НАО “Медицинский университет Астана” Кафедра фармацевтических дисциплин ЛЕКЦИЯ №1 Введение в токсикологическую химию. Основные разделы токсикологической химии и особенности ХТА. Биохимическая токсикология. Токсикокинетика чужеродных соединений. Общие закономерности распределения веществ в организме. Нур-Султан 2020г. План лекции 1. Предмет и задачи токсикологической химии. Взаимосвязь с другими дисциплинами. Особенности и основные разделы токсикологической химии. Основные направления химико-токсикологического анализа. Этапы становления и развития токсикологической химии. Классификация методов изолирования, методов анализа и групп токсических веществ. 2. Организация проведения судебно-химической и судебно-медицинской экспертизы в РК. Правовые и методологические основы судебнохимической экспертизы. Токсикокинетика чужеродных соединений. Общие закономерности распределения веществ в организме. Токсикологическая химия - наука, изучающая методы изолирования, обнаружения и количественного определения токсических веществ из объектов биологического и иного происхождения, представленных в качестве вещественных доказательств. Основной задачей токсикологической химии как науки является разработка новых и совершенствование существующих, теоретически обоснованных методов ХТА токсичных веществ в различных объектах. В настоящее время токсикологическую химию подразделяет на два основных раздела: Биохимическая токсикология Аналитическая токсикология Изучает токсикодинамику и токсикокинетику ксенобиотиков и их метаболитов: механизмы формирования токсического эффекта в системе токсикант—рецептор, скорости и механизмы поступления, распределения, биотрансформации, элиминации и экскреции токсикантов и их метаболитов. Разрабатывает методы ХТА для определения токсикантов в разнообразных объектах. При этом большое внимание уделяется подготовке объекта к анализу (пробоподготовке). Пробоподготовка заключается в выделении (изолировании) ксенобиотика из анализируемого объекта и его концентрировании в пробе. ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОЙ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1. Разработка новых и усовершенствование уже применяемых методов изолирования токсических веществ из соответствующих объектов. 2. Разработка эффективных методов очистки вытяжек, полученных из объектов химико-токсикологического анализа. 3. Внедрение в практику ХТА новых чувствительных и специфических реакций и методов обнаружения токсических веществ, выделенных из соответствующих объектов. 4. Разработка и внедрение в практику ХТА чувствительных методов количественного определения токсических веществ. 5. Изучение метаболизма токсических веществ в организме и разработка способов анализа метаболитов. Токсикологическая химия является специальной фармацевтической дисциплиной и взаимосвязана с другими дисциплинами: - медицинскими (фармакология, судебно-медицинская и клиническая токсикология); - биологическими (биохимия, биология, фармакогнозия); - химическими (фармацевтическая, аналитическая, неорганическая, органическая, физическая и др. химии); - физическими (законы физики лежат в основе разработки приборов и аппаратов). Связь токсикологической химии с другими науками НАПРАВЛЕНИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ В настоящее время токсикологическая химия имеет несколько направлений: 1. Химико-токсикологическое – устанавливает причины отравления на основе вещественных доказательств (предметы, которые служили орудием совершения преступления, сохранили следы преступления, были объектом преступления и служат средством к раскрытию преступления). 2. Клинико-токсикологическое – связано с вопросами оказания лечебной помощи при острых и хронических отравлениях 3. Наркологическое – определение наркотических веществ 4. Экотоксикологическое – вопросы биомедицинской токсикологии (оценка безопасности лекарств и вспомогательных веществ), -профессиональной токсикологии (оценка риска работы с химическими веществами), -токсикологии окружающей среды (действие токсикантов, содержащихся в воде, воздухе и почве на биологические объекты). СТРУКТУРА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1. Экспериментальная токсикология изучает общие закономерности взаимодействия веществ и биологических систем (зависимости: "доза токсиканта эффект", "строение токсиканта - эффект", "условия взаимодействия - эффект"), механизмы формирования и течения токсического процесса; рассматривает проблемы токсикологии в эволюционном аспекте; разрабатывает методологию экстраполяции данных с животных на человека; обеспечивает решение практических задач, стоящих перед профилактической и клинической токсикологией. 