2.2. Токсикокинетика

Четырьмя главными факторами, описывающими взаимодействие организма с токсичными

веществами, являются абсорбция, распределение, метаболизм и выведение. Взаимодействие

между этими свойствами схематически показаны на рис.15.

При рассмотрении в кинетике токсичного воздействия, эти факторы часто

анализировались в моделях, целью которых являлось дать возможность лучшей экстраполяции

результатов среди видов, доз и химических соединений (смесей). Первые разработанные

концепции, связанные с терапевтическими веществами, создают основу для

фармакокинетического и токсико-кинетического моделирования. Множество примеров,

встречающихся в литературе, касаются терапевтических лекарств, но легко могут быть

отнесены к токсичным веществам. Действительно, избежание токсичных эффектов

лекарственной передозировки является важным аспектом фармакокинетики.

Изучение ферментативной кинетики в биохимических реакциях обеспечило полезную

умозрительную основу возможности удаления токсичных веществ. Выражение Михаэлиса-

Мэнтона [2] устанавливает связь первоначального темпа или скорости реакции (v) фермента

(Е), производимого продукт (P) и концентрации субстрата [S] для простой биохимической

реакции [1], как показано ниже.

Vmax - максимальная скорость образования продукта. KM - мера сродства фермента к

субстрату.

[1] E+S-->ES-->EP-->E+P

[2] v/Vmax=[S]/(Km+[S])

Эти константы характеризуют внутренние свойства фермента. Из этих формул следует, что,

когда [S] много больше, чем Km, то v приблизительно равно Vmax. Это означает, что

ферменты производят продукты с максимальной скоростью, когда концентрация субстрата

велика (фермент, так сказать, насыщен). Это имеет интуитивный характер. С другой

стороны, заметим, что, если [S] меньше KM, то v=(Vmax/KM)[S]. В этом режиме скорость

реакции пропорциональна концентрации субстрата. Это также имеет

Рис. 15. Распределение токсинов

смысл, когда фермент находится в большом избытке. Эти соотношения показаны на рис. 16,

который также иллюстрирует, что скорость реакции равна половине максимальной, когда

концентрации субстрата равна Km.

Рис. 16 Ферметативная кинетика Михаэлиса-Ментена.

Гиперболическое взаимодействие между скоростью ферментативной реакции и

концентрацией субстрата (М), описываемое ферментативной кинетикой Михаэлиса-Ментена.

КМ – концентрация субстрата (М), при которой скорость реакции равна 0,5 Vmax

Исключение токсичных веществ из организма может включать в себя некоторое

количество процессов, а не только единственную биохимическую реакцию. Вопреки

возможным, лежащим в основе, сложностям, скорость выведения обычно может быть описана

кинетикой Михаэлиса-Мэнтона. Простейший случай, названный «нулевым порядком»,

соответствует режиму с высокой концентрацией, когда происходит насыщение ферментами

метаболизма, и другие процессы удаления также работают с наивысшей скоростью. При этом

условии, выведение является постоянной величиной, как функция, зависящая от времени.

Таким образом, график концентрации в крови линеен все время. Часто встречающимся

примером является этанол, который имеет максимальную скорость выведения, приблизительно

равную 10мл/час. Как показано в таблице 3, выведение 50 мл этанола из человеческой

кровеносной системы занимает около 5 часов. Таким образом, человек, который быстро

выпьет два глотка крепкого спиртного напитка и затем по глотку каждые 2 часа, будет

оставаться в умеренном интоксикационном состоянии. Отмечается, что 50 мл алкоголя

распределяется по всему организму, создавая уровень в крови порядка 1 мг/мл (или 0,1%),

при этом вождение транспорта является опасным.

