Методичні питання вивчення комбінованої дії компонентів - токсикологія полімерних матеріалів
Методичні питання вивчення комбінованої дії компонентів полімерних матеріалів. Поняття «комбінація речовин», як відзначають З. А. Волкова (1973), В. В. Кустов і співавтори (1975), І. М. Трахтенберг і співавтори (1975), є неоднозначним. На наш погляд, можна виділити три основні типи комбінацій.
- Стабільні комбінації - комбінації, в яких відомі всі компоненти і строго задані їх співвідношення. Як приклад можна привести комбіновані лікарські препарати. Число компонентів в стабільних комбінаціях зазвичай становить 2-4.
- Суміші речовин - комбінації речовин, число і співвідношення яких може визначатися з деяким наближенням. Походження сумішей речовин зазвичай пов`язане з одним початковим матеріалом або процесом. Реєструються вони в замкнутому просторі. Прикладом сумішей можуть служити речовини, мігруючі з полімерних матеріалів в повітря, воду або харчові продукти, а також леткі компоненти термоокислительной деструкції і горіння полімерних матеріалів.
Багатокомпонентні суміші розподіляються на суміші щодо постійного і непостійного складу. До останніх відносяться суміші постійні за рецептурою, але непостійні за кількісними співвідношеннями компонентів, які змінюються в залежності від природи джерела, температури і деяких інших чинників. Для вирішення питання про ступінь сталості складу багатокомпонентних сумішей хімічних сполук рекомендується застосовувати метод І. М. Трахтенберга і співавторів (1975) як найбільш простий і нетрудомісткий.
- Стохастичні комбінації - комбінації, які можуть містити необмежену кількість складових, незалежних один від одного. Такі комбінації зазвичай спостерігаються в атмосферному повітрі населених місць та інших об`єктах біосфери, а також в повітрі сучасного житла (зокрема, компонентів різноманітних полімерних матеріалів).
В гігієні застосування полімерних матеріалів дослідник зазвичай зустрічається із сумішами речовин або їх стохастическими комбінаціями. Характер комбінації обумовлює вибір речовин для вивчення, постановку гострих або хронічних дослідів, дози впливають речовин і ін.
У гострому досліді з метою вивчення комбінованої дії компонентів полімерних матеріалів, що входять в суміші речовин, можливі два підходу-на основі багатофакторного аналізу безпосередніх
результатів впливу суміші на організм або шляхом моделювання цього дії за допомогою математичних планів експерименту. Розглянемо обидва підходи на прикладі вивчення комбінованої дії мономерів фенольно-формальдегідних смол - фенолу і формальдегіду. Результати дослідів по ингаляционному впливу цих речовин на білих мишей наведені в роботі П. А. Нагорного (1979). Оцінювалися вони за допомогою багатофакторного регресійного аналізу, а також детальним порівнянням фактичного і очікуваного ефекту на різних рівнях дії. Особливості регресійного аналізу багатокомпонентних сумішей досить повно викладені в методичних вказівках «Математичний аналіз при токсикологічної розшифровці комплексу летючих речовин, що виділяються в повітря з високомолекулярних сполук» (Київ, 1975).
В результаті регресійного аналізу даних 53 дослідів отримано рівняння:
(8.)
де у - летальність білих мишей,% - Х1 і х2 - концентрації фенолу і формальдегіду, мг / м3.
Оскільки обидва приватних коефіцієнта регресії позитивні, автор робить висновок, що дія фенолу і формальдегіду на величину летальності однонаправлене (синергізм). При детальному аналізі отриманих даних на різних рівнях виявлено посилення фактичного ефекту на рівні вище 50% летальності і тенденція до антагонізму вивчених речовин при зниженні рівня впливу.
Розглянемо основні методичні питання визначення характеру комбінованого ефекту компонентів полімерних матеріалів за допомогою математичного планування експерименту. Нелінійність залежності доза - ефект при гострому дії хімічних речовин обумовлює вибір планів, що дозволяють описати результати експерименту квадратичним поліномом виду:
О.)
До таких планів ставляться ортогональні, рототабельние, квазі-Д-оптимальні та інші плани другого порядку. У довіднику за планами експерименту для факторних і поліноміальних моделей (В. 3. Бродський і співавт., 1982) наведені таблиці планів другого порядку для числа незалежних змінних п = 1-7. Число дослідів в матриці плану для двох змінних варіює. від 6 до 13, для трьох змінних - від 10 до 27, для чотирьох - від 15 до 42, для п`яти - від 21 до 52.
