Токсикодинамика и токсикокинетика

Тяжелые металлы в организме оказывают как местное, так и общее действие. Местно препараты взаимодействуют с белками протоплазмы

поверхностного слоя слизистых оболочек, образуя альбуминаты.

Общее действие ртути и ее соединений состоит в том, что они взаимодействуют с сульфидгидрильными группами белков и некоторых ферментов, в результате чего из-за блокады активных радикалов аминокислот нарушается синтез клеточных белков и изменяется активность многих ферментов.

На сегодня известно более 100 ферментов, активность которых может тормозиться при блокировании в их молекулах SH-группы. С веществами, содержащими сульфидгидрильные группы, связаны нормальное функционирование большинства систем организма. Вот почему избирательное сродство тяжелых металлов (в том числе и мышьяка) приводит к неротоксическому, кардиотоксическому и гепатотоксическому действию.

В литературе накоплены обширные данные о воздействии тяжелых металлов на центральную, периферическую и вегетативную нервную системы у экспонированных рабочих, различных контингентов населения, беременных женщин и детей, а также у животных разных видов в экспериментальных токсикологических исследованиях.

При этом учитывают и проявления избирательного действия токсинов на нервную систему, и преобладающие психоневрологические симптомы при общетоксическом действии химических веществ на организм. Соединения ртути, свинца (в первую очередь органические), марганца, мышьяка относятся к типичным представителям токсинов нейротропного действия, хотя классическое понятие "нейротоксикоз" обязано своему появлению

клиническому синдрому неврологических нарушений, развивающихся под действием высоких доз и концентраций этих веществ.

Нейротоксичность тяжелых металлов и мышьяка связана прежде всего с их способностью преодолевать гематоэнцефалический барьер и накапливаться в различных отделах нервной системы, прежде всего богатых липидами тканях мозга.

При повторном воздействии малых концентраций Hg происходят значительный выброс гормонов надпочечников и активирование их синтеза. Отмечены фазовые изменения в содержании катехоламинов в надпочечниках, возрастание моноаминоксидазной активности митохондриальной фракции печени.

Биохимические сдвиги заключаются в нарушении окислительного фос- форилирования в митохондриях глиальных клеток, что приводит к развитию тканевой гипоксии, к которой особенно чувствительна ЦНС. Происходящее одновременно в печени нарушение равновесия между активностью катализаторов ресинтеза и распада гликогена сказывается на обеспечении мозга глюкозой - основным энергетическим субстратом нервной ткани. Поэтому при проявлении парами Hg нейротоксичности, особенно страдают высшие отделы нервной системы.

Интоксикация тяжелыми металлами, нагрузка ионами металлов организма представляют собой стресс, который сопровождается активацией процессов свободнорадикального окисления в тканях, интенсификации ПОЛ в биомембранах и включением систем антиоксидантной защиты, в том числе глутатионовой.

Проблема кардиотоксичности тяжелых металлов сложна и недостаточно разработана, хотя в литературе имеется большое число указаний на наличие изменений сердечно-сосудистой системы организма, экспонированных тяжелыми металлами. Для ее успешного решения необходимо сочетание эпидемиологических, клинико-физиологических и экспериментальных исследований. Детальный анализ данных литературы и

материалов собственных исследований позволил прийти к заключению о наибольшей изученности токсического воздействия на сердечно-сосудистую систему именно тяжелых металлов, что подтверждается глубиной рассмотрения сложных патогенетических механизмов кардиотоксикозов, данных клинических наблюдений и их экспериментального подтверждения.

Поражения химической этиологии сердца и сосудов возникают не изолированно, а во взаимосвязи с другими функциональными нарушениями в организме, что вызывает большие трудности в их диагностике и нозологической дифференциации.

В реализации кардиотоксических эффектов различают непосредственное воздействие химических веществ на сердце и сосуды, а также опосредованное (экстракардиальное). Е.А.Лужников относит большинство наблюдаемых при действии разнообразных химических веществ к категории вторичных.

