Методы гигиенической токсикологии - токсикология полимерных материалов
Основные методы гигиенической токсикологии полимерных материалов. Цель санитарно-токсикологических исследований полимерных материалов — определение их токсичности. Результат исследований выражается в альтернативной форме: токсичен или нетоксичен ПМ. Положительный результат токсикологического изучения полимерных материалов и изделий из них свидетельствует, что они не могут оказать какого-либо вредного воздействия на здоровье человека в конкретных условиях их применения. Объектом токсикологического изучения является не сам материал, а комплекс мигрирующих из него летучих веществ или вытяжка, приготовленная в условиях, соответствующих реальным.
Токсические свойства ПМ интегрируют биологическую активность выделяемых ими химических веществ. Поэтому токсикологическое исследование мономеров, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок определяет гигиеническую оценку не только существующих, но и будущих материалов, включающих уже изученные ингредиенты.
Целью санитарно-токсикологических исследований, мигрирующих из полимерных материалов химических веществ, является получение полной характеристики их токсичности, включая отдаленные эффекты и возможное аллергенное действие. Результат исследований — обоснование гигиенического норматива — допустимого уровня миграции в воздух и воду или допустимого количества миграции в модельные среды или пищевые продукты. Допустимые уровни и допустимые количества миграции — это максимальные концентрации мигрирующих из полимерных материалов в воду, воздух и пищевые продукты химических веществ, которые не изменяют их органолептические свойства и не наносят измеримого вреда здоровью живущего или будущих поколений.
В токсикологии полимерных материалов широко применяют следующие методы: способы моделирования интоксикаций, методы оценки смертельного эффекта, кумулятивных свойств веществ, установления порогов вредного действия, статистические и расчетные методы, в том числе математическое моделирование биологических процессов и явлений- биохимические, патофизиологические, патоморфологические и другие методы исследования функционального состояния организма и структуры его органов и тканей.
Основной задачей токсикометрии, как важнейшей для гигиены части токсикологии, является количественное определение токсичности и опасности химических веществ и на этом основании установление гигиенического норматива.
Для оценки характера и выраженности изменений, происходящих в организме в ответ на воздействие химических факторов, большое значение имеет правильный выбор комплекса необходимых методов исследования. Важную роль играет адекватная модель введения химических веществ экспериментальным животным, которая должна по возможности соответствовать ситуациям реального отравления в различных условиях среды. Наиболее простые по технике выполнения и дозировке пероральный и накожный пути введения. Для моделирования ингаляционного пути введения газообразных соединений используются разнообразные затравочные камеры.
Для изучения биологической активности комплекса химических веществ, выделяющихся из строительных полимерных материалов, А. Н. Боковым (1968) разработана специальная установка, состоящая из набора камер-генераторов различного объема, в которые помещаются образцы исследуемых полимерных материалов, систем и приспособлений, обеспечивающих создание и поддержание в них на заданном уровне необходимых параметров, установок с дыхательными колпаками (при наблюдениях за людьми), набора затравочных камер, в которых размещаются экспериментальные животные, и аспирационной системы для отбора проб воздуха. К. И. Станкевичем (1970) разработана модель камеры с охватом моделирования большего количества факторов (температуры и влажности воздуха, кратности воздухообмена, инсоляции и т. д.). Подобные установки позволили решить вопрос моделирования условий эксплуатации полимерных материалов, существенным образом влияющих на уровень миграции из них летучих веществ. В камерах-генераторах создаются газовоздушные смеси с качественными и количественными характеристиками химического загрязнения, соответствующие реальным условиям эксплуатации. Методические подходы, разработанные А. Н. Боковым (1970), позволяют моделировать основные условия эксплуатации полимерных материалов, применяемых в строительстве зданий и сооружений (жилые, общественные, промышленные и сельскохозяйственные здания, средства наземного, воздушного и водного транспорта и т. д.) с учетом строительно-климатического районирования территории страны и времени года. На установках такого типа можно изучать как отдельные строительные полимерные материалы, так и конструкции из них различного назначения, а также любые сочетания их. Наблюдается совпадение характера и уровня химического загрязнения воздуха и уровня концентраций в моделированных в реальных условиях, что позволяет экстраполировать данные, полученные в моделированных условиях, на натурные объекты. Таким образом, на основании таких исследований можно составить заключение о характере и степени ожидаемого влияния изучаемых полимерных материалов (или их сочетаний) на условия обитания, самочувствие и здоровье населения. По мнению К. И. Станкевича (1972) и Н. С. Смирницкого (1973), это дает возможность обосновывать регламенты применения полимерных материалов в строительстве.
