии ИИ обычно
служит электрон-вольт (эВ). Численно он равен энергии, приобретае-
мой электроном при прохождении электрического поля с градиентом
напряжения в 1 Вольт. ИИ обладает, как правило, высокими энергиями
458 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
в тысячи (кэВ) и миллионы (МэВ) электрон-вольт. На каждый акт ио-
низации или возбуждения в воздухе расходуется в среднем 34-35 эВ.
Основными характеристиками радиоактивного вещества являются
его активность и мощность дозы излучения. Активность радиоактивного
вещества (радиоактивность, активность) — это число спонтанных рас-
падов радионуклида в единицу времени. Единицами измерения радио-
активности вещества являются беккерель (Бк) в Международной систе-
ме единиц СИ и кюри (Ки — внесистемная единица): 1 Бк = 1 распад/с;
1 Ки = 3,7 • 1010 распад/с; 1 Ки = 3,7 • 1010 Бк.
Каждый радионуклид обладает собственной скоростью распада, ха-
рактеризуемой периодом полураспада (tj/2), т.е. временем, за которое
распадается в среднем половина всех ядер данного радионуклида. Этот
процесс продолжается непрерывно до полного распада в соответствии с
экспоненциальной зависимостью:
A(t) = Ао.ехр(-О,693 t/t1/2),
где A(t) — активность вещества в текущий момент времени t; А() — ак-
тивность вещества в начальный момент времени; Ц/2 — период полу-
распада радионуклида.
В процессе распада радионуклиды превращаются в другие элементы
(радиоактивные или стабильные), образуя так называемые цепочки ра-
диоактивного распада. Цепочка распада радиоактивного урана-238 (238U):
238Ц, Ц/2 = 4,5 млрд лет (а-излучение) -* 234Th, 24,1 сут (0) -* 234Ра,
1,2 мин (0) -» 234Ц, 245 тыс. лет (а) -» 23«Th, 230,8 тыс. лет (а) -» 226 Ra,
1,6 тыс. лет (а) -» 222Rn, 3,8 сут (а) -» 218Ро, 3,1 мин (а) -* 214РЬ, 26,8
мин (0) — 2i4Bi, 19,7 мин (0) — 214ро, 0,000164 с (а) -» 2'»РЬ, 22,3 года
(0) -» 21t)Bi, 5,0 сут (0) -» 2||)Ро, 138,4 сут (а) -> 20бро (стабильный изотоп).
При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и пере-
дается в виде излучения окружающей среде. Степень воздействия ИИ
на облучаемую среду (органы и ткани) оценивается поглощенной дозой
(ПД). ПД представляет собой отношение количества, переданного ве-
ществу энергии к единице его массы. Количество переданной энергии
зависит от уровня ионизации вещества: чем больше атомов вещества
ионизируется, тем больше энергии поглощается в веществе. Средняя
доза в органе или ткани — отношение полной энергии, поглощенной в
органе или ткани, к его массе, независимо от вида и энергии ИИ. В ка-
честве единицы ПД в СИ принят 1 грей (Гр), что соответствует поглоще-
нию в среднем 1Дж (107 эрг) энергии ИИ в массе вещества в 1 кг. Ранее
(порой и сейчас) использовалась внесистемная единица поглощенной
энергии 1 рад: 1 рад =100 эрг/г = 10“2 Дж/кг = 10*2 Гр.
Глава 7. Q Токсическое действие радиации О 459
Поглощенная доза ИИ является основной физической величиной,
определяющей степень радиационного воздействия (мерой ожидаемых
последствий облучения) объектов живой и неживой природы. Измене-
ние поглощенной дозы в единицу времени называется мощностью по-
глощенной дозы (МПД). В СИ единицей МПД является 1 Гр/с = 1
Дж/с • кг = 1 Вт/кг (внесистемная единица МПД I рад/с). Следует отме-
тить, что поглощенная доза характеризует не само излучение, а его воз-
действие на среду, поэтому при использовании понятия «поглощенная
доза» следует обязательно указывать, к какой среде это относится. На-
пример, если речь идет о дозе, поглощенной в мягких биологических тка-
нях (мышцах) стандартного человека, то это означает ткань с плотностью
1 г/см3 и составом: водород 10,1%, азот 2,6%, кислород 76,2%. Поглощен-
ную дозу можно оценить по эффектам, которые возникают в веществе в
процессе взаимодействия с ИИ. Однако, когда речь идет о тканях живо-
го организма, поглощенная доза не является однозначным показателем
эффектов, поскольку не учитывает специфику взаимодействия ИИ раз-
личного типа с тканями и органами и индивидуальную чувствительность
отдельных органов. В этих случаях используются различные модифици-
рующие коэффициенты и дополнительные дозовые единицы
ИИ может быть корпускулярным и электромагнитным. К первому ти-
пу относятся альфа-излучение, бета-излучение, нейтроны, продукты
деления тяжелых ядер, ко второму — гамма-излучение и тормозное из-
лучение. Гамма-излучение, как правило, сопутствует другим видам
ядерных превращений. Например, порой испускание корпускулярного
излучения не приводит к полному снятию возбуждения атома, и тогда
он дополнительно выбрасывает порцию чистой энергии в виде гамма-
излучения. Примером тормозного излучения является рентгеновское
излучение, возникающее при торможении ускоренных электронов в
электроде рентгеновской трубки.
По взаимодействию со средой ИИ делятся на непосредственно и ко-
свенно ионизирующие. К первым относятся потоки заряженных час-
тиц: альфа, бета, протонов, тяжелых ионов, ко вторым — электромаг-
нитное и нейтронное излучения, а также продукты ядерных реакций, не
имеющие заряда (мезоны, пионы и др.). При прохождении через веще-
ство ионизирующее излучение непосредственно взаимодействует с
электронами атомов среды и передает им свою энергию малыми порци-
ями, производя ионизацию, или возбуждение. Минимальная толщина
вещества, необходимая для полного поглощения энергии заряженной
частицы, определяется величиной линейного пробега. Линейный пробег
заряженной частицы данной энергии в различных веществах обратно
460 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
пропорционален количеству электронов в поглощающей среде, т.е.
плотности вещества. Средний пробег заряженных частиц, выраженный
в массе вещества на единицу площади, практически одинаков для боль-
шинства элементов.
По мере прохождения заряженной частицы через вещество ее ско-
рость, а следовательно, и энергия, уменьшаются, в результате чего воз-
растает вероятность взаимодействия с электронами атомов среды. Со-
ответственно возрастают значения линейных передач энергии (Л ПЭ)
вдоль пробега частицы, т.е. плотность ионизации достигает максимума
в конце пробега. Чем больше масса и заряд частицы, тем более интен-
сивно происходит передача энергии веществу. Важно отметить, что
ЛПЭ существенно определяет биологические эффекты при воздейст-
вии ионизирующего излучения непосредственно на живую материю.
Альфа-частицы — ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух
нейтронов. В природе их источниками являются ядра тяжелых радиоак-
тивных элементов (см. выше цепочку радиоактивного распада урана-
238). Кроме того, альфа-частицы образуются во многих ядерных реак-
циях, инициированных различными частицами. Энергия альфа-частиц
в процессе естественного распада радионуклидов находится в диапазо-
не от 4 до 9 МэВ, пробег в воздухе составляет 8—9 см, а в мягкой биоло-
гической ткани — около 100 мкм. Полная ионизация, создаваемая аль-
фа-частицами на всем пути в среде, составляет примерно 120—250 тыс.
пар ионов, а удельная ионизация — от 25 тыс. до 60 тыс. пар ионов на
1 см пути в воздухе.
При бета-распаде ядра испускаются бета-частицы с непрерывным
спектром энергий, поскольку избыточная энергия ядер по-разному рас-
пределяется между продуктами распада — бета-частицей и нейтрино.
Для каждого радионуклида характерна определенная максимальная
энергия бета-спектра. Для известных в настоящее время радионуклидов
значение максимальной энергии бета-спектра находится в диапазоне от
нескольких десятков килиэлектрон-вольт до 3—3,5 МэВ. Пробег бета-
частиц в воздухе составляет 22 см для 14С (Емах = 0,155 МэВ) и 1400 см
для 42К (Емах = 3 ,58 МэВ), пробег в мягкой ткани — 0,02 и 1,9 см соот-
ветственно. Удельная ионизирующая способность бета-частиц в сотни
раз меньше, чем альфа-частиц, и составляет несколько десятков пар ио-
нов на 1 см пробега в воздухе, существенно возрастая к концу пробега.
Косвенно ионизирующее излучение (фотоны) в диапазоне энергий ниже
порогов ядерных реакций при прохождении через вещество взаимодей-
ствует в основном с электронами. В каждом акте взаимодействия элект-
рону передается либо часть энергии (некогерентное рассеяние), либо вся
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 461
энергия (фотоэлектрическое поглощение). При взаимодействии с элек-
трическим полем атомных ядер среды фотон аннигилирует с образова-
нием пары электрон—позитрон. Этот процесс возможен при энергии
фотона, превышающей 1,02 МэВ, т.е. энергии, соответствующей сумме
масс покоя электрона и позитрона. Возникшие вторичные электроны и
производят ионизацию. Следовательно, ионизация происходит не в пер-
вичных актах взаимодействия фотонов с веществом, а в результате пере-
дачи энергии веществу вторичными заряженными частицами.
Взаимодействие нейтронов с веществом существенно отличается от
взаимодействия заряженных частиц и фотонов. Нейтроны любых энер-
гий взаимодействуют с ядрами атомов вещества. Один из типов взаимо-
действия — упругое рассеяние. При этом ядра атомов, получившие
часть энергии нейтрона, отрываются от атома и, будучи положительно
заряженными, производят ионизацию при своем движении в веществе.
Этот процесс характерен в основном для нейтронов с энергией более
200 кэВ. Кроме того, возможен захват нейтронов ядрами атомов с воз-
никновением нестабильных атомов и с протеканием в последующем
ядерных реакций, сопровождаемых вылетом заряженных частиц, гам-
ма-излучения, а также делением ядра. В результате деления образуются
радионуклиды, изначально не входившие в состав данного вещества.
При взаимодействии косвенно ионизирующего излучения с веществом
наблюдается одна существенная особенность. Образованные в процес-
се взаимодействия вторичные заряженные частицы могут произвести
ионизацию не только в том элементарном объеме, где они возникли, но
и вне его. Это означает, что для косвенно ионизирующего излучения
энергия, переданная элементарному объему вещества, не всегда равна
энергии, поглощенной в этом объеме.
Для измерении доз и мощностей доз ионизирующих излучений ис-
пользуют дозиметрические приборы. Система измерений с последую-
щим анализом результатов, исследованием и расчетом характеристик
излучений, от которых зависят радиационные эффекты в облучаемых
объектах, называется дозиметрией. Первоначальное развитие дозимет-
рии определялось главным образом необходимостью защиты от рентге-
новского излучения и гамма-излучения естественных радиоактивных
веществ. С развитием атомной промышленности и энергетики, ускори-
тельной техники, производства радионуклидов появились мощные ис-
точники излучения, поэтому применение дозиметрии распространи-
лось на службу радиационной безопасности, радиационную биологию
и медицину, радиационную химию, ядерную физику, радиационную
технологию и т.п.
462 Q Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Дозиметрические приборы схематически состоят из детектора и изме-
рительного устройства. В зависимости от типа детекторов дозиметриче-
ские приборы делятся на газоразрядные (ионизационная камера, про-
порциональный счетчик, счетчик Гейгера), радиолюминесцентные
(сцинтилляционные, термо- и фотолюминесцентные), полупроводни-
ковые, фотохимические, химические и калориметрические.
Газоразрядный метод дозиметрии основан на измерении ионизации
газа, заполняющего объем регистрирующей камеры-детектора. Одним
из таких детекторов является ионизационная камера, представляющая
собой заполненный газом электрический конденсатор, к электродам
которого приложена разность потенциалов. При прохождении регист-
рируемых частиц через камеру в ней образуются электроны и ионы, ко-
торые собираются на электродах. В электрической цепи камеры возни-
кает ток, фиксируемый измерительным прибором. Ионизационная
камера — один из самых старых детекторов. Благодаря простоте и на-
дежности ее продолжают использовать в дозиметрии.
Пропорциональный счетчик и счетчик Гейгера отличаются от иони-
зационной камеры тем, что в них при воздействии излучения происхо-
дит лавинная ионизация газа в результате многократных актов иониза-
ции, обусловленных высоким напряжением электрического поля.
Пропорциональные счетчики способны измерять как интенсивность
излучении, так и его энергию, счетчик Гейгера измеряет интенсивность.
Газоразрядные счетчики широко применяются в системе радиационно-
го контроля, в ядерной физике, физике высоких энергий, астрофизике,
геологии и др.
В сцинтилляционном счетчике детектором является вещество, лю-
минесцирующее под воздействием заряженных частиц. Заряженная ча-
стица, проходя через сцинтиллятор, помимо ионизации, производит
возбуждение атомов и молекул. Возвращаясь в основное состояние, они
испускают фотоны, которые регистрируются фотоумножителями. Све-
товой выход сцинтиллятора пропорционален поглощенной в нем энер-
гии, что позволяет использовать его в качестве спектрометра. Детекто-
рами в сцинтилляционных счетчиках могут быть твердые вещества
(кристаллы и пластики), жидкости и газы; конфигурация детекторов и
их физические характеристики зависят от условий и требований изме-
рений. Это позволят применять их практически во всех работах, связан-
ных с ионизирующим излучением.
Некоторые люминесцентные вещества могут накапливать часть
энергии поглощенного ионизирующего излучения и отдавать ее в виде
светового свечения после дополнительного воздействия ультрафиоле-
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 463
товыми лучами или видимым светом (фотолюминесцентная дозимет-
рия — ФЛД), либо нагреванием (термолюминесцентная дозиметрия —
ТЛД). Такие люминофоры удобны в качестве индивидуальных дозимет-
ров для рентгеновского излучения и гамма-излучений, нейтронов и бе-
та-частиц. Оба типа дозиметров обеспечивают многократное действие.
Преимущество ТЛД по сравнению с ФЛД состоит в более широком ли-
нейном диапазоне измерения дозы излучения.
В полупроводниковом дозиметре в качестве детектора используется
кристалл полупроводника. Регистрируемое излучение генерирует в кри-
сталле дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары,
которые под действием электрического поля перемещаются к электро-
дам. Возникающий в цепи электрический импульс усиливается и реги-
стрируется. Полупроводниковые приборы используют в спектрометрии
ионизирующего излучения различного типа и широкого диапазона
энергий: от мягкого рентгеновского излучения до тяжелых частиц с
энергией 20 МэВ и выше.