В зависимости от повреждающего действия на миокард исследованные металлы расположились в следующем порядке: кобальт gt; кадмий gt; свинец gt; никель gt; медь, тогда как по способности снижать содержание сульфгидриль- ных групп в миокарде — медь gt; свинец gt; никель gt; кадмий gt; кобальт.

По патогенетическому механизму можно разделить на: не обладающие избирательной кардиотоксичностью и характеризующиеся преимущественно тиоловым механизмом действия (свинец и медь); отличающиеся выраженным кардиотоксическим действием по кате- холаминовому механизму (кадмий и кобальт).

Одним из наиболее информативных показателей признано исследование системного артериального давления (АД), т.е. его динамики при нагрузочных пробах с введением животным вазопрессина на фоне проводимой хронической интоксикации исследуемым веществом. Данный нагрузочный тест оказался предпочтительным перед пробой с введением

питуитрина как более физиологичный, учитывая роль вазопрессина в физиологической регуляции сосудистого тонуса.

Под действием ацетата свинца в дозах 0,1 LD50 уже на 15-й секунде опыта системное АД возрастало на 19,7 мм рт. ст. и не возвращалось к исходному уровню через 3 мин, как это наблюдалось в контроле.

При морфологическом исследовании тканей миокарда отмечены гипертрофия левого желудочка как следствие повышенной гемодинамической нагрузки, утолщение сосудов мышечно-эластичного типа преимущественно за счет средней оболочки, достоверное повышение уровня холестерина в крови, а у кроликов — атерогенные изменения в аорте и миокарде.

Свинецсодержащие соединения характеризуются выраженным вазо- констрикторным действием, преимущественно проявляющимся в мелких сосудах и капиллярах.

При содержании в питьевой воде 50 мкг/л РЬ в хроническом эксперименте у крыс отмечено существенное увеличение АД, особенно скорость возрастания артериального давления (dP/dtmax).

Нарушение морфофункциональной целости гепатобилиарно-панкреа- тического комплекса является одним из интегральных патогенетических механизмов в токсическом действии тиоловых токсинов. Это определяется их способностью связывать сульфгидрильные группы белков, замещать Са2+ и Zn2+ в белках, липидах и других биологически активных соединениях. Не случайно в большинстве руководств по клинической токсикологии не только подчеркиваются пестрота синдромов и полиорганный характер поражений тяжелыми металлами и мышьяком, но и отводится должное место печеночной недостаточности как постоянному симптомокомплексу уже в ранний период развития интоксикации. Иногда при острой интоксикации соединениями мышьяка и солями тяжелых металлов клиническая картина характеризуется преимущественно признаками поражения печени с типичными проявлениями токсического гепатита. Болезненность в правом

подреберье, набухание печени сочетаются с положительной прямой реакцией на билирубин и появлением желчных пигментов в моче. В рвотных массах наблюдаются примеси крови и желчи.

При пероральной интоксикации препаратами ртути преобладают атрофические изменения паренхимы печени, а солями железа (например, сульфат двухвалентного железа) - некроз печени и печеночная кома. Повышение общего азота и азота мочевины манифестирует нарушение процессов синтеза белка в печени и нарушение углеводного обмена: рост сахара, пирувата и лактата в крови. Происходит сдвиг кислотно-основного состояния (метаболический ацидоз) и развивается водно-электролитный дисбаланс. Нарушаются также дезинтоксикационная и экскреторная функции печени. Особенно тяжело, с крайне неблагоприятным исходом протекает сочетанная почечнопеченочная недостаточность.

