Allmänna kommentarer

Spektrumet av manifestationer av den toxiska processen bestäms av giftmedlets struktur. Emellertid är svårighetsgraden av den resulterande effekten en funktion av mängden aktivt medel.
För att beteckna mängden av ett ämne som verkar på ett biologiskt föremål används begreppet dos. Till exempel innebär införandet av ett giftämne i mängden 500 mg i magen på en råtta som väger 250 g och en kanin som väger 2000 g att djuren fick doser lika med 2 respektive 0,25 mg/kg (konceptet med "dos" kommer att diskuteras mer i detalj nedan).
Dos-effektsambandet kan spåras på alla nivåer av organisering av levande materia: från molekylär till population. I det här fallet, i den överväldigande majoriteten av fallen, kommer ett allmänt mönster att registreras: med ökande dos ökar graden av skada på systemet; Ett ökande antal av dess beståndsdelar är involverade i processen.
Beroende på den effektiva dosen kan nästan alla ämnen under vissa förhållanden vara skadliga för kroppen. Detta gäller för toxiska ämnen som verkar både lokalt (tabell 1) och efter resorption till inre miljöer (tabell 2).

Tabell 1. Samband mellan koncentrationen av formaldehyd i inandningsluften och allvaret av den toxiska processen

(P.M. Misiak, J.N. Miceli, 1986)

Tabell 2. Samband mellan koncentrationen av etanol i blodet och svårighetsgraden av den toxiska processen

(T.G. Tong, D. Pharm, 1982)

Manifestationen av dos-effektförhållandet påverkas avsevärt av intra- och interspecifik variabilitet hos organismer. Faktum är att individer som tillhör samma art skiljer sig väsentligt från varandra i biokemiska, fysiologiska och morfologiska egenskaper. Dessa skillnader beror i de flesta fall på deras genetiska egenskaper. På grund av samma genetiska egenskaper är interspecifika skillnader ännu mer uttalade. I detta avseende skiljer sig doserna av ett visst ämne i vilket det orsakar skador på organismer av samma och i synnerhet olika arter ibland mycket signifikant. Följaktligen återspeglar dos-effektsambandet egenskaperna hos inte bara det giftiga medlet, utan även den organism som den verkar på. I praktiken innebär detta att en kvantitativ bedömning av toxicitet, baserad på studiet av dos-effektsambandet, bör göras i försök på olika biologiska föremål och det är nödvändigt att tillgripa statistiska metoder för att bearbeta de erhållna uppgifterna.

Dos-effektsamband på nivån för enskilda celler och organ

2.1. Inledande anmärkningar

Det enklaste föremålet som behövs för att registrera den biologiska effekten av ett giftämne är en cell. När man studerar mekanismerna för toxisk verkan utelämnas ofta denna bestämmelse, vilket koncentrerar uppmärksamheten på att bedöma egenskaperna hos interaktionen mellan en kemisk substans och målmolekyler (se ovan). Ett sådant förenklat tillvägagångssätt, motiverat i de inledande stadierna av arbetet, är helt oacceptabelt när man går vidare till studiet av toxikologins grundläggande regelbundenhet - dos-effektförhållandet. I detta skede är det nödvändigt att studera de kvantitativa och kvalitativa egenskaperna för reaktionen av hela effektorapparaten för det biologiska objektet till ökande doser av giftmedlet och jämföra dem med verkningsmönstren för främlingsfientliga medel på molekylär nivå.

2.2. Grundläggande koncept

Receptorkonceptet för verkan av giftiga ämnen på en cell eller ett organ förutsätter att det är baserat på reaktionen av ett ämne med en specifik biologisk struktur - en receptor (se avsnittet "Verkningsmekanism"). Dessa idéer utvecklades djupast under studier av modeller för interaktion mellan främlingsfientliga läkemedel och selektiva receptorer för endogena bioregulatorer (neurotransmittorer, hormoner, etc.). Det är i denna typ av experiment som de grundläggande mönstren som ligger bakom dos-effektsambandet etablerades. Det är allmänt accepterat att processen för bildning av ett komplex av ett ämne med en receptor följer lagen om massverkan. Begrepp som gör det möjligt för oss att relatera de kvantitativa och kvalitativa egenskaperna hos denna primära reaktion och svårighetsgraden av effekten från hela det biologiska systemet förblir dock hypotetiska till denna dag. För att övervinna de svårigheter som uppstår är det vanligt att särskilja två toxikometriska egenskaper hos en främlingsfientlig:
1. Affinitet - återspeglar graden av affinitet hos giftämnet för en given typ av receptor;
2. Effektivitet - kännetecknar ämnens förmåga att orsaka en viss effekt efter interaktion med receptorn. I det här fallet kallas xenobiotika som imiterar verkan av en endogen bioregulator dess agonister. Ämnen som blockerar verkan av agonister kallas antagonister.

2.3. Affinitet

Att mäta affiniteten hos ett toxiskt ämne för en receptor är i huvudsak en experimentell studie av förhållandet mellan mängden av ett ämne som tillsätts till inkubationsmediet och mängden toxiskt-receptorkomplex som bildas som ett resultat av interaktion. En vanlig metodisk teknik är radioligandstudier (se ovan).
När man använder lagen om massaktion för att bestämma affinitet är det nödvändigt att ta hänsyn till att forskaren känner till de kvantitativa egenskaperna hos innehållet i miljön för endast en av deltagarna i processen - giftmedlet [P]. Antalet [R]T-receptorer som är involverade i reaktionen är alltid okänt. Det finns metodologiska tekniker och antaganden som gör det möjligt att övervinna denna komplexitet under experimentet och i analysstadiet för att bearbeta de erhållna resultaten.

2.3.1. Beskrivning av "toxikant-receptor"-interaktionen i enlighet med lagen om massverkan

I det enklaste fallet används de kinetiska egenskaperna för en andra ordningens reaktion för att beskriva bildandet av ett komplex mellan ett ämne och en receptor.

Enligt lagen om massaktion:

K D är dissociationskonstanten för det toxiska receptorkomplexet.
1/K D - konstant för den associativa processen, är ett mått på giftmedlets affinitet till receptorn.
Eftersom det totala antalet receptorer i systemet som studeras (cellkultur, isolerat organ, etc.) är summan av fria [R] och receptorer som interagerar med ämnet, då:

[R]T = + [R] (3)

Med hänsyn till ekvationerna (2) och (3), har vi

/[R] T = y = [P]/([P] + K D) (4)

Mättnadsgraden för en receptor med ett giftämne "y" är förhållandet mellan receptorn bunden till ämnet och det totala antalet receptorer. Eftersom mängden bildat komplex kan bestämmas experimentellt, blir det möjligt att beräkna K D-värdet i enlighet med ekvation (4). I en grafisk representation har beroendet av receptormättnad på koncentrationen av ett toxiskt ämne i mediet formen av en hyperbel, som också kan användas för att bestämma värdet på dissociationskonstanten.

2.3.2. Mer komplexa modeller av toxicant-receptor-interaktioner

Experimentellt erhållna giftiga bindningskurvor på receptorer är ofta brantare eller plattare än förväntat baserat på lagen om massverkan. Ibland avslöjas kurvor med ett komplext beroende av graden av mättnad av receptorn med ett giftämne på dess koncentration. Dessa avvikelser förklaras vanligtvis av tre omständigheter:
1. Reaktionen mellan ämnet och receptorn är inte bimolekylär. I det här fallet krävs en annan form för att specificera beroendet än den som presenteras av ekvation (4):

Y = [P] n /([P] n + K D) (5)

Där n (läkningskonstant) formellt återspeglar antalet giftiga molekyler som deltar i bildandet av ett toxiskt-receptorkomplex.
2. Populationen av receptorn som det giftiga medlet interagerar med är heterogen. Således, om ett biologiskt objekt innehåller två receptorsubtyper i lika stora mängder, som skiljer sig med 3 gånger i värdet på associationskonstanten för "toxicant-receptor"-komplexet, kommer det totala värdet av Heal-konstanten för det beroende som studeras att vara lika. till 0,94. Med stora skillnader i värdena på associationskonstanterna kommer dess integralvärde att skilja sig i ännu större utsträckning från 1,0.
3. Processen för bildning av "toxisk receptor"-komplexet påverkas i viss utsträckning av sådana fenomen som förändringar i receptorns konformation, samverkan mellan dess individuella subenheter och olika allosteriska effekter. Sålunda har kurvan för bindning av ett giftämne till receptorn ofta en S-form. Detta indikerar det ömsesidiga inflytandet från närliggande ställen för giftighetsbindning till makromolekylen (till exempel leder bildandet av ett komplex med en receptorsubenhet till en förändring i dess affinitet för andra, fria subenheter). En liknande effekt observeras när man studerar bindningen av acetylkolin genom en beredning av vävnadsmembran som innehåller en kolinerg receptor. En ökning av koncentrationen av fritt [3H]-acetylkolin i inkubationsmediet åtföljs av en ökning av substansens affinitet för receptorproteiner (Figur 1). Det lokalanestetiska medlet prilokain, när det tillsätts till inkubationsmediet, stör fenomenet med receptorkooperativitet och begränsar därigenom ökningen av acetylkolins affinitet för dem. Detta bevisas av en förändring i formen på kurvan för "bindande - giftiga koncentrationer" och dess omvandling från S-formad till konventionell hyperbolisk.

Figur 1. Effekt av prilokain på bindningen av acetylkolin till den kolinerga receptorn (J.B. Cohen et al., 1974)

2.4. Effektivitet

Många experiment har visat att det inte alltid finns ett direkt samband mellan förmågan hos ett ämne att bilda ett komplex med en viss typ av receptor och svårighetsgraden av den resulterande biologiska effekten (till exempel sammandragning av glatta muskelfibrer i tarmväggen, förändring i hjärtfrekvens, utsöndring av sekret från körteln, etc.). Ett antal teorier har föreslagits för att beskriva resultaten av experimentella studier där detta beroende studerades.
Som nämnts tidigare kan alla toxiska ämnen som interagerar med receptorn villkorligt delas in i agonister och antagonister. I detta avseende, nedan, när koncentrationen av ett giftigt ämne i miljön anges, kommer följande symboler att användas: [A] - agonistkoncentration; [B] är koncentrationen av antagonisten.

2.4.1. Yrkesteorier

Den allra första av de föreslagna teorierna tillhörde Clark (1926), som föreslog att svårighetsgraden av den observerade effekten är linjärt relaterad till antalet receptorer som upptas av giftmedlet (/[R]).
Som följer av ekvation (4)

/[R] T = [A]/([A] + KA) = E A /EM (6)

Där E A är svårighetsgraden av effekten av agonisten vid den applicerade koncentrationen;
E M - maximal möjlig effekt från det biologiska systemet som studeras;
KA är dissociationskonstanten för agonist-receptorkomplexet.
Enligt Clarks teori utvecklas en effekt på 50 % vid en dos agonist där 50 % av receptorerna är upptagna ([A] 50). Denna dos av ämnet kallas måttligt effektiv (ED 50).
På liknande sätt, i enlighet med lagen om massverkan, interagerar antagonisten också med receptorn utan att orsaka en effekt

K V = [V][R]/[VR] (8)

Där KB är dissociationskonstanten för receptor-antagonistkomplexet.
Om en agonist och antagonist verkar på en receptor samtidigt, så minskar naturligtvis antalet receptorer som kan komma i kontakt med agonisten. Det totala antalet receptorer i ett biologiskt objekt kan betecknas som

[R] T = [R] + + (9)

Enligt teorin under övervägande kan ett giftämne vara antingen en agonist eller en antagonist. Resultaten från ett flertal studier tyder dock på att en sådan klassificering av ämnen är otillräcklig för att beskriva de observerade effekterna. Det har fastställts att den maximala effekten som orsakas av olika agonister som verkar på samma receptorsystem inte är densamma.
För att övervinna denna motsägelse föreslog Stephenson (1956) tre antaganden:
- den maximala effekten kan orsakas av en agonist även om endast en liten del av receptorerna är upptagna;
- den utvecklande effekten är inte linjärt relaterad till antalet upptagna receptorer;
- giftiga ämnen har ojämlik effektivitet (relativ stimulerande aktivitet), d.v.s. förmågan att orsaka en effekt genom att interagera med receptorn. Följaktligen måste substanser med olika effektivitet, för att orsaka samma effekt, uppta olika antal receptorer.
I enlighet med dessa idéer beror styrkan på effekten inte bara på antalet upptagna receptorer, utan också på storleken på en viss stimulans "S", som bildas under bildandet av "toxisk receptor"-komplexet:

E A /E M = (S) = (e/[R] T) = (ey A) (10)

Där e är en dimensionslös storhet som kännetecknar agonistens effektivitet. Enligt Stephenson är detta ett mått på ett giftämnes förmåga att ge effekt när man bildar ett komplex med en receptor. Stephenson bestämde kvantitativt e = 1, förutsatt att den maximala effekten av ett ämne på ett biosystem är 50 % av det teoretiskt möjliga svaret av detta biosystem på en spännande stimulans.
Furchgott (1964) föreslog att värdet av "e" direkt beror på den totala koncentrationen av receptorer i det biologiska systemet [R] T, och introducerade det ytterligare begreppet "intern effektivitet" av ett ämne (), vars värde är omvänt proportionell mot koncentrationen av receptorer i systemet

E/[R] T (11)

Som följer av ekvation (10)

E A / E M = ([R] T y A) (12)

Att ersätta uttryck (6) i ekvation (12) leder till

E A / E M = (e[A]/([A] + K)) (13)

Om koncentrationen av receptorer som är redo att interagera med agonisten minskar med q gånger (med irreversibel blockering av receptorer av antagonisten), blir den verkliga effektiviteten av ämnet som studeras lika med qe, då tar ekvation (13) formen

E A * /E M * = (qe/( + K)) (14)

Detta mönster visas grafiskt i figur 2.

