toxreviewТоксикологический вестникToxicological Review0869-79223034-4611Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0869-7922-2024-32-4-248-254rfzhkutoxreview-883Research ArticleМЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙRESEARCH METHODSРазработка хроматомас-спектрометрической методики для биологического контроля летучих промышленных загрязнителейDevelopment of a gas chromatography-mass spectrometric technique for the biological control of volatile industrial pollutantshttps://orcid.org/0000-0002-2911-1260УколовАнтон ИгоревичUkolovAnton I.

Кандидат хим. наук, заместитель заведующего отделом токсикологии ФГУП «НИИ ГПЭЧ» ФМБА России, 188663, Ленинградская область, Российская Федерация

e-mail: AntonUkolov@gmail.com

Candidate of Chemical Sciences, Deputy Head of the Department of Toxicology of the Federal State Unitary Enterprise “Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology” FMBA of Russia, 188663, Leningrad Region, Russian Federation

Scopus Author ID: 25321116600

Researcher ID: S-2545-2016

e-mail: AntonUkolov@gmail.com

AntonUkolov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3276-8036БариновВладимир АлександровичBarinovVladimir A.

Доктор мед. наук, профессор, ведущий научный сотрудник ФГБУ НКЦТ им. С.Н. Голикова ФМБА России. 129019, Санкт-Петербург, Российская Федерация

e-mail: vladbar.57@yandex.ru

Doctor of Medical Sciences, Professor, leading researcher at the Federal State Budgetary Institution “Scientific and Clinical Center of Toxicology named after Academician S.N. Golikov of the Federal Medical and Biological Agency”, 129019, St. Petersburg, Russian Federation

e-mail: vladbar.57@yandex.ru

vladbar.57@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0776-7434РадиловАндрей СтаниславовичRadilovAndrey S.

Доктор мед. наук, профессор, и.о. директора ФГУП «НИИ ГПЭЧ» ФМБА России, 188663, г.п. Кузьмоловский, Ленинградская область, Российская Федерация

e-mail: radilov@gpech.ru

Doctor of Medical Sciences, Professor, Acting Director of the Federal State Unitary Enterprise “Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology” FMBA of Russia, 188663, Leningrad Region, Russian Federation

SPIN-code: 2081-5320

AuthorID: 631675

Scopus Author ID: 6507193049

e-mail: radilov@gpech.ru

radilov@gpech.ruФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентства; ФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology” FMBA of Russia; Federal State Budgetary Institution “Scientific and Clinical Center of Toxicology named after Academician S.N. Golikov of the Federal Medical and Biological Agency”Russian FederationФГБУ «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства»РоссияFederal State Budgetary Institution “Scientific and Clinical Center of Toxicology named after Academician S.N. Golikov of the Federal Medical and Biological Agency”Russian FederationФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентстваРоссияFederal State Unitary Enterprise “Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology” FMBA of RussiaRussian Federation202419092024324248254Copyright © Уколов А.И., Баринов В.А., Радилов А.С., 20242024Уколов А.И., Баринов В.А., Радилов А.С.Ukolov A.I., Barinov V.A., Radilov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.toxreview.ru/jour/article/view/883Введение

Введение. Общепромышленные загрязнители в число которых включены летучие промышленные загрязнители (ЛПЗ): аллилхлорид, бутилхлорид, хлороацетонитрил, пентахлорэтан, гексахлорэтан, транс-1,4-дихлор-2-бутен, акрилонитрил, метакрилонитрил, метилметакрилат, этилметакрилат, метилакрилат, 2-нитропропан, нитробензол, диэтиловый эфир, тетрагидрофуран и дисульфид углерода широко применяются в отечественной химической промышленности, однако до сих пор не были разработаны эффективные методы количественного определения их биомаркеров в биологических средах работников химических производств.

Цель исследования – разработка высокочувствительной газохроматографической методики определения соединений группы ЛПЗ в цельных крови и моче для их биологического контроля и апробация методики с использованием моделирования интоксикации на лабораторных животных.

Материал и методы

Материал и методы. Экспериментальное моделирование интоксикации выполнено при подкожном (п/к) введении токсикантов самцам кроликов породы шиншилла. Определение биомаркеров токсикантов выполняли с использованием газового хроматографа с одноквадрупольным масс-анализатором (ГХ-МС) с предварительным извлечением компонентов из паровой фазы над образцом твёрдофазной микроэкстракции.

Результаты

Результаты. Разработана и метрологически аттестована методика определения в крови и моче аллилхлорида, бутилхлорида, хлороацетонитрила, пентахлорэтана, гексахлорэтана, транс-1,4-дихлор-2-бутена, акрилонитрила, метакрилонитрила, метилметакрилата, этилметакрилата, метилакрилата, 2-нитропропана, нитробензола, диэтилового эфира, тетрагидрофурана, и дисульфида углерода. Достигнутые пределы количественного определения составляют не более 1 нг/мл при пределе детектирования 0,2 нг/мл в крови и моче.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Токсикокинетические параметры экспериментально определены на одном виде животных, для экстраполяции на человека использовано аллометрическое масштабирование.

