С. А. КУЦЕНКО
ОСНОВЫ ТОКСИКОЛОГИИ,
Санкт-Петербург,
2002
|
ГЛАВА 4.6. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОКСИКОКИНЕТИКИ
Важнейшим этапом изучения токсикокинетики ксенобиотика является определение количественных характеристик процессов резорбции, распределения, элиминации. Методология определения токсикокинетических констант постоянно совершенствуется. Её развитие сопряжено с внедрением в практику исследований новых методов количественного определения веществ в биосредах и развитием математического аппарата анализа данных. Ниже будет представлена характеристика некоторых, наиболее часто встречающихся, методических приемов.
1. Скорость элиминации. Константа скорости элиминации. Время полуэлиминации
Как указывалось ранее, в понятие элиминации включаются все процессы, приводящие к снижению содержания чужеродного вещества в организме. Для количественной характеристики элиминации прибегают к проведению основного (базисного) токсикокинетического эксперимента. В ходе эксперимента внутривенно вводят исследуемое вещество в дозе "Д", а затем определяют в динамике концентрацию вещества "С" в плазме крови. Полученные результаты представляют в графической форме зависимости "С" от времени после введения "t" (рисунок 1). В большинстве случаев зависимость имеет вид экспоненты: временная зависимость 1-го порядка. В соответствии с кинетическим уравнением 1-го порядка имеем:
dC/dt = -КЕС,
т.е. скорость процесса в каждый момент времени пропорциональна концентрации вещества.
Мерой скорости элиминации вещества является величина угла наклона касательной к кривой, проведенной в интересующей исследователя точке, или величина дифференциала dC/dt. Скорость элиминации уменьшается с течением времени, поскольку уменьшается величина C. Однако неизменной характеристикой процесса остается коэффициент пропорциональности КЕ.
Рисунок 1. Зависимость концентрации вещества в плазме крови от времени после внутривенного введения
Интегрируя уравнение, имеем:
lnC0/Ct = KEt , где
C0 - исходная концентрация вещества;
Ct - концентрация вещества в момент времени t;
t - время после введения вещества;
KE - константа скорости процесса элиминации;
Для определения КЕ необходимо представить зависимость концентрации вещества в плазме от времени в полулогарифмической системе координат (рисунок 2). При этом зависимость приобретает линейный характер. Константа элиминации определяется как честное от деления 
lnС/
t. После определения величины КЕ легко определить еще один важный токсикокинетический параметр, а именно величину времени полуэлиминации (t1/2), т.е. время в течение которого из организма элиминируется половина введенного вещества. Время полуэлиминации связано простой зависимостью с величиной константы скорости элиминации:
t1/2 = ln2/КЕ = 0,693/КЕ
Рисунок 2. Зависимость концентрации вещества в плазме крови от времени после внутривенного введения в системе полулогарифмических координат
2. Объем распределения.
Представление зависимости концентрации вещества в крови от времени в полулогарифмических координатах (рисунок 2) позволяет расширить информацию об особенностях токсикокинетики вещества, введенного внутривенно.
Начальная концентрация вещества СО в плазме крови не доступна для непосредственного измерения, поскольку необходимо время перемешивания ксенобиотика в крови (этап конвекции). Однако как условная величина СО имеет токсикокинетическое значение. Она может быть определена путем экстраполяции прямой зависимости lnC от времени к моменту t = 0. Значение С0 и величина введенной дозы Д позволяют рассчитать объем распределения вещества Vd до того, как начался процесс элиминации ксенобиотика:
Vd = Д/СО
Отнеся полученную величину к массе тела (М) получаем значение (VR):
VR = Vd/М
Значения относительного объема распределения и времени полуэлиминации некоторых ксенобиотиков представлены в таблице 1.
