Toxicological ReviewToxicological ReviewТоксикологический вестник0869-7922Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman64144110.47470/0869-7922-2022-30-5-286-296Original articlesОригинальные статьиToxicometabolomics — integration of preventive and analytical toxicologyТоксикометаболомика — интеграция профилактической и аналитической токсикологииhttps://orcid.org/0000-0003-0776-7434RadilovAndrey StanislavovichРадиловАндрей Станиславович
Russian Federation
radilov@gpech.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2911-1260UkolovAnton IgorevichУколовАнтон Игоревич
Russian Federation

PhD, deputy head of toxicological department FSUE «Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology» FMBA of Russia, 188663, g.p. Kuzmolovskii, Leningrad region, Russian Federation.

e-mail: AntonUkolov@gmail.com

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

e-mail: Ukolov.ai@gpech.ru

ukolov.ai@gpech.ruResearch Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology of FMBA of RussiaФГУП «научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентства1410202230528629604112024Copyright ©; 2022, Radilov A.S., Ukolov A.I.Copyright ©; 2022, Радилов А.С., Уколов А.И.2022Radilov A.S., Ukolov A.I.Радилов А.С., Уколов А.И.https://journals.eco-vector.com/0869-7922/article/view/641441

Introduction. This paper considers aspects of the development of a toxicokinetically based model for scaling the limit concentrations of toxic compounds in the air, estimating the coefficients of their material cumulation, as well as estimating the concentrations of toxicants in biological media expected in the course of biological control. The results of testing the model on the example of organophosphorus pesticides (OP) and volatile industrial pollutants (VIP) are presented.

Material and methods. For experimental modeling of intoxication, male chinchilla rabbits obtained from the Rappolovo nursery were used. Blood sampling was carried out from the marginal vein of the ear. For the highly sensitive determination of OP and VIP in biological samples, previously developed highly sensitive gas chromatographic techniques were used. Calculation of toxicokinetic parameters was made using a two-compartment model.

Results. A toxicokinetically based model for scaling the limit concentrations of toxic compounds in the air, estimating the coefficients of their material cumulation, and estimating the concentrations of toxicants in biological media expected in the course of biological control is proposed.

Research limitations. The proposed algorithm for scaling toxicokinetic parameters can be applied under the condition that the bioavailability of chemical compounds for the animal and human body is close, as well as the area under the toxicokinetic curve that is close to a linear dependence on the dose.

Conclusion. Using the proposed toxicokinetically substantiated model for scaling the threshold concentrations, recommendations were made on chemical-analytical methods of biological control in the working area and atmospheric air for OP and VIP.

Compliance with ethical standards. Studies were carried out in accordance with the requirements of good laboratory practice.

Author contributions: Radilov A.S. — the concept and design of the study, analysis of results; Ukolov A.I. — study planning, sample preparation, study execution and data processing. All co-authors — approval of the final version of the article, responsibility for the integrity of all parts of the article.

Acknowledgements. The authors are grateful to S.A. Dulov for many valuable comments that contributed to the quality of the publication. 

Conflict of interests. the authors declare no conflict of interests.

Funding. The study was not sponsored.

Received: September 08, 2022 / Accepted: September 22, 2022 / Published: October 30, 2022

Введение. В данной работе рассмотрены аспекты развития токсикокинетически-обоснованной модели масштабирования пороговых концентраций токсичных соединений в воздухе, оценки коэффициентов их материальной кумуляции, а также оценки концентраций токсикантов в биологических средах, ожидаемых в ходе биологического контроля. Приведены результаты апробации модели на примере фосфорорганических пестицидов (ФОП) и летучих промышленных загрязнителей (ЛПЗ).

Материал и методы. Для экспериментального моделирования интоксикации использовали кроликов-самцов породы шиншилла, полученных из питомника “Рапполово”. Отбор крови осуществляли из краевой вены уха. Для высокочувствительного определения ФОП и ЛПЗ в биологических образцах использованы разработанные ранее высокочувствительные газохроматографические методики. Вычисление токсикокинетических параметров было произведено с использованием двухкомпартментной модели.

Результаты. Предложена токсикокинетически обоснованная модель масштабирования пороговых концентраций токсичных соединений в воздухе, оценки коэффициентов их материальной кумуляции, а также оценки концентраций токсикантов в биологических средах, ожидаемых в ходе биологического контроля.

Ограничения исследования. Предложенный алгоритм масштабирования токсикокинетических параметров возможно применять при условии близости биодоступности химических соединений для организма животного и человека, а также близкой к линейной зависимости от дозы площади под токсикокинетической кривой. 

Заключение. С использованием предложенной токсикокинетически обоснованной модели масштабирования пороговых концентраций, сформированы рекомендации по химико-аналитическим методам биологического контроля в рабочей зоне и атмосферного воздуха для ФОП и ЛПЗ.