Время, час	Остаток этанол, мл	Устраненный этанол, мл	Устраненный этанол от оставшегося, мл
0	50	0	0
1	40	10	20
2	30	10	25
3	20	10	33
4	10	10	50
5	0	10	100

Табл. 3. Выведение этанола, обладающего нулевым порядком в кинетике

Большинство токсичных и фармацевтических веществ выводится со скоростью, которая

пропорциональна их количеству в крови. Так называемый «первый порядок» соответствует

состоянию, описанному выше, в котором ферменты метаболизма находятся в избытке и

образование продуктов лимитируется наличием субстрата. Отношение между концентрацией

субстрата и временем (t) может быть описано математически с помощью простого

дифференциального выражения dC/dt = - keC. Это выражение можно записать в виде:

dC/C = - kedt, которое после интегрирования дает: C = C0exp(-Ket). Это отношение может

быть представлено графически в логарифмических координатах, давая линейную зависимость

между пролагорифмированной концентрацией vs и временем (logC = logC0-ket). Отмечено,

что при выведении этанола может получаться прямая линия на линейном графике и

выпуклая - на полулогарифмическом.

В первом порядке выведения постоянная доля вещества удаляется через единицу

времени, позволяя делать измерения в половинном времени (аналог радиактивному

полураспаду). Период полувыведения может быть определен при исследовании подходящего

полулогарифмического графика концентрации от времени. Отметим, что неверно

1/2 в нулевом или других порядках процесса выведения, кроме первогорассматривать

порядка. Иногда графики логарифмированной концентрации от времени не линейны при

высоких концентрациях, но со временем становятся таковыми. Последний участок дуги затем

1/2.становится поддающимся для анализа

Способ введения может значительно влиять на кинетику распространения и выведения

соединений. Многие лекарства вводятся в кровеносную систему внутривенными инъекциями и

вливаниями. Инъекция обеспечивает дозу, которая распространяется через кровь в течение

нескольких секунд, что является мгновенным для достижения наших целей. Для сравнения,

оральный прием обеспечивает более медленное попадание вещества в кровеносную систему,

так как сначала он должен абсорбироваться через пищеварительный тракт. Различия в

кинетике проиллюстрированы на рис. 16.

Рис. 16. Концентрация лекарства в плазме после внесения различными путями одинаковой концентрации.

Оральное введение может также понизить эффективность дозы, доставленной в

кровеносную систему в случае, если вещество значительно инактивировано первой стадией

метаболизма в печени. Вещества, введенные в мышечную ткань, часто абсорбируются в

кровеносную систему с низкой скоростью, в зависимости от их растворимости, которая

может оказаться быстрее, чем при оральном введении, как показано на рис. 15., или

медленнее. Ингаляционное введение газообразных веществ быстрее обеспечивает их

попадание в кровеносную систему и помогает избежать первой стадии метаболизма. Кожное

нанесение применимо для веществ, для которых медленное и равномерное введение является

преимущественным. На сегодняшний день появилось большое количество лекарств в виде

кожных повязок. Для токсичных веществ наиболее уместными способами введения, конечно,

являются оральный, ингаляционный и кожный.

Скорость абсорбции и распределения в организме является важным фактором в

достижении фармакологической эффективности лекарств в определенных тканях.

Соответствующая фармацевтическая терапия может быть проиллюстрирована на рис. 17, где

лекарства, о которых идет речь, принимались орально и достигали минимально эффективной

концентрации (МЭК) в крови за 8-9 часов. В данном случае приема, как показано, не

достигается критическая минимальная концентрация токсинов (МКТ). Для лекарств, которые

принимаются в течение долгого времени, периодическое введение соответственной дозы

будет достигать терапевтического уровня, но не токсичного. На рис. 17 показана

зависимость концентрации в крови от времени для гипотетического лекарства, принимаемого

периодическими дозами. Отмечено, что лекарство накапливается в организме до тех пор,

пока удаляемая доля не становится равной вводимой дозе во временной интервале.

Отмечено, что наиболее часто повторяющийся интервал изменяется меньше. Если двойная

доза вводится в двойном интервале, то изменения уровней в крови между максимальной и

минимальной концентрацией будут удвоены; однако, передозировки для части интервала

возможно избежать. Если очень важно поддержать постоянный уровень в крови (минимальная

концентрация токсинов близка к минимально эффективной концентрации), то может быть

использовано влияние лекарств путем внутривенного введения. Устранение значительного

отставания времени достигается постоянством состояния, это может быть названо «дозой

насыщения».