Таблица 1. Токсикокинетические характеристики некоторых веществ
Вещества |
VК (л/кг) |
t1/2 (ч) |
Ацетилсалициловая кислота Пенициллин G Нитроглицерол Дигитоксин Этанол Фенобарбитал Морфин Дигоксин Хлорпромазин |
0,14 0,30 0,35 0,50 0,55 0,80 3,0 10,0 20,0 |
0,25 0,5 6,5 180 - 80 2,5 36 40 |
3. Клиаренс
Под клиаренсом понимают условный объем плазмы крови (мл), который полностью освобождается от находящегося в ней ксенобиотика в единицу времени. По Досту (Dost) все процессы, участвующие в элиминации вещества в конечном итоге суммируются и определяют так называемый "общий клиаренс" вещества (Cltot). При этом можно выделить элементы общего клиаренса, обеспечиваемые деятельностью основных органов выведения: почек, печени, легких, и метаболизмом ксенобиотиков, и рассматривать их отдельно как почечный (ClR), печеночный (ClH) и т.д. клиаренс:
Cltot = ClR + ClH + Cl ...
Определение общего клиаренса осуществляется на основе данных, полученных в ходе базисного токсикокинетического эксперимента (см. выше). Для этого по данным, представленным на рисунке 1, определяют величину площади под кривой зависимости "концентрация-время" (ППК). Клиаренс рассчитывают как:
Cltot = Д/ППК
Чем больше площадь под кривой при введенной дозе ксенобиотика, тем ниже значение клиаренса, т.е. тем дольше вещество выводится из организма. Клиаренс через отдельные органы рассчитывают с учетом количества вещества, выделяемого через эти органы. Значения клиаренса некоторых летучих токсикантов представлены в таблице 2.
Таблица 2. Респираторный и метаболический клиаренс некоторых летучих органических растворителей у человека
Растворители |
Респираторный клиаренс |
Метаболический клиаренс |
||
|
л/ч |
% |
л/ч |
% |
Бензол |
43 |
36 |
75 |
64 |
Толуол |
22 |
18 |
100 |
82 |
Ксилол |
13 |
10 |
116 |
90 |
Стирол |
6 |
4 |
157 |
96 |
Дихлорметан |
35 |
18 |
157 |
96 |
Хлороформ |
33 |
23 |
108 |
77 |
Четыреххлористый углерод |
140 |
93 |
11 |
7 |
1,1-дихлорэтан |
72 |
41 |
105 |
59 |
1,2-дихлорэтан |
17 |
12 |
130 |
88 |
1,1,1-трихлорэтан |
102 |
97 |
3 |
3 |
1,1,2-трихлорэтан |
9 |
7 |
116 |
93 |
1,1,1,2-тетрахлоэтан |
11 |
20 |
45 |
80 |
1,1,2,2,-тетрахлорэтан |
3 |
4 |
73 |
96 |
Трихлорэтилен |
36 |
25 |
104 |
75 |
Тетрахлорэтилен |
26 |
90 |
3 |
10 |
(A. Sato, T. Nakajima, 1987)
На принципе определения величины ППК основывается расчет и другой токсикокинетической характеристики вещества - биодоступности.
4. Биодоступность
Под биодоступностью понимают способность вещества, находящегося в определенном агрегатном состоянии и связи с инертными носителями (почва, пища, растворитель и т.д.), абсорбироватся во внутренние среды организма и достигать места взаимодействия с системами-мишенями.
Поскольку место действия для подавляющего большинства токсикантов не определено, или недоступно для экспериментального анализа, принято допущение, согласно которому содержание вещества в крови линейно связано с величиной его биодоступности.
В соответствии с принципом Доста мерой биодоступности вещества в водимой дозе может являться величина ППК, которая не зависит от временных характеристик процесса резорбции. Чем больше ППК вещества при различных способах введения, тем выше его биодоступность, тем более выражено действие данного ксенобиотика на организм. Сравнение ППК при внутривенном способе и иных способах аппликации (например, ингаляционном, трансдермальном и т.д.) позволяет определить квоту резорбции токсиканта через различные "входные ворота" - частный случай характеристики биодоступности:
QR = ППКинг/ППКв/в и т.д.
Фракция (F) апплицированной дозы вещества (в конкретном примере равна QR) определяет то количество действующего агента, которое достигло общего кровотока. При иных, кроме внутривенного, способах введения ксенобиотиков F < 1. В основе этого лежат неполная абсорбция вещества или/и его метаболизм в органах поступления (коже, легких, кишечнике, печени).
