Введение

Степень вредности веществ

Токсичность – это степень, в которой химическое вещество или определенная смесь веществ способно повредить организм. Токсичность может относиться к воздействию на целый организм, такой как животное, бактерия или растение, а также к воздействию на подструктуру организма, например, клетку (цитотоксичность) или орган, такой как печень (гепатотоксичность). В повседневной речи это слово часто используется как синоним отравления. Основной принцип токсикологии заключается в том, что эффекты токсиканта зависят от дозы: даже вода может вызвать интоксикацию при чрезмерном употреблении, в то время как для даже очень токсичного вещества, например, змеиного яда, существует доза, ниже которой не наблюдается никакого обнаруживаемого токсического эффекта. Токсичность видоспецифична, что затрудняет межвидовой анализ. Новые подходы и показатели разрабатываются для отказа от тестирования на животных, сохраняя при этом концепцию конечных точек токсичности.

Этимология

В древнегреческой медицинской литературе прилагательное τoξικόν (означающее "токсичный") использовалось для описания веществ, способных вызывать смерть, серьезное истощение или проявлять признаки заражения. Это слово восходит к греческому существительному τόξον (toxon), означающему "лук", что связано с использованием луков и отравленных стрел в качестве оружия.

История

У людей существует давняя история не только осознания токсичности, но и использования её как инструмента. Археологи, изучающие костяные стрелы, найденные в пещерах Южной Африки, отмечают, что некоторые из них, возрастом от 72 до 80 тысяч лет, вероятно, были обмакнуты в специально приготовленные яды для повышения их летальности. Несмотря на то, что ограничения в научной аппаратуре затрудняют получение неопровержимых доказательств, археологи предполагают, что практика изготовления ядовитых стрел была широко распространена в культурах уже в эпоху палеолита. Народ сан из Южной Африки сумел сохранить эту практику до наших дней, обладая знаниями для создания сложных смесей из ядовитых жуков и растительных экстрактов, что позволяет получать наконечники стрел со сроком годности от нескольких месяцев до года.

Типы

В целом существует пять типов токсичности: химическая, биологическая, физическая, радиоактивная и поведенческая. Микроорганизмы и паразиты, вызывающие заболевания, токсичны в широком смысле, но обычно их называют патогенами, а не токсикантами. Биологическую токсичность патогенов может быть трудно измерить, поскольку пороговая доза может составлять один организм. Теоретически, один вирус, бактерия или гельминт способен размножаться и вызывать серьезную инфекцию. Если у хозяина функционирующая иммунная система, врожденная токсичность организма уравновешивается реакцией хозяина; эффективная токсичность в этом случае является их комбинацией. В некоторых случаях, например, при холерном токсине, заболевание вызывается главным образом неживым веществом, выделяемым организмом, а не самим организмом. Такие неживые биологические токсиканты обычно называют токсинами, если они производятся микроорганизмом, растением или грибом, и ядами – если они производятся животным. Физические токсиканты – это вещества, которые из-за своей физической природы вмешиваются в биологические процессы. Примеры включают угольную пыль, асбестовые волокна или мелкодисперсный диоксид кремния, все из которых при вдыхании в конечном итоге могут привести к летальному исходу. Коррозионные химические вещества обладают физической токсичностью, поскольку разрушают ткани, но не являются непосредственно ядовитыми, если не вмешиваются непосредственно в биологическую активность. Вода может выступать в качестве физического токсиканта при приеме в исключительно высоких дозах, поскольку концентрация жизненно важных ионов резко снижается при избытке воды в организме. Удушающие газы можно рассматривать как физические токсиканты, поскольку они действуют путем вытеснения кислорода из окружающей среды, однако они инертны и не являются химически токсичными газами. Радиация может оказывать токсическое воздействие на организмы. Поведенческая токсичность относится к нежелательным эффектам, вызываемым терапевтическими дозами лекарственных препаратов, клинически показанных при конкретном расстройстве (DiMascio, Soltys и Shader, 1970). Эти нежелательные эффекты включают антихолинергические эффекты, альфа-адренергическую блокаду и дофаминергические эффекты, среди прочих.