Заключение

Заключение. Анализ результатов оценки ожидаемых концентраций ЛПЗ в крови и моче показывает, что биологический контроль в рабочей зоне на уровне 0,5 ПДКр.з. возможно осуществить для дисульфида углерода, диэтилового эфира, бутилхлорида, 1,4-дихлорбутена-2 и тетрагидрофурана при исследовании крови и мочи; метакрилонитрила и гексахлорэтана (нижнее значение предела определения) – при исследовании только мочи.

Разработанные подходы к обоснованию методов биологического контроля вредных веществ – это научно-методическая платформа для внедрения биологических ПДК и обеспечения химической безопасности Российской Федерации.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено в соответствии с заключением № 2 локального этического комитета ФГУП «НИИ ГПЭЧ» ФМБА России от 05.10.2018 г.

Участие авторов

Участие авторов:Уколов А.И. – выполнение измерений и исследований, написание текста статьи;Баринов В.А. – обработка результатов;Радилов А.С. – редактирование.Все соавторы – утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.          

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Финансирование

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Поступила в редакцию

Поступила в редакцию: 17 декабря 2023 / Принята в печать: 10 июля 2024 / Опубликована: 30 августа 2024

Introduction

Introduction. General industrial pollutants, which includes volatile industrial pollutants (VIP) allyl chloride, butyl chloride, chloroacetonitrile, pentachloroethane, hexachloroethane, trans-1,4-dichloro-2-butene, acrylonitrile, methacrylonitrile, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, methyl acrylate, 2-nitropropane, nitrobenzene , diethyl ether, tetrahydrofuran and carbon disulfide are widely used in the domestic chemical industry, but effective methods for the quantitative determination of their biomarkers in the biological media of chemical production workers have not yet been developed.

The purpose of the study is to develop a highly sensitive gas chromatographic technique for the determination of compounds of the VIP group in whole blood and urine for their biological control, and its testing using modeling of intoxication in laboratory animals.

Material and methods

Material and methods. Experimental modeling of intoxication was carried out with subcutaneous (s/c) injection of toxicants to male chinchilla rabbits. Determination of biomarkers of toxicants was performed using a gas chromatograph with a single quadrupole mass analyzer (GC-MS) with preliminary extraction of components from the vapor phase above the sample by solid-phase microextraction.

Results

Results. A method for the determination of allyl chloride, butyl chloride, chloroacetonitrile, pentachloroethane, hexachloroethane, trans-1,4-dichloro-2-butene, acrylonitrile, methacrylonitrile, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, methyl acrylate, 2-nitropropane, nitrobenzene, diethyl ether, tetrahydrofuran, and carbon disulfide in blood and urine was developed and metrologically certified. The achieved limits of quantification are no more than 1 ng/ml with a detection limit of 0.2 ng/ml in blood and urine.

Limitations

Limitations. Toxicokinetic parameters were experimentally determined on one animal species; allometric scaling was used for extrapolation to humans.

Conclusion

Conclusion. Analysis of the results of the assessment of the expected concentrations of VIP in blood and urine shows that biological control in the working area at the level of 0.5 MPC can be carried out for carbon disulfide, diethyl ether, butyl chloride, 1,4-dichlorobutene-2 and tetrahydrofuran in the study of blood and urine; methacrylonitrile and hexachloroethane (the lower value of the determination limit) – in the study of urine only.

The developed approaches to substantiate methods of biological control of harmful substances are a scientific and methodological platform for the introduction of biological MPC and ensuring the chemical safety of the Russian Federation.

Compliance with ethical standards. conclusion No. 2 of the local ethical committee of the Federal State Unitary Enterprise “Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology” FMBA of Russia dated October 5, 2018 was received.

Authors contribution

Authors contribution:Ukolov A.I. – performing measurements and research, writing the text of the article;Barinov V.A. – processing of results;Radilov A.S. – editing.All co-authors – approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest

Funding

Funding. The study had no sponsorship.

Received

Received: December 17, 2023 /Accepted: July 10, 2024 / Published: August 30, 2024