При поступлении вещества через рот следует выделять несколько фракций токсиканта в крови:
FG - фракция токсиканта в крови портальной системы;
FL - фракция токсиканта экстрагируемая печенью;
F - фракция токсиканта, попавшая в общий кровоток. Причем:
F = FG (1 - FL)
Так, если 80% вещества достигает портальной системы, а 30% при этом еще и экстрагируется печенью, то общего кровотока достигает: F = 0,8 0,7 = 0,56, т.е. 56% от введенного количества.
Однако в таком прочтении величина биодоступности не может в полной мере отражать последствия действия токсиканта на организм. Дело в том, что ППК при разных способах воздействия может быть одинаковой, но различная скорость поступления и одновременно протекающая элиминация соединения могут привести к совершенно разным эффектам одного и того же вещества. Пример такой ситуации приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Кривые динамики концентрации вещества Д в плазме крови экспериментального животного при различных способах воздействия:
N1 - внутривенное введение
N2 - введение через желудочно-кишечный тракт
N3 - введение через желудочно-кишечный тракт в форме, адсорбированной на ионно-обменной смоле
Как показано на рисунке, площадь под кривыми 1, 2, 3 после воздействия вещества в дозе Д различными способами практически одинакова, однако формирующиеся эффекты различны.
5. Соотношение между значениями клиаренса, объема распределения и времени полувыведения вещества
Клиаренс - характеристика скорости элиминации ксенобиотика. Независимой от клиаренса является величина объема распределения. Она определяется способностью веществ растворяться в воде, липидах, связываться с биосубстратом. Сильное связывание молекул токсиканта тканями приводит, при расчетах, к большим значениям Vd. Период полувыведения является функцией объема распределения и скорости элиминации:
t1/2 = ln2 Vd/Cltot
Из уравнения следует, что чем больше объем распределения при одном и том же значении клиаренса, тем дольше выводится вещество из организма. Усиление клиаренса сокращает период полувыведения.
Клиаренс может быть определен, как произведение константы элиминации на объем распределения:
Cltot = KE Vd = ln2 Vd/t1/2
При оценке полученных результатов необходимо иметь в виду, что в реальных условиях ни константа элиминации ни объем распределения не являются в полной мере величинами независимыми от времени после введения препарата.
6. Компартменты
Под компартментом в количественной токсикокинетике понимают некий гипотетический объем жидкости организма, в котором, в соответствии с едиными количественными характеристиками, "растворяется" вещество, поступившее во внутренние среды. Токсикокинетические компартменты не имеют ни анатомических, ни физиологических эквивалентов. В зависимости от желания исследователя можно представить организм в виде одного, двух, нескольких, многих компартментов и на основе этого представления произвести расчет интересующих токсикокинетических констант.
При определении и расчетах упомянутых в предыдущих разделах характеристик исходили из представления о наличии в организме лишь одного компартмента равного по величине Vd. Реально в организме существует множество сред с различными свойствами и неодинаковой способностью связывать вещества. Желание экспериментаторов учесть эти особенности привели к созданию многокомпартментных математических моделей описания токсикокинетики соединений (рисунок 4). Однако в настоящее время нет возможности доказать, что двух- , трех-, наконец многокомпартментные модели более корректны, чем однокомпартментная, так как с биологических позиций они все же не физиологичны. Поэтому полагают, что любая математическая модель в принципе без большого ущерба может быть редуцирована до двухкомпратментной (водная фаза - липидная фаза) модели, а на практике по-прежнему наиболее часто используемой является однокомпартментная модель описания поведения вещества в организме.
Рисунок 4. Токсикокинетические модели:
ka - константа скорости абсорбции;
ke - константа скорости элиминации;
k1 3 - константы скорости движения веществ между компартментами
6.1. Однокомпартментная модель
При описании токсикокинетических процессов с помощью этой модели исходят из допущения, что вещество, попав в организм, полностью распределяется в едином пространстве, равном по величине объему распределения (Vd). Хотя такая модель достаточно груба для реальных процессов, происходящих в организме, она позволяет дать количественные характеристики, необходимые для описания свойств токсиканта. Эта модель получила самое широкое распространение в практике токсикологических исследований и используется значительно чаще, чем любая другая. Ниже приведены примеры её использования для описания нескольких ситуаций.
