ГЛАВА 4.5. ВЫДЕЛЕНИЕ КСЕНОБИОТИКОВ ИЗ ОРГАНИЗМА (ЭКСКРЕЦИЯ)

Биологические эффекты, вызываемые химическими веществами, как правило, ограничены во времени. Одной из основных причин этого является элиминация их из организма. Под элиминацией понимают процесс, приводящий к снижению концентрации веществ в крови, органах и тканях. Элиминация осуществляется путем:

1. Экскреции - выведения вещества из организма в окружающую среду;

2. Биотрансформации - химических превращений молекул ксенобиотика, его метаболизма. Метаболиты ксенобиотика удаляются из организма путем экскреции.

Биотрансформация сопровождается либо усилением, либо потерей веществом биологической активности. Если токсичность метаболита ниже токсичности исходного агента, говорят о детоксикации или инактивации вещества, если токсичность повышается - токсификации или активации токсиканта. В любом случае исходный действующий агент элиминируется.

При выделения веществ в окружающую среду, организм использует те же механизмы, что и при резорбции. Поэтому общие закономерности, определяющие качественные и количественные характеристики экскреции, не отличаются от закономерностей, управляющих резорбцией и распределением токсикантов в организме. Однако ведущим процессом здесь часто является не диффузия или активный транспорт, а фильтрация чужеродных веществ через биологические барьеры. Местом фильтрации ксенобиотиков, а следовательно и основным органом выделения являются почки. Другие органы, через которые экскретируются вещества - это легкие, печень и в значительно меньшей степени - железы кишечника и кожи. Способ выделения вещества во многом зависит от строения выделяющего органа.

Выделение через легкие

Через легкие выделяются летучие (при температуре тела) вещества и летучие метаболиты нелетучих веществ. Выведение осуществляется в соответствии с теми же закономерностями, что и резорбция. Основным механизмом процесса является диффузия ксенобиотика, циркулирующего в крови, через альвеолярно-капиллярный барьер. Переход летучего вещества из крови в воздух альвеол определяется градиентом концентрации или парциального давления между средами. Решающими факторами, влияющими на элиминацию, являются:

- объем распределения ксенобиотика;

- растворимость в крови;

- эффективность легочной вентиляции;

- величина легочного кровотока.

Выведение вещества через легкие может быть описано следующим уравнением:

t_1/2 = ln2 [ V_d(Э_p + С)/Э_pC_p] , где

t_1/2 - время полувыведения химического вещества;

V_d - абсолютный объем распределения ксенобиотика в литрах (доза вещества в г, концентрация в крови в г/л);

Э_p - эффективность легочной вентиляции в л/мин;

C_p - скорость легочного кровотока в л/мин;

- коэффициент распределения соединения между кровью и воздухом (определяется растворимостью газа в крови).

У живых существ одного и того же вида величины V_d и полностью определяются свойствами вещества. С увеличением значений объема распределения и растворимости вещества в крови увеличивается и период полувыведения ксенобиотика из организма.

Определяющим показателем скорости диффузии газообразных и летучих соединений через альвеолярно-капиллярный барьер является разница их парциальных давлений в крови и альвеолярном воздухе. Давление пара пропорционально концентрации в крови и обратно пропорционально растворимости. В силу этого у различных веществ с различной растворимостью, не смотря на одинаковую концентрацию, парциальное давление различно. Это может быть выражено уравнением:

Р_D = C_B V_M P_атм / , где

C_B - концентрация веществ в крови (в молях);

V_M - молярный объем идеального газа (22,4 л);

P_атм - атмосферное давление (в паскалях);

- коэффициент распределения в системе кровь/газ.

Растворимость газов и летучих веществ в значительной степени влияет на легочную элиминацию. Чем меньше растворимость, тем быстрее выделяется вещество. При растворимости летучего ксенобиотика в крови человека близкой к 0 в нормальных физиологических условиях t_1/2 равно примерно 13 минутам.

