Переводчик Мария Кульнева
Научный редактор Елена Ванисова
Редактор Антон Никольский
Руководитель проекта О. Равданис
Корректор И. Астапкина
Компьютерная верстка М. Поташкин
Дизайн обложки Ю. Буга
Иллюстрация на обложке shutterstock.com
© Alan Kolok, 2016
Published by arrangement with Island Press
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина Паблишер», 2017
Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).
* * *
Предисловие
Токсикология – междисциплинарная область исследований. Другие предметы, например анатомию, можно изучать более или менее как самостоятельную дисциплину, не привлекая большого количества сведений из других научных сфер. Студентам можно рассказывать о строении и расположении костей, мышц или внутренних органов, не упоминая, к примеру, о химическом составе скелета или биомеханических основах мышечной активности. Токсикология же изучает вредное воздействие различных химических веществ на живые организмы, поэтому ее нельзя причислить исключительно к сфере биологии или химии. Она скорее представляет собой пересечение этих двух дисциплин.
Кроме того, токсикология – прикладная наука, отражающая изменения в окружающей среде и потребностях общества. С начала своего формирования, то есть уже более 500 лет, токсикология неразрывно связана с медициной. Врачи, сталкивавшиеся с ужасными последствиями отравлений, пытались понять механизмы действия яда на человека, в результате чего были сформулированы два общих принципа: воздействие яда зависит от дозы, и природа химических веществ раскрывается в их структуре. На ранних этапах развития токсикологии происходил постоянный обмен идеями с ее более милосердной сестрой – фармакологией, изучавшей полезное действие лекарственных веществ на организм. Действительно, эти две дисциплины очень прочно переплетены друг с другом; терапевтический эффект многих лекарств может обратиться во вред, если превысить дозировку или время воздействия.
Несмотря на историческую связь токсикологии с медициной, меняющаяся природа взаимодействий человеческого общества с химикатами изменила и контекст понятия токсичности. В старину воздействие ядов на людей было, как правило, индивидуальным. Контакт с ядовитым плющом, поедание несъедобных грибов или укус змеи могли привести к тяжелым последствиям или даже смерти; однако это происходило с отдельными людьми в отдельные моменты времени. Даже ранние исторические опыты в области металлургии и иных отраслей промышленности могли повлиять лишь на ограниченное число людей, работавших на небольших и относительно изолированных производствах. На протяжении долгих веков воздействие ядов было скорее личной проблемой, нежели общественной.
Все изменилось с наступлением индустриальной революции. С развитием тяжелой промышленности, в частности металлургии, и увеличением добычи полезных ископаемых началось масштабное загрязнение почв, воды и воздуха. Теперь воздействию вредных химических веществ подвергались уже не отдельные люди, а целые сообщества. Токсикология объединилась с эпидемиологией – разделом медицины, изучающим возникновение и распространение болезней в определенных человеческих популяциях. Начались исследования, призванные оценить опасность различных загрязняющих веществ для человеческого общества.
Химическая революция, более поздний отпрыск революции промышленной, породила огромное разнообразие химических веществ, попадающих в окружающую среду, и еще более изменила лицо современной токсикологии. Изначально воздействующие на человека химикаты имели природное происхождение или являлись относительно простыми видоизменениями существовавших в природе соединений, получавшимися, к примеру, при обогащении руд или сжигании древесного или ископаемого топлива. Начавшееся в начале XX в. развитие промышленного органического синтеза обогатило мир токсикологии новыми группами веществ, которые, как оказалось, ведут себя совершенно иначе, чем природные соединения. Вместо того чтобы быстро разлагаться в естественной среде, они сохраняются неизменными – в некоторых случаях на протяжении многих десятков лет. Более того, эти вещества стали обнаруживать в тканях различных животных в самых неожиданных местах.
