4 курс / Общая токсикология (доп.) / Extremalnaya_toxikologia
.pdfГлава 9. Цитотоксическое действие
поражений населения представляют следующие группы веществ, обладающих цитотоксическим действием:
1) Боевые отравляющие вещества кожно-нарывного действия: иприты (сернистый, азотистый, кислородный), люизит.
2)Аварийно-опасные химические вещества: органические и неор ганические соединения мышьяка, ртути, этиленимин, этиленоксид и др. Аварии на предприятиях по производству хлорированных фенолов могут сопровождаться выбросом в окружающую среду среди прочих веществ 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксина («диоксина»).
3)Цитотоксиканты, представляющие угрозу при «химическом терроризме»: рицин и др. Возможно применение с террористически ми целями цитотоксикантов, используемых в химической промыш ленности, что обусловлено их доступностью, с одной стороны, и вы сокой токсичностью, длительным скрытым периодом — с другой.
4)Фитотоксиканты и пестициды — вещества, использующиеся для уничтожения растительного покрова (листвы, травы и пр.). Не которые рецептуры пестицидов содержат в виде примесей вещест ва, обладающие цитотоксическим действием: диоксин и диоксино подобные соединения.
Также следует иметь в виду, что некоторые из веществ цитоток сического действия могут образовываться, и в достаточно больших количествах, в повседневных условиях. При взаимодействии хлора с ароматическими углеводородами (в частности, при хлорировании питьевой воды) образуются хлорированные соединения, которые обладают цитотоксичностью.
Термическое разложение хлорированных углеводородных про дуктов (пластмасс): сжигание осадков сточных вод и других отходов полимерных материалов приводит к образованию диоксиноподоб ных соединений.
На основе хлорэтиламинов созданы высокоэффективные ци тостатики — лекарственные препараты, применяемые для лечения опухолей (циклофосфаны, хлорамбуцил, мелфалан и др.). Эти ве щества производятся в большом количестве и достаточно широко применяются в клинической практике.
9.3. Классификация цитотоксикантов. Общие механизмы цитотоксичности
Наиболее характерным свойством в эффектах цитотоксикантов на организм является сочетание местного повреждающего действия и общего резорбтивного действия. Местное действие реализуется
183
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
в виде воспалительно-некротического поражения тех покровных тканей, на которые попало (было апплицировано) вещество. Если вещество попало на кожу — то это дерматит, на слизистую желу дочно-кишечного тракта — воспалительное поражение слизистой, на слизистую дыхательных путей — соответственно ларинготрахеобронхит различной степени тяжести. На этом основании истори чески первым названием данной группы было «вещества кожнонарывного действия». Сейчас оно сохранилось только за боевыми отравляющими веществами, обладающими цитотоксическим дей ствием: иприты и люизит.
Резорбтивное действие на структуры-мишени для разных групп веществ — разное (специфичное). Картина резорбтивного действия зависит от механизма действия конкретных групп токсикантов. В зависимости от структур-мишеней и, следовательно, по механиз мам токсического действия цитотоксиканты могут быть разделены на несколько основных групп (табл. 22).
Механизмы, посредством которых цитотоксиканты способны воздействовать на пластический обмен и клеточное деление, мно гообразны. Условно вещества, действующие на нуклеиновые кис лоты и нарушающие процессы клеточной репарации и деления, можно подразделить на две группы. Представители первой группы взаимодействуют с нуклеиновыми кислотами ядра клетки, повреж
дая ее генетический код и нарушая механизмы репликации. Пора жение такими веществами сопровождается повреждением процес са деления и пролиферации клеточных элементов. Такие вещества образуют прочные ковалентные связи с азотистыми основаниями нуклеиновых кислот. При последующем изучении нуклеиновых кислот, выделяемых из поврежденных клеток, в пробах выявляют ся комплексы «молекула токсиканта—пуриновое (пиримидиновое) основание». Такие комплексы получили название аддуктов. Среди
изучаемых в экстремальной токсикологии веществ к данной группе относятся прежде всего сернистый и азотистый иприты. При взаи модействии с нуклеиновыми кислотами ипритов образуются аддук ты, содержащие фрагмент молекулы иприта, представляющий со бой алкильную группу. По этой причине вещества называют также
алкилирующими агентами.