Фотохимический метод дозиметрии основан на измерении почерне-
ния эмульсии, вызванного облучением и зависящего от поглощенной
дозы. Потемнение проявленной пленки сравнивается с эталонными об-
разцами, потемнение которых соответствует определенной дозе. Фото-
пленочные дозиметры пригодны для измерения рентгеновского излуче-
ния и гамма-излучений в диапазоне энергий 30 кэВ—5 МэВ.
Специальные ядерные эмульсии позволяют регистрировать треки заря-
женных частиц.
Химический метод дозиметрии основан на измерении числа моле-
кул или ионов, образовавшихся или претерпевших изменения при по-
глощении веществом ионизирующего излучения. Радиационно-хими-
ческий выход (число образовавшихся молекул или ионов)
пропорционален поглощенной дозе излучения. Многие химические до-
зиметры представляют собой водные растворы некоторых веществ, на-
пример, ферросульфатный дозиметр — насыщенный воздухом раствор
FeSC>4 в разбавленной серной кислоте. Используют также растворы ве-
ществ, меняющих цвет в результате окислительных или восстанови-
тельных реакций с продуктами радиолиза воды. Кроме водных раство-
ров, в химических дозиметрах применяют водные гели желатина или
агар-агара с красителями, меняющие свой цвет. В химической дозимет-
рии нашли применение полимерные материалы и различные органиче-
ские соединения с красителями, например, тонкая поливинилхлорид-
ная пленка с голубым метиленовым красителем, стекла, меняющие под
действием радиации прозрачность или цвет.
464 Ф Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Поглощение ионизирующего излучения веществом вызывает его
нагревание. Поскольку нагревание теплоизолированного тела пропор-
ционально поглощенной дозе излучения, тепловой метод является
единственным прямым абсолютным методом измерения дозы. Погло-
титель излучения помещают в калориметр (изотермические и адиаба-
тические калориметры). Чувствительность теплового метода низка: до-
за в несколько грей повышает температуру поглотителя лишь на
тысячные доли градуса. Такие приборы используются в очень мощных
полях излучения.
В системе дозиметрического контроля внутреннего облучения чело-
века особое место занимают счетчики излучения человека — СИЧ, ра-
ботающие в режиме и счетчика, и спектрометра. Они позволяют прово-
дить прямые измерения содержания радионуклидов в организме
человека и оценивать дозы. Метод СИЧ можно использовать для изме-
рения рентгеновского излучения и гамма-излучений, а также высоко-
энергетических — частиц. СИЧ включает в себя один или несколько
сцинтилляционных, полупроводниковых или газоразрядных детекто-
ров. СИЧ применяют на всех производствах, где возможно попадание
радионуклидов в организм человека, при авариях, а также в радионук-
лидной диагностике и терапии.
2. Биологическое действие радиации
Возникновение и развитие радиационно-индуцированных эффек-
тов в биологических системах определяются процессами ионизации и
возбуждения молекул сложных органических соединений, составляю-
щих биологические структуры. В этом сложном процессе схематически
можно выделить несколько стадий:
— проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют
энергию вследствие взаимодействия с электронными оболочками ато-
мов и молекул;
— рентгеновское излучение и гамма-излучение передают свою энер-
гию путем фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассея-
ния и образования электронно-позитронных пар. Примерно за 10-12 с
от атома в результате фото- и комптон-эффекта отрывается электрон.
Электрон несет отрицательный заряд, поэтому исходно нейтральный
атом становится положительно заряженным. Процесс ионизации мо-
жет продолжаться и дальше, поскольку оторвавшийся электрон может
взаимодействовать и с другими атомами;
— свободные электроны и ионизированные атомы в течение следу-
ющих 10~8 с участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 465
образуются новые молекулы, включая свободные радикалы с повышен-
ной реакционной способностью;
— в течение следующих 1()'6 с образовавшиеся свободные радикалы
реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепоч-
ку реакций могут вызвать химическую модификацию важных в биоло-
гическом отношении молекул, необходимых для нормального функци-
онирования клеток;
Биохимические изменения могут произойти как через несколько се-
кунд, так и спустя годы после облучения и стать причиной гибели кле-
ток или патологических изменений в них, приводящих, в частности, к
онкологическим заболеваниям.
При прямом взаимодействии излучения со сложными молекулами
энергия возбуждения может сконцентрироваться на одной из химиче-
ских связей, что приводит к отрыву какого-либо фрагмента или пол-
ной дезинтеграции молекулы. Существенная роль в возникновении ра-
диационно-индуцированных эффектов принадлежит также механизму
косвенного воздействия ИИ в виде радиационно-химических измене-
ний, обусловленных продуктами радиолиза воды. В результате радио-
лиза молекулы воды образуются свободные радикалы Н ’ и НО". В
присутствии кислорода образуются также гидропероксильный радикал
НОО" и пероксид водорода Н2О2 — активные формы кислорода (см.
ч.2 гл. 1). Возникшие в процессе радиолиза воды свободные радикалы и
окислители, обладая высокой химической активностью, приводят к
образованию новых веществ, а также могут быть катализаторами и ин-
гибиторами некоторых биохимических процессов. В биологической
ткани, в которой 60—70% по массе составляет вода, свободные радика-
лы вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и
других структурных элементов, что приводит к нарушениям биологи-
ческих процессов. В результате могут быть нарушены обменные про-
цессы и подавлена активность ферментных систем. Возможно замедле-
ние или полное прекращение роста ткани, а также возникновение
новых, не свойственных организму химических соединений — токси-
кантов. Это может привести к нарушению отдельных функций и сис-
тем, а также жизнедеятельности организма в целом. Индуцированные
свободными радикалами химические реакции вовлекают многие сотни
и тысячи молекул, изначально не затронутых излучением. В этом со-
стоит специфика воздействия ИИ на сложные органические соедине-
ния, в том числе белковые молекулы, поскольку результирующий эф-
фект зависит не столько от количества поглощенной энергии, сколько
от ее трансформации. Никакая другая энергия (тепловая, электриче-
466 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ская и др.), поглощенная биологическими тканями в том же количест-
ве, не приводит к таким изменениям, какие вызываются воздействием
ИИ. Например, для человека тяжелая форма лучевой болезни, обусло-
вленная острым воздействием гамма-излучения, соответствует погло-
щенной энергии 6 Дж/кг или 420 Дж на весь организм (70 кг). Если это
же количество энергии подвести к телу человека в виде тепла, то оно
повысит температуру тела лишь на 0,01 ° С.
Процессы воздействия излучения на биологические объекты мож-
но подразделить на физико-химические и собственно биологические.
Первые представлены ионизацией, возбуждением и изменением мо-
лекулярной структуры. Вторые связаны с изменениями клеточной
структуры биологической ткани, приводящими к нарушениям кине-
тики деления клеток, механизма их взаимодействия, изменениям ге-
нетического аппарата или гибели. Накопившиеся изменения в кле-
точных структурах ведут к нарушениям обменных процессов в
организме, функций тканей и органов, иными словами, к ранним па-
тофизиологическим эффектам. Некоторые изменения вследствие об-
лучения высокими дозами могут проявиться в виде клинически на-
блюдаемых симптомов относительно быстро — через часы, дни.
Вместе с тем реакция организма на облучение может проявиться спу-
стя годы и десятилетия в качестве отдаленных последствий.
К настоящему времени получены фундаментальные сведения о ра-
диационных эффектах на различных уровнях биологической организа-
ции — от молекулярного уровня до организма в целом. Вместе с тем ре-
шение некоторых как теоретических, так и практических вопросов до
сих пор затруднено из-за неполноты сведений о конкретных законо-
мерностях формирования радиационных эффектов. В радиационной
медицине выделяют два принципиально различных класса эффектов:
— детерминированные, которые проявляются у непосредственно об-
лученных лиц. Эти эффекты имеют дозовый порог, ниже которого пос-
ледствия не наблюдаются. Тяжесть детерминированного эффекта про-
порциональна дозе облучения;
— стохастические (вероятностные), которые проявляются спустя
годы после облучения не только у непосредственно облученных лиц,
но и у их потомства. Стохастические эффекты имеют длительный ла-
тентный период (годы), их тяжесть не зависит от дозы, с увеличением
дозы возрастает лишь вероятность заболевания, они неспецифичны,
т. е. практически неотличимы от аналогичных эффектов других не-
благоприятных факторов окружающей среды. Согласно современ-
ным представлениям стохастические эффекты не имеют дозового по-
Глава 7. О Токсическое действие радиации 9 467
рога, т.е. любая отличная от нуля доза излучения способна вызывать
заболевание.
Для оценки радиационного воздействия на человека (в большинстве
случаев это пролонгированное облучение в малых дозах) Международ-
ная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) ввела понятие эквива-
лентной дозы (ЭД), характеризующее не только количество поглощен-
ной энергии, но и биологическую эффективность излучения. ЭД равна
произведению средней поглощенной дозы, созданной данным видом
ИИ в органе или ткани, на взвешивающий коэффициент для конкрет-
ного вида излучении (Wr):
эд^пд-Wr
Взвешивающий коэффициент учитывает эффективность различных
видов излучения в индуцировании биологических последствий. Едини-
цей ЭД в СИ является зиверт (Зв) —произведение поглощенной дозы на
взвешивающий коэффициент. 1 Зв =1 Дж/кг.
Внесистемная единица — бэр; 1 бэр = 0,01 Зв. Кроме того, использу-
ются производные единицы мЗв (10*3 Зв) и микрозиверт (10-6 Зв). Зна-
чения взвешивающих коэффициентов для различных видов излучений
приведены в табл. 1.
ЭД может быть использована и при кратковременных радиацион-
ных воздействиях, но при дозе не более 0,5 Зв. Для оценки общего уров-
ня облучения допускается суммирование ЭД, полученной данным орга-
Таблица 1. ВЗВЕШИВАЮЩИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ WR ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ
Вид излучения и диапазон энергии Wr
Фотоны любых энергий 1
Электроны и мюоны любых энергий I
Нейтроны с энергией менее 10 кэВ 5
10 — 99,9 кэВ 10
100 кэВ - 1,99 МэВ 20
2 - 20 МэВ 10
более 20 МэВ 5
Протоны (кроме протонов отдачи) с энергией более 2 Мэв 5
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра 20
468 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
ном или тканью как за отдельные промежутки времени, так и от различ-
ных видов излучения.
В практике использования источников ИИ во многих случаях об-
лучению подвергается не все тело, а один или несколько органов. Та-
кая ситуация типична при внутреннем облучении, когда радионукли-
ды депонируются в отдельных органах, либо при медицинском
рентгеновском облучении. Для сопоставления эффектов облучения
отдельных органов, а также при оценке суммарных последствий для
организма, когда облучается лишь часть органов, введено понятие
эффективной дозы (ЭфД). Как и величина ЭД, ЭфД применима при
облучении в относительно малых дозах и является мерой оценки ри-
ска отдаленных последствий. ЭфД равна сумме произведений эквива-
лентных доз в органах на взвешивающие коэффициенты W[ для дан-
ного органа или ткани. По сути дела, ЭфД является условной
величиной, позволяющей оценить вероятность появления отдален-
ных последствий при равномерном облучении всего тела, равную
суммарной вероятности появления последствий при облучении от-
дельных органов:
ЭфД = 2ЭДп-\Ут
п
Единица ЭфД также зиверт, внесистемная единица — бэр. В табл. 2
приведены рекомендованные МКРЗ значения взвешивающих коэффи-
циентов для различных органов и тканей.
Если радиационному воздействию в дозах ниже порога детерми-
нированных эффектов, т.е. в диапазоне стохастических последствий,
подвергаются значительные контингенты людей, для ряда специфи-
ческих операций используют коллективную ЭфД. Она представляет
собой сумму индивидуальных ЭфД у данного контингента за опреде-
ленный промежуток времени, ее можно определить также произведе-
нием средней ЭфД на число облученных лиц. Во всех случаях инди-
видуальные дозы не должны выходить за рамки стохастических
эффектов. Единицей измерения коллективной ЭфД в системе СИ яв-
ляется человеко-Зиверт (чел.-Зв). Оценки радиационного риска с ис-
пользованием коллективной дозы дают возможность, в частности,
принять оптимальное решение при размещении объектов атомной
промышленности и энергетики, сделать правильный выбор защит-
ных мероприятий при проведении радиационно опасных работ и т.п.
Другими словами, коллективная доза — это инструмент взвешивания
риска, пользы и вреда при использовании источников ионизирующе-
го излучения.
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 469
Детерминированные эффекты облучения характеризуются зависимо-
стью между уровнем облучения и тяжестью заболевания. Эти эффек-
ты проявляются после превышения некоторой дозы облучения. Де-
терминированные эффекты возникают главным образом в результате
гибели клеток. К детерминированным эффектам относятся острая и
хроническая лучевая болезнь, поражение хрусталиков глаз, гематоло-
гические нарушения и др. Материалы лабораторных экспериментов, а
также результаты многолетних наблюдений за здоровьем радиологов,
рентгенологов и других лиц, подвергшихся облучению, практически
не обнаружили детерминированных эффектов при однократном рав-
номерном облучении всего тела в дозах до 0,3-0,5 Зв. Не наблюдаются
также изменения в крови, которая прежде всего реагирует на радиаци-
онное воздействие. Различные формы лучевой болезни развиваются
лишь при дозах выше 1 Зв, а крайне тяжелая форма лучевой болезни,
приводящая в 100% случаев к смерти, наблюдается при дозе выше 6 Зв.
Причиной смерти чаще всего становятся токсемия, депрессия крове-
творения, инфекционные осложнения и кровоизлияния, если не про-
водилось лечение.
