Коэффициент накопления. Одно- и многокомпартментные системы. Однократное и многократное дозирование.

Одноячеечная система.Разовая доза и период полувыведения из организма. Введение в организм разовой дозы вещества приводит к появлению определенного количества этого вещества в тканях. В процессах метаболизма и экскреции это вещество выводится из организма с определенной скоростью. Многократное дозирование. В природной среде воздействие вещества на организм редко ограничивается разовой дозой. Если в окружающей среде вещество распределено повсеместно, организм подвергается его воздействию непрерывно. Многоячеечная система.Одноячеечную систему можно распространить на значительно более сложную систему, включающую ряд различных взаимосвязанных ячеек. Каждая ткань животного – почки, печень, сердце, мозг или жировые отложения (ткани) – рассматривается как ячейка. После того как вещество попадает в организм, оно начинает перемещаться током крови. Каждая ячейка характеризуется своим размером, содержанием жира, скоростью тока крови, коэффициентом распределения, определяющим способность вещества перемещаться из крови в ткань. Определив скорость поглощения и скорость выведения (обычно включающую скорость метаболизма в печени) вещества, а также подобрав соответствующие математические соотношения, можно с помощью ЭВМ создать модели многоячеечной системыОрганизмы, обитающие в окружающей среде, содержащей относительно низкую концентрацию какого-либо вещества, могут накапливать его в своих тканях до концентраций, на несколько порядков больших, чем в среде обитания.Способность накапливать различные элементы даже при очень низком содержании их в среде известна давно. Это явление обычно называется аккумулированием вещества организмом (кумулятивный эффект).Способность организмов к накоплению веществ характеризуется таким параметром, как коэффициент накопления-отношение содержания (концентрации) вещества в организме к содержанию в окружающей среде

32. Факторы, влияющие на аккумулирование ксенобиотиков организмами (устойчивость, площадь поверхности, распределение веществ, биологические эффекты, цепь питания) и их характеристика. Поскольку явление аккумулирования включает взаимодействие вещества с организмом, то факторы, определяющие степень его накопления, должны включать характеристики как самого ксенобиотика, так и организма. Одной из характеристик самого вещества является устойчивость. Для того чтобы ксенобиотик мог накапливаться в организме, его воздействие на организм должно быть достаточно длительным, особенно когда оно осуществляется через цепь питания. Следовательно, любое аккумулирующееся вещество должно быть устойчивым к возможным в данной среде процессам разрушения. Площадь поверхности. Если процесс аккумулирования включает физические стадии (адсорбция, диффузия), степень накопления чужеродного вещества в большей мере зависит от площади поверхности контакта организма с окружающей средой. Величина поверхности на единицу массы или объема повышается при уменьшении размера частицы. Следовательно, если адсорбция в процессе аккумулирования играет значительную роль, то можно ожидать, что более мелкие организмы будут накапливать в единице объема большее количество вещества, чем более крупные.Доступная для вещества поверхность относится к лимитирующим факторам, особенно в тех случаях, когда адсорбция является определяющим процессом в накоплении.Распределение. Большинство организмов содержит значительные жировые отложения; в этих тканях накапливаются ксенобиотики с большими значениями коэффициента распределения. Содержание жира в организме также указывает на его способность аккумулировать данный тип веществ. Устойчивые в окружающей среде ксенобиотики очень плохо растворяются в воде. Следовательно, среда обитания конкретного организма может существенно влиять на его способность аккумулировать ксенобиотики. Организмы, обитающие на дне среди осадков, подвергаются воздействию более высоких концентраций ксенобиотика, чем находящиеся в верхних слоях того же самого участка водоема.На процесс аккумулирования может влиять и размер частиц, проглатываемых организмами. Поскольку на более мелких частицах, как уже отмечалось, адсорбированное на их поверхности чужеродное вещество содержится в более высоких концентрациях, организмы, проглатывающие такие частицы, будут подвергаться воздействию более высокого содержания ксенобиотика.Важным фактором является и количество потребляемой пищи. Организмы, нуждающиеся в относительно большом количестве пищи, могут аккумулировать чужеродное вещество из окружающей среды в большей степени при условии, что процесс накопления ксенобиотика не компенсируется более активным процессом его выведения.Цепь питания. Ксенобиотики в массовых количествах поступают в неорганические элементы биосферы (воздух, воду, почву). Находясь во внешней среде, чужеродные соединения взаимодействуют с различными органическими элементами биогеоценозов – микроорганизмами, растениями, животными, поступая в конечном итоге по трофическим цепям в организм человека. В этих условиях суммарное количество ксенобиотиков, поступающих в организм человека, в значительной степени определяется интенсивностью их разрушения под действием физико-химических факторов среды (света, воды, тепла и др.), скоростью их деструкции в предшествующих элементах трофических цепей и закономерностями биоконцентрации.

