Химико-токсикологический анализ сердечными гликозидами: отравление дигоксином

Введение
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИГОКСИНА
1.1. Название и химическая природа дигоксина
1.2. Физико-химические свойства дигоксина
1.3. Практическое применение
1.4. Класс токсичности. Токсикометрические параметры
1.5. Клинические признаки при отравлении
1.6. Стадии отравления
1.7. Методы детоксикации
1.8. Обоснование применения антидотной терапии
ГЛАВА 2. ТОКСИКОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИГОКСИНА
2.1. Молекулярные механизмы формирования токсического эффекта
2.2 Влияние на токсичность физико-химических свойств токсиканта
2.3. Количественная корреляция структура – активность
2.4. Зависимость доза-эффект
2.5. Комбинативная токсичность
2.6. Сочетанные воздействия с физическими факторами среды
ГЛАВА 3. ТОКСИКОКИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИГОКСИНА
3.1.Токсикокинетические модели при оценке токсичности
3.2. Кривые концентрация-время, AUC для ксенобиотика
3.3. Константы скорости абсорбции, распределения, биотрансформации, экскреции ксенобиотика
3.4. Периоды полупревращений
3.5. Объем распределения
3.6. Клиренс
3.7. Механизм биотрансформации
ГЛАВА 4. ВОПРОСЫ АНАЛИТИЧЕКСОЙ ТОКСИКОЛОГИИ
4.1. Методология проведения клинико-токсикологического анализа
4.1.1. Отбор проб биоматериала у живых лиц или извлечение органов и тканей из трупа
4.1.2. Изолирование ксенобиотика (физико-химические характеристики экстракции, минерализации, микродиффузии, перегонки с водяным паром и др.)
4.2. Методы идентификации
Методы количественного определения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение

Химико-токсикологический анализ сердечными гликозидами: отравление дигоксином

Накопление токсиканта в каком-либо органе или ткани не обязательно свидетельствует о присутствии там молекул-мишеней. Например, более 90% введенных сердечных гликозидов накапливается в надпочечниках, а мишенью токсичности является миокард, где их содержание незначительно.
Взаимодействие токсиканта с молекулами-мишенями происходит по лиганд-рецепторному механизму. Рецептор токсичности – это химически активная группировка, в норме участвующая в метаболизме клеток, к которым способна присоединиться молекула ксенобиотика.
Рецепторы-мишени, формирующие ионные каналы токсичности, локализованы в области клеточных мембран. Эти рецепторы участвуют в передаче нервных импульсов в ЦНС и на периферии. Обычно рецепторы, формирующие ионные каналы, состоят из неск. Субъединиц, пронизывающих всю толщу биологрической мембраны. Один – две из этих субъединиц представляют собой собственно рецепторную область, связывающуюся с лигандом. Другие субъединицы после взаимодействия рецепторной области с лигандом изменяют свою конформацию и участвуют в формировании ионного канала.
К этой группе рецепторов можно отнести Na+-,K+-, Са2+ -каналы возбудимых мембран. Для которых пока не найдены эндогенные антагонисты.
2.2. Влияние на токсичность физико-химических свойств токсиканта (устойчивость ∆G, растворимость, характер химических связей, электролитическая диссоциация, кислотно-основные свойства, липофильность и др.) и параметров (рН, Е. полярность и др.)
На формирование токсического эффекта влияют физико-химические свойства химического вещества и биологической среды: агрегатное состояние, размер частиц дисперсной фазы, природа химических связей. Структура молекул токсиканта, способность к образованию координационных связей с биолигандами, относительная молекулярная масса. Летучесть, растворимость в липидах и воде в зависимости от рН и окислительно-восстановительного потенциала Еº биосреды и ксенобиотика. Рассмотрим более детально роль этих параметров при воздействии токсикантов на биообъекты.
Влияние растворимости ксенобиотика в биологических средах на его токсичность
На токсичность твердых химических веществ значительно влияет их растворимость в жидких биосредах, т.е. переход из твердой фазы в жидкую. Нерастворимый дигоксин, введенный перорально, проявляет меньшую токсичность, чем хорошо растворимые формы (внутривенное введение).
