К сожалению, для большинства случаев воздействия имеются в наличии лишь незначительные количественные данные, позволяющие прогнозировать риск возникновения определенных последствий. Еще в 1924 году Хабер установил, что серьезность возникшего заболевания (H) пропорциональна концентрации продукта воздействия (X) и времени воздействия (T):
H = X * T
Закон Хабера, как его теперь называют, составил основу для развития концепции о том, что средневзвешенная по времени величина измерения - то есть, усредненные результаты измерений, произведенных за определенный промежуток времени - может быть полезна при осуществлении измерений воздействия. Это предположение об адекватности использования средневзвешенной по времени величины многие годы ставилось под вопрос. В 1952 году Адамс и его коллеги утверждали, что: "для использования средневзвешенной по времени величины нет научного основания, позволяющего объединить показатели меняющегося воздействия…" (in Atherly 1985). Проблема заключается в том, что многие отношения являются более сложными, чем те, которые Хабер отразил в своем законе.
Существует множество примеров веществ, эффект действия которых в первую очередь определяется концентрацией, а не продолжительностью воздействия. Например, интересные данные лабораторных исследований показали, что у крыс, подвергшихся воздействию тетрахлорида углерода, как характер воздействия (длительное или прерывистое, характеризующееся наличием или отсутствием интенсивных периодов), так и доза могут изменить риск возникновения изменений уровня ферментов печени (Bogers et al. 1987). Другим примером являются биоаэрозоли, такие как a-амилаза - добавка, улучшающая качество теста, которая может вызвать аллергию у людей, работающих на хлебозаводах (Houba et al. 1996). Неизвестно, определяется ли риск возникновения заболевания интенсивными периодами воздействия, средней величиной воздействия или совокупным уровнем воздействия (Wong 1987; Checkoway and Rice 1992). Для большинства веществ не имеется информации о временных моделях, особенно для веществ, имеющих постоянное действие.
Первые попытки моделирования типов воздействия и определения дозы были опубликованы в 60-х и 70-х годах Роучем (1966; 1977). Он показал, что концентрация вещества достигает равновесного значения в преемнике после бесконечного воздействия потому, что выведение уравновешивает поглощение вещества. При восьмичасовом воздействии можно достичь концентрации, составляющей 90% от равновесной величины, если период полураспада вещества в определенном органе меньше, чем примерно два с половиной часа. Это показывает, что для веществ с коротким периодом полураспада, доза в подверженном воздействию органе определяется воздействием, длящимся менее восьми часов. Для веществ с длинным периодом полураспада доза вещества в пораженном органе является функцией результата времени воздействия и концентрации. Раппапорт (1985) применил подобный, но более детально разработанный подход. Он показал, что изменение уровня воздействия в течение дня имеет несущественное значение, если речь идет о веществах с долгим периодом полураспада. Он ввел термин dampening at the receptor (блокировка рецепторов).
Информация, представленная выше, в основном использовалась для того, чтобы рассчитать время, необходимое для вычисления средневзвешенной величины воздействия и требующееся для измерения уровня вредного воздействия с целью выявления его соответствия гигиеническим нормам. С момента появления работы Роуча стало общеизвестным, что для раздражающих веществ необходимо брать максимальноразовые пробы через короткие промежутки времени, в то время как для веществ с долгим периодом полураспада, таких как асбест, необходимо приблизительно вычислить средний по длительному промежутку времени показатель суммарного воздействия. Однако необходимо понимать, что принятое во многих странах с целью выявления соответствия концентраций гигиеническим нормам, разделение на два вида стратегий - взятие максимальноразовых проб и вычисление средней величины воздействия за восьмичасовой период - чрезвычайно грубая интерпретация биологических принципов, описанных выше.
Пример усовершенствования стратегии оценки вредного воздействия, основанной на фармакокинетических принципах, применяемых в эпидемиологии, можно найти в работе Вегмана и др. (1992). Они применили интересную стратегию оценки вредного воздействия, заключающуюся в применении средств непрерывного мониторинга с целью определения пиковых уровней воздействия пыли на человека и их соотнесения с проявляющимися каждые 15 минут выраженными острыми обратимыми симптомами повреждений дыхательных путей. Концептуальная проблема данного вида исследования, подробно обсуждаемая в их работе, состоит в определении уместных для здоровья пиковых воздействий. Определение пика также будет зависеть от биологической стороны вопроса. Раппапорт (1991) описывает два требования, в соответствии с которыми пиковые воздействия приобретают этиологическую значимость в процессе развития заболевания: (1) вещество быстро выводится из организма и (2) наличие нелинейных показателей биологического повреждения во время пикового воздействия. Нелинейные показатели биологического повреждения могут быть связаны с изменениями в количестве поглощенного вещества, которое, в свою очередь, связано с уровнем вредного воздействия, восприимчивостью носителя, синергизмом в сочетании с другими типами воздействий, с фактом вовлечения механизмов другого заболевания при более сильных воздействиях либо при наличии пороговых уровней для процессов заболевания.
