Особенности механизма действия, патогенеза и проявлений токсического процесса при поражении судорожными агентами, веществами паралитического и седативно-гипнотического действия.

Нейротоксические вещества нервно-паралитического действия.

 

К числу химических веществ нервно-паралитического действия можно отнести:

1. Фосфорорганические соединения (зарин, зоман, фосфакол, армин, карбофос, дихлофос и др.).

2. Производные карбаминовой кислоты (пропускор, альдикарб, диоксакарб и др.).

3. Бициклофосфаты (бутилбициклофосфат, изопропилбициклофосфат и др.).

4. Производные гидразина (гидразин, диметилгидразин и т. д.).

5. Сложные гетероциклические соединения (тетродотоксин, сакситоксин, норборнан и др.).

6. Белковые токсины (ботулотоксин, тетанотоксин).

Нейротоксические вещества паралитического действия:

1. Пресинаптические блокаторы высвобождения ацетилхолина (ботулотоксин).

2. Блокаторы натрий-ионных каналов возбудимых мембран (сакситоксин, тетродотоксин).

Ботулотоксин- белок, продуцируемый микроорганизмами Clostridium botulinum. Эти бактерии способны размножаться в белковой среде в анаэробных условиях, и в продуцируемый ими экзотоксин порой является причиной массовых отравлений, при использовании в пищу испорченных консервов, копчёностей, грибов и т. д. (ботулизм). Очищенный препарат экзотоксина – ботулотоксин изучался военными специалистами США в качестве возможного отравляющего вещества.

В настоящее время известны 7 серологических типов токсина, близких по структуре и токсической активности. Токсин выделен в кристаллической форме. В водных растворах частично гидролизуется; устойчив к кипячению в течение часа.

Вещество проникает в организм через желудочно-кишечный тракт с заражённой водой и пищей, а при применении его в виде аэрозоля - через органы дыхания и раневые поверхности. Смертельная доза токсина для человека при алиментарном способе воздействия составляет около 50 нг/кг массы.

Наибольшей токсичностью ботулотоксин обладает при попадании в организм через раневые поверхности (менее 1 нг/кг).

Скрытый период интоксикации составляет от нескольких часов до суток и более (чаще до 36 часов). Продолжительность периода зависит от пути поступления токсина в организм и подействовавшей дозы. Наименее продолжителен скрытый период при попадании вещества на раневые поверхности. В клинической картине поражения выделяют общетоксический, гастроинтестинальный и паралитический синдромы. Первые симптомы – это вегетативные реакции (тошнота, рвота, слюнотечение) и признаки общего недомогания (головная боль, головокружение). Через 1-2 суток постепенно развивается неврологическая симптоматика. Усиливается слабость, появляется сухость во рту и сухость кожных покровов. Нарушается зрение (затруднена аккомодация, расширяются зрачки, выявляется их слабая реакция на свет). Основным проявлением интоксикации является постепенно развивающийся паралич поперечно-полосатой мускулатуры. Процесс начинается с глазодвигательной группы мышц (диплопия, нистагм). Ранним признаком отравления является птоз век. Позже присоединяется паралич мышц глотки, пищевода (нарушение глотания), гортани (осиплость голоса, афония), мягкого нёба (речь с носовым оттенком, при попытке глотания жидкость выливается через нос). Затем присоединяется парез (а позже и паралич) мимической мускулатуры, жевательных мышц, мышц шеи, верхних конечностей и т. д. Мышечная слабость нарастает в нисходящем направлении и порой первоначально более выражена в проксимальных мышечных группах конечностей (важный диагностический признак). Токсический процесс постепенно нарастает. Иногда лишь на 10 сутки и в более поздние сроки может наступить смерть от паралича дыхательной мускулатуры и асфиксии (при тяжёлых поражениях на 3-5 день заболевания). Расстройств чувствительности при поражении ботулотоксином не бывает. Сознание у пострадавшего полностью сохранено весь период интоксикации. Нередко присоединяются острые пневмонии, токсический миокардит, сепсис.

Механизм токсического действия.

Ботулотоксин оказывает повреждающее действие на различные структурно-анатомические образования периферической нервной системы: нервно-мышечный синапс, нервные окончания преганглионарных нейронов и парасимпатических постганглионарных нейронов. Токсины избирательно блокируют высвобождение ацетилхолина в этих структурах. Наиболее уязвимыми являются нервно-мышечные синапсы.

