Содержание к диссертации
ГЛАВА 1. Обзор литературы. Состояние проблемы прогноза токсичности и опасности химических веществ методами КССА. Экспертные системы по
прогнозу токсичности 17
ГЛАВА 2. Материалы, методы и объем исследований 55
ГЛАВА 3. Научное обоснование метода прогноза токсичности веществ в
воде на основе соотношений структура-биотрансформация-активность и
сравнительная оценка этого метода и стандартных методов КССА 72
3.1. Механизмы процессов биоактивации чужеродных химических
веществ под действием ферментных систем организма 75
3.1.1. Биоактивация в ходе реакций первой фазы биотрансформации 77
3.1.2.Биоактивация в результате реакций второй фазы
биотрансформации 89
3.2. Соотношения структура-биотрансформация-активность. Сравнитель
ная оценка этих соотношений и стандартных моделей КССА 96
3.2.1. Соотношения структура-биотрансформация-общая токсичность в
ряду соединений, которые можно рассматривать как замещенные
бензолы. 95
3.2.1.1. Тестирование модели прогноза ключевой реакции
биотрансформации ароматических соединений на субстратах базы данных
Metabolite 98
3.2.1.2. Зависимости острой и хронической токсичности в ряду
ароматических соединений, которые можно рассматривать как
замещенные бензолы, от параметра, характеризующего ключевую
реакциию биотрансформации 101
3.2.2. Соотношения структура-биотрансформация-токсичность в ряду
ариламинов 107
3.2.2.1. .Соотношения структура-метгемоглобинобразующая активность. 111
Ъ.2.2.2. Соотношения структура-биотрансформация-острая и хроническая
токсичность 116
3.2.3. Соотношения структура-биотрансформация-токсичность в ряду
галогенсодержащих алифатических соединений 118
3.2.3.1. Соотношения структура-токсичность галогензамещенных
производных пропана и метана для млекопитающих 119
-
Соотношения структура-мутагенная активность на штамме ТА 100 Salmonella typhimurium в ряду галогенированных углеводородов и спиртов с короткой цепью 124
-
Теоретическое рассмотрение механизма биоактивации аллильных хлорпропенов и соотношение структура-мутагенная активность на штамме ТА 100 Salmonella typhimurium в присутствии микросомальной фракции клеток печени крыс 130
3.2.4. Изучение соотношений структура-токсичность и структруа-
способность к биотрансформации в ряду полихлорированных бифенилов. 137
3.2.4.1. Зависимость структура - острая токсичность полихлорированных
бифенилов 138
3.2.4.2. Изучение соотношения структура-способность к биодеградации.
-
Соотношения структура - показатели острой и хронической токсичности алифатических аминов при внутрижелудочном введении.... 145
-
Соотношения структура - показатели острой и хронической токсичности в ряду спиртов 149
3.2.7. Изучение соотношений структура-токсичность в ряду производных
пиридина 152
3.2.8. Модель для прогноза канцерогенности замещенных бензолов 154
3.3. Возможность прогноза вида токсического эффекта в зависимости от
стадии биотрансформации. Зависимости метгемоглобинобразующей
активности и мутагенности ароматических аминов от относительной
устойчивости последовательных метаболитов 164
3.4. Сравнительная оценка соотношений структура-биотрансформация-активность и стандартных моделей КССА по теоретической
обоснованности, надежности, универсальности 171
ГЛАВА 4. Научное обоснование возможности и ограничений логико-
комбинаторного ДСМ-метода в применении^ задачам гигиены 175
4.1-. Прогноз класса опасности по хронической токсичности
алифатических галогенсодержащих соединений с использованием ДОМ- 175
системы
-
Изучение соотношений структура-острая токсичность и структура-хроническая токсичность спиртов с использованием ДСМ-системы 179
-
Прогноз показателей хронической токсичности замещенных бензолов
с использованием ДСМ-системы . 185
ГЛАВА 5. Прогноз канцерогенности химических веществ с
использованием'логико-комбинаторного ДСМ метода и анализа числовых
параметров 191
5.1. Обоснование классификации веществ для* целей прогноза
канцерогенной опасности 192
5.2. Прогноз канцерогенности ПАУ 198
5.2.1. Обоснование выбора моделей биоактивации и канцерогенеза ПАУ. 201
-
Прогноз канцерогенности незамещенных ПАУ 208
-
Прогноз канцерогенности метилзамещенных ПАУ 220
-
Прогноз канцерогенности галогензамещенных.алифатических соединений 225
-
Прогноз канцерогенной активности ароматических аминов 234
-
Прогноз канцерогенности галогензамещенных ПАУ 236
-
Прогноз способности азааренов связываться с с All рецептором 244
-
Обоснование классріфикации для прогноза нормативов веществ по канцерогенному эффекту 249
5.10. Прогноз порядка величин безопасных уровней веществ в воде с
учетом канцерогенной опасности 259
ГЛАВА 6. Комбинированная система, основанная на совмещении логико-
комбинаторного ДСМ-метода и анализа числовых параметров
соотношений структура-биотрансформация-токсичность 272
-
Алгоритм включения числовых параметров в ДСМ-рассуждения 272
-
Сопряжение ДСМ системы с базами данных WATERTOX и CPDB.... 273
6.2.1. Критерии и принципы выбора информации для прогноза.
