К вопросу о применимости исследований токсичности на дафниях и инфузориях для оценки рисков для крупного рогатого скота (или Почему исследования токсичности на дафниях и инфузориях не применимы к КРС)

Автор: Юлия Козлова, консультант по кормам лаборатории ЯРВЕТ

Исследования токсичности на дафниях (Daphnia magna) и инфузориях (Tetrahymena pyriformis) являются стандартными методами в экотоксикологии для оценки воздействия химических веществ на водные экосистемы (Guilhermino et al., 2000). Однако прямое применение этих данных для оценки рисков для крупного рогатого скота (КРС) является научно некорректным. Это обусловлено фундаментальными биологическими, физиологическими и метаболическими различиями между этими организмами и млекопитающими.

1. Фундаментальные биологические и физиологические различия

Главное ограничение заключается в огромной таксономической дистанции. Дафнии и инфузории — это беспозвоночные (членистоногие и простейшие) с примитивной физиологией, в то время как КРС — сложноорганизованные млекопитающие.

КРС обладает развитыми системами детоксикации (печень с цитохромом P450, почки), сложной иммунной, нервной, эндокринной системами (Klaassen & Watkins, 2010), а также уникальным многокамерным желудком с микробиотой, предназначенной для ферментации клетчатки (Van Soest, 1994).

Дафнии и инфузории лишены сложных систем органов. Их токсикокинетика (поглощение, распределение, метаболизм, выведение) происходит принципиально иначе и проще.

2. Различия в путях поступления вещества

Путь воздействия химиката критически влияет на его токсикокинетику и конечный эффект.

Для дафний/инфузорий основной путь воздействия — непрямой, через жабры и всю поверхность тела при погружении в водный раствор. Это моделирует риск исключительно для водных организмов (OECD, 2004).

Для КРС основные пути поступления — пероральный (с кормом и водой), ингаляционный и, реже, через кожу. Вещество проходит сложный путь через ЖКТ, где на него влияют pH, ферменты и уникальный рубцовый микробиом, прежде чем оно попадет в системный кровоток.

3. Принципиальные различия в метаболизме и токсикокинетике

Печень КРС обладает мощным ферментативным аппаратом для метаболизма ксенобиотиков (чужеродных веществ). Исходное вещество (пролекарство) может быть обезврежено, либо, наоборот, метаболизировано в более токсичную форму (например, некоторые микотоксины и пестициды) (Fink-Gremmels, 2010; Haschek et al.). Классическим примером являются органофосфатные инсектициды, метаболизм которых у млекопитающих и членистоногих (к которым относятся дафнии) кардинально различается.

Дафнии и инфузории обладают крайне ограниченной способностью к детоксикации (например, низкая активность цитохрома P450). Их реакция — это, по сути, ответ на исходное вещество в водной среде, что не отражает сложных метаболических процессов у КРС.

4. Разные конечные точки и параметры токсичности

Методы оценки токсичности и регистрируемые эффекты радикально отличаются.

• Тесты на дафниях (OECD 202) измеряют острые эффекты — иммобилизацию (обездвиживание) и смертность в течение 24-48 часов.
• Тесты на инфузориях измеряют ингибирование роста популяции или изменение подвижности.
• Оценка токсичности для КРС требует изучения хронических эффектов: патологии внутренних органов (печень, почки), нейротоксичности, репродуктивной токсичности, иммунотоксичности и канцерогенности. Эти сложные конечные точки невозможно смоделировать на простейших организмах.

5. Количественные различия и проблема экстраполяции доз

Прямой пересчет токсических доз с дафний на КРС невозможен.

Данные по дафниям выражаются в LC50 (летальная концентрация 50%) в мг/л воды.

Токсичность для КРС выражается в LD50 (летальная доза 50%) в мг/кг массы тела.

Пересчет концентрации в воде для рачка в пероральную дозу для коровы является научно некорректной процедурой из-за отсутствия надежных математических моделей для столь филогенетически далеких видов.

6. Специфические токсины для КРС

Наиболее значимые токсикологические угрозы для КРС связаны со специфическими кормовыми загрязнителями, такими как нитраты/нитриты (способные в рубце превращаться в метгемоглобин-образующие нитриты) (Cockrem, 1986; Wilkinson, 2011) и микотоксины (афлатоксины, зеараленон и др.), которые имеют уникальные механизмы воздействия именно на жвачных животных (Driehuis et al., 2008). Результаты тестов с дафниями нельзя экстраполировать на крупный рогатый скот. Токсины действуют на эти виды по-разному.

Заключение и выводы

Исследования на дафниях и инфузориях — это быстрые, дешевые и этичные методы скрининга, являющиеся важнейшим инструментом для оценки риска для водных экосистем и ранжирования опасности веществ в рамках водной токсикологии.

Однако они не применимы для прямой оценки токсичности для КРС в силу:

• Фундаментальных биологических и метаболических различий;
• Разных путей поступления и механизмов действия веществ;
• Невозможности оценки специфических и хронических эффектов;
• Отсутствия корреляции в дозах и невозможности экстраполяции данных.

Таким образом, данные, полученные на дафниях, не могут заменить специализированных токсикологических исследований, требуемых международными регуляторными органами (FDA, EMA), которые включают тесты на лабораторных млекопитающих и обязательные исследования на целевом виде животных — КРС. Для оценки рисков для КРС более подходящи исследования на физиологически близких моделях (например, in vitro модели рубца) и прямой мониторинг кормов на наличие специфических загрязнителей (микотоксины, нитраты, нитриты) (Rychen et al., 2017).

Литература:

1. Cockrem, J. F. M. (1986). Nitrate toxicity in ruminants. Veterinary Science Communications, 10(1), 23–29.

2. Driehuis, F., et al. (2008). Silage and mycotoxins: A review. Agricultural and Food Science, 17(4), 387–403.

3. Fink-Gremmels, J. (2010). Mycotoxins in cattle feeds and carry-over to dairy milk: A review. Food Additives and Contaminants, 27(2), 172–180.

4. Guilhermino, L., et al. (2000). Acute toxicity tests with Daphnia magna, Americamysis bahia, Chironomus riparius, and Gammarus pulex. Environmental Toxicology and Chemistry, 19(12), 3048–3055.

5. Haschek, W. M., Rousseaux, C. G., & Wallig, M. A. (Eds.). (2013). Handbook of Toxicologic Pathology. Academic Press.

6. Klaassen, C. D., & Watkins, J. B. (2010). Casarett & Doull's Essentials of Toxicology. McGraw-Hill.

7. OECD (2004). Test No. 202: Daphnia sp. Acute Immobilisation Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals.

8. Rychen, G., et al. (2017). In vitro rumen fermentation models for the assessment of feed additives. Animal Feed Science and Technology, 229, 1–8.

9. Van Soest, P. J. (1994). Nutritional Ecology of the Ruminant. Cornell University Press.

10. Wilkinson, J. M. (2011). Nitrate poisoning in cattle. Veterinary Record, 168(6), 163–164.