Общие закономерности выделения (экскреции) токсикантов из организма

Биологические эффекты, вызываемые химическими веществами, как правило, ограничены во времени. Одной из основных причин этого является элиминация их из организма. Под элиминацией понимают процесс, приводящий к снижению концентрации веществ в крови, органах и тканях, который осуществляется путем биотрансформации (метаболизма токсиканта) и экскреции (выведения метаболитов из организма в окружающую среду).

Биотрансформация сопровождается либо усилением, либо потерей веществом биологической активности. Если токсичность метаболита ниже токсичности исходного агента, говорят о детоксикации или инактивации вещества, если токсичность повышается - активации токсиканта. В любом случае исходный действующий агент элиминируется.

При выделения веществ в окружающую среду, организм использует те же механизмы, что и при резорбции. Поэтому общие закономерности, определяющие качественные и количественные характеристики экскреции, не отличаются от закономерностей, которым подчиняется резорбция и распределение токсикантов в организме. Однако ведущим процессом при экскреции является не диффузия или активный транспорт как при резорбции, а фильтрация чужеродных веществ через биологические барьеры. Местом фильтрации ксенобиотиков, а, следовательно, и основным органом выделения являются почки. Другие органы, через которые экскретируются вещества - это легкие, желудочно-кишечный тракт, печень и в значительно меньшей степени - кожа Способ выделения вещества во многом зависит от строения выделяющего органа. Токсиканты и их метаболиты экскретируются часто по нескольким каналам.

Выделение из организма как органических токсикантов, так и металлов происходит двухфазно, но обычно трехфазно. Это связано с разной формой циркуляции и депонирования ксенобиотика: в первую очередь, как правило, удаляются из организма соединения, находящиеся в неизмененном виде или очень рыхло связанные с биологическими компонентами (лигандами), затем происходит выделение фракции токсиканта, находящейся в клетках в более прочно связанной форме, в последнюю очередь покидает организм ксенобиотик, находящийся в постоянных тканевых депо.

Фазность освобождения организма установлена для многих органических соединений, их метаболитов, а также для металлов. Трехфазное выделение известно, например, для свинца, ртути, цинка, индия и других металлов.

Выделение через легкие. Через легкие выделяются летучие (при температуре тела) вещества и летучие метаболиты нелетучих веществ. Основным механизмом выделения является диффузия токсиканта,

циркулирующего в крови, через альвеолярно-капиллярный барьер. Переход летучего вещества из крови в воздух альвеол определяется градиентом концентрации или парциального давления между средами.

Основными факторами, влияющими на элиминацию через легкие, являются: объем распределения ксенобиотика, растворимость в крови, эффективность легочной вентиляции и величина легочного кровотока.

Выведение вещества через легкие описывается следующим уравнением: t.1/2 = ln2 [V (Э + XC)/3xC] , где

t1/2 - время полувыведения химического вещества;

ln2 - натуральный логарифм; - абсолютный объем распределения ксенобиотика в литрах (доза в г, концентрация в крови в г/л);

Э - эффективность легочной вентиляции в л/мин;

C - скорость легочного кровотока в л/мин;

X - коэффициент распределения соединения между кровью и воздухом (определяется растворимостью газа в крови).

У животных одного вида величины V и X полностью определяются свойствами вещества. С увеличением значений объема распределения и растворимости вещества в крови увеличивается и период полувыведения ксенобиотика из организма.

Определяющим показателем скорости диффузии газообразных и летучих соединений через альвеолярно-капиллярный барьер является разница их парциальных давлений в крови и альвеолярном воздухе. Давление пара пропорционально концентрации в крови и обратно пропорционально растворимости. В связи с этим у различных веществ с различной растворимостью, несмотря на одинаковую концентрацию, парциальное давление будет различно.

Растворимость газов и летучих веществ в значительной степени влияет на легочную элиминацию.

близкой к 0 в нормальных физиологических условиях t1/2 равно примерно 13 минутам.

