Характеристика типов комбинированной токсичности металлов и металлоидов как основа гигиенической оценки многокомпонентного загрязнения среды Минигалиева Ильзира Амировна

Краткое описание

Минигалиева Ильзира Амировна. Характеристика типов комбинированной токсичности металлов и металлоидов как основа гигиенической оценки многокомпонентного загрязнения среды: диссертация ... доктора Биологических наук: 14.02.01 / Минигалиева Ильзира Амировна;[Место защиты: ФБУН «Федеральный научный центр гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана»], 2019
Характеристика типов комбинированной токсичности металлов и металлоидов как основа гигиенической оценки многокомпонентного загрязнения среды Минигалиева Ильзира Амировна
ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
доктор наук Минигалиева Ильзира Амировна
Оглавление

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ОЦЕНКИ КОМБИНИРОВАННОЙ ТОКСИЧНОСТИ И ЕЁ СООТНОШЕНИЕ С ПРАКТИКОЙ ОЦЕНКИ МНОГОФАКТОРНЫХ РИСКОВ И

ГИГИЕНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ

Резюме

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Биологические объекты исследований

2.2. Воздействующие токсичные вещества

2.3. Дизайн экспериментов

2.4. Математический анализ экспериментальных данных

Резюме

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТИПОВ ДВУХФАКТОРНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ РАСТВОРИМЫХ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Комбинированная интоксикация бихроматом калия и хлоридом никеля

3.2 Комбинированная интоксикация хлоридом марганца и хлоридом никеля.54 3.3. Комбинированная интоксикация бихроматом калия и хлоридом

марганца

3.4 Экспериментальные данные к проблеме так называемого сочетанного

действия химического и физического вредных факторов

Резюме

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ТИПОВ

ДВУХФАКТОРНОИ комбинированной токсичности металло-

ОКСИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ

4.1. Реакция лёгких на однократное комбинированное интратрахеальное воздействие наночастиц

4.2. Реакция организма на комбинированное субхроническое парентеральное воздействие наночастиц

4.3. К оценке информативности данных, получаемых при оценке сравнительной и комбинированной цитотоксичности металло-оксидных

наночастиц in vitro

Резюме

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ПОДХОДОВ К ХАРАКТЕРИСТИКЕ ТРЁХФАКТОРНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ТОКСИЧНОСТИ

5.1. Теоретические предпосылки и сущность предлагаемой методологии

5.2. Экспериментальная апробация предложенной методологии

5.3. Некоторые практические аспекты оценки многофакторной комбинированной токсичности

Резюме

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ОРГАНИЗМА К КОМБИНИРОВАННОЙ ТОКСИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

6.1. Цель и теоретические предпосылки проведенных исследований

6.2. Экспериментальные данные

6.3. Перспективы практического использования результатов

экспериментальной биопрофилактики

Резюме

Заключение

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Список использованной литературы