2. Профилактическая токсикология изучает токсичность новых химических веществ; устанавливает критерии их вредности, обосновывает и разрабатывает ПДК токсикантов, нормативные и правовые акты, обеспечивающие сохранение жизни, здоровья, профессиональной работоспособности населения в условиях химических воздействий и осуществляет контроль за их соблюдением; СТРУКТУРА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 3. Клиническая токсикология - область практической медицины, связанная с оказанием помощи при острых токсических поражениях, выявлением и лечением патологии, обусловленной действием профессиональных вредностей и т.д. В рамках клинической токсикологии совершенствуются средства и методы диагностики и лечения острых интоксикаций, изучаются особенности течения профессиональных болезней, вызванных действием химических веществ на организм. С учетом условий (преимущественно особенностей профессиональной деятельности), в которых наиболее вероятно воздействие того или иного токсиканта на организм человека, в медицинской токсикологии иногда выделяют промышленную, сельскохозяйственную, коммунальную токсикологию, токсикологию специальных видов деятельности и т.д. Новым направлением современной токсикологии является экотоксикология. ИСТОЧНИКИ ОТРАВЛЕНИЙ Сточные воды промышленных предприятий, загрязняющие водоемы, вода которых употребляется населением. Применение ядохимикатов (пестицидов) для борьбы с вредителями с/х культур. Ядохимикаты, смываемые с поверхности растений дождевыми водами, поступают в почву, затем в водоемы и вызывают отравления. Фармацевтическая промышленность. Производства связанные с синтезом, производством и переработкой природных ресурсов. и др. ЗНАЧЕНИЕ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ Имеет большое значение в диагностике отравлений и в борьбе с преступностью (судебно-медицинская экспертиза) имеет профилактическую направленность. Заключения химиковтоксикологов являются основанием для постановки вопроса об изъятии этих веществ из употребления или об изменении условий хранения и порядка отпуска их населению результаты исследований воздуха и сточных вод промышленных предприятий необходимы для возбуждения ходатайства о необходимости строительства или реконструкции очистных сооружений. пользуясь методами токсикологической химии, устанавливают и контролируют ПДК ядовитых веществ в воздухе. ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Химико-токсикологический анализ (ХТА) – совокупность научно обоснованных методов, применяемых на практике для выделения, обнаружения и количественного определения токсических веществ. Особенности ХТА: 1. Многообразие и разнохарактерность объектов исследования: биологические жидкости (кровь, моча), рвотные массы, внутренние органы трупов людей, волосы, ногти, остатки пищевых продуктов и напитков, лекарственных средств, пестициды, препараты бытовой химии, посуда, предметы домашнего обихода, одежда, вода, почва и т.д. 2. Необходимость изолирования (извлечения) малых количеств (от мг до мкг) искомых химических веществ из сравнительно большого количества объекта исследования. ХИМИКО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 3. Работа со следовыми количествами вещества в смеси с сопутствующими (соэкстрактивными, балластными) веществами, извлекающимися при изолировании, и оказывающими часто негативное влияние на результаты анализа. Приходится удалять эти балластные вещества введением дополнительных методов очистки. 4. Установление присутствия ядовитого вещества в организме и возможность суждения о его количестве требует максимально чувствительных и специфичных методов анализа. 5. Правильная оценка результатов анализа – экспертное заключение. Эксперт имеет возможность говорить лишь об обнаружении или не обнаружении искомого вещества. 6. Трудности обнаружения и определения ядовитого вещества, особенно в органах трупа, обусловлены также поведением химического вещества в организме и трупе. 13 КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ Для Республики Казахстан становление и развитие токсикологической химии связано с Советским периодом деятельности МЗ СССР. Этому свидетельствуют документы, изданные Наркомздравом совместно с прокуратурой РСФСР (1934 г) «Правила судебно-медицинского и судебно-химического исследования вещественных доказательств»; принятое 1939 г. Советом Народных Комиссаров СССР постановление «О мерах укрепления и развития судебно-медицинской экспертизы»; утвержденная в 1952 г. Министерством здравоохранения СССР по согласованию с Прокуратурой СССР, Министерством юстиции и Министерством государственной безопасности СССР «Инструкция о производстве судебно-медицинской экспертизы в СССР»; Приказ изданное , министром здравоохранения СССР 1962 г «О мерах улучшения судебно-медицинской экспертизы в СССР» и др. 14 ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ 1500 г. до н.э. Древнеегипетский папирус содержит информацию о применении для отравления опиума и соединений металлов - свинца, меди, сурьмы. Диосцидор, служивший при дворе римского императора Нерона (37-68 гг.