В опытах in vitro и in vivo установлено, что действие ботулотоксина приводит к угнетению как спонтанного, так и вызванного возбуждением нервного волокна нейромедиатора в нервных окончаниях. Чувствительность постсинаптических рецепторов к ацетилхолину не изменяется. Блокада передачи сигнала не сопровождается изменением характеристик процессов синтеза и хранения ацетилхолина. По расчётам, для блокады одного синапса достаточно 10 молекул яда. В экспериментах также установлено, что чем выше нервная активность, тем быстрее развивается блок проведения импульса в синапсах.

Полагают, что в основе эффекта лежит нарушение токсином механизма взаимодействия синаптических везикул, в которых депонирован ацетилхолин, с аксолеммой, - необходимый этап процесса кальцийзависимого экзоцитоза медиатора в синаптическую щель.

Действие вещества продолжительно, до нескольких недель, и потому характер взаимодействия токсина с пресинаптическими структурами-мишенями можно рассматривать как необратимое. Морфологические изменения в поражённых синапсах не выявляются методами световой и электронной микроскопии. Молекулярный механизм действия токсина окончательно не выяснен. Доказанными являются следующие представления.

Периоду клинических проявлений предшествует скрытый период, во время которого происходит взаимодействие токсиканта с нервными окончаниями. Выделяют четыре периода действия токсина на синапс:

· связывание его с плазматической мембраной холинергических нервных окончаний;

· интернализация токсина путём эндоцитоза внутрь нервного окончания;

· высвобождение действующей части белковой молекулы токсина и проникновение её в цитозоль пресинаптического окончания при участии рН-зависимой транслоказы;

· проявление действующей частью токсина свойств металлзависимых эндопротеаз и разрушение специфических белков, участвующих в процессе выделения ацетилхолина из нервного окончания.

Биохимические исследования показали, что нейротоксины обладают цинк-зависимой эндопептидазной активностью и энзиматически расщепляют ряд белков нервных окончаний, важных для нормального высвобождения нейротрансмиттеров. Ботулотоксины расщепляют белки. Протеолитическое расщепление этих специфических белков в нервных окончаниях приводит к угнетению нормального высвобождения ацетилхолина и в конечном счёте к появлению основных проявлений ботулизма.

Сакситоксин («паралитический яд моллюсков»)- один из наиболее токсичных веществ небелковой природы. Расчётная смертельная доза сакситоксина для человека составляет по разным данным 0,004-0,01 мг/кг.

Тетродотоксин обнаружен в тканях целого ряда живых существ, среди которых рыбы, лягушки, моллюски. В Японии, где рыба Фугу является деликатесом, десятки людей ежегодно отравляются в результате неумелого приготовления блюда. Вещество выделено в чистом виде, структура его изучена. Это бесцветный порошок, хорошо растворимый в воде.

Через неповреждённую кожу вещества не проникают. Опасность представляет попадание токсинов на раневые поверхности, а также (прежде всего) потребление воды и пищи, заражённой ядами. Вещества быстро абсорбируются в кишечнике и также быстро выводятся из организма с мочой. Детально токсикокинетика токсинов не изучена. Дискуссионным остаётся вопрос о способности веществ проникать через гематоэнцефалический барьер.

Основные проявления интоксикации. Независимо от способа поступления яда в организм симптомы отравления практически одинаковы.

Спустя 10-45 минут появляются тошнота, рвота, боли в животе, понос. Ранними признаками поражения являются парестезии в области рта, губ, языка, дёсен, распространяющиеся на область шеи, покалывание, ощущение жжения кожи конечностей. Позже развивается бледность кожных покровов, беспокойство, общая слабость, онемение конечностей, возникает ощущение невесомости тела. Зрачок сначала сужен, затем расширяется. В тяжёлых случаях взгляд фиксирован, зрачковый и корнеальный рефлексы отсутствуют, появляются признаки бульбарных нарушений: затруднение глотания, речи (иногда – афония), нарастают брадикардия, гипотензия, отмечается гиперсаливация, профузная потливость, понижение температуры тела. Дыхание учащается, становится поверхностным, развивается цианоз губ и конечностей.

Двигательные расстройства проявляются всё отчётливее: появляются подёргивания отдельных групп мышц, тремор, координация движений нарушается. Начавшись в области конечностей, постепенно развивающийся паралич распространяется на другие мышечные группы. Сознание, как правило, сохраняется весь период интоксикации. Смерть наступает от паралича дыхательной мускулатуры и асфиксии в течение 6-24 часов от начала интоксикации. Если больной выживает, в течение последующих суток наступает практически полная нормализация состояния, в большинстве случаев, без отдалённых последствий. Помимо типичной паралитической формы выделяют также гастроинтестинальный и аллергический варианты течения отравления.