С ростом объема и разнообразия загрязняющих веществ стала меняться и сама природа токсической реакции. Когда-то подавляющее большинство эффектов, которые оказывали на человека яды, – к примеру, при укусе змеи или пчелы, – были острыми и быстротечными, однако в современную эпоху существует все больше примеров воздействия долговременного и проявляющегося далеко не сразу. Такие загрязнители, наряду с лекарствами и средствами личной гигиены, стали действовать как непредусмотренные сигналы для клеток организма, нарушая их взаимодействие. Это приводит к таким неприятным последствиям, как канцерогенез, репродуктивная дисфункция, нарушения внутриутробного развития. Хуже всего то, что эти последствия проявляются спустя продолжительное время после того, как химический сигнал исчезает, – иногда даже у детей или внуков человека, подвергшегося воздействию яда. Когда ущерб становится очевидным, химического «взломщика» уже и след простыл.
Тройная угроза современных ядов – их глобальное распространение, огромное разнообразие и длительное неявное воздействие с отсроченными последствиями – сильно усложняет ситуацию в сфере токсикологических исследований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что природа объектов исследований современной токсикологии не всегда ясна не только неспециалистам или студентам, но и серьезным ученым. Зачастую возникает неверное понимание метаболического пути, транспорта, абсорбции, выделения и биологической активности токсичных веществ.
Сложность понимания токсикологии, в силу описанных выше причин, стала поводом к написанию этой книги. Моя цель – внести немного ясности в существующий хаос и представить современные достижения в этой сфере таким образом, чтобы они были понятны непрофессионалу. Вероятно, кому-то материал книги покажется чересчур упрощенным, однако я не стремился создать исчерпывающий учебник по токсичным веществам, а всего лишь хотел познакомить широкий круг читателей с некоторыми тонкостями и нюансами современной токсикологии.
Благодарности
Эта книга посвящается трем группам людей. Первая – мои коллеги, которые помогали в создании книги: Шеннон Бартелт-Хант, Шерри Чирек, Стивен Ресс, Кристин Кутукэш, Пол Дэвис, Элинор Роган, Филип Смит, Джереми Уайт и Хейко Шенфусс. Спасибо вам за редакторскую помощь и комментарии. Вторая – мой брат, сестра и мать, которые вежливо интересовались у меня, когда же книга будет окончена? Да, дорогая моя семья, после долгих лет этот момент наступил. И наконец, спасибо за терпение моим жене и сыну, Венди и Джареду. Они лучше других знают, что я имею в виду.
Глава 1
Все зависит от дозы
Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным.
Парацельс
Когда я учился в начальной школе, наши разговоры на игровой площадке нередко приобретали фаталистический характер. Быть может, это объяснялось эпохой холодной войны, но я хорошо помню, как мы с товарищами болтали о химии и смерти: «Если слишком глубоко дышать, можно умереть!», «Если выпить очень много воды, то умрешь!»
Сегодня людей волнует в основном не летальное количество этих относительно безобидных субстанций, а содержание в нашей пище, воде и воздухе вредных загрязняющих веществ. Однако, несмотря на недостаток образования, я и мои сверстники были не так уж далеки от истины. Мы тогда ничего не знали о токсинах, но по сути повторяли мысли Парацельса, врача XVI в. Его недаром считают отцом токсикологии, потому что именно Парацельс сформулировал первый и главный догмат этой науки – идею о том, что ядовитость вещества зависит от дозировки: «Все есть яд и ничто не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным». Иными словами, даже такое вроде бы совершенно безвредное вещество, как вода, будучи употреблено в избыточном количестве, может оказаться не менее опасным, чем всем известные яды, например мышьяк.
Революционная идея Парацельса отражает связь дозы с реакцией: в большинстве случаев чем выше доза, тем сильнее негативная (токсическая) реакция. Эта очевидная концепция создала тематическую платформу, на которой строится современная регуляторная токсикология. К тому же упомянутая связь куда интереснее, чем кажется на первый взгляд, так как и в дозировке, и в реакциях существует множество нюансов.
