Изучение действия полимерных материалов - токсикология полимерных материалов
Видео: Полимеры и биополимеры — Артем Оганов
ИЗУЧЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО, КОМПЛЕКСНОГО И СОЧЕТАННОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исследование взаимодействия организма с факторами химической и физической природы при их комбинированном, комплексном и сочетанном действиях рассматривается как одна из важнейших проблем гигиены применения полимерных материалов. Это связано с тем, что использование ПМ в различных отраслях народного хозяйства сопровождается выделением в окружающую среду совокупности химических соединений, представляющих собой смеси мономеров, стабилизаторов, пластификаторов, инициаторов, отвердителей, красителей и других химических веществ (С. Л. Данишевский, 1966- В. Е. Балашов и соавт., 1968- Л. И. Медведь, В. В. Станкевич, 1976- И. М. Трахтенберг и соавт., 1981).
Рассматривая перспективы развития гигиены применения полимерных материалов в сфере коммунального хозяйства, К. И. Станкевич (1981) отмечает, что из строительных полимерных материалов во внешнюю среду может выделяться большое количество вредных веществ. Необходимо учитывать наличие в интерьере современной квартиры мебели, одежды, обуви, посуды, игрушек из полимерных материалов, а также предметов быта и препаратов бытовой химии. В результате в воздухе жилища может содержаться, по оценке автора, 30—80 вредных веществ.
Идентичные данные приводят Г. А. Васильев и соавторы [(1981), изучавшие ПМ, используемые в судостроении.
Основываясь на результатах токсикологических исследований ряда конструкционных материалов, Я. Г. Двоскин (1981) пришел к заключению о необходимости исследования в токсикологическом эксперименте всех разрабатываемых и модифицируемых типовых комплексов полимерных материалов, предназначенных для помещений. Такой подход позволит, по мнению автора, в течение ближайших 3—5 лет перейти от экспертизы отдельных материалов к гигиенической оценке типовых комплексов. Новые подходы нашли применение в судовой гигиене и токсикологии путем проведения комплексных исследований типовых модулей, включающих широкий ассортимент ПМ. Возможным путем решения представляется токсикологический эксперимент на лабораторных животных непосредственно на судах в дальнем плавании (Л. М. Шафран, 1976).
В последние годы показана возможность одновременного загрязнения компонентами ПМ, в частности, фенолом, формальдегидом, стиролом и другими веществами продуктов питания, воды и воздуха (особенно воздушной среды жилища), что обусловило необходимость постановки исследований по комплексному воздействию токсических веществ на организм. Ведущие отечественные гигиенисты считают, что проблема оценки комплексного действия химических веществ и связанная с ней проблема гигиенической регламентации допустимого содержания их при поступлении в организм с воздухом, водой и пищей требуют дальнейшей разработки (Г. Н. Красовский. и соавт., 1979- Г. И. Сидоренко, М А. Пинигин, 1980).
Одним из факторов окружающей среды, привнесенных научнотехнической революцией, является статическое электрическое поле (СЭП). В связи с накоплением СЭП на ПМ возникла проблема оценки сочетанного действия компонентов полимерных материалов и СЭП (К. И. Станкевич, Б. М. Медведев, 1973).
Использование ПМ в авиации, космонавтике, судостроении, промышленном строительстве и других отраслях народного хозяйства с учетом их применения в различных климатических зонах обусловливают актуальность изучения их сочетанного действия с такими физическими факторами, как высокая температура, шум, вибрация и др.
Исследование комбинированного, комплексного и сочетанного воздействия полимерных материалов как элемента среды обитания человека представляется одним из важных направлений разработки проблем единого гигиенического нормирования и интегральной оценки совокупности факторов окружающей среды, т. е. концепции максимально допустимой нагрузки (Г. И. Сидоренко, М. А. Пинигин).
