Особенности токсического действия хлорацетанилидов на эндокринную систему (обзор литературы)

Введение

В последние годы российские и зарубежные учёные стали уделять особое внимание воздействию ксенобиотиков на эндокринную систему, поскольку эндокринная регуляция является одним из важнейших механизмов обеспечения гомеостаза, приспособления организма к условиям окружающей среды, метаболизма питательных веществ и регуляции роста и репродукции [1]. При этом эндокринная система является одной из наиболее уязвимых мишеней действия антропогенных ксенобиотиков. Даже незначительные, но хронические воздействия веществ на ключевые звенья гормональной регуляции могут приводить к отдалённым и тяжёлым последствиям для здоровья, в том числе нарушениям репродуктивной функции, патологиям щитовидной железы, метаболическим синдромам, неврологическим расстройствам, а также повышать риск злокачественных новообразований. Влияние ксенобиотиков на эндокринную систему связано преимущественно с нарушением синтеза биологически активных веществ, чувствительности к ним рецепторов, а также «имитацией» действия эндогенных гормонов. Так, экзогенные вещества или их смеси, изменяющие функции эндокринной системы и в результате вызывающие неблагоприятные последствия в неповреждённом организме, а также у его потомства или (суб)популяции, являются, по определению ВОЗ, эндокринными разрушителями (endocrine disruptor) [2]. Особую опасность эндокринные разрушители представляют для развивающегося организма в критические периоды онтогенеза [1].

В организм человека такие соединения могут попадать с растительными и животными продуктами питания, при вдыхании частиц пыли или других мелких частиц, содержащихся в воздухе, а также с водой [3]. Даже при концентрации в воде в пределах мкг/л и нг/л эндокринные разрушители могут оказывать негативное влияние на организм [4].

Эндокринными разрушителями могут быть вещества как естественного (природного) (куместрол, изофлавоны, зеараленон и др.), так и синтетического происхождения [5–7]. При этом соединения антропогенного происхождения содержатся не только в объектах окружающей среды – стойких органических загрязнителях (диоксинах и диоксиноподобных полихлорированных бифенилах, полихлорированных дифениловых эфирах), хлорорганических пестицидах (ДДТ, ГХЦГ), но и практически во всех бытовых предметах, используемых в повседневной жизни. Это пластиковые предметы, содержащие бисфенол А, фталаты; покрытия, отталкивающие воду и жир (посуда с антипригарным покрытием, влагостойкая одежда, упаковка для фастфуда, противопожарная пена), содержащие перфторалкильные и полифторалкильные вещества; консерванты в косметике и средствах личной гигиены – парабены (метил-, пропил-, бутил-); антибактериальный агент триклозан в мыле, зубной пасте и дезодорантах и многие другие [8–9]. Особенно важно обращать внимание на химические средства защиты растений (ХСЗР, пестициды). Такие соединения используются агропромышленным комплексом для различных целей, в том числе путём опрыскивания сельскохозяйственных культур, предпосевным внесением в почву и протравкой семян перед их посевом. После прямого внесения ХСЗР на сельскохозяйственные поля происходит их миграция с поверхностным стоком в водоёмы, инфильтрация в грунтовые воды и атмосферный перенос с пылевыми частицами. Мониторинговые исследования в Северной Америке, Европе и Азии регулярно обнаруживают пестициды и их метаболиты в реках, озёрах, питьевых колодцах и в системах централизованного водоснабжения [10]. В научной литературе имеются данные о влиянии на эндокринную систему пестицидов различных химических классов, в том числе триазинов, хлорацетанилидов, органофосфатов, пиретроидов, дитиокарбаматов и других [11–13]. При этом и в Российской Федерации, и в зарубежных странах к широко используемым группам пестицидов относятся хлорацетанилиды (аллахлор, ацетохлор, бутахлор, метолахлор, пропахлор, пропизохлор).