Образование малорастворимых соединений в биосреде приводит к снижению их всасывания, что снижает токсичность.
Токсические эффекты ксенобиотиков зависят не только от равновесий между твердыми и жидкими фазами, рассмотренными выше, но и от межфазных равновесий ж1↔ж2 при распределении между двумя несмешивающимися жидкостями.
Например, жидкая металлическая ртуть Hg(ж1) не представляет опасности при попадании в ЖКТ, поскольку не переходит в растворимую ионную форму Hg2+ (ж2), способную транспортироваться через стенки ЖКТ подобно катионам др. металлов.
Коэффициент распределения в значительной мере зависит от кислотно-основной природы ксенобиотиков и рН биосред. Эти факторы определяют пути распределения токсикантов между биологическими средами и возможность их извлечения полярными и неполярными растворителями при пробоподготовке к анализу.
Рассмотрим пример, демонстрирующий распределение дигоксина между биологическими средами и/или растворами in vitro от его кислотно-основной природы и от рН среды.
Дигоксин – слабая кислота, подвергающаяся ионизации в соответствии с уравнением НА ↔ Н+ + А-
Области преобладания (устойчивости, существования) молекулярной и анионной форм кислоты на рН-диаграмме разграничены прямой линией при рН=рКа:
HA │ A-
│
________|_____│______________|__________________|______
0 pKa 7 14 pH
В соответствии с уравнением Хендерсона-Хассельбаха
рН = pKa + log [A-] / [HA]
Соотношение заряженной и незаряженной форм токсиканта кислотной природы зависит от рН следующим образом: [A-] / [HA] = 10 pH-pKa,
Откуда следует, что при рН=рКа концентрации заряженной и незаряженной формы равны [A-]=[HA].
Пользуясь рН-диаграммой, нетрудно обнаружить. Что в содержимом желудка (рН 1,5-1,8) преобладает незаряженная (протонированная) форма дигоксина НА. При изолировании этого ксенобиотика из рвотных масс при остром отравлении или при извлечении из содержимого желудка в посмертных судебно-химических исследованиях необходимо использовать неполярный органический растворитель, а анализируемую пробу подкислять.
В крови (рН 7,35-7,45) или моче (рН 4.8-7,4) дигоксин подвергается ионизации с образованием анионной формы (А-):
НА + Н2О ↔ А- + Н3О+
В связи с этим эффективность изолирования ксенобиотика из крови или мочи в неполярный растворитель также повышается при подкислении анализируемых биологических жидкостей. Снижение рН приводит к переходу заряженной формы дигоксина в неполярную форму:
А- + Н+ ↔ НА
Чрезвычайно важной характеристикой токсиканта, используемой для прогнозирования механизмов токсичности, является окислительно-восстановительные потенциалы токсикантов и биосред, в которые они попадают.
Одновременное рассмотрение значений окислительно-восстановительных потенциалов Еº, констант кислотной ионизации токсичного вещества Ка и рН биосреды дает возможность прогнозировать форму существования токсиканта в той или иной среде организма. Для этого удобно пользоваться диаграммами рН-потенциал для жидких биосред. Действительно, жидкие биосреды представляют собой не что иное, как рН и Еº в локальных точках. Область существования жидких биосред ограничена областью устойчивости воды. Стандартные значения потенциалов, ограничивающие эту область, соответствуют окислительно-восстановительным парам О2/Н2О, Н2О/Н2 и равны соответственно 0,82 В и 0,00 В. Любой токсикант, область устойчивости которого находится вне области существования жидких биосред. Проявляет свойства окислителя или восстановителя по отношению к биогенным соединениям или воде.
Ксенобиотики, участвуя в переносе электронов, т.е. окисляя или восстанавливая нативные соединения, способствуют образованию токсических побочных продуктов и нарушают естественные метаболические пути.
