Тестирование биологической активности ксенобиотиков

1. Тестирование биологической активности ксенобиотиков

ТЕСТИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
АКТИВНОСТИ КСЕНОБИОТИКОВ

2.

1. Общие принципы биологического тестирования
ксенобиотиков
2. Структура автоматизированной системы испытаний
3. Оценка первичной безопасности ксенобиотиков

3. Общие принципы биологического тестирования ксенобиотиков  

Общие принципы биологического тестирования
ксенобиотиков
Желаемое соотношение объема внедрения новых чужеродных соединений в
практику человеческой деятельности, а следовательно, в биосферу, и объема
внедрения новых знаний специалисты сравнивают с «песочными часами», где
песчинки символизируют новые химические соединения. Верхняя сфера этих
часов – область, где создаются эти новые химические соединения, нижняя –
область, где они применяются. Узкий перешеек – область, где определяется
биологическая активность веществ. Перетекают только те песчинкисоединения, которые перешли перешеек, другого пути нет.

4.

Для осуществления указанных выше целей необходимо эффективное массовое
испытание ксенобиотиков на биологическую активность, которое получило название
скрининга.
Идея скрининга возникла достаточно давно. В 1910 г. одна из немецких фирм испытала
около 1200 производных акридина. Было выявлено три фармакологически важных
препарата: трифловин (против паразитических заболеваний), риванол (антисептик),
акрихин (противомалярийный). В поисках заменителя хинина в 30-е гг. прошлого века
было исследовано 16 000 соединений, принадлежащих к различным группам. Среди
них 7618-м по счету оказался хлорохин, а 13 272-м – притахин.
хинин
хлорохин

5.

В 1966 г. в США в поисках противоопухолевых препаратов было испытано около 114 000
соединений, из которых было отобрано 12 потенциальных лекарств, но ни одно из них
не стало достаточно значимым в своем классе фармакологических препаратов.
С 1928 г. в СССР на протяжении 10 лет в поисках алкалоидов под руководством А. П.
Орехова было исследовано 700 растений, среди которых было выделено всего 60
алкалоидов. В следующие 10 лет исследовались еще 4500 растений и было открыто
еще 20 алкалоидов.
Организовал систематическое изучение
алкалоидоносной флоры СССР; в результате изучения
свыше 800 растений были выявлены ранее
неизвестные алкалоидоносные семейства растений и
доказано, что наличие алкалоидов не является строго
специфичным для определённых видов или
семейств; А. П. Ореховым и его сотрудниками
открыто около 100 новых алкалоидов, в числе
Книга А. П. Орехова «Химия алкалоидов» (1938) —
первое русское руководство по этому разделу
фитохимии
Орехов А.П. (1887-1939)

6.

Система тестирования ксенобиотиков по видам биологической активности может
включать два взаимосвязанных подхода.
Первый – уровень целевого объекта испытаний (человек, животное, растение,
биогеоценоз), на который направлено действие искомого ксенобиотика, исходя из
целей поиска (лекарство, ветеринарное средство, гербицид и т. д.),
Второй – совокупность тест-объектов, базирующихся на использовании более
примитивной организации живой материи, чем целевой. Использование второго
подхода оправдано в тех случаях, когда первый не обеспечивает достаточной
производительности и т. д.

7.

Существует ряд особенностей, затрудняющих индустриализацию процесса
биологического испытания соединений на целых организмах, в частности на
животных. К ним относятся следующие:
необходимость большого количества животных в качестве тест-объектов;
затрата большого количества исследуемого химического соединения. Как
правило, на первых порах синтезируются десятки–сотни миллиграмм вещества;
ограниченность автоматизации процесса;
единичный акт испытания химического соединения на животных мало
управляем во времени и требует достаточно длительного срока.
Таким образом, работая с небольшими
массивами химических соединений и
определяя немного видов активности,
для достижения любой из названных
выше целей можно использовать
животных как основной тест-объект.
Однако при индустриальных масштабах
испытаний возникает необходимость
обратиться к исследованиям на
тканевом, клеточном, молекулярном
уровнях строения живого.

8.

Здесь необходимо использовать принцип качественного подобия –
эпиморфизма тест-объекта и целевого объекта в отношении определенного
биологического свойства ксенобиотика.
Принцип эпиморфизма – принцип конструктора: из небольшого количества
деталей построить как можно большее количество фигур.
Аналогично для построения системы испытаний использовать принцип
биологического эпиморфиза – используя как можно меньшее количество тестобъектов определить большее количество биологических активностей.

9.

При использовании эпиморфных моделей необходимо определить
оптимальный уровень детализации модели по отношению к целостному
организму. Для этого в системе используются тест-объекты на клеточном
уровне организации, представляющие все царства живого и основные типы
тканей организма человека, у которых в совокупности определяются все
основные реакции (гибель, повреждение, адаптация, проницаемость,
метаболизм ксенобиотиков, синтез белка и ДНК, возбудимость и т. д.).
Регистрируемые биологические реакции называются тест-реакциями.

10.

Для тестирования биологической активности ксенобиотиков необходимо
разработать принципы отбора и стандартизации тест-объектов.
Отбор тест-объектов предлагается проводить по следующим критериям:
1. по молекулярным рецепторам, являющимся мишенями для веществ с
данными видами активности;
2. принципу надмолекулярной организации и молекулярному составу
(близость по структуре);
3. функциональному сходству; органному или тканевому происхождению;
4. близости патологического состояния тест-объекта и реального объекта.

11.