Вибір плану здійснюється, виходячи з мети експерименту, числа речовин в комбінації, рівнів впливу кожного з них, які намічено вивчити, передбачуваного механізму дії та ін.
Таблиця 8. Матриця планування і результати експериментів з вивчення комбінованого впливу фенолу і формальдегіду на білих мишей
Результати обробляються методом найменших квадратів. При цьому в разі використання симетричних планів обробка значно спрощується і може проводитися за допомогою малої лічильної техніки.
При використанні математичного планування в дослідах рекомендується вивчати вплив не всієї суміші, а тільки її провідних компонентів. Однак поняття провідний компонент неоднозначно. Його вибір залежить від мети, яку ставить експериментатор, а також від функціонального призначення ведучого компонента в подальшій роботі (І. М. Трахтенберг та співавт., 1976). У токсикологічному експерименті, в якості основного може бути вибрано речовина, що надає специфічний вплив суміші на певну систему організму. При розробці рекомендацій щодо зниження токсичної дії вихідного ПМ провідним буде найбільш токсичний компонент, питома вага якого в суміші досить великий. Якщо вибирається показник для гігієнічного нормування контролю вмісту суміші в повітрі, воді або продукті харчування, то на перше місце висувається можливість ідентифікації речовини, точність і надійність його аналітичного виявлення в даному об`єкті.
Використання методу математичного планування експерименту розглянемо на прикладі визначення комбінованого ефекту мономерів - фенолу і формальдегіду. Для цього із зазначених вище 53 дослідів було відібрано 9, що дозволяють побудувати ортогональну матрицю планування двухфакторного експерименту (Е В Рафалес - Ламарка, В. Г. Миколаїв, 1971- табл. 8).
Обидві речовини вивчали на трьох рівнях- мінімальному, що позначається в кодованому вигляді (-1), максимальному (+1) і середньому (0). Кодування факторів, т. Е. Приведення їх до безрозміряний увазі, здійснюється за формулою:
(10.)
де zi - кодоване значення фактора х, Xo = 0,5 (Ximax + Ximin) - середина діапазону коливань фактора Xj, Ai = 0,5 (xlmax-Ximrn) - інтервал варіювання фактора xi.
Після кодування діапазон зміни кожного фактора буде обмежений величиною (-1), що відповідає ximm, і величиною (+1), що відповідає ximaх. При цьому між кодованої величиною і певним натуральним значенням Xi встановлюється однозначна відповідність, яке може бути представлено графічно шкалою виду
Декодування значень факторів, т. Е. Перехід від безрозмірного виду до натурального, здійснюється за формулою:
(11.)
При кодуванні фактичних концентрацій мономерів введений умовний момент: як певного рівня розглядається діапазон концентрацій. Така умовність, на наш погляд, буде завжди присутній при вивченні комбінованих ефектів компонентів полімерних матеріалів у разі їх інгаляційного впливу.
При статистичному аналізі результатів отримано рівняння:
(12.)
де у - летальність білих мишей,% - X! і х2 - кодовані значення концентрацій фенолу і формальдегіду.
Розрахункові значення летальності на основі даного рівняння відрізняються від фактичних на 10-20% (в одному досвіді відмінності досягають 32,9%). Така точність апроксимації задовільна в умовах подібних експериментів і дозволяє розглядати рівняння 12 як модель комбінованого впливу вивчених речовин.
Аналіз рівняння з урахуванням знаків і величин коефіцієнтів регресії дозволяє зробити наступні висновки:
- залежність концентрація - ефект носить нелінійний характер (особливо виражений для формальдегіду);
- ступінь вираженості ефекту обох мономерів в вивчених концентраціях приблизно однакова;
- ефект комбінованого впливу є взаємозалежним;
- характер ефекту може бути визначений як синергічний, менш адитивного.
Таким чином, рівняння - модель дозволяє охарактеризувати практично всі сторони комбінованого впливу, що цікавлять дослідника. Дана модель отримана на підставі дев`яти дослідів, т. Е. Математичне планування експерименту дозволило в 5 разів скоротити витрати сил і засобів дослідника, в порівнянні з методом багатофакторного регресивного аналізу.