6.1.1. Моделирование поведения ксенобиотика при однократном внутривенном введении
В этой модели делается допущение, что вещество, быстро введенное внутривенно, мгновенно и равномерно распределяется в жидкостях и тканях организма. Под "организмом" понимают некий компартмент с определенным объемом. При этом в единице объема крови содержится количество ксенобиотика, которое отражает его содержание во всем "организме" (объеме). Метаболизм вещества не учитывается, а выведение рассматривается, как процесс, подчиняющийся закону кинетики 1-го порядка (скорость выведения определяется концентрацией вещества в крови: v = f(С)). Это позволяет предположить:
-b* = KЕb и bt = b0 e-Kеt , где
b* - изменение содержания вещества в крови;
b0 - содержание вещества в крови в момент времени t = 0 (т.е. величина, равная дозе вещества Д, введенной внутривенно);
bt - содержание вещества в крови в любое другое время после введения.
Если в качестве органа элиминации выступает только какой-то один орган, например почки, то количество вещества, ушедшего из крови, должно быть равно количеству, выделившегося с мочой: ut = b0 - bt , или иначе: ut = b0 (1 - e-Ke t).
Течение этих процессов (выделения и снижения содержания в крови) графически представлено на рисунке 5.
Рисунок 5. Однокомпартментная модель: кривая элиминации из крови (bt) и поступления в мочу (Ut) вещества с периодом полувыведения 3 часа (КЕ = 0,23 ч-1)
Для характеристики концентрации вещества в крови справедливо выражения:
Сt = bt/Vd
При переводе данных в систему полулогарифмических координат можно легко определить значение КЕ и С0 (см. выше).
Исходя из дозы, введенного в организм вещества, и его концентрации С0 рассчитывают объем распределения Vd. В связи с тем, что процесс подчиняется кинетике 1-го порядка можно записать:
t1/2 = 0,693/KE
По прошествии времени, равного 5t1/2 в "организме" остается около 3% введенного количества вещества.
Почечный клиаренс рассчитывается как:
ClR = KE Vd
Поскольку - b* = u = KEb, а b = C Vd, имеем: u = ClR C, т.е. клиаренс есть константа пропорциональности между величинами скорости выведения вещества через почки и концентрацией его в плазме крови. Иными словами клиаренс можно представить, как угол наклона прямой зависимости между количеством вещества, выделившегося в мочу за единицу времени
t (u*) и концентрацией вещества в плазме.
6.1.2. Моделирование поведения ксенобиотика с параллельными путями выведения
Помимо выведения вещества через почки (u) возможно выведение и другими органами, например печенью (G), что приводит к более быстрому снижению его содержания в крови. Полагают, что оба процесса выведения подчиняются закону кинетики 1-го порядка. При этом КЕ = К1 + К2, где:
b* = - (К1 + К2)b; u* = К1 b; G* = К2 b.
При этом для характеристики количества вещества, выделяющегося с мочой или желчью, имеем:
u0/D = K1/K2 ; G0/D = K2/K1 , где
u0/D - часть введенной дозы вещества, выведенная за исследуемое время через почки;
G0/D - часть введенной дозы вещества, выведенная за исследуемое время через печень.
Т.е. соотношение количества вещества, выделяющегося различными путями пропорционально константам скоростей элиминации через эти органы:
Cltot = ClH + ClR
6.1.3. Моделирование поведения ксенобиотика полностью резорбирующегося из места введения
Как правило, токсикант поступает в организм не путем внутривенного введения, а в результате резорбции через легкие, кожу, желудочно-кишечный тракт, из подкожного или внутримышечного депо. При моделировании поведения ксенобиотика полагают, что резорбция также есть кинетический процесс первого порядка.
Предположим в момент времени t = 0 вещество в дозе Д быстро попало в депо М и начался процесс его резорбции в кровь с одновременной элиминацией через почки (u).
Все процессы, приводящие к повышению содержания вещества в крови, вследствие выхода его из места депонирования (поступления в организм) можно обозначить как инвазивные и условно объединить их в единый процесс с константой скорости инвазии КА. Напротив, все процессы, приводящие к уменьшению содержания вещества в организме, обозначаются как элиминационные (см. выше) с константой КЕ. Как правило, при воздействии вещества наблюдаются оба процесса.
