В статье рассмотрена сравнительная характеристика биологических особенностей производных гидразина. Описаны результаты исследования о нарушениях основных функций организма, вызванных производными гидразина, как авторов статьи, так и других ученых. Дан литературный обзор материалов зарубежных и отечественных источников о влиянии производных гидразина на различные организмы.
Гидразин и его производные относятся к классу высокотоксичных соединений, вызывающих острые и хронические формы интоксикации с преимущественным поражением печени, системы крови, а также других органов человека.
В организм гидразин и его производные могут проникать различными путями, и их относительная токсичность не зависит от способов поступления. Они одинаково хорошо всасываются при подкожном, энтеральном, ингаляционном путях введения, а также при накожной аппликации. Однако наиболее опасным является ингаляционное воздействие. Производные гидразина быстро поступают в кровь.
Гидразин и его производные неравномерно распределяются по органам и тканям. Наибольшее их содержание определяется в почках, печени и селезенке. Выведение веществ из этих органов также протекает быстро [1].
Аналогично гидразину несимметричный диметилгидразин, 2,4-динитрофенилгидразин, изо-ниазид и серный гидразин также быстро удаляются из организма. Выведение из организма гидразина и его производных, а также их метаболитов происходит через почки и легкие [2].
Судьба в организме примерно 25 % гидразина остается непрослеженной. Процесс биотрансформации гидразина и его производных осуществляется в основном в печени.
Основная часть исследования
В 1984 г. Канео и другие исследовали распределение гидразина в живых организмах при подкожном введении крысам с дозировкой 10 мг/кг. В результате исследования выяснилось, что максимальный уровень распространения гидразина в тканях был отмечен уже после 30 минут дозирования. В общей сложности в течение 48 часов 30 % введенной дозы было установлено в моче, из них 24 % — как гидразин, 3 % — как ацетилгидразин, 3 % — как диацетилгидразин [3].
В 1992 г. Прис и другие исследовали уровень распределения гидразина в плазме и печени крысы с разными дозами: 3, 9, 27, и 81 мг/кг. При введении дозы 3 и 9 мг/кг показатели распределения гидразина в печени и плазме были эквивалентными, но при более высоких дозах концентрация гидразина оказалась выше в плазме [3].
Гидразин также метаболизируется микросомальными ферментами печени крыс до неизвестных продуктов, производя, в конечном итоге, молекулярный азот. Это, скорее всего, зависит от присутствия кислорода и NADPH (никотинамидадениндинуклеотидфосфата). Метаболизм гидразина в человеческих микросомах был на 20 и 70 % ниже, чем у крыс [4, 5].
При острых отравлениях на первый план выступают симптомы поражения ЦНС (судорожный эффект) и в меньшей степени — печени. При хронических отравлениях преобладают признаки поражения печени, при этом страдают центральная нервная, сердечно-сосудистая, выделительная, кровеносная системы. Производные гидразина опасны при любом пути поступления в организм, так как обладают способностью вызывать отдаленные и специфические эффекты, в частности, индуцировать у животных опухоли различных органов и тканей [6].
Интоксикация жидким гидразином приводит к местному раздражению, затяжной рвоте. Основные симптомы отравления у человека гидразином проявляются в деятельности ЦНС, а именно: сонливость, атаксия, беспокойство, нарушение координации и парестезия. При медицинском вмешательстве эти симптомы исчезнут через несколько дней. Нарушения дыхательного и сердечных ритмов, вероятно, тоже вызваны нарушением деятельности ЦНС [7, 8].
Воздействие паров гидразина иногда вызывает тошноту, рвоту, раздражение глаз, коньюктивит, раздражение оболочек верхних дыхательных путей [9, 10].
Предполагается, что у ингалированных гидразином людей активность ферментов печени повышенная [11]. Помимо этого, данные лабораторных исследований показывают наличие в моче красных кровяных клеток и протеина, повышение билирубина в крови и уровня креатинина [12].
