Синдром острой токсичности рыб - Fish acute toxicity syndrome

Синдром острой токсичности рыб
СпециальностьВетеринария

Синдром острой токсичности рыб (ЖИРЫ) представляет собой набор общих химических и функциональных реакций у рыб, возникающих в результате краткосрочного, острое облучение до смертельной концентрации токсикант, химическое вещество или материал, который может оказывать неблагоприятное воздействие на живой организм.[1] По определению, способы действия характеризуются FATS, потому что комбинация общих реакций, которые представляют каждую рыбу. Острая токсичность синдром характеризуют неблагоприятный биологический эффект.[1] Следовательно, токсические вещества, которые имеют одинаковый механизм действия, вызывают сходные наборы ответов в организме и могут быть классифицированы по одному и тому же синдрому острой токсичности рыб.

Фон

В 1970-х годах крупномасштабное производство химикатов резко увеличилось, что привело к принятию нового законодательства, чтобы успокоить общественное беспокойство по поводу потенциальных вредных последствий.[2] После реализации Закон о контроле за токсичными веществами в 1977 году Агентство по охране окружающей среды США (USEPA ) требовали, чтобы химические вещества, новые и существующие, были оценены на предмет рисков для здоровья человека и экологических систем.[3] Поскольку ежегодно регистрируются тысячи новых химикатов,[2] Важно использовать метод скрининга, который позволяет стабильно и эффективно прогнозировать токсичность химических веществ.[3] В результате исследователи в области токсикология сосредоточил внимание на разработке моделей QSAR как средства оценки токсического воздействия химических веществ на рыбу.[2]

В токсикологии количественная взаимосвязь структура-активность (QSAR) подход - это метод прогнозирования токсичности на основе свойств и структуры токсиканта.[3] Этот метод был разработан в предположении, что группа химических веществ со схожими структурными компонентами приведет к аналогичным токсическим эффектам из-за того, что они обладают одинаковой активностью, или образ действий.[2][3] Другими словами, токсичность химического вещества напрямую связана со структурой химического вещества. Поэтому QSAR используются для создания компьютерных программ и моделей для прогнозирования корреляции структуры и активности химических веществ.[4] В целом цель заключается в оказании помощи в токсикологии путем предоставления баз данных и прогнозных моделей для классификации токсикантов по способам действия, а также для оценки острой токсичности химического вещества.[5] Чтобы использовать подход QSAR, исследователям необходимо создать пул переменных, которые будут учитываться в этом процессе моделирования.[2] Модели QSAR различаются по группам химических веществ, характеризующихся общим способом действия.[5] Однако имеются ограниченные данные об определенных взаимосвязях между токсической реакцией и химическими веществами с известными способами действия.[4] Следовательно, токсикологи сосредоточились на разработке FATS, чтобы определить эти реакции, чтобы лучше предсказать способы действия.[4] Этот подход фокусируется на группировке химических и функциональных реакций таким образом, чтобы отдельные химические вещества с известными способами действия можно было разделить на определенные FATS.[3] В целом, FATS помогает моделям QSAR, обеспечивая систематический способ определения и прогнозирования способов действий.[3]

Определение

В 1987 году МакКим и его коллеги начали серию экспериментов по характеристике FATS. В этих экспериментах участвовала рыба целиком. in vivo анализы.[3] Животные, использованные в этих экспериментах, были Радужная форель (Oncorhynchus mykiss ранее известный как Сальмо гайрднери).[3] Рыбы перенесли операцию до того, как имплантировали устройства для мониторинга дыхательной и сердечно-сосудистой системы и обездвижили их.[3] Во время эксперимента рыб содержали в камере респираторного метаболизма из оргстекла, наполненной водой из озера Верхнее.[3] Температура воды поддерживалась на протяжении экспериментов, и другие параметры качества воды (pH, общая жесткость, щелочность и кислотность) регистрировались один раз.[3]

Токсиканты, использованные в этих экспериментах, были выбраны потому, что они имели образ действий.[3] Единственным исключением были наркотики. McKim et al. и Брэдбери и др. использовали соединения, известные как наркотики, и с анализ дискриминантной функции Bradbury et al. и его коллеги определили два отдельных синдрома наркоза, I и II, которые соответствуют неполярному и полярный наркотики соответственно.[3][5] Используя соединения с известными механизмами действия, эти ученые смогли разработать наборы респираторно-сердечно-сосудистых реакций, уникальные для конкретного способа действия.