Когда химическое вещество, токсичное или безвредное, контактирует с организмом, оно оказывает на него определенное воздействие. Дозой воздействия, или экспозиционной дозой, называется количество вещества, которое подействовало на организм. Это количество можно измерить различными прямыми или косвенными методами. Для стандартных химикатов, которые человек принимает намеренно (например, лекарств), существует прямой путь воздействия – чаще всего оральный или инъекционный. Для такого типа воздействия доза обычно определяется через массу (в граммах или миллиграммах) вещества, назначаемого для приема. Например, обычная таблетка аспирина, одного из самых распространенных лекарственных средств, содержит 325 мг активного ингредиента – ацетилсалициловой кислоты. В этой таблетке также содержится ряд инертных химических веществ (наполнителей), но дозировка определяется именно количеством активного ингредиента. Точно так же выражается дозировка и для инъекционных препаратов. Например, эпинефриновый инъектор, широко используемый людьми, страдающими от различных пищевых аллергий, позволяет ввести дозу в 0,3 мг эпинефрина, несмотря на то что в растворе содержатся и другие вещества.
В приведенных примерах путь воздействия прямой и доза легко определяема, но что делать в тех случаях, когда воздействие оказывается непрямым и непреднамеренным? Это может происходить, если человек, к примеру, съел рыбу, которая прокачивала через свои жабры загрязненную воду, или же он является пассивным курильщиком. В таких случаях количество потребленного вещества сложно точно измерить. Поэтому проще определить не экспозиционную дозу, а концентрацию вещества в среде (в воде, которая проходит через жабры рыбы, или в воздухе, которым дышит животное или человек).
Вне зависимости от прямого или косвенного источника воздействия реакция животного (в том числе человека) на воздействие химического вещества может быть дискретной или непрерывной. Гибель организма – крайний случай дискретной реакции, в котором возможны лишь два состояния: жизнь или смерть. Как бы ни был печален факт смерти, она дает токсикологам очень ценный исследовательский материал. В других же случаях возможно весьма существенное разнообразие реакций на воздействие токсина. В качестве классического примера непрерывной реакции можно привести нарушения в когнитивной сфере в результате воздействия на мозг алкоголя. Реакция на алкоголь не происходит по типу «все или ничего»; она усиливается с увеличением дозы. То же самое можно сказать и о других типах нарушений, вызванных токсинами, например экспрессии генов или активности белков.
Что интересно, ни способ получения дозы воздействия – прямой или косвенный, – ни метод измерения реакции – дискретной или непрерывной, – не влияет на общий принцип связи между дозировкой и реакцией. В подавляющем большинстве случаев форма кривой этого взаимодействия остается неизменной вне зависимости от того, как представлены данные о дозе и реакции.
Количественная оценка зависимости реакции от дозы
Зависимость реакции от дозы – очень полезный показатель, часто используемый регуляторными организациями. Стандартный подход к тестированию новых веществ или веществ, используемых в новом качестве, начинается именно с выяснения этого соотношения. Обычно на первой стадии определения токсичности проводится оценка способности вещества давать дискретный результат – а именно смерть – в популяции лабораторных животных, к примеру мышей.
Кривая зависимости реакции от дозы на самом деле описывает не смерть, а смертность. Смерть – это реакция отдельного организма, и здесь очевидно, что организм может находиться лишь в одном из двух состояний: он может быть либо жив, либо мертв. Смертность же – реакция популяции организмов. Уровень смертности – показатель, отражающий, какая часть популяции гибнет в результате воздействия токсина. В качестве графической иллюстрации смертности в группе животных, подвергшихся воздействию одинаковых доз токсичного вещества, мы используем дискретную кривую зависимости. В одной крайней точке токсикологической кривой все животные, подвергшиеся воздействию малых доз, выживают (уровень смертности равен нулю), а в противоположной – все животные, подвергшиеся воздействию высоких доз, гибнут (уровень смертности 100 %).