Эксперименты на животных (мыши, крысы, хомяки, морские свинки, кролики, обезьяны) показали, что гидразин и его производные способны вызвать новообразования. Новообразования у этих животных возникают в легких, органах кроветворения, кровеносных сосудах, лимфоидной ткани, центральной и периферической нервной системе, молочных железах, почках, преджелудке и железистой части желудка, тонкой и толстой кишке, печени, желчном пузыре и желчных протоках, матке, яичниках, мочевом пузыре, надпочечниках, коже, подкожной и слюнной железе, жировой ткани. Напротив, собаки и карликовые свиньи оказались резистентными к канцерогенным действиям гидразинов.
Анорексия, рвота, потеря веса, вялость и повышение уровня трансаминаз и билирубина наблюдались у животных, которые получили до 20 инъекций 20 мг/кг гидразина. Патологоанатомические исследования показали жировые отложения в печени, миокарде, почках и скелетных мышцах [13].
Для человека же точных данных о канцерогенности пока нет, однако некоторые производные гидразина в этом отношении опасны. Считается, что гидразины являются проканцерогенными веществами, из которых в процессе метаболизма образуются истинные канцерогены. Эпидемиологические данные ^^диметилгидразина за рубежом отсутствуют, но экспозиция при работе с ним должна быть строго ограничена. Многолетние наблюдения работающих с ^^диметилгидразином на производстве дали эпидемиологические данные, позволившие в 2004 г. официально признать работу с ним канцерогеноопасной [14].
Известны случаи, когда при постоянном профессиональном ингаляционном контакте с гидразином у людей появляются симптомы ангины, простуды, частичная потеря памяти, трудности при выполнении поставленных задач, с которыми они ранее справлялись без особых усилий. Нейропсихоло-гическое тестирование людей показало, что в таком состоянии они испытывают трудности с памятью, мышлением, рассуждением, концентрацией внимания. Обследование компьютерной томографией никаких признаков повреждения мозга не обнаруживает. Однако при отсутствии контакта с гидразином у этих же людей начинают восстанавливаться память, мышление и концентрация внимания, ими без труда выполняются любые задачи. Отсюда следует, что постоянный ингаляционный контакт с гидразином может вызвать проблемы с деятельностью центральной нервной системы человека [15].
Гидразин, а также его разбавленные растворы и соли оказывают сильное коррозионное воздействие, раздражают кожу и слизистые оболочки [16]. Данные об аллергических контактных экземах приведены в многочисленных публикациях различных отраслей промышленности [17]. В одном из изданий упоминается 150 данных об аллергической экземе от действия гидразина за 1959 и 1982 гг. [18]. Даже очень низкая концентрация (0,08 ммоль/л) сульфата гидразина в вазелине может вызвать у человека экзему [19].
В повседневной жизни люди подвергаются воздействию гидразина и его производных в основном на производстве. Воздействие на человека происходит разными путями. Наиболее распространенные — ингаляция и попадание на кожу. При любом из этих видов воздействий гидразин и его производные имеют способность в очень короткие сроки поступать в организм [20]. При попадании на кожу часто возникают кожный дерматит и экзема [21].
Гидразин и его производные используются в компонентах ракетного топлива. Как уже известно, они вызывают развитие рака у животных после воздействия на кожу и используются, чтобы вызвать ангиосаркомы у мышей. Ученые представили случай эпителиальной саркомы, развивающейся в большом пальце пациента из-за воздействия ракетного топлива. Предположительно, это следствие постоянного контакта вещества с кожей. Этот случай заставляет задуматься о создании альтернативного, менее токсичного ракетного топлива и соблюдении индивидуальной защиты при профессиональном контакте [22].
Однако наблюдаются и обратные данные о действии производных гидразина, что и вызывает интерес к его изучению. К примеру, гидразин сульфат, являясь производным гидразина, напротив, применяется в фармакологии как противоопухолевое средство. Это вещество влияет на ряд биохимических процессов внутри клеток. Гидразин сульфат, воздействуя на мембраны, органеллы, прекращает энергетические потери клеток и истощение организма, которые происходят при опухолевом росте. При первичных поражениях даже сокращает размер опухоли [23].