Рис. 17. Зависимость концентрации лекарства в крови от времени

Ее можно сосчитать из объема распределения (Vd) для лекарства и желаемой концентрации в

плазме крови (Cp), что показывает, какое количество лекарства может быть введено путем

инъекции (напомним, что Vd=доза/Cp).

Многочисленные фармацевтические и токсичные вещества (например, этанол) без труда

распространяются по организму, который можно рассматривать как изолированную систему. С

другой стороны, многие вещества накапливаются в определенных органах или тканях. Для

таких веществ удобно, может быть, смоделировать организм, в котором содержатся две

системы с концентрациями С1 и С2, как показано ниже.

Доза --> Центральная система С1 --> Периферическая система С2

Центральная система обычно состоит из крови и органов, с которыми быстро

уравновешивается вещество на том же уровне, что и в крови. Периферическая система

состоит из тканей, в которых концентрируется вещество или, где уравновешивание

происходит медленно. Это обычно жировые ткани для липидо-растворимых веществ, костная

ткань для стронция или ткани щитовидной железы для йода. После внутривенной дозы

вещества, концентрация в центральной системе падает быстрее, нежели после инъекции.

Концентрация в периферической системе растет и может превышать концентрацию в

центральной системе. Затем вещество выводится с одинаковой скоростью из обеих систем.

Для веществ, которые накапливаются, выведение обычно лимитируется скоростью, с которой

вещество перераспределяется из периферической в центральную систему. Отмечено, что

фактическая кривая концентрации в крови в зависимости от времени может быть принята как

1/2, чемпроцесс первого порядка выведения (распределения) с более коротким в

более поздних процессах первого порядка, которые могут доминировать в результате

перераспределения.

Главной целью моделирования является помощь в прогнозировании фармакологических и

токсических эффектов. Сюда также включено обеспечение большей точности и

систематичности. Заложенные в основе физиологические модели более непонятны. В

различных моделях системы различаются (например, система для бензола включает легкие

для выделения) и потоки жидкости приспосабливаются к важным особенностям процесса для

каждого вещества. Ключевой особенностью таких моделей является включение разделительных

коэффициентов, которые обеспечивают приспособление для различающихся способностей

задерживания веществ каждой системой. В принципе, эти модели могут позволять

экстраполяцию эффектов от одной начальной дозы до другой или от одного вида к другому.

Важность разделительных коэффициентов можно увидеть на рис. 18. Отмечается, что

вдыхаемые газы с большими разделительными коэффициентами кровь/воздух хорошо

аккумулируются в крови. Более того, вещества, имеющие высокий коэффициент, например,

жировая ткань/кровь хуже аккумулируются в крови, т.к. требуется больше времени, чтобы

их концентрация стала максимальной.

Рис. 18. Эффект разделительного коэффициента на концентрацию в крови у крыс.

Уровень изучаемого вещества в крови в зависимости от времени часто является

критерием, по которому судят об успешности модели. Уровень вещества в крови является

наиболее доступным для измерения, но реальной целью часто являются другие ткани или

молекулярный рецептор где-нибудь еще. Остается актуальным, что уровень вещества в крови

будет пропорционален уровню в какой-нибудь данной ткани. Вдобавок, уровень в ткани

затем будет пропорционален концентрации доступной клеткам-мишеням или рецепторам. Если

вещество подвергается метаболизму, частично лимитирующего его стабильность, то ситуация

более сложная. Но, в принципе, в этом случае можно применить ту же линию рассуждений,

учитывая скорость и метаболические процессы, распространение, время жизни и

разделительный коэффициент. В итоге можно было бы предсказывать концентрацию дозы

основного токсина в конкретной ситуации, затем провести межвидовую экстраполяцию