УДК 613.2:615

СУЧАСНІ ДОСЯГНЕННЯ ХАРЧОВОЇ ТОКСИКОЛОГІЇ

В.І. Смоляр, доктор мед. наук, професор

Національний університет харчових технологій, м. Київ, Україна

SUMMARY. An article are notion the gates of food toxicology: materials of daily loads of human diets of native and antropogenic toxicants of people, systems and mechanisms of detoxication in human organism and their classification.

В останні 20 років харчова токсикологія характеризується виключно високими темпами накопичення фактичного матеріалу. Це зумовлено не тільки всезростаючою кількістю нових хімічних сполук, які виробляє світова промисловість і які з різних причин потрапляють до харчових продуктів, а й з відкриттям токсичності природних харчових продуктів [1—3].

До 80-х років XX ст. розвиток харчової токсикології базувався на беззастережному уявленні, що доброякісні харчові продукти, одержані з незабрудненої натуральної сировини, особливо рослинного походження, і які традиційно вживають у їжу є нетоксичними для людини. Непорушність такого уявлення спиралась на багатовіковий досвід "практичної" харчової токсикології, основний інструмент якої — це метод проб і помилок. У певній мірі цей погляд вплинув на розвиток досліджень і методологію харчової токсикології. Протягом більшої частини розвитку її головним завданням була оцінка функціонального стану і морфологічних змін організму в умовах дії харчових компонентів або продуктів.

У кінці XX ст. сформувалось уявлення про те, що не існує абсолютно нешкідливих харчових продуктів [4]. Адже всі продукти рослинного походження містять так звані продукти вторинного обміну рослин, до яких відносяться глікозиди, алкалоїди, флавоноїди, терпеноїди, органічні кислоти. Вивчення складної і тонкоорганізованої взаємодії між рослинами і тваринами привело до відкриття, що присутність в рослинах токсичних продуктів вторинного обміну слугує способом їх захисту від вторгнення інших рослин у зону їх зростання, попереджає поїдання їх тваринами. 3'ясувалось, що рослини створюють навколо себе зони токсичності, гальмуючи в їх межах розвиток інших рослин. Таке явище одержало назву алелопатіі. Тепер доведено, що синтез токсинів спостерігається у багатьох культурних рослин як зернових (пшениця, овес), так і овочевих (огірки, помідори та інші). Іноді харчові продукти рослинного походження можуть накопичувати токсичні речовини в концентраціях, які викликають специфічні отруєння — харчові токсикози [5]. Так, алкалоїд картоплі соланін, присутній в усіх її сортах, здатен накопичуватися в ній у разі позеленіння бульб під дією сонячних променів або внаслідок її пророщення і викликати навіть смертельні отруєння. Відома пряма токсична дія сполук, близьких за будовою до амінокислот, наприклад ДОФА (3,4-дигідроксифенілаланін), який пригнічує активність ферменту тирозинази, необхідного для синтезу амінокислоти тирозину. Тепер відомо близько 300 таких токсичних азотовмісних сполук у рослинних продуктах, особливо поширених серед бобових.

Давно відома токсична дія ціаногенних глікозидів, які містяться в ядрах кісточкових плодів. У літературі описані випадки отруєнь при вживанні ядер абрикос, вишень та слив, а також наливок, які протягом кількох років настоювались разом з кісточками і накопичили значну кількість синильної кислоти [5]. Так, в разі вживання 30 ядер абрикосових кісточок (15 г) через 30 хвилин виникає слабкість і диспное, коматозний стан і гіпотермія [5].

Ряд продуктів рослинного походження містять токсичні білки, наприклад, рицин у рицині, інгібітори трипсину в бобових та ін. Близько 40 видів рослинних продуктів містять так звані фітоестрогени (соєві боби, морква, капуста, горох, рис, соняшникова олія та ін.) Надходження до організму сполук естрогенної будови може сприяти виникненню гормональних реакцій, впливаючи навіть на процеси відтворення населення. Відомі випадки порушення менструального циклу в жінок при вживанні часнику, ячменю, кави, насіння соняшника, петрушки, картоплі. У Нідерландах під час другої світової війни вчені спостерігали корелятивну залежність між використанням в їжу цибулин тюльпанів (унаслідок відсутності звичайної цибулі) та порушенням менструального циклу і недостатньою овуляцією у жінок.