А. І. Ейтінгон і співавтори (1978) застосували описаний метод для вивчення комбінованого впливу газо-аерозольного суміші основних компонентів, що виділяються при горінні ПВХ (СО, С02, НС1, аерозоль сажі). При цьому отримані рівняння, що характеризують залежність різних показників стану організму від досліджуваних факторів і їх взаємодії. Аналіз цих рівнянь дозволив зробити висновок, що провідним компонентом четирехфакторной суміші є СО.
Підкреслюючи нелінійність залежності доза - ефект, І. А. Жолдака (1986) обґрунтовує доцільність використання в гострих дослідах симплексних планів експерименту.
Дослідження токсичності продуктів згоряння ПМ, т. Е. Комбінованого впливу летких компонентів і продуктів їх трансформації в процесі термодеструкції і горіння, представляється одним з істотних аспектів гігієнічної оцінки ПМ (В. Н. Чекаль, 1980, і ін.). Як встановлено Williams і Clarke (1982), токсичність суміші може змінюватися в 1,5-100 раз як в сторону зниження, так і в бік збільшення в залежності від умов згоряння.
Поруч дослідників показано, що переважним ефектом комбінованого впливу компонентів полімерних матеріалів є сумація. Так, Н. Р. Шепельської (1976) отримано суммационного ефект комбінованої дії бутілметакрілата і толуолу при внутрішньошлунковому введенні тваринам на рівні смертельних доз. За даними Я. Г. Двоскіна і співавторів (1981), комбінована дія токсичних газовиділень з полімерних матеріалів (асбоселіт, лінолеум ТТН, плити теплоізоляційні ФС-7 та ін.) В концентраціях, близьких до ГДК для атмосферного повітря, проявляється як просте підсумовування. Аналогічний результат отриманий Н. Е. Дишіневіч (1979) при вивченні комбінованої дії мезітілена і псевдокумола на білих щурів в цілодобовому хронічному досвіді на рівні діючих концентрацій.
І. Кисельова (1984) вивчала характер комбінованої дії фенолу і стиролу. Безпородні білі щурі (125 шт., 5 груп, з яких одна була контрольною) піддавалися 4-місячного ингаляционному впливу в концентраціях, реально зустрічаються в атмосферному повітрі. Кількісна оцінка комбінованого впливу речовин грунтувалася на визначенні ізоеффектівних концентрацій при ізольованому і спільному їх надходженні. Автор доходить висновку, що характер комбінованої дії фенолу і стиролу оцінюється як незалежний. У той же час П. А. Нагорний (1981) підкреслює, що завжди апріорна орієнтація на суммацию ефектів компонентів полімерних матеріалів неправомірна, так як ефект від впливу на організм комплексу шкідливих речовин не є сумою ефектів їх роздільного впливу. Встановлені в даний час гігієнічні регламенти для комплексів летючих продуктів, які визначаються по одному з них, значно (в 10-50 разів) нижче ГДК цих продуктів при роздільному дії.
Наведені міркування, поряд з можливістю тривалого впливу компонентів полімерних матеріалів на організм людини, обумовлюють доцільність постановки хронічних дослідів. Особливістю їх є обмежена кількість груп тварин і, відповідно, їх відчувають концентрацій.
При вивченні комбінованої дії двох хімічних речовин в хронічному експерименті прийнято використовувати 4 групи тварин: 1-я - контрольна, 2-я - піддається впливу речовини А, 3-я - піддається впливу речовини В і 4-я - піддається комбінованій дії обох речовин. У разі, якщо на 4-й групі тварин випробовуються дози (концентрації) обох речовин на тих же рівнях, що і при ізольованому впливі, то 4 досвіду можуть розглядатися як єдиний дисперсійний комплекс. Оцінювати ефект рекомендується шляхом порівняння результатів дослідів при ізольованому впливі речовин і їх комбінації на основі даних дисперсійного аналізу. Хід аналізу і питання оцінки ефекту викладені в «Методичних рекомендаціях з планування експерименту та оцінки ефекту комбінованої дії хімічних речовин при багаторазовій дії» (Київ, 1977).