33. Избирательная токсичность ксенобиотиков. Различия в распределении как фактор избирательной токсичности ксенобиотиков. Избирательная токсичность (селективность) – способность вещества поражать один вид живых организмов без повреждения какого-либо другого вида, даже если оба они находятся в тесном контакте, или способность действовать на одни структуры (физиологические процессы), не затрагивая других, даже непосредственно с ними связанных.О явлении избирательной токсичности говорят в медицине и животноводстве, однако чаще всего это понятие находит свое применение в растениеводстве, при определении свойств пестицидов, уничтожающих вредные организмы (бактерии, грибы, насекомые, сорняки и т.д.).Избирательно токсичное вещество может оказывать действие тремя путями:1)Накапливаться во вредных организмах;2)Взаимодействовать с клеточными структурами, которые имеются только у вредного вида;3)Повреждать какую-нибудь жизненно важную химическую систему для вредного вида и не иметь большого значения для полезного растения.Для полезных растений, грибов, насекомых, человека и животных пестициды должны быть малотоксичны. В ряде случаев этого достичь очень трудно из-за схожей природы биохимико-физиологических процессов вредных и полезных организмов, или потому, что вредитель живет внутри защищаемого растения.В данном случае избирательная токсичность может определяться особенностями применения токсического действующего вещества, морфологии и поведения организмов, а также процессами проникновения пестицида, его превращения и выведения. Данную токсичность можно частично регулировать приготовлением специальных препаративных форм (микрокапсулированные суспензии, гранулы), направленного применения пестицидов на растения.

34. Биохимические и цитологические факторы, определяющие избирательную токсичность ксенобиотиков. Успехи применения избирательно токсических агентов. Показатель селективности или коэффициент избирательности (КИ) характеризуют, соответственно, степень выраженности селективности или избирательности. Показатель селективности определяется отношением среднетоксических доз (ЛД50):ПС = ЛД50 одного организма / ЛД50 другого организма.Избирательность действия пестицида зависит от величины этого показателя. Во время разработки защитных мероприятий необходимо максимально сохранить энтомофагов, поэтому очень важно знать избирательность широко используемых пестицидов по отношению к наиболее распространенным в агроценозе энтомофагам. Для этого нужно определение отношения ЛД50 энтомофагов к ЛД50 вредителей. Чем больше это отношение превышает единицу, тем более безопасен препарат для энтомофагов.Препараты считаются для энтомофагов малоопасными, если они в течение десяти дней уменьшают их численность не выше, чем на 20%, умеренно опасными - на 20 – 50 %, опасными – более, чем на 50 % на протяжении 20 дней.Причинами избирательности служат биохимические и топографические факторы.Биохимическая избирательность обусловлена способностью организмов детоксицировать действующее вещество или образовывать с ним неактивные комплексы (конъюганты) до того, как пестицид проникнет к месту действия(гербицид Атразин (производное симмтриазина) быстро детоксицируется после поступления из почвы в корни кукурузы. Он превращается в гидроксиформу, вследствие чего не проникает в неизменном виде в хлоропласты, где реализуется его токсичность. Только этим обусловлена устойчивость кукурузы к данному препарату;-инсектицид Малатион является малотоксичным для теплокровных, поскольку в их организме он детоксицируется, превращаясь при этом в водорастворимые продукты, которые выводятся из организма. Но в организме насекомых он окисляется, и при этом образуется продукт еще более токсичный, чем действующее вещество Карбофоса)Топографическая избирательность обусловлена тем, что препарат по некоторым причинам не может проникнуть в организм или не попадает на устойчивый объектКпримеру:устойчивость щитовки к инсектицидам объясняется тем, что она покрыта щитком, через который большинство препаратов не может проникнуть;древесница въедливая находится внутри одревесневших тканей, поэтому инсектициды на нее не попадают; ягодные кустарники и плодовые деревья имеют устойчивость ко многим гербицидам, потому что их корневая система залегает глубоко, куда гербициды почвенного действия не могут проникнуть.

