Система тестирования ксенобиотиков по видам биологической активности может включать два взаимосвязанных подхода. Первый – уровень целевого объекта испытаний (человек, животное, растение, биогеоценоз), на который должно быть направлено действие искомого ксенобиотика, исходя из целей поиска (лекарства, ветеринарное средство, гербицид и т. д.), и второй подход – совокупность тест-объектов, базирующихся на использовании более примитивной организации живой материи, чем целевой. Использование второго подхода оправдано в тех случаях, когда первый не обеспечивает достаточной производительности и т. д. Однако эти реальные подходы ограничиваются одним или несколькими видами биологической активности и сравнительно малой выборкой ксенобиотиков из массива.
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. К настоящему времени разработан достаточно широкий набор тест-объектов и соответствующих тест-реакций, позволяющих классифицировать химические соединения по характеру их действия.
Традиционный путь поиска: с применением фармакологических тестов организменного уровня определяют биологическую активность ряда чужеродных соединений, затем улучшают их свойства путем химической модификации в соответствующих рядах соединений. После этого проводят новые испытания модифицированных веществ, снова их улучшают и т.д. Это делается до тех пор, пока указанная процедура не приведет к созданию наиболее эффективного в данном ряду соединения. Такой подход охватывает лишь один или несколько видов биологической активности и сравнительно малую выборку ксенобиотиков.
Работая со сравнительно небольшими массивами чужеродных соединений и определяя сравнительно немного видов активности можно использовать животных как основной тест-объект. Однако индустриальные масштабы испытаний и их промышленная организация требуют увеличения на порядки производительности системы и обеспечения возможность работы с малым количеством испытуемого вещества.
Поэтому возникла необходимость обратиться к исследованиям на тканевом, клеточном, молекулярном уровнях. Здесь вступает в право использование принципа качественного подобия — эпиморфизма тест-объекта и целевого объекта в отношении определенного биологического свойства ксенобиотика.
Принцип эпиморфизма — это принцип конструктора: из небольшого числа деталей построить как можно больше фигур. Возможности принципа эпиморфизма велики, поскольку основные молекулярные структуры и субклеточные образования в большей степени единообразны у самых разнообразных живых объектов.
Главные методологические трудности при использовании эпиморфных моделей связаны с определением оптимального уровня детализации модели по отношению к 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 говорят о биологической активности ксенобиотиков, то для ее определения необходимы тест-объекты, у которых регистрируются определенные виды биологических реакций (гибель, изменение роста, изменение различных метаболических реакций и т.д.) при их действии, называемые тест-реакциями. В этой связи разработаны 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.
Предлагается подбирать тест-объекты по следующим критериям: сходство молекулярных рецепторов, являющихся мишенями для веществ с данными видами активности; принцип надмолекулярной организации и молекулярный состав (близость по структуре); функциональное сходство; органное или тканевое происхождение; идентичность патологического состояния тест-объекта таковому реального объекта.
Первый критерий является самым надежным. Второй (близость по структуре) и третий (близость по функции) критерии используются при выборе моделей для оценки влияния на подвижность (сперматозоиды, тетрахимена), на дыхание и гликолиз (печень, эритроциты, клетки опухолей), на фотосинтез (водоросль Nitella), на химический гомеостаз (печень — монооксигеназная система).
При использовании всех трех критериев остается неопределенность прогноза, обусловленная необходимостью переносить результаты ответов in vitro на систему in vivo, а именно тем, что in vitro не учитывается доступность объекта-мишени, метаболизма ксенобиотика и строения реального объекта. Гибель клетки не означает гибели организма. Большая степень неопределенности существует в отношении тех видов активности, которым присущи системные эффекты на уровне ткани, органа или организма.
В этом случае подбор биологических тест-объектов по критерию органного происхождения дает значительную гарантию прогноза. Однако все же гораздо надежнее строить прогноз по данным испытаний на всех объектах. И, естественно, следует учитывать последний признак — близость патологического состояния тест-объекта и реального объекта.
Классификация ксенобиотиков по видам биологической активности по-новому ставит вопрос о подборе и стандартизации тест-объектов. Степень воспроизводимости, стандартность набора тест-объектов непосредственно определяют надежность принимаемых решений и степень автоматизации системы. С молекулярными тест-объектами это сделать проще.
Каждый тест-объект индивидуален, что приводит к целому ряду затруднений при регистрации его характеристик, интерпретации данных, выявлении их соответствия поставленным целям и т.д.
Существует ряд методических подходов для стандартизации, подбора, приготовления тест-объектов, например: стандартизация условий содержания животных; использование контрольных карт (отбраковка животных, для которых отклонения, согласно карте, превышают определенную величину);выбор наиболее щадящих условий выделения и инкубации; использование дополнительных воздействий, переводящих; тест-объект в заданное состояние; нормирование регистрируемых параметров (приведение к норме); выбор тест-реакций, минимально зависящих от индивидуальности тест-объектов и т.д.