Общие черты комбинированного, комплексного и сочетанного действия позволяют представить описанное выше в виде следующих схем (рис. 1). В то же время каждое из изучаемых явлений имеет свои особенности. При комплексном действии в качестве факторов выступают различные пути поступления одного и того же химического вещества (х), при комбинированном — разные химические вещества (x1, х2...,хп), при сочетанном действии различна сама природа факторов — это химические вещества (x1) и физические воздействия (ф,), химические вещества и биологические воздействия. Необходимо учитывать и возможность действия случайных, нерегистрируемых факторов (Zi).
Рис. 1. Схема экспериментов по изучению комплексного (А), комбинированного (В), сочетанного (С) действия химических и физических факторов
Методы изучения комбинированного, комплексного и сочетанного действия. Первым количественным методом изучения комбинированного действия химических веществ был метод построения изодинамических диаграмм Loewe (1929). Он применяется в настоящее время, имеются попытки его совершенствования (Н. Н. Мельникова, 1981). Однако при этом не учитываются недостатки метода, подробно рассмотренные Э. Н. Левиной (1963), В. В. Кустовым и соавторами (1975). Одним из наиболее существенных недостатков представляется отождествление определенной части дозы и соответствующей части вызываемого ею эффекта. Это положение, выдвигаемое a priori, на практике в большинстве случаев не подтверждается, поскольку зависимость доза—эффект имеет, как правило, нелинейный характер. Отсюда возможность неправильной трактовки результатов эксперимента. Например, случаи суммации эффекта могут быть отнесены к антагонизму. В то же время метод не позволяет оценить степень достоверности отклонения экспериментальных данных от линии суммирования. Clausing и Bieleke (1982) провели сравнение двух методов изучения комбинированного действия химических веществ. В первом случае изучаемые вещества вводили внутрижелудочно в эквитоксических дозах — ЛД10, ЛД20 и т. д.- во втором — в дозах, кратных частям ЛД50—12, ЛД50—12, ЛД50 и т. д. Авторы пришли к выводу, что оценка комбинированного действия должна основываться на теоретическом сложении эквитоксических доз, а не частей ЛД50, при использовании которых возможна недооценка потенцирования или переоценка антагонизма. Отмеченный недостаток присущ и ряду других, предложенных в последнее время, методов изучения комбинированного и комплексного воздействия.
Рассмотрим основные направления применяемых в настоящее время методов. Finney (1952) предложен метод для оценки эффекта комбинированного действия химических веществ в острых опытах, в основе которого лежит определение зависимостей доза — эффект для отдельных веществ и их комбинации.
Результаты для изолированных веществ подставляются в уравнение вида:
(I.)
где fA, fB — относительное содержание вещества А и В в комбинации- ЕД50 — средняя эффективная доза отдельных веществ А и В и их смеси (А, В). По уравнению рассчитывается ЕД50 для комбинации (А, В), которая сравнивается с экспериментально определенной ЕД50 (А, В). Если величины равны, то делается заключение о суммационном эффекте, если фактическая величина больше расчетной — об антагонизме, менее расчетной — о потенцировании. Автор предназначал данный метод для веществ, обладающих однородным типом действия и имеющих параллельные линии регрессии пробитов по отношению к логарифму доз, однако в дальнейшем сфера применения метода была расширена.
На основе метода Finney Ю. С. Каганом (1973) разработан способ оценки комбинированного и комплексного влияния факторов, суть которого состоит в том, что вначале изучают действие каждого фактора в отдельности с определением ЛД50 или ЕД50. Затем оценивают повреждающее действие комбинации факторов в определенных соотношениях (или при одновременном поступлении одного и того же вещества различными путями). Экспериментально установленные ЛД50 или ЕД50 выражают в долях от ЛД50(ЕД50) каждого фактора и сравнивают с расчетным ЛД50(ЕД50) для случая суммирования. Из этого сопоставления вытекает количественная оценка наблюдаемого эффекта — степени потенцирования или антагонизма.
