Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Метаболизм и детоксикация ксенобиотиков 9
1.2. Лабораторная диагностика токсических поражений . 15
1.3. Проблемы математического моделирования интоксикаций 31
1.3.1. Классификация математических моделей 32
1.3.2. Оценка параметров математических моделей 33
1.3.3. Некоторые сложности моделирования состояний интоксикации 34
Глава 2. Собственные исследования 37
2.1. Материалы и методы 37
2.1.1. Объекты и методы исследования 37
2.1.2. Статистическая обработка результатов 48
Глава 3. Результаты исследований 59
3.1. Характеристика динамики лабораторных показателей при токсической гепатонефропатии 59
3.2. Взаимосвязь между лабораторными показателями и степенью выраженности токсикоза при токсической гепатонефропатии 79
3.3. Взаимосвязь между основными лабораторными показателями крови и мочи 83
3.4. Интефальные критерии оценки функционирования систем детоксикации в норме и при токсическойгепатонефропатии
3.4.1. Использование рефессионного анализа для построения интефальных критериев 89
3.4.2. Использование дисперсионного анализа для построения интефальных критериев 93
Заключение 109
Выводы 118
Практические предложения 119
БиблиофафическиЙ список
- Метаболизм и детоксикация ксенобиотиков
- Проблемы математического моделирования интоксикаций
- Характеристика динамики лабораторных показателей при токсической гепатонефропатии
- Взаимосвязь между лабораторными показателями и степенью выраженности токсикоза при токсической гепатонефропатии
Введение к работе
Актуальность исследования 5
Цель исследования 6
Задачи исследования 6
Научная новизна работы 6
Практическая значимость 7
Основные положения, выносимые на защиту 7
Метаболизм и детоксикация ксенобиотиков
Важнейшие регуляторные эндогенные молекулы (стероиды, производные арахидоновой кислоты, биогенные амины и др.);, а также токсические, канцерогенные, лекарственные вещества и другие ксенобиотики метабол изируются с помощью уникальной системы ферментов группы цитохрома Р-450.
Эта древнейшая система, которой снабжены все живые существа, обеспечивает "защиту клетки от разнообразных потенциально опасных, способных нарушить гомеостаз веществ, которые имеются или могут появиться в окружающей среде" [37].
Каждая ядро содержащая клетка человека и животных наделена своей системой цитохрома Р-450, все вместе они составляют очень мощную метаболическую систему организма, рассчитанную на биотрансформацию неограниченного круга химических структур, с которыми сталкивается или может столкнуться организм.
Термин «цитохром Р-450» был введен в 1961 г. для обозначения гемсодержащего фермента, обнаруженного в микросомальной фракции печени, который обладает дифференциальным спектром поглощения с пиком при длине волны 450 нм.
Следует подчеркнуть, что молекула цитохрома Р-450 функционирует не сама по себе, а как часть многокомпонентной системы, в которой основными компонентами являются цитохром Р-450, цитохром Ь5 и NADPH-зависимые редуктазы, гемоксигеназа. Эта ферментная система локализована в эндогшазматическом ретикулуме большинства органов, прежде всего печени и пограничных тканях (кожа, легкие, стенка кишечника), а также в митохондриях коры надпочечников и половых желез [99,120,124].
Функции этой системы весьма многообразны и охватывают широкий круг реакций биотрансформации как экзо-, так и эндогенных соединений липофильной природы. С одной стороны, ферменты играют ключевую роль в превращениях обширной группы ксенобиотиков, то есть являются детоксикантами. С другой стороны, принимают участие в биосинтезе и биотрансформации важнейших эндогенных компонентов метаболизма, в частности, холестерина, кортикоидных гормонов, катехоламинов, простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов, оксида азота (II) и др.
Эта система представляет собой электронно-транспортную цепь, организованную в белково-липидный комплекс, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию включения атома кислорода из поступающего с кровью молекулярного кислорода в молекулу гидрофобных соединений.
Вследствие этого, во-первых, изменяется характер физиологической активности эндогенных соединений, во-вторых, изменяется токсичность ксенобиотиков (чаще в сторону уменьшения), в-третьих, появляется структурная возможность включения образующихся соединений в следующие реакции детоксикации.
Считают, что система цитохрома Р-450 способна распознавать неограниченный круг веществ, т.е. является биохимическим анализатором [63], который в результате окисления превращает это вещество в целый ряд метаболитов, отличающихся от первоначального ксенобиотика по строению и химическим свойствам. Причем, это окисление сопровождается появлением реакционноспособных промежуточных продуктов, которые могут ковалентно связываться с макромолекулами [37].
