MODEL INTOXICATION OF LABORATORY ANIMALS BY POLYACRYLONITRILEPIROLYSIS PRODUCTS

Full Text

ВВЕДЕНИЕ С учетом высокой частоты возникновения пожаров, как в Российской Федерации, так и во всем мире, риск интоксикации оказавшихся в их зоне людей продуктами пиролиза различных полимерных материалов c каждым годом возрастает. Более 80% пострадавших на пожарах погибают в результате отравлений продуктами горения. При горении азотсодержащих материалов в атмосферу выделяется цианистый водород. Полиакрилонитрил ([-CH2CH(CN)-]n) - линейный полимер акрилонитрила белого цвета. При нагревании полиакрилонитрила на воздухе происходят термохимические изменения полимера, сопровождающиеся поглощением О2 и выделением СО, СО2, Н2О и NH3 (при температурах около 220 °С), при температурах свыше 270 °С происходит выделение цианистого водорода [1, 2]. Средства этиотропной терапии отравления цианидами, рекомендованные всемирной организацией здравоохранения в рамках Международной программы химической безопасности, представлены амилнитритом, тиосульфатом натрия, 4-диметиаминофенолом, этилендиаминтетрауксусной кислотой и гидроксикобаламином. На сегодняшний день в Российской Федерации в качестве антидота доступен только натрия тиосульфат (Государственный реестр лекарственных средств (по состоянию на 12 января 2020 г.)). Однако он не является специфическим при отравлении цианидами [3-5]. Цианиды во время пожара воздействуют вместе с другими токсикантами (монооксид углерода, хлороводород и т. д.), следовательно, монотерапия антидотом будет недостаточно эффективна. Исходя из этого, можно предположить, что целесообразно разрабатывать комплексный подход для лечения отравления продуктами пиролиза азотсодержащих полимерных материалов. Для реализации этой цели необходимы экспериментальные модели интоксикации лабораторных животных этими продуктами. ЦЕЛЬ Разработать экспериментальную модель интоксикации лабораторных животных продуктами пиролиза полиакрилонитрила. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Экспериментальное исследование выполнено на лабораторных животных (крысах). Формировали две их группы: контрольную и опытную. При проведении исследования выполняли требования нормативно-правовых актов о порядке экспериментальной работы с использованием животных, в том числе по гуманному отношению к ним [6]. В качестве материала для пиролиза использовали навеску полиакрилонитрильного волокна «искусственная шерсть», содержащего в своем составе 85% полиакрилонитрила. Термическое разложение полимера осуществляли в камере для пиролиза при температуре 270-350 °С в течение 3 мин. Образовавшиеся продукты термодеструкции, содержащие цианистый водород (далее продукты пиролиза), путем естественной конвекции поступали в ингаляционную камеру объемом 100 л, в которую помещали животных опытной группы. Содержание цианистого водорода в ингаляционной камере определяли с помощью газоанализатора PortaSens II (ATI, USA), оксида углерода и кислорода - при помощи газоанализатора ДАХ-М (Аналит-Прибор, Россия). Экспозиция токсикантов составляла 15 мин, после чего животных извлекали из камеры, и они дышали атмосферным воздухом. Животные контрольной группы дышали атмосферным воздухом в ингаляционной камере в течение 15 мин. Наблюдение за животными осуществляли до, непосредственно во время интоксикации и в течение 15 мин после воздействия. Регистрировали изменения общего состояния, положение тела в пространстве, ректальную температуру, частоту сердечных сокращений (ЧСС) и частоту дыхательных движений (ЧДД). Содержание карбоксигемоглобина в крови лабораторных животных определяли спектрофотометрическим методом непосредственно после окончания интоксикации. Через 10 мин после воздействия из брюшной аорты в месте бифуркации забирали артериальную кровь и определяли индекс оксигенации (ИО = PaO2/FiO2), артериовенозную разницу (Pa-v) и показатели кислотно-основного состояния при помощи прибора iSTAT (I-STAT Corporation, USA). Качественное обнаружение цианидов в образцах головного мозга и миокарда, полученных через 15 мин после интоксикации, осуществляли методом газовой хроматографии. Статистический анализ результатов экспериментальных исследований проводили при помощи программы Statistica 5.0, Statistica 10.0. К сравнению полученных данных, распределенных по закону отличному от нормального, применяли непараметрические критерии - U-критерий Манна-Уитни для несвязанных выборок; критерий Уилкоксона - для связанных. Данные в тексте представлены в виде медианы, верхнего и нижнего квартилей - Me [Qн; Qв]. Вывод о статистической значимости различий между группами принимали при p < 0,05. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В предварительной серии экспериментов методом пробит-анализа по Финни было установлено, что масса навески материала (содержащего 85% полиакрилонитрила), продукты пиролиза которого (в ингаляционной камере объемом 100 л) приводят к гибели 50% лабораторных животных в течение 24 ч после воздействия, составляет 0,81 ± 0,15 г. В дальнейших экспериментах использовали навеску материала массой 0,8 г. При увеличении температуры в камере для пиролиза более 270 °С в ингаляционную камеру начинал поступать белый дым. В результате анализа газовоздушной смеси в ней были обнаружены: цианистый водород в концентрации 80-120 ppm, оксид углерода - 900-1000 ppm, содержание кислорода в ингаляционной камере при одновременном нахождении в ней 6 животных в течение 15 мин снижалось не более чем на 0,5 об. %. При воздействии продуктов пиролиза, полученных в заданных условиях, суточная летальность животных составила 33 ± 17%. Их гибель регистрировали непосредственно при нахождении животных в ингаляционной камере и в течение 15 мин после окончания интоксикации. После поступления дыма в ингаляционную