Соединения другой группы — вещества, не образущие аддукты нуклеиновых кислот — действуют на другие макромолекулы, участ
вующие в синтезе белка. Основным видом нарушения является угнетение синтеза белка. Наиболее чувствительными к этим ядам
184
Глава 9. Цитотоксическое действие
Классификация веществ цитотоксическогодействия
185
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
являются органы с высокой интенсивностью пластического обме на. К числу веществ рассматриваемой группы относится, например, рицин — токсин растительного происхождения, содержащийся в клещевине.
Ктиоловымядам относятся вещества, в основе механизма токси ческого действия которых лежит способность связываться с сульфгидрильными группами, входящими в структуру различных бел ков. Образование комплекса «токсикант—SH-группа биомолекул» сопровождается их повреждением, нарушением функции (утрата ферментативной активности), что и инициирует развитие токси ческого процесса. К числу ферментов, содержащих сульфгидрильные группы, относятся различные по своей роли энзимы: гидролазы (амилаза, липаза, холинэстераза, уреаза и др.), оксидоредуктазы (алкогольдегидрогеназа, аминоксидазы, дегидрогеназы и др,), фос фатазы (креатинфосфокиназа, гексокиназаидр.) ипр. Рибосомальные макромолекулы содержат сульфгидрильные группы, инактива ция которых приводит к прекращению белкового синтеза.
К тиоловым ядам относятся боевое отравляющее вещество лю
изит, а также металлы: мышьяк, ртуть, цинк и их многочисленные соединения. Различия в функциональной активности блокируемых энзимов обусловливает специфичность проявлений интоксикации для каждого вещества, относящегося к группе тиоловых ядов. Воз можно повышение сосудистой проницаемости, нефротоксическое действие, поражение печени, угнетение кроветворения и пр.
Токсическое действие модификаторов пластического обмена
связывают с их высокой способностью повышать активность (ин дуцировать) ферменты гладкого эндоплазматического ретикулума (ферментов микросомального окисления) клеток печени, почек, кожи и других органов. Система оксигеназ смешанных функций — основная система метаболизма чужеродных соединений и некото рых эндогенных веществ. Диоксин является самым сильным из из вестных индукторов оксигеназ.
В соответствии с существующими представлениями механизм действия диоксина состоит во взаимодействии вещества с цито зольными белками — регуляторами активности генов, отвечающих за синтез микросомальных ферментов. В цитоплазме образуют ся комплексы «диоксин—белок-регулятор», которые мигрируют в ядро клетки, где, взаимодействуя с ДНК, вызывают активацию гена и тем самым стимулируют синтез энзимов микросомального окисления. Поскольку диоксин и диоксиноподобные соединения длительное время сохраняются в организме, наблюдается стой
186
Глава 9.Цитотоксическое действие
кая индукция микросомальных энзимов. При этом существенно изменяется характер метаболизма (биопревращения) разнообраз ных чужеродных веществ, поступающих в организм, — их метабо лизм извращается, что приводит к образованию промежуточных продуктов с очень большой токсичностью. В результате индукции микросомальных ферментов извращается метаболизм целого ряда собственных (эндогенных) биологически активных веществ. На пример, модифицируется метаболизм стероидов, к числу которых относятся многие гормоны, витамины, коферменты и пр.
9.4. Иприты: токсикологическая характеристика
Галогенированный тиоэфир 2,2-дихлордиэтилсульфид был впер вые синтезирован в 1822 г. в Депре. В чистом виде соединение было выделено и изучено в 1886 г. Виктором Мейером в Геттингене (Гер мания). Работы проводились при непосредственном участии русско го химика Николая Дмитриевича Зелинского (1861-1953), который в те годы проходил в лаборатории стажировку. Н.Д. Зелинский не смог довести систематический анализ вновь открытого соединения до конца, поскольку по неосторожности получил столь сильное по ражение этим веществом, что был вынужден прекратить работы и от быть на лечение. В. Мейер прекратил дальнейшее изучение нового соединения, убедившись в экспериментах, что оно высокотоксично.
