Комбинированным действием вредных веществ называют одновременное или последовательное действие на организм нескольких веществ при одном и том же пути их поступления. Система классификации комбинированных взаимодействий основана на сравнении биологических эффектов, оказываемых веществами при их изолированном и совместном действии. Причем, в общем случае, регистрируемый эффект может быть и несмертельным. Существуют три типа комбинированного действия веществ: аддитивность, антагонизм и синергизм (потенцирование).
Аддитивность – это такой тип комбинированного действия, при котором биологическая реакция организма является суммой эффектов, вызываемых каждым веществом в отдельности. Иначе это можно назвать отсутствием влияния одного вещества на характер действия другого. Аддитивный эффект обычно наблюдается в том случае, если вещества имеют сходный механизм действия.
Потенцирование (синергизм) – такой тип комбинированного взаимодействия, при котором биологический эффект превышает сумму эффектов, наблюдаемых при изолированном действии веществ. То есть при потенцировании наблюдается усиление токсического действия веществ.
Антагонизм – такой тип комбинированного действия веществ, при котором совместный эффект взаимодействия меньше суммарного эффекта каждого из веществ при их изолированном действии. Этот тип комбинированного действия приводит к снижению токсичности.
В реальности тип комбинированного действия двух и более веществ не является однозначным и постоянным в разных диапазонах их доз и режимах введения веществ. Известны случаи, когда с изменением вводимых доз веществ антагонизм постепенно сменяется потенцирующим действием или наоборот. Также возможны различия в типе комбинированного эффекта при остром и хроническом действии одних и тех же веществ.
Наиболее простым типом комбинированных эффектов считается аддитивное действие. Аддитивность часто наблюдается, когда взаимодействующие вещества имеют сходный механизм токсического действия. В результате вещества не влияют на характер действия друг друга, и при совместном действии их эффекты просто суммируются. В таком случае можно сказать, что смесь веществ ведет себя как одно вещество, и отдельные компоненты смеси являются полностью взаимозаменяемыми в изоэффективных дозах или концентрациях. Тогда, например, смесь, содержащая 0,4ЛД50 вещества А и 0,3ЛД50 вещества В, будет вызывать в точности такой же эффект, как смесь, состоящая из 0,1ЛД50 вещества А и 0,6ЛД50 вещества В.
Иногда взаимодействие, являющееся по формальным признакам аддитивным (то есть когда суммарный эффект смеси веществ равен суме эффектов отдельных веществ, взятых в тех же концентрациях или дозах), носит более сложный характер. Это может наблюдаться в случае, когда тип комбинированного эффекта различается в разных интервалах концентраций. Например, если с ростом концентраций (доз) антагонизм сменяется потенцированием, то при каком-то промежуточном их значении эффект окажется аддитивным. Однако при этом вещества будут существенно влиять на характер активности друг друга, и заменить их изоэффективными количествами без изменения биологического эффекта не удастся.
Механизмы антагонистического и потенцирующего действия еще более разнообразны. В общем случае они могут быть связаны как с эффектами, наблюдающимися на уровне целостного организма, так и с эффектами, обусловленными взаимодействием веществ со специфическими молекулярными мишенями в клетке (рецепторами для данных ядов). Также комбинированные эффекты этих двух типов могут быть обусловлены и чисто химическим взаимодействием токсикантов.
Химическое взаимодействие веществ может как усиливать, так и ослаблять токсический эффект. Например, весьма распространенным вариантом химического взаимодействия веществ является образование хелатных комплексов между металлами и органическими веществами, в частности гуминовыми кислотами почвы. Чаще такое взаимодействие ослабляет токсический эффект тяжелых металлов, делая их менее доступными для связывания с биологическими макромолекулами. Также нередко образование гидрофильных хелатных комплексов ускоряет выведение металлов из организма через почки. Образование же гидрофобных хелатных комплексов может способствовать проникновению металлов внутрь клетки, резко увеличивая проницаемость мембран для их ионов (механизм потенцирования). В ряде случаев комплекс металла с хелатообразователем оказывается более активным катализатором, чем просто соли этого металла, что приводит к увеличению его токсических свойств. Обычно этот эффект наблюдается в случаях образования металлами с переменной валентностью ненасыщенного комплекса с органическим веществом, когда добавляется недостаточное количество хелатирующего агента. В ненасыщенном комплексе атом металла обладает способностью к связыванию, что как раз необходимо для проявления каталитической активности, а значит и токсических свойств. В случае такого механизма действия добавление к комплексу избытка какого-либо инертного металла подавляет его токсическое действие за счет вытеснения активного металла из состава комплекса.
