Хемобиокинетика токсинов-аэрозолей. Поступление и выведение аэрозолей из организма
Аэрозоли составляют значительную часть токсичных загрязнителей атмосферы и воздуха производственных помещений, а для таких классов веществ, как металлы, их оксиды, соли и др., загрязнение воздушной среды встречается почти исключительно в аэрозольной форме. Многие из этих веществ характеризуются низкой растворимостью и даже практически нерастворимы, однако хроническая аэрозольная экспозиция приводит к развитию не только местных патологических изменений респираторного тракта (хронические бронхиты, силикоз и другие пневмокониозы), лишь условно, хотя и традиционно выведенных за пределы интересов собственно токсикологии, но и типичных интоксикаций (например, свинцовой). Ключом к пониманию этих процессов и обязательным условием как грамотной оценки токсико-аэрозольной экспозиции человека, так и ее адекватного моделирования в эксперименте на животных является анализ токсикокинетики аэрозолей, которая на первых и важнейших своих стадиях принципиально отличается от токсикокинетики газов.
Анатомо-функциональные особенности респираторного тракта, выработанные эволюцией в направлении оптимизации условий газообмена — между воздухом и кровью, а также строгого "кондиционирования" физических характеристик воздуха, достигающего глубоких дыхательных путей, одновременно делают органы дыхания почти идеальным "пылезадерживающим устройством". В результате масса пыли, которая за относительно короткий срок откладывается в них при дыхании даже обычным атмосферным воздухом, могла бы оказаться несовместимой с жизнью, если бы та же эволюция не обеспечила развитие физиологических механизмов самоочищения дыхательных путей от пылевых частиц, оседающих на их поверхности.
Действительно, два основных звена процесса самоочищения: фагоцитоз частиц на свободной поверхности органов дыхания и мукоцилиарный транспорт, обнаруживаются уже в легких земноводных, т.е. на той эволюционной ступени, на которой респираторный тракт как таковой еще только начинает формироваться. Понятно, что иначе переход позвоночных к дыханию воздухом был бы невозможен. Хотя механизмы самоочищения функционируют непрерывно, однако практически непрерывен (варьируя лишь по интенсивности) и процесс отложения частиц из вдыхаемого воздуха. В силу того что пассматриваемая ниже регуляция указанных механизмов адаптирует их к уровню и характеру аэрозольной нагрузки с неизбежным запаздыванием, динамическое равновесие между отложением и элиминацией не достигает полной "чистоты" легких, в которых всегда оказывается задержанной та или иная масса ингалированных частиц. Токсикокинетическое значение этой массы двояко: с одной стороны, она определяет интенсивность местного патологического процесса, вызываемого в легочной ткани накапливающимся в них пульмонотоксичным и/или фиброгенным материалом, а с другой — служит тем "депо", из которого токсическое вещество может тем или иным путем оказать действие на другие органы и ткани.
Поэтому для токсиколога необходимо прежде всего достаточно глубокое знакомство с основными закономерностями отложения, элиминации и задержки ингалируемых частиц. Недоучет этих закономерностей или даже принципиально неверные представления о них нередко служат основой экспериментальных артефактов и необоснованных выводов. Иногда возникают недоразумения и в связи с терминологическими неточностями; поэтому имеет смысл дать краткое определение терминам, которые уже упоминались нами: "отложение", "элиминация" и "задержка" частиц.
Понятие "элиминация частиц" употребляется наряду с понятиями "легочное самоочищение", или "клиренс". Различают назофарингеальный, трахеобронхиальный и альвеолярный клиренс, кинетика и механизмы которых различны. Однако в целом под клиренсом понимается освобождение дыхательных путей от частиц, отложившихся в них при ингаляции, независимо от путей, механизмов и скорости этого процесса.
Термин "задержка" обозначает относительно стойкое накопление в легких и в региональных лимфатических узлах тех частиц, которые не были элиминированы. Однако элиминация не ограничена во времени, с чем связана недостаточно четкая количественная определенность понятия "задержка" и ее оценок. Как будет ясно из дальнейшего, при хронически постоянной пылевой экспозиции со временем может установиться более или менее стойкое равновесие между отложением и элиминацией частиц, т.е. задержанная их масса более не нарастает. Однако чаще всего идет речь не о такой равновесной задержке, а о массе вещества в легких через то или иное время после кратковременной ингаляционной экспозиции.
Отложение частиц при дыхании. Не всегда учитывается, что концентрация частиц в окружающем воздухе, даже измеренная непосредственно возле головы, не эквивалентна концентрации в воздухе, входящем в верхние Дыхательные пути, т.е. в ингалированном. Завышенная оценка последней может обусловить завышенную же оценку степени отложения частиц в дыхательных путях и в целом — токсической аэрозольной экспозиции. Это связано с тем, что аэродинамические характеристики воздушного потока, втягиваемого в ноздри, обусловливают определенную сепарацию витающих в нем частиц по размерам, форме и плотности или, в общем выражении, по аэродинамическим диаметрам (АД). Это обусловливает неодинаковую "ингалябильность" частиц разного АД, которая зависит также от объема дыхания и подвижности окружающего воздуха. Так, ингалируемая фракция аэрозоля при объеме дыхания, соответствующем умеренной физической нагрузке, и ветре не более 8 м/с равна приблизительно 100 % для мельчайших частиц, но снижается до 50—55 % для частиц с АД 20—30 мкм, более не изменяясь с увеличением АД до 100 мкм.
Следовательно, те относительно крупные частицы, которых в наиболее распространенных полидисперсных аэрозолях дезинтеграции обычно немного по числу, но на которые приходится значительная или преобладающая часть суммарной массы витающей пыли, могут наполовину вообще не попасть в дыхательные пути. Между тем пока практически не решена важнейшая задача создания таких пробоотборников, которые адекватно моделировали бы ингаляцию аэрозолей человеком, т.е. позволяли бы измерять не суммарную концентрацию пыли, а именно "ингалябильную" ее фракцию. Этот термин не следует путать с понятием "респирабельная" фракция, о котором речь пойдет ниже. Не разработан теоретически и вопрос о вероятных межвидовых различиях "ингалябильности", т.е. нет пока уверенности в том, что ингалябильная фракция суммарной концентрации аэрозоля для человека и лабораторных животных совпадает.