Методические основы развития базы данных по эколого-гигиеническим
свойствам химических веществ, загрязняющих окружающую среду
(WATERTOX) 274
6.2.2. Сопряжение с базой данных по канцерогенному потенциалу
химических веществ CPDB 277
6.3. Алгоритм системы прогноза и его программная реализация 278
6.3.1.Сопряжение ДСМ системы с квантово-химической программой расчета электронных параметров на примере структурного ряда
галогенсодержащих алканов 284
ГЛАВА 7. Обсуждение результатов исследования 286
ВЫВОДЫ 305
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 308
ПРИЛОЖЕНИЯ 346
Введение к работе
Оценка эколого-гигиенической безопасности химических веществ в эксперименте и установление безопасных уровней воздействия в различных объектах окружающей среды являются неотъемлемой частью гигиенических исследований. Так, в России разработаны и утверждены ПДК в воде для 1370 веществ [88]. Вместе с тем, в мире в настоящее время зарегистрировано около ста тысяч химических веществ, используемых в производстве и потреблении, и ежегодно в этот список добавляется около 1000 соединений (Национальная токсикологическая программа США, National Toxicology Program, NTP [318,106]. В токсикологическом плане изучено лишь 15% из них. Объем исследований на лабораторных животных, необходимых для полной токсикологической оценки всех веществ, таков, что задача оценить все соединения практически невыполнима. Кроме того, общественность требует соблюдения правил экспериментов на животных, сформулированных в концепции "трех R" [360] В связи с этим, очевидна необходимость развития альтернативных методов оценки токсичности и опасности веществ. Эксперименты на клеточных культурах in vitro не позволяют оценить все виды эффектов с учетом сложных процессов интоксикации in vivo при длительном воздействии веществ [132]. С другой стороны, как показано в работах Г.Н.Красовского и соавт. [50, 55] результаты исследований на живых организмах более низкого филогенетического уровня нельзя экстраполировать на человека для определения безопасных уровней химических веществ.
В связи с этим весьма актуальным является совершенствование методов прогноза токсичности и опасности на основе количественных соотношений структура-активность. Такие методы широко применяются в США, Канаде, Германии и других странах [161, 411] для выделения приоритетных веществ, для решения вопроса об объеме экспериментальных исследований вещества, для классификации, маркировки И' регистрации. Применение методов прогноза токсичности и опасности на. основе соотношений структура-активность как на стадии планирования эксперимента,-, так и для прогноза величин* временных гигиенических нормативов- и классов, опасности* позволяет ускорить. исследования' и' повысить их эффективность, существенно- снизить материальные и временные затраты. Особенно-важным является прогноз. отдаленных эффектов^ и в первую очередь канцерогенного, из-за-чрезвычайной опасности этих эффектов. Вместе с тем, исследование канцерогенных свойств, в частности проведение стандартного теста на канцерогенность в' рамках NTP США требует проведения экспериментов на животных в течение 2-х лет и стоит около двух миллионов долларов. В прошлом веке обоснование отечественных нормативов многих веществ в объектах окружающей среды проводили без учета канцерогенного действия. В связи с этим даже качественный прогноз канцерогенной активности на уровне да/нет очень важен.