Легочная элиминация также зависит от величины эффективности вентиляции легких и интенсивности кровотока (минутного сердечного выброса). На таблице 1 представлены данные, иллюстрирующие эту зависимость.

Таблица 1. Период полувыведения веществ через легкие (мин) при различных значениях эффективности легочной вентиляции ( Э_Р - л/мин) и сердечного выброса (С_Р - л/мин)

Показатель	Этилен ( =0,140)	Закись азота ( =0,468)	Галотан ( =2,35)	Эфир ( =15,2)
СР = 4 ЭР= 4 6 10	14,8 14,2 13,7	19 17 15,4	43 33 25	210 144 92
ЭР = 6 СР= 3 4 6	18,5 14,2 9,8	21,4 17 12,7	38 33 29	149 144 140

Как следует из приведенных данных, значение величины объема вентиляции существенно сказывается на выведении веществ хорошо растворимых в крови (эфир), интенсивность кровотока в легких прежде всего влияет на скорость элиминации плохо растворимых в крови веществ (этилен, закись азота). Основываясь на представленных данных, можно решить, с помощью каких препаратов (дыхательных аналептиков или стимуляторов сердечной деятельности) можно ускорить выведение летучих и газообразных веществ из организма.

Через легкие из организма выделяются летучие анестетики, летучие органические растворители, фумиганты. Метаболизм некоторых органических соединений проходит с образованием СО₂. Порой до 50% меченного радиоактивным изотопом соединения выделяется в форме ¹⁴СО₂.

Другой способ легочной экскреции реализуется с помощью альвеолярно-бронхиальных транспортных механизмов. В просвет дыхательных путей секретируется жидкость, сурфактант, макрофаги, содержащие ксенобиотики. Секрет, а также адсорбированные на поверхности эпителия частицы аэрозоля, выводятся затем из дыхательных путей благодаря мукоцилиарному восходящему току. Более 90% частиц выводится таким образом из дыхательных путей в гортань в течение часа после ингаляции. Из гортани вещества поступают в желудочно-кишечный тракт.

Почечная экскреция

Почки - важнейший орган выделения в организме. Через почки выводятся продукты обмена веществ, многие ксенобиотики и продукты их метаболизма. Масса почек чуть менее 0,3% массы тела, однако, через орган протекает более 25% минутного объема крови. Благодаря хорошему кровоснабжению, находящиеся в крови вещества, подлежащие выведению, быстро переходят в орган, а затем и выделяются с мочой. В основе процесса выделение через почки лежат три механизма (рисунок 1):

- фильтрация через гломерулярно-капиллярный барьер;

- секреция эпителием почечных канальцев;

- реабсорбция клетками эпителия.

Через почки прокачивается около 700 мл плазмы крови в минуту, из которых 20% (125 - 130 мл/мин) отфильтровывается через гломерулярно-капиллярный барьер. Более 99% отфильтрованной жидкости реабсорбируется в почечных канальцах.

Рисунок 1. Механизмы, регулирующие процесс экскреции ксенобиотиков через почки.

Фильтрация:

- все низкомолекулярные вещества, находящиеся в растворенном состоянии в плазме крови.

Секреция:

- органические кислоты, мочевая кислота и т.д.;

- сильные органические основания, тетраэтиламмоний, метилникотинамид и т.д.;

Реабсорбция:

- пассивная обратная диффузия всех жирорастворимых веществ;

- неионизированные молекулы органических кислот;

- активная реабсорбция глюкозы, лактата, аминокислот, мочевой кислоты, электролитов.

Фильтрация

Фильтрация осуществляется в почечных клубочках, при этом фильтрат преодолевает барьер, образованный эндотелием капилляров, формирующих клубочек, базальной мембраной и эпителием капсулы клубочка. Общая площадь поверхности более чем 1,7 - 2,5 миллионов клубочков обеих почек составляет около 2 - 3 м².