Первоначально применение химического оружия в период Пер вой мировой войны (кампании 1915-1916 гг.) характеризовалось использованием веществ, действующих ингаляционно (хлор, фос ген и пр.). Достаточно эффективная защита от «удушающих газов» была быстро найдена: «противогазовые маски». Это стимулировало поиск новых боевых отравляющих веществ, способных вызывать поражение не только при ингаляционном воздействии.
В ходе Первой мировой войны в ночь с 12 на 13 июля 1917 г. возле города Ипр английские войска были обстреляны немецки ми минами, содержащими 2,2-дихлордиэтилсульфид. В немецкой армии ОВ имело маркировку «желтый крест». Новое ОВ вызывало тяжелейшее язвенно-некротическое поражение открытых участ ков кожи (лицо, шея, кисти рук), быстро проникало через одежду. В отличие от газов «желтый крест» стойко заражал местность. По месту первого применения — у города Ипр — новое ОВ получило название «иприт». По своим органолептическим свойствам иприт
называли «горчичный газ» или «чесночный газ», поскольку вещест во в малых концентрациях имело запах чеснока или горчицы.
187
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
Применение иприта открыло новый класс OB — ОВ «кожно-на рывного действия». Иприт быстро стал самым распространенным ОВ Первой мировой войны. Он обладал многими конкурентными свойствами как ОВ: мог применяться ингаляционно и заражать кожные покровы, проникать через обычное обмундирование и одежду, вызывать смертельные поражения, создавать (в отличие от «газов») стойкое заражение местности (мог применяться для со здания полос заражения перед собственной линией обороны). Основоположник современной отечественной военной медицины Б.К. Леонардов назвал иприт «королем газов».
Иприт использовали итальянские фашисты в ходе итало-абис- синской войны (1936 г.). Считается, что до 15% общих потерь в Абиссинии (Эфиопии) составили потери от химического оружия (Бадюгин И.С., 2006).
Во время Второй мировой войны (1939-1945 гг.) иприт широко применяла в Китае японская армия.
Вфашистской Германии иприты синтезировали в производ ственном масштабе, предполагая его боевое использование. Обна руженные в 1945 г. в Германии запасы азотистого иприта состав ляли около 2 тыс. т. По окончании войны захваченные у Герма нии запасы иприта были захоронены в Балтийском море в районе
о.Борнхольм (Дания). По оценке ведущих специалистов (Анто нов Н.С., 1994), объем захоронений ОВ в акватории может дости гать 25 тыс. т. В настоящее время начаты работы по расчистке дна Балтийского моря от захоронений химического оружия.
В1980-х гг. XX в. иприты использовалось в ходе Ирако-Иран ского военного конфликта.
Иприты не утратили своего военного значения. ОВ кожно-на рывного действия состоят на снабжении у всех стран, обладающих химическим оружием. В соответствии с Конвенцией о запрещении химического оружия (1993 г.)запасы иприта должны быть уничтожены.
9.4.1. Физико-химические свойства ипритов
Сернистый иприт — бесцветная маслянистая жидкость. В неочи щенном виде (технический иприт) — темного цвета из-за большого количества примесей сульфидов. При низких концентрациях об ладает запахом, напоминающим запах горчицы или чеснока («гор чичный газ»). В воде практически не растворим (не более 1—2%) и с водой не смешивается. При попадании в водоем — оседает на дно, заражая придонные слои (поэтому пробы воды надо брать
188
|
Глава 9. Цитотоксическое действие |
СН3СН2С1 |
СН2 СН2С1 |
S / |
N ~ С Н 9СН2С1 |
\ |
СН2 СН2С1 |
СН2 СН2С1 |
|
2,2-дихлордиэтилсульфид |
2,2,2-трихлортриэтиламин |
(иприт) |
(азотистый иприт) |
с поверхности и со дна — батометром). В воде не гидролизуется, длительно заражая источники водоснабжения. Хорошо растворяет ся в органических растворителях (поэтому может проникать через кожу и слизистые). Легко впитывается в пористые материалы и ре зину, не теряя при этом токсичности.