В некоторых случаях возможно и более сложное антагонистическое химическое взаимодействие веществ. Так, например, высокотоксичный для бактерий и грибов комплекс железа с оксином (8-гидроксихинолином) теряет свою токсичность даже в присутствии следовых количеств кобальта. Действие кобальта в данном случае обусловлено тем, что он обрывает свободнорадикальные цепные реакции, запускаемые комплексом железа с оксином.
Механизмы комбинированных взаимодействий, не связанные с химическим взаимодействием токсикантов не менее разнообразны. Наиболее распространенной причиной потенцирующего действия является негативное влияние одного вещества на кинетику выведения или обезвреживания другого. То есть причиной синергизма может быть торможение одним веществом процессов обезвреживания или выведения другого (например, за счет угнетения ферментной системы, обеспечивающей детоксикацию). Еще один вариант механизма потенцирующего действия заключается в том, что одно из веществ может наоборот активизировать ферментные системы, осуществляющие метаболизм второго вещества с образованием более токсичного продукта (так называемый «летальный синтез»). Для некоторых веществ одним из механизмов потенцирования может являться образование дополнительных повреждений за счет взаимодействия субповреждений, индуцируемых каждым из веществ в отдельности, но не являющихся значимыми при раздельном воздействии каждого из них. В частности это характерно для токсикантов, действие которых связано с повреждением генетического материала клетки, то есть для канцерогенных и мутагенных веществ. Например, действие канцерогена на стадии инициации может быть усилено различными веществами, стимулирующими экспрессию генома клетки (образование конечных продуктов, обусловленных тем или иным геном, т.е. РНК или белка). Проявление активности репрессированных (подавленных) ранее генов может привести к переходу инициированной клетки на стадию промоции, и в дальнейшем к возникновению опухоли.
Механизмы антагонизма также могут быть связаны с влиянием веществ на кинетику поступления, превращения и выведения друг друга. Нередко одно из веществ-антагонистов замедляет всасывание другого в желудочно-кишечном тракте или легких. Так, например, соединения цинка и меди взаимно подавляют всасывание друг друга слизистой оболочкой кишечника. Также возможно ускорение одним веществом выведения другого различными путями: через почки, в составе желчи через кишечник и иными путями. Например, описано усиление самоочищения легких от аэрозольных частиц под влиянием умеренных концентраций сернистого газа, вызывающего раздражение, а, следовательно, увеличение отделения слизи. Может иметь место и стимуляция депонирования одного из токсикантов в физиологически малоактивных тканях, например костной, что также снижает токсическое действие, хотя и способствует задержке токсиканта в организме на более длительный срок. Не менее важны эффекты, связанные со стимуляцией естественного обезвреживания токсикантов. Например, соединения цинка, поступающие в организм, стимулируют выработку защитных белков – металлотионеинов, которые могут снижать токсическое действие многих более опасных тяжелых металлов, например кадмия и др.
Иногда вещества могут вызывать противоположные эффекты на уровне организма, не связанные с влиянием на кинетику выведения друг друга. Действуя противоположным образом на одну и ту же систему организма, они ослабляют суммарный эффект. Иногда подобные взаимодействия называют физическим антагонизмом (см. ниже). Например, соли хрома снижают число эритроцитов в крови, а соли марганца стимулируют их образование; в итоге при определенных дозах солей обоих металлов число эритроцитов может оставаться в норме. Часто такой тип антагонизма связан с противоположным влиянием веществ на вегетативную нервную систему, что позволяет ей нормально осуществлять нервную регуляцию деятельности того или иного органа. Также антагонизм некоторых тяжелых металлов может быть связан с тем, что они одновременно являются для организма еще и микроэлементами. В результате, одновременно с токсическим действием, они могут сохранять и положительное влияние на организм.