н.э.), первым попытался классифицировать яды, разделив их на животные, растительные и минеральные Эпоха Возрождения (14-16 вв) В период раннего Ренессанса, под видом благотворительных поставок для бедняков, Екатерина Медичи сама контролировала подготовку ядовитых смесей, скрупулезно фиксируя момент наступления токсического воздействия, эффективность комбинации токсикантов, ответ отдельных органов (специфичность воздействия), жалобы жертв (клиническую симптоматику). Маймонид (1135-1204 гг) создал трактат о лечении отравлений при укусе насекомыми, змеями и бешеными собаками (Яды и их противоядия, 1198 г.). Впервые была описана причина снижения биоактивности ядовитого вещества - снижение его абсорбции в кишечнике после приема пищи молока, масла. Парацельс (1493-1541) - врач-алхимик, успешно справился с описанием основополагающей в токсикологии зависимости «доза-ответ». Детальное изучение действия различных ядов позволило сделать вывод: все вещества яды; нет ни одного вещества, которое не проявляло бы токсичных свойств. Только правильно подобранная доза позволяет провести границу между лечебными и токсичными свойствами вещества. XVIII в. Петр I издает Воинский устав – судебномедицинская и судебно-химическая экспертиза приобретает законодательный характер. Исследования после вскрытия трупов проводятся только в С.-Петербурге и Москве. М.В.Ломоносов создает первую русскую химическую лабораторию. Развитие методов анализа химических веществ. Создание врачебных управ в губерниях с должностью фармацевта, в обязанности которого входит обнаружение ядов. ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ XIX в Российский ученый Нелюбин А.П. разрабатывает методы минерализации при определении металлических ядов, обнаружения мышьяка восстановлением его до летучего гидрида (арсина)/ Издал руководство «Общая и частная судебномедицинская и полицейская химия». Иовский А.А. издает «Руководство к распознанию ядов, противоядий и важнейшему определению первых как в организме, так и вне оного посредством химических средств, названных реактивами». Драгендорф Г. издал «Судебно-химическое открытие ядов», выделил судебную химию как самостоятельную дисциплину. Трапп Ю.К. выпускает работу «Наставление к судебно-химическому исследованию». Зинин Н.Н. опубликовал описание разработанных им методик определения недоброкачественности вин, примесей в китайском чае. Менделеев Д.И. выполнял химические экспертизы для судебно-следственных органов, был членом высшей судебноэкспертной комиссии России – Медицинского совета. XX в. В 1958 г. появляются законы, касающиеся тех химических соединений, канцерогенность которых доказана в испытаниях на лабораторных животных. Запрет на включение их в состав продовольственных товаров. Создание в СССР Государственного научноисследовательского института судебной медицины, на базе которого разработаны многочисленные методики (определение ртути в биоматериалах, изолирование алкалоидов экстракцией в кислые водные среды, определение производных фенотиазина и многие др.). Создание кафедр судебной химии в Петербурге (Петрограде), Перми, Харькове, Москве и других городах. Издание учебников: «Судебная химия» - А.В.Степанов (1951), М.Д. Швайкова (1959, 1965, 1975), «Токсикологическая химия» (1987) – В.Ф. Крамаренко (Украина). В настоящее время в мире выпускается более 120 журналов, публикующих материалы по токсикологии и смежным с ней дисциплинам. В России издаются 3 специализированных журнала: «Судебно-медицинская экспертиза» «Фармакология и токсикология» «Судебно-медицинская и экспертная практика». Организационная структура судебно-медицинской и судебно-химической экспертизы в РК Министерство юстиции РК Центр судебной медицины (ЦСМ) - организовывает и проводит судебно-медицинскую экспертизу и осуществляет научно-исследовательскую деятельность по вопросам судебной медицины. Филиалы ЦСМ Судебно-медицинская лаборатория Молекулярно-геномный отдел Судебно-гистологический отдел Судебно-биологический отдел Медико-криминалистический отдел Химико-токсикологический отдел Изъятие объектов для СХ исследования: 1. С целью обнаружения и количественного определения ядовитых веществ для СХА изымают и направляют различные внутренние органы, кровь, мочу с учетом природы яда и путей введения его в организм, распределения, путей и скорости выведения, длительности течения интоксикации и лечебных мероприятий. Направляются также рвотные массы, первые порции промывных вод, остатки лекарственных и химических веществ, пищи, напитков и другие объекты. 2. При подозрении на отравление ядовитым веществом направляют комплекс внутренних органов: желудок с содержимым, 1м тонкой кишки, 1/3 печени, 1 почку, всю мочу и не менее 200 мл крови. 