Синдром острой токсичности рыбы
Синдром острой токсичности рыбы | |
---|---|
Специальность | Ветеринария |
Синдром острой токсичности рыб ( FATS ) — это набор общих химических и функциональных реакций у рыб, возникающих в результате кратковременного острого воздействия смертельной концентрации токсиканта , химического вещества или материала, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на живой организм. [ 1 ] По определению, способы действия характеризуются FATS, поскольку сочетание общих реакций, которые представляют синдром острой токсичности каждой рыбы , характеризуют неблагоприятный биологический эффект. [ 1 ] Таким образом, токсиканты, имеющие одинаковый механизм действия, вызывают сходные наборы реакций в организме и могут быть отнесены к одному и тому же синдрому острой токсичности рыб.
Фон
[ редактировать ]В 1970-е годы крупномасштабное производство химикатов резко возросло, что привело к принятию нового законодательства, призванного успокоить обеспокоенность общественности по поводу потенциальных вредных последствий. [ 2 ] После принятия Закона о контроле за токсичными веществами в 1977 году Агентство по охране окружающей среды США ( USEPA ) потребовало, чтобы химические вещества, новые и существующие, оценивались на предмет рисков для здоровья человека и экологических систем. [ 3 ] Поскольку ежегодно регистрируются тысячи новых химических веществ, [ 2 ] важно использовать метод скрининга, который последовательно и эффективно прогнозирует токсичность химических веществ. [ 3 ] В результате исследователи в области токсикологии сосредоточились на разработке моделей QSAR как средства оценки токсического воздействия химических веществ на рыбу. [ 2 ]
В токсикологии подход количественного соотношения структура-активность (QSAR) представляет собой метод прогнозирования токсичности на основе свойств и структуры токсиканта. [ 3 ] Этот метод был разработан исходя из предположения, что группа химических веществ со схожими структурными компонентами будет вызывать сходные токсические эффекты из-за одинаковой активности или способа действия . [ 2 ] [ 3 ] Другими словами, токсичность химического вещества напрямую связана со его структурой. Поэтому QSAR используются для создания прогностических компьютерных программ и моделей для корреляции структуры и активности химических веществ. [ 4 ] В целом, цель состоит в том, чтобы помочь в токсикологии путем предоставления баз данных и прогностических моделей для классификации токсикантов по способу действия, а также для оценки острой токсичности химического вещества. [ 5 ] Чтобы использовать подход QSAR, исследователям необходимо создать набор переменных, которые будут учитываться в процессе моделирования. [ 2 ] Модели QSAR дифференцируются по группам химических веществ, характеризующихся общим механизмом действия. [ 5 ] Однако имеются ограниченные данные об определенных взаимосвязях между токсическими реакциями и химическими веществами с известным механизмом действия. [ 4 ] Следовательно, токсикологи сосредоточились на разработке FATS, чтобы определить эти реакции и лучше предсказать способы действия. [ 4 ] Этот подход фокусируется на группировке химических и функциональных реакций таким образом, чтобы отдельные химические вещества с известным механизмом действия можно было разделить на конкретные FATS. [ 3 ] В целом, FATS помогают моделям QSAR, предоставляя систематический способ определения и прогнозирования способов действия. [ 3 ]
Определение
[ редактировать ]В 1987 году Макким и его коллеги начали серию экспериментов по характеристике FATS. Эти эксперименты включали анализы цельной рыбы in vivo . [ 3 ] В этих экспериментах использовали радужную форель ( Oncorhynchus mykiss, ранее известную как Salmo gairdneri ). [ 3 ] Перед тем, как подвергнуться воздействию, рыбам была проведена операция по имплантации устройств мониторинга дыхания и сердечно-сосудистой системы и их иммобилизации. [ 3 ] Во время эксперимента рыб содержали в камере дыхательного метаболизма из оргстекла, наполненной водой из озера Верхнее. [ 3 ] Температуру воды поддерживали на протяжении всего времени экспериментов, а другие параметры качества воды (рН, общую жесткость, щелочность и кислотность) регистрировали однократно. [ 3 ]
Токсиканты, использованные в этих экспериментах, были выбраны потому, что они имели известный механизм действия . [ 3 ] Единственным исключением из этого правила были наркотики. Макким и др. и Брэдбери и др. использовали соединения, известные как наркотики, и с помощью анализа дискриминантной функции Bradbury et al. и его коллеги определили два отдельных синдрома наркоза, I и II, которые соответствуют неполярным и полярным наркотикам соответственно. [ 3 ] [ 5 ] Используя соединения с известным механизмом действия, эти ученые могли бы разработать комплексы респираторно-сердечно-сосудистых реакций, уникальные для конкретного способа действия.