Динамика концентрации вещества в плазме крови при этом может быть описана функцией Батемана (Bateman):
Сt = D/Vd KA(KA - KE) (e-Ke t- e-Ka t).
Типичная кривая Батемана представлена на рисунке 6 (для вещества с соотношением КА/КЕ равным 2)
Рисунок 6. Динамика концентрации вещества в крови (кривая В) при одновременном течении процессов резорбции и элиминации. Соотношение КА/КЕ равно 2. Кривая А - концентрация вещества в месте аппликации.
На рисунке 7 представлены кривые Батемана для веществ с различными значениями констант скорости инвазивного процесса и одинаковым значением константы скорости элиминации. Все максимумы функций лежат выше кривой, отражающей динамику содержания веществ в крови при их внутривенном введении.
Рисунок 7. Функции Батемана для веществ В, С, Д с различными значениями константы скорости процесса инвазии (В = 2,0; С = 0,5; Д = 0,125 ч-1) при одинаковом значении константы скорости элиминации (0,125 ч-1). Кривая А отражает динамику содержания веществ В, С, Д при их внутривенном введении.
На рисунке также видно, что при одинаковом значении t1/2 элиминации рассматриваемых веществ (кривая А, t1/2 = 5 ч), кажущееся время полувыведения, наблюдаемое при постепенной резорбции токсикантов, существенно отличается от истинного значения и зависит от скорости процесса резорбции. Чем меньше скорость резорбции, тем более выражены различия истинного и кажущегося значений периода полувыведения (для вещества Д t1/2 = 10 часам).
Таким образом, при анализе кривой динамики концентрации вещества в "организме", достаточно корректные данные о скорости элиминации можно получить лишь в тех случаях, когда скорость инвазии вещества значительно превышает скорость элиминации, и лишь в том временном интервале, когда процесс резорбции токсиканта полностью завершен.
6.2. Многокомпартментные модели
Однокомпартментная модель не учитывает физиологические особенности организма, поэтому предположили, что с увеличением числа компартментов, принятых в математической модели кинетики токсиканта, можно улучшить качество описания поведения вещества в организме. Таким образом, в модели были включены компартменты, учитывающие процесс метаболизма ксенобиотиков, его связывание с тканями, внутрипеченочную циркуляцию и т.д. Однако для проверки правильности этих моделей требуется выполнение очень большого числа сложных экспериментов по определению содержания веществ и его метаболитов в различных органах и тканях. Часто получаемая информация не оправдывает затраты. Наконец, рассчитываемые константы справедливы только для принятой исследователем модели и не сопоставимы с константами, полученными в других моделях. В этой связи в практической токсикологии все чаще используют характеристики не зависящие от моделирования (метод определения ППК), получаемые при однокомпартментном моделировании или с помощью физиологических гемодинамических моделей (см. ниже).
6.3. Нелинейные токсикокинетические процессы
Модели, рассматривавшиеся выше, основаны на представлении, согласно которому скорость процессов, зависит только от концентрации веществ в объеме распределения (крови) V = f(с), а динамика концентрации вещества в объеме распределения подчиняется кинетике 1-го порядка. В соответствии с этим представлением токсикокинетика вещества может быть описана рядом линейных уравнений (см. выше). Однако такое представление справедливо лишь для системы, находящейся в состоянии динамического равновесия. На практике в биологии чаще имеют дело с неравновесными состояниями. В этой связи экспериментальные данные существенно отклоняются от полученных с помощью математического моделирования. Особенно часто это имеет место в тех случаях, когда вещество само влияет на процессы собственной резорбции, распределения, метаболизма, элиминации.
К числу нелинейных токсикокинетических процессов могут быть отнесены так называемые "насыщающиеся процессы": канальцевая секреция ксенобиотиков в почках, метаболизм веществ в печени, связывание веществ белками плазмы крови и т.д. С насыщающимися процессами сталкиваются при исследовании механизмов активного транспорта веществ через барьеры. Так, элиминация этилового спирта из организма не подчиняется кинетике 1-го порядка, носит все признаки насыщаемого процесса (0 порядок). В этом случае скорость эвакуации вещества не зависит от его концентрации в объеме распределения и является величиной постоянной во времени, а следовательно не может быть отнесен к линейным процессам. Элиминация спирта из организма - пример нелинейной токсикокинетики.