В первом эксперименте два наркотика, метансульфонат трикаина и 1-октанол, и два разобщителя окислительного фосфорилирования, пентахлорфенол и 2,4-динитрофенол, были использованы.[3] Во время второго эксперимента ацетилхолинэстераза оценивались ингибиторы и раздражители дыхательных путей. Ингибиторы ацетилхолинэстеразы представляли собой органофосфат, Малатион и карбамат, Карбарил.[4] Респираторные раздражители были Акролеин и Бензальдегид.[4] В третьей части серии экспериментов полярные наркотики фенол, 2,4-диметилфенол, анилин, 2-хлоранилин и 4-хлоранилин были оценены.[5] В последнем эксперименте были проанализированы возбудители эпилепсии центральной нервной системы. К ним относятся ингибитор ацетилхолинэстеразы, Хлорпирифос; два пиретроид инсектициды, Фенвалерат и Циперметрин; два циклодиеновых инсектицида, Эндрин и Эндосульфан; и родентицид, Стрихнин.[6] Продолжительность воздействия зависела от эксперимента, но диапазон составлял от 24 до 48 часов.[3] Таким образом, воздействие привело к Острая токсичность.[3] Радужная форель подвергалась действию токсиканта в смертельной концентрации от 24 до 48 часов. Респираторные и сердечно-сосудистые реакции, контролируемые на протяжении всего воздействия, включали частоту кашля, частоту вентиляции, объем вентиляции, общее потребление кислорода, использование 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 перед дозой были получены до воздействия.[3] Ответы 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]

Затем, используя результаты эксперимента, каждый токсикант характеризовался набором респираторно-сердечно-сосудистых реакций. Статистический анализ использовался для определения значительных различий в ответах между токсикантами с различными способами действия.[3] Наконец, поскольку каждый токсикант имел известный способ действия, набор ответов характеризовал способ действия.[3]

Типы

Неспецифический

Наркоз

  • Наркоз[5][7][8][9] Наркоз относится к общему снижению биологической активности в результате воздействия токсиканта неспецифического действия.[1] Токсиканты, вызывающие наркоз, известны как наркотики или анестетики.[5] Алкоголь является примером наркотического средства и может привести к интоксикации, форме наркоза.[1] Используя подход FATS, исследователи могут прогнозировать токсичность, оценивая реакцию, вызываемую наркотиками.[5]

Наркотики - это разнообразная группа химических веществ, включая 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 химикатов, которые не считаются наркотиками. Сюда входят химические вещества, которые: образуют необратимые связи в результате электрофильной реакции; метаболически активируются электрофилы; форма Базы Шиффа с аминогруппами; и любой тип Майкл акцептор.[7] В целом наркотики не реагируют.[7][9]

Многие органические химические вещества в достаточно высоких концентрациях вызывают симптомы наркотического опьянения.[1][7] Таким образом, большинство токсичных веществ можно считать наркотиками. Базовая токсичность или самая низкая токсичность часто используется для обозначения наркоза, потому что 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

Наркоз - это обратимое состояние, которое считается неспецифическим из-за однократного механизм действия еще предстоит установить.[5][7][8] Хотя механизмы наркоза остаются неясными, современные теории предполагают, что наркоз связан с измененной структурой и функцией клеточных мембран.[1][9] Гипотеза критического объема предполагает, что симптомы наркоза возникают из-за растворения токсического вещества 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 в гидрофобной области белков клеточной мембраны.[1][7] В обеих теориях клеточные мембраны подвергаются действию наркотиков, что приводит к снижению функциональности, наркозу.