Величина объема вентиляции существенно сказывается на выведении веществ хорошо растворимых в крови (ацетон, этанол), а интенсивность кровотока в легких прежде всего влияет на скорость элиминации плохо растворимых в крови веществ (хлороформ, этилен, закись азота). Основываясь на этом, можно решить, с помощью каких препаратов (дыхательных аналепти- ков или стимуляторов сердечной деятельности) можно ускорить выведение тех или иных летучих и газообразных веществ из организма. Через лёгкие могут выделяться также летучие метаболиты, образующиеся при биотрансформации ксенобиотиков. Метаболизм некоторых органических соединений проходит с образованием С02. С помощью радиоактивной метки установлено, что углекислота является метаболитом бензола, стирола, хлороформа, четыреххлористого углерода, метилового спирта, этиленгликоля, фенола, ди- этилового эфира, ацетона и многих других соединений. Порой до 50% меченного радиоактивным изотопом соединения выделяется в форме 14С02. Через легкие из организма выделяются летучие анестетики, летучие органические растворители, фумиганты.

Другой способ легочной экскреции реализуется с помощью альвеолярно-бронхиальных транспортных механизмов. В просвет дыхательных путей секретируется жидкость, сурфактант, макрофаги, содержащие ксенобиотики. Секрет, а также адсорбированные на поверхности эпителия частицы аэрозоля, выводятся из дыхательных путей благодаря мукоцилиарному восходящему току. Более 90% частиц выводится подобным образом из дыхательных путей в гортань в течение часа после ингаляции. Из гортани вещества поступают в желудочно-кишечный тракт.

Почечная экскреция. Почки - важнейший орган выделения в организме. Через почки выводятся продукты обмена веществ, многие ксенобиотики и

продукты их метаболизма. Выделение летучих органических ксенобиотиков с мочой незначительно.

Масса почек чуть менее 0,3% массы тела, однако, через орган протекает более 25% минутного объема крови. Благодаря хорошему кровоснабжению, находящиеся в крови вещества, подлежащие выведению, быстро переходят в орган, а затем и выделяются с мочой.

В основе процесса выделение через почки (рис.16) лежат три механизма: фильтрация через гломерулярно-капиллярный барьер (все низкомолекулярные вещества, находящиеся в растворенном состоянии в плазме крови); секреция эпителием почечных канальцев (органические кислоты, мочевая кислота, сильные органические основания, тетраэтиламмоний, метилникоти- намид и т.д.); реабсорбция клетками эпителия (пассивная обратная диффузия: все жирорастворимые вещества, неионизированные молекулы органических кислот, активный транспорт: глюкоза, лактат, аминокислоты, мочевая кислота, электролиты и т.д.).

СЕКРЕЦИЯ

Рис. 16. Механизмы экскреции токсикантов через почки Фильтрация осуществляется в почечных клубочках, при этом фильтрат преодолевает барьер, образованный эндотелием капилляров, формирующих клубочек, базальной мембраной и эпителием капсулы клубочка. Общая площадь поверхности более чем 1,7-2,5 миллионов клубочков обеих почек составляет около 2-3 м2. Диаметр пор базальной мембраны составляет у разных видов млекопитающих 2-4 нм; общая площадь пор: 4-10% от общей фильтрационной поверхности (в мышцах всего 0,1%). Поры между эндотелиальными и эпителиальными клетками почечного клубочка равны 25-50 и 10-25 нм соответственно. Таким образом, почки работают как мощный ультра

фильтр, задерживающий высокомолекулярные вещества и пропускающий все молекулы с малой и средней массой. Фильтрат содержит все составные части плазмы крови, имеющие размеры меньше, чем размеры фильтрующих пор базальной мембраны. Для молекул с молекулярной массой более 15000 возможность фильтрации существенно снижается. Белки плазмы крови (и связанные с ними низкомолекулярные вещества) фильтрации не подвергаются.

Движущая сила фильтрации складывается из артериального давления в гломерулярных капиллярах, минус гидростатическое давление в капсуле Боумена, минус коллоидно-осмотическое давление плазмы крови. Давление крови в гломерулярных капиллярах с помощью различных механизмов поддерживается на уровне 50-80 мм рт. ст. Эффективное фильтрационное давление в почках составляет около 8 мм рт. ст.