Таблица 2. ВЗВЕШИВАЮЩИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ WT ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ
Органы и ткани WT
Половые железы 0,20
Красный костный мозг 0,12
Толстая кишка 0,12
Легкие 0,12
Желудок 0,12
Мочевой пузырь 0,05
Молочные железы 0,05
Печень 0,05
Пищевод 0,05
Щитовидная железа 0,05
Кожа 0,01
Поверхность костей 0,01
Остальные органы 0,05
410 <) Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
К настоящему времени накоплен большой опыт комплексного
лечения радиационных поражений и разработан ряд препаратов
(протекторов), которые позволяют снизить эффект облучения. Выше
речь шла об остром (однократном) облучении. Если облучение рас-
тянуто во времени, то радиационные последствия на единицу дозы
оказываются ниже. Это связано со способностью живых организмов
восстанавливать до определенных пределов функции органов и тка-
ней. Экспериментальные данные позволяют утверждать, что восста-
новительные процессы после воздействия, например, гамма-излуче-
нием компенсируют за сутки поражение, соответствующее примерно
2,5% накопленной дозы, а необратимая часть последствий составля-
ет в конечном счете около 10%. Это означает, что если человек полу-
чил гамма-излучение в дозе 200 сЗв, то через 40 дней остаточные из-
менения в организме будут соответствовать дозе 20 сЗв. В случаях
многократного облучения в дозах, не вызывающих острой лучевой
болезни, но достаточно высоких, может развиться хроническая фор-
ма лучевой болезни (ХЛБ). Ее сопровождают изменения в составе
крови (уменьшение числа лейкоцитов и других форменных элемен-
тов) и ряд симптомов, связанных с реакцией нервной системы. При-
знаки ХЛБ неспецифичны, поэтому диагностика возможна лишь в
случаях достоверного продолжительного радиационного воздейст-
вия. ХЛБ возникает при относительно равномерном пролонгирован-
ном внешнем гамма-облучении в дозах 0,01—0,5 Гр/сут и суммарной
2-20 Гр.
Детерминированная реакция организма на облучение может про-
явиться и в отдаленные сроки (через 5—20 лет) в виде катаракты,
бесплодия, изменений кожи. Эти эффекты появляются при превы-
шении некоторого порогового значения дозы. Например, катаракта
возникает, когда накопленная в хрусталике глаза эквивалентная доза
хронического облучения превысит 15 Зв в случае гамма-излучения
или 5 Зв при облучении нейтронами; бесплодие наступает при пре-
вышении суммарной дозы на яичники, равной 3 Зв. Разумеется, ес-
ли доза облучения организма чрезмерно высока, облученный умира-
ет. Доза около 100 Гр вызывает настолько серьезное поражение
центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в
течение нескольких часов или дней. При дозах 10—50 Гр смерть на-
ступит от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте через 1—2
нед. При еще меньших дозах может не произойти серьезных пораже-
ний желудочно-кишечного тракта, но смерть может наступить через
1—2 мес главным образом из-за разрушения клеток красного костно-
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 471
о мозга — главного компонента кроветворной системы организма.
Элементы кроветворной системы наиболее чувствительны к облуче-
1ию и теряют способность нормально функционировать уже при до-
;ах 0,5—1 Гр, но способны к регенерации. Если при облучении по-
феждены не все клетки, кроветворная система может полностью
юсстановить свои функции.
Большинство тканей взрослого человека относительно малочувст-
вительны к действию радиации. Почки, например, выдерживают сум-
марную дозу до 23 Гр за 5 нед без особого для себя вреда, печень — око-
ло 40 Гр за месяц, мочевой пузырь — 55 Гр за месяц, а зрелая хрящевая
гкань — до 70 Гр. Легкие — чрезвычайно сложный орган — гораздо бо-
лее уязвимы, а в кровеносных сосудах существенные изменения могут
происходить при относительно небольших дозах.
Крайне чувствителен к воздействию радиации организм детей.
Относительно небольшие дозы, порядка 10 Гр, облучения хрящевой
ткани могут замедлить или даже остановить рост костей, что приво-
дит к аномалиям развития скелета. Чем меньше возраст ребенка, тем
сильнее подавляется рост костной ткани. По-видимому, для такого
эффекта нет порогового значения дозы. Облучение мозга ребенка,
например, при лучевой терапии, может вызвать потерю памяти, а у
очень маленьких детей — даже слабоумие. Чрезвычайно чувствите-
лен к облучению мозг плода, особенно в период между 8-й и 15-й не-
делями гестации. В этот период у плода формируется кора головного
мозга, и существует большая вероятность рождения умственно от-
сталых детей. Во время атомных бомбардировок Хиросимы и Нагаса-
ки пострадали примерно 30 детей, получивших внутриутробное об-
лучение.
Стохастические радиационные эффекты. Реакция организма на
воздействие ИИ может проявиться и в отдаленный период — через
10, 20 лет и более. Такими реакциями могут быть лейкозы, злокаче-
ственные опухоли различных органов и тканей, катаракты, пораже-
ние кожи, сокращение продолжительности жизни (преждевремен-
ное старение, не связанное с какой-либо определенной причиной).
Эта группа заболеваний возникает в результате поражения главным
образом материала ядра клетки с отдаленными соматическими и ге-
нетическими последствиями. Определенную роль в развитии заболе-
ваний играет повреждение клеточной мембраны и цитоплазмы, хотя
с точки зрения долгосрочных последствий для здоровья их повреж-
дение менее значимо. Двухнитевые разрывы в ДНК впоследствии
могут проявиться в виде мутации соматических или половых клеток.
472 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Отдельные радиационные следы могут вызвать двухнитевые разры-
вы, без полного восстановления они могут привести к долгосрочно-
му повреждению даже при самых низких дозах. Широкие радиобио-
логические эксперименты по изучению зависимости клеточных
поражений от дозы показали, что радиационные эффекты практиче-
ски не обнаруживаются при дозах ниже 20 мГр для хромосомных
аберраций, 100 мГр для клеточных трансформаций и 200 мГр для со-
матических мутаций.
Что касается отдаленных радиационных эффектов на организмен-
ном уровне (рак, лейкемия и др.), то только крупномасштабные эпиде-
миологические исследования дают прямые количественные сведения о
риске таких заболеваний, хотя такие оценки связаны с большими тру-
дностями и неопределенностями. Отдаленные последствия в диапазо-
не доз ниже порога острых (детерминированных) эффектов носят ве-
роятностный характер, кроме того, заболевания неспецифичны, т.е.
могут быть обусловлены и другими вредными факторами, в том числе
и не радиационной природы. Облученные должны регулярно обследо-
ваться в течение десятилетий с применением самых совершенных ме-
тодов диагностики. Необходимо также иметь адекватную контрольную
группу людей, сопоставимую во всех отношениях (кроме облучения) с
наблюдаемой группой лиц. Обе группы должны быть достаточно мно-
гочисленны, чтобы полученные данные были статистически достовер-
ны. Отдаленные последствия, обусловленные воздействием ИИ, отно-
сятся к категории соматико-стохастических. Таким образом, для
статистически достоверного обнаружения стохастических радиацион-
ных эффектов необходимы долгосрочные наблюдения за состоянием
здоровья многочисленных групп облученных.
Основными источниками информации об отдаленных последстви-
ях облучения являются прежде всего результаты исследования здоро-
вья лиц, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки
в 1945 г. (около 100 000 человек), а также результаты обследования лю-
дей, подвергшихся профессиональному или медицинскому облуче-
нию от внешних источников облучения или от инкорпорированных
радионуклидов. Материалы по Хиросиме и Нагасаки отражают ре-
зультаты тщательного обследования в течение более чем 50 лет много-
численной группы людей обоего пола и всех возрастов, которые под-
верглись более или менее равномерному облучению всего тела. Почти
все данные относятся к случаям облучения относительно большими
дозами — 1 Гр и выше, а прямых данных о действии доз облучения, по-
лучаемых населением в повседневной жизни (0,002—0,005 Гр), нет.
Глава 7. Q Токсическое действие радиации 0 473
Нет никакой альтернативы экстраполяции оценок риска при больших
юзах в область малых доз облучения.
Научный комитет по действию атомной радиации ООН (НКДАР
ООН), МКРЗ и другие организации, изучающие действие радиации на
организм человека, опираются на два основных допущения. Первое
допущение — не существует никакой пороговой дозы, ниже которой
отсутствует риск заболевания раком. Любая сколь угодно малая доза
увеличивает вероятность заболевания раком для человека, получивше-
го эту дозу. Второе допущение — риск заболевания возрастает прямо
пропорционально дозе, т.е. при удвоении дозы риск удваивается и т.д.
НКДАР ООН полагает, что при таких допущениях возможна переоцен-
ка риска в области малых доз, но вряд ли возможна его недооценка. На
такой заведомо несовершенной, но удобной и страхующей основе
строятся все приблизительные оценки риска заболевания различными
видами рака.
Имеются данные о стимулирующем действии малых доз радиации
(гормезис). Это явление связывают с тем, что малые дозы радиации мо-
гут активировать процессы репарации ДНК, что устраняет не только
индуцированные радиацией, но и спонтанные повреждения ДНК, сни-
жая тем самым общую вероятность возникновения опухолевых заболе-
ваний. С ростом дозы возрастает число индуцированных повреждений,
репарационный механизм перестает справляться с такой нагрузкой, и
частота опухолей начинает увеличиваться. Гормезис обнаруживается во
многих экспериментах.
Вместе с тем существует и противоположная точка зрения, согласно
которой в области малых доз число канцерогенных эффектов на едини-
цу дозы возрастает с уменьшением дозы. Однако достоверность этого
утверждения весьма сомнительна, оно противоречит как теоретическим
представлениям о механизме канцерогенеза, так и экспериментальным
данным.
На рис. I схематически представлены все рассмотренные зависимо-
сти доза—эффект.
В настоящее время для оценок риска используют линейную зави-
симость А, соответствующую большинству экспериментальных дан-
ных. Однако для онкогенеза или любого другого заболевания вряд ли
можно представить формальное подтверждение линейности в облас-
ти низких доз. Вместе с тем нельзя не упомянуть о существовании
так называемого практического порога реакции. Поскольку досто-
верность обнаружения стохастических радиационных эффектов на
фоне спонтанных случаев зависит от численности облученных лю-
474 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Рис. 1. Зависимости доза-эффект.
А — вероятность заболевания раком прямо пропорциональна дозе;
Б — с увеличением дозы вероятность заболевания быстрее растет в области малых доз
и медленнее —- в области больших; В — с увеличением дозы вероятность
заболевания в области малых доз растет медленнее, чем в области больших.
дей, для каждой такой группы будет существовать доза, ниже кото-
рой невозможно достоверно определить радиобиологический эф-
фект. Это и есть практический порог, определяемый численностью
наблюдаемой группы.
Онкологические заболевания — наиболее серьезные из всех последст-
вий облучения человека малыми дозами. До настоящего времени рак
является единственной причиной повышения смертности переживших
бомбардировки в Японии. На первом месте стоят лейкозы. Смерть на-
ступает в среднем через 10 лет после облучения — гораздо раньше, чем
от других форм рака. Среди облученных японцев смертность от лейко-
зов стала резко снижаться после 1970 г.
Генетические последствия облучения. Изучение генетических пос-
ледствий облучения связано с еще большими трудностями, чем онко-
логических. Во-первых, недостаточны знания о повреждении генети-
ческого аппарата человека при облучении; во-вторых, полное
выявление всех наследственных дефектов возможно лишь в результа-
те наблюдения за несколькими поколениями людей; в-третьих, эти
дефекты неспецифичны, их невозможно отличить от подобных эффе-
Глава 7. О Токсическое действие радиации Ф 4 75
ктов, вызванных иными причинами. Генетические нарушения можно
разделить на хромосомные аберрации (изменения числа или структу-
ры хромосом) и мутации в самих генах. Наиболее радиационно-чув-
ствительны хромосомы, несущие наследственную информацию орга-
низма. ИИ вызывает поломки хромосом (хромосомные аберрации),
за которыми обычно следует соединение разорванных концов в но-
вых сочетаниях. Это приводит к изменению генного аппарата и поя-
влению генетических дефектов в следующих поколениях. Мутации в
самих генах подразделяются на доминантные, которые проявляются
в первом же поколении, и рецессивные, которые могут проявиться
лишь тогда, когда у обоих родителей мутантным является один и тот
же ген. Такие мутации могут не проявляться на протяжении многих
поколений либо не проявиться вообще.
Наблюдения за последствиями облучения человека дают очень ма-
ло информации для оценки генетической опасности, особенно при
воздействии малых доз. Основным эпидемиологическим массивом
таких данных являются результаты наблюдений за лицами, пережив-
шими атомные бомбардировки в Хиросиме и Нагасаки. Обследова-
ния 70 тыс. детей, родители которых получили высокие дозы (0,7—1
Гр), не обнаружили никаких генетических последствий. Тем не менее
в результате экстраполяции в настоящее время можно считать, что
при непрерывном облучении какой-либо группы населения излуче-
нием с низкой ЛПЭ возникнет до 20 дополнительных случаев наслед-
ственных заболеваний на 1 млн родившихся в первом поколении де-
тей, если доза, накопленная родителями не более чем за 30 лет,
составляет 0,01 Гр.
Ниже представлена табл. 3, подытоживающая оценки стохастиче-
ских эффектов действия радиации.
Таблица 3. ЗНАЧЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ СТОХАСТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ 10 2 СЛУЧАЕВ/ЗВ • ГОД
Облучаемая популяция Смертельный рак Несмертельный рак Тяжелые наследственные дефекты Всего
Трудоспособное население 18—65 лет 4,0 0,8 0,8 5,6
Все население 0—90 лет 5,0 1,0 1,3 7,3
476 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
3. Принципы нормирования ионизирующего излучения
Защита человека от вредного воздействия факторов окружающей
среды обеспечивается системой нормативов, ограничивающих это воз-
действие либо до практически безопасных уровней (принцип порогово-
сти), либо до уровней, приемлемых для человека и общества (принцип
беспороговости), что зависит от современных знаний о биологическом
действии вредных агентов. Эти знания и соответствующая им система
законодательных мер меняются по мере накопления информации, что
влечет за собой периодический пересмотр, как правило, в сторону уже-
сточения существующих нормативов и правил.
В 1925 г. впервые был сформулирован принцип допустимого уров-
ня облучения, который звучал так: для того чтобы определить толщи-
ну защитного экрана, необходимо знать дозу, которую работник мо-
жет перенести в течение длительного времени без последующих
повреждений. Допустимая доза составляла 0,2 P/день. Р — рентген —
внесистемная единица экспозиционной дозы. 1 Р соответствует дозе
излучения в воздухе, равной 0,88* 10-2 Гр, а в биологической ткани
0,93* 10~2 Гр в среднем по всему спектру электромагнитного излуче-
ния до энергии 3 МэВ. В 1934 г. МКРЗ приняла это значение в каче-
стве предельно допустимой экспозиционной дозы. С появлением
первых реакторов, возникновением атомной промышленности и
энергетики, расширением использования источников ИИ в промыш-
ленности и медицине стала очевидной необходимость научнообосно-
ванной системы ограничения доз. Система допустимых уровней, при-
нятая в 1950 г., ориентировалась на так называемые критические
органы, к которым были отнесены кожа, кроветворные органы, хру-
сталик глаза и половые железы. При нормировании стали учитывать
пороговые (детерминированные) и беспороговые (вероятностные)
радиобиологические эффекты.