Основные последствия кинетики насыщающихся процессов следующие:
- увеличение дозы вводимого вещества не приводит к пропорциональному увеличению его концентрации в объеме распределения;
- более высокая концентрация вещества в объеме распределения не сопровождается увеличением скорости выведения вещества из организма;
- повторное введение вещества не дает такого эффекта, который можно было бы ожидать, исходя из расчетов, основанных на данных, полученных при однократном введении;
- повторное введение не приводит к накоплению в организме вещества в концентрации, которую можно было бы ожидать, исходя из расчетов, основанных на данных, полученных при однократном введении.
К нелинейности кинетических процессов приводит также взаимодействие нескольких веществ друг с другом: влияние на процессы связывания, прохождения через биологические мембраны, изменение объемов распределения, индукция энзимов и т.д. Влияние нелинейности может быть математически учтено в процессе создания как однокомпартментной, так и многокомпартментных кинетических моделей.
При нелинейности процессов изменяются значения многих характеристик токсикокинетики веществ (период полувыведения, клиаренс и т.д.).
6.3.1. Нелинейная однокомпартментная модель распределения с ограниченным характером процесса элиминации
Если установлено, что процесс элиминации ксенобиотика подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен, это свидетельствует о его насыщаемости:
С* = - Vmax C /(KM + C) = - KE KM C /(KM + C), где
С* - изменение концентрации вещества в системе;
С - концентрация вещества в системе;
Vmax - максимальная скорость процесса (например выведения);
KM - константа Михаэлиса или константа полунасыщения системы;
KE - константа элиминации:
KE = Vmax/KM
Как видно из уравнения при низких концентрациях вещества в плазме (С< < KM) скорость элиминации прямо пропорциональна С:
С* = -(Vmax/KM)С
Напротив, в случаях, когда С> > KM процесс элиминации не зависит от концентрации вещества:
С* = -Vmax
В этом случае имеем:
С(t) = C(o) - Vmax t
Это уравнение описывает, например, снижение содержания алкоголя в крови человека при его концентрации выше 0,1 мг/л. Если содержание вещества ниже этого значения процесс подчиняется кинетике 1-го порядка, то есть становится линейным.
Уравнение, описывающее процесс, может быть представлено в иной форме:
lnC(t) = lnC(o) - KE t + [ (C(o) - C(t)/KM]
Представление в полулогарифмической шкале координат дает график прямой в диапазоне малых концентраций, где процесс линеен и подчиняется кинетике 1-го порядка (при С(о)® 0, (C(o) - C(t)/KM ® 0).
В областях высоких концентраций зависимость носит более сложный характер, но выпрямляется в системе обычных координат (рисунок 8)
Рисунок 8. Зависимость содержания вещества в плазме крови от времени при насыщающемся характере элиминации ксенобиотика
7. Физиологические токсикокинетические модели
Для конкретизации токсикокинетических исследований и оценки состояния организма после контакта с токсикантом порой важно представлять реальные характеристики движения веществ в органах и тканях. Но эти характеристики зависят от параметров резорбции, распределения, метаболизма, выведения веществ через эти органы и тканы. Если их определять с помощью методов компартментного моделирования, то получаемые значения будут условны, т.к. зависят от особенностей выбранной модели. Кроме того при математическом моделировании невозможно, например, представить почему при введении в организм противоопухолевого средства адриамицина развивается именно кардиотоксический эффект.
Эти трудности удается отчасти преодолеть, используя физиологические модели, разрабатываемые с учетом анатомо-физиологических особенностей органов и тканей у различных биологических видов (на которых изучается токсикокинетика), таких как объем, масса органа, кровоток через органы, связывание с белками, проницаемость гистогематических и клеточных барьеров, интенсивность и характер метаболизма в органах и т.д. (таблица 3).