Успех применения данных веществ обусловлен их высокой эффективностью в борьбе с однодольными и двудольными сорными растениями. Однако устойчивость этих соединений в окружающей среде, способность к миграции в водоносные горизонты, трансформация в различные метаболиты, а также данные, свидетельствующие о том, что хлорацетанилиды и продукты их распада проявляют свойства эндокринных разрушителей, вызывают обеспокоенность в связи с влиянием на здоровье населения и загрязнением объектов окружающей среды [14–15].

Подробное изучение веществ группы хлорацетанилидов с позиции их влияния на эндокринную систему на основе данных научной литературы международных и национальных информационных ресурсов (FAO/WHO, EXTOXNET, EPA, EFSA, EMBASE, Global Health, Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, eLIBRARY, CyberLeninka, Springer Nature Link) и является целью настоящего обзора.

Хлорацетанилиды – это производные N-алкил-2-хлорацетамида. Их общая структурная формула включает ароматическое кольцо (чаще всего замещённое), амидную группу (-NH-CO-) и хлоралкильный фрагмент. При этом метолахлор, ацетохлор и пропизохлор отличаются высокой липофильностью (log Kow 2,9–4,0), что определяет их способность к биоаккумуляции в жировых тканях [4], а умеренная растворимость в воде (от 100 до 500 мг/л) способствует выщелачиванию в почвенные воды. Кроме того, вещества группы хлорацетанилидов используются в виде рацемических смесей энантиомеров. Хиральные свойства данных веществ могут обусловливать отличия в токсическом действии отдельных энантиомеров, их смесей и метаболитов. Такие особенности связаны с тем, что ядерные рецепторы клеток имеют строго определённые хиральные активные центры, что объясняет различную аффинность энантиомеров [16–17].

Токсичность веществ группы хлорацетанилидов различна. Имеются достаточно полные сведения, подтверждающие репродуктивную токсичность, тератогенность и эмбриотоксичность веществ изучаемой группы [18]. Вероятно, развитие таких неблагоприятных эффектов связано и с влиянием хлорацетанилидов на эндокринную систему. Так, некоторые авторы связывают воздействие различных веществ группы хлорацетанилидов с повреждением ткани семенников, нарушением сперматогенеза, активацией апоптоза в зародышевых клетках, нарушением эстрального цикла и овариальной функции, нарушениями роста и развития [19–23]. На основании доступных литературных данных можно предположить, что токсическое влияние хлорацетанилидов связано как с их прямым воздействием на рецепторы, так и опосредовано с влиянием через гипоталамо-гипофизарно-адреналовую систему (ГГАС), гипоталамо-гипофизарно-гонадную (ГГГ) и гипоталамо-гипофизарно-тиреоидную оси (ГГТ).

Гипоталамо-гипофизарно-адреналовая система

ГГАС является ключевым нейроэндокринным комплексом, играющим важную роль в адаптации, регуляции стресса и поддержании гомеостаза организма. При этом ГГАС динамична, изменяется на различных этапах развития. Ключевыми элементами системы выступают паравентрикулярное ядро гипоталамуса, в котором синтезируются кортикотропин-рилизиг-гормон (КРГ), и вазопрессин, стимулирующие выработку адренокортикотропного гормона (АКТГ) в передней доле гипофиза. АКТГ через сложный каскад последовательных биохимических реакций по прогестероновому пути стимулирует выработку глюкокортикоидных (кортизол) и минералокортикоидных (альдостерон) гормонов в коре надпочечников, которые по принципу отрицательной обратной связи тормозят выработку КРГ и АКТГ. Авторы указывают, что вазопрессин напрямую может усиливать секрецию альдостерона посредством действия на V1B-рецепторы, расположенные в мозговом веществе надпочечников, хотя это и не является основным механизмом [21–24]. Альдостерон преимущественно синтезируется при активации ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС) в ответ на сдвиги содержания ионов натрия Na⁺ в моче дистальных канальцев почки, объёма крови и её давления. Регуляция РААС в данном обзоре не рассматривается, так как данных о влиянии на неё хлорацетанилидов в доступной литературе найти не удалось. Однако имеются сведения о влиянии некоторых хлорацетанилидов (ацетохлор, пропизохлор) на синтез стероидных гормонов и чувствительность рецепторов к ним. Так, в работе [25] авторы обнаружили снижение выработки кортизола и ингибирование глюкокортикоидных рецепторов в эксперименте in vitro при воздействии пропизохлором, а в МР 1.2.0313–22 «Оценка и классификация опасности эндокринных разрушителей» ацетохлор отнесён к эндокринным разрушителям по изменению уровня альдостерона. Механизм влияния хлорацетанилидов на ГГАС на данный момент изучен недостаточно, но на основании имеющихся сведений можно предположить их влияние, в том числе и на ингибирование ключевых высокоспецифичных ферментов (3β-гидроксистероиддегидрогеназа, белок StAR, 17-альфа-гидроксилаза, 21-гидроксилаза и др.), участвующих в биосинтезе стероидных гормонов.