Многообразие субстратов, на которое воздействует цитохром Р-450, является отражением существования множественных форм фермента, число которых на сегодняшний день достигает сотни. Поэтому весь спектр этих ферментов обозначается как генное суперсемейство цитохрома Р-450 [135].
В ответ на поступление в организм ксенобиотиков в печени и других органах происходит индукция биосинтеза тех изоформ цитохрома Р-450, которые метаболизируют данные соединения. Это эквивалентно реакции
иммунной системы, способной воспринимать, перерабатывать и запоминать информацию о состоянии молекулярной среды [20].
Система цитохрома Р-450 в определенном смысле «управляет» иммунной системой путем регуляции метаболизма стероидных гормонов, производных арахидоновои кислоты и других веществ, влияющих на функции иммунокомпетентных клеток. В свою очередь иммунная система способна регулировать активность системы цитохром Р-450 с помощью цитокинов и биологически активных фрагментов иммуноглобулинов.
Обе эти системы являются совершенно разными по природе и основным принципам своей организации. Однако, несмотря на это, обе они работают на основе универсальных биологических закономерностей. Это привело к появлению концепции единой иммунохимической функциональной системы гомеостаза, способной эффективно обеспечивать метаболическую адаптацию к изменяющейся среде [63].
Фактически любой организм обладает индивидуальной чувствительностью к действию биологически активных химических соединений, включая лекарства, которая зависит от метаболического статуса организма или, другими словами от состояния системы ферментов метаболизма и детоксикации ксенобиотиков [62].
Ключевыми энзимами данных процессов являются: цитохром Р-450, эпоксидгидролаза, глутатион-8-трансфераза, сульфотрансфераза, N-ацетилтрансфераза, TJDP-глюкуронилтрансфераза и др. Эти ферменты локализованы в разных компартментах клетки (эндоплазматическом ретикулуме, цитозоле, ядерных мембранах) и составляют систему защиты наиболее важных центров - управляющего (ядро) и энергетического (митохондрии).
Проблемы математического моделирования интоксикаций
Математическое моделирование заключается в построении математической модели изучаемого объекта с целью более полного понимания его строения и свойств, а также возможности управления этим объектом. Если построенная модель адекватна, то исследование ее свойств математическими методами является значительно более легким и дешевым, по сравнению с проведением реального эксперимента, а также позволяет выявить детали поведения изучаемого объекта, ускользающие при прямом экспериментальном изучении.
Если представить изучаемый объект в виде ящика, на который оказывают воздействие внешние факторы Хь, k= 1,2,...,14, результатом действия которых является отклик объекта Y [1 ], то функцию называют математической моделью изучаемого объекта.
Методы статистического анализа достаточно часто используются в биохимических и медицинских исследованиях и детально описаны в литературе [16,67]. Тем не менее, значительная математическая сложность современных статистических методов затрудняет их применение, а недостаточное знание сущности, возможностей и ограничений этих методов приводит к ошибкам при интерпретации получаемых результатов.
Если относительно вида функцииf(x]fх2,...,xN)не имеется (или не используется) никакой априорной информации, то иногда говорят о моделировании в приближении "черного ящика". В этом случае в результате статистической обработки достаточно большого количества наблюдений пациентов с данной патологией получают вероятностно-статистическую модель [83].
Если о виде модели имеется та или иная априорная информация, используют термин моделирования в приближении "серого ящика".
Если же в распоряжении исследователя имеется четко детерминированная модель, для которой из соображений биохимии, физической химии и т.д. известна функциональная связь действующих факторов и отклика, говорят о приближении "белого ящика". Построение подобных аналитических моделей предполагает полное изучение свойств организма и его изменений во времени, является исключительно сложной задачей и реально возможно только в рамках гомеостаза. При выводе организма в патологическую область количество случайных факторов, не поддающихся непосредственному учету, становится слишком большим. В подобной ситуации единственной возможностью является построение математических имитационных вероятностно-статистических моделей. Наиболее часто для построения подобных моделей используют полиномы следующего вида:
В практических ситуациях обычно опускают слагаемые, содержащие степенную зависимость факторов, и ограничиваются линейными полиномами, содержащими перекрестные слагаемые, описывающие взаимодействие факторов:
В условиях, когда экспериментальных данных недостаточно для оценки всех параметров модели, часто опускают также и эффекты взаимодействия, ограничиваясь следующей моделью, линейной и по факторам Хк, и по параметрам ак: N Y = a0+ Y,akxk =а0+ а,х, + а2х2 +... + aNxN Назначение таких моделей — при максимальной простоте правильно описывать главные эффекты влияния факторов на параметр отклика и воспроизводить основные черты его поведения.