Измерение

Токсичность может быть измерена по ее воздействию на мишень (организм, орган, ткань или клетку). Поскольку у отдельных лиц обычно разные уровни реакции на одну и ту же дозу токсичного вещества, часто используется показатель токсичности на популяционном уровне, который соотносит вероятности исхода для конкретного индивида в популяции. Одной из таких мер является оценка воздействия. Когда таких данных нет, оценки делаются путем сравнения с известными аналогичными токсичными веществами или с аналогичным воздействием на сходные организмы. Затем добавляются "коэффициенты безопасности", чтобы учесть неопределенности в данных и процессах оценки. Например, если доза токсичного вещества безопасна для лабораторной крысы, можно предположить, что одна десятая этой дозы будет безопасна для человека, обеспечивая коэффициент безопасности 10 для учета межвидовых различий между двумя млекопитающими; если данные получены на рыбах, можно использовать коэффициент 100 для учета большей разницы между двумя классами хордовых (рыбы и млекопитающие). Аналогично, дополнительный защитный коэффициент может быть использован для лиц, считающихся более восприимчивыми к токсическим эффектам, например, во время беременности или при определенных заболеваниях. Или, недавно синтезированному и ранее не изученному химическому веществу, которое предположительно оказывает очень похожее действие на другое соединение, может быть присвоен дополнительный защитный коэффициент 10 для учета возможных различий в эффектах, которые, вероятно, незначительны. Этот подход весьма приблизителен, но такие защитные коэффициенты намеренно консервативны, и метод оказался полезным в самых разных областях применения. Оценка всех аспектов токсичности канцерогенных веществ сопряжена с дополнительными проблемами, поскольку неясно, существует ли минимальная эффективная доза для канцерогенов или риск просто слишком мал, чтобы его можно было обнаружить. Кроме того, возможно, что для развития полного эффекта достаточно трансформации всего одной клетки в раковую ("теория единого удара"). Определить токсичность химических смесей сложнее, чем чистого химического вещества, поскольку каждый компонент проявляет собственную токсичность, а компоненты могут взаимодействовать, усиливая или ослабляя эффекты. Типичные смеси включают бензин, сигаретный дым и промышленные отходы. Еще более сложны ситуации с более чем одним типом токсичного агента, например, стоки с неисправной очистной станции, содержащие как химические, так и биологические вещества. Доклинические исследования токсичности на различных биологических системах выявляют видоспецифические, органоспецифические и дозозависимые токсические эффекты исследуемого продукта. Токсичность веществ можно оценить: а) изучая случайные воздействия; б) проводя исследования in vitro с использованием клеток/клеточных линий; в) проводя исследования in vivo на экспериментальных животных. Испытания на токсичность в основном используются для изучения конкретных неблагоприятных событий или конечных точек, таких как рак, кардиотоксичность и раздражение кожи/глаз. Испытания на токсичность также помогают рассчитать уровень дозы, не вызывающий наблюдаемых неблагоприятных эффектов (NOAEL), и полезны для клинических исследований.

Классификация

Для того чтобы вещества подлежали регулированию и правильной обработке, они должны быть должным образом классифицированы и промаркированы. Классификация определяется утвержденными методами испытаний или расчетами и включает в себя пороговые значения, установленные правительствами и учеными (например, уровни отсутствия наблюдаемого неблагоприятного воздействия, предельно допустимые концентрации и допустимые суточные нормы потребления). Пестициды являются примером хорошо разработанных систем классов токсичности и маркировки токсичности. В настоящее время многие страны имеют различные правила, касающиеся типов, количества испытаний и пороговых значений, однако внедрение Глобально Гармонизированной Системы (GHS) началось с целью унификации этих правил. Глобальная классификация рассматривает три области: физические опасности (взрывы и пиротехника), опасности для здоровья и опасности для окружающей среды.

Опасность для здоровья

Типы токсичности, при которых вещества могут вызывать летальность для всего организма, летальность отдельных органов, значительные или незначительные повреждения, либо вызывать рак. Это общепринятые определения понятия токсичности. Агентство по охране окружающей среды (EPA) поддерживает перечень приоритетных загрязнителей для тестирования и регулирования.

Опасности на производстве

Работники различных профессий могут подвергаться повышенному риску развития нескольких видов токсичности, включая нейротоксичность. Выражение "Безумный как шляпник" и персонаж Безумного Шляпника из книги "Алиса в Стране чудес" происходят от известной профессиональной токсичности шляпников, использовавших токсичное химическое вещество для придания формы шляпам. Оценка воздействия химических веществ в рабочей среде может потребовать участия специалистов по гигиене труда.