Figur 2. Effekten av histamin på ett preparat av tunntarmen hos ett marsvin under förhållanden med ökande blockad av receptorer med dibenamin (ED 50 = 0,24 μM; KA = 10 μM; e = 21) (R.F. Furchgott, 1966)

Ett annat koncept som tillåter oss att beskriva sambandet mellan den effektiva koncentrationen av ett ämne och svårighetsgraden av den utvecklande effekten föreslogs av Ariens (1954). Författaren föreslår att ämnet som studeras ska karakteriseras med ett värde betecknat som "intern aktivitet" (E)

(E) = E A.MAX /E M (15)

Eftersom den teoretiskt möjliga maximala effekten endast kan bestämmas experimentellt när man använder en stark agonist, ligger vanligtvis E-värdet för de flesta ämnen i intervallet 0< Е <1. Для полного агониста Е = 1, Е антагониста равна 0.
Således kan den maximala möjliga biologiska effekten utvecklas när det giftiga medlet upptar en del av receptorerna. I detta fall bör irreversibel bindning av ett visst antal receptorer endast leda till en förskjutning av dos-effektkurvan åt höger, utan att minska storleken på den maximala effekten. Först när en viss gräns för receptorbindning till antagonisten passeras börjar storleken på den maximala effekten minska.
Vanligtvis, under studier av dos-effektförhållandet ur yrkesteoriernas synvinkel, bestäms följande parametrar för att karakterisera giftiga ämnen:
1. KA - associationskonstant för agonist-receptorkomplexet (pKA = -lgKA). Eftersom värdet av detta värde ofta bedöms med en indirekt metod (d.v.s. inte av mängden "toxisk receptor"-komplex som bildas, utan av storleken på den utvecklade effekten när en viss mängd giftigt ämne tillsätts miljön) baserat på begreppet "stimuli" är det bättre att tala om "skenbar" associationskonstant.
2. EC 50 eller ED 50 - sådana koncentrationer eller doser av ett toxiskt ämne, under inverkan av vilka en respons från ett biologiskt föremål bildas lika i intensitet som 50 % av det maximalt möjliga (pD 2 = -lg ED 50).
3. KB - dissociationskonstant för receptor-antagonistkomplexet. Styrkan hos en kompetitiv antagonist kan uttryckas med endast en parameter - receptoraffinitet. Denna parameter utvärderas med den obligatoriska tillsatsen av en agonist till inkubationsmediet.

2.4.2. Teorin om "interaktionshastighet"

För att förklara de data som avslöjades i processen att studera dos-responssambandet, vilket inte kan förstås utifrån positionen yrkesteorin, föreslog Paton (1961) teorin om "interaktionshastighet".
Paton föreslog att svårighetsgraden av svaret från ett biologiskt system på verkan av ett ämne bestäms inte bara av antalet receptorer som det upptar, utan också av den hastighet med vilken ämnet interagerar med receptorn och sedan kopplar från den. Författaren använde följande jämförelse: en receptor är inte en orgeltangent, på vilken ju längre du trycker desto längre extraherar du ljudet, utan det är en pianotangent - här extraheras ljudet i anslagsögonblicket, och sedan, även om du håller ner tangenten länge, tonar ljudet fortfarande.
Enligt Patons teori är starka agonister ämnen som snabbt upptar och snabbt lämnar receptorn; Antagonister är ämnen som binder receptorn under lång tid.

2.4.3. Teorier om receptorkonformationsförändringar

För många substanser avviker dos-responskurvan signifikant från det hyperboliska funktionsförhållandet. Läkningskoefficienten för dessa kurvor är inte lika med 1 (se ovan). Som redan nämnts kan dessa egenskaper, såväl som den S-formade karaktären hos dos-responskurvorna, ibland förklaras av fenomenet kooperativ interaktion mellan receptorproteiner. Det har också visats att många kemiska receptormodifierare (till exempel ditiotreitol - en reducerande av sulfhydrylgrupper), irreversibla blockerare av kolinerga receptorer (till exempel -haloalkylaminer), andra antikolinerga läkemedel (atropin), konkurrenskraftiga muskelavslappnande medel, lokalanestetika och många andra ämnen ändrar formen på doseffektkurvan " för agonister, och gör den från S-formad till hyperbolisk.

För att förklara dessa och andra fenomen som är svåra att tolka ur yrkesteoriernas synvinkel (sensibilisering och desensibilisering av receptorer under inverkan av agonister), lade Katz och Theslef redan 1957 fram med exemplet att studera effekten av muskelavslappnande medel. en cyklisk (konformationell) modell för interaktion mellan ett giftämne och en receptor.
Modellen bygger på idén att både receptorn [R] och toxiskt-receptorkomplexet kan vara i ett aktivt (RA, RP A) och inaktivt tillstånd (RI, RP I). Detta visas schematiskt i figur 3.

Figur 3. Schema för interaktion mellan ett toxiskt ämne och en receptor i enlighet med Katz-Theslef-modellen.

Denna modell tillåter oss att förklara effekten av agonister och kompetitiva antagonister på receptorn.
En agonist, såsom acetylkolin, interagerar med RA eftersom den har en högre affinitet för RA än för RI, och bildar RP A-komplexet. Jämvikten mellan RP A och RP I skiftas mot RP A, eftersom RI har låg affinitet för agonisten, och RP I-komplexet dissocierar för att bilda fri RI. Utvecklingen av effekten bildas i stadiet av den konformationella transformationen av RP A till RP I. Intensiteten av stimulansen som uppstår i ett biologiskt system beror på antalet sådana transformationer per tidsenhet. Kompetitiva antagonister, till exempel d-tubokurarin, har en större affinitet för RA och minskar effekten av agonisten, vilket stänger av några av receptorerna från interaktionsprocessen med den senare.
Baserat på denna modell är det praktiskt taget omöjligt att experimentellt bestämma värdet av motsvarande omvandlingskonstanter eller agonisternas inneboende aktivitet. Därför används ockupationsmodeller fortfarande i stor utsträckning i experiment.

Dos-effektförhållande på kroppsnivå

3.1. Inledande anmärkningar

Biologiska system för vilka dos-effektsambandet studeras inom toxikologi är vävnader, organ och hela organismen. Olika organs och kroppssystems känslighet för giftiga ämnen är inte densamma. Det är därför detta forskningsstadium är nödvändigt för en detaljerad karakterisering av toxiciteten hos ämnet som studeras.
Studiet av isolerade organ under artificiella förhållanden som simulerar den naturliga miljön är av stor betydelse för att belysa mekanismerna för interaktion mellan det giftiga ämnet och organismen. Teorierna om receptorverkan av giftiga ämnen som beskrivs ovan är formulerade huvudsakligen på basis av data erhållna i experiment specifikt på isolerade organ. Det är inte förvånande att forskning om dessa föremål fortfarande intar en viktig plats inom toxikologin.

3.2. Dos-respons-kurva

Generellt kan man anta att dos-effektkurvan för en agonist i semi-logaritmiska koordinater (logaritm av dos - effektens svårighetsgrad) tar en S-form, oavsett ett antal kvalitativa och kvantitativa egenskaper hos den utvärderade funktionen. Metoden med vilken beroende studeras, antingen gradvis tillsättning av ett giftigt ämne till en inkubator, eller en enstaka verkan av ett ämne på ett biologiskt föremål i ökande koncentrationer, har ingen signifikant inverkan på resultatet om effekten inte bedöms i absoluta värden, men uttrycks i procent av det maximalt möjliga ( 100 %). Användningen av relativa värden är tillrådlig, om så bara för att alla biologiska preparat, med den mest noggranna beredningen, är unika i alla sina egenskaper, inklusive känslighet för kemikalier. Dessutom, under experimentet, minskar läkemedlets reaktivitet. Dessa omständigheter kräver obligatorisk standardisering av objektet före forskning. En grafisk representation av dos-responskurvan för ett toxiskt ämne P i jämförelse med kurvan för ett visst standardämne ger all nödvändig information om effekten av P, inklusive dess toxikometriska egenskaper.
Eftersom direkt jämförelse av kurvor som erhållits under ett experiment är tekniskt svår, jämförs ofta kurvornas viktigaste parametrar.

3.2.1. Genomsnittlig effektiv dos (IE 50)

Huvudparametern för dos-effektsambandet för ett visst giftigt och biologiskt föremål är värdet av den genomsnittliga effektiva dosen (ED 50), d.v.s. en sådan dos av ett ämne som, när det utsätts för ett föremål, utvecklar en effekt lika med 50 % av det maximalt möjliga. Vid arbete med isolerade organ används vanligtvis ett EC-värde på 50 (den genomsnittliga effektiva koncentrationen av ämnet i provet). Effektiva doser mäts vanligtvis i massenheter av giftämne per massenhet av biologiskt föremål (till exempel mg/kg); effektiva koncentrationer är i enheter av giftig massa per volymenhet av det använda mediet (till exempel g/liter; M/liter). Istället för värdet ED50 används ibland dess negativa logaritm: -log ED50 = pD2 (tabell 3).

Tabell 3. pD 2-värden för vissa toxiska ämnen erhållna i ett experiment på ett isolerat organ (den bedömda effekten är en minskning av läkemedlets muskelfibrer) (J.M. Van Rossumm, 1966)

3.2.2. Relativ aktivitet

En annan parameter för dos-effektsambandet är giftämnets relativa aktivitet, ett värde definierat som förhållandet mellan effekten som orsakas av giftmedlet vid en given dos och den maximala möjliga effekt som utvecklas när den verkar på biosystemet. Denna egenskap bestäms, som nämnts ovan, av värdet av ämnets (E) inre aktivitet.
I ordets snäva mening beskriver detta koncept fenomenet med skillnader i egenskaper hos agonister, med hänsyn till tydligt definierade idéer om mekanismen för deras toxiska verkan. Men för närvarande tolkas det ofta i utökad mening, som en indikator för att jämföra aktiviteten hos ämnen med vissa egenskaper, utan att ta hänsyn till de mekanismer genom vilka de initierar den observerade effekten. Figur 4 visar dos-effektkurvorna för en serie ämnen som skiljer sig åt i värdena av E och följaktligen ED 50, som verkar på den parasympatiska delen av det autonoma nervsystemet.