Соблюдение этических стандартов. Исследования выполнены в соответствии с требованиями надлежащей лабораторной практики.

Участие авторов: Радилов А.С. — концепция и дизайн исследования, анализ результатов; Уколов А.И. — планирование исследований, подготовка образцов, выполнение исследований и обработка данных. Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Благодарность. Авторы выражают благодарность С.А. Дулову за множество ценных замечаний, способствовавших качеству статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Поступила в редакцию: 08 сентября 2022 / Принята в печать: 22 сентября 2022 / Опубликована: 30 октября 2022

preventive toxicologytoxicokineticsextrapolationscalingпрофилактическая токсикологиятоксикокинетикаэкстраполяциямасштабированиегигиенические нормативыBowden J., Traylor B. The Most Effective Ways to Live Longer, Revised: The Surprising, Unbiased Truth About What You Should Do to Prevent Disease, Feel Great, and Have Optimum Health and Longevity. Fair Winds Press. 2019: 272.Bowden J., Traylor B. The Most Effective Ways to Live Longer, Revised: The Surprising, Unbiased Truth About What You Should Do to Prevent Disease, Feel Great, and Have Optimum Health and Longevity. Fair Winds Press. 2019; 272.Ukolov A.I., Migalovskaya E.D., Radilov A.S. Chromatomass-spectrometric study of blood plasma of rats exposed to aliphatic hydrocarbons with the number of carbon atoms from 1 to 5. Biomedicinskii zhurnal Medline.ru. 2015; 16: 329–34. (in Russian)Уколов А.И., Мигаловская Е.Д., Радилов А.С. Хроматомасс-спектрометрическое исследование плазмы крови крыс, подвергавшихся воздействию алифатических углеводородов с числом атомов углерода от 1 до 5. Биомед. журн. Medline.ru. 2015; 16: 329-34.Ukolov A.I., Migalovskaya E.D., Radilov A.S. Chromatomass-spectrometric study of biological samples of rats exposed to aliphatic hydrocarbons with the number of carbon atoms from 6 to 10. Biomedicinskii zhurnal Medline.ru. 2015.16: 335–43. (in Russian)Уколов А.И., Мигаловская Е.Д., Радилов А.С. Хроматомасс-спектрометрическое исследование биологических образцов крыс подвергавшихся воздействию алифатических углеводородов с числом атомов углерода от 6 до 10. Биомед. журн. Medline.ru. 2015; 16: 335-43.Ukolov A.I., Kessenikh E.D., Orlova T.I., Savelyeva E.I., Radilov A.S., Goncharov N.V. The effect of chronic inhalation exposure to small doses of aliphatic hydrocarbons C6–C10 on the metabolic profiles of the brain and liver of rats. Toksikologicheskii vestnik. 2017; 3: 31–41. (in Russian)Уколов А.И., Кессених Е.Д., Орлова Т.И., Савельева Е.И., Радилов А.С., Гончаров Н.В. Влияние хронического ингаляционного воздействия малых доз алифатических углеводородов С6-С10 на метаболические профили головного мозга и печени крыс. Токсикологический вестник. 2017; 3: 31-41.Ukolov A.I. Low resolution mass spectrometry in metabolic profiling of biological samples. Improvement of the method. Toksikologicheskii vestnik (Toxicological review). 2022; 30(3): 139–48. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-3-139-148 (in Russian)Уколов А.И. Масс-спектрометрия низкого разрешения в метаболическом профилировании биологических образцов. Совершенствование метода. Токсикологический вестник. 2022; 30(3): 139-48. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-3-139-148Ukolov A.I., Laptev D.S., Karmanov E.Yu., Karakashev G.V., Krivorotov D.V., Nechaikina O.V., Bobkov D.V., Petunov S.G. New biomarkers of unsymmetrical dimethylhydrazine (UDMH). Toksikologicheskii vestnik (Toxicological review). 2022; 30(3): 182–90. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-3-182-190 (in Russian)Уколов А.И., Лаптев Д.С., Карманов Е.Ю., Каракашев Г.В., Криворотов Д.В., Нечайкина О.В., Бобков Д.В., Петунов С.Г. Новые биомаркеры несимметричного диметилгидразина (НДМГ). Токсикологический вестник. 2022; 30(3): 182-90. https://doi.org/10.47470/0869-7922-2022-30-3-182-190Ukolov A.I., Shachneva M.D., Radilov A.S. identification of biomarkers of exposure and effect of 1,4-dichlorohexafluorobutene-2. Toksikologicheskii vestnik. 2019; 4(157): 23–31. (in Russian)Уколов А.И., Шачнева М.Д., Радилов А.С. Идентификация биомаркеров экспозиции и эффекта 1,4-дихлоргексафторбутена-2. Токсикологический вестник. 