Приложение

Список литературы

Обзор литературных данных по оценки комбинированной токсичности и её соотношение с практикой оценки многофакторных рисков и гигиенического нормирования
Комбинированные (многофакторные) токсические экспозиции, связанные с многокомпонентным химическим загрязнением воздуха рабочей зоны во многих производствах, атмосферного воздуха населённых мест и других сегментов среды обитания, несомненно преобладают над однофакторными (Кацнельсон Б.А., 2002; Жолдакова З.И., 2012). Именно это определило давний и не снижающийся интерес к проблеме комбинированной токсичности (КТ) со стороны профилактической токсикологии, которая одновременно является и одним из направлений общей токсикологии (Курляндский Б.А., 2002), и важной составляющей частью научной гигиены, и одной из основ методологии оценки риска и санитарной практики. Наряду с частными задачами, решаемыми во многих экспериментально-токсикологических исследованиях, занимающемся комбинированной токсичностью на протяжении нескольких десятилетий (Кацнельсон Б.А., 1986; Давыдова В.И., 1988; Давыдова В.И., 1989; Балезин С.Л., 1989; Кацнельсон Б.А., 1990) вся проблема КТ в целом возникла и продолжает оживлённо обсуждаться в литературе как отражение такой реальной ситуации. Однако, как показывает анализ литературы, проблема эта, несмотря на опубликованное на протяжении десятков лет немалое число обобщающих работ, ей посвящённых (Левина Э.Н., 1963; Кустов В.В., 1975; Толоконцев Н.А., 1976; Нагорный П.А., 1984; Сова P.E. 1984; Кацнельсон Б.А., 1986; Федоренко В.И., 1987; Кацнельсон Б.А., 1990; Кацнельсон Б.А., 1993; Каган Ю.С.,1996; Groten J.P., 2001; Кацнельсон Б.А., 2002; Cиницкая Т.А., 2005; Мамонов Р.А., 2010; Ракитский В.Н., 2012; Жолдакова З.И., 2013), всё ещё далека не только от разрешения, но даже от единообразного понимания.
Важным недостатком литературы по проблеме КТ является то, что большинство частных исследований, опубликованных к началу нашей работы, были проведены в отношении острой токсичности, которая оценивалась одним (например, летальным) эффектом (Mowat F.S., 2002; Jingjing Dou., 2014), а оценке полисистемной хронической или хотя бы субхронической КТ по большому числу показателей было посвящено лишь небольшое число работ, причём их результаты редко подвергались адекватному математическому моделированию. Одним из типичных примеров этого может служить работа Yuan G. (2014), исследовавших комбинированную токсичность свинца и кадмия при остром и при субхроническом пероральном воздействии. Авторы оценили острую токсичность этой комбинации как «практически аддитивную», но не дали никакой оценки типа комбинированной субхронической токсичности. Примерно то же самое приходится сказать и о работе Т.И. Герасименко (1996) по комбинированной парентеральной токсичности свинца и цинка, в которой только острая, но не субхроническая КТ была подвергнута математическому анализу. Поэтому имеющиеся в литературе обобщения недостаточны в качестве теоретической основы для прогнозирования комбинированного действия имеющих основное значение в рамках профилактической токсикологии умеренных и даже слабых воздействий, угрожающих развитием хронических интоксикаций, для которых характерны полисистемность и взаимообусловленность эффектов. То, что при этом типы КТ могут быть не одинаковыми по отношению к разным эффектам, выявляется практически всегда, когда этот аспект проблемы исследуется (ASTDR, 2004), но таких исследований всё ещё мало, их теоретическое обобщение недостаточно, а практические выводы из них (в том числе в свете задач санитарного нормирования и оценки риска) не ясны. В качестве сравнительно недавнего примера можно привести работу Rai A. (2010), которые хотя и изучили в действительно хроническом эксперименте с использованием большого числа показателей комбинированную токсичность свинца, кадмия и мышьяка, но свой вывод о её синергетическом характере не обосновали никаким математическим анализом.
Однако наиболее важной неопределённостью проблемы КТ является априорный характер основных теоретических постулатов и противоречивость основных понятий, сжатое представление которых и является целью данной главы нашей диссертации.
В международной токсикологической литературе в качестве основного обозначения типа КТ обычно используется термин «аддитивность» (т.е. способность к сложению), а отклонения от этого типа, обозначаются терминами «синергизм» (синоним: «потенцирование») и «антагонизм».
Вместе с тем, смысл, вкладываемый разными авторами и разными международными документами (Loewe S., 1953; Berenbaum M.C., 1985; Timbrell J., 2000; Groten J.P., 2001; Yeh P.J., 2006; Box G.R.P., 2007; Goldoni M.A., 2007; IPCS, 2009; Myers R.H, 2009; SCHER, 2012; Howard G.J., 2013) даже в основное понятие «аддитивность», различен в зависимости от явного или подразумеваемого предпочтения определённых теоретических представлений, которые складываются на базе двух основных парадигм.
Первая парадигма принимает, что существует особый класс КТ, при которой определённый эффект разных веществ, входящих в комбинацию, обусловлен разными биологическими точками приложения и/или разными механизмами токсического действия. Поэтому эффект каждого вещества, входящего в комбинацию, может развиваться якобы независимо от одновременного развития того же самого эффекта других веществ, её составляющих, так что суммарный эффект комбинированного действия оказывается равным сумме всех эффектов изолированного действии этих веществ - так называемая «аддитивность эффектов». При этом каждый такой изолированный эффект пропорционален дозе конкретного вещества с независимым от других коэффициентом пропорциональности (регрессии). При наличии же некоторого явного или скрытого взаимовлияния эффектов комбинируемых веществ суммарный эффект может оказаться выше или ниже указанной суммы эффектов на определённую величину, зависящую от этого взаимовлияния.
