Введение
Исследование веществ, вредных для живых организмов
научный журнал
Токсикология – это научная дисциплина, пересекающаяся с биологией, химией, фармакологией и медициной, которая изучает неблагоприятное воздействие химических веществ на живые организмы, а также практику диагностики и лечения отравлений и токсических воздействий. В токсикологии особое значение имеет взаимосвязь между дозой и ее эффектами на организм. Факторы, влияющие на химическую токсичность, включают дозу, продолжительность воздействия (острое или хроническое), путь поступления, вид, возраст, пол и окружающую среду. Токсикологи – эксперты в области ядов и отравлений. Существует тенденция к развитию токсикологии, основанной на доказательствах, как части более широкого движения в сторону практик, основанных на фактических данных. В настоящее время токсикология вносит вклад в исследования рака, поскольку некоторые токсины могут использоваться в качестве лекарственных средств для уничтожения опухолевых клеток. Ярким примером этого служат протеины, инактивирующие рибосомы, которые тестируются при лечении лейкемии. Слово «токсикология» (,/t//ɒ//k//s//ᵻ/'/k//ɒ//l//ə//dʒ//i/) является неоклассическим образованием из неолатыни, впервые зафиксированным около 1799 года, образованным из сочетания форм *toxico* + *logy*, которые, в свою очередь, происходят от древнегреческих слов τοξικός (*toxikos*) – «ядовитый» и λόγος (*logos*) – «предмет изучения».
История
Диоскорид, греческий врач при дворе римского императора Нерона, предпринял первую попытку классифицировать растения по их токсическому и терапевтическому воздействию. Книга, приписываемая автору X века Ибн Вахшийе, под названием «Книга о ядах», описывает различные ядовитые вещества и ядовитые рецепты, которые можно приготовить с помощью магии. Поэтическое произведение на каннада XIV века, приписываемое джайнистскому принцу Мангарасе, «Хагендра Мани Дарпана», описывает несколько ядовитых растений. Теофраст Филипп Ауролий Бомбаст фон Хогенхайм (1493–1541) (также известный как Парацельс, из-за его убеждения, что его исследования превосходят работы Цельса – римского врача I века) считается «отцом» токсикологии. Ему приписывают классическую токсикологическую максиму: «Alle Dinge sind Gift und nichts ist ohne Gift; allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist», что переводится как: «Все вещи ядовиты, и ничто не лишено яда; лишь доза определяет, является ли вещь ядовитой». Это часто сокращают до: «Доза делает яд» или на латыни «Sola dosis facit venenum». Матье Орфила также считается отцом современной токсикологии, поскольку он дал предмету его первое систематическое изложение в 1813 году в своем «Traité des poisons», также известном как «Toxicologie générale». В 1850 году Жан Стас впервые успешно выделил растительные яды из человеческих тканей. Это позволило ему установить использование никотина в качестве яда в деле об убийстве Бокарме, предоставив доказательства, необходимые для осуждения бельгийского графа Ипполита Висарта де Бокарме за убийство своего шурина.
Основные принципы
Целью оценки токсичности является выявление неблагоприятных эффектов вещества. Неблагоприятные эффекты зависят от двух основных факторов: i) путей воздействия (перорального, ингаляционного или кожного) и ii) дозы (продолжительности и концентрации воздействия). Для изучения зависимости от дозы вещества тестируются как в острых, так и в хронических моделях. Как правило, для определения канцерогенности вещества и изучения других форм токсичности проводятся отдельные группы экспериментов. Токсикология изучает неблагоприятное воздействие химических, физических или биологических агентов на живые организмы и окружающую среду, включая предотвращение и смягчение таких эффектов. Токсикология, основанная на доказательствах, способна решить проблемы, существующие в токсикологическом сообществе, связанные с ограничениями современных подходов к оценке научного уровня знаний. К этим проблемам относятся вопросы прозрачности процесса принятия решений, синтеза различных типов данных и оценки предвзятости и достоверности. Токсикология, основанная на доказательствах, берет свое начало в более широком движении к практике, основанной на доказательствах.