35. Судьба ксенобиотиков в биогеоценозах. Взаимодействие биотических и абиотических факторов при превращениях ксенобиотиков в биосфере. Важное значение имеют скорости превращений ксенобиотиков в экосистеме. Высокая скорость превращения обычно приводит к исчезновению вещества и, следовательно, к исчезновению проблемы, связанной с загрязнением окружающей среды; при медленном разрушении вещество сохраняется длительное время, что может приводить к его концентрированию.

Ксенобиотики, попадающие в экосистемы, могут претерпевать следующие основные этапы дальнейшей трансформации:

1,реакции превращения: распад ксенобиотиков, окислительновосстановительные и гидролитические реакции, реакции конъюгации;

2,адсорбция на частицах биологического и абиотического происхождения;

3,переход из одной среды в другую.

Судьба ксенобиотика в экосистеме зависит от целого ряда факторов и их взаимодействия. Например, распад (деградация) ксенобиотиков может осуществляться под действием ферментов, а также чисто физикохимическим путем - вследствие фотолиза (действия света) или гидролиза (взаимодействия с водой).

Фотохимические превращения. Солнечная радиация хорошо поглощается некоторыми молекулами и во многих случаях способна индуцировать изменения в молекуле. Ионизирующее излучение, также присутствующее в окружающей среде, но оно менее концентририванное и не может вызвать заметный эффект. Энергия инфракрасного излучения достаточна лишь для продуцирования минимальных молекулярных изменений, но не для полного превращения молекул. Ультрафиолетовое излучение также поглощается молекулами некоторых ксенобиотиков. Фотохимические превращения проходят в три стадии:

1поглощение излучения определенной длины волны и переход молекулы ксенобиотика в возбужденное состояние;

2преобразование электронно-возбужденного состояния и переход молекулы в невозбужденное состояние (первичный фотохимический процесс)',

3образования различных веществ в результате первичного фотохимического процесса (вторичные, или «темновые»реакции).

Степень деструкции ксенобиотика в фотохимических процессах зависит от:

4его способности перемещаться в атмосфере или оставаться на поверхности. Ксенобиотики, легко проникающие в глубь почвы, не доступны для фотохимического разрушения;

5от свойств самого ксенобиотика. Вещество должно поглощать электромагнитное излучение в доступном интервале длин волн и, кроме того, обладать потенциальной способностью к химическому изменению, т. е. иметь связи, реагирующие на воздействие излучения, которые при соответствующих уровнях энергии могут перестраиваться или разрываться.

Окислительно-восстановительные превращения. Окислительновосстановительные процессы имеют важное значение, так как:

-окисленные и восстановленные формы данного ксенобиотика могут существенно различаться по биологическими экологическим свойствам;

-значительная вариация окислительных или восстановительных условий в окружающей среде влияет на трансформацию ксенобиотиков.

Окислительно-восстановительная способность окружающей среды характеризуется величиной ре,позволяющей установить, в какой форме в данной среде может существовать ксенобиотик:ре = -lg [е ]где ре - показатель активности электрона, указывающий на способность среды отдавать или принимать электроны.Пример. Ртуть может существовать в виде двухзарядного катиона, способного выпадать в осадок при взаимодействии с рядом анионов или превращаться организмами в производные метилртути. Ртуть, восстановленная до элементарной формы, обладает совершенно другими реакционными свойствами и становится довольно летучей.

Гидролиз. Реакции гидролиза обусловлены способностью вещества вступать в реакции с водой. Гидролиз зависит от распределения зарядов в веществе и от pH среды.

Водородные ионы и другие группы с дефицитом электронов называются электрофильными. Электрофильные группы особенно сильно притягиваются к атому с небольшим отрицательным зарядом, к неподеленной электронной паре или электронам двойной связи. Вещества с избытком несвязывающихся электронов являются нуклеофилами. Например, эфиры могут гидролизоваться путем катализа кислотой или основанием либо в результате непосредственного взаимодействия молекулы воды с эфиром в нейтральной среде.

Гидролизу подвержены многие соединения, например эфиры и амиды карбоновых кислот, карбонаты, фосфорорганические соединения и др.

Адсорбция ксенобиотиков на частицах. Доступность ксенобиотика для ферментов и, следовательно, возможность его деградации снижаются в результате сорбции его молекул на частицах биологического или абиотического происхождения.