Между этими крайностями полной выживаемости и полной смертности зависимость реакции от дозы становится более интересной. В подавляющем большинстве случаев она описывается характерной S-образной, или сигмоидальной, кривой. При низких дозировках токсичного вещества постепенное повышение его концентрации не приводит к сильному увеличению смертности. При средних дозировках смертность начинает резко возрастать с повышением концентрации, а при высоких дозах разница в уровне смертности при увеличении дозы снова становится минимальной.
Важный параметр, который помогает прояснить зависимость – это точка перегиба кривой. В нижней части кривой повышение дозировки ведет не только к увеличению общего числа умерших животных, но и к увеличению количества животных, умерших с каждой новой дозой. Иными словами, угол наклона кривой при переходе от одной концентрации вещества к следующей продолжает увеличиваться, пока не достигнет максимума в точке перегиба. Дальнейшее повышение дозы действующего вещества продолжает приводить к усилению биологического ответа, но скорость, с которой ответ растет, начинает уменьшаться с каждым последующим повышением дозы. Точка перегиба всегда находится в средней части кривой, там, где при тесте на летальную токсичность наблюдается 50 %-ная смертность, и, как мы увидим далее, эта точка имеет большое значение при токсикологическом тестировании веществ.
Переход от экспериментальных данных к применимой на практике зависимости реакции от дозы (которая позволяла бы количественно определить интересующие точки на кривой) оказывается сложнее, чем кажется на первый взгляд. Для того чтобы заполнить пробелы между относительно немногочисленными экспериментально определенными точками и получить непрерывную кривую, необходимо найти математическое уравнение, описывающее эту зависимость. Когда такое уравнение найдено, с его помощью можно определить значения для любой точки кривой, а не только для тех, где имеются экспериментальные данные.
На практике, для того чтобы выявить зависимость реакции от дозы того или иного химического вещества, нужно преодолеть существенные трудности, связанные с методикой экспериментов. Например, если токсичное вещество является новым и ранее никогда не подвергалось тестированию, то исследователь вынужден «стрелять вслепую» и экспериментально устанавливать зависимость в очень широком диапазоне концентраций. Часто этот диапазон широк настолько, что ось х на координатной сетке выглядит не линейной (то есть 1, 2, 3 и т. д.), а скорее логарифмической (то есть 1, 10, 100 и т. д.). В этом случае весьма вероятно, что в процессе эксперимента в одной или более группах животных уровень смертности будет нулевым из-за слишком малых концентраций, а одна или более экспериментальных дозировок приведут к 100 %-ной смертности. Важно, что эти дозировки не помогут выстроить кривую зависимости. После исключения их из анализа количество оставшихся точек, которые можно использовать для построения S-образной кривой, может оказаться слишком маленьким, и достоверность результатов тем самым серьезно снизится.
К счастью, существуют математические методы, которые позволяют обойти ряд сложностей. Пробит-анализ, к примеру, позволяет производить такие математические преобразования, в результате которых можно превратить сигмоидальную кривую в прямую линию. Как известно всем, кто изучал евклидову геометрию, кратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая, и наоборот, любую прямую можно построить по двум точкам. Поэтому с помощью пробит-анализа можно точно оценить всю кривую зависимости реакции от дозы, имея данные всего лишь в двух точках, лежащих где-то между нулевой и 100 %-ной смертностью. Более того, если зависимость описывается линейным уравнением (y = угол наклона × x + свободный член), можно легко определить значение любой точки, подставив несколько цифр в это простое уравнение.
Танцы вдоль кривой
Прелесть линейной зависимости реакции от дозы заключается в том, что она дает много предварительной информации о взаимодействии животного с химическим веществом. Например, угол наклона прямой сообщает нам об эффективности токсичного вещества, то есть его способности вызывать биологическую реакцию. С увеличением угла наклона эффективность также растет. Более того, если эффективности двух веществ оказываются сходными, то на основании зависимости реакции от дозы можно определить некоторые полезные точки, дающие при сокращении одно число, с помощью которого можно проводить сравнение токсичности различных веществ.