Доказано, что токсические свойства гидразина и его производных реализуются путем повреждения биохимических реакций почти всех изученных видов обмена. Однако среди множества биохимических процессов, нарушаемых гидразинами, можно выделить круг реакций, имеющих непосредственную связь с возникновением и развитием ведущих эффектов отравления. К ним, в первую очередь, следует отнести энзимы, катализирующие процессы окисления, переаминирования, дезамини-рования и фосфорилирования. Блокирование названных ферментов опосредовано взаимодействием гидразинов с кофакторами, по типу образования гидразонов, хелатов и восстановления активных функциональных групп. Реакционная активность гидразинов в этом отношении неоднозначна, зависит от химической структуры, что определяет степень и особенности токсических эффектов, свойственных этим соединениям. В последние годы в литературе появились сообщения, касающиеся новых молекулярных критериев оценки токсического действия производных гидразина, которые, на наш взгляд, дополняют уже известные механизмы токсичности. Установлено, что под влиянием гидразинов увеличивается концентрация супероксидных радикалов в клеточных мембранах, причем это достигается двумя путями — в результате окислительного метаболизма производных гидразина и инги-бирования кислород-детоксицирующей системы микросом, которое, в конечном итоге, также приводит к увеличению генерации супероксидных радикалов [24].
В результате исследований in vivo было высказано предположение, что гидразин ингибирует гликонеогенез. Это может происходить путем ингибирования зависимых от пиридоксальфосфата аминотрансфераз и декарбоксилаз. Установлено, что гидразин препятствует синтезу пиридоксаль-фосфата in vitro и in vivo. В пользу ингибирования активности аминотрансфераз может служить факт повышения уровня свободных аминокислот в плазме, печени, головном мозге и мышцах крыс и собак, получавших гидразин. Этим можно объяснить снижение превращения аминокислот в диоксид углерода, подавление синтеза белка [25].
Было также показано, что гидразин приводил к снижению активности аспартатаминотрансфера-зы и орнитин-кетокислотной аминотрансферазы печени, гамма-аминобутиратаминотрансферазы и глютаматдекарбоксилазы головного мозга крыс. Активность орнитиндекарбоксилазы печени крыс повышалась. In vitro выявлено подавление активности фосфоенолпируваткарбоксилазы — фермента, участвующего в гликонеогенезе. Воздействие гидразина приводило к повышению содержания цитрата, малата и оксалоацетата в печени крыс. Снижение специфической активности орнитин-кетокислот-ной аминотрансферазы, вызванное у крыс воздействием гидразина, сопровождалось повышением содержания орнитина в печени, головном мозге и плазме [24, 26].
В печени крыс и мышей после введения гидразина была обнаружена пролиферация гладкого эн-доплазматического ретикулума. Однократное введение гидразина (свободные основания) крысам в дозе 55 мг/кг приводило к снижению содержания цитохрома Р-450 в клетках печени. У крыс, получавших гидразин (сульфат) в дозе 12 мг/кг/сут на протяжении 4 суток, не наблюдалось изменения уровня цитохрома Р-450 в микросомной фракции печени, но отмечены небольшое снижение уровня цитохрома b5, снижение активности бензопиренгидроксилазы, а также усиление активности парагид-роксилирования анилина [27].
Как показывают данные наших предварительных экспериментов с изониазидом, при хроническом воздействии производными гидразина происходит развитие гипохромной анемии, видимо, связанное с повреждением синтеза порфиринов, что играет немаловажную роль в связывании гема с глобином. Умеренный нейтрофилез и значительный моноцитоз указывают на иммунодепрессивное действие. По биохимическим показателям можно сказать, что наибольшие изменения при гидразино-вой интоксикации наблюдаются в печени. Существует и возможность предположения о патологических процессах в поджелудочной железе, на которые указывают гипергликемия и повышение содержания а-амилазы.
Гидразин и многочисленные его производные действуют на центральную нервную систему, как было отмечено еще первыми исследователями [27, 28]. За последнее время ителедователями описано разнообразное действие производных гидразина на различные отделы ЦНС. Тонические судороги, которые возникают при вдыхании гидразина и его производных, доказывают, что центральная нервная система является мишенью их воздействия [29].