У кінці ХХ століття в продуктах рослинного походження відкрито багато токсичних сполук, які відносяться до класу фенолів або похідних вуглеводів відносно простої будови. Описана токсичність щавлевої кислоти, що міститься в щавлі, шпинаті, салаті, ревені, баклажанах. Вважають, що щавлева кислота гальмує кінцевий етап процесу тканинного дихання в дихальному ланцюзі, інгібіруючи фермент сукцинатдегідрогеназу. Пряму небезпеку становлять рослини, які містять понад 10% щавлевої кислоти на суху масу [6].

У кінці XX ст. відкрито, що ряд продуктів містять пресорні аміни, які сприяють підвищенню артеріального тиску крові. Такі продукти як петрушка, морква, мускатний горіх містять галюциноген міристицин (табл. 1).

Тривале вживання кави, яка містить кофеїн, викликає підвищення артеріального тиску. Виявлена залежність організму людини від вживання кофеїну. Недавно відкрито, що синдром відміни кофеїну має мігренеподібну симптоматику з розвитком головного болю, нудоти, блювання, а також епілептоїдних реакцій, тривожно-панічних порушень та так званого "почуття стресу".

Розвиток харчової токсикології пов'язаний також із всезростаючою кількістю нових потенційно небезпечних хімічних сполук, які виробляє для господарчих потреб промисловість. У наш час загальна кількість відомих людині хімічних речовин сягає 6 мільйонів. Багато з них різними шляхами потрапляють до харчових продуктів (пестициди, нітрати, нітрити, токсичні елементи, антибіотики, гормони, харчові добавки та ін.). Якщо вважати, що отруєння будь-якою хімічною речовиною (етіологічний фактор) являє собою нозологічну одиницю, то виявиться, що за числом таких харчових токсикозів наука про харчування переважає усі інші класи та групи захворювань, хоча відповідно з прийнятою класифікацією хвороб відносяться лише до одного розділу, який включає "нещасні випадки, отруєння та травми". Не випадково останнім часом почали широко вживати термін "хімічна патологія продуктів" [4], який підкреслює не тільки значимість і поширеність харчових токсикозів хімічного походження, а й, що особливо важливо, поєднання харчової токсикології та патофізіології в підході до вивчення патологічного процесу, викликаного хімічними токсичними агентами. У зв'язку з цим особливу актуальність становлять методологічні проблеми харчової токсикології, розробка теорії, яка б дозволила з позицій загальної патології розглядати механізми дії токсичних речовин, що містяться в харчових продуктах.

З поглибленням уявлень про можливі біологічні ефекти хімічних сполук у кінці ХХ ст. сформулювалось нове уявлення про можливі мішені токсичної дії, а разом з ними нові напрями досліджень у харчовій токсикології, зокрема вивчення мутагенної активності харчових продуктів. Тепер відомо понад 200 рослин, які містять сполуки, мутагенні ефекти яких можна порівняти з руйнівної дією такої відомої отруйної речовини як іприт [7]. Це дає можливість ще раз свідчити про помилковість уявлень щодо безпеки харчових продуктів і добавок рослинного походження. Класифікація токсичних компонентів харчових продуктів наведена в таблиці 2.

Розвитку харчової токсикології сприяли значні досягнення в аналітичній хімії, зокрема в хроматографії, що дало змогу виявляти мізерно малі концентрації різних хімічних речовин у складі харчових продуктів. У кінці 50-х років XX ст. світова наука зробила значний крок уперед, у з'вязку з чим дозвільна здатність методів аналітичної хімії збільшилась від десятих частин процента до частин на мільярд, а в деяких випадках навіть до частин на трильйон. Таке суттєве збільшення чутливості методів дослідження призвело до виявлення в харчових продуктах слідів забруднення, про які до цього часу навіть не підозрювали. Постало питання про значення таких, здавалося б мізерних кількостей, хімічних речовин для безпеки харчування. У цей час експертна група з безпеки харчування США заявила, що "вміння вчених перевищило їх здатність інтерпретувати ці результати". Але таке положення речей існувало недовго. Розвиток науки привів до висновку, що абсолютно безпечних продуктів у природі не існує, оскільки не існує жодного компонента харчових продуктів, який не був би безпечним для тієї чи іншої частини населення. Такий підхід дав змогу сформулювати поняття ризику і його оцінку.