М. А. Пинигин (1975), учитывая специфику воздействия атмосферных загрязнений, предложил положить в основу оценки зависимость концентрация — время при выявлении ответной реакции организма на изоэффективном уровне. Концентрации различных веществ, вызывающие один и тот же эффект — изоэффективные концентрации, подставляются в уравнение 1 вместо ЕД50. Последующая оценка комбинированного эффекта производится аналогично методу Finney. Такой подход существенно расширяет информативные возможности метода, охватывая временные аспекты совместного воздействия факторов. В то же время этот метод сложен в методическом исполнении. Так, в случае изучения эффекта при непрерывной ингаляции рекомендуется испытывать не менее 4—5 концентраций каждого вещества, а также их смеси, т. е. проводить не менее 12—15 опытов. Как отмечает автор, получение изоэффективных концентраций при различных путях и режимах воздействия — длительный и трудоемкий процесс.
Shelton и Weber (1981) разработали метод исследования комбинированного действия химических веществ на количественные, градированные показатели функционального состояния организма. Вещества вводятся однократно отдельно и в эквимолярных смесях. Показатели ответной реакции регистрируются с разными интервалами через 2—72 ч после введения. Кривые доза — реакция при изолированном введении являются основой для построения расчетной кривой для смеси веществ. Сравнение последней с фактической кривой доза — реакция для смеси веществ, полученной в эксперименте, может быть основанием для прогнозирования характера комбинированного действия. Этот метод содержит ряд «условных» моментов, например сравнение параллельности кривых доза — эффект.
Л. А. Тиунов и соавторы (1981) использовали для прогноза исхода воздействия нескольких факторов на организм вероятностный подход. В основе такого подхода лежит представление о том, что исход воздействия (тяжесть состояния, нарушение функции, смерть) является величиной случайной, определяемой рядом факторов, таких, как исходное физиологическое состояние организма, его чувствительность к данному виду влияния, условия, в которых протекает воздействие и др. Множество исходов рассматривается как полная система событий, т. е.:
(2.)
где 1 — номер исхода, pi — вероятность i-го исхода.
При таком подходе организм представляется в виде некоторого преобразователя («черный ящик») «входных воздействий» (воздействующих факторов) в «выходные реакции» (исходы влияния). Взаимодействие отдельных органов и систем в организме при этом количественно не рассматривается.
Основой построения моделей воздействия нескольких патогенных факторов является использование определенного числа сочетаний координат вектора. При этом определяются вероятности исхода действия и производится построение поля этих вероятностей для всего диапазона изменений вектора комбинированного воздействия. Авторы не рассматривают стохастические модели сочетанного действия как законченные.
Для оценки характера комбинированного влияния сложных парогазовоздушных смесей — компонентов полимерных материалов относительно постоянного состава А. Я. Бройтманом (1963) предложено использовать регрессионный анализ (метод частной регрессии). Дальнейшее развитие применение многомерного анализа (регрессионный, корреляционный, дисперсионный анализы) нашло в работах В. В. Кустова и соавторов (1972), П. А. Нагорного (1971, 1973, 1977, 1979), И. М. Трахтенберга и соавторов (1975, 1977).
Предлагаемые методы позволяют дать количественную оценку связи эффекта с действующими факторами, выявить фактор, играющий ведущую роль во вредном воздействии комплекса веществ, определять степень постоянства состава комплекса и др. Можно согласиться с П. А. Нагорным (1977), который считает, что методы многофакторного анализа следует использовать в первую очередь при изучении комбинированного действия комплексов недостаточно выясненного состава.
В то же время необходимо отметить существенное ограничение возможностей этого метода, особенно в хроническом опыте, так как для его использования недостаточно исследовать один-два уровня воздействия каждого из факторов. Кроме того, интерпретация уравнений множественной регрессии с несколькими закоррелированными между собой переменными имеет элементы условности и должна проводиться с осторожностью.
Без учета ковариационной матрицы (Хт, X)-1 наше понимание регрессионной модели будет неполным, а иногда просто неверным (М. Кендалл, А. Стьюарт, 1973).
Специфическим методом изучения комбинированного действия компонентов полимерных материалов представляется метод, предусматривающий использование вытяжек. При токсикологических исследованиях вытяжек из различных полиолефинов выявлена их малая токсичность и установлено, что факторами, определяющими возможность применения полиолефинов, являются их органолептические свойства (Б. Ю. Калинин и соавт., 1969- В. О. Шефтель, 1970).