Несмотря на то, что гидразин и его производные оказывают четкое влияние на все отделы центральной нервной системы, в зависимости от дозы, пути введения и других условий, воздействие их на тот или иной отдел может проявляться по-разному. Дериваты гидразина не только непосредственное влияют на нервную систему, но за счет изменения деятельности ферментов могут оказывать влияние на функции нервной системы [30].
В настоящее время доказаны действие гидразина на кору головного мозга и влияние на условные рефлексы животных. При этом их влияние на условно-рефлекторную деятельность зависит от величины используемых доз и длительности их приема. Описано угнетение оборонительных условных рефлексов у крыс после внутрибрюшинного введения ипрониазида. Исследования с гидразидом и фтивазидом показали нарушения в условно-рефлекторной деятельности крыс при краткосрочном введении, а при длительном введении эти соединения вызывали судорожное действие [28, 30, 31].
По литературным данным, изучение влияния монометилгидразина на высшую нервную деятельность макак показало, что внутрибрюшинное введение 2,5-5 мг/кг указанного вещества вызывает картину интоксикации, которая сильнее выражена при дозе 5 мг/кг. Нарушение высшей нервной деятельности проявилось значительно раньше клинических признаков интоксикации. Ее симптомы исчезли через 3-9 часов, а нарушения высшей нервной деятельности восстанавливались через 3-30 часов. При применении производных гидразина изоникотиновой кислоты в качестве противотуберкулезного препарата зафиксировано усиление тормозных процессов в деятельности центральной нервной системы. Изучению влияния монометилгидразина на условно-рефлекторную деятельность обезьян посвящены и другие работы [32].
Все изложенные выше данные позволяют считать, что различные производные гидразина оказывают четкое действие на центральную нервную систему, и в первую очередь на кору головного мозга. Действие гидразина и его производных на кору головного мозга зависит от ряда факторов: величины дозы, пути введения препарата, типа высшей нервной деятельности животного.
Эти сведения подтверждаются значительным количеством работ, посвященных изучению биоэлектрических процессов, протекающих в нервной системе при введении указанных соединений, проведенных на различных видах животных.
Электроэнцефалографические исследования отчетливо показывают влияние производных гидразина на центральную нервную систему. Отмечен также факт диссоциации между поведенческими реакциями и электроэнцефалографическими проявлениями при действии некоторых центральных М-холинолитиков [33].
Некоторые авторы, сравнивая действие производных гидразина на высшую нервную деятельность, отмечают прямую зависимость между изменениями количества биогенных аминов (серотони-на и норадреналина) в мозгу и изменениями условно-рефлекторной деятельности. По мнению ряда исследователей, возбуждение центральной нервной системы, вызываемое ингибиторами моноами-ноксидазы, больше зависит от содержания серотонина, а не норадреналина. Но большинство исследователей считают, что возбуждение центральной нервной системы под действием ингибиторов мо-ноаминоксидазы обусловлено увеличением в ткани мозга концентрации катехоламинов [34].
В действии многих веществ этого класса установлена определенная смена фаз, которую также пытаются объяснить влиянием ингибиторов моноаминоксидазы на обмен моноаминов в мозгу. Многое еще не ясно в механизме действия производных гидразина на нервную систему. Однако уже сегодня некоторые препараты из этой группы соединений нашли себе применение в медицинской практике.
Все изложенное выше свидетельствует о том, что центральное действие производных гидразина изучено еще далеко не полностью. Поэтому исследование действия соединений из класса гидразина на центральную нервную систему представляет существенный интерес и в плане поисков новых ней-ротропных средств, и в плане изучения механизмов уже существующих соединений.
Нами были проведены эксперименты тестирования функции центральной нервной системы методом «открытого поля» с одним из производных гидразина — изониазидом. Исследования показали, что при затравке изониазидом подавляется ориентировочный компонент (локомоция) поведения.
И чем выше доза, полученная крысами, тем это подавление сильнее. Исследовательский компонент поведения в обеих группах затравленных крыс повышен за счет высоких показаний вертикальной активности во второй группе животных и движений на месте — в третьей. Хотя акт обнюхивания снижен по количеству, но по продолжительности действия он повышается, что свидетельствует о подавлении двигательной активности животных обеих групп. Акты дефекации и уринации подавлены у экспериментальных животных, и это, возможно, подавление эмоциональной сферы поведения.