Оцінка ризику включає три основні критерії: важкість небезпеки, частоту та час появи ефекту. Важкість небезпеки може коливатися від слабко вираженої, що проявляється тимчасовим дискомфортом, до більш серйозних, але зворотних ефектів, і, в решті решт, до незворотних наслідків, включаючи смерть. Частота появи небезпеки обчислюється кількістю випадків або інтенсивністю виникнення даного ефекту. Час появи небезпеки зумовлює час виникнення ефекту з моменту дії небезпеки і може змінюватися від раптової появи ефекту до віддалених наслідків.

Прийняття поняття ризику та його оцінки зумовили необхідність розробки допустимих рівнів шкідливих речовин у харчових продуктах. У 70-х роках XX ст. під егідою ФАО/ВООЗ була створена міжнародна програма розробки стандартів харчових продуктів. Головним її органом стала комісія "Кодекс аліментаріус". Членами її є 117 країн світу. У результаті роботи комісії створені 18 томів, які містять близько 200 міжнародних стандартів на харчові продукти. У цей же період були розроблені державні стандарти на харчові продукти та на харчові добавки.

Три системи оберігають внутрішнє середовище організму людини від токсичних сполук: монооксигеназна цитохром Р-450-система печінки, імунологічна та видільна. В організмі людини внаслідок високорозвиненої системи детоксикації з токсичних речовин утворюються водорозчинні нетоксичні кон'югати, які, в решті решт, виводяться з організму. Для здійснення цього процесу організм людини має цілу низку ферментів, які перетворюють первинний токсин на метаболіт, здатний утворювати кон'югати з цукрами або аніоном сульфатів (рис. 1). Кінцева стадія процесу детоксикації — це виведення сполук із сечею та жовчю.

Серйозні зрушення сталися в проблемі вивчення процесів окиснення токсичних сполук ферментними системами, які містять багаточисленні форми цитохрому Р-450. Тепер доведено, що цитохромна Р-450-система є основною системою, де здійснюється окиснення всіх чужорідних речовин. Відомо кілька десятків тисяч ксенобіотиків, які окиснюються з участю цитохрому Р-450 різними механізмами. У процесі окиснення ксенобіотиків можуть утворюватися проміжні активні метаболіти, які можуть спричиняти пошкоджуючу дію в клітинах шляхом модифікації макромолекул, порушення проникності біологічних мембран, стимулювання реакцій пероксидного окиснення. Пошкоджуючу дію в клітинах спричиняють не тільки побічні продукти гідроксилювання, а й обов'язкові проміжні інтермедіати, які входять до складу основного каталітичного циклу. Вважають, що не існує чужорідних речовин, які окиснюються в організмі людини оксигеназними системами без утворення токсичних сполук. Звідси виходить, що нешкідливість використання будь-яких добавок у харчуванні населення виглядає, м'яко кажучи, необгрунтованим.

Найбільшу активність щодо окиснення чужорідних речовин має ферментна система окиснення клітин печінки. Це основна ферментна система, де проходить окиснення ксенобіотиків. Звернена увага на подібність багатьох ізоформ цитохрому Р-450 до імуноглобулінів, які утворюються в організмі у відповідь на введення чужорідних сполук. Останнім часом з'явились дані, які свідчать про мікрогетерогенність усередині різних ізоформ цитохрому Р-450. Свідчення про моноклональний принцип біосинтезу індукованих форм цитохрому Р-450 ще більше пояснює цю подібність. Різниця полягає в тому, що імуноглобуліни утворюються у відповідь на введення високомолекулярних чужорідних сполук, а цитохром-450 — низькомолекулярних.