Механизм токсического действия. Тетродотоксин, как и сакситоксин, оказывает избирательное действие на возбудимые мембраны нервов и мышц. Как известно, градиент концентрации ионов между внутренней и внешней средой формирует потенциал покоя возбудимой мембраны, равный примерно 90 мВ. Градиенты концентраций калия и хлора примерно уравновешивают друг друга. Поэтому проницаемость мембраны для этих ионов хотя и ограничена, но относительно высока. Проницаемость натриевых каналов в покое ничтожно мала. Более того, натрий постоянно «выкачивается» за пределы нейрона с помощью энергозависимых механизмов против высокого электрохимического градиента. Таким образом, потенциал покоя представляет собой не что иное, как готовый к использованию источник накопленной энергии, необходимый для генерации сигнала (потенциала действия). Если возбудимая мембрана деполяризуется примерно на 15 мВ, электровозбудимые натриевые каналы открываются, проницаемость их для ионов резко возрастает, натрий устремляется в клетку, разница потенциалов по обе стороны мембраны падает, деполяризация мембраны ещё более усиливается, формируется потенциал действия и возбуждение передаётся по нервному (или мышечному волокну). Затем в течение около 0,8 мс потенциал на мембране возвращается к исходному уровню, главным образом за счёт выхода ионов калия из клетки. Усиление проницаемости для калия необходимо для полной реполяризации мембраны и восстановления исходного потенциала покоя. При этом восстанавливается и исходная проницаемость мембраны для натрия.

Тетродотоксин и сакситоксин полностью блокируют проникновение ионов натрия по ионным каналам возбудимых мембран внутрь клеток. При этом становится невозможным формирование потенциала действия возбудимых мембран - нарушается проведение нервных импульсов по нейронам, сокращение миоцитов. В эксперименте показано, что вещества действуют только при экстрацеллюлярной аппликации. В соответствии с расчётами одна молекула токсинов полностью блокирует один ионный канал. Полагают, что взаимодействие токсикантов с белковыми молекулами, формирующими ионный канал, осуществляется за счёт группы гуанидина, содержащейся в структуре как сакси-, так и тетродотоксина. Взаимодействие токсинов с белками ионных каналов обратимо. In vitro яды могут быть удалены с поверхности возбудимой мембраны простым отмыванием биопрепарата.

Исчерпывающих данных о причинах развивающихся эффектов нет. Так, до конца не определено, возбудимые мембраны каких структур, нервных клеток (ЦНС, периферии) или миоцитов, являются более чувствительными к действию токсинов. Так, по мнению одних исследователей, остановка дыхания является следствием действия токсинов на нейроны дыхательного центра, другие полагают, что основным является нарушение проведения импульса по дыхательным нервам или возбудимости дыхательных мышц.

Судорожные агенты (конвульсанты).

Известно огромное количество веществ, как синтетических, так и естественного происхождения, способных провоцировать развитие судорожного синдрома у человека и экспериментальных животных. Многие из этих веществ не относятся к избирательным нейротоксикантам и вызывают судороги действуя в относительно высоких дозах. Действие других, напротив, чрезвычайно селективно и проявляется при попадании в организм в ничтожных количествах. Такие вещества называют конвульсантами или судорожными агентами.

Механизмы, посредством которых токсиканты вызывают судороги, могут быть классифицированы на несколько логических категорий, исходя из представлений, согласно которым нормальное функциональное состояние ЦНС является следствием баланса между процессами возбуждения и торможения нейрональных систем. Судороги возникают в результате либо гиперактивации процессов возбуждения, либо угнетения процессов торможения.

К числу веществ, вызывающих судороги путём активации возбуждающих систем мозга, относятся соединения, непосредственно действующие на возбудимые мембраны нейронов, либо иными способами усиливающие проведение нервных импульсов в холинергических и глутаматергических синапсах.

Пентилентетразол (ПТЗ) является представителем группы тетразолиевых конвульсантов, непосредственно действующих на возбудимые мембраны нейронов ЦНС. Зарин, представитель огромного класса фосфорорганических соединений (ФОС), и физостигмин (из группы карбаматов) являются ингибиторами холинэстеразы, возбуждающими холинергические структуры мозга. Наконец, каиновая кислота – агент, действующий на центральные рецепторы возбуждающих аминокислот (глутамата).