Данные примеры также показывают, что фармакокинетические подходы могут привести к любым результатам, но только не к количественной оценке дозы. Результаты фармакокинетического моделирования могут также использоваться для исследования биологической адекватности существующих показателей вредного воздействия и для разработки новых стратегий оценки вредного воздействия.
При помощи фармакокинетического моделирования вредного воздействия можно также осуществлять количественную оценку фактической дозы вещества в органе, подверженном воздействию. Например, для озона - газа, вызывающего острое раздражение, были разработаны модели, позволяющие вычислить концентрацию вещества в тканях дыхательных путей, которая является функцией среднего показателя концентрации озона в воздушном пространстве легкого на определенном расстоянии от трахеи, диаметра просвета дыхательных путей, скорости прохождения воздуха, эффективной дисперсии, и поступления потока озона из воздуха в легочную ткань (Mensel 1987; Miller and Overton 1989). Такие модели можно использовать для прогнозирования дозы озона в определенном участке дыхательных путей, в зависимости от концентрации озона в окружающей среде и от моделей дыхания.
В большинстве случае при оценке дозы, оказывающей вредное воздействие, можно опираться на информацию о характере воздействия во времени, на трудовую биографию и фармакокинетическую информацию о количестве попавшего в организм вещества, его распределении, преобразовании и выведении из организма. Весь процесс можно описать при помощи ряда уравнений, решаемых математически. Часто информация о фармакокинетических параметрах, установленных для человека, отсутствует, тогда используют данные оценки параметров, полученные при экспериментах на животных. На настоящий момент существует несколько примеров использования фармакокинетического моделирования вредного воздействия с целью осуществления оценки дозы. Впервые об использовании данных о вредном воздействии для оценки дозы упоминается в работе Жара (1974).
Хотя расчетные дозы не были подтверждены и нашли ограниченное применение в эпидемиологических исследованиях, ожидается, что новое поколение индексов доз или воздействий приведет к возникновению оптимального анализа типа "воздействие-реакция" для использования в эпидемиологических исследованиях. (Smith 1985, 1987). Проблема, еще не затронутая фармакокинетическим моделированием, состоит в существовании больших межвидовых различий в кинетике токсичных веществ, поэтому представляют интерес эффекты внутрииндивидуальной вариабельности фармакокинетических параметров (Dros 1992).
БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И БИОМАРКЕРЫВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
При помощи биологического мониторинга осуществляют количественный анализ доз, поэтому часто его считают более качественным, чем мониторинг состояния окружающей среды. Однако внутриндивидуальная вариабельность индексов биологического мониторинга может быть значительной. Для того чтобы осуществить качественный анализ экспозиционной дозы у рабочего, необходимо произвести многократные замеры, при этом, усилия, затраченные на такие измерения, могут превзойти усилия, затраченные на осуществление мониторинга состояния окружающей среды.
С этой точки зрения показательно исследование рабочих, занятых на изготовлении лодок, производящихся из пластика, обогащенного стекловолокном. (Rappaport et al. 1995). Существование вариабельности воздействия стирола было установлено посредством многократного измерения концентрации стирола в воздухе. Осуществлялся контроль концентрации стирола в воздухе, попавшем в легкие рабочих, подвергшихся воздействию, а также исследование обмена в сестринских хромосомах (SCEs). Они показали, что эпидемиологическое исследование, использующее содержание стирола в воздухе в качестве средства измерения воздействия, является более эффективным с точки зрения количества необходимых замеров, чем исследование, использующее другие показатели воздействия.
Для содержащегося в воздухе стирола потребовалось три замера, чтобы вычислить средний показатель длительного воздействия с определенной точностью. Для стирола в выдыхаемом воздухе, потребовалось четыре замера, в то время как для SCEs потребовалось 20 замеров. Данное наблюдение объясняется соотношением по типу "сигнал-шум", определяющимся временной и индивидуальной вариабельностью воздействия, причем в данном случае это соотношение было более благоприятным для содержащегося в воздухе стирола, чем для двух биомаркеров воздействия. Хотя биологическое соответствие заменителя определенного воздействия может быть оптимальным, эффективность анализа "воздействие-реакция" может быть недостаточной из-за ограниченного соотношения типа "сигнал-шум", что приводит к ошибкам классификации.