Симптомы

Общие реакции на наркотики включают в себя летаргию, потерю сознания и общее угнетение дыхательной и сердечно-сосудистой деятельности.[5][7][9] Наркоз может привести к смерти из-за неспецифических устойчивых симптомов.[7] На заключительных этапах наркоза МакКим и его коллеги[3] наблюдаемая ткань гипоксия, генерализованная потеря респираторно-сердечно-сосудистой функции и, в конечном итоге, паралич дыхания. Например, радужная форель, подвергшаяся воздействию двух наркотиков, МС-222 и 1-октанол проявляли различные респираторно-сердечно-сосудистые реакции.[3] Наркотические симптомы включали: потерю реакции на внешние раздражители, потерю равновесия, снижение частоты дыхания и медуллярный коллапс.[3]

Наркоз I и наркоз II

Исследования показали, что существует 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 для обеих групп химических веществ. Однако полярные соединения обладают большей токсичностью, чем предсказывают исходные модели токсичности.[5] Эта разница в токсичности между неполярными и полярными наркотиками подтверждает теорию о том, что существуют два отдельных механизма действия для разных режимов наркоза.[5]

На основе подхода QSAR различия в химической структуре можно использовать для прогнозирования активности токсичных веществ.[2] Полярность токсических веществ может использоваться для разделения способов действия наркотических средств на две группы: наркоз I и наркоз II. В наркозе I неполярные химические вещества вызывали общее угнетение респираторно-сердечно-сосудистых реакций.[5] I наркоз II, полярные химические вещества сначала приводят к повышенной активности.[5] Уникальный отклик наркоза II подтверждается исследованиями, проведенными на радужной форели. При воздействии полярных наркотиков радужная форель сначала проявляла повышенную мышечную активность, а затем несогласованность и невосприимчивость к внешним раздражителям.[5]

В целом наркоз II отличается большей токсичностью, чем наркоз I.[7] Таким образом, модели базового наркоза следует использовать для прогнозирования токсичности неполярных наркотиков. Кроме того, наркоз I - это генерализованное снижение биологической активности.[5][7] Напротив, симптомы наркоза II включают стимуляцию респираторно-сердечно-сосудистых реакций с последующим общим снижением активности.[5]

Специфический

  • Разобщители окислительного фосфорилирования[3][10][11]* Ингибиторы AChE[3][10]
  • Раздражающие[6][10]
  • Агенты, вызывающие судороги ЦНС[6][10]
  • Блокаторы дыхания[10][12]* Диоксины[1]

Токсикант, который проявляет особый способ действия, связывается с участком на конкретной биологической молекуле, тем самым изменяя или ингибируя биологический процесс.[1] Для сравнения, токсикант, который проявляет неспецифическое действие, также называемый наркотиком, просто неизвестным образом подавляет биологическую активность.[1] Ученые до сих пор не уверены, с какими сайтами связывается наркотик, и какие биохимические реакции возникают в результате.[1] Специфическое действие уникально по сравнению с неспецифическим тем, что для того, чтобы вызвать ответ, необходимо относительно меньшее количество токсичного вещества.[1] Поскольку для того, чтобы вызвать реакцию, необходимы более низкие концентрации токсичного вещества, специфические способы действия обычно проявляются перед неспецифическими способами действия. В конечном счете, при достаточно высоких концентрациях большинство токсикантов являются наркотическими (демонстрируют неспецифические механизмы действия).[1]

Существует множество FATS специфического действия, которые были изучены и задокументированы. К ним относятся ацетилхолинэстераза (AChE) ингибиторы, респираторный раздражители, респираторные блокаторы, диоксин, Центральная нервная система захватывающие агенты и разобщители окислительного фосфорилирования. Ацетилхолинэстераза, фермент, который разлагает ацетилхолин важно нейротрансмиттер, было продемонстрировано, что он ингибируется некоторыми токсичными веществами, такими как органофосфаты и карбаматы.[10] Респираторные раздражители связываются с мембранами респираторной ткани, которые являются первыми тканевыми мембранами, доступными для воздействия.[6] Известно, что респираторные блокаторы влияют на цепь переноса электронов в организме. митохондрии ячеек.[12] Агенты, вызывающие судороги центральной нервной системы, связаны с такими эффектами, как судороги всего тела или всего тела и кашель.[6] Считается, что диоксин имеет другой механизм действия, чем другие, но не изучался методом FATS.[1]