летучие органические загрязнителибиомониторингметодика измеренийхроматомасс-спектрометрияvolatile organic pollutantsbiomonitoringmeasurement techniquesgas chromatography-mass spectrometryReferencesУколов А.И., Радилов А.С. Методология определения биомаркёров органических соединений с использованием хроматомасс-спектрометрии. Медицина экстремальных ситуаций. 2018; 20(3): 439–50.Ukolov A.I., Radilov A.S. Methodology for determining biomarkers of organic compounds using gas chromatography-mass spectrometry. Meditsina ekstremal’nykh situatsii. 2018; 20(3): 439–50. (in Russian)de Rooij B.M., Commandeur J.N., Groot E.J., Boogaard P.J., Vermeulen NP. Biotransformation of allyl chloride in the rat. Influence of inducers on the urinary metabolic profile. Drug Metab Dispos. 1996; 24(7): 765–72.de Rooij B.M., Commandeur J.N., Groot E.J., Boogaard P.J., Vermeulen NP. Biotransformation of allyl chloride in the rat. Influence of inducers on the urinary metabolic profile. Drug Metab Dispos. 1996; 24(7): 765–72.Ahmed A.E., Jacob S., Loh J.P. Studies on the mechanism of haloacetonitriles toxicity: quantitative whole body autoradiographic distribution of [2-14C]chloroacetonitrile in rats. Toxicology. 1991; 67(3): 279–302.Ahmed A.E., Jacob S., Loh J.P. Studies on the mechanism of haloacetonitriles toxicity: quantitative whole body autoradiographic distribution of [2-14C]chloroacetonitrile in rats. Toxicology. 1991; 67(3): 279–302.Seldén A., Nygren M., Kvarnlöf A., Sundell K., Spångberg O. Biological monitoring of hexachloroethane. Int Arch Occup Environ Health. 1993; 65(1 Suppl): S111–4.Seldén A., Nygren M., Kvarnlöf A., Sundell K., Spångberg O. Biological monitoring of hexachloroethane. Int Arch Occup Environ Health. 1993; 65(1 Suppl): S111–4.Takano R., Murayama N., Horiuchi K., Kitajima M., Kumamoto M., Shono F., Yamazaki H. Blood concentrations of acrylonitrile in humans after oral administration extrapolated from in vivo rat pharmacokinetics, in vitro human metabolism, and physiologically based pharmacokinetic modeling. Regul Toxicol Pharmacol. 2010; 58(2): 252–8.Takano R., Murayama N., Horiuchi K., Kitajima M., Kumamoto M., Shono F., Yamazaki H. Blood concentrations of acrylonitrile in humans after oral administration extrapolated from in vivo rat pharmacokinetics, in vitro human metabolism, and physiologically based pharmacokinetic modeling. Regul Toxicol Pharmacol. 2010; 58(2): 252–8.Ghanayem B.I., Sanchez I.M., Burka L.T. Investigation of methacrylonitrile metabolism and the metabolic basis for the differences in its toxicity in rats and mice. J Pharmacol Exp Ther. 1994; 269(2): 581–80.Ghanayem B.I., Sanchez I.M., Burka L.T. Investigation of methacrylonitrile metabolism and the metabolic basis for the differences in its toxicity in rats and mice. J Pharmacol Exp Ther. 1994; 269(2): 581–80.U.S. EPA. Provisional Peer-Reviewed Toxicity Values for 2-Nitropropane. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/690/R-19/003F, 2019.U.S. EPA. Provisional Peer-Reviewed Toxicity Values for 2-Nitropropane. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/690/R-19/003F, 2019.Geddes I.C. Metabolism of volatile anesthetics. Int Anesthesiol Clin. 1971; 9(3): 145–69.Geddes I.C. Metabolism of volatile anesthetics. Int Anesthesiol Clin. 1971; 9(3): 145–69.McKenna M.J., DiStefano V. Carbon disulfide. I. The metabolism of inhaled carbon disulfide in the rat. J Pharmacol Exp Ther. 1977; 202(2): 245–52.McKenna M.J., DiStefano V. Carbon disulfide. I. The metabolism of inhaled carbon disulfide in the rat. J Pharmacol Exp Ther. 1977; 202(2): 245–52.Abdel-Rehim M. New trend in sample preparation: on–line microextraction in packed syringe for liquid and gas chromatography applications: I. Determination of local anaesthetics in human plasma samples using gas chromatography–mass spectrometry. J. Chromatogr. B. 2004; 801: 317–21.Abdel-Rehim M. New trend in sample preparation: on–line microextraction in packed syringe for liquid and gas chromatography applications: I. Determination of local anaesthetics in human plasma samples using gas chromatography–mass spectrometry. J. Chromatogr. B. 2004; 801: 317–21.Уколов А.И., Сорокоумов П.Н., Радилов А.С. Определение токсикокинетических параметров вредных химических соединений для повышения эффективности биомониторинга. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; S1: 8–94.Ukolov A.I., Sorokoumov P.N., Radilov A.S. Determination of toxicokinetic parameters of harmful chemical compounds to improve the efficiency of biomonitoring. Meditsina ekstremal’nykh situatsii. 2019; S1: 8–94. (in Russian)Радилов А.С., Уколов А.И. Токсикометаболомика – интеграция профилактической и аналитической токсикологии. Токсикологический вестник. 2022; 30(5): 286–96. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-5-286-296Ukolov A.I., Radilov A.S. Toxicometabolomics – integration of preventive and analytical toxicology. Toksikologicheskii vestnik. 2022; 30(5): 286–96. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-5-286-296 (in Russian)Уколов А.И., Радилов А.С. О развитии идей биологического контроля производственного воздействия вредных химических веществ (дискуссия). Медицина труда и промышленная экология. 2022; 62 (11): 740 – 6.Ukolov A.I., Radilov A.S. On the development of ideas for biological control of industrial exposure to harmful chemicals (discussion). Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2022; 62 (11): 740–6. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.