Более совершенная методология нормирования впервые была пред-
ложена в 1977 г. Вместо ограничения облучения критических органов
МКРЗ предложила ограничивать риск возникновения стохастических
эффектов. Такие риски, в отличие от доз, аддитивны и их сумма харак-
теризует общий ущерб организму. Показателем суммарного риска явля-
ется эффективная доза. Этот риск устанавливался на уровне, сравни-
мом с рисками от других видов деятельности человека, считающимися
безопасными. В публикации 60 МКРЗ (1990) за такой уровень риска
было принято значение 0,056 на 1 чел.-Зв, а соответствующий предел
индивидуальной эффективной дозы — 20 мЗв/год в среднем за любые 5
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 477
последовательных лет. При этом полностью исключается возможность
возникновения детерминированных эффектов в отдельных органах, за
Исключением хрусталика глаза и кожи, для которых ограничения уста-
новлены по эффективной дозе — 150 и 500 мЗв/год соответственно
(табл. 4).
Современные нормы радиационной безопасности учитывают, что
риски, связанные с воздействием излучения, должны сопоставляться не
только с выгодой от его использования, но и с рисками нерадиационно-
го происхождения. В окружающей среде существует множество факто-
ров, в том числе естественный радиационный фон и химические токси-
канты, которые дают соматические и генетические эффекты. На этом
фоне действие малых доз техногенного облучения трудно детектиро-
вать. При нормировании не учитывается существование в организме
человека репарационных механизмов, способных ликвидировать по
крайней мере часть радиационных повреждений.
В соответствии с Законом Российской Федерации «О радиацион-
ной безопасности населения» понятие «радиационная безопасность»
рассматривается как состояние защищенности настоящего и буду-
щих поколений людей от вредного воздействия ИИ. Считается, что
если защищен человек, то защищена и окружающая среда. Основные
требования к системе радиационной безопасности персонала и насе-
ления сформулированы в «Нормах радиационной безопасности» и
«Основных санитарных правилах обеспечения радиационной безо-
пасности». Отечественные нормативы основываются на рекоменда-
циях МКРЗ, но дополнительно устанавливают предельные дозы еще
для 3 показателей:
Таблица 4. ОСНОВНЫЕ ПРЕДЕЛЫ ДОЗ РАДИАЦИИ
Нормируемые величины Персонал* Население
ЭфД Эквивалентная доза за год: в хрусталике глаза в коже в кистях и стопах 20 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв/год 150 мЗв 500 мЗв 500 мЗв 1 мЗв/год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв/год 15 мЗв 50 мЗв 50 мЗв
* Лица, непосредственно работающие с техногенными источниками излучения.
478 Ф Часть 4. Ф Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
— для эффективной дозы облучения персонала за период трудовой
деятельности (50 лет) — 1000 мЗв;
— для эффективной дозы облучения населения за жизнь (70 лет) —
70 мЗв;
— для эквивалентной дозы облучения поверхности нижней части
живота женщин в возрасте до 45 лет — 1 мЗв/мес.
Контрольные уровни (КУ) радиационных факторов установлены
для оперативного контроля источника облучения персонала предпри-
ятия. КУ всегда ниже основных пределов доз и отражают радиационное
благополучие на объекте.
Превышение основных дозовых пределов оправдано и допускается
только в аварийных условиях, когда речь идет о спасении жизни, предот-
вращении дальнейшего развития аварии и облучении большого числа
людей. Предел аварийной ЭфД облучения персонала равен 100 мЗв/год,
предел ЭД — 200 мЗв/год.
Меры аварийной радиационной защиты населения учитывают опыт
Чернобыльской аварии.
Современная система радиационной безопасности базируется на
трех основных принципах:
— непревышение допустимых пределов индивидуальных доз облу-
чения граждан от всех источников облучения (принцип нормирова-
ния);
— запрещение всех видов деятельности по использованию ИИ, при
которых полученная человеком и обществом польза не превышает воз-
можного вреда, причиненного дополнительным облучением (принцип
обоснования);
— поддержание на возможно низком, реально достижимом уровне с
учетом экономических и социальных факторов индивидуальных доз об-
лучения и числа облучаемых лиц при использовании любого ИИ (прин-
цип оптимизации).
Существуют нормативы, ограничивающие природное и медицин-
ское облучение персонала и населения. При проведении профилакти-
ческих рентгенологических обследований и в научных исследованиях,
когда облучению подвергаются практически здоровые лица, ЭфД не
должна превышать 1 мЗв/год. Этот предел может быть превышен при
неблагоприятной эпидемиологической обстановке по специальному
разрешению. При использовании радиофармацевтических препаратов
с диагностической или терапевтической целью мощность дозы гамма-
излучения на расстоянии 0,1 м от пациента по окончании процедуры не
должна превышать 3 мкЗв/ч.
Глава 7. Ф Токсическое действие радиации Ф 479
Облучение персонала от природных ИИ в производственных усло-
виях не должно превышать 5 мЗв/год. Мощность ЭфД на рабочем мес-
те не должна превышать 2,5 мкЗв/ч, концентрация радона в воздухе зо-
ны дыхания — 310 Бк/м3. Предел ЭфД для населения не установлен.
Лимитируется содержание радона и торона в воздухе жилых помеще-
ний, суммарное содержание естественных радионуклидов в строитель-
ных материалах, питьевой воде, в минеральных и лечебных водах, фос-
форных удобрениях.
Эффекты радиационного воздействия независимо от количества и
типа источников облучения определяются суммарной ЭфД, но о соче-
танном действии химических веществ мало что известно.
Государственный надзор за соблюдением норм радиационной безо-
пасности осуществляют органы Госсанэпиднадзора и другие органы,
уполномоченные Правительством РФ.
4. Облучение населения от различных источников
ионизирующего излучения
Радиационное воздействие на население обусловлено:
— естественным радиационным фоном от источников космического
и земного происхождения;
— технологически измененным естественным радиационным от
природных источников, претерпевших изменения в результате деятель-
ности человека;
— искусственным радиационным фоном, образовавшимся в резуль-
тате испытаний адерного оружия;
— ядерным топливным циклом;
— применением источников ИИ в медицине.
Естественный радиационный фон — неотъемлемый фактор окружа-
ющей среды. Очевидно, он играет существенную роль в жизнедея-
тельности человека и других организмов, населяющих Землю. При
всех оценках радиационной опасности существующих и новых техно-
логий чрезвычайно важно знать характер и уровни естественного об-
лучения.
Космическое излучение состоит из первичного и вторичного излу-
чений. Первичное космическое излучение в свою очередь состоит из га-
лактического и солнечного излучений, а также излучения заряженных
частиц, захваченных магнитным поясом Земли и образующих радиаци-
онные пояса. Первичное галактическое излучение — это в основном
потоки протонов (до 90%) и альфа-частиц (около 10%). Интенсивность
других частиц — нейтронов, электронов, ядер легких элементов и фото-
480 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
нов существенно ниже — до 1%. Энергия протонов колеблется в широ-
ких пределах — от 1 до 1014 МэВ.
Первичное космическое излучение почти полностью исчезает на
высоте 20 км от поверхности Земли. Взаимодействуя с ядрами атомов,
входящих в состав воздуха, частицы высоких энергий первичного из-
лучения образуют практически все известные в настоящее время эле-
ментарные частицы: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, мюо-
ны, пионы и др. В свою очередь многие из частиц вторичного
излучения, обладающие достаточной энергией, вызывают ряд после-
дующих ядерных взаимодействий с ядрами атомов азота и кислорода.
Существенную роль в этих взаимодействиях играют протоны высоких
энергий, нейтроны и пионы, которые создают новые вторичные час-
тицы. По мере развития этого процесса количество вторичных частиц
резко увеличивается, возникают так называемые космические ливни.
Максимальная интенсивность вторичного космического излучения
наблюдается на высоте 20-25 км, а минимальная — на уровне моря.
Средняя мощность дозы на поверхности Земли равна 0,032 мкЗв/ч, а
годовая доза — в 0,32 мЗв, на высоте 4—5 км в средних широтах доза
возрастает в 10 раз. При перелете из Европы в Америку пассажир
обычного турбореактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв, а
пассажир сверхзвукового лайнера — на 20—25% меньше, хотя полет
проходит на большей высоте, где интенсивность облучения (мощ-
ность дозы) значительно выше. Это объясняется тем, что полет на
сверхзвуковом лайнере занимает гораздо меньше времени. При орби-
тальных полетах на околоземной орбите на сравнительно небольшой
высоте — 200—400 км — доза облучения космонавтов невелика, она не
превышает 50 мЗв/сут.
Земная радиация. Все естественные радионуклиды, присутствующие
в окружающей среде, — это радионуклиды земного происхождения и
космогенные радионуклиды, образующиеся в биосфере под воздейст-
вием космических лучей. Радионуклиды земного происхождения пред-
ставлены семействами тория-232, урана-238 и урана (актиния)-235, а
также 12 радионуклидами, относящимися к элементам середины Пери-
одической системы. Космогенные радионуклиды играют незначитель-
ную роль по сравнению с другими земными источниками в формирова-
нии естественного радиационного фона.
Доза излучения над поверхностью земли, создаваемая естествен-
ными радионуклидами, определяется их содержанием в почве и пра-
ктически полностью формируется за счет калия-40, тория-232 и ура-
на-238.
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 481
Средневзвешенную мощность поглощенной в воздухе дозы считают
равной 0,05 мкЗв/ч. Для 95% населения годовая доза естественного
внешнего облучения составляет 0,44 мЗв, причем калий-40 вносит 35%,
уран-238 — 25% и торий-232 — 40% дозы. Практически вся доза обусло-
влена излучением радионуклидов, находящихся в верхнем 30-сантимет-
ровом слое почвы.
Естественные радионуклиды поступают в организм человека с про-
дуктами питания и атмосферным воздухом, накапливаются в различ-
ных органах и тканях и становятся источниками внутреннего облуче-
ния. В организме среднего (условного) человека содержание
стабильного калия составляет примерно 2 г/кг, равновесная радиоак-
тивность калия-40 составляет 30 Бк/г стабильного калия, а годовая
ЭфД — 0,18 мЗв. Особое место занимает радиоактивные инертные га-
зы радон-222 и радон-220, поступающие в организм с вдыхаемым воз-
духом. Радон поступает в атмосферный воздух из почвы, строитель-
ных материалов и в меньшей степени из воды, хотя известны
минеральные воды с высоким содержанием радона (радоновые воды).
Концентрации радона в закрытых помещениях в зонах с умеренным
климатом примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. В конце
70-х годов во многих странах были обнаружены здания, в которых
концентрации радона в тысячи раз превышали концентрации в на-
ружном воздухе. Причиной является использование в строительстве
материалов с высоким содержанием естественных радионуклидов.
При проектировании и строительстве новых зданий жилищного и об-
щественного назначения мощность эффективной дозы гамма-излуче-
ния в них не должна превышать наружный фон более чем на 0,3
мкЗв/ч. Многолетние наблюдения за лицами, проживающими в рай-
онах с повышенным естественным радиоактивным фоном, не устано-
вили различий в состоянии здоровья и неблагоприятных соматиче-
ских и генетических последствий.
Технологически измененный естественный фон обусловлен, напри-
мер, сжиганием угля, использованием удобрений с повышенным со-
держанием радионуклидов, стройматериалов, радионуклидов на про-
изводстве. При сжигании каменного угля радионуклиды
концентрируются в золе, выбрасываются в атмосферный воздух и
становятся дополнительным источником облучения населения около
угольной тепловой электростанции. В некоторых странах эксплуати-
руются подземные резервуары пара и горячей воды для производства
электроэнергии и отопления домов. Выделение радона на термаль-
ных электростанциях обусловливает дозу облучения примерно в 3
482 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
раза выше, чем от угольных электростанций. Другим дополнитель-
ным источником облучения является промышленное использование
продуктов переработки фосфоритов. Залежи фосфоритов содержат,
как правило, продукты распада урана-238 в сравнительно высоких
концентрациях. В процессе переработки фосфорной руды основные
и побочные продукты также содержат повышенные концентрации
радионуклидов. Во всем мире широко используются потребительские
товары, содержащие радионуклиды. Среднемировая годовая доза,
обусловленная эти фактором, не превышает 10 мкЗв, а телевизоры (в
основном цветные) создают дополнительно до 1 мкЗв/год. Дополни-
тельное облучение от технологически измененного естественного фо-
на пока невелико.
Глобальные выпадения продуктовядерных взрывов. Глобальные вы-
падения радионуклидов обусловлены испытаниями ядерного ору-
жия. В ядерном оружии (атомная бомба) используется деление тя-
желых элементов урана и плутония, в результате чего образуется
более 200 радиоизотопов 36 элементов Периодической системы, и
синтез легких элементов (водородная бомба) — дейтерия и трития,
при котором в атмосферу поступают в основном тритий и углерод-
14. В 1963 г. был подписан Международный договор о прекращении
ядерных испытаний в атмосфере, под водой и в космосе. С тех пор
лишь Франция и Китай, не подписавшие договор, продолжали ис-
пытания. Подземные испытания проводятся до сих пор, но они
обычно не сопровождаются выбросом радиоактивных материалов в
окружающую среду.
Во время ядерных взрывов выделяется огромное количество энер-
гии, в результате чего возникают мощные вертикальные тепловые пото-
ки, увлекающие с собой в атмосферу продукты ядерных взрывов вместе
с частицами грунта и других материалов. Часть радиоактивного матери-
ала выпадает в ближайшие часы и дни неподалеку от места испытания
(локальные выпадения), часть задерживается в нижнем слое атмосферы
— в тропосфере и широтными воздушными потоками переносится на
большие расстояния, образуя тропосферные выпадения в течение 1—2
мес. До 90% активности поступает в верхний слой атмосферы — страто-
сферу и в течение многих лет формирует повсеместные стратосферные
выпадения, которые и создают практически полную дозу глобального
облучения населения земного шара.