Figur Dos-effektkurvor för en serie parasympathomimetika (0< Е < 1,0), полученные на препарате изолированной тонкой кишки крысы. (J.M. Van Rossumm, 1966)

3.3. Biologisk variation

Det har redan indikerats att ett begränsat antal toxikologiska experiment kan utföras på samma biologiska föremål (i de enklaste fallen administrera en dos av ett ämne till ett djur; tillsätt ett ämne i ökande koncentration till ett inkubationsmedium som innehåller en isolerad orgel etc.). Sökandet efter ett dos-effektförhållande för ett, och ännu mer, flera giftiga ämnen kräver att många experiment ställs in, som involverar användningen av ett stort antal biologiska föremål. I detta avseende står forskaren inför fenomenet biologisk variabilitet. Även med noggrant urval finns det föremål som är både extremt känsliga och okänsliga för inverkan av kemikalier, vilket leder till en viss variation i de erhållna resultaten. Man måste komma ihåg att hur detta fenomen beaktas under analysen av experimentella data ofta påverkar slutvärdena för de studerade egenskaperna hos giftiga ämnen.
Grunden för att ta hänsyn till fenomenet biologisk variabilitet är metoden för att beräkna genomsnittet av de erhållna uppgifterna. När man fastställer värdet på ED 50 visar det sig vara likgiltigt om medelvärdet av doser som orsakar samma effekt på flera biologiska objekt, eller värdena för effekterna som erhålls under inverkan av vissa doser av giftämnet, utförs ut (Figur 5). Om uppgiften är att erhålla den resulterande dos-effekt-kurvan, är det endast doser som orsakar effekter av en viss svårighetsgrad från det biologiska objektets sida som är föremål för medelvärdesberäkning. Med ett annat tillvägagångssätt (medelvärdeseffekter) observeras en signifikant minskning av den slutliga dos-effektkurvans branthet i jämförelse med originaldata.

Figur 5. Konstruktion av en genomsnittlig dos-responskurva med hjälp av data erhållna på flera biologiska produkter med olika känslighet för det toxiska ämnet som studeras. Att använda metoden för medelvärdesberäkning av doser som orsakar samma effekter (A) ger det korrekta resultatet. Effektmedelvärdesmetoden (B) resulterar i en "tillplattad" resulterande kurva.

3.4. Kombinerad verkan av flera giftiga ämnen på ett biologiskt föremål

När agonister och antagonister verkar tillsammans på ett biologiskt objekt, är olika modifieringar av dos-effekt-förhållandet möjliga (inte förknippade med olika typer av kemiska och fysikalisk-kemiska interaktioner av xenobiotika). De vanligast registrerade förändringarna är:
- parallellförskjutning av dos-effektkurvan;
- minskning av de maximala värdena för dos-effektkurvan;
- parallellförskjutning med en samtidig minskning av maxvärden.
För närvarande, för att förklara de observerade effekterna, används begreppen i yrkesteorin om "toxisk-receptor"-interaktion oftast.

3.4.1. Parallellförskjutning av dos-responskurvan

Den huvudsakliga och mest använda förklaringen till parallellförskjutningen av dos-effektkurvan för ämne (A) med den samtidiga verkan av ämne (B) med intern aktivitet E = 0 på den biologiska produkten (införande i inkubationsmediet) är baserad på under antagandet att (B) är kompetitiv antagonist (A).
När vi utifrån ockupationsteorin jämför lika effektiva koncentrationer av agonisten i frånvaro ([A]) och med tillägg av antagonisten ([A*]) vid en viss koncentration [B], har vi

[A*]/[A] = 1 + [V]/K V (16)

Eftersom koordinaterna i vilka effekterna registreras och parallellförskjutningen observeras är semilogaritmiska, har vi när vi tar logaritmen för båda sidor av ekvation (16)

Logg - log[A] = log(1 + [B]/K B) = S (17)

LogK B = log(/[A] - 1) - log[B] (18)

Från ekvation (17) är det tydligt att storleken på kurvans förskjutning (S) endast beror på koncentrationen av [B] och värdet på dissociationskonstanten för KB-antagonist-receptorkomplexet (Figur 6). Förhållandet mellan storleken på stimulansen som orsakas av agonisten och effekten från biosystemets sida spelar ingen roll. Ofta används värdet pA2 = -logKB för att karakterisera antagonistens affinitet för receptorn.
Av ekvationerna (16) och (17) följer att pA2 är numeriskt lika med den negativa decimallogaritmen för koncentrationen av den kompetitiva antagonisten, vid vilken det är nödvändigt att fördubbla innehållet av agonisten i mediet för att erhålla effekt registrerad i frånvaro av antagonisten.

Figur Teoretiska dos-responskurvor för en agonist i frånvaro (A) och närvaro (A*) av antagonisten i inkubationsmediet vid en viss koncentration [B]. I det givna exemplet är skiftet S 1,3 och definieras som S = log - log[A]. Baserat på att S = log(1 + [B]/K D) kan KB bestämmas experimentellt.

3.4.2. Minska maxvärdena för dos-responskurvan

I ett antal fall, när man studerar dos-effektsambandet för en agonist (A*) i närvaro av en antagonist, avslöjas det att den maximala observerade effekten är betydligt svagare än den som observeras från verkan av samma substans i frånvaro av en antagonist (A). Denna minskning av den maximala effekten, som kan uppskattas i procent, tolkas utifrån sysselsättningsteorin enligt följande.
Den icke-konkurrerande antagonisten (B*) reagerar med receptorn (R*) i biosystemet, som inte är R-receptorn för agonisten (A), och bildningen av komplexet leder till en minskning av komplexets effektivitet . Detta leder till någon uppenbar minskning av den inneboende E-agonistaktiviteten, beroende på [B*].
Minskningen av de maximala värdena för dos-responskurvan kan också förklaras av irreversibel hämning av agonistreceptorn av en kompetitiv antagonist (B).
För att kvantitativt karakterisera aktiviteten hos en icke-konkurrerande antagonist, använd värdet på den negativa logaritmen för dissociationskonstanten för antagonist-receptorkomplexet

LogK B* = pD* 2

För att beräkna detta värde är det nödvändigt att experimentellt bestämma den maximala möjliga minskningen av effekten av agonisten i närvaro av en mättande koncentration av antagonisten (EAB*M). Sedan

PD* 2 = -log - log[(E AB*M - E A)/(E AB* - E A) - 1] (21)

Med hänsyn till (21), kan pD2 betraktas som den negativa logaritmen för koncentrationen av den icke-kompetitiva antagonisten, vid vilken effekten av agonisten reduceras med hälften av den maximalt uppnåbara nivån. I detta fall (E AB*M - E A)/(E AB* - E A) = 2. Vanligtvis, för att förenkla beräkningar, istället för E A-effekten, används de maximala effekterna som utvecklas under inverkan av A under olika förhållanden: E AM, E AMB, E AMVM.
Om det med hjälp av en icke-konkurrensantagonist är möjligt att helt blockera effekten av agonisten, kan värdet av pD* 2 beräknas med en enklare formel

PD* 2 = -log + log(E A /E AB* -1) (22)

3.4.3. Parallellväxling med samtidig reduktion av maxvärden

I praktiken är det extremt sällsynt att stöta på substanser (antagonister) som antingen orsakar en parallellförskjutning eller endast en minskning av maxvärdena för doseffektkurvan för agonisten. Som regel upptäcks båda effekterna. I detta avseende blir det tydligt att uppdelningen av många främlingsfientliga läkemedel i grupper av kompetitiva och icke-konkurrerande antagonister av ett antal receptorer till stor del är mekanistisk till sin natur. Ändå finns det i detta fall ett behov av att kvantitativt karakterisera effekten av ämnet.
pD 2 beräknas i enlighet med ekvation (22), i vilken istället för värdena för effekterna E A och E AB, värdena E AM och E AMB ersätts (Figur 7).

Figur Teoretiska kurvor över beroendet av agonistens [A] relativa effektivitet på dess koncentration i närvaro av antagonisten [B] i inkubationsmediet. För att beräkna värdet på pD 2 bör förhållandet mellan villkorligt lika effektiva doser [A] och [A*] användas, efter att ha bestämt motsvarande EAM och E AMB*. Beräkningen utförs i enlighet med ekvation (23), efter att ha bekräftat det faktum att den icke-konkurrerande antagonisten är komplett.

3.5. Bestämning av skenbara dissociationskonstanter för agonist-receptorkomplexet

Medan en direkt koppling mellan värdena för pA 2 och pD* 2-antagonister å ena sidan och dissociationskonstanterna för antagonist-receptorkomplexet å andra sidan är erkänd åtminstone teoretiskt, är kopplingen mellan pD 2 och KA för agonisten. är inte sådan i strikt mening, eftersom mellan bildningsstadiet av agonist-receptorkomplexet och bildningsstadiet för effekten ligger en kedja av mellanliggande länkar av biokemiska och fysiologiska reaktioner, som i regel är långt ifrån studerade. (se ovan). Av detta följer att det inte är möjligt att direkt bestämma affiniteten hos ett toxiskt ämne för receptorn (dvs värdet på dissociationskonstanten för toxikämnes-receptorkomplexet) baserat på det dos-effektsamband som byggts upp under experimentet. För att övervinna denna svårighet föreslås det att bestämma värdet på den skenbara dissociationskonstanten. Den klassiska metoden är att använda en irreversibel konkurrensantagonist.
År 1956 upptäckte Nickerson att alkylerande föreningar såsom a-haloalkylaminer, såsom dibenamin och fenoxibensamin, kan interagera irreversibelt med olika typer av receptorer. Receptorer för acetylkolin, histamin, serotonin och -adrenerga receptorer binder. Genom att studera den gemensamma interaktionen mellan inhibitorer och agonister med biologiska produkter, var det möjligt att:
- fastställa den specifika karaktären av verkan av haloalkylaminer på den agonistbindande regionen av receptorerna;
- klargöra klassificeringen av receptorer i enlighet med deras affinitet för endogena agonister.
Furchgott föreslog en metod baserad på en jämförelse av ekvieffektiva doser av en agonist som verkar på en intakt biologisk produkt och ett läkemedel som förbehandlats med en receptorhämmare (en minskning av [R] T med värdet q [R] T).
Effekten associerad med agonistens verkan före receptorblockad beskrivs av ekvation (13), efter blockad - med ekvation (14). En effekt av samma svårighetsgrad under dessa förhållanden utvecklas med samma stimulusvärde S. Om S = S*, då E A /EM = E A* /E M*, och sedan, genom att kombinera ekvationerna 13 och 14, får vi

1/[A] = 1/q 1/[A] + (1-q)/qK A (23)

Genom att konstruera beroendet i koordinaterna 1/[A] och 1/[A*] får vi en rät linje med en lutningsvinkel på 1/q och ett segment på 1/[A]-axeln lika med (1-q) /qK A . För praktisk bestämning av K A kan du använda uttrycket

K A = (lutning - 1)/segment

Databeredningsprocessen presenteras i figur 8:

Figur Bestämning av den skenbara dissociationskonstanten för agonister på den muskarinkänsliga receptorn i tunntarmens longitudinella muskel.
A). Dos-responskurva för acetylkolin för det intakta läkemedlet (q = 1), och läkemedlet behandlat i 20 minuter med fenokisbensamin (5 μM) (q = 0,1624).
b). Att plotta förhållandet mellan lika effektiva doser för det intakta och bearbetade läkemedlet i koordinaterna 1/[A] och 1/[A*] leder till en rät linje, baserat på vilken (liksom ekvation 23) dissociationens värden konstant kan beräknas.

Dos-respons relation i gruppen

4.1. Dos-effektsamband för ett giftämne

När man studerar dos-responssambandet i en grupp bestående av ett stort antal individer kan man utgå från de begrepp som utvecklats när man studerar sambandet på en enskild organisms nivå. En ytterligare faktor som påverkar de erhållna resultaten är individuell variabilitet.
Men även om reaktionen hos enskilda människor eller djur i en grupp på ett giftämne inte är densamma, kommer effektens svårighetsgrad och antalet individer (individer) som utvecklar den bedömda effekten ändå att öka när den effektiva dosen ökar. Till exempel, om ett ämne som orsakar irritation (irriterande) appliceras på testpersoners hud, kommer följande att observeras när mängden giftigt medel ökar: - en ökning av antalet testpersoner som kommer att utveckla ett irriterande ämne. reaktion; - svårighetsgraden av fenomenet irritation hos försökspersonerna kommer att öka. Av detta följer att de värden som erhålls under arbetet bör bestämmas med hänsyn till statistiska lagar.
När man studerar effekten av ett giftämne på kroppen bör man skilja mellan effekter vars svårighetsgrad gradvis beror på den aktuella dosen (till exempel blodtryckssänkning) och effekter av typen "allt eller inget" (död/överlevd) . Det bör beaktas att effekter av den första typen nästan alltid kan omvandlas till en form som lämpar sig för att bedöma effekter av den andra typen. För att bestämma dos-responssambandet i en grupp, tillgriper de vanligtvis två typer av experimentell design:
- med bildandet av undergrupper av studerade djur;
- utan att det bildas undergrupper.