В первом эксперименте были использованы два наркотика — трикаинметансульфонат и 1-октанол , а также два разобщителя окислительного фосфорилирования — пентахлорфенол и 2,4-динитрофенол . [ 3 ] Во время второго эксперимента ацетилхолинэстеразы оценивали ингибиторы ацетилхолинэстеразы были органофосфат малатион и карбамат карбарил и раздражители дыхательных путей. Ингибиторами . [ 4 ] Респираторными раздражителями были акролеин и бензальдегид . [ 4 ] В третьей части серии экспериментов полярные наркотики фенол , 2,4-диметилфенол, анилин , 2-хлоранилин и 4-хлоранилин . оценивались [ 5 ] В последнем эксперименте анализировались вещества, вызывающие судороги центральной нервной системы. К ним относятся ингибитор ацетилхолинэстеразы хлорпирифос ; два пиретроидных инсектицида, фенвалерат и циперметрин ; два циклодиеновых инсектицида, Эндрин и Эндосульфан ; и родентицид стрихнин . [ 6 ] Продолжительность воздействия зависела от эксперимента, но составляла от 24 до 48 часов. [ 3 ] Таким образом, воздействие привело к острой токсичности . [ 3 ] Радужная форель подвергалась воздействию смертельной концентрации токсиканта в течение 24–48 часов. Респираторные и сердечно-сосудистые реакции, отслеживаемые на протяжении всего воздействия, включали частоту кашля, скорость вентиляции, объем вентиляции, общее потребление кислорода, утилизацию кислорода, частоту сердечных сокращений, артериальное кровяное давление, кислород артериальной крови, углекислый газ артериальной крови, pH артериальной крови, гематокрит, гемоглобин, электрокардиограмма, ионы плазмы (кальций, магний, калий, натрий и хлорид) и осмоляльность. [ 3 ] Значения предварительной дозы были получены до воздействия. [ 3 ] Реакции измерялись с двухчасовыми интервалами на протяжении всего воздействия, за исключением параметров крови, которые измерялись каждые четыре-восемь часов, и ионов крови, которые измерялись непосредственно перед смертью. [ 3 ]
По результатам эксперимента каждый токсикант характеризовался набором респираторно-сердечно-сосудистых реакций. Статистический анализ был использован для определения существенных различий в ответах между токсикантами с разными механизмами действия. [ 3 ] Наконец, поскольку каждый токсикант имел известный способ действия, набор реакций характеризовал способ действия. [ 3 ]
Типы
[ редактировать ]Неспецифический
[ редактировать ]Наркоз
[ редактировать ]- Наркоз [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Наркозом называют общее угнетение биологической активности вследствие воздействия токсиканта неспецифического действия. [ 1 ] Токсиканты, вызывающие наркоз, известны как наркотики или анестетики. [ 5 ] Алкоголь является примером наркотика и может привести к интоксикации, форме наркоза. [ 1 ] Используя подход FATS, исследователи могут прогнозировать токсичность, оценивая реакцию, вызванную наркотиками. [ 5 ]