3. При подозрении на введение яда через влагалище или матку дополнительно направляют отдельно матку и влагалище. 4. При подозрение на подкожное или внутримышечное введение – участок кожи или мышцы из области места введения. 5. При подозрении на ингаляционное введение – ¼ легкого, 1/3 головного мозга. 6. При обнаружении в содержимом желудка крупинок, кристаллов, таблеток они также направляются на исследование. В случае подозрения на отравление дополнительно направляют: 1. Кислотами, щелочами – глотку, трахеею и пищевод, участок кожи со следами действия яда. 2. Летучими органическими веществами (хлороформ, четыреххлористый углерод, дихлорметан, хлорорганические пестициды и другие алкилгалогениды) – сальник, 1/3 головного мозга. 3. Метиловым спиртом – 1/3 головного мозга. 4. Гликозидами - 1/3 печени с желчным пузырем. 5. Фосфорорганическими соединениями – обязательно кровь (для определения активности холинэстеразы). 6. Солями ртути – прямую кишку, волосы. 7. Хронические отравления соединениями свинца, талия – плоские кости. 8. Хронические отравления соедиениями мышьяка – волосы, ногти, плоские кости. 9. Тетраэтилсвинцом – мозг, легкие. 10. Окисью углерода – кровь, мышечную ткань. 11. Этанолом – кровь из крупных вен, мочу, при невозможности – около 500г мышечной ткани. 12. Метгемоглобинобразующими ядами (анилин, нитробензол, перманганат калия, формальдегид, хроматы, ацетальдегид) – кровь на метгемоглобин. 13. Грибами и ядовитыми растениями – непереваренные кусочки из содержимого желудка, рвотные массы, промывные воды. Правила производства судебно-химической экспертизы вещественных доказательств в СХО СМЛ Бюро СМЭ органов здравоохранения Задачи судебно-химической экспертизы: - определение токсикологически важных веществ для установления причины смерти; - идентификация лекарственных и наркотических веществ, которые могут повлиять на состояние человека; - качественный и количественный анализ наркотических веществ в биологическом материале и других образцах, имеющих значение для судебно-медицинской и судебно-следственной практики; - для получения аналитических результатов, последующая интерпретация которых может быть полезной для судебно-следственных органов, первостепенное значение придают правильному выбору, изъятию и направлению объектов для судебно-химической экспертизы. Основания для производства судебно-химической экспертизы: - судебно-химическую экспертизу вещественных доказательств проводят на основании постановления органов дознания и следствия, определению суда; - судебно-химические исследования внутренних органов, тканей, биологических жидкостей трупов людей могут производиться по письменным направлениям судебно-медицинских экспертов; -судебно-химическое исследование биологических жидкостей, выделений человека, смывов с поверхности кожи при подозрении на отравление или немедицинское потребление наркотических и других средств производят по направлениям врачей наркологических диспансеров и других медицинских учреждений. Вместе с вещественными доказательствами направляют документы: - постановление органов дознания или следствия о назначении экспертизы или определение суда, в котором излагаются обстоятельства дела, перечисляются предметы, направляемые на исследование и точно формулируются вопросы, требующие разрешения; - выписка из акта судебно-медицинского исследования трупа, содержащую предварительные сведения, основные данные исследования трупа и указания на цель исследования, подписанную судебно-медицинским экспертом; - заверенную медицинским учреждением копию карты стационарного больного, если пострадавший пользовался медицинской помощью; - при повторных экспертизах направляют заверенную копию «Акта (первичного) судебно-химического исследования» - одновременно с объектами исследования из наркологических диспансеров направляют акт изъятия образцов с указанием лиц, в присутствии которых брали объекты (понятые), подписей обследуемых лиц, а также лиц, направляющих объекты на исследование и производящих отбор проб. Обязанности и права лиц, допущенных к производству судебно-химической экспертизы: -судебно-химические экспертизы проводят лица, допущенные к занятию должности врача судебно-медицинского эксперта СХО, прошедшие специальную подготовку по токсикологической химии; -судебно-химические эксперты СХО должны повышать свой теоретический уровень и профессиональную квалификацию на курсах усовершенствования не реже одного раза в пять лет; Обязанности – эксперта: -прием вещественных доказательств и документов к ним; -контроль за регистрацией экспертиз; -производство судебно-химических экспертиз на современном уровне достижений науки и в установленные сроки; -ведение записей в рабочем журнале; -проведение консультативной работы в пределах своей компетенции с лицами, направившими объекты и ведущими расследование уголовных дел; -составление акта судебно-химического