4.1.1. Analys av dos-effektsambandet med hjälp av metoden för subgruppsbildning

Det vanligaste sättet att bestämma dos-responssambandet för en grupp är att bilda undergrupper inom den gruppen. Djur som ingår i undergruppen administreras det toxiska medlet i samma dos, och i varje efterföljande undergrupp ökas dosen. Bildandet av undergrupper bör utföras med slumpmässigt urval. I takt med att dosen ökar kommer andelen djur i varje undergrupp som utvecklar den bedömda effekten att öka. Det resulterande beroendet kan representeras som en kumulativ frekvensfördelningskurva, där antalet djur med positiv reaktion på giftämnet (en del av det totala antalet djur i undergruppen) är en funktion av dosen (fig. 9).

Figur Typisk dos-responskurva för en grupp djur, symmetrisk kring mittpunkten (50 % respons). Huvudvärdena för gruppens svar på giftämnet är centrerade kring medelvärdet.

I de flesta fall är grafen en S-formad log-normalfördelningskurva, symmetrisk kring mittpunkten. Ett antal viktiga egenskaper hos denna kurva kan identifieras, som bör beaktas vid tolkning av de erhållna resultaten.
Kurvans mittpunkt (50 % svarsvärde) eller den genomsnittliga effektiva dosen (U 50) är ett bekvämt sätt att karakterisera ett ämnes toxicitet. Om effekten som bedöms är dödligheten hos djuren i gruppen, betecknas denna punkt som den genomsnittliga dödliga dosen (se nedan). Detta värde är den mest exakta kvantitativa egenskapen för toxicitet, eftersom 95 % konfidensintervall är minimalt.
Känsligheten hos de flesta djur i populationen ligger nära medelvärdet. Dosintervallet som inkluderar huvuddelen av kurvan runt mittpunkten kallas ibland för läkemedlets "styrka".
En liten del av befolkningen på den vänstra sidan av dos-respons-kurvan reagerar på små doser av giftämnet. Detta är en grupp överkänsliga eller hyperreaktiva individer. En annan del av befolkningen på höger sida av kurvan reagerar bara på mycket stora doser av giftämnet. Dessa är okänsliga, hyporeaktiva eller resistenta individer.
Lutningen på dos-responskurvan, särskilt nära medelvärdet, kännetecknar spridningen av doser som orsakar effekten. Detta värde indikerar hur stor förändringen i befolkningens svar på verkan av ett giftämne blir med en förändring av den effektiva dosen. En brant sluttning indikerar att större delen av befolkningen kommer att reagera på ett giftämne på ungefär samma sätt över ett smalt dosintervall, medan en grund sluttning indikerar signifikanta skillnader i individers känslighet för giftämnet.
Formen på kurvan och dess ytterpunkter beror på ett antal yttre och inre faktorer, såsom tillståndet för skadereparationsmekanismer, reversibiliteten av de orsakade effekterna, etc. Den toxiska processen kanske inte utvecklas förrän kroppens försvarsmekanismer från det aktiva giftmedlet är uttömda och de biokemiska avgiftningsprocesserna blir mättade. På samma sätt kan mättnad av processerna för bildning av toxiska metaboliter från det ursprungliga främlingsmedlet göra att doseffektkurvan når en platå.
En viktig variant av dos-responskurvan är förhållandet som observeras i en genetiskt heterogen grupp. I en population med ett ovanligt stort antal individer där ökad känslighet för ett giftämne är genetiskt fixerad är det alltså möjligt att registrera avvikelser från den typiska S-formen på kurvans vänstra sida (fig. 10).

dos

Teckning 10. Variant av den kumulativa dos-effektkurvan med en uttalad hyperreaktiv komponent

Dos-responskurvan omvandlas ofta till ett linjärt samband genom att plotta den i log-probit-koordinater (dosen av ett giftämne representeras i logaritmer, svårighetsgraden av svaret i probits). Denna transformation gör det möjligt för forskaren att utsätta resultaten för matematisk analys (till exempel för att beräkna ett konfidensintervall, lutning, etc.) (Fig. 11).

Teckning 11. Transformation av experimentella data för att bestämma förhållandet "DOS - EFFEKT": a) "EFFEKT - DOS"-förhållande; b) beroende "EFFEKT - log DOS"; c) beroende "PROBIT EFFECT - log DOSE".

Med hjälp av metoden för att bilda undergrupper är det möjligt att bestämma beroendet av svårighetsgraden av den bedömda effekten (till exempel graden av blodtrycksfall, minskning av fysisk aktivitet etc.) på den aktuella dosen av giftmedlet. I det här fallet, baserat på erhållna data, bestäms den genomsnittliga storleken av effekten som utvecklades i subgruppen av försökspersoner på substansen vid den administrerade dosen, och konfidensintervallet för indikatorn bestäms vid varje punkt. Sedan konstrueras en graf över beroendet av effektens storlek på den administrerade dosen genom att hitta en approximationskurva genom ett "moln" av punkter (Figur 12).

Teckning 12. Dos-responskurva för att bedöma den anestetiska effekten av den neuroleptiska pimoziden när den administreras intraperitonealt till råttor. Varje punkt på grafen erhölls genom att registrera effekterna som erhölls i 10 - 20 djur.

4.1.2. Analys av dos-responssambandet utan att bilda undergrupper

När man studerar effekten av ämnen som snabbt distribueras men långsamt utsöndras från kroppen, är det möjligt att säkerställa deras gradvisa intravenösa administrering till ett försöksdjur fram till början av en toxisk effekt som är ganska bestämd i svårighetsgrad (till exempel en minskning av andningsfrekvens med 40 %). Därmed blir det möjligt för varje enskild organism att bestämma den dos av ett ämne som ger den önskade effekten. Studien är gjord på en ganska stor grupp djur. Om vi ​​plottar beroendet av antalet djur hos vilka effekten har utvecklats på storleken på de använda doserna, kommer vi att få den redan välkända S-formade kurvan, vars analys utförs enligt allmänna regler.

4.1.3. Dos-effektsamband för dödlighet

4.1.3.1. Allmänna synpunkter

Eftersom död efter exponering för ett giftigt ämne är en alternativ reaktion implementerad enligt "allt eller ingenting"-principen, anses denna effekt vara den mest bekväma för att bestämma toxiciteten hos ämnen, den används för att bestämma värdet av den genomsnittliga dödliga dosen (LD 50 ).
Bestämning av akut toxicitet med "dödlighet"-indikatorn utförs med metoden för att bilda undergrupper (se ovan). Det giftiga medlet administreras på ett av de möjliga sätten (enteralt, parenteralt) under kontrollerade förhållanden. Det bör beaktas att administreringsmetoden för ämnet mest signifikant påverkar toxicitetens storlek (tabell 4).

Tabell 4. Effekt av administreringsväg på toxiciteten av sarin och atropin på laboratoriedjur

Djur av samma kön, ålder, vikt, som hålls på en specifik diet, under nödvändiga förhållanden, temperatur, luftfuktighet etc. används. Studierna upprepas på flera typer av försöksdjur. Efter administrering av den testkemiska föreningen görs observationer för att bestämma antalet döda djur, vanligtvis under en period av 14 dagar. Vid applicering av ett ämne på huden är det absolut nödvändigt att registrera kontakttiden samt ange villkoren för applicering (exponeringen utfördes från ett stängt eller öppet utrymme). Det är uppenbart att graden av hudskada och svårighetsgraden av den resorptiva effekten är en funktion av både mängden applicerat material och varaktigheten av dess kontakt med huden. För alla andra exponeringsvägar än inandning uttrycks exponeringsdosen vanligtvis som massan (eller volymen) av testämnet per kroppsviktsenhet (mg/kg; ml/kg).
För exponering vid inandning uttrycks exponeringsdosen som mängden testämne som finns i en volymenhet luft: mg/m3 eller delar per miljon (ppm). Med denna exponeringsmetod är det mycket viktigt att ta hänsyn till exponeringstiden. Ju längre exponering, desto högre exponeringsdos, desto högre risk för negativa effekter. Den information som erhålls om dos-responssambandet för olika koncentrationer av ett ämne i inandningsluft bör erhållas vid samma exponeringstid. Experimentet kan struktureras olika, nämligen olika grupper av försöksdjur andas in ämnet i samma koncentration, men under olika tidpunkter.
För en ungefärlig bedömning av toxiciteten hos inhalationsaktiva substanser, som samtidigt tar hänsyn till både koncentrationen av giftämnet och tidpunkten för dess exponering, är det vanligt att använda "toxodos"-värdet, beräknat enligt formeln som föreslås av Haber vid början av århundradet:

W = Ct, där

W - toxodos (mg min/m 3)
C - giftighetskoncentration (mg/m 3)
t - exponeringstid (min)

Det antas att vid kortvarig inandning av ämnen uppnås samma effekt (död av försöksdjur) både vid kort exponering för höga doser och längre exponering för ämnen i lägre koncentrationer, samtidigt som produkten av tid och koncentration för ämnet. förblir oförändrad. Oftast användes definitionen av toxodos av ämnen för att karakterisera kemiska krigföringsmedel. Toxicitetsvärdena för vissa kemiska ämnen presenteras i tabell 5.

Tabell 5. Toxodeser av giftiga ämnen (med inandningsexponering)

(M. Kruger, 1991)

Dos-dödlighetskurvan liknar vanligtvis till formen den kumulativa frekvensfördelningskurvan för andra dos-responssamband (se ovan). För att jämföra erhållna data och statistisk bearbetning omvandlas kurvan till formen av ett linjärt beroende med hjälp av koordinatsystemet "log D - probit".
Toxicitet i termer av "dödlighet" fastställs vanligtvis av en viss dödsnivå för djur i gruppen. Den vanligaste referensnivån är 50 % djurdödlighet, eftersom detta motsvarar medianen för dosfördelningskurvan kring vilken de flesta positiva svaren är symmetriskt koncentrerade (se ovan). Detta värde kallas den genomsnittliga dödliga dosen (koncentration). Per definition orsakar ett ämne som verkar vid denna dos hälften av djurpopulationens död.
Konceptet att bestämma LD 50 för ämnen formulerades först av Trevan 1927. Från detta ögonblick börjar bildandet av toxikologi som en verklig vetenskap, som arbetar med de kvantitativa egenskaperna hos den egenskap som studeras (toxicitetsvärde).
Som andra dödlighetsnivåer som ska bestämmas kan värdena för LD 5 och LD 95 väljas, vilka enligt statistikens lagar ligger nära tröskeln respektive maximum för den toxiska effekten och är gränserna för dosintervallet inom vilket effekten huvudsakligen realiseras.
Av etiska och ekonomiska skäl försöker de använda ett minsta antal försöksdjur i experimentet för att bestämma LD 50. I detta avseende är bestämningen av det önskade värdet alltid förknippat med en osäkerhetsfaktor. Denna osäkerhet tas med i beräkningen genom att hitta 95 % konfidensintervall för det fastställda värdet. Doser som faller inom detta intervall är inte måttligt dödliga bara med en sannolikhet på mindre än 5 %. Konfidensintervallet för LD50-värdet är betydligt mindre än konfidensintervallen för doser av andra dödlighetsnivåer, vilket är ett ytterligare argument till förmån för denna speciella egenskap hos parametrar för akut toxicitet.
Som redan nämnts är en viktig egenskap hos varje dos-responskurva dess branthet. Således, om två ämnen har statistiskt omöjliga LD 50-värden och samma branthet i dos-effekt-toxicitetskurvan (dvs statistiskt oskiljbara LD 16- respektive LD 84-värden), är de, i termer av dödlighet, ekvitoxiska i en brett dosintervall (ämnen A och B i fig. 13). Ämnen med liknande LD50-värden, men olika lutningar på toxicitetskurvan, skiljer sig dock signifikant åt i sina toxiska egenskaper (ämne C i fig. 13).

Teckning 13. Dos-effektsamband av giftiga ämnen med liknande LD50-värden, men olika lutningar

Ämnen med ett platt dos-effektsamband utgör en stor fara för personer med svår överkänslighet mot giftiga ämnen. Ämnen med en hög lutning av beroende är farligare för hela befolkningen, eftersom även en liten ökning av dosen jämfört med den minsta effektiva leder till utveckling av en effekt hos majoriteten av befolkningen.