Принимая эту парадигму, приходится допустить, что в целостном организме с его многочисленными прямыми и обратными связями разного уровня при хроническом действии даже всего двух ядов возможны полное несовпадение всех точек приложения этого действия и полная независимость всех вызываемых ими и оцениваемых в эксперименте эффектов токсического действия. Натянутость такого допущения представляется самоочевидной, но в известной нам литературе, как правило, обходится молчанием.
Особые сложности толкования понятия «аддитивность эффектов» возникают тогда, когда речь идёт об эффектах, по которым действие комбинируемых веществ является противоположно направленным. В этом случае алгебраическое суммирование двух эффектов означает арифметическое вычитание одного из другого, то есть формальная аддитивность КТ оказывается токсикологическим антагонизмом. Таким образом, эта терминология является однозначной только для характеристики КТ по однонаправленным1 эффектам. В более общем случае некоторое уточнение в неё может внести различение между «явным антагонизмом» (под которым предлагается понимать разнонаправленность действия двух токсичных веществ по тому или иному эффекту) и «скрытым антагонизмом», который проявляется антагонизмом однонаправленных эффектов. Явный антагонизм иногда называют функциональным (Timbrell J., 2000). В целом, однако разнонаправленность как особый и важный феномен комбинированного токсического действия упоминается крайне редко и анализируется ещё реже. Интересно, что подобное же положение отмечалось (во всяком случае несколько лет тому назад) в родственной по отношению к токсикологии науке, какой является фармакология: interestingly, little or no attention has been given to active drugs that individually produce effects in the opposite direction” (Tallarida R.J., 2001).
Вторая распространённая в токсикологической литературе парадигма КТ принимает, что два или более веществ, входящих в комбинацию, имеют одну и ту же точку приложения и один и тот же механизм действия, отличающегося только по силе. Иными словами, они действуют, как действовало бы одно и то же вещество в разных дозах. Основной тип КТ в рамках этой парадигмы также называется аддитивностью, но (в отличие от рассмотренной выше «аддитивности эффектов») обозначается как «аддитивность доз», или «гомоаддититвность», или как «аддитивность Лёве» по имени автора, впервые ещё в 20-х годах ХХ века сформулировавшего рассматриваемую парадигму (Loewe S., 1953).
Экспериментальные данные к проблеме так называемого сочетанного действия химического и физического вредных факторов
В отечественной гигиенической терминологии довольно давно стихийно сложилось, хотя и не является официальным, различение понятий «комбинированное действие вредных веществ», под которым подразумевается одновременное или последовательное действие на организм нескольких веществ при одном и том же пути поступления; «комплексное действие вредных веществ», когда они поступают в организм одновременно, но разными путями, и «сочетанное действие» одновременное или последовательное воздействие на организм факторов различной природы (химических, физических, биологических). Эта терминология не является международной не только потому, что слово «сочетание» переводится на европейские языки как combination (англ.), combinaison (фр.), Kombination (нем.), combinazione (итал.) и т.п., так что термины «комбинированное» и «сочетанное» действие в адекватном переводе с русского на эти языки неизбежно совпадают. К тому же, похожей классификации не находится в зарубежной научной литературе и, например, характерное для алюминиевой промышленности сочетание вредных факторов химической (фториды, ПАУ) и физической природы (магнитные поля) давно было описано как комбинированное вредное действие (Langauer-Lewowicka H., 1983).
Главное, однако, не в этих языковых барьерах, а в том, оправдано ли теоретически такое разграничение тем, что существуют принципиальные различия между рассматриваемыми вариантами двухфакторных вредных экспозиций. Анализ авторитетной научной токсикологической литературы (Кустов В.В., 1975; Толоконцев Н.А., 1976; Кацнельсон Б.А., 2002; Timbrell J., 2000) создаёт твёрдое впечатление, что механизмы комбинированной токсичности меньше всего связываются с химическим взаимодействием ядов в месте поступления (хотя в некоторых случаях и оно играет роль), но значительно больше с прямым и опосредованным взаимовлиянием сложных и многоуровневых механизмов, контролирующих их токсикокинетику и токсикодинамику.
С этой точки зрения, ни совпадение или несовпадение путей введения ядов, ни одновременность или последовательность их воздействия, хотя вероятно и важны, но едва ли могут играть ключевую роль и служить существенными классификационными критериями. В то же время, ответы организма, в особенности интегральные на действие вредных факторов химической и физической природы имеют очень много общего. Поэтому логично было бы предположить, что механизмы «сочетанного» и «комбинированного» вредного действия могут и не различаться настолько радикально, чтобы оправдать отнесение их к двум принципиально разным классам явлений.