Ионы тяжелых металлов проникают в гепатоциты путем эндоцитоза- экзоцитоза и в меньшей степени в результате диффузии. Будучи преимущественно связанными, в кровяном циркуляторном русле с низкомолекулярными транспортными белками (металлотионеины, трансферрин, ферритин, церулоплазмин), тиоловые токсины подвергаются одному из трех видов эндо- цитоза: пиноцитозу, адсорбции либо связыванию рецепторами. Затем эндо- цитозные пузырьки передают свое содержимое лизосомам и аппарату Голь- джи, где они метаболизируются и выделяются в желчь.

В симптоматике острых поражений ртутью, свинцом и особенно кадмием важное место занимают поражения почек и мочевыводящих путей. Н.И. Шиманко считает, что с различными по выраженности и функциональной значимости поражениями почек протекают до 70 % острых экзогенных интоксикаций.

Острые интоксикации чаще всего приводят к развитию острой почечной недостаточности или острой токсической нефропатии (ОТН), под которой понимают возникновение внезапных нарушений функции почек по

обеспечению водно-электролитного баланса, кислотно-основного состояния, нормотонии, эритропоэза и выведения продуктов азотистого обмена. Наряду с комплексом функциональных нарушений имеет место развитие морфологических изменений в паренхиме почек, чаще всего типа некронефроза.

Тяжелое клиническое течение и высокая летальность при такого рода осложениях острых интоксикациях связаны с рядом причин: сочетанным нарушением функций почек и печени, сопутствующим поражением ССС, гемо- и лимфодинамики в паренхиматозных органах, одновременным вовлечением в процесс других органов и систем, прежде всего ЦНС и системы крови. Это положение еще раз подчеркивает условность выделения органных и системных синдромов в патогенезе интоксикаций тиоловыми токсинами, которое несет также специальную нагрузку, позволяя выделять особенности в действии конкретных токсинов в пределах одной группы токсичных веществ.

Для 20 металлов и их солей (барий, бериллий, бор, висмут, вольфрам, железо, золото, йод, кадмий, молибден, мышьяк, медь, ртуть, свинец, серебро, сурьма, таллий, уран, хром) доказано наличие нефротоксических эффектов. Их список можно было бы продолжить. При этом в ряде случаев имеет место специфическое избирательное воздействие (ртуть, мышьяк, кадмий). Эти вещества оказывают влияние непосредственно на почечную ткань, что, с одной стороны, объясняется повышенной осмолярностью почечной ткани и в связи с этим высокой концентрацией токсичного вещества в почках. При интоксикации сулемой, медным купоросом содержание их в почках во много раз превосходит таковое в других органах. В течение первых 48 ч после интоксикации с мочой экскретируется до 80-90 % ртутного препарата. Именно прямым воздействием на эпителий почечных канальцев объясняют некротическое действие выводимых почками тяжелых металлов. С другой стороны, эти вещества воздействуют на метаболизм почечной ткани, вступая в соединение с тиоловыми группами ферментов.

Этим путем они вызывают деструкцию клеточных структур (митохондрий, ядер), что лежит в основе нарушения энергетического и других видов обмена в почках.

Связывание, распределение и выведение ксенобиотиков-металлов в организме зависит, прежде всего, от обеспеченности его эссенциальными микроэлементами и состоянием их обмена. Например, накопление цинка в организме экспериментальных животных приводит к снижению содержания Fe и Си, тогда как добавление в корм Fe предотвращало потерю меди.

До 50 % введенного ингаляционным путем Cd содержится в легких. При поступлении в ЖКТ в организме задерживается от 1 до 8 % введенной дозы. Имеются большие индивидуальные колебания этого показателя. Наибольшая зарегистрированная абсорбция не превышает 20 %. Созданная в 70х годах одночастная модель токсикокинетики Cd в организме все время развивается и стала многочастной, учитывающей распределение в почках, печени и крови, а также такие показатели, как суточное поступление, масса органа и др. Кадмий проникает в головной мозг и в небольших количествах (до %) сохраняется там в течение всего периода наблюдения.