Разобщители окислительного фосфорилирования

Разобщители окислительного фосфорилирования являются токсикантами специфического действия.[3] Окислительного фосфорилирования представляет собой реакцию сочетания, в которой АТФ синтезируется из фосфат группы, использующие энергию, полученную от Снижение окисления реакции в митохондриальной цепи транспорта электронов.[11] Производство АТФ очень важно, потому что это, по сути, валюта энергии 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 мембрану митохондрий от митохондриальный матрикс во внутреннее мембранное пространство.[11] Это создает pH градиент, когда условия являются кислыми (то есть более высокими концентрациями протонов) во внутреннем мембранном пространстве и более основными (то есть низкими концентрациями протонов) в матрице митохондрий.[11] Благодаря этому градиенту протоны проходят через АТФаза, белок, внедренный во внутреннюю митохондриальную мембрану, вниз по градиенту их концентрации, в митохондриальный матрикс, управляющий производством АТФ.[11]

Разобщители окислительного фосфорилирования нарушают производство АТФ.[11] Они делают это, связываясь с протонами во внутреннем мембранном пространстве и перемещая их в митохондриальный матрикс. [11] Следовательно, химический градиент, который управляет синтезом АТФ, нарушается, и производство энергии замедляется.[11] Потребление кислорода увеличивается, чтобы противодействовать эффектам низкого производства АТФ.[3] Кроме того, концентрация молочной кислоты увеличивается, поскольку ткани переключаются на анаэробный метаболизм который отравляет митохондрии.[3]

Сердечно-сосудисто-респираторные реакции, связанные с воздействием разобщителей окислительного фосфорилирования, как определено в эксперименте FATS, следующие. В целом скорость метаболизма увеличилась, поэтому наблюдалось быстрое и постоянное увеличение объема вентиляции и потребления кислорода.[3] Однако изменений в скорости вентиляции или использовании кислорода не наблюдалось.[3] Это означает, что рыба увеличила поток воды через жабры, но удаление кислорода из воды поддерживалось с постоянной скоростью. Однако потребление кислорода увеличивалось в митохондриальной цепи переноса электронов в попытке воспроизвести протонный градиент и стимулировать производство АТФ.[3] Однако токсикант продолжал разрушать протонный градиент, что неизбежно приводило к гибели людей.