Наиболее уязвимыми для действия высокотоксичных веществ являются этапы выделения ацетилхолина в синаптическую щель, взаимодействия с холинорецепторами и разрушения АХЭ.

В ЦНС плотность М-холинорецепторов существенно выше, чем Н-холинорецепторов. Наивысшая плотность холинергических нервных окончаний определяется в хвостатом, прилежащем, чечевичном ядрах, гиппокампе, гипоталамусе, коре головного мозга, мозжечке.

Перевозбуждение центральных холинергических механизмов может приводить к развитию судорожного синдрома. Наибольшей активностью в этом плане обладают ингибиторы АХЭ, способные проникать через гематоэнцефалический барьер (ФОС, карбаматы).

Фосфорорганические соединения нашли применение как инсектициды (хлорофос, карбофос, фосдрин, лептофос и др.) и лекарственные препараты (фосфакол, армин и др.). Наиболее токсичные представители группы были приняты на вооружение армий целого ряда стран в качестве боевых отравляющих веществ (зарин, зоман, табун, VX).

ФОС хорошо растворяются в липидах и вследствие этого легко проникают через гематоэнцефалический барьер и оказывают непосредственное действие на холинергические синапсы мозга. ФОС являются ингибиторами АХЭ, практически необратимо взаимодействующими с её активным центром (фосфорилирование энзима). В результате их действия угнетается процесс разрушения ацетилхолина в синапсах. Медиатор накапливается в синаптической щели и вызывает гиперактивацию постсинаптических холинергических рецепторов (непрямое холиномиметическое действие). Кроме того, будучи в известной степени структурными аналогами ацетилхолина, вещества оказывают прямое возбуждающее действие на холинорецепторы. Гиперактивация последних приводит к перевозбуждению холинергических механизмов мозга и при достаточной степени поражения, к развитию судорожного синдрома.

Восстановление нормального проведения нервного импульса осуществляется за счёт медленно протекающих процессов дефосфорилирования АХЭ (спонтанная реактивация энзима), синтеза АХЭ de novo, десенситизации холинорецепторов.

Элиминация ядов из организма проходит с разной скоростью. Некоторые вещества способны к относительно продолжительному персистированию (карбофос –сутки и более). Наиболее токсичные представители ФОС очень быстро разрушаются при участии гидролаз и оксидаз смешанной функции. Значительная часть ФОС связывается эстеразами плазмы крови и не оказывает действия на холинергические синапсы ЦНС и ПНС.

Симптомы интоксикации ФОС при ингаляционном поражении развиваются практически немедленно, при поступлении через кожу или рот – через десятки минут. При действии в несудорожных дозах вещества вызывают возбуждение, бессонницу, головные боли, галлюцинации, чувство страха, апатию, депрессию, тремор. Интоксикация всегда сопровождается нарушениями со стороны жизненно важных органов и систем: дыхательной, сердечно-сосудистой, желудочно-кишечного тракта (активация парасимпатического отдела вегетативной нервной системы). При тяжёлых поражениях удорожный синдром протекает на фоне полной утраты сознания и, если не заканчивается летальным исходом (от остановки дыхания), приводит к коме. Продолжительность острой фазы интоксикации – от нескольких часов до суток.

Карбаматы.

Некоторые представители группы, прежде всего растительного происхождения (физостигмин, галантамин), обладают высокой токсичностью, но в силу избирательности действия широко используются в качестве лекарственных препаратов. Многие синтетические аналоги, обладающие меньшей токсичностью для млекопитающих, но высокотоксичные для насекомых, применяются в качестве инсектицидов. В настоящее время известны и весьма токсичные для человека синтетические производные карбаминовой кислоты. Например, аминостигмин, альдикарб.

Поражение карбаматами (по механизму действия, патогенезу токсического процесса и клинике интоксикации) чрезвычайно напоминает поражение ФОС. Основным проявлением тяжёлого поражения карбаматами является судорожный синдром. Особенностью действия карбаматов, в сравнении с ФОС, является обратимый характер ингибирования АХЭ (карбамилирование энзима).

Многие конвульсанты блокируют проведение нервного импульса в синапсах, участвующих в осуществлении механизмов пресинаптического и постсинаптического торможения ЦНС. К числу таковых прежде всего относятся ГАМК-ергические и глицинергические синапсы. В этой связи и токсиканты разделяются на нарушающие проведение импульса в:

1) ГАМК-ергических синапсах;

2) глицинергических синапсах.