Например, многие образующиеся в почве продукты гидролиза пестицидов адсорбируются на частицах почвы и связываются с гумусом. В адсорбированном состоянии они не разлагаются фотохимически и не гидролизуются водой, т.е. устойчивость их пов ыш ается. По мере разрушения гумуса грибами (что является ферментативным процессом) ранее связанные продукты гидролиза пестицида высвобождаются и могут проявлять свое токсическое действие на организмы данной экосистемы.

Конъюгация. Ксенобиотик в форме конъюгата, образовавшегося внутри живого организма, попадает в почву или в воду и продолжает циркулировать в биогеоценозе. Продукты конденсации некоторых пестицидов (или их метаболитов) с веществами растений разлагаются медленнее, чем исходные вещества (фосфорорганический пестицид винфос).

Одним из типов конъюгации ксенобиотиков считается алкилирование. При алкилировании может существенно изменяться водо- и жирорастворимость (липофильность) данного соединения, а последнее свойство вещества определяет его переходы из гидрофильной среды в гидрофобную и обратно.

Эти переходы определяют прохождение ксенобиотика через гидрофобный слой мембран, окружающий живые клетки, и последующие его воздействия. Кроме того, именно гидрофобность ряда ксенобиотиков (в том числе многих хлорорганических соединений) обусловливает их повышенную способность к биоаккумулированию.

Важность перехода ксенобиотиков из гидрофильной среды в гидрофобную (и обратно) заключается и в том, что при этом изменяется доступность молекулы для ферментов. Подавляющее большинство ферментов действует в водной среде. Переход молекулы ксенобиотика из водной среды в гидрофобную означает уменьшение его доступности для ферментов, а это в свою очередь снижает вероятность его биотрансформации и детоксикации.

Переходы веществ из одной среды в другую. Таковы переходы ксенобиотиков из воды в воздух и обратно, из организмов в воду и обратно, из почвы в воду и т. д. Например, летучесть ряда пестицидов (особенно хлорорганических) - переход в результате испарения из почвы или воды в воздух - обусловливает их дальнейший перенос на большие расстояния.

Ксенобиотики переносятся воздушными массами и в значительных количествах выпадают в виде пыли и с атмосферными осадками. Так, ксенобиотик может переноситься из южного полушария в северное и загрязнять среду даже в тех регионах, где его применение полностью запрещено.

36. Устойчивые и неразлагающиеся поллютанты. Экологическая опасность биоразрушаемых поллютантов и остатков неразложившихся поллютантов. В связи с неспособностью экосистем к полной биодеградации ксенобиотиков создается экологическая опасность, обусловленная наличием в биосфере как устойчивых (персистентных) или вообще не разлагающихся в окружающей среде ксенобиотиков, так и подвергающихся биодеградации. В этой связи возникает несколько возможных ситуаций:

-нарушение функционирования экосистем, обусловленное наличием устойчивых, неразлагающихся или разлагающихся крайне медленно ксенобиотиков. В конечном итоге ксенобиотики, постоянно накапливаясь, будут оказывать негативное воздействие на экосистемы;

-нарушение нормального функционирования экосистем, связанное с наличием бноразрушаемыхксенобиотиков. Причины такого нарушения: природа превращений и аккумуляции ксенобиотиков; опасностью воздействия больших доз; воздействием малых (сублетальных) концентраций.

Природа превращений и аккумуляция ксенобиотиков. Способность ксенобиотиков распространяться в окружающей среде создает проблемы, связанные с длительностью их сохранения в природных условиях. Легко разрушаемые соединения большей частью не считаются потенциально опасными для окружающей среды. Конкретный ксенобиотик может легко разрушаться в одной среде, но может быть устойчивым в других условиях.

ДДТ оказывает очень большое влияние на природную среду; он очень устойчив к метаболическому разрушению, слабо растворяется в воде, ли-пофилен. Однако согласно установленной последовательности реакций ДДТ все же распадается на ряд производных. Так, например, при удалении из молекулы ДДТ атома хлора образуется ДДД, а при отщеплении НС1 - ненасыщенное соединение ДДЭ. Оказывается, ДДЭ - еще более опасное для окружающей среды вещество, чем ДДТ, поскольку оно еще медленнее метаболизируется и разрушается.

Превращение ДДТ в ДДЭ - основная причина возникновения экологической проблемы. Если ДДТ превращается в ДДД, то последний быстро разрушается; однако чаще ДДТ превращается в ДДЕ - соединение исключительно устойчивое, и именно этот метаболит обычно обнаруживается в окружающей среде.