Наркотики представляют собой разнообразную группу химических веществ, включающую: инертные газы, алифатические и ароматические углеводороды, хлорированные углеводороды, спирты, простые эфиры, кетоны, альдегиды, слабые кислоты и основания, а также алифатические нитросоединения. [ 5 ] Хотя наркоз может быть вызван широким спектром химических веществ, есть несколько химических веществ, которые не считаются наркотиками. Сюда входят химические вещества, которые: образуют необратимые связи в результате электрофильной реакции; метаболически активируются электрофилами ; образуют основания Шиффа с аминогруппами; и любой тип акцептора Михаэля . [ 7 ] В целом наркотики нереактивны. [ 7 ] [ 9 ]
Многие органические химические вещества в достаточно высоких концентрациях вызывают наркотические симптомы. [ 1 ] [ 7 ] Таким образом, большинство токсикантов можно считать наркотиками. Исходная токсичность или наименьшая токсичность часто используется для обозначения наркоза, поскольку этот способ действия считается минимальным эффектом. [ 1 ] [ 7 ] Модели QSAR часто используются для прогнозирования минимальной или базовой токсичности химических веществ, действующих посредством неспецифических механизмов. [ 5 ] [ 7 ]
Механизмы действия
[ редактировать ]Наркоз — обратимое состояние, которое считается неспецифическим, поскольку единый механизм действия еще не установлен. [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] Хотя механизмы наркоза остаются неясными, современные теории предполагают, что наркоз связан с изменением структуры и функции клеточных мембран. [ 1 ] [ 9 ] Гипотеза критического объема предполагает, что симптомы наркоза возникают из-за растворения токсиканта в липидном компоненте клеточной мембраны. [ 1 ] Это приводит к увеличению объема клеточных мембран и, как следствие, к изменению структуры и функции мембран. [ 1 ] Теория связывания с белками предполагает, что наркотик связывается с рецепторами гидрофобной области белков клеточной мембраны. [ 1 ] [ 7 ] В обеих теориях клеточные мембраны подвергаются воздействию наркотиков, что приводит к снижению функциональности и наркозу.
Симптомы
[ редактировать ]Общие реакции на наркотики включают: вялость, потерю сознания и общее угнетение дыхательно-сердечно-сосудистой деятельности. [ 5 ] [ 7 ] [ 9 ] Наркоз может привести к смерти из-за неспецифических устойчивых симптомов. [ 7 ] На заключительной стадии наркоза Макким и его коллеги [ 3 ] наблюдалась тканевая гипоксия , генерализованное снижение дыхательно-сердечно-сосудистой функции и в конечном итоге паралич дыхания. Например, у радужной форели, подвергшейся воздействию двух наркотиков, MS-222 и 1-октанола, наблюдались разнообразные респираторно-сердечно-сосудистые реакции. [ 3 ] К наркотическим симптомам относились: потеря реакции на внешние раздражители, потеря равновесия, снижение частоты дыхания и медуллярный коллапс. [ 3 ]
Наркоз I и наркоз II.