2019; 4(157): 23-31.Ukolov A.I., Sorokoumov P.N., Radilov A.S. determination of toxicokinetic indices of harmful chemical compounds to improve the efficiency of biomonitoring. Meditsina ekstremal’nykh situatsiy (Medicine of Extreme Situations, Russian journal). 2019; 21(1): 193–204. (in Russian)Уколов А.И., Сорокоумов П.Н., Радилов А.С. Определение токсикокинетических параметров вредных химических соединений для повышения эффективности биомониторинга. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; 21(1): 193-204.Ukolov A.I., Radilov A.S. Toxic metabolomics of hydroxylamine. Meditsina ekstremal’nykh situatsiy (Medicine of Extreme Situations, Russian journal). 2019; 21(1): 184–92. (in Russian)Уколов А.И., Радилов А.С. Токсикометаболомика гидроксиламина. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; 21(1): 184-192.Ukolov A.I., Kessenikh E.D., Radilov A.S., Goncharov N.V. Toxicometabolomics: Identification of markers of chronic exposure to low doses of aliphatic hydrocarbons. Zhurnal e`volyucionnoj biokhimii i fiziologii. 2017; 53(1): 25–36. (in Russian)Уколов А.И., Кессених Е.Д., Радилов А.С., Гончаров Н.В. Токсикометаболомика: поиск маркеров хронического воздействия низких концентраций алифатических углеводородов. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2017; 53(1): 24-32.Goncharov N.V., Ukolov A.I., Orlova T.I., Migalovskaya E.D., Voitenko N.G. Metabolomics: On the Way to an In-tegration of Biochemistry, Analytical Chemistry, and Informatics. Uspehi sovremennoj biologii. 2015; 5(4): 296–307. (in Russian)Гончаров Н.В., Уколов А.И., Орлова Т.И., Мигаловская Е.Д., Войтенко Н.Г. Метаболомика: на пути интеграции биохимии, аналитической химии, информатики. Успехи современной биологии. 2015; 135(1): 3-17.Ukolov A.I., Sorokoumov P.N., Ukolova E.S., Savelyeva E.I., Radilov A.S. Determination of dichlorvos, dimethoate, chlorpyrifos, fosalone, diazinon and methyl parathion in blood and urine by gas chromatography with tandem mass-selective detection. Analitika i kontrol. 2014; 18(3): 280–6. (in Russian)Уколов А.И., Сорокоумов П.Н., Уколова Е.С., Савельева Е.И., Радилов А.С. Определение дихлофоса, диметоата, хлорпирифоса, фозалона, диазинона и метилпаратиона в крови и моче методом газовой хроматографии с тандемным масс-селективным детектированием. Аналитика и контроль. 2014; 18(3): 280-6.Guidelines «Biological control of industrial exposure to harmful substances», Moscow: 1990. (in Russian)Методические рекомендации «Биологический контроль производственного воздействия вредных веществ». М.: 1990.Boxenbaum H. Interspecies variation in liver weight, hepatic blood flow, and antipyrine intrinsic clearance: extrapolation of data to benzodiazepines and phenytoin. J. Pharmacokin. Biopharm. 1980; 8: 165–76.Boxenbaum H.Interspecies variation in liver weight, hepatic blood flow, and antipyrine intrinsic clearance: extrapolation of data to benzodiazepines and phenytoin. J. Pharmacokin. Biopharm. 1980; 8: 165-76.Zherdev V.P., Boyko S.S., Shevchenko R.V., Bochkov P.O., Gribakina O.V., Raskin S.Yu. The role of studies of interspecies differences pharmacokinetics in the creation of new peptide drugs. Farmakokinetika i Farmakodinamika. 2018; 1: 3–23. (in Russian)Жердев В.П., Бойко С.С., Шевченко Р.В., Бочков П.О., Грибакина О.Г., Раскин С.Ю. Роль исследований межвидовых особенностей фармакокинетики в создании новых пептидных лекарственных средств. Фармакокинетика и Фармакодинамика. 2018; (1): 3-23.Zenkevich I.G., Ukolov A.I. Coding of the structural features of organic compounds for the estimation of chromatographic retention indices with the use of additive schemes. Journal of Structural Chemistry. 2010; 51(4): 642–51.Зенкевич И.Г., Уколов А.И. Кодирование особенностей структуры органических соединений для оценки хроматографических индексов удерживания с использованием аддитивных схем. Журнал структурной химии. 2010; 51 (4): 681-91.Zenkevich I.G., Ukolov A.I. Features of the Chromatography-Mass Spectrometric Identification of Condensation Products of the Carbonyl Compounds. Zhurnal obshhej khimii. 2011; 81(9): 1818–28. (in Russian)Зенкевич И.Г., Уколов А.И. Особенности хромато-масс-спектрометрической идентификации продуктов конденсации карбонильных соединений. Журнал общей химии. 2011; 81(9): 1479-89.