Скорость фильтрации зависит от ряда факторов и может увеличиваться при: повышении давления крови в гломерулярных капиллярах; уменьшении содержания белка, особенно альбумина, в плазме крови; понижении гидростатического давления в капсуле боумена увеличении числа функционирующих гломерул.

В норме, благодаря наличию прегломерулярных анастомозов, существенная часть клубочков находится в неактивном состоянии. Их включение в процесс выделения существенно увеличивает интенсивность процесса фильтрации.

Поскольку белки плазмы крови не подлежат фильтрации, через почки выделяются лишь вещества, не связанные с белками. Поскольку свободная и связанная фракции токсикантов в крови находится в состоянии динамического равновесия, как только свободная часть отфильтровывается, освобождается из связи с белками связанная фракция. Если связь прочная и

высвобождение веществ затруднено процесс выделения токсиканта существенно затягивается во времени.

Некоторые вещества практически полностью отфильтровываются в клубочках почек в течение нескольких часов. Так, если в течение минуты фильтрации подвергается около 130 мл плазмы, скорость почечной элиминации веществ, выделяющихся исключительно посредством фильтрации можно рассчитать по формуле:

t-1/2 = ln2 (V/F), где

t1/2 - период полувыведения, мин; - объем распределения, л;

F - скорость фильтрации (0,13 л/мин).

При различных объемах распределения период выведения фильтрующихся веществ будет существенно различен.

Если объем распределения вещества известен, то на основе величины периода полувыведения можно также судить, быстрее или медленнее элиминируется вещество, чем можно было бы ожидать, исходя из расчета скорости фильтрации плазмы. Если отличия существенны, следует считать, что имеются еще какие-либо дополнительные механизмы выведения данного вещества через почки.

Канальцевая реабсорбция. Гломерулярный фильтрат с растворенными в нем токсикантами переходит из капсулы боумена по извитым канальцам, петле Генле, дистальному отделу канальцев в собирательные трубки. Длина каждого канальца равна 3-5 см, а общая площадь их поверхности - 7-8 м2. Первичная моча (фильтрат плазмы крови) распространяется по поверхности канальцев в виде тонкой пленки. Благодаря этому достигается высокая эффективность процесса диффузии через клеточный слой канальцев. По своим свойствам первичная моча ни чем не отличается от плазмы крови. Она содержит такую же концентрацию не связанных с белками токсикантов, как и плазма. Следовательно, между жидкостями не существует градиента концентрации веществ.

В проксимальном отделе почечных канальцев происходит активная обратная резорбция из первичной мочи отфильтрованной воды, а также многочисленных химических веществ. В канальцах реабсорбируется до 99% воды из первичной мочи. Это приводит к очень значительному повышению концентрации растворенных в моче веществ, в том числе и токсикантов. Таким образом, формируется высокий градиент концентрации веществ между содержимым канальцев и кровью. Именно это является движущей силой обратной диффузии веществ из первичной мочи в кровь. Процессу свободной диффузии препятствует барьер, формируемый эпителием канальцев, межуточным веществом и эндотелием капилляров, оплетающих стенку канальцев. В целом свойства этого барьера аналогичны свойствам гистогематических барьеров других тканей. Закономерности, определяющие процесс проникновения токсикантов и их метаболитов через стенку канальцев подчиняется законам простой диффузии. Реабсорбции, прежде всего, подвергаются: а) жирорастворимые вещества; б) неионизированные молекулы водорастворимых веществ; в) вещества с низкой молекулярной массой.

Проницаемость канальцевого барьера почти тождественна проницаемости слизистой кишечника, поэтому вещества, легко всасывающиеся при приеме через рот, затем трудно выводятся через почки, так как легко реаб- сорбируются из первичной мочи обратно в кровоток, а затем обратно - из кровотока в первичную мочу. Такая длительная тубуло-гломерулярная рециркуляция хорошо растворимых в липидах веществ приводит к существенному замедлению процесса их элиминации. Метаболизм ксенобиотиков во многом и предназначен для превращения жирорастворимых (плохо выводящихся из организма) веществ в водорастворимые, способные к выведению из организма, соединения.