А теперь вернемся к точке перегиба. Эта точка в токсикологии и фармакологии известна как ЛД50, доза, при воздействии которой гибнет 50 % популяции животных. Эту точку можно определить и в тех случаях, когда животные подвергаются косвенному воздействию вещества (при содержании токсичного компонента в воздухе для животных, дышащих легкими, или в воде, для тех, кто дышит жабрами), но тогда она обозначается, как ЛК50 (концентрация вещества в среде, при которой 50 % организмов погибают). Эти точки перегиба дают ученым практический числовой индекс, с помощью которого можно сравнивать токсичность различных веществ.
Вторая точка, которую можно выявить из зависимости реакции от дозы, – это пороговая концентрация. Пороговая концентрация – та, при которой вероятность негативного воздействия (например, один случай заболевания на миллион человек) достаточна низка и считается допустимой. Интересно то, что, хотя пороговую дозу легко определить по зависимости реакции от дозы при условии наличия соглашения о приемлемом уровне негативного воздействия, допустимая вероятность этого негативного воздействия устанавливается не наукой, а на общественно-политическом уровне. Этот вопрос мы обсудим подробнее в главе 14.
Третья важная деталь, касающаяся пороговой дозы, состоит в том, что эта доза является не столько эмпирической, сколько математической. Иными словами, пороговая доза не ограничивается решениями ученого, проводящего тестирование. Если он, к примеру, вводил крысам какое-то вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то пороговая доза вовсе не обязательно будет одной из них. Прямая линия, которую мы получаем при пробит-анализе зависимости реакции от дозы, описывает взаимоотношения не просто нескольких точек на линии, а всех составляющих ее точек. Однако с двумя другими показателями, NOEC и LOEC, дело обстоит иначе. Эти показатели ранее часто использовались для описания химической безопасности продукта, но в настоящее время впали в некоторую немилость. NOEC – это максимальная из измеренных концентраций на кривой, при которой не наблюдается видимого положительного воздействия на организмы, а LOEC – минимальная из измеренных концентраций, при которой выявляется негативное биологическое воздействие химического вещества. Проблема в том, что эти показатели по своей сути необъективны. В то время как пороговая доза – это величина, выведенная математически с использованием всех точек кривой зависимости реакции от дозы, значения NOEC и LOEC связаны только с теми точками кривой, для которых были получены эмпирические данные. Поэтому общее число возможных значений для этих точек лимитируется количеством вариантов дозировок, выбранных экспериментатором. Например, если ученый вводил крысам вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то значения NOEC и LOEC могут соответствовать лишь каким-либо из этих пяти вариантов. Поэтому результаты очень сильно зависят от прихоти экспериментатора и весьма ограничены, тогда как при математическом вычислении они куда более точны и теоретически могут быть абсолютно любыми.
Когда какая-либо правительственная структура разрабатывает стандарты химической безопасности, считающаяся безопасной дозировка практически всегда оказывается ниже, чем реальная пороговая концентрация, рассчитанная на основании уравнения зависимости реакции от дозы. Это делается по чисто практическим причинам, так как токсикологическое тестирование обычно проводится на лабораторных грызунах (мышах и крысах), и его результаты экстраполируются на человека. Грызуны могут быть более чувствительны или менее чувствительны, чем люди, к тем или иным химическим веществам, поэтому максимально допустимый уровень загрязнения из соображений безопасности уменьшается на порядок по сравнению с экспериментальным. Кроме фактора возможных различий в реакции между биологическими видами, во внимание принимается также повышенный риск воздействия того или иного вещества на особо чувствительные группы людей (дети, пожилые и лица с нарушениями иммунной системы).