Доведено, що високотоксичні метаболіти, які утворюються в процесі детоксикаційної дії цитохрому Р-450-гідроксилазної системи, навіть у малих концентраціях здатні спричиняти канцерогенні, мутагенні, алергенні та інші ефекти. Останнім часом накопичена достатня кількість експериментальних даних, які свідчать про те, що в основі цих ефектів знаходиться здатність продуктів метаболізму низькомолекулярних сполук ковалентно зв'язуватись з біомакромолекулами. В біомакромолекулах існує багато нуклеофільних центрів, які можуть бути атаковані електрофільними метаболітами низькомолекулярних сполук. Так, наприклад, метаболіти 3,4-бензопірену, загалом поліциклічних вуглеводнів та інших сполук, укорінюючись у молекулу ДНК, змінюють структуру нуклеотидів, які контролюють біосинтез гістидину, що є причиною мутації та злоякісного росту. Ковалентна модифікація макромолекул продуктами метаболізму ксенобіотиків та активними формами кисню, яка утворюється в монооксигеназній системі, є причиною розвитку багатьох токсичних ефектів і знаходиться в основі сучасних уявлень про механізм хімічного канцерогенезу, мутагенезу та виникнення алергічного стану.

До досягнень харчової токсикології в ХХ ст. слід віднести також краще розуміння механізмів токсичності хімічних сполук. Як відомо, феномен гострого летального пошкодження асоціюється з порушенням клітинного енергетичного метаболізму. Клітинний і тканинний некроз виникає внаслідок гальмування АТФ-залежних катіонних насосів, які відповідають за підтримання електролітного та водного гомеостазу. В результаті натрій і вода акумулюються в межах клітини, викликають розширення клітин, набряк мітохондрій і, в решті решт, припинення процесу дихання мітохондрій і окисного фосфорилювання. Цей феномен цитотоксичності є причиною некроза тканин, який може бути результатом отруєння багатьма чужорідними забруднювачами харчових продуктів хімічного походження, зокрема ртуттю, арсеном, ціанідами, нітратами. Як приклад, у таблиці 3 наведено токсичний вплив нітратів на процеси окисного фосфорилювання в лабораторних тварин [8].

У другій половині XX ст. з'ясовано добове навантаження різними токсикантами харчового раціону людини (табл. 4). Серед них багато представників природного та антропогенного походження. Для частини з них з'ясована добова допустима доза (ДДД).

Визначним досягненням токсикології ХХ ст. було відкриття симптомокомплексів мікротоксикозів хімічних токсикантів, зокрема мікромеркуріалізму, мікросатурнізму та ін. Важливою стала донозологічна діагностика хронічних отруєнь. Так, критеріями інтоксикації при т.зв. лабораторному сатурнізму вважають зменшення активності дегідратази амінолевулінової кислоти, збільшення вмісту амінолевулінової кислоти та копропорфірину в сечі, появу ретикулоцитозу та збільшення кількості еритроцитів з базальною зернистістю. Значними є досягнення в розкритті специфічної токсичної дії різних мікотоксинів. Визначені їхні гранично допустимі рівні в харчових продуктах.

У ХХ ст. розкриті особливості дії малих доз радіонуклідів на організм людини, сформульовані основні положення радіозахисного харчування (рис. 2).

Розуміння існування взаємозв'язаних елементів небезпеки дало поштовх розробці точного визначення поняття безпеки в суспільстві. Тепер безпека — це не абсолютна відсутність ризику, а прийнятний рівень ризику. Так, співробітники управління з контролю якості харчових продуктів та медикаментів США, проаналізувавши поширеність маргінальних меж безпеки майже 1600 речовин за 10 ступенями важливості, що вираховувалася шляхом визначення відношення рівнів дії, одержаних під час експериментів на тваринах, до рівнів їхнього вмісту в організмі людини, встановили кілька важливих фактів. Перший з них — це те, що основний фактор безпеки вказаної групи сполук дає гарантію, яка становить 10000. Другий факт стосується того, що більш як 95% досліджених сполук дають фактор безпеки на рівні 1000 і більше. Третім фактом був той, що широке розмаїття факторів безпеки, яким підпорядковані досліджувані сполуки, робить обов'язковим встановлення першочерговості дії законодавства по відношенню до різних харчових добавок. Останнім часом харчові токсикологи США, які займаються проблемою безпеки харчових продуктів, стали більше цікавитися мікрокомпонентами харчових продуктів, ніж токсичністю хімічних речовин, які свідомо додають до харчових продуктів.