ГАМК-ергические синапсы вовлечены в механизмы как пре-, так и постсинаптического торможения, глицинергические- только постсинаптического.

Конвульсанты, действующие на ГАМК-ергический синапс.

Существуют многочисленные данные, подтверждающие участие ГАМК в механизмах пресинаптического и, резистентного к глицину, постсинаптического торможения. ГАМК – нейромедиатор в тормозных синапсах как позвоночных, так и беспозвоночных животных. ГАМК вызывает гиперполяризацию возбудимой мембраны, что сопровождается формированием ингибиторного постсинаптического потенциала (ИПСП). Установлено, что в основе этого действия лежит усиление проницаемости возбудимых мембран для ионов хлора.

ГАМК обнаружена во всех структурах ЦНС. Концентрация аминокислоты в разных областях мозга колеблется в пределах от 2 до 10 мкМ/г ткани. Наивысшее её содержание – в чёрной субстанции.

ГАМК образуется из глутамата под влиянием пиридоксальфосфат-зависимого энзима глутаматдекарбоксилазы (ДГК). ДГК – цитоплазматический энзим, широко представленный в структурах мозга, содержащих ГАМК в высоких концентрациях. Источником глутамата является цикла Кребса. Катаболизм нейромедиатора осуществляется митохондриальным энзимом- трансаминазой ГАМК (ГАМК-Т). Он превращает вещество в сукцинатсемиальдегид, который, в свою очередь, окисляется другим митохондриальным энзимом- дегидрогеназой сукцинатсемиальдегида, с образованием янтарной кислоты. Последняя утилизируется циклом Кребса.

Большая часть выделевшейся в синаптическую щель ГАМК удаляется путём высокоаффинного натрий-зависимого активного обратного захвата как нервными окончаниями, так и клетками глии. До 50% ГАМК ЦНС определяется в глиальных элементах мозга.

Конвульсанты, действующие на ГАМК-ергический синапс, либо блокируют синтез и высвобождение ГАМК в синаптическую щель (аллилглицин, 3- меркаптопропионовая кислота, антагонисты пиридоксальфосфата), либо являются её физиологическими антагонистами.

 

Ингибиторы синтеза ГАМК.

К числу веществ, угнетающих синтез ГАМК, принадлежат прежде всего ингибиторы декарбоксилазы глутаминовой кислоты (ДГК), в частности: аллилглицин, 3-меркаптопропионовая кислота, кислород под повышенным давлением, соединения- антагонисты пиридоксальфосфата, в силу широкого использования в практике, представляют особый интерес. По большей части это производные гидразина.

При введении в близких к смертельным дозах вещества вызывают клонико-тонические судороги, приступы которых чередуются с периодами ремиссии. Судорогам предшествует скрытый период продолжительностью около полутора часов.

Фенобарбитал, триметадион, а также пиридоксин подавляют судороги, вызываемые производными гидразина.

В основе токсического действия лежит способность связываться с пиридоксалем с образованием пиридоксальгидразонов, которые являются ингибиторами энзима пиридоксалькиназы. Угнетение активности этого фермента приводит к нарушению синтеза в цитоплазме нейронов пиридоксальфосфата- коэнзима многих ферментов, среди которых ДГК и трансаминаза ГАМК (ГАМК –Т). Таким образом, гидразин и его производные угнетают не только синтез, но и разрушение ГАМК, однако действие на синаптический процесс выражено сильнее и поэтому содержание ГАМК в ткани мозга снижается. Обычно судороги развиваются при снижении активности ДГК на 40 и более процентов.

Вещества, блокирующие высвобождение ГАМК из нервных окончаний.

С действием на пресинаптические ГАМК-ергические структуры связывают судорожную активность тетанотоксина.

Тетанотоксин продуцируется анаэробными бактериями Clostridium tetani. Это белок, состоящий из двух субъединиц с молекулярной массой 100000 и 50000 дальтон. Неустойчив при нагревании.

Для людей смертельная одноразовая доза токсина составляет 0,2-0,3 мг.

После интоксикации скрытый период может продолжаться в течение нескольких суток. Вслед за общими проявлениями недомогания развивается тризм жевательной мускулатуры, а затем и других групп мышц. Смерть наступает от остановки дыхания в результате тонического сокращения дыхательной мускулатуры. У млекопитающих токсин также вызывает приступы тонических судорог. Установлено, что при этом блокируется выброс тормозных нейромедиаторов ГАМК и глицина пресинаптическими структурами. ГЭБ для тетанотоксина не проницаем.