Выделение через почки слабых кислот и оснований существенно зависит от pH мочи. Как уже указывалось, вещества могут подвергаться реабсорбции в том случае, если молекула их не ионизирована. Из этого

следует, что при подкислении мочи (путем назначения внутрь например, хлористого аммония) слабые основания (например, алкалоиды) будут переходит в ионизированную форму, хуже реабсорбироваться и лучше выводиться из организма. При подщелачивании мочи (например, путем приема соды), по той же причине, из организма лучше будут выводиться слабые кислоты (например, барбитураты).

Помимо пассивной диффузии некоторые веществ в канальцах подвергаются активной реабсорбции. К числу таких веществ относятся, как правило, только естественные метаболиты: лактат, глюкоза, мочевая кислота, которые после их фильтрации в первичную мочу, попадают обратно в кровь.

Канальцевая секреция. Многие органические вещества со свойствами слабых кислот (например, глюкурониды, салициловая кислота, пенициллин и др.) быстро переходят из крови в мочу. В основе быстрого переноса таких соединений в просвет почечных канальцев лежит активный транспорт. Транспортные системы находятся в проксимальном отделе почечных канальцев. Этот процесс направлен против градиента концентрации вещества и зависит от интенсивности обмена веществ. Он конкурентно ингибируется веществами с близким строением. Специфичность транспортных механизмов невелика. Условием переноса является наличие в молекуле групп - СООН или - SO3 и гидрофобного участка. Переносу подлежат соединения как простого, так и сложного строения. Связывание субстрата с молекулами-пере- носчиками осуществляется за счет ионных и водородных связей.

Иногда процессу активного переноса (секреции) из крови в просвет канальцев данного вещества противодействует его простая диффузия в противоположном направлении. Например, мочевая кислота с одной стороны активно секретируется, а с другой - пассивно диффундирует обратно в кровоток.

В почечных канальцах существует система активного выведения и веществ со свойствами слабых оснований: тетраэтиламмония, алкалоидов (морфина, хинина), имипрамина, мекамиламина и др.

Механизмы активной секреции обнаружены у большинства позвоночных.

О механизмах, лежащих в основе выведения того или иного токсиканта через почки, можно судить и по соотношению его концентраций в моче и плазме крови. Если это соотношение близко 100 - в основе процесса лежит фильтрация; если существенно меньше 100 - фильтрации сопутствует реабсорбция значительной части данного вещества; если больше 100 - превалируют механизмы секреции токсиканта (табл. 12).

Таблица 12

Соотношение концентраций в моче и плазме крови (моча/плазма) неко

торых органических соединений (по С.А. Куценко, 2002)

Формы выделения металлов с мочой чаще всего неизвестны, но считают, что они выделяются не только в свободном, но и в связанном, состоянии. Так, например, свинец и марганец экскретируются как в ионной форме (осаждаемой), так и в виде органических комплексов. Комплексообразование способствует выделению металлов с мочой, на этом основана терапия интоксикаций разнообразными органическими комплексами (ЭДТА-№2 и др.).

Выделение через желудочно-кишечный тракт. С экскрементами вещество или его метаболиты выделяются в результате неполного всасывания в желудочно-кишечном тракте; при билиарной экскреции без последующей реабсорбции в кишечнике или в результате выделения слизистой желудочнокишечного тракта. Эти процессы могут происходить и изолированно и в комплексе.

Под интестинальной (кишечной) экскрецией понимают процесс перехода вещества или его метаболитов из крови в просвет кишечника с последующим выделением с фекалиями.

Некоторые вещества выделяются в значительном количестве уже в желудке (морфин и другие алкалоиды). Это наблюдается даже при парентеральном способе введения указанных соединений и является следствием значительного различия pH крови и содержимого желудка. Токсиканты, способные выделяться в просвет желудка, в кислой среде находятся в ионизированной (протонированной) форме и потому не всасываются обратно в кровь. Однако если при переходе в кишечник (щелочная среда), выделившееся вещество вновь превращается в неионизированную форму, оно всасывается обратно в кровь и не выделяется из организма. В подобных ситуациях весьма полезной процедурой, позволяющей существенно ускорить удаление токсиканта из организма является промывание желудка.