Таблица 3. Сравнительная характеристика некоторых биометрических параметров организма человека и крысы (самцы)
Параметр |
Крыса |
Человек |
Человек/ крыса |
Масса тела, г |
300 |
70000 |
233 |
(По Oser B.L., 1981)
С помощью такого подхода можно достаточно хорошо представить токсикокинетику веществ, осмыслить влияние биометрических параметров на особенности токсикокинетических характеристик. Поскольку биометрические параметры органов видоспецифичны, видоспицефичны и токсикокинетические параметры ксенобиотиков, а поскольку между биометрическими параметрами и параметрами кинетики существует количественная связь, данные полученные на животных можно с достаточной точностью переносить на человека, подставляя в полученные на лабораторных животных эмпирические уравнения, соответствующие биометрические параметры органов и тканей человека.
При разработке физиологических моделей распределения веществ между органами и тканями обычно исходят из схемы кровоснабжения организма, которая для всех млекопитающих, по сути, одинакова.
Обычно выбирают для исследования интересующий орган (например, сердце при изучении кинетики гликозидов, или мозг при изучении психодислептиков), а для нерастворимых в жирах веществ из рассмотрения вообще убирают жировую ткань. Для каждого органа может быть построена либо упрощенная, либо полная, основанная на учете всех особенностей его кровоснабжения, метаболизма, функций, модель (рисунок 9).
Рисунок 9. Схематическое представление органа в физиологической токсикокинетической модели
В упрощенном виде обычно рассматривают две возможности:
а) преимущественное влияние на характер распределения вещества особенностей кровоснабжения органа;
б) преимущественное влияние на распределение вещества свойств гистогематического барьера.
Если переход веществ из одного компартмента в другой (например, из крови в ткань) осуществляется значительно быстрее, чем прохождение крови через исследуемый орган, говорят о преимущественной зависимости распределения вещества от особенностей гемодинамики, если значительно медленнее - о преимущественной зависимости от свойств барьера.
Следующий этап исследования состоит в составлении уравнения баланса масс распределения для каждого органа или ткани. Например, такое уравнение для органа "i" с лимитирующим фактором распределения "особенности кровоснабжения" можно представить следующим образом:
Vi dCi/dt = Qi [ Ca - (Ci/Ri)] , где
Vi - объем органа;
Qi - скорость кровотока через орган;
Ca - концентрация токсиканта в артериальной крови;
Ri - коэффициент распределения вещества в системе кровь/орган;
dCi/dt - скорость изменения концентрации токсиканта в органе.
Таким образом, скорость накопления вещества в органе (Vi dCi/dt) зависит от:
- концентрации вещества в крови;
- скорости кровотока в органе;
- скорости диффузии вещества из других органов в кровь и наоборот;
- скорости биотрансформации веществ.
Практическое значение подобного подхода зависит от физической возможности исследователя получить большое количество экспериментальных данных, необходимых для насыщения физиологической модели конкретной информацией. Поскольку большая часть информации может быть получена только в ходе экспериментальных исследований на лабораторных животных, необходим следующий этап работы, а именно: получение данных о влиянии биометрических характеристик органов и систем на параметры токсикокинетики ксенобиотиков.
Установлению этого влияния были посвящены многочисленные исследования. При этом для математического описания связей между сравниваемыми величинами использовали аллометрические уравнения вида:
y = 
x
, где
y - исследуемая токсикокинетическая характеристика (например клиаренс);
х - биометрическая характеристика (например, масса органа элиминации);
,
- коэффициенты корреляции, требующие экспериментальной оценки.
Поскольку токсикокинетические характеристики изучаются в организмах существенно отличающихся друг от друга биометрическими показателями (массой, размерами, интенсивностью метаболизма, частотой сердечных сокращений и т.д.) сравнительная оценка получаемых величин для разных видов живых существ порой в значительной степени затруднена.
Иногда удается преодолеть возникающие трудности путем использования для анализа экспериментального материала некоего единого масштаба, учитывающего особенности физиологии организмов. Так, установлено, что период полуэлиминации цефалоспорина у 5 различных видов живых существ значительно различается (у мыши - 10 мин, у собаки - 60 мин, у человека - 90 мин). Однако, при переводе полученных данных к "единой шкале измерений", установлено, что у всех видов период полуэлиминации равен 7253 сокращениям сердечной мышцы (J. Mordenti, 1986).
|