Необходимость прогноза токсичности была осознана отечественными гигиенистами уже в 60-х годах прошлого века [15]. В течение лет, прошедших со времени написания пионерских работ Н.В.Лазарева [65], Е.И: Люблиной, В.А. Филова [68, 103], G.Hansch [219], A. Pullman, В. Pullman [347] развивались различные направления, прогноза токсичности: регрессионный анализ [75-78, 51-53, 21-25, 98, 105], экспресс-экспериментальный прогноз [54,86-87], методы распознавания, образов. [37-38, 44, 96], нейронные сети [408], подходы, основанные на гипотезах о механизме действия [283, 287-288, 22, 19, 46].
Прогноз параметров токсикометрии применительно к обоснованию нормативов веществ в воде впервые осуществлен Г.Н.Красовским и Н.А.Егоровой с использованием моделей Ханча и Фри-Вильсона [21, 51]
В работах З.ИїЖолдаковой изучена возможность применения различных физико-химических параметров для прогноза острой и хронической токсичности веществ! [23-27]. В этих исследованиях, основанных на: эмпирическом выборе;независимых переменных для получения наиболее достоверных связей; недостаточно учитывался: механизм? действия! веществ. Разработанный-в дальнейшем:З.И.Жолдаковой? [22,24] подход с учетом-^ патогенетической» модели; интоксикации, был: первым шагом = к построению моделей структура-активность с учетом механизма токсического действия на молекулярном уровне.
Единичные работы, которые были основаны на: явном учете механизма токсического действия и процессов биотрансформации, были посвящены прогнозу острой токсичности в ряду бензолов с простыми заместителями [56-57, 105] и качественному прогнозу канцерогенности' в единичных структурных рядах [283, 287-288].
Проблема ускорения и повышения эффективности токсикологических исследований может быть решена только при использовании современных информационных технологий, в частности прогнозирующих, и экспертных систем [174, 262-263, 302, 356,], с применением различных методов интеллектуального анализа данных. Одним из таких методов является логико-комбинаторный метод ДСМ [104], основанный на автоматизированном поиске подструктур молекул, отвечающих за наличие эффекта или принадлежность соединения к определенному классу опасности по этому эффекту. ДСМ-метод позволяет не только сделать прогноз наличия и степени выраженности эффекта, но и: объяснить его, т.е. выявить структурные фрагменты, присутствие которых в молекуле определяет эффект. Прогноз канцерогенности на основе компьютерной ДСМ-системы оказался одним из наилучших в рамках открытого проекта, организованного Национальным институтом США по изучению рака в 2000-2001 году [416]. Однако при проведении прогноза с использованием ДСМ-системы не учитывалась возможность биоактивации, что, возможно, явилось одной из причин недостаточной полноты прогноза. Учет, возможности биоактивации і соединений под действием ферментных систем организма при; прогнозе токсичности и опасности: с: использованием > логико-комбинаторного метода ДОМ> представлял собой нерешенную проблему. Необходимо отметить, что в- России» не разработаны доступные компьютерные системы: по; прогнозу токсичности и опасности: веществ в объектах окружающей-среды.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы являлось научное обоснование и разработка системы прогноза, токсичности и опасности органических соединений в воде, в том числе специфического, канцерогенного и мутагенного действия на организм, сучетомг процессов биотрансформации.
В соответствии с целью поставлены,следующие задачи:
Разработать метод научно обоснованного выбора: физико-химических параметров для построения соотношений структура-активность в зависимости от определяющей стадии механизма токсического действия.
Обосновать преимущества и ограничения связей структура-активность с учетом биотрансформации, по сравнению с соотношениями, основанными на свойствах исходных веществ, по надежности и применимости для количественного прогноза биологической активности веществ в различных структурных рядах.
Обосновать комплексный метод прогноза опасности химических веществ в воде по острой, хронической токсичности, специфическим и отдаленным эффектам на основе использования логико-комбинаторного метода ДСМ и квантово-химических расчетов.