Жирорастворимые вещества могут выделяться в просвет кишечника путем простой диффузии, однако вследствие реабсорбции, их концентрация при этом не будет превышать концентрацию в плазме крови. Тем не менее, сравнение в эксперименте интенсивности выделения жирорастворимых веществ почками и кишечником показывает, что преобладает кишечная экскреция.

Некоторые соединения, например моночетвертичные азотсодержащие вещества (N-метилскополамин, N-метилникотинамид, тетраэтиламмоний и т.д.) после внутривенного введения экспериментальному животному обнаруживаются в просвете кишечника.

Выделение с калом характерно для тяжелых металлов. Экскретируются элементы в связанной с белками форме. Например, выведение свинца и кадмия существенно увеличивается при увеличении в рационе белка. Выделение через желудочно-кишечный тракт для металлов имеет большее

значение, чем для органических веществ, а для некоторых этот путь является основным.

Выделение печенью. В отношении ксенобиотиков, попавших в кровоток, печень выступает и как основной орган их метаболизма и как орган экскреции. Печень выделяет химические вещества в желчь, причем не только экзогенные, но и эндогенные, такие как желчные кислоты, желчные пигменты, электролиты. Выделяющиеся вещества должны проходить через барьер, образуемый эндотелием печеночных синусов, базальной мембраной и гепатоцитами.

В процессе экскреции ксенобиотиков печенью осуществляется в два этапа: захват гепатоцитами и выделение в желчь. Оба этапа могу проходить либо в форме простой диффузии, либо активного транспорта. Механизм выделения определяется строением вещества.

Захват гепатоцитами молекул липофильных веществ происходит путем простой диффузии, а органических анионов (оротовая кислота, рифампицин) и катионов (четвертичные аммониевые соединения), металлов (железо, кадмий), а также некоторых эндогенных веществ (билирубин, желчные кислоты) - путем активного транспорта. Захват гепатоцитами и билиарная экскреция высокомолекулярных веществ и белков осуществляется путем пиноцитоза. Билиарная экскреция неорганических ионов осуществляется путем диффузии. Активным транспортом экскретируются желчные кислоты, билирубин, стероиды, органические анионы, многие нейтральные органические соединения.

Свободная диффузия токсикантов, связанных с белками плазмы крови, практически не возможна и они могут удаляться из плазмы путем пиноцитоза.

Как известно в печени осуществляется метаболизм многих веществ. Ксенобиотики, попавшие в гепатоциты, распределяются между цитозолем и фиксируются различными протоплазматическими структурами. Часть соединений, в том числе и эндогенных (билирубин), находится в цитозоле в

связанной с белками форме, что также имеет значение для их элиминации и детоксикации.

Гепатоциты синтезируют специальные белки, ответственные за выведение ксенобиотиков из клеток, это так называемые мультиспецифичные переносчики органических анионов (MRP) и р-гликопротеины (p-GP). Оба типа белков первоначально были обнаружены в клетках резистентных к токсическому действию противоопухолевых препаратов. Позже было установлено, что их функция - активный транспорт ксенобиотиков через клеточные мембраны. MRP способны переносить лиганды, конъюгированные с глутатионом, глукуроновой кислотой, сульфатом. Таким образом, 2-я фаза метаболизма не только превращает вещества в более растворимые в воде, но и «подготавливает» их к активному транспорту за пределы клетки. p-GP транспортируют в основном липидорастворимые ароматические соединения с молекулярной массой 300-500 дальтон и амфифильные молекулы, содержащие катионную аминогруппу.

В желчи в том или ином количестве обнаруживаются вещества, относящиеся практически ко всем классам химических соединений. В соответствии со значением коэффициента СЖ/СП (СЖ - концентрация в желчи; СП - концентрация в плазме крови) ксенобиотики могут быть разделены на три группы.