Таким чином, наука і законодавство стають важливим компонентом діяльності, пов'язаної з безпекою харчових продуктів.

Тепер відомо, що токсичність різних хімічних речовин у складі харчових продуктів значно менша, ніж ізольованих, що пояснюється їх входженням в органічно зв'язані форми. Тому визначення порогу шкідливої дії є однією з найскладніших проблем харчової токсикології. Певний внесок у вирішення цієї проблеми вносять дослідження токсикокінетики, зокрема процесів резорбції, розподілу в організмі, метаболізму та екскреції. Але дослідження з використанням токсико-кінетичних показників як критеріїв шкідливості та прогнозування безпечного рівня за рубежем практично не проводяться, а у нас вони дуже обмежені [9].

У 70-х роках XX ст. була висловлена думка, що токсико-кінетичним критерієм шкідливості може слугувати початок гальмування виведення надлишків речовини з організму. Створена навіть концепція нелінійності процесів токсикокінетики. Для речовин, які метаболізуються, як правило, токсична дія зумовлена продуктами метаболізму, тому при прогнозуванні безпечного рівня орієнтуються на виведення початкової речовини з крові. Але тепер цей показник вважають неточним. Запропоновано використовувати як критерій шкідливості початок пригнічення метаболічної дезінтоксикації, про що можна гадати, наприклад, по співвідношенню між вмістом висхідної речовини та її метаболіту в сечі. Зменшення виведення метаболітів на певному рівні може затримуватися, що свідчить як про відносне зменшення метаболічного знешкодження, так і про напруження процесу виведення. У всякому разі вважають, що зменшення метаболічної детоксикації відіграє прогностичну роль. Існує думка, що в замкнутих системах, наприклад у космічних кораблях, перевищення у 2 рази рівня природних метаболітів в організмі приводить до шкідливого ефекту. Очевидно, вирішення цього важливого питання буде предметом наукових досліджень у недалекому майбутньому.

Все більшого значення набуває удосконалення програми токсиколого-гігієнічного обгрунтування безпечності харчових продуктів [10, 12]. Адже можливий негативний вплив на здоров'я людини не лише забруднювачів харчових продуктів, а й змінених характеристик самих продуктів харчування. Як відомо, дотепер традиційна харчова токсикологія базується на дослідженні значень обмеженої кількості фізіологічних, біохімічних та гігієнічних показників в умовах дії спожитої дози токсиканта. На підставі їх аналізу встановлюється недіюча доза та формується уявлення про механізм токсичної дії. Разом з тим сформувалось уявлення, що кожний патологічний процес є, по суті, результатом порушення генетичної регуляції [11]. Нещодавно успішно завершена програма розшифрування геному людини — встановлена послідовність нуклеотидів у ДНК. Геном людини містить понад 30 тисяч генів. Це значне досягнення стимулювало розвиток нового напряму в токсикології — токсикогеноміки, яка вивчає токсичні властивості хімічних сполук та механізми їх дії на основі дослідження прямих змін експресії генів [11]. Останнім часом розроблені ефективні технології, які дають можливість з винятковою швидкістю і точністю одночасно отримати інформацію щодо рівнів експресії тисяч генів. Вже відомі десятки схем експресії генів у відповідь на дію окремих токсичних речовин та розробляються відповідні бази даних. Отже, отриманий новий чутливий і точний інструмент ідентифікації дії токсиканта. Оскільки генетичний рівень реакції є більш чутливим, ніж фізіологічний, і потребує менше часу, то впровадження методів токсикогеноміки буде сприяти внесенню корективів у традиційні методи класичної харчової токсикології. М.Г. Проданчук [12] вважає, що методи токсикогеноміки для оцінки безпечності харчових продуктів — це не тільки потужний механізм визначення індивідуальної чутливості до дії харчових речовин чи забруднювачів, адже однакова генно-експресорна відповідь на дію хімічної сполуки для різного генотипу буде мати різні наслідки — це можливість дослідження субтоксичної дії подій, що призводять до розбалансування геному та зумовлюють зміни реактивності організму у відповідь на дію інших додаткових чинників. Все це дає можливість встановлення індивідуалізованих механізмів розвитку патологічних процесів (алергенних реакцій, канцерогенезу та ін.) на більш високому рівні чутливості.