В некоторых микробиологических системах при разрушении ДДТ образуются диоксид углерода и вода, однако последовательность протекающих при этом реакций не установлена.

При оценке экологической опасности необходимо учитывать природу и процессы метаболических превращений. Важно помнить: почти любой органический ксенобиотик может метаболизироваться в каком-либо организме, и часто в результате довольно сложных последовательностей реакций образуются многочисленные метаболиты. Степень накопления метаболитов в организме зависит от относительных скоростей их образования и последующего метаболизирования и (или) вывода из организма. Метаболит накапливается в организме, если он вырабатывается с относительно высокой скоростью, тогда как последующие метаболические реакции идут с меньшей скоростью или скорость выведения метаболита из организма мала по сравнению со скоростью его образования.

Природу метаболических превращений следует учитывать при разработке аналитических методов. Например, при определении остатков 2,4-Д (дихлорфеноксиуксусной кислоты) в обработанных этим гербицидом растениях нужно учитывать следующее. Вещество можно экстрагировать в виде соли в водном растворе, затем необходимо снизить pH, чтобы перевести кислоту в неионизированную форму. В такой форме оно экстрагируется неполярным растворителем, затем очищается и анализируется. В растениях обычно протекают реакции конъюгирования, и 2,4-Д может быть связан с остатками некоторых углеводов. Образованное соединение обладает значительной полярностью, поэтому после экстрагирования и подкисления извлечь его неполярным растворителем оказывается невозможным.

Экологическая опасность больших доз биоразрушаемых ксенобиотиков и остатков неразложившшсяксенобиотиков связана с возможностью нарушения практически всех элементов структуры и функционирования экосистем, включая видовое богатство и разнообразие видов, структуру популяций, стабильность и продуктивность экосистем. Большие дозы ксенобиотиков могут нести огромную экологическую опасность, во-первых, поскольку они отравляют организмы раньше, чем те успевают их метаболизировать, и, во-вторых, в связи с накоплением этих веществ организмами. В результате биоконцентрации может усиливаться токсическое воздействие ксенобиотиков и ухудшаться качество кормовой базы для организмов вышестоящих трофических уровней.

Опасность сублеталъных (талых) концентраций (доз) обусловлена следующими факторами:

-может происходить хроническое отравление организмов, ведущее к падению репродуктивной способности. Например, отравление ПХБ и пестицидами способствовало развитию бесплодия в популяции тюленя в Балтийском море. В конечном итоге это может приводить к вымиранию популяции из-за снижения рождаемости;

-может нарушаться тонкая регуляция межвидовых и внутривидовых взаимодействий, которая опосредована различнымихемомедиаторами и хеморегуляторами;

-су б летальные концентрации, оказывая неодинаковое влияние на конкурентные виды одного трофического уровня, могут нарушать естественный экологический баланс в экосистемах;

-малые дозы ряда пестицидов могут даже стимулировать воспроизводство популяций некоторых крайне нежелательных видов, наносящих экономический ущерб в агроэкосистемах. Так, в одной из серии опытов сублетальные дозы ДДТ, диэльдрина и паратионаувеличивалиотложение яиц колорадским жуком на 50,33 и 65 % соответственно.

Итак, изучение путей биотрансформацииксенобиотиков в экосистемах и входящих в их состав организмах показывает, что экологическая опасность ксенобиотиков-поллютантов определяется не только их непосредственной токсичностью, но и токсичностью и персистентностью продуктов их биотрансформации, а также способностью ксенобиотиков и продуктов их биотрансформации влиять на биохимические и физико-химические процессы в экосистемах.

Принципиальное значение имеет соотношение между скоростью поступления ксенобиотиков в конкретные экосистемы и скоростью их деградации.

Пути снижения нежелательных последствий загрязнения биосферы

-разработка, производство и применение биоразрушающихся соединений, т. е. материалов и веществ, относительно быстро разлагаемых в экосистемах без образования токсичных или персистентных продуктов распада;

-использование природных веществ для регуляции различных физиологических процессов и создания интегрированной системы защиты растений.

37. Представление о скрининге и мониторинге. Общие принципы скрининга биологической активности ксенобиотиков. Первичная оценка безопасности ксенобиотиков. В практику должны вводиться только те соединения, которые подверглись биологическим испытаниям. Необходимо создание производительной системы испытаний ксенобиотиков на разные виды биологической активности. Назначение системы испытаний - формирование информационного массива фундаментальных научных знаний о биологической активности и паспортизация каждого из ксенобиотиков по видам активности.