При обычных температурах иприты испаряются крайне медлен но, создавая при заражении местности стойкий очаг.
Дегазация (удаление и разрушение иприта) возможно путем гидролиза: конечные продукты гидролиза — нетоксичные соеди нения. Гидролизу подвергается только растворившееся количест во ипритов, но растворимость токсиканта крайне низкая. Процесс гидролиза ускоряют нагреванием зараженной воды и добавлением разбавленных щелочей. Вторым способом дегазации является окис ление ипритов. С этой целью используются препараты «активного хлора». При хлорировании ипритов их молекулы разрушаются.
9.4.2. Токсикокинетика
Учитывая, что иприт — маслянистая жидкость, которая плохо диспергируется, основное боевое состояние иприта — пары и кап ли.
Пути поступления. Иприты способны проникать в организм лю
бым путем: 1)ингаляционно (в виде паров); 2) через неповрежден ную кожу, раневую и ожоговую поверхности (в капельно-жидкой форме) и 3) алиментарным путем (через рот!) с зараженной водой и продовол ьствием.
Иприт быстро проходит гистогематические барьеры и после поступления в кровь быстро распределяется в организме, легко про никает в клетки (высокая жирорастворимость обеспечивает легкое преодоление мембран). Метаболизм вещества проходит с большой скоростью и осуществляется при участии тканевых микросомальных ферментов. В процессе метаболизма ипритов образуются ток сичные промежуточные продукты (сульфоний, иммоний-катионы Идр.), которые, как считается, и обусловливают механизм токсиче ского действия («летальный синтез»).
189
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
9.4.3. Механизм токсического действия
Цитотоксическое действие ипритов развивается как на месте аппликации ядов, так и при поступлении во внутренние среды ор ганизма. Механизмы цитотоксичности иприта по-прежнему оста ются более или менее вероятностной гипотезой. Достаточно дока занными звеньями патогенеза выступают следующие процессы:
1. Как считается, в организме иприты подвергается дегалогенированию с образованием токсичных промежуточных продуктов (ра дикалов): сернистый иприт образует сульфоний-катион, азотистый иприт — иммоний-катион. Сернистый иприт далее подвергается окислению, при этом последовательно образуются токсичные про дукты: 2,2-дихлордиэтилсульфоксид (1) и 2,2-дихлордиэтилсуль- фон (2):
^ СН2 СН2С! |
СН2СН2С1 |
О — S |
|
^ С И 2СН2С\ |
44 СН2СН2С1 |
( 1) |
(2) |
С действием радикалов и метаболитов на молекулы-мишени (ДНК и белковые молекулы) связывают механизм токсического действия ипритов.
2. Установлено, что на клеточном уровне активные промежу точные продукты метаболизма иприта оказывают повреждающее действие на дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) — алкили рование пуриновых оснований. В этой связи иприты относят к груп
пе генотоксикантов (вещества, повреждающие генетический код). В основе повреждающего действия ипритов на ДНК лежит образо вание ковалентных связей с пуриновыми основаниями нуклеоти дов: аденином, гуанином (рис. 20).
Поскольку иприт обладает двумя функциональными группами (двумя атомами хлора), может осуществляться атака на нуклео фильные группы двух оснований. Поэтому кроме алкилирования возможно «сшивание» комплементарных нитей в двойной спирали ДНК.