Не все радионуклиды, образующиеся при ядерных взрывах, рав-
нозначны с точки зрения формирования дозы и радиобиологической
опасности. В период свежих глобальных выпадений, т.е в первые дни
Глава 7. 0 Токсическое действие радиации 0 483
после взрыва, существенный вклад в облучение вносят относительно
короткоживущие радионуклиды — 106(Ru+Rh) с периодом полурас-
пада 1 год, 144Се (278 дней), 95Zr (65 дней), а с точки зрения хрони-
ческого многолетнего облучения ведущими радионуклидами явля-
ются 137Cs (период полураспада 30 лет) — внешнее и внутреннее
облучение и 90Sr (28,6 года) — внутреннее облучение. Всего за время
ядерных испытаний в атмосферу поступило 2,4 1019 Бк, 3 • 1019 Бк,
1,4 • 1020 £Kj 9 6 . Ю17 Бк и 6 • 1017 Бк соответственно. Выпадая на
поверхность земли, радионуклиды становятся источниками внешне-
го гамма-излучения, включаясь в биологические цепочки почва —
растительность —животное — человек и почва — растительность-
человек, они поступают в организм человека, накапливаясь в раз-
личных органах и тканях, формируют дозы внутреннего облучения.
Некоторое количество радионуклидов поступает в организм и с
питьевой водой и воздухом.
Ядерный топливный цикл. Источником облучения, вокруг которого
ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электро-
станции (АЭС) и связанный с ними ядерный топливный цикл. До
90% активности содержащегося в руде урана переходит в урановый
концентрат и направляется на заводы по изготовлению топливных
элементов. Опасность для шахтеров может представлять выделяю-
щийся из урановых пород радон, особенно при добыче руды в шахтах,
но современные системы шахтной воздухоочистки делают концент-
рации радона в воздухе даже ниже, чем в угольных шахтах. Для насе-
ления некоторую опасность может представлять радон, выделяющий-
ся из отходов обогатительных фабрик, особенно в случаях
использования отходов в каких-либо производствах, например, в
строительстве. Такое использование регулируется соответствующими
нормативами. В итоге вклад добывающих предприятий в дозу облуче-
ния населения настолько мал, что обычно не рассматривается при
оценках суммарных доз.
Любая новая технология связана с появлением новых источников
риска неблагоприятных последствий для человека и окружающей сре-
ды. Приемлемость и перспективность новой технологии следует оцени-
вать в сравнении с рисками от других технологий. Замещая тепловую
электроэнергетику, АЭС снижают показатель общего риска и потому
более приемлемы и перспективны.
Если все ядерные энергетические установки в России заменить
угольными, то понадобилось бы добыть и перевезти дополнительно
70 млн т угля в год, потребовалось бы более миллиона железнодо-
484 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
рожных вагонов, площадь отчужденной земли составила бы более 10
тыс. га. В окружающую среду поступило бы (при условии очистки
выбросов до 97%) более 200 млн т углекислого газа, 3,5 млн т оксида
азота, 5,5 млн т оксида серы, 140 тыс. т летучей золы и более 2 • 1013
Бк естественных радиоактивных веществ. Замена АЭС всего мира
электростанциями на органическом топливе привела бы к шоковому
экологическому эффекту как для нынешних, так и для будущих по-
колений людей.
Проблемы, связанные с захоронением высокоактивных отходов,
которые образуются только на заводах по переработке (регенерации)
ядерного топлива, до конца не разрешены, хотя в настоящее время
уже имеются достаточно эффективные технологии изоляции отходов
и исследования в этой области продолжаются. Это связано не столько
с необходимостью ограничить облучение современных поколений
людей, сколько надежно защитить будущие поколения. Технология
захоронения низко- и среднеактивных отходов заключается в предва-
рительном уменьшении объема различными способами — прессова-
нием, сжиганием, выпариванием, химическим осаждением и т.п., аза-
тем в надежной фиксации радиоактивных вешеств путем
битумирования, цементирования или остекловывания и помещения в
специальные могильники. Подготовка к захоронению высокоактив-
ных отходов более сложна. Это связано в первую очередь с необходи-
мостью предварительного снижения общей активности и соответст-
венно внутреннего тепла за счет поглощения энергии распада
радионуклидов. Без принятия таких мер или при нарушении техноло-
гии предварительной выдержки отходов разогрев может привести к
тяжелым авариям вплоть до тепловых взрывов емкостей и катастро-
фическому радиоактивному загрязнению окружающей среды, как это
было в СССР в 1957 г. на перерабатывающем предприятии «Маяк» на
Урале. Высокоативные отходы должны быть изолированы от внешней
среды по крайней мере на тысячи лет, поскольку содержат радионук-
лиды с периодами полураспада в сотни и тысячи лет.
Радиационные аварии, прежде всего на самих реакторах, - самое бо-
левое место ядерного топливного цикла. Более чем за 50 лет работы
гигантских военно-промышленных комплексов и АЭС радиацион-
ные аварии случались не одну сотню раз. Например, только в СССР в
1989 г. было 118 аварийных остановок энергоблоков. По степени
опасности для персонала, населения и окружающей среды МАГАТЭ
установило шкалу из 7 категорий радиационных инцидентов, из ко-
торых 4 (4-7) называются собственно авариями, когда происходят за-
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 485
грязнение окружающей среды и облучение населения, остальные —
радиационными инцидентами. Однако вероятность — величина ста-
тистическая и может реализоваться в любой момент, примером чего и
стала авария на Чернобыльской АЭС. Вероятность каждого из нало-
жившегося в Чернобыле друг на друга неблагоприятных обстоя-
тельств была сама по себе чрезвычайно низкой, не говоря уже о веро-
ятности их одновременной реализации. Однако авария произошла.
Показатель риска аварий характеризует не столько надежность одно-
го реактора, сколько надежность всех действующих реакторов вместе
взятых, т.е. надежность атомной энергетики в целом. Человек в по-
вседневной жизни погружен в море рисков, любой шаг, любая дея-
тельность сопряжены с риском. В этом плане атомная энергетика да-
же с учетом всех аварий имеет самый низкий по сравнению с другими
технологиями риск. Число случаев преждевременной смерти, сокра-
щение продолжительности жизни и общие потери трудоспособности
в расчете на единицу выработанной электроэнергии в ядерной энер-
гетике даже с учетом самых тяжелых аварий по крайней мере в 100 раз
ниже, чем в других энергетических отраслях.
Среднемировое суммарное облучение населения от радиоактивных
выбросов и сбросов предприятий ядерного топливного цикла, по оцен-
кам НКДАР ООН, составляет 0,3 мкЗв/год, причем на долю непосред-
ственно АЭС приходится более 60%.
Медицинское облучение. Облучение населения при медицинских
процедурах вносит существенный вклад в суммарную дозу. Во многих
странах этот источник ответствен практически за всю дозу, получае-
мую от техногенных источников облучения. Источники ИИ исполь-
зуются в медицине как в диагностических целях, так и для лечения.
Процедуры с использованием источников ИИ назначаются по жиз-
ненным показаниям, риск отдаленных последствий ограничивает об-
лучение. Ниже речь пойдет только об облучении пациентов при диаг-
ностических процедурах. В этой области существуют значительные
потенциальные возможности снижения уровней облучения различ-
ных групп населения.
Эквивалентные дозы в различных органах и тканях пациента при
ретгенодиагностических процедурах зависят от типа процедур, а если
говорить о средних дозах для населения, то дополнительно от частоты и
структуры диагностических процедур. Эквивалентные дозы в органах и
тканях лежат в диапазоне 0,01—14 мЗв на процедуру, а ЭфД — в диапа-
зоне 0,05—10 мЗв. В табл. 5 представлены уровни облучения пациентов
при некоторых рентгенодиагностических исследованиях.
486 О Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 5. УРОВНИ ОБЛУЧЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ ПРИ НЕКОТОРЫХ РЕНТГЕНОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Вицы процедур Средняя индивидуальная доза, мЗв/процедура
Флюорография органов грудной клетки 0,8
желудочно-кишечного тракта 3,6
мочеполовой системы 2,5
головы (черепа) 0,6
Поясничных позвонков 1,0
Рентгенография органов грудной клетки 0,26
желудочно-кишечного тракта 1,1
мочеполовой системы 0,6
головы (черепа) 0,17
ПОЯСНИЧНЫХ позвонков 1,7
таза 1,9
тазобедренных суставов 1,5
Рентгеноскопия органов грудной клетки 1,9/5,7*
желудочно-кишечного тракта 4,6/11,0*
мочеполовой системы 1,0/4,3*
пищевода 2,4/4,5*
Компьютерная томография органов грудной клетки 11,0
желудочно-кишечного тракта 14,0
головы (черепа) 2,0
ПОЯСНИЧНЫХ позвонков 5,4
таза 9,5
печени 10,0
почек 9,2
* Первая цифра с усилителем рентгеновского изображения, вторая — без усилителя.
Глава 7. О Токсическое действие радиации 0 487
По числу рентгенодиагностических процедур на 1 человека (уровень
медицинского обслуживания) страны мира по методике ВОЗ делятся на
4 группы, а НКДАР ООН оценил средние ЭфД для каждой группы
(табл. 6).
В России среднегодовые ЭфД облучения населения различных реги-
онов при рентгенодиагностике лежат в диапазоне 0,11—3,5 мЗв.
Радионуклиды используются в медицине для исследования различ-
ных процессов в организме и для лечения. Частота их применения зна-
чительно ниже частоты рентгенодиагностических процедур. Наиболее
широко применяются препараты на основе "ш Те, 133Хе, |2?Хе, ш1п,
1231, 20IT1, 81Кг, 81111 Кг и др. В промышленно развитых странах на 1000
жителей приходится 10—40 обследований, а годовая ЭфД составляет
примерно 20 мкЗв.
Суммарные данные об облучении населения Земли различными ис-
точниками ИИ представлены в табл. 7
Суммарная доза практически полностью формируется от естествен-
ного фона и медицинских процедур. Атомная энергетика, на которой
сосредоточилось внимание мировой общественности как на основном
виновнике радиационной опасности, дает самый скромный вклад. Для
жителя промышленно развитой страны вероятность погибнуть от авто-
мобильной аварии или умереть от рака легких в результате выкуривания
более 20 сигарет в день более чем в 1000 раз превышает вероятность уме-
реть от рака в результате облучения. Атомная энергетика представляет
собой один из наименее знакомых широкой общественности и одно-
временно один из наиболее опасных, по ее мнению, источников риска.
Люди задают вопрос, не безнравственно ли оставлять опасные радиоак-
тивные отходы будущим поколениям, которые уже не смогут повлиять
Таблица 6. РАДИАЦИОННЫЕ НАГРУЗКИ ПРИ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЯХ
Категория Число жителей на 1 врача Число обследований на 1000 населения в год Средняя ЭфД, мЗзв/год
I Менее 1000 920 1,2
II 1000-2999 150 0,14
III 3000—10 000 20 0,02
IY Более 10000 Менее 20 Менее 0,02
В среднем по миру 330 0,4
488 0 Часть 4. О Химико-токсикологическое определение ксенобиотиков
Таблица 7. СРЕДНЕМИРОВЫЕ ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТИВНЫЕ ДОЗЫ ОБЛУЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ ЗЕМЛИ В 2000 Г., мзв/год
Источник облучения Эффективная доза Диапазон доз
Естественный фон 2,4 1 - 10
Медицина 0,4 0,04- 1,0
Глобальные выпадения 0,005 Максимум 0,15 в 1963 г.
Атомная энергетика 0,0002
Авария 0,002 Максимум 0,04 в 1986 г.
на Чернобыльской АЭС в Северном полушарии
Всего... 2,8
на ситуацию. Атомная энергетика в сознании людей ассоциируется с
последствиями ядерных аварий, атомными бомбами и термоядерной
войной, что вызывает сильные отрицательные эмоции. Атомная энер-
гетика, по мнению студентов, занимает 1-е место среди смертельных
рисков. Бизнесмены атомную энергетику поставили на 8-е место, а в
реальности она занимает лишь 20-е место. Многие факторы, связанные
с восприятием радиационного риска, возникают из сложной природы
ядерной деятельности и ставят на повестку дня одновременно как воп-
росы личного беспокойства, так и более широкие проблемы энергети-
ки, ресурсов и благополучия общества.
Список литературы 0 489
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альберт А. Избирательная токсичность: Пер с англ. — М.: Медици-
на, 1989. - 400 с.
2. Белова М.В., Лисовик Ж.А., Клюев А.Е. Лабораторная диагностика
острых химических отравлений. — М.: Миклош, 1999. — 45 с.
3. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. — М.: Химия,
1984. - 432 с.
4. Быков В.А., Попов П.И., Плетенева Т.В. и др. Применение метода
ККСС для прогнозирования максимальной суточной дозы на при-
мере группы НПВС // Хим.-фарм. журн. — 2004. — № 5. — С.
17-22.
5. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. — М.: ФАИР-
ПРЕСС, 1999. - 716 с.
6. Веселовская Н.В., Коваленко А.Е., Папазов И.П. Наркотики. — М.:
Нарконет, 2002. — 232 с.
7. Гуськова Т.А. Токсикология лекарственных средств. — М.: Рус. врач,
2003. - 154 с.
8. Еремин С.К., Изотов Б.Н., Веселовская Н.В. Анализ наркотиче-
ских средств. — М.: Мысль, 1993.
9. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсичности неорганиче-
ских соединений. - М.: Медицина, 1989. — 250 с.
10. Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации. Док-
лад НКДАР ООН за 1988 г.: В 2 т. - М_: Мир, 1992.
11. КарасекФ., Клемент Р. Введение в хромато-масс-спектрометрию.
- М.: Мир, 1993. - 237 с.
12. Карпов Ю.А. Анализ высокочистых неорганических веществ //
Знание. — 1998. — № 10.
13. Карпов Ю.А., Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподго-
товки. — М.: Бином; Лаборатория знаний, 2003. — 243 с.
14. Карташов В.А., Чернова Л.В. Библиографический указатель отече-
ственных публикаций по токсикологической (судебной) химии за
1983—1998 гг. — Майкоп: Изд. Кубанской государственный мед.
академии, 2003. — 120 с.
15. Карташов В.А. Экстрагирование токсических лекарственных ве-
ществ в системе: биологический материал — растворитель. — Май-
коп: АФ КГМА, 2002. - 84 с.
16. Крамаренко В.Ф. Токсикологическая химия. — М.: Выща школа,
1989. - 370 с.
492 0 Список литературы
44. Швайкова М.Д. Токсикологическая химия. — М.: Медицина, 1975.
- 289 с.
45. Яблочкин В.Д. Экспертное значение определения летучих продук-
тов горения неметаллических материалов при исследовании крови
погибших на пожаре // Суд.-мед. эксперт. - 2000. — № 6. — С.
30-32.
46. Cowan J.A. Inorganic Chemistry. An Introduction Second Edition. —
Wiley-VCH, 1999.