Характеристика динамики лабораторных показателей при токсической гепатонефропатии
Значения основных биохимических показателей подвержены значительным колебаниям в токсикогенной и соматогенной фазах отравления как уксусной кислотой, так и алкоголем и его суррогатами, причем их отклонения от референтных величин существенно зависят от исхода.
Ниже обсуждается динамика некоторых показателей при отравлении уксусной кислотой (динамика всех изученных показателей вынесена в приложение I).
Необходимо отметить, что патогенез острого отравления уксусной кислотой представляется сложным многокомпонентным процессом, в основе которого лежат химический ожог слизистой пищеварительного тракта, прямое токсическое воздействие на кровь и внутренние органы, неконтролируемое перекисное окисление липидов, расстройства микроциркуляции, чрезмерная активация неспецифического иммунитета. Указанные факторы становятся причинами нарушения функций жизненно важных органов и систем естественной детоксикации организма.
При обсуждении динамики значений лабораторных показателей использованы следующие способы графического представления:
1. Приводятся индивидуальные значения показателя пациентов с рассматриваемым диагнозом (например, рис. 4а). Недостатком этой формы представления является малая наглядность больших сильно перекрывающихся массивов данных.
2. Приводятся значения показателя, усредненные по суткам (например, рис. 46). Эта форма представления наглядна и полезна для выявления тенденций в изменении показателей. Однако необходимо иметь в виду, что доверительные интервалы подобных усредненных данных обычно весьма велики (коэффициент вариации 50% и более) и перекрываются для разных групп пациентов. Это снижает практическую ценность таких усредненных результатов при диагностике индивидуального пациента. Кроме того, из-за существенно различной продолжительности заболевания (в базе данных зарегистрированы сроки заболевания от 1 до 58 суток) при подобном усреднении могут смешиваться различные фазы заболевания, что дополнительно увеличивает разброс значений показателей и снижает информативность получаемых усредненных величин.
3. Усредненные по суткам значения приводятся вместе с доверительными интервалами. При обработке непараметрическим методом приводятся: медиана, 25-ый и 75-ый процентили, пределы распределения (рис. 3).
4. Весь период заболевания делится на выбранное число фаз (мы условно брали 7 фаз), и значения показателей усредняются для совпадающих фаз. При такой форме представления у пациентов совпадают, по крайней мере, первая (начало заболевания) и последняя (исход) фазы заболевания (например, рис. 4в; ось ОХ обозначена переменной "t"). Приведенное на рисунках этого типа значение показателя, отвечающее фазе "0", является контрольным значением.
Изменение активности аминотрансфераз сыворотки крови
Определению активности внутриклеточных ферментов в плазме (сыворотке) крови — АлАТ, АсАТ, ЛДГ и других — отводится роль маркеров поражения печени. Но, перечисленные ферменты имеют широкое распространение в тканях организма, поэтому при острых экзогенных отравлениях повышение их активности в сыворотке может быть также симптомом преходящих нарушений проницаемости клеточных мембран. Кроме того, известно, что повышение активности ферментов в сыворотке встречается при гемолизе in vivo и in vitro, а гиперферментемия, наблюдающаяся при критических состояниях, является симптомом гипоксического повреждения тканей в результате их гипоперфузии при ДВС крови.
Повышение активности Ac AT и Ал AT наблюдалось уже в первые сутки с момента отравления, но максимальные значения активности ферментов сыворотки пациентов группы Б были зафиксированы на четвертые-пятые сутки (рис. 3). Далее уровни активности ферментов снижались. К 10-м суткам болезни у большинства пациентов группы А значения ферментемии были ниже верхней границы референтного интервала. Практически у всех больных с благоприятным исходом на этапе выписки из стационара активность аминотрансфераз сыворотки была в пределах референтных значений.
Взаимосвязь между лабораторными показателями и степенью выраженности токсикоза при токсической гепатонефропатии
Развивающийся лейкоцитоз и гипер агрессия нейтрофилов приводят к относительной лимфопении (рис. 17), наблюдающейся у всех пациентов в первые сутки. Далее относительное содержание лимфоцитов постепенно растет и приближается к норме у пациентов группы А на 10-30-е сутки. У пациентов группы Б лимфопения развивается, относительное содержание лимфоцитов достигает минимума на 8-10 сутки (за первую неделю погибает около 80 % пациентов группы Б).
В целом, острое отравление уксусной кислотой вызывает изменение лабораторных показателей по типу реакции «острой фазы», которые претерпевают волнообразные фазовые изменения в течение заболевания и отражают динамику воспалительного процесса в зоне химического ожога. Полученные данные подтверждают результаты других авторов [35, 40, 77].
Биологическое действие этанола и образующегося из него ацетальдегида многогранно. Условно можно выделить физико-химические, мембранотропные, метаболические, наркотические и токсические эффекты этанола.