Подавление числа двигательных актов и повышение их продолжительности подтверждают, что при длительном применении даже умеренных доз гидразида изоникотиновой кислоты отмечаются различные нарушения со стороны нервной системы: невриты, психозы, сонливость, явления наркоза и мышечной слабости. Причиной дисфункции нервной системы может быть возникновение пиридок-синового дефицита, действие которого блокируется производными гидразина [35].
С методической точки зрения важно также обратить внимание на то, что различные современные животные модели депрессивного поведения в той или иной степени позволяют регистрировать уровень тревожности в ходе биоскрининга токсикантов. Понимание этих аспектов приблизит нас к объяснению тех процессов и механизмов, которые происходят в центральной нервной системе животного, находящегося в условиях экспериментального моделирования или тестирования, поэтому дальнейшая работа на стыке тревожности и депрессии является чрезвычайно перспективной.
Выводы
Принимая во внимание данные разных литературных источников, следует отметить, что изучению действия гидразина и его производных на различные системы организма посвящено значительное количество исследований. Однако многие вопросы по их действию на организм в этом плане остаются без ответа и по настоящее время.
Список литературы
- БеловA.К вопросу о токсичности и опасности гидразина и его производных // [ЭР] «Промышленная токсикология». Режим доступа:www.medved.kiev.na/arhiv_mg/
- Савченков М.Ф., Денисов В.Б., Бенеманский В.М. Отдаленные последствия НДМГ и гидразина // НДМГ. Токсикология, гигиена и профпатология. — М., 1982. — С. 39-16.
- Recommendation from the Scientific Committee on Occupational Exposure Limits for hydrazine SCOEL/SUM/164, August, 2010.
- Timbrell J.A., Scales M.D.C., Streeter A.J. Studies on hydrazine hepatotoxicity. 2: Biochemical findings // J. Toxicol. Envi Health. — 1982. — Vol. 10. — P. 955-968.
- M., Timbrell J.A. In vitro microsomal metabolism of hydrazine // Xenobiotica, 1995. — Vol. 25. — P. 599-609.
- НДМГ. Токсикология, гигиена и профпатология / Под ред. С.Д.Заугольникова. — М.: Ин-т биофизики, 1982. —С. 260-263.
- Drews A., Eversmann K., Fritze E. Oral poisoning with hydrazine // Med. Welt. — 1960. — 1295-1297.
- J. Hydrazine poisoning // Brit. med. J. — 1965. — Vol. II. — P. 1246.
- Byrkit G.D., Michalek G.A. // Ind. Eng. Chem. — 1950. — 42. — P. 1862 [as cited by DFG, 1991].
- Sutton W.L. Industrial Hygiene and Toxicology, 2nd ed. / Ed. by F.A.Patty. — New York, London: Interscience Publ., 1963. — Vol. II. — P. 2218.
- DFG [Deutsche Forschungsgemeinschaft] Hydrazine // Occupational Toxicants / Ed. D.Henschler. — 1991. — Vol. 1. p. 171-183. VCH, Weinheim.
- Sotaniemi E., Hirvonen J., Isomaki H., Takkunen J., Kaila J. Hydrazine toxicity in the human. Report of a fatal case // Ann. Clin. Res. — 1971. — 3. — P. 30-33.
- R., BackK.C. Report, Wright-Patterson Air Force Base, Dayton, Ohio, USA, 1964 // Chem. Abstracts. — 1965. — Vol. 62. — p. 5789 [also cited by DFG, 1991].
- Производные гидразина // [ЭР]. Режим доступа:http://toxi.dyndns.org/base/gidrazin/gidrazin.htm
- Richter E.D. et al. // Israel J. of Med. Sci. — 1992. — 28(8/9). — P. 598-602.http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/ search/r?dbs+hsdb:@term+@rn+302-01-2
- Jakobsen B.M., Jensen A.A. Nordiska expertgruppen for gransvardesdokumentation. Hydrazin och hydrazinsalter // Arbete och Halsa. — 1985. — Vol. 6. P. 1-63.