Важной характеристикой для прогнозирования токсичности химического вещества является его липофильность. Согласно липидной теории клеточной депрессии, вещества, химически инертные в полярном растворителе – воде, могут оказывать угнетающее действие на клетки, богатые липидами, особенно на клетки ЦНС. При этом воздействие ксенобиотика тем эффективнее, чем выше коэффициент распределения между липофильным растворителем и водой.(4)
2.3. Количественная корреляция структура – активность
Установление взаимно однозначных соответствий между строением и биологическими свойствами химических соединений положило начало поиску химических групп или ядер (циклических систем), ответственных за биологическую активность, в частности токсичность.
При создании нового лекарства сначала синтезируют ряд его аналогов, содержащих заместители в ароматических, гетероатомных кольцах или доступных функциональных группах. В качестве кандидата на лекарственное вещество выбирают аналог с оптимальными физическими и химическими свойствами, конфигурацией, обеспечивающей возможность взаимодействия с рецепторами, токсико-кинетическими характеристиками распределения, биотрансформации и с минимальной токсичностью. При этом очевидна необходимость рационального выбора соответствующих заместителей, что достигается использованием метода количественных корреляций структура-активность (ККСА), оказавшегося полезным при решении указанных задач.
Используя метод ККСА и количественно описывая структуры молекул различных аналогов в зависимости от физико-химических, фармакологических и токсических свойств некоторых уже синтезированных соединений. Можно прогнозировать показатели биологической активности (например, токсичности) у нового аналога.
Выявление количественных корреляций свойств химических соединений с их молекулярными структурами становится возможным только после математического описания и цифрового представления структуры молекулы. Для количественного описания молекулярной структуры наибольшую популярность получили топологические индексы. Топологические индексы можно вычислить на основании молекулярной структуры, они позволяют учесть её разветвленность, форму, цикличность, симметрию и т.п.
По существу топологические индексы являются числовыми молекулярными дескрипторами химического соединения. Топология молекулы определяется порядком взаимосвязи атомов и рассматривается с позиции теории графов. Любую молекулярную структуру можно представить в виде графа, в вершинах которого находятся атомы. Ребра графа – это ковалентные химические связи. Водородные атомы при построении исключаются из результатов.
Исходя из графа химического соединения, строят топологические матрицы смежности, распределения и обхода. Топологические матрицы содержат N строк и N столбцов, где N –это число атомов в молекуле (за искл. атомов водорода).
Топологические индексы, рассчитанные для гомологических рядов химических соединений, вместе с информацией о физико-химических свойствах используются для установления корреляционной зависимости между индексами и параметрами молекулы, а также прогнозирования изменения токсического действия при введении заместителя.
При использовании современных компьютеров и соответствующего программного обеспечения расчет топологических индексов сколь угодно сложных молекул органических веществ не представляет больших трудностей.
Для получения взаимно однозначных соответствий структура-активность среди органических соединений разной природы возможно использование многомерного вектора, составленного из топологических индексов и параметров токсичности для модельных клеточных систем.
В современной практике ККСА – исследований проводится анализ многомерных массивов данных с использованием максимального числа дескрипторов. Операции со многими дескрипторами позволяют исключить случаи корреляции. При этом используются базы данных, включающие информацию о тысячи химических соединений, содержащих сведения о строении, физических и химических свойствах, токсичности, лекарственной активности.
Использование ограниченных выборок оправдано тогда, когда исследования проводятся с применением комбинированных подходов, например, с учетом кинетики клеточных превращений.
Наличие в молекуле сердечных гликозидов лактонного кольца, связанного со стероидным циклом, побудило исследовать инотропную активность простейших лактонов. Вслед за предварительными исследованиями Chen в 1942г Giarmann (1949) изучил действие 28 простых нестероидных лактонов и нашел один, активность которого составляла примерно 5% активности лучших сердечных гликозидов. Однако последняя работа показала, что лактонное кольцо гликозидов может быть заменено ненасыщенной эфирной или нитрильной группами без потери биологической активности.
