Доза-ответ – не греками едиными

С давних времен врачи пытались понять, как именно работает зависимость между дозой вещества и производимым ею эффектом. Гиппократ, медики, готовившие олимпийцев, царь Понта Митридат (о которых мы рассказывали в предыдущей статье) – все они пытались путем экспериментов выявить особенности того, что мы сейчас называем концепцией доза-эффект (или доза-ответ). 

Ими были открыты понятия митридатизма, толерантности, гормезиса и даже практически воспроизведена схема АСИТ – но все же до окончательного ответа на вопрос было все еще далеко.

Тот, кто был почти равен Цельсу

Великий врач Возрождения Парацельс, то есть «приблизившийся к Цельсу», а на самом деле Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм из Швейцарии, сейчас считается одним из основателей науки привычного нам вида – основанной на экспериментах и доказательствах. Его известное выражение «Alle Dinge sind Gift und nichts ist ohne Gift, allein die Dosis macht es, dass ein Ding kein Gift ist» (Все вещи – яд, и нет ничего без яда, только доза позволяет чему-то не быть ядом) фактически сформулировало новое отношение к лекарствам и химическим веществам. Он критически пересмотрел идеи древних медиков, ввел химические препараты в медицину и первым высказал предположение, что доза является наиболее важным фактором, определяющим токсичность вещества. Его понимание дозозависимости ответа организма на вещество было отражено в его другом выражении, ставшем крылатым на века – «Доза делает яд». Парацельс полагал, что терапевтические средства могут быть вредными в больших дозах, и, наоборот, вещества, считающиеся токсичными, могут быть менее вредными или даже полезными в меньших дозах. Он также предположил, что воздействие, происходящее на ранних стадиях развития человека, имеет решающее значение, и что для токсических реакций важна генетическая предрасположенность. Еще этот «приблизившийся к Цельсу» гениальный ученый фактически внедрил понятие NOAEL (дозы, не оказывающей явного нежелательного действия) в фармакологию и токсикологию.

Дозозависимость ответа, а именно про это говорил Парацельс, является, вероятно, самым главным понятием токсикологии. Основные данные для формулирования этой концепции были получены в результате наблюдений, а также в результате исследований, проводившихся как на животных, так и на людях. В современном ее понимании концепция реакции на дозу впервые была предложена французским физиологом Клодом Бернаром (1813–1878), но только шотландец Артур Робертсон Кашни (1866–1926) ввел ее в «арсенал» фармакологии и физиологии.

Способствовали развитию концепции и такие знаменитые немецкие врачи, как Эрих Харнак и Пауль Эрлих. Так, Эрих Харнак ввел понятие минимальной эффективной дозы – то есть минимального уровня наблюдаемого действия, которое может вызывать лекарственное средство, а Пауль Эльрих – минимальной смертельной дозы.

В тех же 20-х годах, когда Харнак и Эрлих формулировали свои теории, англичанин  Л.Ф. Шэкелл заметил еще одну важную особенность дозозависимости эффекта: кривая доза-ответ обычно имеет сигмовидную форму. Точка на приведенной ниже кривой, где впервые проявляется токсичность, является пороговым уровнем дозы1.

С этой же кривой связано и понятие токсической дозы.

Токсическая доза – это количество вещества, попавшее во внутренние среды организма и вызвавшее токсический эффект. Токсическая доза учитывает количество вещества, попадающего в организм, его концентрацию и свойства, продолжительность и частоту воздействия, а также пути воздействия  (например, радиология различает экспозиционную, поглощенную и эффективную дозы).

Если мы внимательно посмотрим на кривую дозозависимости ответа, то поймем, что для оценки токсичности вещества важной дополнительной информацией являются форма и наклон кривой. Так, например, ее наклон указывает на процент населения, реагирующего на единицу изменения дозы, то есть скорость прогрессирования токсических эффектов.

Сейчас врачи хорошо знают, что на развитие токсических эффектов влияет множество факторов: путь воздействия токсиканта (вдыхание газа; пероральный прием лекарственного средства или наркотика; попадание на кожу, как происходит в случае, например, пестицидов), его физико-химические свойства, дозировка и время воздействия; пол, возраст и состояние здоровья человека, подвергающегося воздействию; а также все процессы, которые происходят с токсикантом в организме – его метаболизм вплоть до выведения. Присутствие других химических веществ также может влиять на токсичность, поскольку они могут уменьшать или увеличивать негативное воздействие токсиканта.