Методы испытаний
Эксперименты по токсичности могут проводиться in vivo (с использованием цельного организма), in vitro (на изолированных клетках или тканях) или in silico (в компьютерном моделировании).
Модельный организм in vivo
Классическим экспериментальным инструментом токсикологии является тестирование на нечеловеческих животных, которое может заменить мелких млекопитающих. В качестве альтернативы используются данио рерио (Danio rerio), позволяющие изучать токсикологию на позвоночном животном более низшего порядка in vivo, а также Caenorhabditis elegans. По состоянию на 2014 год, такие испытания на животных предоставляют информацию о функционировании веществ в живом организме, недоступную другими методами. Использование нечеловеческих животных для токсикологических исследований вызывает возражения у некоторых организаций по причинам защиты животных, и в определенных регионах, например, при тестировании косметики в Европейском Союзе, оно ограничено или запрещено.
Методы in vitro
Хотя тестирование на животных по-прежнему используется для оценки воздействия на человека, существуют как этические, так и технические проблемы, связанные с такими испытаниями. С конца 1950-х годов в области токсикологии предпринимаются усилия по сокращению или исключению тестирования на животных в рамках концепции "Трех Р" – сокращение количества экспериментов на животных до минимально необходимого, усовершенствование экспериментов для уменьшения страданий и замена экспериментов in vivo другими методами или использование более простых форм жизни, когда это возможно. Историческое развитие альтернативных методов тестирования в токсикологии было описано Баллсом. Компьютерное моделирование является примером альтернативного метода токсикологического тестирования in vitro; с помощью компьютерных моделей химических веществ и белков можно определить соотношения структура-активность и выявить химические структуры, способные связываться с белками, выполняющими важные функции, и нарушать их работу. Эта работа требует экспертных знаний в области молекулярного моделирования и статистики, а также глубоких знаний в химии, биологии и токсикологии. По состоянию на 2014 год эта цель оставалась не достигнутой. Агентство по охране окружающей среды США изучило 1065 химических веществ и лекарственных препаратов в рамках программы ToxCast (входящей в состав панели инструментов CompTox Chemicals Dashboard), используя моделирование in silico и анализ на основе человеческих плюрипотентных стволовых клеток для прогнозирования токсичности для развития in vivo на основе изменений клеточного метаболизма после воздействия химических веществ. Основные результаты анализа набора данных ToxCast STM, опубликованного в 2020 году, включают: (1) 19% из 1065 химических веществ показали прогноз развития токсичности, (2) эффективность анализа достигла точности 79–82% при высокой специфичности (> 84%), но умеренной чувствительности (< 67%) по сравнению с моделями развития токсичности у человека in vivo на животных, (3) чувствительность улучшилась при применении более строгих требований к доказательной базе в исследованиях на животных и (4) статистический анализ наиболее активных химических веществ в отношении конкретных биохимических мишеней в ToxCast выявил положительные и отрицательные корреляции с ответом STM, что позволило получить представление о механизмах, лежащих в основе исследуемой конечной точки и ее биологической области. В некоторых случаях отказ от исследований на животных был предписан законом или нормативными актами; Европейский Союз (ЕС) запретил использование тестирования на животных для косметики в 2013 году.
Сложности в реакции на дозу
Большинство химических веществ демонстрируют классическую зависимость «доза-эффект» — при низкой дозе (ниже порогового значения) эффект не наблюдается. Этот принцип применяется к низкоуровневым загрязнителям, таким как компоненты табачного дыма.