Вещества, выделяющиеся печенью путем простой диффузии, могут оказаться в желчи лишь в концентрации, равной его концентрации в плазме крови (СЖ = СП). Так, для ионов Na+, K+, Cl- коэффициент СЖ/СП приблизительно равен 1,0. Для веществ, попадающих в гепатоцит, а затем и в желчь, с помощью механизмов активного транспорта, коэффициент СЖ/СП может быть существенно выше 1,0. Как правило, активно выделяются печенью амфифильные вещества, содержащие в молекуле как полярные, так и неполярные группы. У некоторых соединений, нашедших применение в клинической практике, значение коэффициента СЖ/СП очень велико

(прокаинамид-этобромид - 118, хинин - 19,7). Из веществ, активно секрети- руемых в желчь, наиболее изученным является бромсульфолеин. У крыс при введении в дозе 5 мг/кг лишь 10% сохраняется в плазме крови, а 90% переходит в ткани, из них 80% - в печень, с последующим выделением в желчь.

Некоторые химические вещества плохо проникают в гепатоциты и желчь. Для них коэффициент СЖ/СП меньше 1,0. Это например, инсулин, фосфолипиды, белки.

Молекулярная масса соединения является важнейшим фактором, определяющим путь его элиминации. Существует порог, ниже которого располагаются вещества, выделяющиеся преимущественно через почки, выше - через печень. Значение порога достаточно условно, поскольку неодинаково у представителей различных видов: у крыс - 325 дальтон, у морских свинок - 400, у кроликов - 475. Кроме того, преимущественно через почки выделяются вещества, хорошо растворяющиеся в воде, даже с молекулярной массой выше «пороговых» значений (табл.13).

Таблица 13

Экскреция производных бифенила у крыс (по Hodgson E., Guthrie F.E., 1980)

Попавшие в желчь вещества увеличивают ее осмотическое давление, что вторично способствует переходу в этот секрет воды и растворенных в ней ионов. Вследствие этого ксенобиотики, активно выделяющиеся в желчь, в той или иной степени обладают желчегонным действием.

Скорость выведения некоторых веществ в желчь весьма велика. Например период полувыведения бенз[а]пирена печенью крыс после внутривенного введения составляет около 1,7 минуты, т.е. в течение 5 минут выделяется около 60% от введенной дозы. Однако это совсем не означает, что с такой же скоростью вещество выводятся из организма. Дело в том, что если с желчью выделяется липофильное соединение, то в просвете кишечника, оно подвергается быстрой обратной резорбции и по системе портальной вены вновь поступает в печень - развивается «внутрипеченочная циркуляция» ксенобиотика. Поэтому жирорастворимые вещества (в том числе и бенз[а]пирен) надолго задерживаются в организме. Их элиминация возможна лишь в результате биотрансформации в печени или других органах. Таким образом, путем билиарной экскреции из организма с калом могут выделяться только плохо растворимые в липидах соединения.

Металлы, задерживающиеся преимущественно в печени, мало выводятся с мочой, а равномерно распределяющиеся в организме - покидают его двумя путями: быстро - через почки и более медленно - через желудочнокишечный тракт.

Другие пути выведения. Важное значение имеет выведение токсических веществ с молоком. Как правило, в основе появления токсиканта в молоке лежит механизм простой диффузии. Этот способ экскреции практически не сказывается на продолжительности нахождения токсикантов в организме, но может лежать в основе появления отдельных признаков интоксикации у новорожденных животных и человека. С молоком у животных выделяются хлорированные углеводороды, главным образом, инсектициды (ДДТ, гексахлоран, 2,4-Д), тяжелые металлы (ртуть, селен, мышьяк), а также многие лекарственные препараты. Элиминация ксенобиотиков в молоко зависит от степени их персистентности в организме. Быстро элиминируемые, хорошо растворимые в воде ксенобиотики таким путем практически не выделяются. Жирорастворимые соединения с большим периодом полувыведения определяются в молоке порой в значительных

количествах. Так элиминация хлорсодержащих инсектицидов в коровье молоко может составлять до 25% от введенного количества.

Выделение ксенобиотиков может происходить и через кожу с секретом потовых, сальных, слюнных желез. Так выделяются из организма этиловый спирт, ацетон, фенол, хлорированные углеводороды и др. Известно, что содержание сероуглерода в поте превышает его концентрацию в моче в три раза. С потом выделяются такие металлы, как ртуть, медь, мышьяк.

Эти способы экскреции практически не сказываются на продолжительности нахождения токсикантов в организме, поэтому в общем балансе выделения токсических соединений эти пути не играют существенной роли, но они могут иметь значение в развитии интоксикации.