Лактонное кольцо может быть замещено разными группировками, но обязательным требованием к последним является необходимость их расположения в одной плоскости. Так, лактонное кольцо можно заменить группой СН=СН-СR=X, где X-гетероатом (О или N), а радикал R может быть водородом или алкилом, но не большим, чем метокси-группа. Активность таких аналогов полностью исчезает, как при восстановлении этиленовой группировки, так и при увеличении цепи сопряжения. Вероятно, взаимодействие сердечных гликозидов с рецептором начинается с притяжения атомов С20 (связанного с атомом С12 стероидного ядра) к гетероатому, несущему эффективный положительный заряд.(1)
2.4. Зависимость доза-эффект
В зависимости от действующей дозы практически любое вещество при определенных условиях может оказаться вредным для организма. Это справедливо для токсикантов, действующих как местно, так и после резорбции во внутренние органы.
На параметры зависимости «доза-эффект» оказывают существенное влияние внутри- и межвидовая изменчивость организмов. Действительно, даже особи, относящиеся к одному и тому же виду живых существ. Отличаются друг от друга по биохимическим, физиологическим, морфологическим характеристикам. Эти отличия в большинстве случаев обусловлены их генетическими особенностями. В этой связи дозы конкретного вещества. В которых оно вызывает повреждение организмов одного и того же вида порой очень существенно различаются. Следовательно, зависимость «доза-эффект» отражает свойства не только токсиканта, но и организма, на который он действует. На практике это означает, что количественную оценку токсичности, основанную на изучении зависимости «доза-эффект», следует проводить в эксперименте на различных биологических объектах и обязательно прибегать к статистическим методам обработки получаемых данных.
В общем виде можно предположить, что кривая «доза-эффект» агониста в полулогарифмических координатах (log дозы – выраженность эффекта) принимает S-образную форму независимо от целого ряда качественных и количественных особенностей оцениваемой функции. Метод, с помощью которого изучается зависимость, то ли постепенное добавление токсиканта в инкубат, то ли однократное действие вещества на биообъект в возрастающих концентрациях, не оказывает существенного влияния на результат, если эффект не оценивается в абсолютных значениях, а выражается в процентах от максимально возможного (100%).
Наиболее распространенный способ определения зависимости «доза-эффект» в группе состоит в формировании в этой группе подгруппы. Животным, входящим в подгруппу, токсикант вводят в одинаковой дозе, в каждой последующей подгруппе доза увеличивается. Формирование подгрупп должно осуществляться методом случайных выборок. С увеличением дозы будет увеличиваться часть животных в каждой из подгрупп, у которых развился оцениваемый эффект. Получаемую при этом зависимость можно представить в виде кумулятивной кривой частот распределения, где количество животных с положительной реакцией на токсикант (часть общего количества животных в подгруппе) является функцией дозы.
В приложении изображается типичная кривая «доза-эффект» для группы животных, симметричная относительно средней точки (50% ответ). Основные значения ответа группы на токсикант сосредоточены вокруг среднего значения.
В большинстве случаев график представляет собой S-образную кривую log-нормального распределения, симметричную относительно средней точки. Можно выделить ряд важных характеристик этой кривой, которые целесообразно учитывать при интерпретации получаемых результатов.
- Центральная точка кривой (значение 50% ответа) или среднеэффективная доза (ED50) – удобный способ характеристики токсичности вещества. Если оцениваемый эффект – летальность животных в группе, эта точка обозначается как среднесмертельная доза. Эта величина является наиболее точной количественной характеристикой токсичности, поскольку значения 95% доверительного интервала здесь минимальны.
- Чувствительность большинства животных в популяции близка среднему значению. Небольшая часть популяции (в левой части кривой «доза-эффект») реагирует на малые дозы токсиканта. Эта группа сверхчувствительных или гиперчувствительных особей. Другая часть популяции (в правой части кривой) реагирует лишь на очень большие дозы токсиканта. Это малочувствительные, гипореактивные или резистентные особи.
- Наклон кривой «доза-эффект», особенно вблизи среднего значения, характеризует разброс доз, вызывающих эффект. Эта величина указывает, как велико будет изменение реакции популяции на действие токсиканта с изменением действующей дозы. Крутой наклон указывает на то, что большая часть популяции будет реагировать на токсикант примерно одинаково в узком диапазоне доз, в то время как пологий наклон свидетельствует о существенных различиях в чувствительности особей к токсиканту.