Дроз (1991) применил фармакокинетическое моделирование для изучения преимуществ стратегий оценки вредного воздействия, основанных на анализе воздушных проб, в сравнении со стратегиями биомониторинга, основанными на учете периода полураспада вещества. Он показал, что на результаты биологического мониторинга также в значительной мере влияет биологическая вариабельность, не связанная с вариабельностью токсикологического тестирования. Он высказал мысль о том, что при использовании биологических индикаторов не существует статистических преимуществ, если период полураспада вещества составляет менее десяти часов.
Хотя из-за наличия биологической вариабельности в ряде случаев большими преимуществами обладает простое измерение содержания вредных веществ в окружающей среде, вместо учета биологических индикаторов воздействия, однако использование биомаркеров, даже если на это потребуются большие усилия, также оправдано, например в случаях, когда имеет место значительное воздействие на организм через кожу. Для таких веществ как пестициды и некоторые органические растворители, большее значение имеет воздействие через кожу, чем воздействие через вдыхаемый воздух. При использовании биомаркеров следует учитывать путь воздействия, в то время как осуществить количественную оценку воздействия через кожу и интерпретировать результаты нелегко (Boleij et al. 1995).
Ранние исследования, проведенные среди работников сельского хозяйства, с использованием специальных "повязок" для осуществления количественной оценки кожного воздействия, выявили значительные различия в распределении пестицидов на поверхности тела, в зависимости от выполняемых рабочими заданий. Однако, из-за недостаточного количества информации о скорости проникновения вещества через кожу, профили воздействия еще не могут быть использованы для оценки внутренней дозы.
Биомаркеры также могут иметь значительные преимущества в изучении эпидемиологии рака. Биомаркер может является ранним (даже первым) признаком возможного заболевания, поэтому его использование может значительно сократить период исследования. Хотя нередко требуются исследования, подтверждающие изначальные предположения, использование биомаркеров вредного воздействия или индивидуальной восприимчивости может привести к увеличению интенсивности эпидемиологических исследований и к повышению точности оценки риска.
АНАЛИЗ ВЫДЕЛЕННОГО ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ - "ОКНА"
Параллельно с развитием фармакокинетического моделирования эпидемиологи занялись изучением новых подходов к фазе анализа данных, типа "анализ на основе временных рамок", который используется для установления связи между соответствующими периодами воздействия и конечными точками, а также для использования временных моделей касающихся общего воздействия или пикового воздействия в рамках эпидемиологии профессионального рака. (Checkoway and Rice 1992). Концептуально данная техника связана с фармакокинетическим моделированием, так как взаимосвязь между вредным воздействием и его результатом оптимизируется посредством увеличения весомости различных периодов, различного характера и уровней вредного воздействия. В фармакокинетическом моделировании считается, что эти факторы имеют физиологическое значение и поэтому они рассчитываются заранее. В анализе на основе временных рамок эти факторы рассчитываются из данных на основе статистических критериев.
Примеры использования данного подхода дали Ходгсон и Джонс (1990), проанализировавшие зависимость между воздействием радона и возникновением рака легких у группы британских горнорабочих, добывающих олово, и Сэиксес, Робинс и Беккер (1993), давшие анализ зависимости между воздействием пыли и состоянием органов дыхания у группы американских рабочих угольных шахт. Очень интересное исследование, подчеркивающее важность анализа выделенного интервала времени, дано в работе Пето и др. (1982).
Они проиллюстрировали на примере изолированной группы рабочих, что уровень смертности от мезотелиомы был пропорционален функции от времени, прошедшего с момента первого воздействия, и общего воздействия. Время, прошедшее с момента первого воздействия, играло особую роль, так как эта величина приблизительно отражала сколько времени необходимо для того, чтобы волокно переместилось из места накопления к плевре легких. Данный пример показывает, как кинетика накопления и перемещения в значительной степени определяет функцию риска. Потенциальная проблема, возникающая при использовании анализа выделенного интервала времени, состоит в том, что для его осуществления требуется подробная информация о периодах и уровнях воздействия, что затрудняет его применение в различных исследованиях случаев возникновения хронических заболеваний.
В заключение отметим, что основные принципы фармакокинетического моделирования и анализа выделенного интервала времени широко признаны. Знания в данной области в основном использовались для разработки стратегий оценки вредного воздействия. Более сложное использование данных подходов, однако, требует приложения значительных усилий на исследования и должно развиваться. Поэтому частота их употребления все еще ограничена. Относительно простые случаи применения, такие как разработка более оптимальных стратегий оценки вредного воздействия, основанных на результате, нашли более широкое применение. Очень важный вопрос, возникающий при разработке биомаркеров наличия вредного воздействия или его результата, - легализация этих индексов. Часто полагают, что при помощи измеримого биомаркера можно прогнозировать риск для здоровья лучше, чем при помощи традиционных методов. Однако, к сожалению, очень немногие исследования убедительно доказывают это.