У кінці XX ст. отримано більш як 300 генетично модифікованих продуктів. Для їх токсиколого-гігієнічної оцінки вчені використовують концепцію еквівалентності, згідно з якою оцінка грунтується на порівнянні генетично модифікованої рослини із своїм аналогом, створеним звичайним шляхом. Концепція еквівалентності піддається справедливій критиці. У разі її використання для оцінки генетично модифікованих продуктів виникає кілька ще невирішених проблем. Серед них визначення токсичних властивостей модифікованих білків, вивчення їх біодоступності, можливість генної передачі до організмів інших видів, можливість незапланованих ефектів від дії нової генетичної конструкції. Так, не виключена можливість окремих генів-промоторів вірусного походження виступати індукторами канцерогенезу [13].

Отже, першочерговою задачею є створення надійних засобів ідентифікації чужорідного генетичного матеріалу в трансгенній продукції. Одним з таких засобів є простий і водночас досконалий метод виявлення трансгенної ДНК за допомогою полімеразної ланцюгової реакції. Наявність наборів стандартних касет експресії, які застосовуються в світовій практиці для отримання трансгенних рослин, висока чутливість і швидкість отримання результатів, відносно невелика вартість дослідження роблять реальним його впровадження для токсикологічної оцінки генетично модифікованих продуктів [10]. Проблема безпеки генетично модифікованих продуктів викликає серйозні суперечки серед вчених та широких мас споживачів. Позитивні моменти створення цієї продукції: підвищення врожайності, економічні переваги, захист від шкідників, але вони не мають створювати невпевненості в безпечності нових технологій. Очевидно, це питання буде вирішене в недалекому майбутньому.

Таким чином, у ХХ ст. харчова токсикологія досягла значного розвитку. Тепер вона ґрунтується на більш широкому уявленні про потенційну токсичність харчових продуктів. У кінці ХХ ст. сформульовано поняття ризику і дана його оцінка, розроблені гранично допустимі рівні токсикантів у харчових продуктах та високочутливі методи їх визначення. До досягнень харчової токсикології в ХХ ст. слід віднести також краще розуміння механізмів токсичності хімічних сполук як природного, так і антропогенного походження.

Література
1. Трахтенберг І.М. Книга о ядах и отравлениях. К.: Наукова думка, 2000. —368 с.
2. Штабський Б.М., Гжегоцький М.Р. Ксенобіотики, гомеостаз і хімічна безпека людини. —Л.: Наутілус, 1999. —307 с.
3. Эйхлер В. Яды в нашей пище. —М.: Мир, 1993. —189 с.
4. Toxicology letters: Abstracts of the Intern.Congr. of toxicology. —Paris, 1998. —270 p.
5. Смоляр В.І. Фізіологія та гігієна харчування. К.: Здоров'я, 2000. —332 с.
6. Смоляр В.І. Сучасний стан харчової токсикологі // Сучасні проблеми токсикології, 2000. —№3. —С. 53—56.
7. Покровский А.А. К теории действия биологически активных веществ пищи. В кн.: Научные основы разработки продуктов детского и диетического питания. —М., 1976. —С. 7—34.
8. Лаврушенко Л.Ф. Окисні процеси в мітохондріях під впливом ксенобіотиків та їх аліментарна корекція. Автореф. докт.дис. К., 1998. —32 с.
9. Циганенко О.І. Нітрати в харчових продуктах. К.: Здоров'я, 1990. —51 с.
10. Проданчук М.Г. Токсиколого-гігієнічні основи безпечності харчових продуктів // Журнал АМН України, 2002. —Т. 8, №4. —С. 693—702.
11. Jannaccone P.M. Toxicogenomics: The call of wild chip editorial // Environ. Health Respect. —2001. —109. —P. A8—A11.
12. Проданчук М.Г., Подрушняк А.Е., Антонович Е.А. Принципы оценки токсикологических экспериментов на животных с учетом различной чувствительности к токсикантам взрослых и детей // Сучасні проблеми токсикології, 2001. —№3. —С. 9—16.
13. Method development in relation to regulatory requirement for the detection of GMOs in the food chain. —Brussels: IZSI Europe, Report Series, 2001. —54 p.