исследования; -обеспечение сохранности вещественных доказательств, объектов исследования и документов по экспертизе Прием и хранение объектов исследования (вещественных доказательств) и сопроводительных документов 1. Объекты исследования (вещественные доказательства) поступают через канцелярию Бюро или непосредственно в СХО согласно правил направления трупного материала на СХЭ: - объекты регистрируются вместе с сопроводительными документами к ним в регистрационном журнале СХО (журнал должен быть пронумерован, прошнурован, опечатан и подписан заведующим СХО; - объекты подвергаются подробному осмотру и описанию, отмечая характер упаковки, надписей, печати, проверяя соответствие данным, указанным в направлении (постановлении). 2.Вещественные доказательства до начала судебно-химической экспертизы, в процессе проведения анализа и до его окончания хранят в условиях, обеспечивающих сохранность: - не подвергающиеся гниению – в закрытом опечатанном металлическом шкафу; - подвергающиеся гниению (внутренние органы, биожидкости) – в герметически закрывающейся посуде в холодильнике, который опечатывают по окончании работы. 3. По окончании экспертизы: - не подвергающиеся гниению объекты возвращают вместе с заключением приславшему учреждению; - подвергающиеся гниению оставляют на хранение в СХО в течении 1 г по окончанию экспертизы, после чего уничтожают согласно «Правил хранения и уничтожения…» (объекты, поступившие для исследования только на наличие этанола, уничтожаются через 1 месяц после окончания анализа) - сопроводительные документы хранят в архиве вместе с копией «акта судебно-химического исследования». Порядок проведения судебно-химической экспертизы. Основные правила судебно-химического анализа (СХА) 1. СХЭ должна быть начата в день поступления объектов на анализ. Если это невозможно, то объекты хранят в холодильнике. 2. Приступая к СХА, эксперт тщательно осматривает объекты и описывает в рабочем журнале, устанавливая полное соответствие полученных объектов с их описанием в сопроводительном документе. 3. Эксперт тщательно изучает все сопроводительные документы и составляет план исследования. 4. Для проведения СХА расходуют 2/3 присланных объектов, 1/3 остается в архиве для повторного анализа в случае необходимости. Однако при ограниченном количестве расходуют весь объект по согласованию с приславшей организацией. 5. Исследование в зависимости от поставленных вопросов может быть проведено на определенное соединение, группу веществ или на неизвестное вещество по схеме общего СХА (скрининг-анализа). 6. Для исследования всегда нужно применять только те методы и процедуры, с которыми эксперт ранее ознакомился, владеет ими, знает все условия, сможет учесть все ошибки, которые могут возникать. Все методики должны быть заранее апробированы. Основной задачей СХА является выбор оптимального метола изолирования. Для качественного обнаружения используют предварительные и подтверждающие методы, с учетом чувствительности и специфичности их. 7. Каждое судебно-химическое исследование следует проводить как количественное, в которое оно может превратиться на любой стадии работы. 8. Количественное определение производят во всех случаях, где это возможно и имеются соответствующие методики определения. Количество найденных веществ относится к 100 г навески объекта и выражается в весовых единицах. 9. Все методы количественного определения должны быть апробированы на той биологической матрице, которая будет использоваться для анализа (кровь, моча, ткани органов) по схеме модельных опытов. 10. Следует убедиться в химической чистоте используемых для анализа реактивов, при этом на чистоту реактивы проверяют в тех максимальных количествах, в которых они будут использоваться для анализа и теми же методами и реакциями, которые будут применены в ходе СХА. 11. Для обеспечения высокого качества производства экспертизы рекомендуется проводить внутрилабораторный и внешний контроль качества, ориентированный как на метод, так и на определяемое вещество. Судебно-химическое отделение должно быть лицензировано. Документация при производстве судебно-химической экспертизы Документация оформляется в соответствии с уголовно-процессуальным законодательством и приказом МЗ РК. Каждый эксперт имеет рабочий журнал, куда вносит все данные по производимому исследованию. По каждой завершенной экспертизе оформляется «Акт судебно-химического исследования» («Заключение эксперта»). Акт составляется в двух экземплярах: один направляется лицу, назначавшему экспертизу, второй храниться в архиве СХО. Акт должен иметь подпись эксперта, печать, и дату окончания оформления. Акт составляется лично экспертом, проводившим исследование, от своего имени по определенной форме. Акт состоит из основных разделов: вводной части, описания объектов исследования, исследовательской части (химическое исследование) и заключения (выводов). В водной части указывают: на основании каких документов проводили экспертизу, отделение, в котором проводили исследование, должность, ФИО эксперта, стаж работы, категорию, перечисляют полученные объекты, указывают ФИО погибшего (пострадавшего), отмечают дату начала и окончания исследования, перечисляют вопросы, подлежащие решению. Затем излагают обстоятельства дела, приводят сведения из полученных документов. Акт должен меть подпись эксперта, печать, дату оформления. Для обеспечения конфиденциальности в СХО должны применяться предосторожности (выдача информации и документации только уполномоченному лицу). Классификация отравлений По причине возникновения отравления делятся на случайные и преднамеренные Токсикокинетика чужеродных соединений. Общие закономерности распределения веществ в организме Токсикокинетика – раздел биохимической токсикологии, в рамках которого изучаются закономерности, а также качественные и количественные характеристики резорбции, распределения, биотрансформации ксенобиотиков в организме и их элиминации. Важнейшие характеристики веществ, влияющие на его токсикокинетические параметры: - коэффициент распределения в системе масло/вода; - размер молекулы; - константа диссоциации; - химические свойства. Свойства организма, влияющие на токсикокинетику ксенобиотиков: Свойства компартментов: - соотношение воды и жира в клетках, тканях и органах; - наличие молекул, активно связывающих токсикант. Свойства биологических барьеров: - толщина; - наличие и размеры пор; - наличие или отсутствие механизмов активного или облегченного транспорта химических веществ. Транспорт токсичных веществ через клеточные мембраны Пассивный Закон Фика: dn C DS dt x Специальный D, (м2/с) – коэффициент диффузии ксенобиотика; S, (м2 ) – площадь поверхности мембраны; C (моль/м3*м) – градиент концентрации ксенобиотика x по обе стороны мембраны; x, (м)– толщина мембраны. Пути поступления, абсорбции, распределения и выведения токсикантов. Поступление Трансдермальное На распределение органических веществ влияют следующие факторы: 1. Индекс липорастворимости 2. Способность проникать через клеточные мембраны. 3. Сродство к макромолекулярным структурам и белкам. Распределение неорганических веществ связанно с физико-химическим взаимодействием с биологическими структурами тканей. Барьеры при распределении ксенобиотиков. Гематоэнцефалический 1. Эндотелиальные клетки ЦНС тесно примыкают друг другу; 2. Клетки содержат АТФ-зависимый белок переносчик; 3. Эндотелий капиляров ЦНС покрыт снаружи глиальными клетками, липидные мембраны которых играют роль дополнительной защиты; 4. Концентрация белка в межтканевой жидкости ЦНС намного меньше, чем в других клетках организма. Плацентарный 1. Активная транспортная система 2. Биотрансформационные ферменты Выделение ксенобиотиков из организма Экскреция – это удаление (выведение) ксенобиотиков во внешнюю среду. Элиминация – полное выведение токсиканта из организма, включающее биотрансформацию и экскрецию. 1. Почечная экскреция. 2. Кишечная экскреция. 3. Легочная экскреция. 4. Другие способы элиминации: - Молочные железы Потовые железы Слюнные железы Классическая токсикокинетика Токсиканты движутся между камерами Камера – ограниченный в пространстве объем жидкости или ткани с одинаковой концентрацией токсиканта во всех точках ее пространства (кровь, лимфа, межтканевая жидкость). Однокамерная токсикокинетическая модель Токсикант сразу (одномоментно) попадает в кровь ka 1 kэл Скорость элиминации. Константа скорости элиминации. Время полуэлиминации tgα=- kэл α dC k эл С dt t k эл C C e t 0 ln C 0 k эл t C t 1/ 2 t ln 2 k эл C0 - исходная концентрация вещества; Ct - концентрация вещества в момент времени t; t - время после введения вещества; kэл - константа скорости процесса элиминации(мин-1); 0.693 k эл Двухкамерная токсикокинетическая модель Распределение вещества между центральной и периферической камерами ka k12 1 2 k21 kэл С = Ае-t+Be-βt А и В – коэффициенты пропорциональности и β –константы скорости элиминации первого порядка γ tgγ=-β Объем распределения ( Vd ) Постоянная величина, связывающая общее количество ксенобиотика в организме с концентрацией его в плазме крови D V AU C В/В d DВ/В –внутренняя доза или известное количество ксенобиотика в организме в начальный момент времени 0 β – константа скорости элиминации AUC∞0 – площадь под токсокинетической кривой л или л/кг β AUC∞0- концентрация ксенобиотика в плазме крови. D V C С – концентрация ксенобиотика в плазме крови в начальный момент времени Для однокамерной модели: В/В d 0 0 Клиренс (CL) скорость очищения крови или других сред и тканей организма от ксенобиотика в процессе его химических превращений, перераспределения в организме и/или выведения из организма. Клиренс определяется как условный объем плазмы