Проверка большого массива ксенобиотиков на один или несколько видов биологической активности получила название скрининга.

Идея скрининга возникла давно - в период становления химической индустрии она уже прочно завоевала себе место в умах фармакологов. Тотальная проверка большого массива химических соединений или природных объектов, направленная на выявление потенциальных лекарств, получила в XX в. свое развитие как один из основных методов поиска новых лекарств (и химических соединений вообще) с заданным типом биологической активности. В 1910 г. одна из немецких фирм испытала около 1200 производных акридина. На «сите» оказались три препарата: трифло вин (противопаразитический), риванол (антисептик) и акрихин (противомалярийный). В поисках заменителя хинина в 30-е годы XX в. было исследовано 16тыс.соединений, принадлежащих к различным группам. Среди них 7618-м по счету оказался хлорохин, а 13 272-м - притахин.

В 1966 г. в США в поисках противоопухолевых препаратов испытывал ось около 114тыс. соединений, из которых было отобрано 12 потенциальных лекарств, но ни одно из них не стало достаточно выдающимся в своем классе фармакологических препаратов..

Системное определение биологической активности всего массива соединений может быть осуществлено путем создания высокопроизводительной системы их классификации по видам биологический активности. Каждый ксенобиотик обладает определенными видами и степенью биологической активности. Необходимо выявить эти свойства и предсказать возможность практического использования данного соединения или его возможную роль в окружающей среде

38. Выбор тест-объектов и тест-реакций для индикации химического загрязнения окружающей среды. Главные методологические трудности при использовании эпиморфных моделей заключаются в том, чтобы определить оптимальный уровень детализации модели по отношению к моделирующему процессу, т. е. целостному организму. Этого можно достичь исходя из того, что в системе тест-объектов на клеточном уровне организации представляются все царства живого и основные типы тканей организма человека, а также из того, что у тест-объектов в совокупности определяются все основные реакции (гибель, повреждение, адаптация, проницаемость, метаболизм ксенобиотиков, синтез белка и ДНК, возбудимость и т. д.).Когда мы говорим о биологической активности ксенобиотиков, то для ее определения, естественно, необходимы тест-объекты, на которых регистрируются определенные виды биологической реакции (гибель, изменение роста, изменение различных метаболических реакций и т. д.) при их действии; эти реакции часто называются тест-реакциями. В этой связи следует рассмотреть принципы отбора и стандартизации тест-объектов при классификации ксенобиотиков по видам биологической активности.Совокупность набора тест-объектов клеточно-тканевого уровня должна удовлетворять главному принципу системы - представительности выбранных биологических тест-объектов (БТО) по отношению к моделям биосферы и организму человека с соответствующим набором характеристик (тест-реакций), т. е. максимально удовлетворять поставленным задачам. К настоящему времени разработан достаточно широкий набор тест-объектов и соответствующих тест-реакций, позволяющих классифицировать химические соединения по характеру их действия.Предлагается подбирать тест-объекты по следующим критериям: по молекулярным рецепторам, являющимся мишенями для веществ с данными видами активности; по принципу надмолекулярной организации и молекулярному составу (близость по структуре); по функциональному сходству; по органному или тканевому происхождению; по близости патологического состояния тест-объекта и реального объекта..Классификацияксенобиотиков по видам биологической активности по-новому ставит вопрос о подборе и стандартизации тест-объектов. Система должна обеспечить возможность сопоставления результатов испытаний на биологическую активность разных соединений, проведенных в разные годы. Очевидно, этого можно достигнуть только в том случае, когда уровень стандартности тест-объектов очень высок в течение многих лет. Именно степень воспроизводимости, стандартность набора тест-объектов непосредственно определяют надежность принимаемых решений и степень автоматизации системы (возможно, в большей степени, чем ЭВМ).В конечном итоге для каждого тест-объекта клеточно-тканевой природы можно создать формализованный стандарт в виде набора количественных параметров, характеризующих стационарные и кинетические показатели тест-объектов.