Пары ртути при ингаляции почти на 100 % абсорбируются в альвеолах легких, переходя в Hg2+ в эритроцитах и тканях организма. В ЖКТ поглощается не более 10 % введенной Hg, но этот показатель существенно возрастает у детей, причем 75-90 % введенной дозы выводится через кишечник. В почки попадает 50-90 % Hg от общего содержания в организме. Относительно высокие уровни отмечены в гонадах и железах внутренней секреции. У детей и подростков, молодых животных в эксперименте показатель накопления в почках ниже, а в тканях печени и мозга - относительно выше, чем у взрослых особей. В тканях плода крыс содержание Hg в 40 раз превосходило средний уровень в теле взрослых животных. Общее распределение можно представить таким образом: 50 % - в почках, 20 % - в печени, 25 % - в желчи и до 5 % - в мозге. В выведении Hg из организма отмечают

две фазы: первая - с Т50 продолжительностью 2-5 дней, когда выводится до 90 % накопленного количества, и вторая - с Т50 до 30-40 дней.

Однократное введение неорганической ртути в организм приводит к накоплению ее преимущественно в цитоплазматической (54 %) и ядерной (30 %) фракциях клеток почек. По мере удлинения срока поступления (ироническое в течение 6 мес. подкожное введение хлорида ртути) наблюдается возрастание ее содержания в ядерной, лизосомальной и митохондриальной фракциях клеток без увеличения концентрации в цитозоле. В более поздние сроки Hg продолжает накапливаться только в лизосомах. Характер распределения Hg в субклеточных компартментах других органов (печень, головной мозг) аналогичен; он также существенно не отличается от распределения в клетке органических соединений. В нейронах Hg связывается с мембранами митохондрий, эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, ядер и лизосом.

Таким образом, проникая через клеточные и субклеточные мембраны, Hg задерживается на них, распределяясь по всем субклеточным фракциям. Различия в содержании Hg в разных фракциях клетки можно объяснить, вероятно, неодинаковым сродством к ней функциональных групп биомолекул субклеточных частиц. Влияние Hg на уровень и скорость синтеза ДНК и РНК в клетках культуры и тканях живого организма является, по-видимому, следствием избирательной локализации этих соединений в ядерной фракции клетки. С обнаруженными особенностями ее внутриклеточного распределения можно связать развитие патологических изменений физиологических и биохимических процессов в организме, в частности ее гонадотоксическое, эмбриотоксическое и мутагенное действие.

Отличное от ртути и свинца распределение в клетке свойственно кадмию (Cd). Значительная его часть накапливается в надосадочной части гомо- гената печени, что объясняется способностью Cd вызывать индукцию и связываться с белком тионеином, содержащимся в этой фракции печени. Такое же распределение установлено в клетках монослойной культуры

гепатоцитов. Через 2 ч после воздействия во фракциях цитозоля, ядер, митохондрий, микросом обнаруживали соответственно 56, 23, 14 и 7 % добавленного количества металла. При увеличении времени культивирования до 20 ч количество Cd в цитозоле возрастало, а в остальных субклеточных фракциях снижалось.

Накопление Cd в клетках культуры почек происходило параллельно повышению степени его цитотоксичности. Накапливаясь на внутренних мембранах митохондрий и гепатоцитов, Cd уменьшает энергоснабжение и стимулирует ПОЛ в концентрациях 10-100 мкмоль. В случае более низкого содержания кадмия (1 мкмоль) отмечалось нарушение целостности мембран митохондрий без стимуляции процессов ПОЛ.

