medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2017-96-10-970-975medlit-932Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL INVESTIGATIONSАнализ связи способности веществ к кумуляции со структурой их молекулAnalysis of relationships between the capacity of chemicals to the cumulation and the structure of their moleculesХарчевниковаНина ВениаминовнаKharchevnikovaNina V.

Д-р биол. наук, вед. науч. сотр. лаб. эколого-гигиенической оценки и прогнозирования токсичности веществ ФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Минздрава России, 119991, Москва.

e-mail: kharchevnikova_n@mail.ru

MD, PhD, DSci., leading researcher of the Laboratory of ecological-hygienic assessment and prediction of the toxicity of substances of Center for Strategic Planning and Management of Medical and Biological Health Risks, Moscow, 119991, Russian Federation.

e-mail: kharchevnikova_n@mail.ru

kharchevnikova_n@mail.ruЖолдаковаЗ. И.ZholdakovaZ. I.noemail@neicon.ruЖуркоВ. И.ZhurkoV. I.noemail@neicon.ruФедорцоваД. Ю.FedortsovaD. Yu.noemail@neicon.ruБлиноваВ. Г.BlinovaV. G.noemail@neicon.ruФГБУ «Центр стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью» Минздрава РоссииCenter for Strategic Planning and Management of Medical and Biological Health RisksФедеральный исследовательский центр «Информатика и управление» РАНFederal Research Center “Computer Science and Control” of Russian Academy of Sciences2017211020209610970974Copyright © Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И., Журко В.И., Федорцова Д.Ю., Блинова В.Г., 20202020Харчевникова Н.В., Жолдакова З.И., Журко В.И., Федорцова Д.Ю., Блинова В.Г.Kharchevnikova N.V., Zholdakova Z.I., Zhurko V.I., Fedortsova D.Y., Blinova V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/932

Изучена связь способности веществ к функциональной кумуляции со структурой их молекул. При обосновании ПДК веществ в воде эта способность характеризуется классом опасности по кумуляции (далее — класс опасности), который устанавливается по коэффициенту отношения среднесмертельной дозы острого опыта к пороговой дозе хронического эксперимента. Поскольку изучить хроническую токсичность огромного числа новых химических соединений — неразрешимая задача, исследование возможности прогноза классов опасности представляет научный и практический интерес. С использованием логико-комбинаторного метода, названного в честь английского ученого-логика Д.С. Милля (ДСМ), выделены структурные группы в молекулах веществ, позволяющие определить принадлежность веществ к определённому классу опасности, а также изучена возможность прогноза класса опасности соединений в структурных рядах, содержащих эти фрагменты. Обучающая выборка (583 соединения) была автоматически выделена из базы данных WATERTOX, содержащей значения показателей острой и хронической токсичности для более 2000 химических веществ. Результаты работы показали, что ДСМ-метод ограниченно применим для определения классов опасности в этой гетерогенной выборке, поскольку не удалось однозначно определить перечень соединений, относящихся к классу умеренно кумулятивных. Однако с учетом этой неопределенности точность метода, оцененная с применением скользящего контроля, составила 78%. Вместе с тем, метод ДСМ позволил выделить из гетерогенной выборки структурные фрагменты молекул, ответственные за проявление функциональной кумуляции. Доказана связь классов опасности со структурой веществ в пределах однородных рядов и возможность прогноза классов опасности по этому показателю для неизученных соединений. Осуществлён прогноз классов опасности соединений, принадлежащих к нескольким структурным рядам, в том числе производных антрахинона, фталимидов, перфторированных алифатических соединений, хлорзамещенных фенолов, фенилмочевин.

The relationships between the capacity of chemicals to cumulate a toxic effect (functional cumulation) and the structure of their molecules were investigated. In the process of substantiation of safe levels (MAC) of substances in water this capacity is characterized by the cumulation hazard class (later in the text — hazard class). This class is stated to be depend on the value of the relationship between the mean lethal dose of the acute experiment and the threshold dose of the chronic experiment. The experimental study of a huge amount of new chemicals in the chronic experiments is a very difficult task, thus the study of the possibility to predict the hazard class of a chemical is of great scientific and practical interest. By using a logical combinatorial method JSM, named in honor of an English logic J.S. Mill, the structural groups in molecules, determining the appurtenance of these chemicals to a hazard class were identified and the possibility of the prediction of the hazard class of a chemical belonging to a definite structural array, containing such structural group were investigated. The training dataset (583 compounds) was automatically derived from the database WATERTOX, containing the data on acute and chronic toxicity for about 2000 substances. The results suggest the JSM method to be limitedly applicable for the determination of a hazard class of an untested chemical using this heterogeneous training dataset because we were unable to unambiguously derive the list of chemicals belonging to the class of moderately hazard substances. The chemical in some cases was predicted to belong to one or other of the neighboring classes. However taking in mind this uncertainty, the accuracy of the method evaluated, when using the “leave-one-out” method was 78%. Nevertheless the JSM method enables us to find structural subgroups “responsible” for the functional cumulation. The relation of the hazard class of a chemical belonging to a definite structural class with its structure and the possibility of the prediction of an untested chemical hazard class are demonstrated. The prognosis of the hazard classes for chemicals belonging to several structural sets including the anthraquinone derivatives, phthalimides, perfluorated aliphatic compounds, chlorosubstituted phenols, phenylureas is performed.