Нейтральное – в токсическое

Токсикология прекрасно понимает границы, при преодолении которых фактор окружающей среды становится токсичным. Понимает это и еще одно направление медицины – медицина охраны труда. Так, например, именно специалист по охране труда, человек, которая фактически создала эту отрасль  в США, Элис Гамильтон, в 1914 году написала статью, с которой обобщила доказательства промышленного отравления свинцом2.

Она призвала врачей, ответственных за здоровье рабочих, покинуть комфортные кабинеты и изучать воздействие патогенов на здоровье трудящихся непосредственно на их рабочем месте. Элис была одним из тех специалистов, что донесли важность экспозиции в определении токсического воздействия вещества.

Но, хотя в 20-х годах прошлого века и произошел значительный скачок в изучении зависимости «доза-ответ», а в 30-х года фармакология и токсикология даже попытались ввести правила, которые бы учитывали эту новую концепцию, до полного понимания проблемы было еще далеко.

Второй этап подхода к решению задачи возник в 70-тых, когда для оценки воздействия канцерогенов стали использовать статистические подходы. Сейчас считается, что линейная шкала, используемая для описания реакции на дозу, не учитывает особенности низких доз, поэтому точную оценку с ее помощью произвести невозможно. И хотя логарифмическая модель реакции на дозу более тесно связана с законами природы, наиболее оптимальной системой для шкалы доза-ответ, по-видимому, является шкала Розмана, которая демонстрирует комбинацию обоих. Она логарифмична, когда описывает реакцию на дозу, и линейна, когда дело касается молекулярных механизмов, а также опирается на вес молекулы. Шкала Розмана может описать и порог для возникновения опухоли (чего ранее сделать не могли).

Гормезис

В прошлой статье мы кратко коснулись понятия «гормезис», то есть позитивного воздействия умеренных доз стрессоров. Гормезис – греческое слово, означающее приведение в движение или побуждение. Им описывается феномен своеобразной двухфазности дозозависимой реакции на вещество, когда низкие дозы воздействуют благоприятно, а высокие демонстрируют токсический эффект. В биологии и медицине гормезис определяется как адаптивный ответ клеток и организмов на умеренный (обычно кратковременный) стресс. Примеры включают экспериментальное воздействие короткими периодами прекращения кровообращения для повышения устойчивости клеток и тканей (например, миокарда) к ишемии, физические упражнения, ограничение калорийности рациона и воздействие низких доз определенных фитохимических веществ.

Фитохимические вещества представляют собой группу химических веществ, обычно растительного происхождения, которые обладают химиопрофилактическими и химиотерапевтическими эффектами, но при этом не имеют описанных механизмов их действия на различные клеточные и молекулярные функции, важные для торможения прогрессирования рака3.

Фитохимические вещества метаболизируются теми же ферментами, что и лекарства. Так, например, они вступают в реакцию с цитохромом Р450 (CYP450) – самым известным набором ферментов, который способствует выведению ксенобиотиков, причем не только как субстанции, которые он разлагает, но и как соединения, способные индуцировать и/или ингибировать его действие. Этим, то есть различным количеством CYP450 в зависимости от национальности да и просто от человека к человеку, в частности объясняется разная эффективность и взаимодействие между лекарствами у разных пациентов.

И именно поэтому врачи рекомендуют соблюдать осторожность при употреблении фитохимических веществ вместе с обычными лекарствами. Особенно опасными считаются токсические эффекты лекарств и  фитохимических веществ с узким терапевтическим индексом или профилями высокой токсичности (например, варфарин или средства на основе орехов гинкго билоба)4.

Гормезис встречается не только в токсикологии, фармакологии или медицине, это общее явление, которое можно найти практически в любой отрасли науки.

Сам термин «гормезис» введен в оборот Саутэмом и Эрлихом в 1943 году, когда эти ученые увидели, что экстракт из определенных видов деревьев в малых дозах увеличивает скорость метаболизма грибов, но в больших дозах замедляет ее. Стимуляция, которая наблюдалась при воздействии малых доз, и была названа гормезисом.  