Додаткові матеріали до характеристики комбінованого ефекту в хронічному досліді можуть бути отримані при поданні описаних вище 4 дослідів у вигляді ортогональної матриці повного факторного експерименту виду 22. В цьому випадку відсутність фактора розглядається як його мінімальне значення (-1 в кодованому вираженні), а наявність - як максимальне (+1) З метою вивчення адекватності одержуваної математичної моделі і можливості прогнозування на її основі характеру комбінованого ефекту при різних поєднаннях факторів бажано поставити 5-й досвід - при середніх рівнях обох факторів (в кодованому позначенні -0). Модель комбінованого впливу в даному випадку буде представлена рівнянням 6.
Природно, що характер ефекту залежить від стадії процесу (адаптація, компенсація і т. Д.) І, отже, від часу вивчення відповідної реакції організму. Час як фактор, що впливає на хімічні і фізичні фактори, має ряд особливостей. Стан організму вивчається, як правило, в дискретні часові зрізи, т. Е. В окремі моменти часу. Якщо проводиться гострий досвід, то через годинник, добу. При хронічному досвіді - через тижні, місяці. Отримані матеріали аналізуються протягом певного періоду шляхом графічного або статистичного (коваріаційний, регресійний) аналізу.
Ряд дослідників час включають в загальну матрицю плану експерименту, розглядаючи його еквівалентно іншим факторам. Однак в більшості випадків такий підхід помилковий. Це пов`язано з тим, що фактор часу не залежить від модельованих в експерименті хімічних і фізичних факторів, так як сумарне навантаження їх впливу змінюється зі збільшенням тимчасового періоду. В даному випадку порушується одне з істотних умов планування експерименту: в план закладаються закоррелірованние фактори, що змінює його оптимальність по ряду критеріїв - ортогональности, композиційні та ін.
До числа можливих методів вивчення комбінованого впливу комплексу речовин, що виділяються з полімерних матеріалів, відноситься хронічний експеримент на тваринах, які розміщені в камери-генератори (А. Н. Боков, 1968). На основі цього методу виконані дослідження з гігієнічної оцінки великого числа Г1М, використовуваних в будівництві. Так, А. Н. Боковим (1973) досліджені конструкції підлоги, що складається з ДСП типу ПТ-3-АБ на основі карбамідної смоли марки М-19-62, діфенолкетоновой мастики і ПВХ лінолеуму. У повітряному середовищі камер-генераторів виявлялися в невеликих кількостях формальдегід, ацетон і дибутилфталат. Запал щурів проводилась цілодобово протягом 157 днів при відносно площі поверхні конструкції до обсягу камери-генератора 0,4 м2 / м3, температурі 30 ° С і кратності повітрообміну 1,2. До початку затравки з моменту виготовлення конструкції пройшло 4,5 міс, а з моменту виготовлення ДСП - близько року. У різні терміни затравки у тварин реєструвалися поодинокі статистично достовірні зміни деяких гематологічних показників, вмісту цукру в крові і співвідношенні м`язів-антагоністів. Автор трактує випробувані концентрації як порогові.
Камери-генератори великого обсягу дозволяють проводити короткочасні спостереження над людьми з метою визначення рефлекторного впливу шкідливих речовин, що виділяються з полімерних матеріалів.
Таким чином, моделювання комбінованого впливу компонентів полімерних матеріалів за допомогою камер-генераторів має ряд переваг. У той же час такий підхід вимагає значного обсягу досліджень для кожної модифікації полімерних матеріалів, кожної конструкції, не дозволяючи при цьому виявити механізм комбінованого впливу і дати оцінку характеру ефекту (антагонізм, потенціювання і т. Д.). Тому доцільно поєднання санітарнохіміческіх досліджень в камерах-генераторах з подальшим (у разі потреби) вивченням комбінованого ефекту провідних компонентів суміші на основі математичного планування експерименту. Використання камер-генераторів показано при дослідженні стохастичних комбінацій, створюваних комплексом різних полімерних матеріалів.
Перебір варіантів комбінованої дії навіть найбільш часто зустрічаються компонентів полімерних матеріалів практично неможливий. Звідси пошук шляхів прогнозування ефекту комбінованої дії, виходячи з хімічних, фізичних і фізіолого-біохімічних уявлень. Перший шлях - це прогноз комбінованого ефекту на основі фізико-хімічних даних про природу сполук, можливе хімізмі і кінетики їх реакцій в навколишньому середовищі. Другий - виявлення та облік закономірностей фізичного взаємодії, наприклад, підвищення летючості аеротропних сумішей, зміна швидкості всмоктування речовин в травному каналі. В основі третього шляху лежить знання механізмів взаємодії токсичних речовин з біохімічними системами організму.