47. Essentials of Toxicology / Ed. Curtis D. Klaassen, John B. Watkins. —
N.Y: Medical Publishing Division, 2003. — 535 p.
48. Graham L. Patrick. An Introduction to Medicinal Chemistry. — Oxford
University Press, 2003. — 650 p.
49. Hodgson E. A Textbook of Modem Toxicology. — Hoboken; New Jersey:
John Wiley and Sons, 2004.
50. Pharmacology Fourth Edition Rang H.P., dale M.M., Ritter J.M. —
Churchill Livingstone, — 1999. — 830 p.
51. Sources and Effects of Ionizing Radiation. United Nations Committee
on the Effects of Atomic Radiation. UNSCEAR 2000. — N.Y., 2000.
Предметный указатель 0 493-
ПРЕДМЕТНЫЙ указатель
0-9
1 -гвдрокси-2,2,2-трихлорэтил-0,
О-диметилфосфонат — 350
1-метил-2-оксо-5-фенил-7-
хлорбензо-1,4-диазепин — 308
1-нафтол — 453
1 -(1 -фенилциклогексил)-
пиперидин — 289
1,1-ди(4-хлорфенил)-2,2,2-
трихлорэтан — 344
1,1,1 -трифтор-2-хлор-2-
бромэтан — 405
1,1,2-трихлорэтилен — 321
2-фторэтилфторацетат — 404
2-хлор- Ю-(З-диметиламинопропил)-
фенотиазина гидрохлорид — 309
2,3,7,8-тетрахлордибензо-
п-диоксин — 347
3-феноксибензил (IRS)-hhc,
транс-3-(2,2-дихлоровинил)-2,2-
диметилциклопропан-
карбоксилат — 355
3,4-метилендиоксиметамфетамин —
290
4-аминоантипирин —452, 453,454
4-okch-N,N-
диметилтриптамин —447
5- (3 -диметиламинопропил иден)-
10,11 -дигидродибензоциклогептен
гидрохлорид — 311
5-гидрокситриптамин — 406,413
6-диметиламино-4,4-дифенил-
3-гептанон — 288
6-меркаптопурин — 120
6-моноацетилморфин — 269, 271
11-дезоксикортикостерон — 418
а-аманитин — 433, 434, 435
а-нафтил-Ы-метилкарбамат — 352
Р-аманитин — 433, 434
р-диметиламиноэтилового эфира
бензгидрола гидрохлорид — 313
Д9-тетрагидроканнабинол — 276, 277,
278, 279
у-ГХЦГ - 346
у-аманитин — 433
г-аманитин — 433
А
Абсорбция при специальных
способах поступления — 82, 91
- через желудочно-кишечный
тракт — 82, 86
- через кожу — 82, 90
Агент Оранж — 347
Агранулоцитоз — 297
Адален —418
Аддитивный эффект —156
S-аденозилметионин — 120
Адреналин — 59, 66
Азот — 78
Акарициды — 31, 340, 342
Акваклин — 347
Акролеин — 22
Акрилонитрил — 109, 315
Акт судебно-химического
исследования — 170
Активация ксенобиотиков — 116
Активированный уголь — 47, 325
Активность радиоактивного
вещества — 458
Алканы — 207, 208, 315
Алкалоиды — 424,425, 426,431
Алканолы — 315
Алкилнитриты — 339
Алкилтриметиламмоний —
Алкогольдегидрогеназа — 101,105
Алломоны — 406
Аллергические дерматиты — 395
Аллиин — 428
494 0 Предметный указатель
Аллицин — 428
Альбумин — 41, 84, 93, 242, 257, 371,
389,435
Альдегид-дегидрогеназа — 106
Альдегидоксидаза — 101, 106, 107
Альдегид муравьиный — 315
- уксусный — 315
Альдостерон — 418
Альфа-частицы — 460
Алюминий — 374, 385, 386
Аманитиновый сивдром — 435
Аманитины — 433, 435
Аманитотоксины — 433
Аматоксины — 433,434,435, 436
Амбуш — 355
Амидопирин — 99
Аминазин — 309
Аминобензофеноны — 308, 309
Аминокислоты — 87, 121, 147, 177,
372, 394,406,408,441,443
Аминополисахариды — 406
Амины - 33,107, 124, 342,406,408
Амитриптилин — 136, 192, 208, 311
Аммиак — 107, 174, 175, 191, 238, 310,
311,333, 334,398,452,453
Аммония хлорид — 43
Амфетамин — 66, 172,192, 290
Ампициллин — 66, 126
Анафилактические реакции — 407
Анафилактический шок — 415
Анатоксин — 59, 253
Ангидроэкгонин-метиловый
эфир — 288
Анемия — 375, 376, 393
Анестетики — 59, 81, 282, 283, 289,
303,429, 430
Анилин — 31,45, 168
Антагонизм — 155
- диспозиционный — 155
- рецепторный — 155
- функциональный — 155
- химический —155
Антациды — 385
Антидепрессанты — 33, 34, 168, 191,
309
Антидот — 42,43,44, 45,46,47
Антидотная терапия — 41, 42
Антикоагулянты — 46, 47, 165, 258,
430
Антитела — 96,103, 256, 257, 259,409
Антихолинэстеразные
препараты — 348
Антрахиноны — 426
Анурия — 385
Апамин— 414
Апитерапия — 416
Апитоксин — 414
Арбидол — 300, 301
Арборол — 355
Аргиопин — 412
Аргирия — 367
Ароматические соединения — 188,
315
Ароматические амины — 33
Арсенаты — 342, 369, 381, 383
Арсениды — 380
Арсенит натрия — 27, 381
Арсениты — 342, 382, 383, 384
Арсеносульфиды — 380
Арсин — 22, 33, 36, 73, 315, 321, 381,
382, 385
Аспирин — 102, 126
Атаксия - 330, 353, 386, 411,445
Атенолол 59, 126, 215, 216, 301
Атомизаторы плазменные — 229
- электротермические — 229
Атропина сульфат — 45
Ацетальдегид — 71
Ацетон — 331
Ацетилирование — 121
Ацетилкоэнзим
А-дегвдрогеназа — 392
Ацетилхолин — 348
Ацетилхолинэстераза — 348, 349
Предметный указатель 0 495
Ацетонитрил — 178, 182, 203, 307,
309, 315, 404, 436
Ацикловир— 126
Аэрозоли— 315
Б
Барбамил — 260, 261, 265, 307
Барбитураты — 15, 37, 40,43, 164,
172, 181, 191, 260, 261, 262, 266, 291,
305, 306, 307, 429, 430
Барий — 44, 46, 361, 398
Байтекс — 351
Беккерель — 457
Белки - 83,93, 94, 96, 235, 370,432
Белладонна — 423
Бензодиазепины — 168, 171, 260, 261,
308, 430
Бензоил-КоА— 121
Бензоилэкгонин — 192, 286
Бензол — 323, 337
Бензофеноны — 308, 309
Бензилбензоат — 174, 315
Бензиловый спирт — 174, 315
Бериллий— 238
Бета-распад — 460
Билирубин — 118, 122, 441, 442
Биодоступность — 138, 284
Биологическая активность — 74,275
Биологически активные
добавки — 359
Биотрансформация — 52, 96, 98,99,
100, 101, 280, 308, 326, 346, 353
Бисептол — 159, 301, 303
Бледная поганка — 433
Болезнь Альцгеймера — 386
Брадикардия — 445, 450
Британский антилюизит — 396, 397
Бутамид — 109
Буфогенин — 420
Буфадиенолиды — 426
Буфоталидин — 420
Буфотенин — 419
Буфотенидин — 419
Буфотоксины — 420
Бэр - 467, 468
В
Валериана — 430
Ванадаты — 191
Ванадий — 359
Ванилин — 239, 452,454, 455, 456
Варфарин — 66, 208
Верапамил — 102, 192
Викаеол — 46
Висмут — 44, 387
Витамин В| — 393
- К- 74
Внутрилабораторная
прецизионность — 184
Водород - 33, 37, 54, 57, 74, 75, 76,
105, 107, 175, 212, 229, 233, 238, 247,
415, 418,459,465
Волоконница — 449
Воспроизводимость— 185
Восстановление азо-
и нитросоединений — 103
- дисульфидов — 104
- карбонильных соединений 104
- сульфоксидов — 104
- хинонов — 104
Время удерживания — 195, 210
Всасывание — 319, 385
Высота, эквивалентная
теоретической тарелке — 186,209
Г
Газолин— 330
Галотан — 109, 428
Галлюцинации
Гашиш — 275
Гашишное масло — 275
Гексан- 190, 279, 315
Гексахлоран — 346
Гексахлороциклогексан — 315
Гексенал — 261, 306
Гексобарбитал — 192, 306
Гель-хроматография — 193
496 0 Предметный указатель
Гель-электрофорез — 363
1ематоэнцефалический
барьер 95
Гематурия— 413,415
Гемоглобин - 43, 45, 47, 71, 73, 168,
169, 297, 320, 332, 371, 373, 375, 382,
389, 392
Гемодиализ — 42
Гемолиз — 43, 329, 385, 407, 414, 415
426, 441
Гемолимфа — 416
Гемосорбция — 42
Гемохроматоз — 393
Генетические нарушения — 475
Геном - 362, 372
Генотоксичность — 394
Гепарин — 165, 333
Гепатотоксин — 323
Гепатотоксичность — 155, 323
Гептан — 202, 203, 308, 310
Гептахлор — 342, 357
Гербициды — 340
Героин — 192, 270, 271, 283
Гликоген — 431
Гиалуронидаза — 407, 410, 413, 414
Гидроарсенат-ион — 382
Гидрокортизон — 301
Гидроксиапатит — 95, 384, 402
Гидроксилирование — 110
Гидролаза — 101, 103, 408
Гидрохинон — 104, 418
Гиосциамин — 208
Гипергликемия — 394
Гиперемия — 408, 417
Гиперицин — 429
Гиперкератоз — 380
Гипермикроэлементозы — 362
Гиперпигментация — 380
Гиперрефлексия — 387
Гиперфорин — 429
Гипогликемия — 429
Гиромитрин — 439
Гиромитриновый синдром — 441
Гистамин - 46, 120. 406, 413, 414
Гистидин — 372, 391
Гифы — 431
Гликозиды — 33, 304, 314, 406, 407,
426
Глицин - 100, 116, 121, 122, 147, 150,
151, 152, 153, 159, 349
Глутаматдекарбоксилаза — 439
Глутамин— 121
Глутатион - 71, 122, 123, 124
Глугатион-Б-трансфераза — 123
Глутатионредуктаза — 104
Глюкозурия — 376, 394
Говорушка — 449, 150
Гормезис — 473
Грибы - 33, 431, 432, 433,446, 447,
449, 450
Губоногие — 412
Гусеницы — 413
Д
Дву парноногие — 413
Деалкилирование — 112
Дегалогенирование — 105
Дегидратаза Ь-аминолевулиновой
кислоты — 375
Дегидрирование — 115
Дегидрогалогенирование — 105
ДДТ - 342, 344, 345, 346, 457
Дезипрамин— 192,311
Действие неспецифическое — 296
- специфическое — 296
Декарбамилирование — 349
Декарбоксилаза — 439
Дексаметазон — 240, 301
Дельтдметрин — 356
Депонирование — 95
Депротеинирование — 178
Дериватизация — 339, 347, 355, 356
Дериваты — 307
Десорбция лазерная — 242
- полевая — 242
Предметный указатель 0 497
Детектор-
масс-спекгрометрический — 249
- пламенно-ионизационный —
212,213
- по теплопроводности ^212
- рефрактометрический — 199
- с сегментированной матрицей
и устройством с зарядовой
связью — 225
- спектрофотометрический —199,
200, 436
- ультрафиолетовый — 200
- электронного захвата —- 212
Детерминированные эффекты
облучения — 469
Детоксикация — 40, 52
Дефероксамин — 43
Дефолиант — 32, 353
Дефосфорилирование — 349
Диаграмма доза-ответ — 149
- pH-потенциал — 70
Диазен — 440
Диазепам — 126, 208
Диазолин — 312
Диакарб — 387
Диалкилфторофосфаты — 403
Диарея — 378, 400, 401
Диастезис — 413
Диацетилморфин — 269
Дигидроарсенат-ион — 382
Дигидродиолдегидрогеназа — 106
Дигитоксин — 45, 313
Дигоксин — 126, 136, 313, 430
Диизопропилфторофосфат — 403
Дикват — 353, 354
Диклофенак натрия — 301, 302
Димедрол — 46, 192, 312, 313
Димеркапрол — 397
Диметиларсенат — 382, 383, 384
Диметилкетон — 331
Диметилнитрозамин — 99
Диметилртуть — 64
Диметилформамид — 189, 315, 357
Динитрофенолы — 355
Диоксан — 310, 311, 313
Диоксид азота — 315
Диоксидин — 294, 298, 301
Диоксин — 27, 347
Дипиридамол — 428
Дипразин— 312
Дистилляция — 20, 166, 233, 314, 335
Дитизон — 453
Дитиоглиперол — 43
Дитионит натрия — 333, 334
Дифениламин— 398
Дифенилгидрамин — 313
Дифенилкарбазон — 307
Дифтор — 400
Диффузия облегченная — 82
- простая — 82
Дихлорид ртути (I) — 378
Дихлорид ртути (II) — 378
Дихлорметан — 109, 202, 322, 332
Дихлорфторметан — 315
Дихлорэтан — 31, 40, 171, 315
Дихлофос — 350
Диэтиламид d-лизергиноьой
кислоты — 290
ДНОК - 342, 355
L-допа— 120
Допустимое суточное поглощение — 29
Доза — 26
- ионизирующего излучения — 26
- поглощенная — 459
- смертельная — 294, 378
- - абсолютная — 26
- - средняя — 26
- - минимальная — 26
- суммарная
- суточная
- токсическая — 26
- токсическая минимальная — 26
- эквивалентная — 470
- эффективная — 290, 476
498 0 Предметный указатель
Дозиметрия — 463
Допамин — 375,429
Дофамин — 283,414,439
Древесный спирт — 327
Е
Естественный радиационный
фон - 456, 457, 479
Ж
Жабы-419,420
Железный купорос — 392
Железо- 218, 392, 393
Желчь — 88, 91, 118, 119, 123,320,
325, 367, 435
Желчные кислоты — 296
Женьшень — 429
Жесткокрылые — 416
Жидкостные камеры — 92
Жуки — 416, 418
Журнал регистрации анализов — 164
3
Заключение эксперта — 170
Зарин — 403
Зверобой — 429
Земная радиация — 480
Земноводные — 419
Зиверт — 467, 468
Змеи — 407
Зоман — 403
Зоотоксины — 406
Загрязнение окружающей
среды — 379, 395