Приложения

Как упоминалось ранее, FATS использовались для создания моделей, прогнозирующих токсичность химических веществ.[13] Например, данные FATS используются для разработки количественная взаимосвязь структура-активность (QSAR) модели.[5] Модели QSAR, разработанные с использованием данных FATS, затем используются для создания компьютерных систем, прогнозирующих токсичность. Например, Руссом и его коллеги использовали Толстоголовый гольян (Pimephales promelas) 96-часовые данные испытаний на острую токсичность, 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 дальнейшего тестирования на токсичность.[6] Это особенно полезно для промышленных химикатов с неизвестной токсичностью. Это связано с количеством промышленных химикатов с неизвестной токсичностью, для которых индивидуальные испытания на токсичность нереальны.[3] Кроме того, модели и компьютерные системы, прогнозирующие токсичность, также экономически эффективны по сравнению с проведением тестов на токсичность для всех неизвестных химических веществ.[6] В заключение, методы прогнозного скрининга, основанные на данных FATS, практичны и экономичны.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Рэнд GM (1995). Основы водной токсикологии: последствия, экологическая судьба и оценка рисков (2-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press. С. 50–53. ISBN  1-56032-091-5.
  2. ^ а б c d е ж Kaiser KLE (март 2003 г.). «Использование нейронных сетей в QSAR для острых водных токсикологических конечных точек». Журнал молекулярной структуры: ТЕОХИМА. 622 (1–2): 85–95. Дои:10.1016 / S0166-1280 (02) 00620-6.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab ac объявление ае аф аг McKim JM, Schmieder PK, Carlson RW, Hunt EP (апрель 1987 г.). "Использование респираторно-сердечно-сосудистой реакции радужной форели (Сальмо Гайрднери) в выявлении синдромов острой токсичности у рыб: часть 1, пентахлорфенол, 2,4-динитрофенол, трикаинметансульфонат и 1-октанол ». Экологическая токсикология и химия. 6 (4): 295–312. Дои:10.1002 / и т.д.5620060407.
  4. ^ а б c d е Макким Дж. М., Шмидер П. К., Ниеми Г. Дж., Карлсон Р. У., Генри Т. Р. (апрель 1987 г.). "Использование респираторно-сердечно-сосудистой реакции радужной форели (Сальмо Гайрднери) в выявлении синдромов острой токсичности у рыб: Часть 2, Малатион, Карбарил, Акролеин и Бензальдегид ». Экологическая токсикология и химия. 6 (4): 313–328. Дои:10.1002 / и т.д.5620060408.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты 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. 12. Филадельфия: Американское общество испытаний и материалов. С. 59–73. ISBN  0-8031-1253-X.
  6. ^ а б c d е ж грамм Брэдбери С.П., Карлсон Р.В., Ниеми Г.Дж., Генри Т.Р. (январь 1991 г.). «Использование респираторно-сердечно-сосудистой реакции радужной форели (Oncorynchus Mykiss) для выявления синдромов острой токсичности у рыб. 4. Агент, вызывающий судороги центральной нервной системы». Экологическая токсикология и химия. 10 (1): 115–131. Дои:10.1002 / и т. Д. 5620100113.
  7. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Veith GD, Broderius SJ (июль 1990 г.). «Правила различения токсикантов, вызывающих синдромы наркоза I и II типа». Environ. Перспектива здоровья. 87: 207–11. Дои:10.1289 / ehp.9087207. ЧВК  1567847. PMID  2269227.
  8. ^ а б c Нецева Т.И., Паван М., Уорт А.П. (январь 2008 г.). «Обзор (количественной) взаимосвязи структура – ​​активность для острой водной токсичности». QSAR и комбинаторная наука. 27 (1): 77–90. Дои:10.1002 / qsar.200710099.
  9. ^ а б c d е Шульц TW (1989). «Неполярный наркоз: обзор механизма действия базовой водной токсичности». В Williams LR, Cowgill UM (ред.). Водная токсикология и оценка опасности. 12. Филадельфия: Американское общество испытаний и материалов. С. 104–109. ISBN  0-8031-1253-X.
  10. ^ а б c d е ж Фукуто TR (июль 1990 г.). «Механизм действия фосфорорганических и карбаматных инсектицидов». Environ. Перспектива здоровья. 87: 245–54. Дои:10.1289 / ehp.9087245. ЧВК  1567830. PMID  2176588.
  11. ^ а б c d е ж грамм час я j Терада Н (июль 1990 г.). «Разобщители окислительного фосфорилирования». Environ. Перспектива здоровья. 87: 213–8. Дои:10.1289 / ehp.9087213. ЧВК  1567840. PMID  2176586.
  12. ^ а б Станнард Дж. Н., Хорекер Б. Л. (февраль 1948 г.). «Ингибирование цитохромоксидазы азидом и цианидом in vitro». J. Biol. Chem. 172 (2): 599–608. PMID  18901179.
  13. ^ а б Russom CL, Bradbury SP, Broderius SJ, Hammermeister DE, Drummond RA (май 1997 г.). «Прогнозирование режимов токсического действия по химической структуре: острая токсичность у толстоголового гольяна (Pimephales Promelas)» (PDF). Экологическая токсикология и химия. 16 (5): 948–967. Дои:10.1002 / и т. Д. 5620160514.

внешняя ссылка

Классификация