Можливі шляхи передбачення комбінованого ефекту достатньо повно розглянуті В. В. Кустова і співавторами (1975). Тому ми зупинимося лише на одному аспекті проблеми: можливості активації або гальмування метаболізму одного отрути іншим в процесі їх трансформації на рівні мікросомальних ензимів. Автори вважають, що саме на цьому шляху будуть виявлені загальні закономірності, які з урахуванням токсичності продуктів метаболізму дозволяють прогнозувати характер комбінованої дії хімічних речовин. Аналогічного висновку дійшли учасники спеціального семінару з комбінованого ефекту ксенобіотиків (1983).
Безсумнівна доцільність подальшого поглибленого пізнання біохімічних механізмів токсичної дії і розкриття шляхів його модифікації при впливі декількох речовин. Результати цих досліджень будуть основою для прогнозування ефекту комбінованого впливу.
Узагальнення сучасних методичних підходів до вивчення комбінованої дії, уточнення термінів і визначень типу відповідної реакції здійснено при розробці методичних рекомендацій ( «Постановка досліджень по вивченню характеру комбінованої дії хімічних речовин, що забруднюють виробниче середовище, з метою прогнозування несприятливого впливу на здоров`я працюючих і визначення підходів до гігієнічного нормування »М., 1986 г.). З огляду на, що тип комбінованої дії залежить від рівня впливають доз або концентрацій, показників відповідної реакції організму і інших чинників, вводиться поняття про основне або визначає тип комбінованої дії. Під основним типом розуміється такий варіант комбінованої дії, який, спостерігається при впливі порогових доз або концентрацій, а також при рівнях впливу, що викликають розвиток хронічної інтоксикації. При цьому велике значення надається даними про характер відповідної реакції «критичних», найбільш слабости органів і систем, виходячи з механізму дії досліджуваних компонентів і особливостей їх токсікокінетікі (Б. А. Кацнельсон, С. М. Новіков, 1986).
Висновок про тип комбінованого впливу є підставою для гігієнічної оцінки ПМ, визначеного вироби або об`єкта середовища. У разі виявлення антагоністичного типу комбінованої дії ГДК або ДУ для компонентів суміші залишаються такими ж, як і при ізольованому впливі. У разі встановлення синергізму (менш адитивного або адитивного) необхідно проводити коригування гігієнічних регламентів за формулою А. Г. Авер`янова при використанні в якості критеріїв гігієнічних нормативів:
(13.)
Такий підхід передбачений ГОСТ 12.1.005-76 «Повітря робочої зони». При одночасному вмісті в повітрі робочої зони декількох шкідливих речовин односпрямованої дії сума відносин фактичних концентрацій кожного з них в повітрі приміщень до їх ГДК не повинна перевищувати 1.
У разі синергізму більш адитивного ефекту (потенціювання) ми дотримуємося думки В. В. Кустова і співавторів (1975), Ю. С. Кагана (1981) про необхідність кількісної оцінки і відповідного корегування комбінованого ефекту. З цією метою запропоновано використовувати коефіцієнти потенцирования при характеристиці середовища за формулою Авер`янова:
• (14.)
Якщо ефект потенціювання виявлено на стадії синтезу ПМ, найбільш доцільно внесення коректив в його склад шляхом виключення або зниження концентрації компонентів, що зумовили несприятливий ефект. Коли досліджуваний ПМ вже впроваджений у виробництво, рекомендується організовувати клініко-гігієнічний нагляд за виробничим середовищем та станом здоров`я працюючих.
За даними П. А. Нагорного (1985), в разі комплексів практично постійного складу концентрація продукту, який був провідним в гострому досвіді, буде відображати рівень концентрації всього комплексу і в хронічному експерименті, навіть якщо роль цього продукту в токсичності в тій чи іншій мірі зміниться. Тому правомірно здійснювати гігієнічненормування комплексу летючих речовин по ведучому продукту, визначеного за результатами гострих дослідів.