4.1.3.2. Bestämning av säkra doser av giftiga ämnen

I vissa fall finns det ett behov av att kvantifiera värdet av den maximala icke-aktiva (säkra) dosen av giftiga ämnen.
En metod för att lösa detta problem föreslogs av Goddam. Studien bygger på att fastställa dos-effektsambandet hos en grupp djur. Det är önskvärt att effekten som bedöms är tillräckligt känslig och inte bedöms i en alternativ form (till exempel en minskning av enzymaktivitet, ett ökat blodtryck, en avmattning i tillväxten, försämrad hematopoiesis, etc.). Beroendegrafen plottas i koordinaterna "logaritm för dosen - effektens svårighetsgrad." Kurvanalys låter dig utvärdera ett antal indikatorer. Eftersom kurvan som regel har en S-form, isoleras en sektion inom vilken beroendet är linjärt. Bestäm den raka linjens branthet (b). Tröskeleffekten (y S) bestäms av formeln: y S = tS, där t är studentkoefficienten bestämd från motsvarande tabeller; S är standardavvikelsens värde som bestäms från grossistdata. Tröskeldos (D S) är den dos vid vilken ett ämne orsakar en tröskeleffekt. För en säker dos (D I) har vi

Log D I = log D S - 6(S/b)

Exempel visas i figur 14

Ekotoxikometri – en del av ekotoxikologin som undersöker metodologiska tekniker som gör att man kan bedöma (prospektivt eller retrospektivt) främlingsfientliga läkemedels ekotoxicitet.

Alla typer av klassiska kvantitativa toxikologiska studier används fullt ut för att bestämma ekotoxiciteten hos främlingsfientliga läkemedel.

Den akuta toxiciteten hos ekoföroreningar bestäms experimentellt på flera arter som är representanter för olika nivåer av trofisk organisation i ekosystemet (alger, växter, ryggradslösa djur, fiskar, fåglar, däggdjur). Vid fastställande av kriterier för kvaliteten på vatten som innehåller ett visst giftigt ämne kräver US Environmental Protection Agency att dess toxicitet bestäms på minst 8 olika arter av sötvattens- och marina organismer (16 tester).

Upprepade försök har gjorts att rangordna arter av levande varelser efter deras känslighet för främlingsfientliga läkemedel. Men för olika giftämnen är förhållandet mellan levande varelsers känslighet för dem olika. Dessutom är användningen i ekotoxikologi av "standardarter" av representanter för vissa nivåer av ekologisk organisation för att bestämma ekotoxiciteten för främlingsfientliga läkemedel vetenskapligt felaktig, eftersom känsligheten hos djur, även närbesläktade arter, ibland skiljer sig mycket signifikant.

Dos-effektsamband (epidemiologiskt tillvägagångssätt). Spektrumet av manifestationer av den toxiska processen bestäms av giftmedlets struktur. Emellertid är svårighetsgraden av den resulterande effekten en funktion av mängden aktivt medel. Giftiga ämnen, biologiska ämnen, penetrerande strålning och andra skadliga faktorer kan betraktas som skadliga ämnen. En mängd olika egenskaper kan beaktas som effekter. Till exempel död, en indikator som går utöver den biologiska normen, etc. För att beteckna mängden av ett ämne som verkar på ett biologiskt föremål, används begreppet - dos (verkande dos). Typen av skadligt medel och tillförselvägen för den påverkande dosen kan vara mycket olika. Stötdosen kan mätas direkt med hjälp av tekniska medel och uttryckas i lämpliga enheter (mg/kg, mg/m3, grått, celler/kg, etc.). Till exempel innebär injektionen av ett giftämne i en mängd av 500 mg i magen på en råtta som väger 250 g och en kanin som väger 2000 g att djuren fick doser lika med 2 respektive 0,25 mg/kg. Exponeringsdosen har en normalfördelning och kännetecknas av medelvärdet och spridningen på grund av felet i dess mätning. Dos-effektsambandet kan spåras på alla nivåer av organisering av levande materia: från molekylär till population. I det här fallet, i den överväldigande majoriteten av fallen, kommer ett allmänt mönster att registreras: med ökande dos ökar graden av skada på systemet; Ett ökande antal av dess beståndsdelar är involverade i processen. Beroende på den effektiva dosen kan nästan alla ämnen under vissa förhållanden vara skadliga för kroppen.

Manifestationen av dos-effektförhållandet påverkas avsevärt av intra- och interspecifik variabilitet hos organismer. Faktum är att individer som tillhör samma art skiljer sig väsentligt från varandra i biokemiska, fysiologiska och morfologiska egenskaper. Dessa skillnader beror i de flesta fall på deras genetiska egenskaper. På grund av samma genetiska egenskaper är interspecifika skillnader ännu mer uttalade. I detta avseende skiljer sig doserna av ett visst ämne i vilket det orsakar skador på organismer av samma och i synnerhet olika arter ibland mycket signifikant. Följaktligen återspeglar dos-effektsambandet egenskaperna hos inte bara det giftiga medlet, utan även den organism som den verkar på. I praktiken innebär detta att en kvantitativ bedömning av toxicitet, baserad på studiet av dos-effektsambandet, bör göras i försök på olika biologiska föremål och det är nödvändigt att tillgripa statistiska metoder för att bearbeta de erhållna uppgifterna.

Dos-effektsambandet ska inte förväxlas med dos-responssambandet, det senare bestämmer graden av förändring i den valda indikatorn jämfört med normen. Svaret kan mätas antingen i absoluta enheter eller i relativa enheter (procent).

När man fastställer en kritisk nivå för en norm(kontroll)indikator och beräknar frekvensen av dess överskott i ett experimentellt prov, övergår dos-responssambandet till ett dos-effektsamband eller en effektivitetsfunktion för ett givet kriterium. Effektivitetsfunktionen består av en samling poäng. Varje punkt bildas på grund av förekomsten av individuella egenskaper i testobjekten (individuell känslighet), vilket i slutändan leder till antingen uppkomsten av ett registrerat tecken eller dess frånvaro när det utsätts för en given dos av faktorn som studeras.

Det vanligaste sättet att bestämma dos-responssambandet för en grupp är att bilda undergrupper inom den gruppen. Djur som ingår i undergruppen administreras det toxiska medlet i samma dos, och i varje efterföljande undergrupp ökas dosen. Bildandet av undergrupper bör utföras med slumpmässigt urval. I takt med att dosen ökar kommer andelen djur i varje undergrupp som utvecklar den bedömda effekten att öka. Det resulterande beroendet kan representeras i form av en kumulativ frekvensfördelningskurva, där antalet djur med en positiv reaktion på giftämnet (en del av det totala antalet djur i undergruppen) är en funktion av dosen (Fig. 2) ).

Ris. 2. Typisk dos-responskurva för en grupp djur,
symmetrisk om mittpunkten (50% svar). Grundläggande
gruppsvarsvärden på ett giftigt ämne är centrerade kring
Genomsnittligt värde

I de flesta fall är grafen en S-formad log-normalfördelningskurva, symmetrisk kring mittpunkten. Ett antal viktiga egenskaper hos denna kurva kan identifieras, som bör beaktas vid tolkning av de erhållna resultaten.

1. Kurvans mittpunkt (50 % svarsvärde) eller genomsnittlig effektiv dos(ED 50) är ett beräknat statistiskt värde, som också har en normalfördelning och kännetecknas av ett medelvärde och varians. Den effektiva dosen beräknas utifrån effektsannolikheterna, och dess varians inkluderar både effektdosfelet och effektfelet. Den effektiva dosen vid varje punkt av funktionen betecknas med en viss kategori som motsvarar sannolikheten för effekten. Om effekten som bedöms är dödligheten hos djuren i gruppen, betecknas denna punkt som den genomsnittliga dödliga dosen. Uppsättningen av effektiva doser utgör faktiskt effektivitetsfunktionen.

2. Känsligheten hos de flesta djur i populationen ligger nära medelvärdet. Dosintervallet som inkluderar huvuddelen av kurvan runt en central punkt kallas ibland för läkemedlets "styrka".

3. En liten del av befolkningen på den vänstra sidan av dos-respons-kurvan svarar på låga doser av giftämnet. Detta är en grupp överkänsliga eller hyperreaktiva individer. En annan del av befolkningen på höger sida av kurvan reagerar bara på mycket stora doser av giftämnet. Dessa är okänsliga, hyporeaktiva eller resistenta individer.

4. Lutningen på dos-responskurvan, särskilt nära medelvärdet, kännetecknar spridningen av doser som orsakar effekten. Detta värde indikerar hur stor förändringen i befolkningens svar på verkan av ett giftämne blir med en förändring av den effektiva dosen. En brant sluttning indikerar att större delen av befolkningen kommer att reagera på ett giftämne på ungefär samma sätt över ett smalt dosintervall, medan en grund sluttning indikerar signifikanta skillnader i individers känslighet för giftämnet.

Formen på kurvan och dess ytterpunkter beror på ett antal yttre och inre faktorer, såsom tillståndet för skadereparationsmekanismer, reversibiliteten av de orsakade effekterna, etc. Den toxiska processen kanske inte utvecklas förrän kroppens försvarsmekanismer från det aktiva giftmedlet är uttömda och de biokemiska avgiftningsprocesserna blir mättade. På samma sätt kan mättnad av processerna för bildning av toxiska metaboliter från det ursprungliga främlingsmedlet göra att doseffektkurvan når en platå.

Traditionellt har det inom toxikologin funnits en naturlig tro att när giftdosen ökar, bör sannolikheten för den förväntade effekten öka och närma sig en. Det är precis så den giftiga effekten av de allra flesta skadliga ämnen och gifter visar sig på levande organismer. Mer om denna frågaA.Albert (1958) noterade (Enligt: ​​S.V. Krishtopenko et al., 2001): ”Bör någon förvänta sig en minskning av den toxiska effekten av någon biologiskt aktiv substans när koncentrationen ökar? Men några exempel visar var detta händer." I vissa testdosområden antar förhållandet dos-effekt en icke-linjär form och är helt oförmögen till matematisk analys med traditionella metoder.

Enligt de uppgifter som lämnats i arbetet av M.G. Domschlag (1998), baserat på resultaten av miljöstudier, en ickelinjär (bimodal, inverterad,V-formad, inklusive segment med superlinjäritet, sublinjäritet och linjäritet) beroende "koncentration (dos) - effekt" under påverkan av kemiska mutagener, giftiga föreningar och lågintensiv bestrålning (Enligt: ​​S.V. Krishtopenko et al., 2001).

Detta fenomen kallas inom toxikologi "paradoxal toxicitet". Man tror att dess ursprung beror på den samtidiga implementeringen av olika mekanismer för toxicitet och manifestationer av kroppens skyddsreaktioner (till exempel avgiftning skadlig ämnen). I denna mening finns det inget ovanligt (paradoxalt) i toxodynamiken hos sådana medel. I vissa fall är mekanismerna för att realisera dessa effekter okända. Termen "paradoxal toxicitet" i sig bör förstås som fenomenet med en minskning av sannolikheten för manifestation av ett registrerat symptom (effekt) i ett experimentellt prov av testobjekt med en konsekvent ökning av doser av skadliga ämnen.

Termen "paradoxal toxicitet" används för att karakterisera giftiga ämnen. I det här fallet, om andra indikatorer används som ett registrerat tecken, definieras förhållandet "dos-effekt" av den allmänna termen "paradoxal effektivitet".

Den paradoxala effektivitetsfunktionen är ett specialfall av dos-effektsambandet. I ett tvådimensionellt koordinatsystem reflekterar det vid varje punkt sannolikheten för att ett registrerat tecken ska inträffa när det utsätts för den testade dosen. De testade doserna registreras på abskissaxeln, och sannolikheterna (frekvenserna) för effekter efter exponering för dessa doser registreras på ordinataaxeln. Karaktäristiken beaktas i en alternativ form (1 - det finns en manifestation av egenskapen, 0 - det finns ingen manifestation av egenskapen) med hjälp av termerna "frekvens" och "sannolikhet" för effekten.

Effektfrekvens- detta är ett relativt värde, uttryckt i bråkdelar av en enhet eller i procent och hittat experimentellt genom att relatera antalet testobjekt som visade det angivna tecknet till det totala antalet testobjekt i experimentgruppen.

Sannolikhet för effekt kallas ett förutsagt relativvärde, beräknat med statistiska metoder och även uttryckt i relativa enheter eller i procent. Till exempel, för att konvertera frekvensvärdena för effekter till sannolikhetsvärden, används Van den Weerden-formeln:

P= n+1/N+2,

Varn– antal objekt i den valda gruppen,

N– det totala antalet föremål i det studerade urvalet av djur.