При небольшой «эйфоризирующей» дозе (0,2 - 0,5 г/кг) на первый план выступает мембранотропное действие этанола - его распределение в липидной фазе мембран и изменение функционирования мембранных рецепторов и ферментов Этанол активирует аденилатциклазу мембран и угнетает активность а2 - адренергических рецепторов в окончании нейронов (эти рецепторы являются негативными регуляторами секреции катехоламинов). Из депо пресинаптической мембраны в щель адренергического синапса освобождается норадреналин, особенно в тех участках мозга (гипоталамус, средний мозг), которые регулируют эмоциональное состояние и мотивационные процессы. Этанол угнетает процессы обратного захвата катехоламинов пресинаптической мембраной и их ферментативной инактивации. Возникает раздражение адренергических структур мозга, что вызывает эйфорию и возбуждение. Эта фаза подкрепляется энергетически: в печени и других органах быстро и согласованно окисляются этанаол и ацетальдегид (Ац) и образуется АТР. Токсические явления не возникают. В результате такой стресс-реакции нервной системы на этанол происходит также дополнительная секреция катехоламинов из надпочечников и повышается их уровень в крови. Последнее приводит к усилению гликогенолиза в печени и кратковременной глюкоземии. Легкое алкогольное опьянение ограничивается психотропными эффектами (эйфория, возбуждение). Концентрация этанола в крови обычно не превышает 1,5 г/л.
При более высоких дозах этанола развивается среднее алкогольное опьянение с психотропными и токсическими эффектами (концентрация алкоголя в крови 1,5—2,5 г/л при дозе 1,5-2,0 г/кг) или тяжелая алкогольная интоксикация (концентрация алкоголя в крови более 2,5 г/л при дозе более 2 г/кг). При этом происходят следующие биохимические изменения: - наряду с катехоламиновой эйфорией усиливаются другие мембранотропные эффекты этанола (уменьшение вязкости мембран или их «текучесть»), наступают более глубокие нарушения функционирования мембранных рецепторов и ферментов; - в цитозоле и митохондриях клетки повышается концентрация ацетальдегида и создается относительный избыток NADH. Ац и NADH являются главными медиаторами экзогенного этанола, которые определяют его способность изменять свойства белков, ферментов и нарушать разнообразные метаболические процессы. В частности, гиперпротоемия (избыток NADH) способствует восстановлению кетокислот в оксикислоты и увеличению содержания последних (яблочной, молочной, р-оксимасляной и др.). Кислотно-щелочное равновесие сдвигается в сторону ацидоза. Уменьшается окисление изолимонной, яблочной, глутаминовоЙ, Р-оксимасляной кислот, этанола, Ац как вследствие дефицита NAD+, так и в результате прямой инактивации Ац NAD-зависимых дегидрогеназ; - снижается скорость реакций не только дыхательной цепи, но и цитратного цикла. Последнее связано с рядом обстоятельств: дефицит NAD+ и/или ингибирование некоторых NAD-зависимых дегидрогеназ; дефицит кетокислот; дефицит CoA-SH вследствие его «замораживания» в «этанольном» ацетил-СоА и прямой реакции Ац с тиольными группами CoA-SH; модификация гемоглобина Ац с уменьшением кго сродства к кислороду. Все это тормозит поглощение кислорода клетками; - угнетение тканевого дыхания, уменьшение выхода АТР вызывает торможение физиологической активности клеток. Это является одной из причин развития наркотического состояния мозга; - для энергетического обеспечения клеток возникает компесаторная реакция - активация FAD-зависимой сукцинатдегидрогеназы (СДГ), которая катализирует окисление эндогенной янтарной кислоты. Имеются данные о том, что механизм активации СДГ связан с уменьшением свободного убихинона QH2, ингибитора СДГ, который ковалентно связан Ац; - равновесие реакции превращения пиро вин оградной кислоты в молочную сдвинуто в сторону образования молочной кислоты: СН3 -СО-СООН + NADH + ІҐ«- СН3-СНОН-СООН + NAD+ Уменьшается образование пировиноградной кислоты. Ац угнетает карбоксикиназу фосфоенолпировиноградной кислоты. Вследствие этого снижается интенсивность глюконеогенеза в печени, что проявляется в виде гипоглюкоземии, особенно на фоне нерегулярного питания и физических нагрузок в сочетании с алкоголем.
При анализе лабораторных показателей пациентов с диагнозом «отравление алкоголем и его суррогатами» выявлено, что изменение лабораторных показателей в соматогенной фазе близко к рассмотренной выше динамике при отравлении уксусной кислотой. Это подтверждает концепцию «общих механизмов токсичности», согласно которой повреждающему фактору придается роль пускового механизма.