[ редактировать ]Исследования показали, что существуют два различных способа действия наркоза: наркоз I и наркоз II. [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Наркоз I вызывается неполярными соединениями, тогда как наркоз II относится к полярным соединениям. [ 5 ] Если полярные и неполярные наркотики вызывают одинаковые эффекты, модели базового наркоза должны быть в состоянии точно предсказать токсичность обеих групп химических веществ. Однако полярные соединения продемонстрировали большую токсичность, чем предсказывали базовые модели токсичности. [ 5 ] Эта разница в токсичности между неполярными и полярными наркотиками подтверждает теорию о том, что для разных способов наркоза существуют два отдельных механизма действия. [ 5 ]
На основе подхода QSAR различия в химической структуре можно использовать для прогнозирования активности токсикантов. [ 2 ] По полярности токсикантов можно разделить наркотические средства действия на две группы: наркоз I и наркоз II. При наркозе I неполярные химические вещества вызывали генерализованное угнетение респираторно-сердечно-сосудистых реакций. [ 5 ] I наркоз II, полярные химические вещества сначала приводят к увеличению активности. [ 5 ] Уникальный эффект наркоза II подтверждается исследованиями, проведенными на радужной форели. При воздействии полярных наркотиков у радужной форели сначала наблюдалась повышенная мышечная активность, за которой следовала потеря координации и невосприимчивость к внешним раздражителям. [ 5 ]
В целом наркоз II характеризуется большей токсичностью, чем наркоз I. [ 7 ] Таким образом, модели базового наркоза следует использовать для прогнозирования токсичности неполярных наркотиков. Кроме того, наркоз I представляет собой генерализованное угнетение биологической активности. [ 5 ] [ 7 ] Напротив, симптомы наркоза II включают стимуляцию респираторно-сердечно-сосудистых реакций с последующей генерализованной депрессией активности. [ 5 ]
Специфический
[ редактировать ]- Разобщители окислительного фосфорилирования [ 3 ] [ 10 ] [ 11 ] *Ингибиторы АХЭ [ 3 ] [ 10 ]
- Раздражители [ 6 ] [ 10 ]
- Средства, захватывающие ЦНС [ 6 ] [ 10 ]
- Блокаторы дыхания [ 10 ] [ 12 ] *Диоксины [ 1 ]
Токсикант, проявляющий специфический механизм действия, связывается с участком конкретной биологической молекулы, тем самым изменяя или ингибируя биологический процесс. [ 1 ] Для сравнения, токсикант, проявляющий неспецифическое действие, также называемый наркотиком, просто неизвестным образом подавляет биологическую активность. [ 1 ] Ученые до сих пор не уверены, с каким местом(ами) связывается наркотик и к каким биохимическим реакциям это приводит. [ 1 ] Специфическое действие уникально по сравнению с неспецифическим, поскольку для того, чтобы вызвать ответ, необходимы относительно меньшие количества токсиканта. [ 1 ] Поскольку для того, чтобы вызвать реакцию, необходимы более низкие концентрации токсиканта, специфические способы действия обычно наблюдаются раньше, чем неспецифические способы действия. Однако в конечном итоге при достаточно высоких концентрациях большинство токсикантов являются наркотическими (демонстрируют неспецифический механизм действия). [ 1 ]
Существует множество ТУЗФ конкретных действий, которые были изучены и задокументированы. К ним относятся ингибиторы ацетилхолинэстеразы (АХЭ), дыхательных путей раздражители , блокаторы дыхания, диоксин , эпилептические агенты центральной нервной системы и разобщители окислительного фосфорилирования. Было продемонстрировано, что ацетилхолинэстераза , фермент, расщепляющий ацетилхолин, важный нейромедиатор , ингибируется определенными токсикантами, такими как органофосфаты и карбаматы. [ 10 ] Респираторные раздражители связываются с мембранами респираторных тканей, которые являются первыми тканевыми мембранами, доступными для воздействия. [ 6 ] Известно, что респираторные блокаторы влияют на цепь переноса электронов в митохондриях клеток. [ 12 ] Препараты, вызывающие судороги центральной нервной системы, вызывают такие эффекты, как парциальные судороги или судороги всего тела и кашель. [ 6 ] Известно, что диоксин имеет другой способ действия, чем другие, но не изучался методом FATS. [ 1 ]