Det kvantitativa värdet av frekvensen av effekten karakteriserar sannolikheten för förekomst i det experimentella provet av testobjekt av individer med uttalad känslighet för en given dos av testmedlet. Det är för denna kategori av testobjekt som de angivna egenskaperna registreras. När dosen ökar kan förhållandet mellan känsliga testobjekt i nya experimentella prover förändras, vilket är orsaken till bildandet av typen av effektivitetsfunktion. Med en enhetlig ökning av antalet känsliga testobjekt med ökande doser bildas en linjär effektivitetsfunktion. Annars kan typen av effektivitetsfunktion vara väldigt olika, inklusive att minska med ökande doser, det vill säga paradoxalt.

Inom modern toxikometri är problemet med att bedöma fenomenet paradoxal toxicitet att det hittills inte har utvecklats någon adekvat matematisk modell på grundval av vilken det skulle vara möjligt att planera ett experiment och bearbeta erhållna data, vilket bevisar närvaron eller frånvaron av paradoxala effekter. Klassiska metoder för att konstruera en effektivitetsfunktion och bestämma kategorier av effektiva doser är olämpliga om effektivitetsfunktionen skiljer sig från normalfördelningsfunktionen.

Dos-effektsamband i termer av dödlighet. Eftersom döden efter inverkan av ett giftigt ämne är en alternativ reaktion, implementerad enligt "allt eller ingenting"-principen, anses denna effekt vara den mest bekväma för att bestämma ämnens toxicitet, den används för att bestämma värdet medeldödlig dos (LD 5 0 (LD 50)). Genomsnittlig dödlig dos (eller koncentrationLC 50) - mängden gift som orsakar döden för 50 % av en standardgrupp av försöksdjur vid en viss uppföljningsperiod.

Bestämning av akut toxicitet med "dödlighet"-indikatorn utförs med metoden att bilda undergrupper. Det giftiga medlet administreras på ett av de möjliga sätten (till exempel för råttor, möss - enteralt, parenteralt) under kontrollerade förhållanden.

Man måste ta hänsyn till att administreringssättet för ämnet mest signifikant påverkar toxicitetens storlek (tabell 3).

Tabell 3

Effekt av administreringsväg på toxiciteten av sarin och atropin
för försöksdjur (enligt: ​​S.A. Kutsenko, 2002)

Djur av samma kön, ålder, vikt, som hålls på en specifik diet, under nödvändiga förhållanden, temperatur, luftfuktighet etc. används. Studierna upprepas på flera typer av försöksdjur. Efter administrering av den testkemiska föreningen görs observationer för att bestämma antalet döda djur, vanligtvis under 14 dagar.

Dos-dödlighetskurvan liknar vanligtvis till formen den kumulativa frekvensfördelningskurvan för andra dos-responssamband. I syfte att jämföra erhållna data och statistisk bearbetning omvandlas kurvan till formen av ett linjärt beroende.

Toxicitet i termer av dödlighet bestäms vanligtvis av en viss dödsnivå för djur i gruppen. Oftast används 50 % djurdödlighet som kontrollnivå, eftersom detta motsvarar medianen för dosfördelningskurvan, kring vilken majoriteten av positiva svar är symmetriskt koncentrerade.

Konceptet att bestämma LD 50 för ämnen formulerades först av Trevan 1927. Från detta ögonblick börjar bildandet av toxikologi som en verklig vetenskap, som arbetar med de kvantitativa egenskaperna hos den egenskap som studeras (toxicitetsvärde). Som andra dödlighetsnivåer som ska bestämmas kan värdena för LD 5 och LD 95 väljas, vilka enligt statistikens lagar ligger nära tröskeln respektive maximum för den toxiska effekten och är gränserna för dosintervallet inom vilket effekten huvudsakligen realiseras.

Som redan nämnts är en viktig egenskap hos varje dos-responskurva dess branthet. Således, om två ämnen har statistiskt omöjliga LD 50-värden och samma branthet i dos-effekt-toxicitetskurvan (dvs. statistiskt oskiljbara LD 16- respektive LD 84-värden), är de ekvitoxiska när det gäller dödlighet över ett brett intervall av doser (ämnen A och B i fig. 3). Ämnen som har liknande LD50-värden, men olika lutningar på toxicitetskurvan, skiljer sig dock signifikant åt i sina toxiska egenskaper (ämne C i fig. 3).

Ris.. Dos-effektsamband av giftiga ämnen med liknande värden
LD 50-värden, men med olika lutningar

Förutom dödliga doser särskiljer ekotoxikometri också tröskeldoser:

RSt 10 – för inandningsförgiftning;

PD 10 (PD 10) – för andra typer av exponering,

där indexet indikerar uppkomsten av tecken på förgiftning.

A-priory, Tröskel för skadlig effekt – lägsta koncentration (dos) av ett ämne i ett föremål miljö, under påverkan av vilka i kroppen (under specifika förhållanden för intag av ämnet och en standard statistisk grupp av djur) inträffar förändringar som går utöver gränserna för fysiologiska adaptiva reaktioner, eller dold (tillfälligt kompenserad) patologi. Engångströskeln indikeras av symbolen Lim(ac), tröskeln för kronisk åtgärd indikeras av symbolen Lim(ch).

Vid bedömning av ekotoxicitet är det nödvändigt att ta hänsyn till att även om nästan alla ämnen kan orsaka akuta toxiska effekter, upptäcks inte kronisk toxicitet i varje förening. Ett indirekt värde som indikerar graden av fara för ett ämne under dess kroniska verkan är förhållandet mellan koncentrationer som orsakar akuta och kroniska effekter. Om detta förhållande är mindre än 10 anses ämnet ha låg risk för kronisk exponering.

Vid bedömning av ett ämnes kroniska ekotoxicitet måste följande omständigheter beaktas:

1. Att bestämma farokoefficienten är bara det allra första steget för att bestämma ett ämnes ekotoxiska potential. Under laboratorieförhållanden bestäms tröskelkoncentrationerna av de kroniska effekterna av giftiga ämnen genom att bedöma gruppens dödlighet, tillväxt och reproduktionsförmåga. Att studera andra effekter av kronisk exponering för ämnen kan ibland leda till olika numeriska egenskaper.

2. Toxicitetsstudier utförs på djur som är lämpliga för laboratorieförhållanden. De erhållna resultaten kan inte betraktas som absoluta. Giftiga ämnen kan orsaka kroniska effekter hos vissa arter men inte hos andra.

3. Interaktionen mellan ett giftigt ämne och biotiska och abiotiska delar av miljön kan avsevärt påverka dess toxicitet under naturliga förhållanden.

Befolkningsnaturen för dos-effektsambandet (Enligt: ​​V.S. Bezel et al., 1994). Miljötoxikologi arbetar med en obligatorisk supraorganismal rang av indikatorer.

Det måste finnas ett visst kritiskt antal individer i en population, under vilken dess existens under naturliga förhållanden är omöjlig. Denna kritiska situation motsvarar en viss procentandel av "drabbade individer".

Problemet med att uppskatta utbudet av effektiva doser för biologiska system av olika rang är komplext och oupplösligt kopplat till normbegreppet.

Teorin om normer som tillämpas på biologiska system är för närvarande otillräckligt utvecklad.

I den evolutionära utvecklingsprocessen har växt- och djurorganismer förvärvat förmågan att adekvat reagera på förändringar i miljön orsakade av förändringar i naturliga och klimatiska faktorer. Biologiska system av olika rang är evolutionärt oförberedda för effekterna av antropogena faktorer, inklusive teknogena föroreningar. Deras reaktion på den teknogena processen är ospecifik inom ramen för traditionella, evolutionärt fixerade kompensationsmekanismer. Endast i detta fall kan anpassningsförmågan överskridas och parametrarna som kännetecknar de biologiska systemens funktion kan överskrida de tillåtna gränserna.

Den mest karakteristiska indikatorn på normen för biologiska system är förmågan att ändra sina funktionella parametrar under föränderliga existensförhållanden för att upprätthålla systemet under optimala förhållanden. Med andra ord är helhetens norm normen för samverkan mellan dess delar i processen att anpassa systemet till existensvillkoren.

En befolkning som ett system av sammankopplade individer, redan på grund av den initiala heterogeniteten hos dess individuella ekologiskt-funktionella grupper, kännetecknas av mångfalden av deras svar på varje yttre påverkan. Det finns en sorts reserv av ärftligt fixerad intraspecifik variabilitet, som å ena sidan manifesterar sig i ett brett spektrum av individuella subpopulationsgrupper som svar på teknogen miljöförorening, och å andra sidan beror på närvaron av en specifik population mekanismer för att kompensera för ogynnsamma förändringar i befolkningens struktur och funktion orsakade av föroreningar. Denna reserv är en nödvändig komponent i befolkningens normala reaktion på teknogen miljöförorening.

I samband med ovanstående bör dos-effektsambandets populationskaraktär ta hänsyn till följande omständigheter.

1. Kvantitativ bedömning av "dosen" innebär att man tar hänsyn till måttet på toxisk påverkan, vilket inte bara återspeglar de genomsnittliga halterna av giftiga ämnen i miljöföremål, utan specificiteten hos befolkningen som ett heterogent föremål, vars delar upplever toxiska effekter av varierande intensitet. Det kan till exempel vara det totala innehållet eller flödet av giftiga ämnen, uppdelat i enskilda komponenter motsvarande befolkningsstrukturen.

2. På liknande sätt bör bedömningen av effekten inkludera några integrerade indikatorer på befolkningens tillstånd som direkt styr stabiliteten i dess struktur och funktion. Till exempel indikatorer på fertilitet eller fruktsättning, överlevnad, produktivitet, ockuperat område eller antal, etc.

3. Vid bedömning av effekterna av den supraorganismala nivån är det nödvändigt att utgå från de primära manifestationerna av toxicitet på molekyl-, vävnads-, cell- och organismnivå.

4. Miljöfaktorernas roll i genomförandet av effekter på befolkningsnivå är större än för andra system. Till exempel påverkan av miljöns pH på påverkan av föroreningar på samhällen av vattenlevande organismer.

En analys av en stor mängd faktamaterial övertygar att de observerade manifestationerna av toxicitet när de exponeras för nästan alla teknogena föroreningar tydligt korrelerar med ackumuleringen av dessa ämnen i enskilda komponenter i biotan.

Teknogena ämnen som förorenar naturliga ekosystem ingår således i det biologiska kretsloppet på grund av den vitala aktiviteten hos växt- och djurpopulationer. Samtidigt modifierar populationer, som är system av sammanlänkade heterotrofa grupper av individer, dessa flöden i enlighet med deras ekologiska och funktionella specificitet, och bestämmer därigenom heterogeniteten hos ackumulerade nivåer av giftiga ämnen och reaktioner på exponering.

Till exempel fångade vi alla djur av en art i ett visst förorenat område. Halterna av föroreningar i dessa djur kan variera avsevärt. Sådana skillnader beror på flera skäl.

Först och främst kan det röra sig om skillnader i intensiteten av metabola processer hos enskilda individer eller deras tillhörighet till olika ekologiska och funktionella grupper i befolkningen (mogna och omogna individer, underåriga och övervintrade, etc.). Det är möjligt att provet kan innehålla djur som vandrar från mindre förorenade områden.

I vilket fall som helst, tillsammans med de flesta djur som kännetecknas av vissa genomsnittliga halter av föroreningar, kommer individer med högsta och lägsta halter av giftiga ämnen alltid att finnas i provet.

Naturligtvis kan måttet på toxiska effekter, vad som förstås som en dos, inte karakteriseras av vissa medelvärden för innehållet av giftiga grundämnen i biotan. Ett sådant mått bör återspegla variationen i de metaboliska processerna hos enskilda organismer, vilket leder till variationer i nivåerna av giftiga ämnen som de ackumulerar i homogena grupper, och även ta hänsyn till olika kvaliteter hos enskilda subpopulationsgrupper i denna indikator.

Fördelningen av nivåer av giftiga ämnen bland djur i ett prov kan uttryckas matematiskt genom en av lagarna för statistisk fördelning.

Någon integral funktion bör betraktas som ett populationsmått på toxiska effekter ƒ( x), som beskriver den statistiska fördelningen av innehållet av giftiga grundämnen i organismer som utgör en population eller ett visst populationsprov (koncentrationsspektrum). Härx– innehållet av ett ämne i kroppens inre miljöer (till exempel koncentrationen av tungmetaller i blodet). Den angivna indikatorn är en populationskaraktär. Å ena sidan återspeglar det specificiteten hos ackumuleringen av giftiga ämnen på organismnivå, dess beroende av individuell genetisk och funktionell variation av metaboliska processer och energibehov hos organismer som tillhör homogena befolkningsgrupper. Å andra sidan är denna indikator inte en enkel summa av föroreningsnivåer.