39. Принципы создания автоматизированной системы скрининга ксенобиотиков. С целью индустриализации процесса тестирования биологической активности ксенобиотиков необходимо иметь автоматизированную систему испытаний. Схема испытаний общего потока соединений на любые виды биологической активности должна включать и систему их предварительной фильтрации. Какие подходы могут быть положены в систему предварительной фильтрации общего потока ксенобиотиков?Для ответа вспомним в самом общем виде путь действия ксенобиотиков на живой объект. Попадая в организм, химическое вещество проникает в определенные ткани; в тканях взаимодействует с определенными клетками; в клетках - с определенными субклеточными структурами, а в пределах этих структур взаимодействует с биополимерами или низкомолекулярными соединениями клетки. В обратном порядке развивается реакция целостного организма - от молекулы-мишени до организма. Всю совокупность операций по классификации ксенобиотиков можно представить следующим образом.

1.Классификация по видам биологической активности на основании химических, физических и физико-химических свойств испытуемых соединений при отсутствии биологического тест-объекта путем расчетных операций над структурой соединения и экспериментального определения их физико-химических свойств.2.Классификация по результатам взаимодействия соединений с моделями клетки, организма, биосферы, включающая последовательные иерархические уровни организации биологической матери Моделируемые объекты (клетки, организм, биосфера) предстают в системе в виде представительных наборов тест-объектов, обладающих основными элементарными функциями, присущими целевым объектам.В принципе, модели клетки и организма могут быть нормальными и патологическими.Выборки тест-объектов и их расположение в системе должны отражать реальную иерархию элементов природного объекта, иерархию, обусловленную его развитием. Поэтому для организма детализацию видов биологической активности следует строить по тканевой тропности действия, опираясь на чисто генетическую классификацию типов тканей, отражающую ход онтогенеза. Представление биосферы в системе классификации должно основываться на таксономической классификации организмов, отражающей процесс эволюции.Общий принцип организации биологических испытаний чужеродных соединений - это многоуровневый набор тестов с повышающейся на каждом уровне сложностью биологического тест-объекта (модели) и соответственно растущей детализацией и надежностью прогноза вида биологической активности. Первый уровень - базовый, через него проходят все соединения, которые в соответствии с результатами прохождения этого первого уровня направляются затем к специализированным тестам. Поэтому на первом подуровне сведения о структуре и некоторых свойствах соединений вводятся в компьютер, который производит первичный анализ принадлежности соединения данной структуры к определенным уже известным классам биологической активности.На втором подуровне эта классификация производится на основании экспериментального определения дополнительных физико-химических характеристик веществ.На третьем подуровне в систему вводятся тест-объекты. Основным тест-объектом этого подуровня является изолированная клетка. Набор клеток (бактерии, простейшие, клетки растений, клетки высших животных) представляет собой огрубленную модель биосферы.На этом подуровне регистрируется способность чужеродных химический соединений влиять на такие основные свойства живой клетки, как рост, дыхание, энергетика, биосинтез, способность к генетическим изменениям и т. д.База пропускает весь массив испытуемых ксенобиотиков, выдавая для каждого из них единообразный набор характеристик - основной биологический «паспорт».Биологический «паспорт» ксенобиотика - документ, которым должно снабжаться каждое соединение, поступившее из испытания. «Паспорт» должен содержать сведения о структуре вещества, источнике его происхождения, результаты теоретического и экспериментального изучения соединения, включая первичную оценку безопасности ксенобиотика. Биологический «паспорт» ксенобиотика - это итоговый документ.Второй уровень, меньший по пропускной способности, - надстройка. Надстройка работает в режиме преимущественной ориентации на первые две цели: нахождение химического соединения, обладающего полезными для человеческого организма свойствами, и обнаружение вредных для человеческого организма биологических активностей испытуемых химических соединений..Испытаниюксенобиотиков на множество видов биологической активности должна предшествовать операция предварительной сортировки на моделях, допускающих создание испытательных систем высокой производительности, т. е. на предварительном этапе на упрощенных (модельных) системах необходимо предсказать вид биологической активности и определить ксенобиотики, которые, по вероятным оценкам, не обладают определенными видами активности (резус) или являются токсичными (исключаются из системы испытаний).Во многих случаях можно подобрать объект, ответная реакция которого будет наиболее специфической для определенного класса чужеродных соединений, несущего соответствующий вид биологической активности. Необходимо отметить, что следует различать специфические и неспецифические модели тест-объектов. Первые как раз и имеют четко выраженные молекулярные мишени-рецепторы, реагирующие на определенные химические соединения, т. е. на определенные виды биологической активности.Однако неспецифическая модель является обязательным компонентом для классификации ксенобиотиков. С одной стороны, оказывается возможным различать химические соединения, обладающие разными видами активности на полностью неспецифической для этих видов активности модели. Так, разработана аппаратура и методика для регистрации 16 параметров реакции эритроцитов (параметры получены из кинетических изменений светопропускания, импеданса и рН суспензии эритроцитов) на воздействия химических соединений. При испытаниях таких разных по активности и химической природе веществ, как силитраны, тетрациклины, пенициллины, кортикостероиды, показано, что для каждого из классов этих веществ существует свой характерный портрет, выраженный в терминах 16 параметров.Вещества, представляющие по своим свойствам научный и практический интерес, проходят тестирование на безопасность. Объекты испытаний по-прежнему модельные, но оценке подлежат и такие виды опасного действия, как мутагенность, канцерогенность, эмбриотоксичность и др.