Гипоталамо-гипофизарно-гонадная ось

Гонадостероиды, синтезируемые под влиянием лютенизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего (ФСГ) гормонов, образуются по прегненолоновому и прогестероновому путям в семенниках и яичниках. Регуляция такого механизма представлена гипоталамо-гипофизарно-гонадной осью (ГГГ). В гипоталамусе вырабатывается гонадотропин-рилизинг-гормон (ГнРГ), стимулирующий выработку ЛГ и ФСГ аденогипофизом [26], которые оказывают регуляторные эффекты через специфичные рецепторы, локализованные в клетках теки и гранулезы фолликулов яичников, в клетках Лейдига и Сертоли семенников. ГГГ является ключевым механизмом регуляции функционирования репродуктивной системы, и нарушение её работы может оказывать серьёзное влияние на половое развитие, созревание и репродуктивную функцию, а на ранних этапах онтогенеза приводить к тяжёлым последствиям во взрослой жизни [20].

Влияние хлорацетанилидов на ГГГ изучено более полно, чем на ГГАС. Исследователи отмечают дозозависимое снижение уровней лютенизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего (ФСГ) гормонов при воздействии ацетохлора и метолахлора [19]. При этом в исследованиях in vitro показано, что ацетохлор, метолахлор и пропизохлор, а также некоторые их метаболиты конкурируют с дигидротестостероном за связывание с андрогенными рецепторами, проявляя антиандрогенную активность.

Антиандрогенная активность хлорацетанилидов наиболее выражена в отношении мужской репродуктивной системы. В экспериментах in vivo показано, что у самцов мышей хроническое поступление ацетохлора приводило к повреждению клеток Лейдига и Сертоли, атрофии семенных канальцев и индукции оксидативного стресса в семенниках [19]. Кроме того, хроническое воздействие приводит к значительному снижению концентрации, подвижности и жизнеспособности сперматозоидов, увеличению доли их аномальных форм.

Хлорацетанилиды оказывают и эстрогенное действие, для оценки которого были проведены экспериментальные работы на водных организмах. Известно, что одним из специфических маркёров эстрогенного действия ксенобиотиков является фосфогликопротеин – вителлогенин, основной питательный элемент желтка, синтезируемый в печени самок рыб в ответ на циркуляцию эндогенного эстрогена. В экспериментальной работе на самках рыб Данио рерио (Danio rerio) исследователи показали, что семидневное воздействие ацетохлора в концентрации 1 мкг/л приводит к повышению уровня вителлогенина и эстрадиола [27]. Кроме того, было установлено, что 1 мкг/л ацетохлора значительно повышает уровень мРНК гена CYP19A1A, кодирующего фермент ароматазу, которая преобразует андрогены (андростендион, тестостерон) в эстрогены (эстрон, эстрадиол) [28]. Результаты этих экспериментальных работ позволяют предположить, что ацетохлор не только имитирует функцию эстрадиола, но и может влиять на эндокринную регуляцию репродуктивной системы, стимулируя его синтез. Сходные результаты были получены исследователями при изучении воздействия бутахлора в концентрации 100 мкг/л. Обнаруживали изменения уровня гормонов у самок и самцов рыб Данио рерио (Danio rerio): снижение уровня тестостерона и эстрадиола у самок и повышение содержания вителлогенина даже в плазме крови самцов [29]. Данные исследования позволяют предположить, что у ацетохлора и бутахлора имеется выраженное эстрогенное действие. С учётом сходного химического строения веществ изучаемой группы подобные эффекты могут быть ожидаемы и при прицельном изучении других веществ из группы хлорацетанилидов.