Förändrade existensvillkor för naturliga populationer, inklusive påverkan av teknogena föroreningar, påverkar direkt mängden eller antalet individuella ekologiska och funktionella grupper (säsongsbetonad, rumslig, sexuell, ålder, etc.). Detta bestämmer bidraget från varje intrapopulationsgrupp till den totala fördelningen av nivåer av toxiska element i populationer och gör att sådana fördelningar kan betraktas som ett mått på toxisk exponering.

Den statistiska fördelningen av koncentrationer av giftiga ämnen i vävnader eller organismer som helhet är asymmetrisk (kan inte beskrivas av lagen om normalfördelning). Inom miljötoxikologi bör man som argument för dos-effektsambandet beakta spektrumet av koncentrationer av giftiga ämnen i ett populationsprov, beskrivet av en lognormalfördelningslag.

Övergången till populationsformen av förhållandet "dos-effekt" innebär att man överväger funktionen "fördelning av innehållet av giftiga element i organismerna som utgör populationen" - andelen "drabbade" individer i den.

Komplexiteten i övergången till analys av dosberoende av ekologiska system på supraorganismnivå är förknippad med den praktiska ogenomförbarheten av aktiva experiment med doserade belastningar på naturliga biogeocenoser. En annan svårighet relaterar till osäkerheten i dosen av toxisk belastning i en verklig situation. Utsläpp från verkliga föroreningskällor är som regel flerkomponenter, och det är inte alltid möjligt att isolera ett eller två ledande giftämnen. Slutligen är den tredje svårigheten att analysera dos-effektsamband på ekosystemnivå förknippad med den signifikant större spatiotemporala variabiliteten av parametrar jämfört med andra organisationsnivåer. Det bestäms både av den naturliga mosaiken av miljöfaktorer och av den rumsliga heterogeniteten i fördelningen av den toxiska belastningsdosen.

Dos-respons-kurva

Dos-responskurvor för ligander med olika aktiviteter genererade enligt Hill-ekvationen. Hela och partiella agonister har olika värden på ED50, Emax och Hill-koefficient (bestämmer kurvans lutning).

Dos-respons-kurva(eller koncentrationseffekt) beskriver förändringen i inverkan av någon ligand på ett biologiskt objekt beroende på koncentrationen av denna ligand. En sådan kurva kan konstrueras för enskilda celler eller organismer (när små doser eller koncentrationer orsakar en svag effekt, och stora - en stark: graderad kurva) eller populationer (i detta fall beräknas det i vilken procentandel av individer en viss koncentration eller dos av liganden orsakar en effekt: corpuscular curve ).

Studiet av dos-responssamband och konstruktionen av lämpliga modeller är ett grundläggande element för att bestämma intervallet av terapeutiska och säkra doser och/eller koncentrationer av läkemedel eller andra kemikalier som en person eller annan biologisk enhet möter.

De huvudsakliga parametrarna som bestäms vid konstruktion av modeller är maximal möjlig effekt (E max) och dos (koncentration) som orsakar den halvmaximala effekten (ED 50 respektive EC 50).

När man utför denna typ av forskning måste man komma ihåg att formen av dos-effektförhållandet vanligtvis beror på tidpunkten för exponeringen av det biologiska föremålet för testämnets verkan (inandning, förtäring med mat, kontakt med hud etc.), därför kvantitativ bedömning av effekten i Vid olika exponeringstider och olika vägar för inträde av liganden i kroppen leder det oftast till olika resultat. I en experimentell studie bör dessa parametrar således förenas.

Kurvegenskaper

En dos-respons-kurva är en tvådimensionell graf som visar beroendet av ett biologiskt objekts respons på storleken på stressfaktorn (koncentration av ett giftigt ämne eller förorening, temperatur, strålningsintensitet, etc.). Med "svar" kan forskaren mena en fysiologisk eller biokemisk process, eller till och med en dödlighet; därför kan måttenheterna vara antal individer (vid dödlighet), ordnade beskrivande kategorier (t.ex. skadans omfattning) eller fysiska eller kemiska enheter (blodtrycksvärde, enzymaktivitet). Vanligtvis undersöker en klinisk prövning flera effekter på olika organisatoriska nivåer av forskningsobjektet (cellulär, vävnad, organism, population).

När man konstruerar en kurva, ritas vanligtvis dosen av testämnet eller dess koncentration (vanligtvis i milligram eller gram per kilogram kroppsvikt, eller i milligram per kubikmeter luft när det administreras genom inandning) på x-axeln, och storleken på effekten är på y-axeln. I vissa fall (vanligtvis med ett stort dosintervall mellan den minsta effekt som kan registreras och den maximala möjliga effekten) används en logaritmisk skala på ordinataaxeln (detta konstruktionsalternativ kallas även "semilogaritmiska koordinater"). Oftast har dos-responskurvan en sigmoidform och beskrivs av Hill-ekvationen, vilket är särskilt tydligt i semilogaritmiska koordinater.

Statistisk kurvanalys utförs vanligtvis med statistiska regressionsmetoder som probitanalys, logitanalys eller Spearman-Kerber-metoden. Samtidigt är modeller som använder ickelinjär approximation vanligtvis att föredra framför linjära eller linjäriserade, även om det empiriska beroendet ser linjärt ut över det studerade intervallet: detta görs baserat på det faktum att i de allra flesta dos-responssamband, Mekanismerna för utvecklingen av effekten är olinjära, men experimentella distributionsdata kan verka linjära under vissa specifika omständigheter och/eller vissa dosintervall.

En ganska vanlig teknik för att analysera dos-effektkurvan är också dess approximation med Hill-ekvationen för att bestämma graden av samverkan för effekten.

Anteckningar

Wikimedia Foundation.

2010.

Se vad en "doseffektkurva" är i andra ordböcker: Dos-respons-kurva

- * "doseffekt" som täcker * grafisk kurva för doseffektkurva som visar sambandet vid exponering för strålning mellan den biologiska effekten och stråldosen... Dos-respons-kurva - * "dos adcas" som täcker * dosresponskurva i radiobiologi en grafisk kurva som återspeglar det linjära beroendet av logaritmen för överlevnadsgraden på stråldosen (se kurvan "Doseffekt". Målteori. Kurva för flera händelser) ...

Genetik. encyklopedisk ordbok

Figur 1. Molekylär struktur för AMPA-receptorn inbäddad i cellmembranet och bindningen av AMPA-receptorliganden till den (α amino 3 hydroxy 5 methyl 4 isoxazolepropionic acid receptor, AMPAR ... Wikipedia

Typisk sigmoidkurva för "koncentrationseffekt". Ligandkoncentrationen plottas på den horisontella axeln, förhållandet mellan den registrerade effekten och det maximala möjliga plottas på den vertikala axeln. EC50-värdet sammanfaller med kurvans vändpunkt. EC50... ... Wikipedia

Se även: Alkoholförgiftning Begäran "Alkoholförgiftning" omdirigeras hit. En separat artikel behövs om detta ämne. Etanol är ett ämne som kombinerar egenskaperna hos en naturlig metabolit i människokroppen (i små koncentrationer), ... ... Wikipedia FOTOTERAPI

- (fototerapi, från grekiska phos, foton ljus och terapi vård, behandling). Modern S. bygger på förtrogenhet med den s.k. chem. ljusets verkan. Först och främst studerades effekten av sil på bakterier. 1877 Downes and Blent (Downes,... ...- MAGE. (gaster, ventriculus), en utvidgad del av tarmen, som på grund av närvaron av speciella körtlar har betydelsen av ett särskilt viktigt matsmältningsorgan. Tydligt differentierade "magar" hos många ryggradslösa djur, särskilt leddjur och... ... Stor medicinsk encyklopedi

MALARIA- MALARIA, från italiensk malaria, förstörd luft, intermittent, intermittent, träskfeber (malaria, febris intermittens, fransk paludisme). Under detta namn förenas en grupp närstående personer... ... Stor medicinsk encyklopedi

REUMATIS AKUT- AKUT REUMATISM. Innehåll: Geografisk fördelning och statistik. 460 Etiologi och patogenes......... 470 Patologisk anatomi............... 478 Symtom och förlopp......... ...... . 484 Prognos...................... 515 Diagnos ... Stor medicinsk encyklopedi

Cisordinol Zuclopentixol är ett antipsykotiskt läkemedel (antipsykotiskt medel), ett tioxantenderivat. Innehåll... Wikipedia

Dos-effektsambandet kan spåras på alla nivåer av organisering av levande materia: från molekylär till population. I det här fallet, i den överväldigande majoriteten av fallen, kommer ett allmänt mönster att registreras: med ökande dos ökar graden av skada på systemet; Ett ökande antal av dess beståndsdelar är involverade i processen.

Beroende på den effektiva dosen kan nästan alla ämnen under vissa förhållanden vara skadliga för kroppen. Detta gäller för giftiga ämnen som verkar både lokalt (Tabell 8.1) och efter resorption till inre miljöer (Tabell 8.2).

Tabell 8.1

Förhållandet mellan koncentrationen av formaldehyd i inandningsluften och allvaret av den toxiska processen ((P.M. Misiak, J.N. Miceli, 1986))

Tabell 8.2

Sambandet mellan koncentrationen av etanol i blodet och allvaret av den toxiska processen ((T.G. Tong, D. Pharm, 1982))

Manifestationen av dos-effektförhållandet påverkas avsevärt av intra- och interspecifik variabilitet hos organismer. Faktum är att individer som tillhör samma art skiljer sig väsentligt från varandra i biokemiska, fysiologiska och morfologiska egenskaper. Dessa skillnader beror i de flesta fall på deras genetiska egenskaper. På grund av samma genetiska egenskaper är interspecifika skillnader ännu mer uttalade. I detta avseende skiljer sig doserna av ett visst ämne i vilket det orsakar skador på organismer av samma och i synnerhet olika arter ibland mycket signifikant. Följaktligen återspeglar dos-effektsambandet egenskaperna hos inte bara det giftiga medlet, utan även den organism som den verkar på. I praktiken innebär detta att en kvantitativ bedömning av toxicitet, baserad på studiet av dos-effektsambandet, bör göras i försök på olika biologiska föremål och det är nödvändigt att tillgripa statistiska metoder för att bearbeta de erhållna uppgifterna.

Dos-effektkurvan (mer exakt beroende av biologiska konsekvenser på exponeringsnivån) är strikt individuell för varje ämne-biologiskt objektpar (se fig. 8.2).

Ris. 8.2. Typiska dos-effektkurvor för ämnena a, b, c (enligt A. A. Golubev et al.)

I fig. Typiska typer av sådana kurvor presenteras. I majoriteten

I vissa fall är de S-formade kurvor, och i vissa fall uttrycks de som en hyperbel, exponentiell eller parabel.

Dessa kurvor återspeglar den komplexa karaktären av interaktionen mellan ett skadligt ämne och ett föremål, de kvalitativa och kvantitativa egenskaperna hos en sådan interaktion i varje specifikt fall. Det finns olika sektioner av dos-responskurvan där små förändringar i koncentrationen (dosen) av ett ämne orsakar antingen en signifikant ökning av exponeringseffekten eller endast leder till en liten förändring av effekten.

Från fig. Det kan ses att om substanserna a, b, c är ordnade i ordning efter ökande effekt av deras påverkan, så kommer denna ordning att vara olika i olika zoner av doseffektkurvan. Så, i zon I - a > b > c, i zon II - b > a > c, i zon III - b > c > a och i zon IV - c > b > a. Det är således uppenbart att om ett ämnes toxicitet bedöms utifrån den dos som orsakar en viss procentandel av dödsfall hos djur, så kan resultatet av en jämförande analys av ämnens toxicitet vara olika, beroende på i vilken zon av dos-effektkurva denna analys utförs. Denna omständighet gör det viktigt att studera alla zoner i doseffektkurvorna.

När man studerar effekten av ett giftämne på kroppen bör man skilja mellan effekter vars svårighetsgrad gradvis beror på den aktuella dosen (till exempel blodtryckssänkning) och effekter av typen "allt eller inget" (död/överlevd) . Det bör beaktas att effekter av den första typen nästan alltid kan omvandlas till en form som lämpar sig för att bedöma effekter av den andra typen. För att bestämma dos-effektförhållandet i en grupp tillgriper de vanligtvis två typer av experimentell design:

Med bildandet av undergrupper av studerade djur;

Ingen bildande av undergrupper.