химические веществафункцинальная кумуляциякласс опасностипрогноз класса опасностиметод ДСМchemical substanciesfunctional cumulationhazardclasshazard class prognosisJSM methodReferencesКаган Ю.С., Красовский Г.Н., Штабский Б.М. Кумулятивные свойства химических соединений, их изучение и оценка. В кн.: Каспаров А.А., Саноцкий И.В., ред. Токсикометрия химичеcких веществ, загрязняющих окружающую среду. М.; 1986: 104-33.Kagan Yu.S., Krasovskiy G.N., Shtabskiy B.M. Cumulation properties of chemicals, its study and evaluation. In.: Kasparov A.A., Sanotskiy I.V., eds. Toxicometry of Chemical Substances, Polluting the Environment [Toksikometriya khimicheckikh veshchestv, zagryaznyayushchikh okruzhayushchuyu sredu]. Мoscow: 1986: 104–33. (in Russian)Штабский Б.М. Учение о кумуляции и его применение в профилактической токсикологии (Часть 1). Актуальные проблемы транспортной медицины. 2013; (2): 8-20.Shtabskiy B.M. Doctrine on cumulation and its application in preventive toxicology (Part 1). Aktual’nye problemy transportnoy meditsiny. 2013; (2): 8–20. (in Russian)Жолдакова З.И., Синицына О.О. Законономерности развития токсического процесса в зависимости от стадии дезорганизации и адаптации. В кн.: Материалы пленума Научного Совета по экологии человека и гигиене окружающей среды Российской Федерации «Приоритеты профилактического здравоохранения в устойчивом развитии общества: состояние и пути решения проблем». М.: 2013: 134-6.Zholdakova Z.I., Sinitsyna O.O. Consistent patterns of toxic process development depending on the stage of disorganization and adaptation. In: Materials of the Plenum of the Scientific Council for Human Ecology and Environmental Health of the Russian Federation «Priorities of preventive health care in the sustainable development of society: state and ways of solving problems» [Materialy plenuma Nauchnogo Soveta po ekologii cheloveka i gigiene okruzhayushchey sredy Rossiyskoy Federatsii «Prioritety profilakticheskogo zdravookhraneniya v ustoychivom razvitii obshchestva: sostoyanie i puti resheniya problem»]. Moscow: 2013: 134–6. (in Russian)Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В. Прогноз токсичности и опасности веществ по зависимости структура-биотрансформация-активность. Российский химический журнал. 2004; (2): 16-24.Zholdakova Z.I., Kharchevnikova N.V. Prediction of toxiciy and the hazard of substancies using the relationships «structure–biotransformation–activity». Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal. 2004; (2): 16–24. (in Russian)Жолдакова З.И., Харчевникова Н.В. Использование квантово-химических методов в прогнозе канцерогенности веществ. Вестник Российской академии медицинских наук. 2006; (4): 46-51.Zholdakova Z.I., Kharchevnikova N.V. The Use of quantum chemical methods in the prediction of carcinogenicity. Vestnik Rossiyskoy akademii meditsinskikh nauk. 2006; (4): 46–51. (in Russian)Guidance оn Grouping of Chemicals. Inter-organisation programme for the sound management of chemicals. Environment Directorate Organisation for Economic Co-Operation and Development. Paris, France; 2014Guidance оn Grouping of Chemicals. Inter-organisation programme for the sound management of chemicals. Environment Directorate Organisation for Economic Co-Operation and Development. Paris, France; 2014.Финн В.К. Правдопобные рассуждения в интеллектуальных системах типа ДСМ. В кн.: Финн В.К., ред. Автоматическое порождение гипотез в интеллектуальных системах. М.: ЛИБРОКОМ; 2009: 351-78.Finn V.K. Believable reasonings in the intellectual systems of JSM type. In: Finn V.K., ed. Automatic Hypotheses Generation in Intelligent Systems [Avtomaticheskoe porozhdenie gipotez v intellektual’nykh sistemakh]. Moscow: LIBROKOM; 2009: 351–78. (in Russian)Харчевникова Н.В., Блинова В.Г., Добрынин Д.А., Жолдакова З.И. Интеллектуальный анализ канцерогенности химических соединений с помощью стратегий метода, основанного на логике Джона Стюарта Милля. Научно-техническая информация. Серия 2. Информационные процессы и системы. 2009; (11): 18-23.Kharchevnikova N.V., Blinova V.G., Dobrynin D.A., Zholdakova Z.I. Intellectual analysis of the chemical substancies carcinogenicity using the strategies of the method based on John Stuart Mill’s logic. Nauchno-tekhnicheskaya informatsiya. Seriya 2. Informatsionnye protsessy i sistemy. 2009; (11): 18–23. (in Russian)Харчевникова Н.В., Блинова В.Г. Прогнозтоксичности химических соединений с использованием метода ДСМ. Научно-техническая информация. Серия 2. Информационные процессы и системы. 2007; (12): 10-5.Kharchevnikova N.V., Blinova V.G. The prognosis of chemical substancies toxicity using the JSM method. Nauchno-tekhnicheskaya informatsiya. Seriya 2. Informatsionnye protsessy i sistemy. 2007; (12): 10–5. (in Russian)База данных WATERTOX. Эколого-гигиенические свойства химических веществ, загрязняющих окружающую среду (токсичность и опасность веществ).Database WATERTOX. Ecologo-hygienicproperties of chemicals, polluting the environment(toxicity and hazard of substances). (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.