Гипоталамо-гипофизарно-тиреоидная ось (ГГТ)

ГГТ относится к важнейшим системам регуляции множества физиологических и биохимических процессов во всех тканях организма. Регуляция системы подробно описана в работе В.И. Кандора [30]. ГГТ представлена гипоталамусом, гипофизом и щитовидной железой. В клетках преоптической области гипоталамуса синтезируется тиреотропин-рилизинг-гормон (ТРГ, тиреолиберин), представляющий собой трипептид пироГлю-Гис-Про-амид, поступающий в гипофиз через его воротную систему. Большая часть ТРГ содержится во внегипоталамических отделах головного мозга, где он может выполнять нейротрансмиттерную функцию, влияя на поведенческие и электрофизиологические процессы [31]. В гипофизе под влиянием ТРГ стимулируется секреция тиреотропного гормона (ТТГ), опосредованная действием ТРГ на специфические рецепторы в тиреотрофных клетках. ТТГ по принципу прямой положительной связи через сложный каскад биохимических реакций стимулирует выработку тиреоидных гормонов трийодтиронина (Т₃) и тироксина (Т₄) в щитовидной железе, которые поступают в кровеносное русло и связываются с клеточными рецепторами тканей. Сами же тиреоидные гормоны по принципу обратной связи оказывают ингибирующее действие на выработку ТРГ и ТТГ (рисунок).

Поступая в кровь, тиреоидные гормоны оказывают биологическое действие лишь в свободном состоянии. Т₃ и Т₄ частично связываются с гликопротеином и не оказывают биологических эффектов. Такой комплекс выполняет запасающую роль, из которого тиреоидные гормоны высвобождаются только при снижении их концентрации в циркулирующей крови. При этом до 80% Т₃ синтезируется не в щитовидной железе, а в периферических тканях из Т₄ под действием дейодиназ-йодтиронинов ферментами 1-го (Д₁) и 2-го (Д₂) типов [32].

Из-за сложной системы регуляции гормонов щитовидной железы воздействие эндокринных разрушителей может повлиять на множество мишеней. В работах зарубежных авторов имеются сведения о том, что экспрессия рецепторов ТТГ и дейодиназы является чувствительным молекулярным биомаркёром нарушения работы щитовидной железы у рыб, подвергшихся воздействию загрязняющих веществ из окружающей среды [33, 34]. Стоит отметить, что в доступной литературе мало представлена информация о прицельных исследованиях влияния веществ группы хлорацетанилиды на обмен тироеидных гормонов. Однако есть единичные работы, посвящённые изучению влияния ацетохлора на синтез Т₃ и Т₄ гидробионтов. Так, в исследовании [34] авторы отмечают влияние ацетохлора на экспрессию мРНК, кодирующей Д₂, результатом которого стало снижение уровня Т₄. При этом наиболее выраженным было влияние S-ацетохлора (левовращающегося энантиомера).

Сходные результаты были получены в другом исследовании [35]. Уровень Т₄ значительно снижался при воздействии ацетохлора в концентрации 50 мкг/л по сравнению с контрольной группой. Авторы отмечали выраженную зависимость «доза – эффект» в группах, подвергшихся воздействию S-ацетохлора и его рацемической смеси по сравнению с R-ацетохлором, начиная с концентрации 10 мкг/л. Кроме того, авторы обращают внимание на изменение соотношения T₃ / T₄ у личинок рыб Данио рерио под влиянием S-ацетохлора в концентрации 2 мкг/л.