Разработать систему прогноза токсичности и опасности химических . веществ, включающую базы данных, интеллектуальную логико-комбинаторную ДСМ систему, программы, реализующие методы квантовой химии.
Научная новизна. Разработан метод выбора* физико-химических параметров для построения соотношений структура-активность на основе гипотезы об определяющей стадии механизма токсического действия и установлении с помощью квантово-химйческих расчетов ключевой реакции биотрансформации - наиболее энергетически выгодной из возможных для данного соединения скорость-лимитирующей реакции процесса биотрансформации.
Для соединений структурных рядов производных бензола, полициклических ароматических углеводородов, их метил и галогенпроизводных, галогенсодержащих алифатических соединений и спиртов с помощью квантово-химйческих расчетов определены ключевые реакции биотрансформации.
Впервые установлены зависимости: острой, хронической токсичности, метгемоглобинобразующей, мутагенной активности в рядах соединений, ключевая реакция биотрансформации которых связана с образованием нестабильных интермедиатов (производные бензола, ароматические и алифатические амины) от параметров, характеризующих ключевую реакцию; мутагенной активности в рядах соединений, ключевая реакция биотрансформации которых связана с образованием стабильных метаболитов (галогенированнные алифатические углеводороды и спирты), от параметров, характеризующих реакционную способность продуктов ключевой реакции биотрансформации; активности в ряду стабильных соединений - ПХБ, галогензамещенных азааренов от параметров, характеризующих способность соединений связываться с биомолекулами-рецепторами.
Показано, что метод выбора и расчета квантово-химических параметров, основанный на гипотезе об определяющей стадии механизма токсического действия и ключевой реакции биотрансформации, позволяет осуществлять теоретически обоснованный и более надежный прогноз по сравнению с эмпирическим выбором параметров для прогноза токсичности и опасности веществ.
Впервые обоснованы и разработаны: классификация канцерогенной опасности для прогноза безопасных * уровней веществ в воде на основе значений LTDio для подопытных животных и группы канцерогенности для человека по классификации МАИР, а также метод прогноза порядка величины безопасных уровней; комплексный метод прогноза классов опасности веществ по специфическим токсическим эффектам, основанный на совместном использовании методов квантовой химии и логико-комбинаторного анализа. С использованием этого метода сделан прогноз классов канцерогенной активности галогенсодержащих алканов, полициклических роматических углеводородов (ПАУ), метил и галоген замещенных ПАУ, ароматических аминов; автоматизированная система прогноза токсичнострі и опасности, которая включает базу данных WATERTOX и базу данных по канцерогенности веществ, сопряженную с логико-комбинаторной ДСМ системой и программами расчетов электронных параметров методами квантовой химии. Система позволяет осуществить прогноз классов опасности неизученных химических веществ, сделать предварительную оценку токсичности для целей планирования экспериментов по обоснованию допустимых суточных доз, пороговых и максимально недействующих доз и концентраций для целей нормирования в воде; определить сравнительную токсичность веществ для выбора менее опасных технологий; выявить вещества, ПДК которых подлежат пересмотру.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Новый метод определения квантово-химических параметров для соотношений структура-токсичность на основе гипотезы об-определяющей стадии механизма токсического действия - стадии взаимодействия вещества или продуктов его биотрансформации с биомолекулами; гипотезы о ключевой реакции биотрансформации; прогноза ключевой реакции биотрансформации для данного соединения по результатам квантово-химических расчетов, и использовании характеристик этой реакции или ее продуктов для прогноза токсичности.
2.Научное обоснование возможности прогноза различных видов токсических эффектов и параметров токсикометрии на основе разработанного метода.
3.Новый метод прогноза класса опасности веществ, в том числе класса опасности по канцерогенной активности, на основе использования логико-комбинаторного ДСМ метода автоматического порождения гипотез, включающего анализ числовых параметров, в частности рассчитанных методами квантовой химии, и характеризующих ключевую реакцию биотрансформации или ее продукты.
4.Комплексная система прогноза токсичности и опасности веществ, основанная на совмещении интеллектуальной ДСМ - системы и методов квантовой химии.