камеру признаков их раздражающего действия у лабораторных животных не отмечали. Через 4,5 [4, 2; 5, 1] мин прослеживали увеличение двигательной активности животных с последующей атаксией через 7,5 [7, 1; 8, 1] мин. Далее у животных отмечали появление мышечных подергиваний, переходящих в клонико-тонические судороги (на 8,4 [7, 8; 9, 3] мин). Содержание карбоксигемоглобина в крови лабораторных животных непосредственно после окончания воздействия составило 52,5 [49; 57] %. Динамика изменения показателей витальных функций и параметров оксигенации животных приведена в таблице 1. В течение первых 5 мин после воздействия у крыс фиксировали выраженную брадикардию и брадипноэ, по сравнению с фоновыми значениями (p = 0,02), снижение ректальной температуры (p = 0,04 по сравнению с фоном). Полное восстановление показателей витальных функций у выживших животных к фоновым значениям происходило через 6 ч после окончания интоксикации. При анализе параметров оксигенации было выявлено, что парциальное давление кислорода в артериальной крови не отличалось от контрольных значений. Однако отмечали увеличение парциаль- ного давления кислорода в венозной крови и артериовенозной разницы у животных, подвергшихся интоксикации по сравнению с контрольной группой (p = 0,03). Динамика изменения показателей кислотноосновного состояния отражена в табл. 2. Отмечали значимое снижение рН в артериальной крови, которое сопровождалось снижением (p = 0,04) дефицита оснований (BEect) и концентрации стандартного бикарбоната (HCO3 -), при этом парциальное давление СО2 в артериальной крови не изменялось (p > 0,05). Полученные данные свидетельствуют о развитии у лабораторных животных декомпенсированного метаболического ацидоза. При проведении газового хроматографического исследования биопроб головного мозга и сердечной мышцы крыс, полученных через 15 мин после окончания воздействия, обнаруживали пик цианидов со временем удержания 3,78 мин. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ В проведенном экспериментальном исследовании было показано, что при термической деструкции полиакрилонитрильных волокон (содержащих 85% полиакрилонитрила) образуются цианистый водород и оксид углерода. При проведении статической ингаляционной интоксикации продуктами пиролиза у лабораторных животных регистрировали признаки отравления веществами общеядовитого действия. Цианистый водород легко проникает через аэрогематический барьер. Так как HCN хорошо растворим в воде, то после попадания в системный кровоток он превращается в синильную кислоту. Синильная кислота - слабая кислота, что способствует ее быстрой диссоциации в крови до протона и циан-иона [7]. Наряду с нарушением функционирования дыхательной цепи и накоплением неметаболизируемых продуктов компенсаторно активирующегося гликолиза, этот фактор способствует значимому снижению pH, что прослежено в проведенном исследовании (табл. 2), и развитию метаболического ацидоза. Попадая в ткани, циан-ион связывается с трехвалентным железом цитохромоксидазы, что приводит к нарушению окислительного фосфорилирования и проявлению энергодефицита. Выраженный энергодефицит в этих тканях приводит к нарушению витальных функций, что сопровождалось формированием брадипноэ и снижением ректальной температуры (табл. 1). Наблюдаемое развитие брадикардии и тахипноэ в начальный период интоксикации может быть сопряжено с влиянием цианидов на рецепторы каротидного синуса. Прослеженное угнетение дыхания при значимом брадипноэ у животных может свидетельствовать о глубоком поражении центральной нервной системы, более восприимчивой к токсическому действию цианидов, или об изменениях терминальной фазы с угнетением обеих витальных функций. Данный патологический каскад событий, вероятно, обуславливает летальные исходы у животных, в том числе непосредственно во время ингаляционного воздействия продуктов пиролиза полиакрилонитрила [7]. Содержание в крови лабораторных животных карбоксигемоглобина (52,5 [49; 57] %) соответствует средней степени тяжести интоксикации СO. Вместе с тем, клинические проявления интоксикации и высокая летальность свидетельствуют о взаимном отягощении сочетанного гипоксического действия оксида углерода и цианистого водорода в составе продуктов пиролиза. Важно отметить, что сатурация кислорода и ИО не отличались (p > 0,05) от наблюдаемых у животных контрольной группы. Это свидетельствует о том, что в данной модели у лабораторных животных функции аэрогематического барьера не нарушены. Однако отмечали увеличение артериовенозной разницы (p = 0,03) после интоксикации, по сравнению с контрольными животными. Это свидетельствует о нарушении утилизации кислорода в тканях, вследствие блокирования электрон-транспортной дыхательной цепи циан-ионом. Данный факт был подтвержден обнаружением пика цианидов при проведении газового хроматографического исследования биопроб головного мозга и сердечной мышцы крыс (рис. 1). Таким образом, патологические изменения были обусловлены, в первую очередь, кислородтранспортной функцией крови, вследствие образования карбоксигемоглобина, и нарушением функций дыхательной цепи в тканях, вследствие ингибирования циан-ионом цитохромоксидазы. В результате проведенного исследования была разработана экспериментальная модель, в которой ингаляционное воздействие продуктов пиролиза полиакрилонитрильных волокон, содержащих цианистый водород и оксид углерода, приводило к тяжелой степени интоксикации лабораторных животных. Данная модель может быть использована для поиска средств этиотропной и патогенетической терапии отравления продуктами горения азотсодержащих полимерных материалов.

About the authors

M A Chaykina

S. M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Saint Petersburg, Russia

References

Supplementary files