Полученные результаты показывают, что ацетохлор может оказывать влияние на ГГТ- ось и приводить к неблагоприятным последствиям. Важно отметить, что наиболее токсичным являлся S-ацетохлор.

Хиральные свойства хлорацетанилидов

Все вещества изучаемой группы относятся к хиральным и представлены в виде R- и S-энантиомеров. Стоит отметить, что данным свойством обладают различные структуры, в том числе белки, нуклеиновые кислоты [36], сахара [37, 38], действующие соединения лекарств, новые наноматериалы, пестициды и др. Отмечено, что хиральность играет существенную роль в биомолекулярных взаимодействиях. Предположительно, активные центры клеточных рецепторов являются хиральными, чем обусловлен их различный аффинитет с энантиомерами веществ [16, 17, 39, 40]. От этого зависит биологическая эффективность пестицидов, в том числе хлорацетанилидов. Чаще всего наиболее активной формой (оказывающей наибольшее влияние на целевые объекты) являются левовращающиеся энантиомеры хлорацетанилидов. Приведённые в настоящей работе исследования указывают на энантиоселективность ацетохлора, метолахлора и пропизохлора при изучении воздействия на эндокринную регуляцию.

Кроме того, в предыдущей обзорной статье [18] мы обратили внимание на различные параметры токсикометрии в отношении тератогенности рац-диметенамида и его правовращающегося энантиомера (R-диметенамид). Так, R-диметенамид был наиболее токсичным для половозрелых самок крыс (матерей), чем для потомства (NOAEL для матерей – 25 мг/кг, для потомства – 300 мг/кг), а токсичность рацемической смеси для матерей и потомства не отличалась (NOAEL = 50 мг/кг для матерей и потомства). Тератогенность, эмбриотоксичность и репродуктивная токсичность хлорацетанилидов может иметь тесную связь с их влиянием на эндокринную систему, а с учётом сходного химического строения веществ изучаемой группы подобных эффектов возможно ожидать и от других соединений, данные о которых нам не удалось найти в доступной литературе.

Заключение

Соединения изучаемой группы обладают хорошей биологической эффективностью и широко используются агропромышленным комплексом во всем мире, при этом они могут оказывать неблагоприятное воздействие как на объекты окружающей среды, так и на организм теплокровных. Эндокринная система (ЭС), будучи важнейшей системой регуляции, контролирует практически все органы и ткани, реакции метаболизма, репродукцию и развитие. Важно оценивать возможное влияние ксенобиотиков на ЭС и соразмерно корректировать уровни их поступления в организм человека.

С учётом имеющихся данных мы рекомендуем при изучении токсического действия хлорацетанилидов в экспериментальных работах использовать следующие маркёрные показатели: для оценки влияния на ГГГ ось – фолликулостимулирующий гормон (ФСГ), лютенизирующий гормон (ЛГ), тестостерон, эстрадиол, эстрон (в экспериментах на крысах); для оценки влияния на ГГАС – альдостерон, кортизол, кортикостерон (основной глюкокортикоидный гормон крыс) и прогестерон (с учётом фазы эстрального цикла); для оценки влияния на ГГТ-ось – тиреотропный гормон (ТТГ), трийодтиронин (Т₃) и тироксин (Т₄).

Важно отметить, что уровень вышеуказанных маркёров может значительно изменяться в зависимости от времени суток, фазы эстрального цикла, стресса и воздействия других внешних факторов. Для их корректной оценки обязательным является соблюдение режима «день – ночь», кратности кормления, приручение (хэндлинг) животных перед проведением работ и оценка эстрального цикла у самок. При содержании животных мы рекомендуем придерживаться требований ГОСТ 33216–2014 «Руководство по содержанию и уходу за лабораторными животными. Правила содержания и ухода за лабораторными грызунами и кроликами».

С учётом различного аффинитета энантиомеров действующих веществ изучаемой группы стоит уделять особое внимание поиску наиболее эффективных и наименее токсичных энантиомеров, отказываясь от использования рацемических смесей, если это технологически представляется возможным.