Теоретическая значимость работы. Теоретически обоснован метод определения физико-химических параметров для построения соотношений структура-токсичность с учетом возможности образования в ходе биотрансформации соединений более активных, и следовательно, более токсичных, чем исходные (соотношения структура-биотрансформация-токсичность). Метод включает выдвижение гипотезы об определяющей стадии токсического действия на основе данных литературы об* экспериментально обоснованном механизме токсического эффекта; в случае, если эта стадия представляет собой взаимодействие продуктов биотрансформации соединений* с биомолекулами, - определение ключевой реакции биотрансформации -и ее продуктов по результатам* квантово-химических расчетов; построение регрессионных зависимостей структура-биотрансформация-токсичность для прогноза параметров* токсикометрии и других количественных характеристик токсического эффекта с использованием в качестве независимых переменных параметров, характеризующих эту реакцию или ее продукты.
Научно обоснована и апробирована методика включения числовых параметров, в частности, рассчитанных методами квантовой- химии и характеризующих ключевую реакцию биотрансформации или ее продукты, в логические рассуждения метода ДСМ. Каждое соединение представляется гибридным объектом, состоящим из структурной части, которая описывается с помощью графов или дескрипторов специального языка, и числового параметра. Методика позволяет учитывать процессы биоактивации при прогнозе классов опасности по различным токсическим эффектам, в том числе по канцерогенному эффекту.
Практическая значимость работы. Разработанная база данных WATERTOX по эколого-гигиеническим свойствам химических веществ, загрязняющих воду водных объектов (токсичность и опасность веществ) зарегистрирована в государственном регистре «Информрегистр», номер государственной регистрации 0229601490. Методы прогноза токсичности и опасности использованы при планировании токсикологических экспериментов для обоснования ПДК в воде ряда веществ, при обосновании необходимости пересмотра ПДК более 30 соединений, при обосновании ОБУВ в атмосферном воздухе смеси смолистых веществ. Полученные результаты внедрены в: виде Методических указаний «Расчетные' и экспресс-экспериментальные методы; оценки: токсичности' химических веществ, в воде» ГКСЭН №0Г-19;10-11 от 4.08;92, Методических указаний МУ 2.1.5;720-98 «Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов і хозяйственно- питьевого и культурно-бытового водопользования», перечней-нормативов ГН 2.1.5.2280-07 «Предельно допустимые: концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных; объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», ГН 2.1.5.2307-07 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», утвержденных Госсанэпиднадзором;.. материалы: работы использованы при подготовке Руководства Р 2.1.10.1920-04 по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Результаты работы используются; в учебном процессе на лекциях и семинарах кафедры коммунальной гигиены Российской медицинской академии постдипломного образования.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 20-ти международных и всероссийских конгрессах, симпозиумах, конференциях и пленумах, в том числе международной конференции «Безопасность окружающей; среды: медицинские, экологические и правовые аспекты» (г. Пермь, 1992), 12-ом Европейском симпозиуме по количественным соотношениям структура-активность (Копенгаген, Дания, 1998), 1-ом, И-ом и Ш-ем съездах токсикологов России (г. Москва 1998, 2003, 2008 гг.), 4-ом Международном конгрессе «Вода: экология и технология. ЭКВАТЕК-2000»^ г. Москва, 2000 г.), Международном форуме "Информационные технологии и общество" (Кемер, Турция, 2003), конференции «Информацонно-вычислительные технологии в решении фундаментальных научных проблем и прикладных задач химии, биологии, фармацевтики, медицины» (Москва, 2004), пленумах Межведомственного научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РФ (Москва, 2001, 2005, 2008, 2010 гг.), Х-ом, Х1-ом, ХП-ом, ХШ-ом, XIV-ом, XV, XVI и XVII-ом Российских национальных конгрессах «Человек и лекарство» (г. Москва, 2003 Г.-2010 гг.), Четвертом международном симпозиуме «Computational Methods in Toxicology and Pharmacology Integrating Internet Resources (CMTPI-2007)» (Москва, 2007), Втором Санкт-Петербургском международном экологическом форуме (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), 11-ом международном семинаре «New trends in chemical toxicology» (Москва, 2008 г.), на заседаниях Ученого Совета ГУ НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н.Сысина РАМН.