А. Н. Боков (1977) подчеркивает специфичность указанного подхода. Так, исключение посторонних (т. е. не связанных со строительным ПМ) источников химического загрязнения воздуха (газовые приборы, прочие бытовые процессы) и других многочисленных факторов среды обитания человека способствует более полной, четкой и объективной оценке изучаемых полимерных материалов. При этом несущественные по влиянию на процесс миграции в воздушную среду химических веществ различия между моделью и оригиналом, связанные, в частности, с изменением пространственного (объем камер-генераторов значительно меньше объема жилых помещений) и временного масштаба (длительность жизни мелких лабораторных животных значительно короче продолжительности жизни человека), позволяют изучать строительные полимерные материалы с меньшими затратами сил и средств и в значительно более короткие сроки.
О. В. Кайсиной, И. И. Красниковой и Т. Д. Гадалиной (1978) разработаны методические подходы для изучения возрастной реактивности животных при воздействии газовыделений из полимерных материалов. В опытах использовали свеже изготовленные полимерные материалы (в период максимального выделения летучих компонентов), а также после предварительного их выдерживания. Образцы ПМ помещали в виде конструкционных деталей мебели в экспериментальные комнаты (из расчета реальной насыщенности), где экспонировались подопытные животные, начиная с момента рождения.
При выборе возрастных групп животных исходили из общепринятой классификации возрастных периодов в онтогенезе (В. Д. Розанова, 1968), согласно которой развитие белых крыс от рождения до половозрелого состояния делится на 5 возрастных периодов, отличающихся по уровню энергетических затрат, деятельности дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Основываясь на этой классификации, авторы изучали состояние животных в возрасте 9 и 21 день и 1,2 и 3 мес. Для сравнения возрастной чувствительности в опыт включили также половозрелых животных. Таким образом, период наблюдения состоял из изучения состояния организма с момента рождения животных, в процессе роста и развития до завершения периода полового созревания. При этом исходили из принципа, что изучение растущего организма следует проводить с учетом всех сторон его жизнедеятельности и механизма действия летучих ингредиентов полимерных материалов.
Обобщая результаты исследований, проведенных с различными полимерными материалами (лак ПЭ-246, древесно-стружечные плиты марки МФ-17, ПВХ линолеум), авторы пришли к выводу о возникновении наиболее выраженных изменений в состоянии животных в раннем возрасте (1 и 3 нед), что объясняется относительной слабостью у них адаптационно-защитных механизмов по сравнению с половозрелыми животными. Это доказывает целесообразность учета возрастной реактивности при токсиколого-гигиенической оценке ПМ, используемых в строительстве и оборудовании детских учреждений.
С особой ответственностью необходимо относиться к токсиколого-гигиенической оценке ПМ, предназначенных для изготовления изделий детского ассортимента. Токсикологический эксперимент при этом проводится с учетом возрастной реактивности.
Новорожденных животных помещают в клетку, дно которой устилается изучаемым ПМ. При создании «гнезда новорожденных» дополнительно вносится измельченный ПМ, который по мере загрязнения заменяется новым, желательно ежедневно в строго фиксированное время, что можно сочетать с чисткой клетки или кормлением животных. Обычно в помете оставляют 8—10 животных, хотя число их может изменяться в зависимости от вида и задач исследования.
Таблица 3. Сроки проведения токсикологических исследований
Вид исследования | Срок, мес |
Установление ЛД50 и ЛК50 | 2 |
Установление порога острого действия | 2 |
Определение коэффициента кумуляции | 1 |
Установление пороговой дозы в хроническом эксперименте: | |
при введении вещества в желудок | 6—10 |
при ингаляционном воздействии | |
Выявление эмбриотоксического действия | 2—6 |
Выявление гонадотоксического действия | 6—12 |
Выявление мутагенного действия | 6—12 |
Выявление канцерогенного действия | 30—36 |
Выявление аллергенного действия | 2—4 |
Разработка метода определения | 12 |
Гигиеническое нормирование во всех средах | 36 |
Новорожденные остаются в клетке с матерью до 21-го дня жизни, затем мать отсаживают.
Методические указания рекомендуют для оценки роста и развития животных взвешивать в возрасте 1, 7, 14, 21, 30, 45, 60 и 90 дней в определенное время. Затем вычисляют относительную и абсолютную скорость роста (Т. Я. Бельмагия, 1975). Возможно взвешивание и в другие сроки: ежедневно, 1 раз в 5 дней, еженедельно. Оценку развития проводят по времени появления шерстного покрова, открытия глаз, ушей, прорезывания резцов, открытия половой мембраны, выпускания семенников и появления первого эструса методом влагалищных мазков. Периодически регистрируют частоту сердцебиений и дыханий в состоянии покоя. Для этой цели можно использовать регистрацию ЭКГ и пневмограмму. Определяют потребление кислорода в состоянии покоя. Контрольные животные содержатся в аналогичных условиях, но не подвергаются воздействию ПМ.
Условия и сроки проведения санитарно-токсикологического эксперимента должны соответствовать его цели и задачам (табл. 3).