Таким образом, обзор основных направлений изучения комбинированного, комплексного и сочетанного действия свидетельствует о наличии сравнительно большого числа разнообразных подходов, отражающих различные стороны столь сложной проблемы. Можно отметить следующие основные моменты: а) многофакторность изучаемых явлений- б) необходимость первоочередного учета цели эксперимента- в) рассмотрение отдельного опыта как случайной реализации, определяемой состоянием животных, условиями воздействия и др.- г) отказ об прямого соотнесения кратностей доз и кратностей эффектов- д) недостаточная обоснованность эмпирических сравнений результатов совместного и изолированного действия факторов- е) целесообразность унификации условий эксперимента, введения единой терминологии оценки эффекта и др. По-видимому, в настоящий момент ни один из рассмотренных выше методов не учитывает перечисленных моментов в их общности, т. е. практически отсутствует единый методический подход к постановке таких исследований, более того, планирование их осуществляется часто интуитивно (произвольный выбор числа опытов, уровней воздействия факторов и сроков регистрации показателей, раздельное во времени использования действия отдельных факторов и их комбинаций и др.), нет единообразия в статистической обработке материалов. Указанные недостатки приводят к тому, что исследователь делает заключение о характере совместного действия факторов на основании отдельных фрагментов опыта и, следовательно, информативная ценность исследований значительно снижается, возможны и просто неверные заключения.
Обсуждая вопросы применения графических и аналитических методов для оценки комбинированного действия химических веществ, А. А. Голубев и соавторы (1973) отмечают, что ограниченность применения аналитических методов оценки комбинированного действия ядов является безусловно временной. Стремительное развитие математических методов планирования экспериментов, в частности методов дисперсионного, факторного множественного корреляционного и в особенности дискриминантного анализа, а также методов математического моделирования и использования для этих целей электронных вычислительных машин могут стимулировать появление новых идей в разработке проблемы аналитической оценки комбинированных эффектов.
В последнее время коренным образом изменился подход к исследованию сложных многофакторных систем. В химии и металлургии, биологии и электронике успешно используются методы математического планирования эксперимента (В. В. Налимов, 1971- Ю. П. Адлер и соавт., 1976: И. Г. Зедгенидзе, 1976, и др.). Универсальность этих методов и высокая эффективность позволили применить их для изучения комбинированного, комплексного и сочетанного действия различных химических веществ (Р. Е. Сова и соавт., 1971, 1974- З. Д. Златев и соавт., 1976-
А. И. Эйтингон и соавт., 1978- Г. И. Разоренов, 1979- Е. И. Спыну и соавт., 1979).
Использование математического планирования эксперимента при изучении комбинированного, комплексного и сочетанного действия позволяет на строго научной основе решить следующие вопросы: как использовать априорную информацию, сколько и каких опытов надо поставить и как их обработать, чтобы решить поставленную задачу наиболее эффективно.
Следовательно, методы изучения комбинированного, комплексного и сочетанного воздействия, на наш взгляд, можно подразделить на 5 групп:
- графические методы построения изодинамических и изоболических диаграмм;
- аналитические методы, основанные на изучении зависимостей доза — эффект, концентрация — время и др.;
- методы, в основе которых лежит оценка степени вероятности определенных эффектов;
- методы многомерного анализа;
- методы математического планирования эксперимента.
Каждая из приведенных групп методов продолжает развиваться, находя приложение для решения отдельных задач. В то же время наиболее общим методическим подходом к изучению комбинированного, комплексного и сочетанного действия является постановка многофакторных опытов на основе методологии математической теории эксперимента (В. С. Тюхтин, С. Н. Вовк). Математическое планирование, формализуя непосредственно ход эксперимента, в то же время предоставляет экспериментатору широкие возможности выбора плана опытов в зависимости от поставленной цели, числа факторов, уровней их варьирования и др.