И
Ибупрофен — 66, 79, 298, 302
Излучение — 224
- альфа — 458, 459
- бета — 459
- вторичное космическое — 479
- гамма — 459, 464, 470
- ионизирующее — 457,459, 462
- первичное космическое — 479,480
- характеристическое — 222, 229
- электромагнитное -г 223, 224,229
Изолирование — 177, 452, 454
Изомераза — 391
Изониазид — 56, 121, 192
Изопентанол — 310
Изопропанол — 155, 176, 307, 338
Идентификация — 452,456
Имизин — 265, 311
Имипрамин — 192,312
Иммунотоксичность — 304
Иммуноферментный анализ
гетерогенный — 255
- гомогенный — 255
Иммунохимическая реакция — 253
Иммунохроматографический
анализ — 259
Индекс анилиновый — 453
- безопасности — 291, 299, 301
- топологический — 50, 74, 75, 76,
77, 78, 79, 80, 81, 292
- фенольный — 453
- холиновый — 453
Индинавир — 429
Индол — 419,452
Индометацин — 36, 37, 39, 126, 428
Инертные газы — 315, 481
Инсектициды — 343, 348, 349
Инсектотоксины — 411
Интоксикация — 24, 442,450
- экзогенная — 24
- эндогенная — 24
Ионизация — 95, 226, 230, 241
- электрораспылительная — 242
Ионный источник — 215
Ирританты — 32
Й
Йод — 415
К
Кава-кава — 429
Кавалактоны — 429
Кадаверин — 439
Кадмий - 218, 379, 380, 450
Какодилат — 381, 384
Предметный указатель 0 499
Калий - 218, 296, 340, 386, 415, 481
Калия перманганат — 339, 420
- феррицианид — 452, 453
Каломель — 27, 378
Кальмодулин — 345, 346
Кальций - 218,375, 396,415
Кальцитонин — 301
Кальция арсенат — 381
- глюконат — 44, 402
- оксалат — 329
- фторид — 401, 402
Камера — 125, 140
- с диффузионном контролем —144
- с перфузионными
ограничениями — 143
Каналы калиевые — 410
- кальциевые — 369
- хлоридные — 410
Каннабидиол — 276
Каннабиноиды — 277, 278
Каннабинол — 276, 279
Каннабис — 276
Кантаридин — 416, 417
Канцерогенность — 373
Канцероген - 22, 317, 323, 327, 373
Капиллярный электрофорез — 363
Карбарил — 342, 352, 353
Карбоангидраза — 392
Карбоксигемоглобин — 169, 333
Карбоксимиоглобин — 169
Карбоксилэстераза — 102,357
Карбоновые кислоты — 315, 342
Карбофос — 33, 45, 342, 350, 351
Карденолиды — 420,426
Кардиомиопатия — 327
Каталаза — 418
Катаракта — 470
Катарометр — 212
Кетамин — 59, 208, 301
Кетоны — 162, 315, 342
Кинетика клеточных
превращений — 50
Кислород — 25, 34, 52, 54, 61, 62, 78,
104, 105, 106, 107, 108, 109, 169, 212,
233, 238, 275, 321, 333, 335, 385, 392,
396, 400, 415, 418, 459, 465, 480
Кислота
- 6-аминолевулиновая — 373, 375
- азотная - 21, 177, 233, 234, 237,
238,310, 393,398, 452, 454
- арахидоновая — 107, 108
- барбитуровая — 261, 305, 307
- бензойная — 121, 324
- гельвеловая — 438
- гиппуровая — 121, 325
- гликолевая — 48, 329
- глиоксиловая — 48, 329
- дигидрофолиевая — 303
- диметилмышьяковая — 64, 384
- иботеновая — 443, 444, 445, 446
- изолимонная — 404
- изоникотиновая — 394
- какодиловая — 384
- карбаминовая — 342, 348, 349,
352, 357
- лауриновая — 110
- лимонная — 404
- липоевая — 382
- метилтетрагидрокарболинкарбо-
новая — 444, 446
- монометилмышьяковая — 64
- монофторофосфорная — 402
- муравьиная — 48, 99, 315, 328,
329, 333,413
- мышьяковая — 381, 382
- мышьяковистая — 73, 382
- никотиновая — 359
- пиретриновая — 355
- плавиковая — 399
- серная - 177, 191, 232, 233, 234,
271,279, 307,310,311,313, 333,
339, 342, 357, 398, 452, 453, 463
- синильная — 33, 335, 336
- стизолобиновая — 443,444,446,447
500 0 Предметный указатель
- стизолобовая — 443, 444, 446,
447
- тетрафолиевая — 303
- тиофосфорная — 350
- трихлоруксусная — 178, 181, 307,
322, 357
- уксусная — 32, 33, 315,446,447,
454
- фолиевая — 303, 327
- фосфоновая — 350
- фтороводородная — 399
- фторуксусная — 404
- хлорная — 178, 233, 310,454
- щавелевая — 48, 329
Клеточные модели — 145
Клеточный биосенсор — 145, 154
Клещи — 412
Клиренс— 125,136
Кобальт - 44, 218, 359, 367, 389,451
Кодеин — 191, 208, 271
Кокаин — 192, 208, 280, 281, 282, 283,
284, 285, 286
Кокаина гидрохлорид — 282
Кокаэтилен — 287
Кокцинеллин — 418
Коллапс - 325, 331, 356, 387, 408, 424
Комбинированное воздействие
токсикантов— 156
Константа скорости абсорбции — 130
- биотрансформации — 128, 130
- печеночной элиминации — 320
- экскреции— 130
- элиминации — 130,131, 135
Концентрация летальная — 324, 325
- токсическая — 64, 288, 331
Концентрирование — 398
- микропримесей — 237
Конъюгация аминокислотная — 121
- глутатионовая — 122
Кортинарины — 449
Котинин— 192
Котримоксазол — 303
Кофактор фермента — 362, 370, 373,
393
Кофеин- 192,208,264,282
Кофермент — 61, 103, 404
Коэффициент взвешивающий — 467
- кумуляции — 451
- распределения — 64, 142, 319,
320
- экстраполяции — 298
Красный мухомор — 443
Крезол— 174,315
Кремнезем — 27
Кремния диоксид — 27
Криолит— 399,402
Крэк — 282, 283
Ксантиндегидрогеназа— 106
Ксантиноксидаза — 101
Ксенобиотик — 66, 71, 93, 94, 97, 109,
126, 136, 141, 192, 193
Ксилолы — 325
Кумарин — 110
Кумуляция — 25, 424
Кюри — 457
Л
Лансопразол — 112
Левомепразин — 309, 310
Лейкозы — 471,474
Летучие яды — 33, 315, 316, 318, 321
Лиаза — 391
Лиганд-рецепторный механизм — 53
Лигнин гидролизный — 43
Лизин-2-монооксидаза — 389
Л изолецитин — 414
Лидокаин — 192, 282, 430
Лимфаденит— 413
Лимфодиализ — 41, 378, 396
Лимфосорбция — 41
Линдан — 346, 357
Липаза — 401
Липиды - 54, 103, 178, 181,235, 325,
354,406, 408, 413
Литий — 218, 386
Предметный указатель Q 501
Лития гидрид — 386
- карбонат — 386
Лоратадин — 114
ЛСД - 290,448
Лучевая болезнь острая — 469
- хроническая — 469
Люминал — 265, 306
М
Магний — 218, 357, 415
Майковые — 416
Макроэлементы — 359, 373
Малатион — 351
Маннит— 175,282
Марганец — 218, 393
Маринобуфагин — 420
Марихуана — 240, 275
Масс-анализаторы — 243
Масс-спектрометрия -* 239, 246, 252
Мегалоцитоз — 425
Медазепам — 307
Меди сульфат — 392
Медь — 218, 389
Мезоны — 459
Мелитин — 414
Меркаптамин — 44
Метаболизм — 290, 296, 327, 381, 394
- вторичный — 124, 169
- опиатов — 272
Метаболиты — 262, 279, 285
Метадон — 192, 288
Металлом — 358, 362
Металлопротеом — 363
Металлотионеинат кадмия — 368
Металлотионеины — 358
Металлоферменты — 389
Метанол — 327
Метафос — 45, 342, 350, 352
Метгемоглобин — 168, 169
Метгемоглобинемия — 385
Метеразин — 309
М-метил-ТЧ-формилгидразин — 439,
440
Метилгидрохинон — 418
N-метилгидразин — 440, 441
Метиленхлорид — 322
Метилирование — 101, 120, 384
Метилпреднизолон — 301
Метилнитрофос — 350
Метилртуть — 374, 377
Метил-трет-бутиловый эфир — 327
Метилфторацетат — 404
Метилциклопентан — 76, 78
Метилэкгонин — 286
Метилэфедрин — 208
Метод добавок — 183, 231
- градуировочного графика — 231
- кругового анализа — 183
- стандартных образцов состава —
183
Методы детоксикации — 12, 39,42
- определения кокаина — 288
- - каннабиноидов — 279
- -летучих ядов — 335
- - пестицидов — 358
Метопролол — 59, 102
Метрология — 182
Метронидазол — 301
Механизмы токсичности
металлов — 368
Мидазолам — 430
Мидриаз — 445
Микродиффузия — 314
Микромеркуриализм — 377
Микроцефалия — 327
Микроэлементы — 358, 359, 361
- необходимые — 359
- примесные — 359
- условно необходимые — 359
- эссенциальные — 160
Минерализация — 179, 234, 235
- мокрая — 233
- сухая — 233
Миоглобин — , 43, 332, 392
Миоз — 403, 445, 450
502 0 Предметный указатель
Мицелий — 431
Мицетизм — 432
Мишени воздействия — 294
Многоножки — 412, 413
Молибдаты — 369
Молибден — 359, 383, 389
Молибденовые гидроксилазы — 106
Моль — 413
Моноаминоксидаза — 101, 107
Монооксид углерода — 323
Монохроматор — 225, 229
Морфин — 27, 59, 192, 208, 271, 273
Морфин-З-глюкуронид — 271
Морфин-6-глюкуронид — 271
Мочевина — 84, 240
Мукополисахариды — 393
Муравьи — 413
Мусказон — 444
Мускарин — 404, 443, 449
Мускариновый синдром — 449
Мусцимол — 443, 444, 445,446, 447
Мутагенность — 304
Мутации — 322, 475
Мышьяк — 218, 238, 248, 380, 384
Мышьяка оксид — 381
- трихлорид — 381
Н
Накопление токсиканта — 92, 95, 134
Налоксон — 46, 59
Налтрексон — 46
Направление клинико-
токсикологическое — 15
-наркологическое — 15, 16, 17
- судебно-медицинское — 15, 18
- экотоксикологическое — 15,18
Напроксен — 79, 301
Наркомания — 263
Наркотические вещества — 263
Нарывники — 416
Насекомые — 413
Насосы мембранные — 197
- перистальтические —197
Натрий — 218, 296, 386
Натрия
- гидрокарбонат — 387
- сульфат — 44, 328
- тиосульфат — 44, 48
- фторацетат — 404
- фторид — 275,401, 402
- фторфосфат — 401
Нафтены — 330
Нафтол - 352, 353
Нейроастенически й синдром — 316
Нейротоксины — 411
Нейротоксичность — 64, 407
Нейтроны — 459, 461, 480
Нембутал — 265, 307
Неогемодез — 43
Нефротоксичность — 449
Никель — 218, 319
Никеля сульфид — 396
Никотин — 27, 59, 192, 208
Никотинамид — 359
Никотинамидадениндинуклеотид —
103
Нитразепам — 208, 301, 307
Нитробензол — 168, 315, 324
Нитрофен — 342, 350
Нитрофенолы — 342
Норадреналин — 375, 386, 429, 439
Нонахлазин— 310
Норбадион— 451
Нордиазепам — 239
Норкодеин — 271
Норкокаин — 281, 284, 286
Норпсевдоэфедрин — 427
Нортриптилин — 191, 311
Норэпинефрин — 429
Норэтистерон — 301
Норэфедрин— 192
О
Облучение медицинское — 456, 485
Обнаружение
амитриптилина — 311
Предметный указатель 0 503
Объем распределения — 92, 135
- - кажущийся — 132
- элюции — 194
Озоление — 233, 235
Оксазепам — 208
Оксигемоглобин — 333
Оксид азота — 33, 61, 212, 484
- углерода (II) — 45, 168, 169, 331,
332
Олигурия — 378, 385, 387, 479
Омепразол — 112
Опиаты — 262, 263, 269
Опий — 268
Опиоиды — 269
Ореланин — 449
Орелановый синдром — 449
Остаточные количества
пестицидов — 342
Острая почечная
недостаточность— 449
Отравление антигистаминными
лекарственными средствами — 312
- барбитуратами — 40, 305
- острое — 36, 164
- хроническое — 330
П
Паксилюсный синдром — 450
Панаксинол — 429
Пантерный мухомор — 443
Параоксон — 99
Параоксоназа — 102
Паракват — 353, 354
Паратион — 99
Парафин — 330
Паркинсонизм — 394
Пауки — 412
Паутинник — 449
Педерин — 417
Педерон — 417
Пеницилламин — 44
Пентахлорфенол — 315
Пентацин — 44
Пептидазы — 103, 408
Перегонка с водяным паром — 335
Период полураспада — 458, 483
Периоды отравления — 38
Перманганат-ион — 394
Перметрин — 355
Пероксид водорода — 418,465
Пероксидаза— 107,418
Перфторалканы — 405
Перфторизобутилен — 405
Перхлорэтилен — 322
Пестициды — 240, 340, 342, 343
Пилокарпин — 40, 45, 48
Пинаколиловый эфир
метилфторфосфоновой
кислоты — 403
Пиноцитоз — 85, 368
Пионы — 459, 480
Пиретроиды — 340, 342, 355, 357
Пиретрум — 356
Пиридоксальфосфат — 439
Плавиковый шпат — 399
Платина — 387
Платинозис— 387
Повторяемость — 184
Погрешность систематическая — 183
Поливинилпирролидон — 148
Полипептиды — 407
Полипрагмазия — 291, 303, 304
Полисахариды — 249, 406, 413
Политетрафторэтилен — 405
Полихлорированные дифенилы — 346
Полихроматор — 225, 226
Поляризационный
флуороиммуноанализ — 259
Поступление токсиканта — 85