Однако Саутэм и Эрлих не открыли гормезис. Двухфазный характер реакции на дозу еще в 1887 году обнаружил фармаколог Хьюго Шульц (1853–1932), также наблюдавший за поведением грибов. Еще через 9 лет немецкий бактериолог и гигиенист Фердинанд Гюппе заявил, что токсиканты в малых дозах стимулируют биологические процессы. Шульц, основываясь на наблюдениях за эффектами от  вератрина – лекарственного средства растительного происхождения, которое давало положительные результаты при назначении в растворе, но было неэффективным даже в очень высоких дозах против бактерий – пришел к выводу, что реакция на дозу носит двухфазный характер, что позже назвали законом Арндта-Шульца (для каждой субстанции: малые дозы – стимулируют, средние – угнетают, высокие – убивают).  Далее, правда, Шульц в своих выводах зашел не туда и ударился в гомеопатию.

Сейчас считается, что гормезис функционирует как компенсаторный механизм в ответ на нарушение гомеостаза, при этом образуя подгруппу более широкого понятия двухфазной природы доза-реакция, которая, в свою очередь, также демонстрирует разнообразные механистические функции. Адренергические, дофаминовые, нейропептидные, серотониновые, брадикининовые и многие другие рецепторные системы, которые были исследованы к настоящему времени, демонстрируют двухфазную реакцию на дозу, что опосредуется механизмами, которые регулируются различными агентами. Кроме того, даже ряд факторов, участвующих в иммунитете и онкогенезе, демонстрируют всю ту же горметическую двухфазную реакцию на дозу.

По горметической двухфазной кривой реагируют и многие эндогенные факторы: эстрадиол, ангиотензин II, гистамин, кортикостероиды, серотонин, TGF-β, TNF-α, гормон роста, прогестерон, окситоцин, витамин D3. Такой же ответ найден у агонистов опиатов, хлорорганических соединений, никотина и пиретроидов (реланиум, седуксен, валиум), аторвастатина, флуоксетина и морфина.

На клеточном уровне примером горметических взаимодействий может служить митохондриальный гормезис – явление, при котором пониженный уровень активных форм кислорода вызывает повышение активности митохондрий, а высокий уровень вызывает подавление их функций. Процессы окислительного стресса в почках и действие белков из семейства бета-амилоидов на память также демонстрируют горметический тип активности. Реакция же организма на ионизирующее излучение вообще считается эталоном гормезиса5.

Гормезис функционирует как адаптивный ответ, который пытается модифицировать гомеостаз, который в итоге становится более стабильным. Однако когда гомеостатические механизмы не могут восстановить нарушение системы из-за перегрузки факторами воздействия, возникает токсичность.

Гормезис также демонстрирует такое качество, как оптимальность. Ведь помимо того, что он является инструментом компенсации нарушенного гомеостаза, его можно рассматривать и как способ оптимизации последовательности реакций, гарантирующий восстановление гомеостаза. Исправлением «поломки» обеспечивается умеренно-избыточным способом, чем достигается не только само исправление, но и обеспечение механизма, который защитил бы систему от возможного схожего повреждения в ближайшем будущем.  

Ученые все еще изучают это явление и возможность применения его на практике. Так, например, ряд из них считают, что включение его в общую систему оценок риска даст более надежные результаты, независимо от того, будет ли реакция на воздействие низких доз негативной или полезной. Однако, по всей видимости, приложение горметической модели к описанию взаимодействия доза-эффект недостаточно обоснованно.  

Природа реакции на дозу и ее механизм (механизмы) остаются проблемой токсикологии. На данный момент большинство данных, которые мы имеем, получено экспериментальным путем, и только недавно ученые начали приближаться к решению этого вопроса. Тем более впечатляющими кажутся на этом фоне успехи врачей древности, смогших обнаружить и сформулировать закономерности, легшие в основу современных представлений концепции «доза-ответ».

Примечания

• 1. THE RELATION OF DOSAGE TO EFFECT. II
• 2. Lead poisoning in the United States
• 3. Chapter One - How Phytochemicals Prevent Chemical Carcinogens and/or Suppress Tumor Growth?
• 4. Chapter 61 - Interactions between Chinese Nutraceuticals and Western Medicines
• 5. Hormesis and radiation safety norms: Comments for an update