40. Разработка основ промышленного и сельскохозяйственного мониторинга на основе техники испытания биологической активности ксенобиотиков. Большой объем научной информации, получаемой в результате испытания чужеродных соединений на биологические активности, позволяет создавать не только эффективные лекарственные препараты, но и вещества для нужд сельского хозяйства и других отраслей. Например, в животноводстве — это препараты ветеринарного назначения, включая адаптогены, стимуляторы, криоконсерванты для искусственного осеменения и т. д. В растениеводстве - новые эффективные пестициды, ростовые вещества, безопасные для человека, мутагены для выведения новых сортов и т. д.

В пищевой промышленности введение системы испытаний обеспечит биологическую безопасность используемых пищевых добавок, консервантов, антибактериальных средств, различных образцов пищевой продукции как создаваемой у нас, так и за рубежом.

В микробиологии (включая промышленную) можно будет осуществлять эффективный отбор новых стимуляторов и ингибиторов роста бактериальных культур, мутагенов для получения новых продуцентов, а также контроль за биологической безопасностью продуктов микробного синтеза.

При внедрении предлагаемых приемов биологических испытаний ксенобиотиков в процедуру экологического мониторинга окружающей среды представится возможность провести интегральную оценку свойств основного массива ксенобиотиков, с которыми постоянно контактирует человек, и разработать мероприятия по резкому снижению их потенциальной опасности как для отдельных организмов, так и биоценозов в целом. Это позволит ввести в экологию кроме описательных элементов и технологические.

41. Экологический мониторинг окружающей среды. Технологические и технические решения, реализованные в системе биологических испытаний, могут быть широко использованы в конкретных системах и комплексах для контроля за состоянием окружающей среды и отдельных ее блоков: атмосфера, вода, почва. Обращение к этой системе может стимулировать развитие одного из наиболее перспективных направлений в процедуре контроля - использование биологических объектов и разработке на их основе биодатчиков.

Все чаще начинают использовать биологические методы контроля, с помощью которых наблюдение ведется за реакцией на загрязнение живого объекта, т. е. объект выступает как составная часть измерительной системы.

Возможны три различных подхода к применению биологических объектов в качестве тестовых:

1Использование организмов, входящих в данный биогеоценоз, за состоянием которых ведется слежение (биоиндикаторы).

2Использование организмов, исходно не имеющих отношения к тестируемому биогеоценозу, но вводимых туда искусственно (экзогенные биоиндикаторы).

3Использование объектов, не имеющих отношения к данному биогеоценозу, выращенных или взятых в контролируемых условиях и применяемых в качестве чувствительных элементов прибора, контролирующего состояние среды (биодатчик).

Одной из неотложных задач охраны природы является создание мониторинга - системы непрерывного контроля за химическим загрязнением среды. В настоящее время в мониторинге предпочтение отдается физико-химическим методам контроля, позволяющим измерять концентрации компонентов или других показателей среды. Законодательно допустимый уровень загрязнения среды химическими веществами определяется предельно допустимой концентрацией (ПДК) для каждого вещества.

Таким образом, для создания системы мероприятий, обеспечивающей безопасность людей в среде, загрязненной продуктами химической деятельности человека, необходимы: разработка научно обоснованных подходов для выбора критериев, определяющих безопасность человека и других живых компонентов биосферы, а также развитие технологических и инженерно-технических методов и техники экспресс-анализа, обеспечивающих непрерывный контроль за состоянием среды.

Далеко не последнюю роль в этих процедурах должна играть автоматизация процесса измерений, сбора и обработки информации.