крови (мл), который полностью освобождается от находящегося в ней ксенобиотика в единицу времени. Клиренс 100 мл/мин означает, что 100 мл крови, содержащий ксенобиотик, полностью очищается от него в течении 1 мин. CL D AU C Для однокамерной модели: CL= Vdkэл Для двухкамерной модели: CL= Vdβ В/ В 0 CLобщ= CLп + CLпеч+ CLкиш + CLлег… t1/2 = ln2 Vd/CL Биодоступность (F) степень абсорбции (всасывания) ксенобиотика в кровь при внесосудистом введении относительно внутреннего введения. F изменяется от 0 до 1 AU C вн Dв / в F AU C в / в D вн AUCвн и AUCв/в , Dвн DВ/В – площади под токсокинетической кривой и дозы при внесосудистом и внутривенном поступлении ксенобиотика. Физиологическая токсикокинетика учитывает анатомно-физиологические особенности органов и тканей у различных биологических видов (объем, масса органа, кровоток через органы, связывание с белками, интенсивность и характер метаболизма в органах и т.д.) Организм – набор уравнений массопереноса между отдельными органами и тканями. Камера – специфически-функциональная или анатомическая часть органа, включающая отдельный кровеносный сосуд с окружающей его тканью. Камера в физиологической токсикокинетической модели. Параметры системы для создания физиологических моделей: 1. Анатомические параметры используют для физического описания камер (объем камеры, мл или л); 2. Физиологические параметры включают скорость кровотока, интенсивность газообмена и скорость выведения (мл/мин, л/ч); 3. Термодинамические параметры связывают общую концентрацию ксенобиотика в тканях с концентрацией свободного ксенобиотика; 4. Транспортный параметр включает пассивную диффузию, активный транспорт с использованием переносчиков, облегченную диффузию или комбинацию этих процессов. Камера с перфузионными ограничениями (ограниченным кровотоком) Скорость захвата ксенобиотика тканью ограничена скоростью, с которой кровь, содержащая ксенобиотик, поступает в ткань. Модели с диффузионным контролем Поступление в камеру ограничено проницаемостью клеточной мембраны и общей поверхностью мембраны (модель с ограниченной диффузией) Биотрансформация — метаболическое превращение эндогенных и экзогенных химических веществ в более полярные (гидрофильные) соединения. Фазы биотрансформации Реакции 1-й фазы -гидролиз, -восстановление, -окисление. Реакции 2-й фазы (реакции синтеза) -глюкуронирование, -сульфатирование, -ацетилирование, -метилирование, -конъюгация (соединение) с: а) глутатионом (синтез меркаптуровой кислоты) б) аминокислотами (глицином, таурином и глутаминовой кислотой). Основные пути биотрансформации чужеродных соединений. 1. Окисление: а) микросомальное – алифатичекое или ароматическое гидроксилирование, – эпоксидирование, – N-гидроксилирование, – N, S-окисление, – дезалкилирование, – дезаминирование, – десульфирование; б) немикросомальное – окислительное дезаминирование, – окисление спиртов, альдегидов, – ароматизация алициклических соединений. 2. Восстановление: а) восстановление нитросоединений, азотсоединений микросомальными ферментами; б) микросомальное восстановительное галогенирование; в) немикросоальное восстановление. 3. Гидролиз с участием микросомальных и немикросомальных ферментов. 4. Синтез (реакции коньюгирования): а) образование коньюгатов с глюкуроновой кислотой; б) образование сложных эфиров с серной и фосфорной кислотами; в) метилирование; г) ацетилирование; д) пептидная коньюгация. Биотрансформация ксенобиотиков осуществляется преимущественно в печени Ферменты биотрансформации ксенобиотиков присутствуют в основном в микросомах и в цитозоле и незначительная часть – в митохондриях, ядре и лизосомах Ферментативные реакции 1-й фазы биотрансформации ксенобиотиков l фаза метаболизма - этап биотрансформации, в ходе которого к молекуле соединения либо присоединяются полярные функциональные группы, либо осуществляется экспрессия таких групп, находящихся в субстрате в скрытой форме 1. Гидролиз при биотрансформации R C O X H2O, E R C O + OH HX X = OR‘, SR‘, Cl, NR‘2 карбоксилэстераза, ацетилхолинэстераза псевдохолинэстераза эфиры карбоновых кислот, амидов и тиоэфиров параоксаназа эфиры фосфорной кислоты пептидазы эпоксидная гидролаза амидная связь между аминокислотами в пептидах, рекомбинантных пептидных гормонах, факторах роста, цитокинах, растворимых рецепторов и моноклональных антител. присоединение воды к эпоксидам алкенов и оксидам аренов 2. Восстановление при биотрансформации Некоторые металлы альдегиды, кетоны, дисульфиды, сульфоксиды, хиноны, алкены, азо- и нитросоединеня Коферменты — никотинамидадениндинуклеотид (НАД+/НАДН, НАДФ+/НАДФН) флавинадениндинуклеотид (ФАД/ФАДН2). Восстановление азо- и нитросоединений - цитохром Р450 НАДФН-хинон оксидоредуктазы R C6H4 N N C6H4 C6H5 R1 NO2 H, E R C6H4 NH2 H, E C6H5 NH2 реакция ингибируются кислородом + H2N C6H4 R1 Восстановление карбонильных