3. Алкилирование ДНК является лишь пусковым механизмом процессов, приводящих к еще более глубокому повреждению кле ток и их гибели. Как установлено, поврежденные участки ДНК подвергаются депуринизации: отщеплению алкилированных пури новых оснований от молекулы. Затем депуринизированные участки
190
Глава 9. Цитотоксическое действие
Рис. 20. Взаимодействие аденозина с ипритом (по Саватееву Н.В., 1987)
ДНК под влиянием эндонуклеаз «вырезаются». В результате в ядре появляются свободные фрагменты ДНК, что активирует ферменты репарации этих макромолекул, в частности полимеразу. Полимера за обеспечивает синтез новых фрагментов ДН К и встраивание их на место поврежденных участков. Но поскольку при действии ипритов на ДН К повреждаются смежные участки комплементарных нитей, то в процессе репарации возможны грубые ошибки и генетический код клетки полностью не восстанавливается.
4.Повреждение генетического кода клеток нарушает процессы редупликации и транскрипции, лежащие в основе клеточного де ления: иприт блокирует клеточный цикл митоза. Наибольшей чув ствительностью к ипритам обладают органы и ткани, клетки ко торых активно размножаются: красный костный мозг, эпидермис, эпителий слизистой желудочно-кишечного тракта и т.д. В этих тканях повреждение генетического аппарата быстро приводит к па губным последствиям: останавливается процесс пополнения пула зрелых, функционально полноценных клеток.
5.Активные продукты метаболизма ипритов взаимодействуют с белками клеточных мембран и внутриклеточных структур, вызывая их алкилирование. Взаимодействием с белками можно объяснить ингибирование активности ипритами ряда ферментов: гексокиназы, холинацетилазы, ацетилхолинэстеразы, супероксиддисмутазы
ит. д., что выступает дополнительным фактором, приводящим к клеточной гибели.
6.Действуя в высоких дозах, иприты нарушают механизмы про ведения нервных импульсов в холинергических синапсах в ЦНС
ина периферии. В основе этого эффекта— ингибирование ак тивности ацетилхолинэстеразы. Антихолинэстеразная активность азотистого иприта выше, чем у сернистого, поскольку иммонийкатион больше имитирует молекулу ацетилхолина, т. е. имеет боль шее сродство к холинэстеразе. Антихолинэстеразным действием
191
ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
объясняются такие эффекты, как судорожный синдром (при боль ших дозах иприта).
9.4.4. Патогенез поражения ипритом
Патогенез острого поражения складывается из следующих ос новных звеньев:
1)контакт с ипритом не сопровождается неприятными ощуще ниями («немой» контакт);
2)токсический процесс развивается отставленно — после скр того периода, продолжительность которого в зависимости от дозы может составлять от часа до нескольких суток;
3)поражение ипритом сочетает местное и резорбтивное дей ствие вещества;
4)местное действие (на месте контакта и проникновения в ор ганизм) приводит к развитию воспалительно-некротического пора
жения;
5)резорбтивное действие обусловлено нарушением механизмов клеточного деления, следовательно, характеризуется в первую оче редь угнетением механизмов кроветворения;
6)угнетение кроветворения снижает иммунную реактивность организма и обусловливает возникновение инфекционных ослож нений за счет активизации собственной флоры (аутоинфекция);
7)нарушение процессов синтеза белка обусловливает патологи ческий катаболизм, что проявляется (ипритной) кахексией.
Ведущие патогенетические механизмы поражения ипритом схожи с патогенезом острой лучевой болезни: повреждение нук леиновых кислот, подавление гемопоэза, снижение иммунной резистентности и присоединение вторичной инфекции. На этом основании резорбтивное действие иприта описывается как радиомиметическое действие — действие, подобное эффекту иони
зирующего излучения.
Иприт — вещество абсолютно смертельного действия. Наибо лее опасным является ингаляционное поражение парами иприта. При данной форме поражения наиболее вероятны тяжелые и край не тяжелые формы поражения со смертельным исходом. Хотя ве щество прекрасно всасывается через кожные покровы и вызывает их глубокое повреждение, вероятность летальных исходов при дан ном способе воздействия существенно меньше.
Механизм танатогенеза. Причинами смерти при тяжелом отрав
лении ипритом являются: 1) присоединение вторичной инфекции;
192