Диаметр пор базальной мембраны составляет у разных видов млекопитающих 2 - 4 нм; общая площадь пор: 4 - 10% от общей фильтрационной поверхности (для сравнения в мышцах - 0,1%). Поры между эндотелиальными и эпителиальными клетками почечного клубочка равны 25 - 50 и 10 - 25 нм соответственно. Таким образом, почки работают как мощный ультрафильтр, задерживающий высокомолекулярные вещества и пропускающий все молекулы с малой и средней массой. Фильтрат содержит все составные части плазмы крови, имеющие размеры меньше, чем размеры фильтрующих пор базальной мембраны. Для молекул с молекулярной массой более 15000 возможности фильтрации существенно снижаются. Протеины плазмы крови (и связанные с ними низкомолекулярные вещества) не подлежат фильтрации. Для фильтрации через клубочковый аппарат почки жиро- и водо-растворимость веществ не является определяющим фактором.

Движущая сила фильтрации складывается из артериального давления в гломерулярных капиллярах, минус гидростатическое давление в боуменовой капсуле, минус коллоидно-осмотическое давление плазмы крови. Давление крови в гломерулярных капиллярах с помощью различных механизмов поддерживается на уровне 50 - 80 мм Hg. Эффективное фильтрационное давление в почках составляет около 8 мм Hg.

Скорость фильтрации зависит от ряда факторов и может увеличиваться при:

- повышении давления крови в гломерулярных капиллярах;

- уменьшении содержания белка, особенно альбумина, в плазме крови;

- понижении гидростатического давления в боуменовой капсуле;

- увеличении числа функционирующих гломерул.

В норме, благодаря наличию прегломерулярных анастомозов, существенная часть клубочков находится в неактивном состоянии. Их включение в процесс выделения существенно увеличивает интенсивность процесса фильтрации.

Поскольку белки плазмы крови не подлежат фильтрации, через почки выделяются лишь вещества, не связанные с белками. Поскольку свободная и связанная фракция ксенобиотика в крови находится в состоянии динамического равновесия, как только свободная часть отфильтровывается, связанная освобождается из связи с белками. Если связь прочная и высвобождение веществ затруднено процесс выделения вещества растягивается во времени.

Некоторые вещества практически полностью отфильтровываются в клубочках почек в течение нескольких часов. Так как в течение минуты фильтрации подвергается около 130 мл плазмы, скорость почечной элиминации веществ, выделяющихся исключительно посредством фильтрации можно рассчитать по формуле:

t_1/2 = ln2 (V_D/FR)

t_1/2 - период полувыведения;

FR - скорость фильтрации (130 мл/мин);

V_D - объем распределения.

При различных объемах распределения период выведения фильтрующихся веществ будет существенно различен:

Если объем распределения вещества известен, то на основе величины периода полувыведения можно также судить, быстрее или медленнее элиминируется вещество, чем можно было бы ожидать, исходя из расчета скорости фильтрации плазмы. Если отличия существенны, следует думать о дополнительных механизмах выведения вещества через почки.

Канальцевая реабсорбция

Гломерулярный фильтрат с растворенными в нем ксенобиотиками переходит из боуменовой капсулы по извитым канальцам, петле Генле, дистальному отделу канальцев в собирательные трубки. Длина каждого из 2 млн канальцев равна 3 - 5 см. Общая площадь поверхности канальцев равна примерно 7 - 8 м² (таблица 2).

Таблица 2. Площади поверхности различных отделов нефрона.