Потенциал возбуждения — 222
- ионизации — 222
Потенцирование —155
Правильность — 38, 185
Предварительные испытания —162,
173, 174, 175
504 0 Предметный указатель
Предел обнаружения — 186, 256, 259,
279, 288, 309,311,446
Преднизолон — 240, 301
Препарат 2,4 — Д — 347
Пресистемная элиминация — 88
Примесные элементы — 359
Пробоподготовка — 19, 177, 215, 232,
436
Прогерия — 375
Продимин — 293
Прозерин — 46
Промазин — 309
Пропазин — 309
Пропанон — 331
Пропиленгликоль — 329
Проспцдин — 293
Простагландин - Н—синтетаза — 101
Простациклин — 428
Простые эфиры — 342
Протеазы — 407
Протеинаты — 367
Протеолитический эффект — 407
Протеом — 239, 362, 363
Противоядие — 42
Протоны — 480
Протопорфирин — 375
Прохлорперазин — 309
Псевдопедерин — 417
Псевдоэфедрин — 427
Псилоцибин — 447, 448
Псилоцин — 265, 432, 447
Психоактивное вещество — 263
Психотомиметики — 289
Путресцин — 439
Пчелы — 414
Р
Радиация — 457, 480
Радиоактивность — 253, 457, 458, 481
Радионуклиды — 240, 451, 480, 487
- естественные — 480
Радон — 479, 481,483
Разложение пробы — 232
Разрешающая способность — 246
Распределение токсиканта — 92
Расчетный безопасный курс — 291
Реактив Драгендорфа — 189, 452, 454,
456
- Марки — 177, 191, 310
Редокс-потенциал — 382
Резибуфогенин — 420
Рентген — 457
Респираторные отравления — 423
Рецептор токсичности — 53
Рифампицин — 301
Родентициды — 381,401,404
Ртути нитрат — 191
-сульфат— 307
- сульфид — 378
Ртуть — 377
С
Саливация — 450
Сапонины — 426
Свинец — 218, 374, 450
Свинушка — 450, 451
Свинца арсенат — 381
- ацетат — 398
Севин — 352
Селективность — 203
Селен - 180, 233, 238, 422
Селенаты— 369
Селеноводород — 315, 321
Селенопротеом — 363
Семихинон — 105
Септрим — 303
Сера — 78, 415
Сердечные гликозиды — 426
Сердечный выброс — 316
Серебро - 71,73, 236, 367, 370, 437,
451,452, 453
Сероводород — 315, 398
Серотонин — 107, 410, 419, 429, 439,
448
Сибазон — 124, 307, 308
Скорпионы — 410
Предметный указатель 0 505
Соланин — 422
Соль Рейнеке — 452
Спектрометрия атомно-
абсорбционная — 182, 217, 218
- атомно-эмиссионная
с индуктивно-связанной
плазмой — 182, 217, 218
Спидболл — 282
Спиробромин — 293, 294, 301
Спирты - 33, 34, 106, 162, 173, 179,
216, 265, 315, 319, 326, 339, 342
Стафилиниды — 417
Стероидные гормоны — 118
Стероиды — 122, 177, 240,406
Стибин —315, 321
Стирол — 325
Стохастические радиационные
эффекты — 471
Стронций — 218
Строчки — 437
Субериларгинин — 420
Сублимация — 357
Судебно-химический
анализ — 398
Сукцинатдегидрогеназа — 392
Сулема — 378
Сульфаметоксазол — 303
Сульфатирование —119
Сульфонирование — 119
Сумитион — 350
Супрастин — 312
Сурьма — 180
Т
Тавегил — 312
Таллий — 450
Танин — 333
Таурин - 100, 116, 121
Тахикардия — 59
Теория взаимодействия
кинетическая — 57
- оккупационная — 55
Теофиллин — 193, 208
Терапевтический индекс — 298
Тератогенность — 341
Терпеноиды — 426
Тестостерон — 110
Тетрагццроканнабинол — 278, 280
Тетрафтороборат (III)
водорода — 400
Тетрахлорэтилен — 322
Тетрациклин — 298, 385
Тетраэтилсвинец — 330
Тефлон — 399, 405
Тиамин — 74
Тизерцин — 309
Тиолаты— 73
Тиопентал — 193
Тиоридазин — 309
Тирозин-З-монооксигеназа — 389
Токсикогенная фаза — 165
Токсикодинамика — 50, 82, 319
Токсикокинетика — 51, 82,125, 137,
271, 277, 284, 322
- насыщения — 137
Токсикокинетическая кривая — 129,
133
Токсикокинетическая модель
двухкамерная — 133,
- однокамерная — 130
Токсикологическая химия — 12, 13,
14, 20, 23
Токсикология — 12, 19, 240
- аналитическая — 275
- биохимическая — 50, 326
Токсикомания — 263, 264, 317, 318
Токсин - 24, 27, 407, 410,413, 424,
433, 435, 438, 449, 450, 454
Токсический гепатит — 331
Токсичность — 292, 340, 348, 456
- адреналовая — 298
- комбинированная — 358
- острая — 294
- подострая — 294
- хроническая — 293, 294, 329
506 0 Предметный указатель
Толбутамид — 109
Толерантность — 24
Толуол — 324
Топологическая матрица — 76
Торон — 479
Точность — 186
Транквилизаторы — 33, 266, 307, 309
Трансаминаза — 296, 439
Транскуприн — 389
Транспорт ксенобиотика — 142
- активный — 142
- пассивный — 142
Трансфераза — 119, 391
Трансферрин — 370
Триметоприм — 159, 303
Триптамин — 419
Трифтазин— 309
Трифторметан — 315
Трихлорфон — 350
Трихлорэтанол — 321
Трихлорэтилен — 321
Трициклические
антидепрессанты — 191
Тромбин — 429
Тромбокиназы — 415
Тромбопластин — 429
Тропацин — 453
У
Угарный газ — 33, 36, 169, 315, 321,
322
Углеводы — 87
Углерод - 31,45, 56, 62, 78, 87, 105,
ПО, 123, 155, 168, 169, 171, 208, 212,
315, 323, 331, 396, 415
Ультрамикроэлементы — 359
Уравнение Аррениуса — 150
- Больцмана — 226
- Ван-Деемтера — 209
- Шайбе—Ламакина — 227
Уреаза — 401
Уротропин — 45
Унитиол — 44
Ф
Фагоцитоз — 85, 90, 368
Фазы биотрансформации — 100
Фактор толерантности к глюкозе —
359, 394
- удерживания — 188
Фаллотоксины — 434
Феназепам — 265, 307
Фенацетин— 176
Фенвалерат — 342
N-Фенил-N - [ 1 -(2-фенилэтил)-4-
(1 -фенэтил-4-пиперидинил]
пропионамид — 289
Фенил-изопропиламин — 290
Фенилацетон — 351
Фенилбутазон — 54, 79, 93
Фенобарбитал — 193
Фенол — 176, 452
Фенотиазин — 176
Фентанил — 208, 289
Фентион — 351
Фентоламин— 46
Фенциклидин — 59, 208, 289
Ферменты — 99,101,102, 108
Ферритин — 371
Ферроксидаза — 389
Физиологические модели — 139,140
Фильтрация — 84
Фитоменадион — 47
Фитотоксины — 406, 422
Флавинадениндинуклеотид — 103,
107
Флавинмонооксигеназа — 108
Флумазенил — 47
Флуоресцентный иммуноанализ —
164, 253, 258
Флуоресценция — 188, 199, 259
Флюорит — 399
Флюороз — 402
Фоксим — 342, 351
Фопурин — 293
Формальдегид —175
Предметный указатель О 507
Формиат-ион — 328
Форсколин — 428
Фосген - 32, 33, 45, 323
Фоскарнет — 301
Фосфамид — 109, 350, 351
Фосфат аммония — 309
Фосфатаза — 296, 392, 401
Фосфин — 336 315
Фосфолипаза А2 — 414
Фосфор — 78
Фосфорилирование — 73, 383,401
Фосфорорганические
соединения — 350
- эфиры — 348
Фотоны — 460, 462, 480
Фотосенсибилизцрующий
эффект— 424
Фотрин — 293
Фреоны — 31,405
Фтор — 78, 399
Фтор-ацетил-кофермент А — 404
Фторапатит — 399, 402
Фторацетамид — 404
Фторацетаты — 404, 405
Фторацетилхлорид — 404
Фторированные углеводороды — 405
Фтороводород — 400,401
Фторопласт — 234, 405
Фгоротан — 405
Фторофосфаты — 403
Фторсиликаты — 400
Фторуглероды — 399,405
Фторуксусной кислоты
ангидрид — 404
Фунгин — 431
Фунгициды — 31, 340, 342
Фуросемид — 66
X
Хелатирование — 358
Хелатирующий агент — 396
Химико-токсикологический
анализ — 162, 421
Химический гомеостаз — 359
Хиноксидин — 298, 301
Хиноны — 406
Хладоны — 405
Хлозепид — 307
Хлор — 78
Хлоралгидрат — 315
Хлорамфеникол — 126
Хлорбутанол — 174, 315
Хлорид железа — 177, 310
Хлорид метилена — 322
Хлорированные
углеводороды — 321
Хлорорганические
пестициды — 343
Хлорофенолы — 315
Хлороформ — 323
Хлорофос — 45, 350
Хлорпромазин — 309
Хлорпротиксен — 309
Хлорфторуглероды — 315
Холестирамин — 45
Холин — 348
Холинэстераза — 286
Хром — 394
Хрома гидроксид — 394
Хроматография — 454
- адсорбционная — 188, 190
- бумажная — 187
- высокоэффективная
жидкостная —163,198
- газовая - 205, 206, 207, 209, 210,
215
- жидкостная — 196
- ионообменная — 203
- колоночная — 193
- распределительная — 188
- тонкослойная — 187, 190
Хромато-масс-спектрометрия — 279
Хроматы — 369
Хромовый
ангидрид — 339
508 0 Предметный указатель
ц
Цианид водорода — 37, 175, 315, 331
(5)-а-циано-3-феноксирбензил
(1 И,цис)-2,2-ди метил-3-
(2,2-дибромовинил)
циклопропанкарбоксилат — 356
(RS)-a-unaHO- 3-
феноксибензил( 1 Я5)-цис-,
транс-3-(2,2-дихлоровинил)-2,2-
диметилииклопропанкарбоксилат -—
356
Циклические алканы — 315
Циклобарбитал — 265
Циклопропанкарбоновые
кислоты — 355
Циклоспорин — 126
Цимбуш — 356
Цинк-218, 390,391,392
Цинка сульфат — 150, 158, 390, 392
Цинковые пальцы — 391
Циперметрин — 356
Цисплатин — 301, 387
Цистеин - 119, 122, 160, 372, 382,
383, 391
Цитолитическое действие — 407
Цитотоксичность — 362
Цитохром Р450 — 108
Цитохром-с-оксидаза — 389
Цитохромоксцдаза — 47, 328, 332,
392
Ч
Чеснок — 428
Четыреххлористый углерод — 323
Щ
Щелочная фосфатаза — 296, 392
Э
Эйкозаноиды — 108
Экгонин - 262, 280, 281, 285, 286
Экскреция — 82, 96, 98, 296, 308, 380
- кишечная — 82, 97, 308
- легочная — 98
- почечная — 82, 97, 308
Экстракция жидкофазная — 179, 357
- парофазная — 178
-твердофазная — 179, 357
Экспериментальные животные — 292
Электроны — 224
Элементы-органогены — 359
Элиминация — 131,220,435
Эндемические провинции — 361
Эндопептидазы — 408
Эндоцитоз — 85, 368, 370, 372
Энергия активации — 150, 153
Эпоксидирование— 109
Эпоксидная гидролаза — 103
Эрготамин — 208
Эстеразы — 102
Этазол — 301
Этанол - 27, 45, 48, 136, 326, 327
Этацизин — 310
Этилацетат — 279, 306, 309, 310, 311
Этилбензол — 325
Этиленгликоль — 136, 329
Этилолеат — 174,315
Этилфторацетат — 404
Этинилэстрадил — 430
Этмозин — 310
Эуфиллин — 387
Эфедра — 427, 428
Эфедрин - 193, 208, 404, 427
Эхинацея — 427
Я
Яд - 21, 24, 169, 404, 406, 407, 408,
410, 412, 413, 414, 415, 416, 418, 419,
420, 421, 422, 423, 424, 432
Ядерный топливный цикл — 483
Ядовитые газы — 331
Яды змеиные — 408
- растительные — 424
Ящерицы — 410
A-Z
A. arvensis — 451
A. mellifer adansonii — 414
A. silvaricus — 451
Предметный указатель 0 509
Agaricales — 433
Agaricus campester — 451
Amanita muscaria — 443
Amanita phalloides — 433, 442,443
Apis mellifera mellifer — 414
Argasidae — 412
Ascomycetes — 437
Asteraceae — 424
Astragalus — 422
Automeris — 413
B. calamita Laur — 419
B. raddeiStr. — 419
B. viridis Law — 419
Basidiomycetes — 433
Boletus edulis — 451
Boraginacea — 424
Brachinus— 418
Bufo bufo L — 419
Butterbar — 422
C. genrilis — 449
C. orellanus — 449
C. rubellus — 449
Calocybe gambosa — 451
Centruroides exilicauda — 410
Clitocybe — 449
Coccinellidae — 418
Coltsfoot — 422
Comfrey — 422
Corti narius — 449
Crotalids — 409
Crotallaria— 424
Dioptidae — 413
Dytiscus— 418
Ecitoninae — 413
Epilachna chrysomeiina — 418
Fabaceue — 424
Formicinae — 413
Ggermander — 422
Gyromitra gigas — 437
Gyromitra esculenta — 437
Heliotropium — 424
Heloderma suspectum — 410
Hermileucinae — 413
Ino’cybe corydalina var. — 447
Ixodidae — 412
Lepista — 451
Lolitum temulentum — 422
Lytta —416
Ma huang — 427
Magnolia — 422
Megalopygidae — 413
Meloe — 416
Mylabris — 416
Myrmecinae — 413
Ochetomyrmex — 413
Paederus riparius — 417
Pagonomyrmex — 413
Panaeolus subbalteatus — 447
Paxillus involutus — 450
Pezizales — 437
Ponerinae — 413
Pseudomyrmex — 413
Psilocybe semilanceata — 447
Pyrethrum cinerariifolium — 355
Senecio — 424
Senna — 422
Skullcap — 422
Solenopsis — 413
Stefania — 422
Stromatinia temulenta — 422
Symphytum officinale — 425
Trifoiium — 422
Tussilago farfara — 425
Valeriana — 422
\fejovidae— 410