Dessa är de mest använda toxikometriparametrarna. Deras värden används ofta för olika klassificeringar av giftiga ämnen, varav två anges nedan (tabell 8.3).

Klassificering av farliga ämnen efter exponeringsgrad

Tabell 8.3

När det administreras i magen, - när det appliceras på huden.

"Dos-effekt"-beroendena i belastningsgradienten för de flesta parametrarna hade en icke-linjär form och skilde sig från dosberoendena i närheten av långvariga företag endast i "steghöjden", dvs. svårighetsgraden förändringar i parametervärden i högbelastningszonen. "Steghöjden" i dosberoende förändrades över tiden, och förändringen i "steghöjden", som våra studier avslöjade, i det aktuella tidsintervallet var associerad med en högre förändringshastighet i indikatorer inom området medium och höga belastningar mot bakgrund av svagt uttryck för förändringar i samhällsparametrar i området låga belastningar.[...]

Dos-effekt relationer. Kroppens reaktion på exponering beror på mängden av föroreningen eller dess dos i kroppen, vars storlek beror på vägen för inträde i kroppen - genom inandning (inandning), genom vatten och mat (oralt), eller absorberas genom huden, eller exponering sker genom extern exponering. Inandning och orala intagsvägar bestämmer de biokemiska exponeringssätten för föroreningar i kroppen. I allmänhet avgiftar människokroppen föroreningar från mat mer effektivt än de från inandning.[...]

Dos-effektkurvor (fig. 5.8) kännetecknar förhållandet mellan dosen av en förorening och kroppens respons (effekt). Dos-effektsamband för människor och djur erhålls baserat på data från epidemiologiska studier.[...]

DOS-EFFEKTMETOD - fastställa ett samband mellan graden av påverkan på ekosystemet - dos - (t.ex. föroreningar) och den resulterande effekten. Analys av dos-effektsambandet gör det möjligt att fastställa gränserna för ekosystems hållbarhet, samt bedöma möjliga miljöskador från exponering.

Dock är dos-responssambandet vid fototropism mycket mer komplext än det verkar vid första anblicken. I experiment på etiolerade koleoptiler fann man alltså att med en ökning av mängden stimulering ökar böjningen mot ljuskällan, men upp till ett visst tröskelvärde (ungefär OD J m 2 av ljusenergi), vilket överstiger vilket leder till en minskning av svaret på ett visst initialvärde, och ibland kan en "positiv reaktion" till och med förvandlas till en "negativ" (dvs.

Steg 3. Uppskattning av dos-effektsambandet. I detta skede samlas kvantitativ information in om sambandet mellan exponeringsdoser och hälsoeffekter.[...]

För villkoren för ett linjärt dos-effektförhållande har värdena för approximationskoefficienterna fastställts, med fysisk mening riskkoefficienter.[...]

Kurva 4 - ett olinjärt dos-effektförhållande med en nedåtriktad konvexitet - är också karakteristisk för kroppens svar på verkan av många faktorer. Detta kallas ibland ett "sublinjärt" dos-responssamband. Även om kurva 4 inte har en tydligt definierad tröskel, bestämmer punkten på axeln där effekten kan detekteras det praktiska värdet av tröskeln.[...]

Kurva 2 - ett icke-linjärt dos-responssamband med en uppåtriktad konvexitet - representerar ett "supralinjärt" förhållande, som observeras när små doser orsakar oproportionerligt stora effekter. Resultaten av observationer av befolkningen som bestrålats till följd av Tjernobylolyckan tyder på närvaron av ett sådant beroende av strålningseffekter i lågdosregionen.[...]

När det gäller lågdosbestrålning används de angivna beroendena även för att bedöma effekterna i dessa fall i beräkningar som inte utger sig för att vara korrekta. I detta fall ges företräde åt den linjära formen av dos-effektsambandet.[...]

För att förutsäga frekvensen av fall av stokastiska effekter vid strålskador, rekommenderas att använda ett linjärt dos-effektsamband. Motsvarande dosimetriska värde är i detta fall den ekvivalenta dosen. Det bör dock noteras att vid höga dosnivåer kan potentialen för icke-stokastiska effekter göra användningen av en effektiv ekvivalent dos olämplig. I synnerhet kan en hög dos av strålning till ett enskilt organ orsaka icke-stokastiska effekter, även om icke-stokastiska effekter inte observeras när hela kroppen bestrålas med samma dos.

Kurva 1 visar att om det finns ett liknande B-format beroende av effekten på dosen, observeras inga förändringar i människokroppens metabolism. Kurvorna 2, 3 och 4 är icke-tröskelvärden: det antas att det finns effekter vid vilken koncentration som helst av föroreningen eller någon icke-kemisk påverkan, oavsett hur liten. Sådana kurvor speglar en klass av stokastiska hälsoeffekter. Den mest använda är den linjära icke-tröskelformen av dos-effektsambandet 3, eftersom ofta en bedömning om formen av dos-effektsambandet i området med låga värden erhålls genom linjär extrapolering från regionen med höga doser.[...]

Den högsta tillåtna koncentrationen kan alltså betraktas som en viss punkt på dos-effekt-förhållandet, som delar zonen för den maximala icke-effektiva dosen från zonen av doser som anses vara ogynnsamma eller farliga för människor.

Att testa det angivna antagandet och att bestämma arten av "dos-effekt"-förhållandena med ett relativt kortvarigt utsläpp av föroreningar till miljön i närheten av ett termiskt kraftverk (Reftinskaya GRES, Mellersta Uralerna; huvudkomponenterna i utsläppen är svaveldioxid, kväveoxider och kalciumhaltiga fasta föroreningar) under en period av år utvärderades tillståndet för ört-buskskiktet av skogsfytocenoser på permanenta försöksområden med syntopisk registrering av föroreningar. I närheten av detta företag, som har varit verksamt sedan 1970, kunde tecken på försämring av skogsekosystem vid tidpunkten för observationernas början spåras huvudsakligen av graden av avlövning av trädskiktets kronor och förändringar i förhållandet mellan ekobiomorfer i ört-buske lager.[...]

Det är nödvändigt att mäta både den fysikalisk-kemiska sammansättningen av föroreningar och effekterna av deras exponering på växter. Att bestämma koncentrationen av komponenter enbart med automatiska analysatorer gör det inte möjligt att förutsäga alla möjliga effekter från exponering för luftföroreningar, och användningen av biomonitorer enbart tillåter inte att bedöma nivån av luftföroreningar och mäta koncentrationen av varje fytotoxisk ämne. För att bedöma miljöns tillstånd måste därför dessa typer av övervakning kombineras. Att mäta koncentrationen av föroreningar, fastställa parametrarna för dos-effektförhållandet med hänsyn till meteorologiska parametrar kan ge en fullständig bild av föroreningens tillstånd.

Utvecklingen av tillvägagångssätt för en heltäckande analys av den naturliga miljön bör innefatta studiet av "dos-effekt" och "dos-respons"-samband i olika experiment, studiet av tröskeln för exponering för olika faktorer och påverkan av multi-medium föroreningar, utveckling av metoder för att bedöma hur komplexa ekologiska system reagerar på förändringar i den naturliga miljöns tillstånd.[...]

Möjliga beräkningsmetoder bygger på identifiering av skadlighet, följt av fastställande av dos-effektsamband och fara, som tillsammans utgör riskprofilen. Den totala bedömningen av detta samband ger ett kvantitativt värde av sambandet mellan risknivå och hälsoindikatorer.[...]

Vetenskapen har utvecklat flera metoder för att fastställa dessa standarder. De viktigaste använder analysen av förhållandet "dos-effekt" och kopplar samman den antropogena belastningen som en ingångsparameter för ekosystemet med dess tillstånd - outputparametern.[...]

Således har studierna visat att även med svagt uttryckta förändringar i parametrarna har "dos-effekt"-relationerna som regel en icke-linjär form. Icke-linjäriteten hos dos-effektsambanden uppstår som ett resultat olika hastigheter förändringar i parametrar i belastningsgradienten, och nivån av föroreningar bestämmer tiden för stabilisering av parametrar i ett visst tillstånd. Den lägsta varaktigheten av stabiliseringstiden är typisk för området med höga belastningar, därför har dos-effektförhållandet i rymden en icke-linjär form, vilket särskilt tydligt manifesteras i närheten av långsiktiga operativa företag (uttalad effektzon och industri). ökenzon). Fluktuationer från år till år som uppstår i samhällen under interaktionen av exogena och endogena faktorer fungerar som en växling från ett kvantitativt tillstånd till ett annat som ett resultat, svårighetsgraden av skillnader mellan olika belastningszoner och formen på dos-effektsambanden kan förändras över tiden. Vid exponering för föroreningar kan det finnas flera tröskelnivåer och områden för tillfällig stabilisering av parametrar (kaskadeffekt av exponering).[...]

Det finns dock några villkor som måste uppfyllas när man använder tillvägagångssättet "förväntad" dos (detta anges i arbetet). Det är nödvändigt att omvandlingsprocesserna är föremål för en linjär lag, och även att dos-effektförhållandet är linjärt, och effekten är proportionell mot dosen eller integralnivån av föroreningen och inte är resultatet av synergistiska effekter. Det är också nödvändigt att anta att överföringsprocesserna är stationära i tiden. Det är svårare att använda denna modell för föroreningar, där det finns betydande gradienter i rum och tid.[...]

Det bör än en gång understrykas att bedömningar av långsiktiga risker för människors hälsa från skadliga utsläpp i olika skeden av bränslecykeln, tyvärr inte baseras på exakta dos-effektsamband. I utländska studier antas dos-effektsambandet mellan frisättningskoncentrationen och hälsorisken vara linjärt. För 0x och flygaska är sådana beroenden mycket mindre exakta och kräver ytterligare förtydliganden.[...]

Men i praktiken finns det ett antal problem förknippade med att bestämma tillförlitliga värden för standardexponeringsindikatorer. De orsakas i synnerhet av svårigheter att konstruera "dos-effekt"-förhållandet och bestämma acceptabla gränser för förändringar i ekosystemets tillstånd. Inom ekonomin, som nämnts ovan, beror de betydande svårigheterna med en sådan bedömning på tvetydigheten i valet av parametrar som kännetecknar styrkan av påverkan och kvaliteten på ekosystemets tillstånd.[...]

Nyckelord - tungmetaller, surhet, skogsskräp, industriell förorening, biotestning, fytotoxicitet, maskros, rumslig variation, dos-effektsamband, Mellan Ural.

Eftersom alla studier i de ovan nämnda verken utfördes i närheten av långsiktiga (mer än 50 år) operativa företag och värdena på parametrar i närheten av sådana företag inom området låg och hög belastningar varierar något från år till år (Trubina, 1996; Trubina, Makhnev, 1997), är det inte klart om den olinjära karaktären hos "dos-effekt"-förhållandena kan spåras med ett kortare intag av föroreningar i miljön och hur den olinjära effekten som identifieras i rymden uppstår [...]

Det är känt att vid små värden av den störande faktorn kan systemet dämpa interna fluktuationer och yttre påverkan och vara i ett tillstånd av dynamisk jämvikt nära det stationära tillståndet. Det kan antas att olinjäriteten hos dos-effektförhållandena i rymden uppstår som ett resultat av en mycket låg förändringshastighet av parametrar i området för låga belastningar och en högre förändringshastighet i området för höga belastningar , och rollen som en switch (trigger) från ett kvantitativt tillstånd till ett annat spelas av årliga fluktuationer som uppstår som ett resultat av växelverkan mellan faktorer av exogent och endogent ursprung.[...]

Det verkar viktigt inte bara att det finns flera kritiska punkter i faktorns aktionsgradient - en kaskadeffekt av påverkan (Trubina, 2002), utan också att "växling" från ett kvantitativt tillstånd till ett annat sker som ett resultat av år till år fluktuationer i samhällsparametrar. Samma arbeten visade att inom området för belastningar som föregår en kraftig förändring av samhällsparametrar har årliga fluktuationer den största amplituden. Inverkan av årliga fluktuationer på formen av dos-effektsambanden för individuella funktionsparametrar för ört-buskskiktet (biomassa) visades också under påverkan av tungmetaller i kombination med svaveldioxid (Vorobeichik, 2003).