Первый критерий является самым надежным. Например, на нем основан выбор
ганглиев прудовика как модели нейронов головного мозга в отношении медиаторных
и антимедиаторных видов биологической активности. Высокая гомология или даже
тождество рецепторов для медиаторов у моллюсков и позвоночных служит
основанием для надежности прогноза этих активностей на целевой тест-объект.
Второй (близость по структуре) и третий (близость по функции) критерии
используются при выборе моделей для оценки влияния на подвижность
(сперматозоиды, тетрахимена), дыхание и гликолиз (печень, эритроциты, клетки
опухолей), фотосинтез (водоросль Nitella), химический гомеостаз (печень –
монооксигеназная система).
Общность таких процессов, как жгутиковая
подвижность, окислительное
фосфорилирование и гликолиз, фотосинтез,
монооксигеназная система, дают известную
уверенность в том, что полученные на
определенных тест-объектах данные можно
переносить на подобные системы других видов
тканей. Однако при этом следует иметь в виду,
что высокая гомология надмолекулярной
структуры или функции молекулярной системы
не означает одинаковости молекулярного
строения элементов, слагающих систему.

12. Структура автоматизированной системы испытаний

Всю совокупность операций по классификации ксенобиотиков представляют
следующим образом.
1. Классификация по видам биологической активности на основании
химических, физических и физико-химических свойств испытуемых
соединений при отсутствии биологического тест-объекта. Учитываются
известные и дополнительные экспериментально установленные физикохимических свойств соединений.
2. Классификация по результатам взаимодействия соединений с моделями
клетки, организма, биосферы

13.

Система биологических испытаний химических соединений включает многоуровневый
набор тестов и состоит из двух уровней. Первый уровень – базовый, через него
проходят все соединения, которые по результатам этого прохождения направляются к
специализированным тестам.
Базовый уровень состоит из трех подуровней. На первом подуровне на основании
известных сведений о структуре и свойствах производится первичный анализ
принадлежности соединения к уже известным классам биологической активности.
На втором подуровне классификация дополняется экспериментально определенными
дополнительными физико-химическими характеристик веществ.
На третьем подуровне в систему вводятся тест-объекты. Основным тест-объектом здесь
является изолированная клетка. На этом подуровне регистрируется способность
чужеродных химический соединений влиять на основные свойства живой клетки, рост,
дыхание, энергетика, биосинтез, способность к генетическим изменениям и т. д.

14.

Второй уровень, меньший по пропускной способности, – надстройка.
Надстройка работает в режиме нахождения полезных или вредных для
человеческого организма биологических активностей испытуемых химических
соединений.
Вся совокупность операций по классификации ксенобиотиков выглядит
следующим образом:
классификация химических соединений по видам биологической активности
на основании теоретически и экспериментально полученных физикохимических свойств испытанных химических соединений;
классификация по результатам взаимодействия чужеродных соединений с
моделями клетки, организма, биосферы.

15.

Последовательность проведения биологических испытаний ксенобиотиков,
ориентированных на поиск лекарственных препаратов и оценку их безопасности, в
общем виде представлена на рисунке.

16.

В обязательном порядке при тестировании исключаются токсичные и не обладающие
заданной активностью) вещества

17.

Вначале биологический тест-объект может быть обучен на определенном классе
известных химических соединений. Затем проводится классификация по степени
сходства его реакций на вновь тестируемое химическое соединение и на вещества из
обучающей выборки.
В бактериологических пробирках на дистиллированной воде готовили серийные
разведения солей испытуемых тяжелых металлов в концентрациях 1: 2,5; 1:5; 1:10; 1:20;
1: 40; 1: 80 и т.д. В другие бактериологические пробирки вносили по 1 мл живых
культур инфузорий и затем в каждую из них добавляли такое же количество
испытуемых растворов солей токсичных металлов, что снижало действующую
концентрацию в два раза. По результатам наблюдений определялась доза
(концентрация раствора в серийных разведениях) при которой в используемой культуре
простейших наблюдалась :
быстрая гибель ( в течение нескольких секунд) [++++];
снижение двигательной активности, разрушение и гибель клеток наступала через
несколько минут [+++];
разрушение и гибель клеток происходило через 1,5 - 2 часа [++];
двигательная активность практически не менялась, обнаруживалась гибель
незначительного (1–10%) количества тест-объектов [+];
отсутствие каких - либо изменений [о].

18.

Необходимо отметить, что следует различать специфические и неспецифические
модели тест-объектов. Первые как раз и имеют четко выраженные молекулярные
мишени-рецепторы (первый критерий), реагирующие на определенные химические
соединения, т. е. на определенные виды биологической активности.

19. Оценка первичной безопасности ксенобиотиков

Предполагается решать проблему первичной оценки биологической
безопасности ксенобиотика на субклеточном и тканевом уровнях в
автоматизированном режиме. В этом случае система включает три
подсистемы: информационную, экспериментальную и управляющую.
Информационная подсистема производит автоматизированный сбор,
обработку полученных теоретических и экспериментальных данных и
формирует итоговый документ («паспорт») о биологической активности
испытуемого ксенобиотика.
Управляющая подсистема в соответствии с целями и задачами производит
последовательное переключение на соответствующую тест-систему,
осуществляет смену и дозировку экспериментальных растворов,
поддерживает заданный (временной) режим испытаний и т. д.
Непосредственное выявление биологической активности ксенобиотика
осуществляется в экспериментальной подсистеме, включающей
многоуровневый подбор тест-объектов, позволяющих провести оценку
токсических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов.

20.

21.

22.

23.

The end