Неорганические соединения свинца задерживаются в легких на 35-50 %. При поступлении в ЖКТ этот показатель составляет 15-50 %, что связано с режимом питания, диетой, возрастными особенностями и другими факторами. Концентрация в крови (РЬВ) достаточно четко коррелирует с введенной дозой свинца. Распределение в мягких тканях и их Т50 существенно отличаются от таковых для костной ткани. Если в крови и мягких тканях концентрация РЬ снижается вдвое примерно за 35-40 дней, то в костях этот показатель составляет примерно 27 лет. При этом необходимо подчеркнуть, что в зависимости от возраста в костях депонируется 75-94 % абсорбированного РЬ. Мобилизация его в различных стрессовых ситуациях (болезнь, голодание, интоксикация другими токсинами) может давать патологические проявления у ранее практически здоровых людей. Особенно важен этот момент при беременности, когда мобилизация РЬ может стать угрозой здоровью матери и плода, тем более что в пупочной вене концентрация РЬ составляет до 90 % от таковой в крови матери. Из организма свинец выводится преимущественно почками, что существенно отличает его соединения от соединений ванадия, которые только на 30 % выводятся с мочой, а на 70 % - с фекалиями (по ванадату натрия), и от солей хрома Сг (III), которые практически полностью экскретируются через

кишечник. Если наивысшая концентрация ванадия в легких в 20 раз выше, чем в других органах, хрома - в селезенке и почках, то кадмий и ртуть аккумулируются в основном в почках. Примерно такие соотношения получены для соединений трех- и пятивалентного мышьяка; неорганические и метилированные его соединения выводятся из организма через почки за несколько дней на 46 % и более от полученной дозы. Прием неорганических соединений As приводит к образованию в организме диметиларсиновой и (в существенно меньшей степени) монометиларсиновой кислот. При этом As (V) предварительно восстанавливается в As (III).

Никель распределяется достаточно равномерно в легких, печени, почках, селезенке, гонадах, а его содержание в щитовидной железе и надпочечниках примерно в 10 раз выше. Через кожу человека всасывается до 88 % наносимого препарата. 90 % никеля выводится через кишечник, а 10 % - через почки. Вводимый в организм кобальт обнаруживается в крови (при интрат- рахеальном поступлении) уже через 5 мин. В отличие от свинца Со отличается более высоким содержанием в плазме, чем в эритроцитах (в 2 раза). Адсорбция Со в крови характеризуется экспоненциальной зависимостью и двумя периодами полувыведения, которое осуществляется в основном почками и заканчивается в течение недели после введения.

Органические соединения ртути более длительно, чем неорганические, находятся в организме в неизменном виде. Это определяется липофильно- стью алкилпроизводных Hg, которые вследствии выраженной липофильно- сти кумулируют в богатых липидами тканях, в частности в нервной системе: они способны проникать через гематоэнцефалический барьер. Финилртутные соединения, напротив, довольно быстро распадаются с освобождением неорганической Hg. При ингаляционном отравлении именно легочные макрофаги ответственны за солюбилизацию малорастворимых соединений тяжелых металлов (например, окись ртути, каломель), что приводит к усилению токсичности вводимого вещества.

Практически весь поступающий в кровь свинец абсорбируется эритроцитами, а затем откладывается в костях (для сравнения укажем, что Hg в крови приблизительно одинаково распределяется между эритроцитами и плазмой крови, но органические соединения превалируют в эритроцитах). Оба эти обстоятельства оказывают существенное влияние на кинетику выведения РЬ из организма.

Желудочно-кишечная абсорбция РЬ зависит от состава диеты, энергетического баланса, а его аккумуляция снижается в присутствии кальция, железа, фосфата, витаминов D иЕ. При молочной диете значительно повышается аккумуляция Cd в организме, тогда как поливалентные катионы Са и Zn подавляют его адсорбцию путем изменения его способности прикрепляться к мембране кишечника. Такие соотношения и особенности токсикокинетики установлены и для других тяжелых металлов.

Всасывание, распределение и выведение тиоловых токсинов из организма регулируется в первую очередь на клеточном уровне за счет механизмов мембранного транспорта от простой диффузии до активного транспорта через мембраны, чему в значительной мере способствует относительная легкость связывания металлов в катионной форме с мембранными и клеточными белками.