Типы
Медицинская токсикология – это дисциплина, требующая статуса врача (степень MD или DO, а также специализированное образование и опыт). Клиническая токсикология – это дисциплина, которую могут практиковать не только врачи, но и другие специалисты с высшим образованием в области клинической токсикологии: фельдшеры (помощники врачей, практикующие медсестры), медсестры, фармацевты и другие медицинские работники. Судебная токсикология – это дисциплина, использующая токсикологию и другие области, такие как аналитическая химия, фармакология и клиническая химия, для содействия медицинским или юридическим расследованиям случаев смерти, отравлений и употребления наркотических веществ. Главной задачей судебной токсикологии является не юридический исход токсикологического исследования или используемые технологии, а получение и интерпретация результатов. Компьютерная токсикология – это дисциплина, разрабатывающая математические и компьютерные модели для лучшего понимания и прогнозирования негативного воздействия на здоровье, вызываемого химическими веществами, такими как загрязнители окружающей среды и фармацевтические препараты. В рамках проекта «Токсикология в XXI веке» лучшими прогностическими моделями были признаны глубокие нейронные сети, случайный лес и метод опорных векторов, которые могут достигать эффективности экспериментов in vitro. Профессиональная токсикология – это применение токсикологических знаний к химическим опасностям на рабочем месте.
Токсикология как профессия
Токсиколог – это ученый или медицинский работник, специализирующийся на изучении симптомов, механизмов действия, лечения и обнаружения ядов и токсинов, в особенности – отравлений у людей.
Требования
Чтобы работать токсикологом, необходимо получить степень в области токсикологии или смежную степень, например, по биологии, химии, фармакологии или биохимии. Программы бакалавриата по токсикологии охватывают химический состав токсинов и их воздействие на биохимию, физиологию и экологию. После завершения вводных курсов по естественным наукам студенты обычно приступают к лабораторным занятиям и применяют принципы токсикологии в исследованиях и других учебных проектах. Студенты старших курсов углубленно изучают конкретные области, такие как фармацевтическая промышленность или правоохранительные органы, где методы токсикологии применяются на практике. Общество токсикологов (SOT) рекомендует студентам, обучающимся в высших учебных заведениях, не предлагающих степень бакалавра по токсикологии, рассмотреть возможность получения степени по биологии или химии. Кроме того, SOT советует будущим токсикологам изучать статистику и математику, а также приобретать лабораторный опыт посредством лабораторных курсов, студенческих исследовательских проектов и стажировок. Чтобы стать врачом-токсикологом, врачи в Соединенных Штатах проходят ординатуру по таким специальностям, как неотложная медицина, педиатрия или внутренние болезни, затем проходят стажировку (fellowship) по медицинской токсикологии и в конечном итоге получают сертификацию Американского колледжа врачей-токсикологов (ACMT).
Обязанности
Токсикологи выполняют широкий спектр задач, включая проведение исследований в академической среде, некоммерческих организациях и промышленности, оценку безопасности продукции, консультации, государственную службу и правовое регулирование. Для изучения и оценки воздействия химических веществ токсикологи проводят тщательно спланированные исследования и эксперименты. Эти эксперименты помогают установить конкретное количество химического вещества, способного нанести вред, и оценить потенциальные риски, связанные с воздействием или использованием продуктов, содержащих определенные химические вещества. Исследовательские проекты могут охватывать оценку влияния токсичных загрязнителей на окружающую среду и изучение реакции иммунной системы человека на химические соединения в составе фармацевтических препаратов. Хотя основная задача токсикологов – определение воздействия химических веществ на живые организмы и окружающую среду, конкретные должностные обязанности могут различаться в зависимости от отрасли и места работы. Например, судебно-медицинские токсикологи могут выявлять токсичные вещества на месте преступления, а специалисты по токсичности водных экосистем – анализировать уровень токсичности водоемов.
Компенсация
Заработная плата в области токсикологии зависит от нескольких факторов, включая уровень образования, специализацию и опыт работы. Бюро статистики труда США (BLS) отмечает, что количество рабочих мест для биологов, в которое обычно входят и токсикологи, должно было вырасти на 21% в период с 2008 по 2018 год. BLS указывает, что этот рост может быть обусловлен расширением исследований и разработок в области биотехнологий, а также увеличением финансирования фундаментальных и медицинских исследований в биологических науках.