Развитие токсических эффектов зачастую является следствием связывания химического вещества с определенными клеточными структурами, называемыми рецепторами, которое запускает череду неблагоприятных изменений в той или иной эффекторной системе организма. Исходя из особенностей взаимодействия токсикантов с рецепторами, выделяют 6 типов антагонизма.
1. Химический антагонизм (антагонизм через нейтрализацию). Он проявляется при непосредственном взаимодействии агониста (т.е. вещества, вызывающего развитие токсического эффекта) с антагонистом, приводящим к нейтрализации первого. Сила биологического эффекта агониста снижается из-за «конкуренции» между антагонистом и рецепторами за связывание с веществом-агонистом (хотя иногда имеют место и более сложные взаимодействия, о чем уже было сказано выше).
2. Конкурентный антагонизм. Он проявляется в тех случаях, когда антагонист взаимодействует с теми же центрами связывания, что и агонист, но, в отличие от него, антагонист не вызывает биологической реакции. Частным случаем этого типа антагонизма является ситуация, когда оба вещества (лиганда) проявляют однотипную биологическую активность, но активность одного из них более сильно выражена. В таком случае вещество с более сильной активностью является полным агонистом, а с более слабой активностью – частичным агонистом. Тогда между этими двумя типами лигандов наблюдается так называемый «конкурентный дуализм», то есть при высокой концентрации полного агониста добавление частичного агониста вызывает ослабление биологической реакции за счет конкуренции частичного агониста с полным за центры связывания. В случае же очень низких концентраций полного агониста (меньших, чем концентрация рецепторов) добавление частичного агониста усилит биологическую реакцию за счет его связывания со свободными рецепторами, в результате вместо антагонизма будет наблюдаться потенцирующее действие. Еще одним вариантом объяснения этого типа антагонизма является модель двух состояний рецептора. Предполагается, что взаимодействие рецептора с антагонистом стабилизирует неактивное состояние рецептора, в котором он неспособен запустить развитие токсического эффекта.
3. Неконкурентный антагонизм. В этом случае взаимодействие антагониста с рецептором не приводит к развитию биологического эффекта, но снижает эффект при образовании комплекса «агонист – рецептор». Существует две разновидности неконкурентного антагонизма. В первом случае уменьшается стимул, вызванный образованием агонист-рецепторных комплексов, или снижается способность эффекторной системы реагировать на данный стимул. Такой антагонизм, приводящий к уменьшению общей активности агониста, или, в общем случае, к изменению форм зависимости биологического эффекта от концентрации агонист-рецепторных комплексов называют метакоидным. Во втором случае соединение антагониста со своим рецептором вызывает некоторые изменения рецептора агониста, уменьшая его сродство к агонисту. Такой антагонизм называют метаффиноидным.
4. Функциональный антагонизм. Он характеризуется взаимодействием антагониста и агониста с независимыми рецепторами, которые вызывают противоположные изменения в одной и той же эффекторной системе. С данным понятием сходно понятие физического антагонизма, при котором агонист и антагонист действуют на независимые рецептор-эффекторные системы, действие которых на уровне клетки или организма является противоположным. Принципиальных различий между этими двумя типами антагонизма нет. Принято считать, что при физическом антагонизме при различных концентрациях антагониста и агониста направленность наблюдаемого эффекта может меняться, что говорит об относительной независимости двух рецептор-эффекторных систем, а при функциональном антагонизме считается, что эффект, противоположный наблюдаемому, невозможен.
5. Бесконкурентный антагонизм предполагает инактивацию комплекса «агонист – рецептор» антагонистом, который не способен образовывать комплекс с рецептором, не связанным с агонистом. Взаимодействие антагониста с агонист-рецепторным комплексом представляется возможным, только если агонист и антагонист обладают сродством к разным функциональным группам одного рецептора.
6. Смешанный антагонизм. В этом случае возможно образование одним рецептором комплекса с агонистом, с антагонистом или одновременно с ними обоими. Этот тип антагонизма формально эквивалентен действию смеси равных концентраций конкурентного и бесконкурентного антагонистов. В случае низкого сродства антагониста к активному комплексу преобладают признаки конкурентного антагонизма, а в случае низкого сродства антагониста к свободным рецепторам – признаки бесконкурентного.