Разобщители окислительного фосфорилирования
[ редактировать ]Разобщители окислительного фосфорилирования являются специфически действующими токсикантами. [ 3 ] Окислительное фосфорилирование представляет собой реакцию сочетания, при которой АТФ синтезируется из фосфатных групп с использованием энергии, полученной в результате окислительно-восстановительных реакций в митохондриальной цепи переноса электронов. [ 11 ] Производство АТФ очень важно, поскольку оно, по сути, является энергетической валютой в биологических системах. [ 11 ] В нормальных условиях окислительно-восстановительные реакции в митохондриальной цепи переноса электронов производят энергию. [ 11 ] Эта энергия используется для перемещения протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану из митохондриального матрикса во внутреннее мембранное пространство. [ 11 ] Это создает градиент pH , где условия кислые (т.е. более высокие концентрации протонов) во внутреннем мембранном пространстве и более основные (т.е. низкие концентрации протонов) в митохондриальном матриксе. [ 11 ] Благодаря этому градиенту протоны проходят через АТФазу , белок, встроенный во внутреннюю митохондриальную мембрану, вниз по градиенту концентрации в митохондриальный матрикс, вызывая выработку АТФ. [ 11 ]
Разобщители окислительного фосфорилирования нарушают выработку АТФ. [ 11 ] Они делают это, связываясь с протонами во внутреннем мембранном пространстве и перенося их в митохондриальный матрикс. [ 11 ] Таким образом, химический градиент, который управляет синтезом АТФ, разрушается, и производство энергии замедляется. [ 11 ] Потребление кислорода увеличивается, чтобы нейтрализовать последствия низкого производства АТФ. [ 3 ] Кроме того, концентрация молочной кислоты увеличивается, поскольку ткани переходят на анаэробный метаболизм , который отравляет митохондрии. [ 3 ]
Сердечно-сосудисто-респираторные реакции, связанные с воздействием разобщителей окислительного фосфорилирования, определенные в эксперименте FATS, следующие. В целом скорость метаболизма увеличивалась настолько быстро, что наблюдалось постоянное увеличение объема вентиляции и потребления кислорода. [ 3 ] Однако изменений скорости вентиляции или использования кислорода не наблюдалось. [ 3 ] Это означает, что рыба увеличила поток воды через жабры, но удаление кислорода из воды сохранялось с постоянной скоростью. Однако потребление кислорода в митохондриальной цепи переноса электронов увеличилось в попытке воспроизвести протонный градиент и стимулировать выработку АТФ. [ 3 ] Однако токсикант продолжал разрушать протонный градиент, что неизбежно приводило к смертности.
Приложения
[ редактировать ]Как упоминалось ранее, FATS использовались для создания моделей, прогнозирующих токсичность химических веществ. [ 13 ] Например, данные FATS используются для разработки моделей количественной взаимосвязи структура-активность (QSAR). [ 5 ] Модели QSAR, разработанные с использованием данных FATS, затем используются для создания компьютерных систем прогнозирования токсичности. Например, Рассом и его коллеги использовали данные 96-часовых тестов на острую токсичность Fathead Minnow (Pimephales promelas), данные FATS и QSAR для создания компьютерной экспертной системы, которая прогнозирует химическую токсичность на основе химических структур и свойств. [ 13 ] Эти модели и системы полезны для проверки химических веществ, чтобы определить приоритетность более токсичных веществ для дальнейших испытаний на токсичность. [ 6 ] Это особенно полезно для промышленных химикатов с неизвестной токсичностью. Это связано с количеством промышленных химикатов с неизвестной токсичностью, индивидуальное тестирование которых на токсичность нереально. [ 3 ] Кроме того, модели и компьютерные системы, прогнозирующие токсичность, также экономически эффективны по сравнению с проведением тестов на токсичность всех неизвестных химических веществ. [ 6 ] В заключение можно сказать, что методы прогнозного скрининга, полученные на основе данных FATS, практичны и экономически эффективны.