Опасности в искусстве

Опасности в искусстве были проблемой для художников на протяжении веков, хотя токсичность их инструментов, методов и материалов не всегда была в полной мере осознана. Свинец и кадмий, среди прочих токсичных элементов, часто входили в названия масляных красок и пигментов, например, "свинцовые белила" и "кадмиево-красный". В 20-м веке графики и другие художники стали осознавать наличие токсичных веществ, токсичных техник и токсичных паров в клеях, связующих веществах, пигментах и растворителях, многие из которых не имели предупреждающей маркировки о своей токсичности. Примером может служить использование ксилола для очистки трафаретных сеток. Художники начали замечать опасность вдыхания связующих веществ и разбавителей, таких как терпентин. Осознавая токсичность материалов в студиях и мастерских, в 1998 году гравер Кит Говард опубликовал книгу "Non Toxic Intaglio Printmaking", в которой подробно описал двенадцать инновационных техник глубокой печати, включая фототравление, цифровую обработку изображений, методы ручной гравюры с использованием акрилового резерва и представил новый метод нетоксичной литографии.

Картографирование экологических опасностей

Существует множество инструментов для картирования состояния окружающей среды. TOXMAP – это географическая информационная система (ГИС), разработанная Отделом специализированных информационных услуг Национальной медицинской библиотеки США (NLM), которая использует карты Соединенных Штатов для визуального изучения данных из Инвентаризации выбросов токсичных веществ и программ Суперфонда Агентства по охране окружающей среды США (EPA). TOXMAP является ресурсом, финансируемым правительством США. Химическая и экологическая информация в TOXMAP получена из токсикологической сети данных NLM (TOXNET) и PubMed, а также из других надежных источников.

Токсичность для водных организмов

Испытания на токсичность для водных организмов подвергают ключевые виды рыб или ракообразных воздействию определенных концентраций вещества в их среде обитания для определения уровня летальности. Рыбы подвергаются воздействию в течение 96 часов, а ракообразные – в течение 48 часов. Хотя GHS не определяет токсичность при значениях выше 100 мг/л, EPA в настоящее время классифицирует токсичность для водных организмов как "практически нетоксичную" при концентрациях, превышающих 100 ppm. Категория воздействия 1 Категория 2 Категория 3 Острая ≤ 1,0 мг/л ≤ 10 мг/л ≤ 100 мг/л Хроническая ≤ 1,0 мг/л ≤ 10 мг/л ≤ 100 мг/л Примечание: Категория 4 установлена для хронического воздействия, но включает в себя любые токсичные вещества, которые преимущественно нерастворимы, или для которых отсутствуют данные об острой токсичности.

Факторы, влияющие на токсичность

На токсичность вещества может влиять множество различных факторов, таких как путь поступления (нанесение на кожу, проглатывание, вдыхание, инъекция), время воздействия (единичный случай или длительное воздействие), число воздействий (однократная доза или многократные дозы со временем), физическое состояние токсичного вещества (твердое, жидкое, газообразное), концентрация вещества, а в случае газов – парциальное давление (при высоком атмосферном давлении парциальное давление увеличивается при заданной концентрации газовой фракции), генетическая предрасположенность организма, общее состояние здоровья и многие другие. Некоторые термины, используемые для описания этих факторов, приведены ниже. Острое воздействие – однократное воздействие токсичного вещества, которое может привести к серьезным биологическим повреждениям или смерти; острое воздействие обычно характеризуется продолжительностью не более суток. Хроническое воздействие – продолжительное воздействие токсичного вещества в течение длительного периода времени, часто измеряемого месяцами или годами; оно может вызывать необратимые побочные эффекты.

Альтернативы схеме дозы-реакции

Учитывая ограничения концепции «доза-ответ», недавно был предложен новый Абстрактный индекс токсичности лекарственных средств (АТЛ). АТЛ переопределяет токсичность лекарств, выявляет гепатотоксичные препараты, предоставляет механистические сведения, прогнозирует клинические исходы и обладает потенциалом в качестве инструмента скрининга.