Модели отложения токсинов в легких. Задержка отложившихся в легких частиц
Возможно, что расхождения между прогнозируемым и наблюдаемым отложением хотя бы отчасти объясняются тем, что ни модель МКРЗ, ни какие-либо другие модели суммарного и регионального отложения аэрозолей не принимают в расчет электростатический механизм. Как известно, большая или меньшая, но почти всегда преобладающая доля витающих пылевых частиц несет электрический заряд, возникающий либо в результате трения при дезинтеграции пылеобразующего материала, либо при сорбции на этих частицах легких аэроионов.
Соотношение между частицами с зарядом разного знака обычно близко к симметричному; величина заряда варьирует от нескольких до десятков и даже сотен элементарных зарядов и пропорциональна величине частицы. Еще в 1948 г. И.И.Лифшиц и соавт. отметили, что электрозаряженные частицы маршалитовой и алюминиевой пылей обладают в несколько раз более высокой способностью отлагаться в легких человека по сравнению с электронейтральными. Математическое описание электростатического отложения, предложенное Н.А.Фуксом, было позднее подтверждено тщательно проведенными экспериментами с монодисперсными аэрозолями заданного АД, униполярно заряженными пропусканием через коронирующий разряд. В частности, показано, что имеет значение не знак, а лишь величина заряда частицы.
Особые сложности возникают при прогнозировании отложения гигроскопичных частиц, способных к увеличению диаметра по мере прохождения респираторного тракта и насыщения воздуха водяными парами, за счет чего существенно увеличивается их суммарное и изменяется региональное отложение.
Все модели отложения гомогенны, т.е. рассматривают как аэродинамически эквивалентные дыхательные пути одного порядка независимо от их Расположения по вертикальной оси. Вместе с тем анализ, учитывающий неравномерность вентиляции разных отделов легких, указывает на то, чтонаибольшая часть отложения ингалируемых частиц приходится на базальные, наименьшая — на апикальные отделы легких, причем эта неравномерность уменьшается с увеличением дыхательного объема.
Как бы ни уточнялись математические модели отложения частиц в легких, они в состоянии дать лишь усредненную его оценку и сами по себе недостаточны для индивидуального прогнозирования опасности аэрозольной экспозиции, поскольку существует широкая межиндивидуальная вариабельность отложения. Укажем лишь на два подобных исследования. G.Tarroni и соавт. показали, что суммарное отложение негигроскопичных сферических частиц плотностью 1 г/см3 и диаметром 0,3 мкм варьирует у разных здоровых испытуемых от 8,7 до 21,4 %; у них же широка межиндивидуальная вариабельность отложения частиц диаметром 0,6 мкм, причем для этих частиц найдена корреляция отложения с резервным объемом выдоха.
По данным, для разных аэрозолей и разных режимов дыхания степень межиндивидуальной вариабельности отложения различна, но всегда достаточно велика; коэффициент вариации от 14,3 до 60 % для альвеолярного отложения и примерно в тех же пределах для трахеобронхиального и назофарингеального. Возможно, что эта вариабельность связана с индивидуальными особенностями геометрии дыхательных путей.
Наряду с этим показано, что суммарное отложение в легких частиц диаметром 1,0 мкм усиливается с нарастанием патологии обструктивного типа и даже у бессимптомных курильщиков выше, чем у некурящих здоровых испытуемых. Это объясняется повышением эффективности седиментационного отложения в связи с уменьшением диаметра мелких и мельчайших бронхов и замедлением тока воздуха. Наконец, важно отметить, что при математическом моделировании отложения тонкодисперсных аэрозолей с учетом возрастных морфометрических и функциональных особенностей респираторного тракта прогнозируется более высокая степень отложения у детей, особенно при расчете дозы отложившихся частиц на единицу поверхности дыхательных путей, причем во всех областях (за исключением альвеолярного отложения у новорожденных).
При экстраполяции на человека данных экспериментального моделирования аэрозольных интоксикаций у животных (в том числе при использовании этих данных для гигиенической регламентации) редко уделяется должное внимание вопросу о межвидовых различиях отложения ингалируемых частиц. Между тем если межвидовые различия "ингалябильности", как было отмечено выше, практически не изучены, то межвидовые различия отложения несомненны. Согласно теоретическим соображениям и согласующимися с ними экспериментальными данными, полученными на мышах, крысах, хомячках, кроликах и собаках, оно в целом пропорционально величине легочной вентиляции в расчете на единицу массы тела.
Экстраполируя эту зависимость, можно заключить, что у человека отложение частиц относительно ниже, чем у мелких лабораторных животных. Иными словами, при равных концентрациях частиц в ингалированном воздухе дозовая нагрузка на легкие подопытной крысы заведомо выше, чем на легкие человека. Однако задача экстраполяции, как будет показано далее, значительно усложняется тем, что у этих видов существенно различны также кинетические параметры элиминации, а следовательно, и задержки частии в легких, которые у мелких животных (особенно у крыс) самоочищаются значительно быстрее.
Задержка отложившихся частиц
Частицы хорошо растворимых веществ либо превращаются в капельки соответствующих растворов еще в насыщенном водяными парами воздухе дыхательных путей, либо растворяются вскоре после отложения в них. Для таких частиц резорбция в кровь и отчасти в лимфу является основным механизмом элиминации из респираторных органов, но одновременно и механизмом пульмонотоксического, а также общетоксического действия. Однако, как уже подчеркивалось выше, для большого класса аэрозолей весьма существенное значение имеет длительная задержка пыли в легочной ткани частиц, характеризующихся крайне низкой растворимостью, основные механизмы элиминации которых подчиняются не физическим, а физиологическим закономерностям, хотя и для таких частиц вклад растворения в кинетику легочного клиренса не всегда может быть сброшен со счетов.
Даже для практически нерастворимой минеральной пыли сопоставление той ее массы, которая обнаруживается посмертно в легких человека после многолетней профессиональной экспозиции, с расчетным отложением за тот же период, свидетельствует о том, что 98—99 % отложившейся пыли по массе были элиминированы. Это хорошо согласуется с прогнозом, основанным на математических моделях отложения и клиренса, согласно которому к концу 25-летнего периода работы в пыльной атмосфере в легких должно остаться лишь 1,5 % всей той массы пыли, которая вошла в них за весь этот период.
Все подобные оценки свидетельствуют о высокой эффективности физиологических механизмов клиренса. Наряду с этим проводились и эксперименты на добровольцах, ингалировавших меченые монодисперсные тест-аэрозоли, с последующей регистрацией внешнего гамма-излучения грудной клетки, которые дают непосредственную оценку индивидуальной эффективности легочного клиренса за то или иное (обычно не превышающее несколько дней) время после разовой экспозиции. По данным этих экспериментов, задержка частиц к концу фиксированного отрезка времени является весьма стабильной характеристикой каждого испытуемого, но у разных лиц различается до 2—5 раз.