- DFG [Deutsche Forschungsgemeinschaft] Hydrazine, hydrazine hydrate and hydrazine salts // Occupational Toxicants / Ed. H.Greim. — 1999. — 13. — P. 181-186. WILEYVCH, Weinheim.
- Pevny I., Peter G. Allergisches Kontaktekzem auf Pyridin- und Hydrazinderivate // Dermatosen Beruf Umwelt. — 1983. — 31. — P. 78-83.
- Lepoittevin J.P., Benezra C., Sigman C.C. Molecular aspects of allergic contact dermatitis // Textbook of Contact Dermatitis, 2nd / Eds. R.J.Rycroft, G.T.Menne, P.J.Frosch. — Berlin: Springer; New York: Heidelberg, 1995. — P. 105-119.
- Helmers S. et al. // Mil Med. — 2004. — 169(1). — P. 41-44; Сайт:http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/search/r?dbs+hsdb:@term+@rn+302-01-2
- Wrangsjo K., Martensson A. // Contact Dermatitis. — 1986. — 15, No. 4. — P. 244-245.
- Helmers S. et al. // Mil Med. — 2004. — Vol. 169(1). — P. 41-44; Сайт:http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/ search/r?dbs+hsdb:@term+@rn+302-01-2
- Реестр лекарственных средств России. 20002014 // [ЭР]. Режим доступа:http://www.rlsnet.ru/mnn_index_id_1840.htm.
- Портянная Н.И., Осипенко Б.Г., Москадырова Г.А. К биохимическому механизму токсического действия гидразинов // Тез. докл. 1-го съезда токсикологов России. — М., 1999. — С. 306.
- Авакян А.Х. Новые молекулярные критерии оценки токсического действия производных гидразина. Активные формы кислорода как ключевые агенты в механизме токсичности // Фармакология и токсикология. — 1990. — Т. 53, № 1. —С. 70-73.
- Springer D.L., Broderick D.J., Dost F.N. Effects of hydrazine and its derivatives on ornithine diecarboxylase synthesis, activity, and inactivation // Toxicol. appl. Pharmacol. — 1980. — Vol. 53. — P. 365-372.
- Gorshtein E.S., Kopylova T.N. Effect of hydrazine hydrochloric acid on the hepatic microsomal hudroxylation system of rats // Exp. med. — 1983. — 15. — P. 22-26.
- Белов А.А. Изменение биохимических показателей крови у работающих с высокотоксичными компонентами ракетного топлива // [ЭР]. Режим доступа:http://www. kiev.ua/arhiv_mg/st_2000/00_2_8.htm.
- Choudhary, G., Hansen, H. Human health perspective on environmental exposureto hydrazines: a riew // Chemosphere. — — Vol. 37. — P. 801-843.
- Трахтенберг И.М., Сова Р.Е., Шефтель В.О., Оникиенко Ф.А. Показатели нормы у лабораторных животных в токси-логическом эксперименте. — М.: Медицина, 1978. — С. 140-143.
- Колла В.Э., Бердинский И.С. Фармакология и химия производных гидразина. — Йошкар-Ола, 1976. — 275 с.
- Беленький М.Л., Витолиня М.А. Материалы к фармакологии и токсикологии тубазида. Гидразид изоникотиновой кислоты // Изв. АН Латв. ССР, 1954. — Т. 2. — 96-104.
- Erdmann G., Kuiz G. Experimentelle Kramptedurch INH und inre therapeutische Beeinflussung, auch im Himblik auf INH — bedingte Verande-rungen des EEG bei Kindern // Monatsschr. Kinderheilkunde — 1962. — 110, No. 3. — P. 123-125.
- Щелкунов Е.Л. О значении центрального холинолитического компонента действия для антидепрессивного эффекта // Антидепрессанты и лечение депрессивных состояний. — Л., 1966. — С. 81-93.
- Бейсенова Р.Р., Коваленко О.Л., Хантурин М.Р. Особенности поведения крыс при гидразиновой интоксикации // Актуальные проблемы экологии: Материалы междунар. науч.-практ. конф. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2002. — С. 92-96.