Проведен анализ результатов экспериментального исследования, в котором рассматривался типичный случай «сочетанного» воздействия токсичного химического элемента фтора (в форме фторида натрия) и физического агента (постоянного магнитного поля ПМП). Практическое значение именно этого сочетания связано с тем, что его воздействию подвергается большое число рабочих, занятых в электролитическом производстве алюминия (Langauer-Lewowicka H.., 1983; Валова Г.А., 1993; Kvande H., 2014), но оно интересовало прежде всего, как пример, важный в методическом и теоретическом отношении. Именно поэтому и общий дизайн эксперимента по плану 22 (непосредственно осуществлённого Н.А. Цепиловым4), и способ математического моделирования эффектов двухфакторного вредного действия были те же самые, что и в выше рассмотренных исследованиях по комбинированной бинарной токсичности.
В обширной литературе, включающей некоторые обзорные документы (Health Protection Agency, 2008; SCENIHR, 2015), посвящённые полисистемному действию на организм, как правило, сильных ПМП, предлагается большое число первично физических, а также биологически опосредованных механизмов, с которыми может оно быть связано. Однако экспериментальные данные, подтверждающие соответствующие эффекты этого действия, довольно противоречивы. Ещё менее надёжно что-либо известно о вредных эффектах слабых постоянных магнитных полей (Stolfa S., 2007; Marquez-Gamino S., 2008; Akdag M.Z., 2010; Cunha C., 2012; SCENIHR, 2015) и почти ничего о комбинированном/сочетанном действии таких полей и токсических веществ. Впрочем, согласно мета-анализу литературных данных (Juutilainen J., 2006) ПМП, вероятнее всего, усиливает действие химических канцерогенов.
Что же касается фтора, то его токсическое действие исследовалось и обобщалось в огромном числе работ (Ream L.J., 1981; Bely M., 1997; Shanthakumari D. 2007), относящихся как к клинике профессионального или эндемического флюороза, так и к его экспериментальному моделированию (IPCS, 2002; Кацнельсон Б.А., 2006).
Эксперимент был проведен на аутбредных белых крысах-самках, по 15 особей в каждой группе. В трёх группах создавалась субхроническая фторидная интоксикация повторными в/б инъекциями 0,5 мл раствора NaF в разовой дозе 3.19 мг F/кг, эквивалентной 0,1 ЛД50, 3 раза в неделю на протяжении 6 недель; ещё три группы параллельно получали такие же инъекции физ. раствора. На протяжении тех же 6 недель по две группы из числа получавших и не получавших токсическое воздействие подвергались по 5 раз в неделю 2- или 4-часовому воздействию ПМП с напряжённостью 25±0,05 мТл на всё тело в специально сконструированной установке соленоидного типа. Удвоение времени разовой экспозиции рассматривается как эквивалент удвоения дозы магнитной энергии.
После завершения эксперимента проводили определение показателей состояния организма, представленных в таблице 3.9.
Как и в вышеописанных токсикологических экспериментах статистическая значимость различий между средне-групповыми показателями оценивалась по t-тесту Стьюдента, а для математического моделирования «сочетанного» действия ПМП и фторида был использован метод построения поверхности отклика.
Как видно из таблицы 3.9, статистически значимые сдвиги по сравнению с контрольными величинами получены по 13 оцененным показателям при действии одного фторида, только по одному при действии меньшей дозы ПМП, но по 17 при действии большей дозы ПМП, в то время как при сочетании этих же доз ПМП с фторидом соответственно, по 9 и 11. Как эти сдвиги, так и те, по которым статистическая значимость была недостаточной, для многих показателей оказались при действии ПМП и фторида однонаправленными (например, увеличение СПП, снижение числа заглядываний в «норки», снижение относительной массы печени, увеличение содержания билирубина в сыворотке, числа эритроцитов и гематокрита, гранулоцито-моноцитарный лейкоцитоз и др.), но по некоторым другим противоположными (например, относительная масса селезёнки была значимо увеличена при действии фторида, не изменена при действии меньшей и значимо снижена при действии большей дозы ПМП). Оба фактора вызвали увеличение коэффициента фрагментации ДНК в клетках костного мозга (в случае ПМП дозозависимое), но только фторид в циркулирующих ядерных клетках крови. Отметим, что ДНК-фрагментирующее действие ПМП недавно показано «in vitro» (Teodori L., 2014). Заметное и статистически значимое увеличение концентрации фтора в моче (равной в контроле 0,21±0,01 мкг/мл) было выявлено уже при первом измерении и сохранялось до конца эксперимента, но только в группах, получавших NаF обособленно (1,58±0,28 мкг/мл) или в сочетании с ПМП в меньшей (1,73±0,24 мкг/мл) или большей дозировке (1,38±0,28 мкг/мл). Это позволяет рассматривать любые сдвиги показателей в первой подопытной группе по сравнению с контрольной как признаки развивающейся фтористой интоксикации5. Однако практически, ни один из них не является для неё специфичным, как видно хотя бы из вышеприведенного сопоставления с группами, получавшими только ПМП. Следует подчеркнуть, что и этот фактор, несмотря на относительно низкий уровень и малую длительность воздействия, оказался безусловно действующим на организм, хотя, в основном, и столь же не специфично.
Как и при анализе результатов субхронических экспериментов с несколькими бинарными комбинациями токсических веществ, выявлена неоднозначность типа сочетанного/комбинированного действия. Некоторые примеры этой неоднотипности сочетанного действия ПМП и фторида иллюстрируются изоболами на рис. 3.7, и достаточно сравнить их с приведенными выше примерами изобол комбинированной токсичности двух химических веществ, чтобы убедиться в их принципиальном единообразии.