Первичная моча (фильтрат плазмы крови) в значительной части распространяется по этой поверхности в виде тонкой пленки. Благодаря этому удается достичь высокой эффективности процесса диффузии через клеточный слой канальца. По своим свойствам первичная моча ни чем не отличается от сыворотки крови. Она содержит такую же концентрацию ксенобиотика, как и плазма. Следовательно, между жидкостями не существует градиента концентрации веществ. В различных отделах почечных канальцев (и уже в проксимальном их отделе) происходит активная обратная резорбция из первичной мочи отфильтрованной воды, а также многочисленных химических веществ. Из 130 мл первичной мочи в канальцах реабсорбируется 129 мл воды (99%). Это приводит к очень значительному повышению концентрации растворенных в моче веществ и среди них ксенобиотиков. Таким образом, формируется высокий градиент концентрации веществ между содержимым канальцев и плазмой крови. Именно он является движущей силой обратной диффузии веществ из первичной мочи в кровь. Процессу свободной диффузии препятствует барьер, формируемый эпителием канальцев, межуточным веществом и эндотелием капилляров, оплетающих стенку канальцев. В целом свойства этого барьера аналогичны свойствам гистогематических барьеров других тканей. Определяющей является проницаемость эпителия канальцев. Закономерности, определяющие процесс диффузии ксенобиотиков и их метаболитов через стенку канальцев, полностью идентичны описанным ранее. Реабсорбции, прежде всего, подвергаются: а) жирорастворимые вещества; б) неионизированные молекулы водо-растворимых веществ; в) вещества с низкой молекулярной массой.

Проницаемость канальцевого барьера почти тождественна проницаемости слизистой кишечника, поэтому вещества, легко всасывающиеся при приеме через рот, затем трудно выводятся через почки, так как легко реабсорбируются из первичной мочи обратно в кровоток, а затем обратно - из кровотока в первичную мочу. Такая длительная тубуло-гломерулярная рециркуляция веществ (как правило, хорошо растворимых в липидах) приводит к существенному замедлению процесса их элиминации. Метаболизм кскенобиотиков (см. выше) во многом и предназначен для превращения жирорастворимых (плохо выводящихся из организма) веществ в водо-растворимые, способные к выведению из организма, соединения.

Выделение через почки слабых кислот и оснований существенно зависит от рН мочи. Как уже указывалось, вещества могут подвергаться реабсорбции в том случае, если молекула их не ионизирована. Из этого следует, что при подкислении мочи (путем назначения хлористого аммония) слабые основания (например алкалоиды) будут переходит в ионизированную форму, хуже реабсорбироваться и лучше выводиться из организма. При подщелачивании мочи (например, путем приема соды), по той же причине, из организма лучше будут выводиться слабые кислоты (например, барбитураты).

Помимо пассивной диффузии некоторые веществ в канальцах подвергаются активной реабсорбции. К числу таких веществ относятся естественные метаболиты: лактат, глюкоза, мочевая кислота, которые после их фильтрации в первичную мочу, попадают обратно в кровь. Для ксенобиотиков этот механизм не имеет существенного значения.

Канальцевая секреция

Многие органические кислоты (пробеницид, глюкурониды, салициловая кислота, пенициллин и т.д.) быстро переходят из крови в мочу. В основе быстрого переноса таких соединений в просвет почечных канальцев лежит активный транспорт. Транспортные системы находятся в проксимальном отделе почечных канальцев. Этот процесс направлен против градиента концентрации вещества, является насыщаемым, зависит от интенсивности обмена веществ, конкурентно ингибируется веществами с близким строением. Так, пробеницид блокирует экскрецию пенициллина или р-аминсалициловой кислоты. Специфичность транспортных механизмов невелика. Условием переноса является наличие в молекуле групп СООН- или SO₃^- и гидрофобного участка. Переносу подлежат соединения как простого, так и сложного строения. Связывание субстрата с молекулами-переносчиками осуществляется за счет ионных и водородных связей.

Иногда процессу активной секреции из крови в просвет канальцев противодействует простая диффузия вещества в противоположном направлении. Например, мочевая кислота с одной стороны активно секретируется, а с другой - пассивно диффундирует обратно в кровоток. Пробеницид в большей степени угнетает реабсорбцию вещества и поэтому при его введении наблюдается усиленная экскреция мочевой кислоты из организма.

В почечных канальцах существует система активного выведения и веществ со свойствами слабых оснований: тетраэтиламмония, алкалоидов (морфина, хинина), имипрамина, мекамиламина и др. Эта система не блокируется пробеницидом.

Механизмы активной секреции обнаруживаются у большинства позвоночных.