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Рэнд ГМ (1995). Основы водной токсикологии: последствия, экологическая судьба и оценка рисков (2-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press. стр. 50–53. ISBN 1-56032-091-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Кайзер КЛЕ (март 2003 г.). «Использование нейронных сетей в QSAR для определения острых водных токсикологических показателей». Журнал молекулярной структуры: THEOCHEM . 622 (1–2): 85–95. дои : 10.1016/S0166-1280(02)00620-6 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но из в МакКим Дж. М., Шмидер П. К., Карлсон Р. В., Хант Е. П. (апрель 1987 г.). «Использование респираторно-сердечно-сосудистых реакций радужной форели ( Salmo Gairdneri ) для выявления синдромов острой токсичности у рыб: часть 1, пентахлорфенол, 2,4-динитрофенол, метансульфонат трикаина и 1-октанол». Экологическая токсикология и химия . 6 (4): 295–312. дои : 10.1002/etc.5620060407 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и МакКим Дж.М., Шмидер П.К., Ниеми Г.Дж., Карлсон Р.В., Генри Т.Р. (апрель 1987 г.). «Использование респираторно-сердечно-сосудистых реакций радужной форели ( Salmo Gairdneri ) для выявления синдромов острой токсичности у рыб: Часть 2, малатион, карбарил, акролеин и бензальдегид». Экологическая токсикология и химия . 6 (4): 313–328. дои : 10.1002/etc.5620060408 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в Брэдбери С.П., Карлсон Р.В., Генри Т.Р. (1989). «Полярный наркоз у водных организмов». В Williams LR, Cowgill UM (ред.). Водная токсикология и оценка опасности . Том. 12. Филадельфия: Американское общество испытаний и материалов. стр. 59–73. ISBN 0-8031-1253-Х .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Брэдбери С.П., Карлсон Р.В., Ниеми Дж.Дж., Генри Т.Р. (январь 1991 г.). «Использование респираторно-сердечно-сосудистых реакций радужной форели (Oncorynchus Mykiss) для выявления синдромов острой токсичности у рыб. 4. Агент, вызывающий приступы центральной нервной системы». Экологическая токсикология и химия . 10 (1): 115–131. дои : 10.1002/etc.5620100113 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Вейт Г.Д., Бродериус С.Дж. (июль 1990 г.). «Правила выделения токсикантов, вызывающих синдромы наркоза I и II типа» . Окружающая среда. Перспектива здоровья . 87 : 207–11. дои : 10.1289/ehp.9087207 . ПМЦ 1567847 . ПМИД 2269227 .
- ^ Перейти обратно: а б с Нецева Т.И., Паван М., Уорт А.П. (январь 2008 г.). «Обзор (количественных) взаимосвязей между структурой и активностью при острой водной токсичности». QSAR и комбинаторная наука . 27 (1): 77–90. дои : 10.1002/qsar.200710099 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Шульц Т.В. (1989). «Неполярный наркоз: обзор механизма действия исходной водной токсичности». В Williams LR, Cowgill UM (ред.). Водная токсикология и оценка опасности . Том. 12. Филадельфия: Американское общество испытаний и материалов. стр. 104–109. ISBN 0-8031-1253-Х .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Фукуто Т.Р. (июль 1990 г.). «Механизм действия фосфорорганических и карбаматных инсектицидов» . Окружающая среда. Перспектива здоровья . 87 : 245–54. дои : 10.1289/ehp.9087245 . ПМЦ 1567830 . ПМИД 2176588 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Терада Х (июль 1990 г.). «Разобщители окислительного фосфорилирования» . Окружающая среда. Перспектива здоровья . 87 : 213–8. дои : 10.1289/ehp.9087213 . ПМЦ 1567840 . ПМИД 2176586 .
- ^ Перейти обратно: а б Стэннард Дж. Н., Хорекер Б. Л. (февраль 1948 г.). «Ингибирование цитохромоксидазы in vitro азидом и цианидом». Ж. Биол. Хим . 172 (2): 599–608. ПМИД 18901179 .
- ^ Перейти обратно: а б Рассом К.Л., Брэдбери С.П., Бродериус С.Дж., Хаммермейстер Д.Э., Драммонд Р.А. (май 1997 г.). «Прогнозирование способов токсического действия на основе химической структуры: острая токсичность у толстоголового гольяна (Pimephales Promelas)» (PDF) . Экологическая токсикология и химия . 16 (5): 948–967. дои : 10.1002/etc.5620160514 .