соединений алкогольдегидрогеназа группа ферментов — карбонильные редуктазы O H, E R CH2 R C H O H, E R C R1 OH R C R1 Восстановление дисульфидов - RS SR OH H, E глутатионредуктаза, глутатион - S-трансфераза неферментативно 2 RSH Восстановление сульфоксидов - цитохром Р450 и НАДФН O H, E R S R1 R S R1 Восстановление хинонов НАДФН-хиноноксидоредуктаза, флавопротеины цитозоля в отсутствие кислорода +2e, +2H+ O O HO OH микросомальная НАДФН-цитохром Р450 редуктазой eO O O O Дегалогенирование: окислительное дегалогенирование CHCl3→ ClCOCl +HCl ХЛОРОФОРМ ФОСГЕН двойное дегалогенирование C C C C + X2 C C + HX X X дегидрогалогенирование C C H X 3. Окисление при биотрансформации Алкогольдегидрогеназа (АДГ) — цитозольный фермент Класс I АДГ-изоферментов (-АДГ, β- АДГ и γ - АДГ) – окисление этанола и других алифатических спиртов небольших размеров. Класс II АДГ (π-АДГ) (в печени) - окисление более крупных алифатических и ароматических спиртов. Класса III АДГ (χ-АДГ) - длинноцепочечные алифатические спирты (начиная от пентанола) и ароматические спирты. Класс IV АДГ (σ- или μ-АДГ) — окислении ретинола. Альдегид-дегидрогеназа (АЛДГ) - окислении альдегидов до карбоновых кислот (кофактор НАД+). Дигидродиолдегидрогеназа - окисление полициклических ароматических углеводородов. Молибденовые гидроксилазы – альдегидоксидаза и ксантиндегидрогеназа / ксантиноксидаза, сульфитоксидаза - окисляет токсичный сульфит до относительно безопасного сульфата. Ксантиндегидрогеназа (XD) и ксантиноксидаза (ХО) — участвуют в процессах связанных с оксидативным стрессом, пероксидном окислении липидов. Альдегидоксидаза - пероксидное окисление липидов, катаболизм биогенных аминов и катехоламинов. Моноаминоксидаза - окислительное дезаминировании первичных, вторичных и третичных аминов, включая серотонин. RCH2NH2 RCH NH H2O O + R C NH3 H Пероксидаза-зависимое окисление превращение ксенобиотиков в токсичные метаболиты прямой перенос пероксидного кислорода к ксенобиотику Тох → ТохО амины или фенолы окисляются пероксидом водорода в присутствии пероксидаз с образованием свободных радикалов Флавинмонооксигеназа - окисляет нуклеофильный азот, серу и фосфор в молекулах ксенобиотиков Цитохром Р450 катализирует реакции окисления: -гидроксилирование алифатических и ароматических углеводородов; -эпоксидирование двойной связи; -окисление гетероатомов (О-, S-, N-, Si-) -N-гидроксилирование; -деалкилирование гетероатомов (О-, S-, N-, Si-), -окислительный перенос группы; -разрыв сложноэфирной связи; -дегидрирование. RH + O2 + +H + НАДФН ROH + H2O + НАДФ Рисунок. Упрощенная схема превращения субстрата при участии Р-450 Эпоксидирование и гидроксилирование ароматических соединений Эпоксидирование алифатических и алициклических соединений N-окисление. Окисление тиоэфиров. Оксилительное деалкилирование Ферментативные реакции 2-й фазы биотрансформации Фаза ll метаболизма - этап биологической конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными молекулами, такими как глутатион, глюкуроновая кислота, сульфат и т.д. Глюкуронирование, сульфатирование, ацетилирование и метилирование протекают с участием высокоэнергетических косубстратов. Конъюгация (соединение) с аминокислотами или глутатионом проходит с участием активированных молекул ксенобиотиков. Большинство ферментов 2-й фазы биотрансформации локализованы в цитозоле. O 1. Глюкуронирование O C COOH O HN O O O OH O HO OH O P O P O HO OH O O O N CH2 O OH OH OH HO ‘ Уридин-5 -дифосфо--D-глюкуроновая кислота глюкуроновая кислота Фермент- УДФ-глюкуронозилтрансфераза 2. Сульфатирование Фермент - сульфотрансфераза H2N N N O N O O S O P O CH2 O O N O O OH PO23 3‘-фосфоаденозин-5‘-фосфосульфат NH2 + NHSO3H ФАФС + ФАФ 3. Метилирование H2N N N CH3 OOC H2N CH CH2 CH2 S CH2 + ROH N N + SAM ROCH3 O HO OH S-аденозилметионин 4. Ацетилирование H2 N N N O HN C CH2 CH3 O CH C CH2 O P OH CH3 O N O O P O CH2 O O RNH2 +АЦКоА CH2 C HN O O O CH2 CH2 S C CH3 Ацетил коэнзим А N PO3 H OH - RNH-АЦ + КоА 5. Конъюгация с аминокислотами H2N CH2 COO - H2N CH2 CH2 SO3 - OOC CH CH2 CH2 C H2 N глицин таурин NH2 O глутамин 6. Конъюгация с глутатионом COO - O O CH CH2 CH2 C NH C NH CH2 COO CH NH2 CH2 SH глутатион BrCH2CH2Br+ GSH GST BrCH2CH2SG -Br + GS CH2 CH2 Факторы, влияющие на метаболизм чужеродных соединений. 1. Генетические факторы и внутривидовые различия (возможны генетические дефекты ферментов, их изучением занимается фармакогенетика). 2. Физиологические: -возраст и развитие ферментных систем; -половые различия; -гормональный фон; -беременность; -питание; -патологические состояния, заболевания; -длительное применение лекарств. 3. Факторы окружающей среды: -стресс; -ионизирующая радиация; -стимулирование метаболизма чужеродными соединениями; -ингибирование метаболизма чужеродными соединениями. Вторичный метаболизм - посмертные метаболические процессы