В настоящее время выработаны основные приемы и принципы, используемые в подготовительном периоде постановки токсикологического эксперимента, обеспечивающие объективную оценку функционального состояния организма на разных стадиях изучения токсичности. Исследование проводят, как правило, на 2—3 видах лабораторных животных с учетом анализа данных об анатомических, физиологических и биохимических особенностях организма разных видов.
Так, при изучении токсического действия ароматических аминов для опытов больше подходят крысы и кролики, при изучении ядов, вызывающих кислородное голодание,— мелкие птицы, голуби, кошки, собаки, при исследовании веществ, вызывающих паренхиматозную дистрофию внутренних органов,— мыши- фосфорогранических соединений — кошки, крысы- ядов — метгемоглобинообразователей — крысы, кошки, собаки- гидразиновых производных — крысы (Л. А. Тиунов, 1967- О. Н. Елизарова, 1971).
В эксперимент берут животных, полученных из одной партии, из определенного питомника. Как правило, используют половозрелых животных (табл. 4), если в эксперименте не ставится задача оценки токсичности ПМ, предназначенных для использования детьми и подростками. Показателем возраста здоровых животных служит величина массы их тела.
В экспериментах могут использоваться линейные и беспородные животные. Однако при взятии в эксперимент беспородных животных не всегда возможно получить полную характеристику токсических эффектов, так как биохимические и морфологические особенности разных штаммов разнообразны.
Учитывая возможность глистных инвазий и заболеваний, протекающих без выраженных клинических проявлений, перед началом эксперимента в течение 2—3 нед животных наблюдают. Снятие фоновых показателей у всех групп животных позволяет исключить из опыта особей с крайними значениями, оценить вариабельность того или иного показателя до затравки. Фоновые показатели не заменяют контрольные данные, которые следует определять в течение всего эксперимента, параллельно с опытами.
Эффект может быть не обнаружен из-за недостаточной численности выборки или недостаточного срока наблюдения. Поэтому для успешной последующей статистической обработки результатов важным является выбор необходимой численности животных в группе.
Д. Сепетлиев (1968) приводит расчет числа наблюдений, достаточного для достижения определенной точности регистрации величины показателя:
Таблица 4. Средняя масса животных, используемая в токсикологических экспериментах, г
Вид | Для острых опытов | Для хронических опытов |
Белые мыши | 18—25 | 15—18 |
Белые крысы | ||
150—200 | 80—100 | |
Кошки | 2000—3000 | 1500—2000 |
Гвинейские | ||
свинки | 300—400 | 200—250 |
где t — коэффициент Стьюдента, а — среднее квадратическое отклонение изучаемого показателя,
А — максимальный размер ошибки выборки, допускаемой в данном исследовании. Информация о величинах может быть получена на основании данных предварительных исследований или из литературы (М. Л. Рылова, 1964- И. М. Трахтенберг и соавт., 1978).
Расчет показывает, что для большинства биологических показателей минимальное число наблюдений равняется 25. Поскольку контрольная группа состоит обычно из 10—12 животных, регистрируемый в этой группе показатель может рассматриваться только как один из возможных вариантов нормы.
Как известно, в качестве количественных критериев токсичности химических веществ используют переносимые, смертельные, эффективные, пороговые, подпороговые дозы и концентрации, среднее время гибели животных, зону токсического действия, коэффициент кумуляции. Перечисленные критерии устанавливаются с разной точностью, информативность их неравнозначна.
Характеристикой верхней границы токсичности являются смертельные дозы (ЛД), индекс при которых указывает на процент гибели животных от их введения. ЛД50 и ЛК50 (среднесмертельная концентрация вещества в воздухе) —основные параметры острой токсичности. Для оценки вещества иногда используют ЛД16, ЛК16, ЛД84 и ЛК84, а также максимально переносимые, абсолютно смертельные дозы и концентрации.
В понятие острая токсичность входят эффекты, возникающие в результате кратковременного воздействия химических веществ. Острые токсические эффекты бывают обратимыми и необратимыми. При этом могут поражаться печень, почки, иммунная система, а также наблюдаться неврологические и тератогенные поражения и т. д.
Острые опыты, как подчеркивает З. И. Жолдакова (1985), приобрели принципиально новое значение на современном этапе гигиенического нормирования в связи с широким использованием методов прогноза токсичности и опасности химических соединений (прогноз способности веществ к кумуляции, расчет безвредных уровней воздействия и др.).
Задачей острого опыта является (Г. Н. Красовский, 1985):
1) установление степени токсичности вещества и получение первичной информации о его токсикодинамике- 2) сравнительная оценка токсичности нескольких веществ- 3) определение видовой, половой и возрастной чувствительности лабораторных животных к веществу- 4) выявление ориентировочных уровней доз для изучения кумулятивных свойств вещества, проведения подострого и хронического опыта. Величина среднесмертельных доз и концентраций зависит от скорости всасывания, выведения, метаболизма, вида, линии, пола, возраста, массы тела животного, условий его содержания, формы применения вещества. Даже при стандартизации этих условий величины ЛД50 могут варьировать.