Токсикодинамические параметры дигоксина:
- биодоступность при приеме внутрь F – 70%
- степень связывания с белками плазмы – 25%
- доля токсиканта, экскретируемая с мочой – 60% (4)
2.5. Комбинативная токсичность
Схема изучения совместного действия веществ на группы лабораторных животных может быть различной. Обычно изучают выраженность действия одного из веществ в возрастающей дозе на фоне предварительного введения другого вещества в фиксированной дозе. Наиболее часто для объяснения и анализа получаемых результатов используют математический аппарат и представления оккупационной теории. Так, параллельный сдвиг кривой «доза-эффект» свидетельствует о возможном конкурентном действии препаратов на биомишени в исследуемом организме; понижение или повышение уровня максимального эффекта при совместном действии веществ косвенно указывает на различные точки приложения веществ.
Полагают, что алюминий- и магнийсодержащие антациды вызывают небольшое уменьшение абсорбции дигоксина. При одновременном применении с антибиотиками группы аминогликозидов (в т.ч. с неомицином, канамицином, паромомицином) уменьшается концентрация дигоксина в плазме крови, по-видимому. Вследствие нарушения его абсорбции из ЖКТ. При одновременном применении дигоксина с антибиотиками группы макролидов (азитромицином, кларитромицином, эритромицином или рокситромицином) возможно значительное повышение концентрации дигоксина в плазме крови и повышение риска развития гликозидной интоксикации. При одновременном применении с антихолинергическими средствамивозможны нарушения памяти и внимания у пациентов пожилого возраста. При одновременном применении с бета-адреноблокаторами существует риск развития аддитивной брадикардии. Имеются сообщения о повышении биодоступности дигоксина под влиянием талинолола и карведилола. ГКС вызывают повышение выведения калия и натрия из организма, задержку воды, что приводит к возрастанию риска развития гликозидной интоксикации при одновременном применении с дигоксином. При одновременном применении с диуретиками, инсулином, препаратами кальция, симптомиметиками усиливается риск развития гликозидной интоксикации. При одновременном применении с тиазидными и петлевыми диуретиками имеется некоторый риск развития гликозидной интоксикации. Полагают, что вследствие повреждения эпителия кишечника под влиянием цитотоксических средств возможно ухудшение абсорбции дигоксина из ЖКТ. При одновременном применении с алкалоидами раувольфии (в т.ч. с резерпином) имеется риск развития выраженной брадикардии, нарушения сердечного ритма (особенно фибрилляции предсердий). При одновременном применении амилорид вызывает небольшое повышение концентрации дигоксина в плазме крови, что в большей степени может проявляться у пациентов с нарушениями функции почек. Под влиянием амилорида возможно некоторое уменьшение положительного инотропного действия дигоксина (клиническое значение не установлено). При одновременном применении с амиодароном значительно увеличивается концентрация дигоксина в крови за счет снижения его клиренса и вследствие этого развивается гликозидная интоксикация.
2.6. Сочетанные воздействия с физическими факторами среды.
Для проявления токсического действия необходимо, чтобы токсичное вещество достигло рецепторов токсичности в достаточно большой дозе и в течение короткого времени.
Характер взаимодействия токсичного вещества с организмом зависит от многих факторов, относящихся как к самому токсическому агенту в конкретно сложившейся «токсической ситуации», так и к пострадавшему организму. Последние можно разделить на две основные группы: а). внутренние, присущие пострадавшему; б). внешние, влияющие на формирование ответной реакции на химическую травму.
Общая классификация факторов, определяющих развитие отравлений
I. Основные факторы, относящиеся к ядам:
- физико-химические свойства;
- токсическая доза и концентрация в биосредах;
-характер связи с рецепторами токсичности;
- особенности распределения в биосредах;
- степень химической чистоты и наличие примесей;
- устойчивость и характер изменений при хранении
II. Дополнительные факторы, относящиеся к конкретной «токсической ситуации»:
- способ, вид и скорость поступления в организм;
- возможность к кумуляции и привыкание к ядам;
- совместное действие с другими токсичными и лекарственными веществами