Феномен рождения людей с дефектами озадачивал людей с древности. Влияние генетических факторов и факторов окружающей cреды стали рассматриваться в эмбриологии приблизительно за последние два столетия. В конце 19-го века работа с цыплятами, как главным предметом исследования дефектов глаз, сердца, нервной системы и скелета, вызывало недовольство у физиков и химиков. Поэтому работа проводилась на рыбах, амфибиях и рептилиях. Эмбрионы млекопитающих, обладающих пороками, стали рассматриваться для таких манипуляций не раньше 1930-х годов. Затем были предложены к рассмотрению существенные недостатки в питании (например, недостаток витамина А) и различные химические соединения как причины анатомических дефектов. В данное время найдено приблизительно около тысячи химических соединений, которые вызывают развитие аномалий у лабораторных животных. Первое убедительное доказательство того, что рождение людей с дефектами могло быть вызвано влиянием окружающей среды, появилось в 1940-х годах. Эпидемия инфекции вируса Рубелла в Австрии совпала с увеличением случаев дефектов глаз, сердца, ушей и с увеличением умственных отклонений среди детей, матери которых были инфицированы в течение беременности. Корреляция типа дефекта со временем инфицирования в течение беременности показала, что аномалии сердца и глаз появлялись главным образом в результате инфицирования в течение первых двух месяцев беременности, тогда как аномалии слуха и речи, а также умственные отклонения появлялись в результате инфицирования в течение третьего месяца беременности. Также незначительный относительный риск аномалий существует при инфицировании на более поздних стадиях беременности. Только в США насчитывается 20 000 детей, страдающих дефектами, которые вызваны вирусом Рубелла, что стимулирует программу иммунизации для предотвращения распространения этого потенциального бедствия. В конце 1950-х годов в Японии стало ясно, что воздействие метилированной ртути из окружающей среды может вызывать серьезные нарушения человеческого здоровья. Загрязнение залива Минамата этим веществом в промышленных стоках привело к высокой концентрации метилированной ртути в рыбах и моллюсках и высокому потреблению метилртути неподозревающими семьями, проживающими вблизи, для которых рыба была главным ингредиентом в рационе. В 1956 г. были описаны симптомы внутриутробных аномалий, таких как нарушения нервной системы (нарушение чувствительности и координации, общий паралич, после чего может наступить смерть). В тоже время, было зарегистрироны 7% случаев “идиотизма” среди новорожденных, получивших метилртуть посредством передачи через плаценту от матерей, подвергавшихся влиянию этого соединения. Полученная доза затем пополнялись новой дозой новорожденным через материнское молоко. Обследование школьников через несколько лет в старших группах, которые подвергались сильному внутриутробному воздействию, показало широкое распространение серьезного умственного отставания (18-30%). Последующие эпизоды с другими веществами показали, что некоторые химические соединения вызывали серьезное развитие проблем в случае доз, безопасных для матерей. Коварная проблема появления токсичных свойств у лекарств вышла в свет после трагедии, связанной с лекарством салидомидом, шокировавшей мир в начале 1960-х годов. Салидомид был разработан немецкой компанией и прописывался в Европе для предотвращения тошноты во время беременности. Этот препарат не продавался в США, так как FDA официально предупредила, что он обладает случайным побочным эффектом на периферическую нервную систему и поэтому нуждается в более глубоком изучении. В 1959 г. клиника в Гамбурге столкнулась с одним случаем, который был впоследствие назван салидомидный синдром (отсутствие конечностей или их сильное повреждение, часто происходящее при сопутствии дефектов сердца, глаз, ушей, почек, кишечника). В 1960 г. наблюдалось уже 30 случаев, а в 1961 г. в этой клинике зарегестрировано 154 случаев. Хотя до этого, в 1948-1958 годах не было зарегестрировано ни одного случая. Когда была обнаружена причина происходящего, лекарство было немедленно изъято, и синдром исчез, оставив 5850 жертв по всему миру. Ретроспективный анализ показал, что риск неправильного формирования плода был высоким, в частности, потому, что критический период (6-7 недель беременности) был сильно близок ко времени использования препарата. Эта эпидемия привела к развитию тестирования вторичного токсического влияния, принятого на федеральном уровне. Было посчитано количество инцидентов неправильного развития у детей в США. Большая доля эмбрионов, порядка 31%, погибла. Среди рожденных детей 4% имели серьезные дефекты при рождении. Картина изменялась до 6-7% к концу первого года. Незначительные дефекты составляли 14%, низкий вес у младенцев был в 7% случаев, нарушения в функциях нервной системы в 16-17%. Смертность младенцев в течение первого года жизни, обусловленная неправильным развитием, была меньше 1%. Эта картина показывает, что дефекты при рождении являются серьезной проблемой в обществе. Причины дефектов при рождении вызывают интенсивный интерес. Предполагается, что приблизительно 20% таких случаев вызвано генетическими причинами, возникающими либо при наследовании от родителей, либо из-за ошибок в репликации ДНК в прериод развития. Неустойчивость в материнской среде окружающей плод, возникающая из-за неправильного питания, приводит к 4% случае, а инфицирование матерей к 3% случаев. Низкая доля (1-2%) деформаций может возникать из-за физических причин (например, ампутация пуповины). Менее чем один процент случаев дефектов вызван химическими соединениями, а оставшиеся 65% или более случаев возникают из-за неизвестных причин. Устанавливать механизм действия яда в человеческом организме достаточно сложно, фактически известно только около 50 таких веществ. Главной проблемой является то, как вычесть фоновое увеличение дефектов. Поэтому характерный пример высокого риска возникновения дефектов после лечения, как в случае с салидомидом, облегчает идентификацию. Для нового вещества можно обнаружить случайное увеличение специфичных дефектов или синдромов, которые могут быть связаны с лечением в течение ранних стадий беременности. Дальнейшее исследование развития дефектов у животных может дать ясное представление в будущем. Для предотвращения рождения детей с аномалиями, тестирование животных на развитие дефектов сейчас является частью стандартной программы исследования новых химических соединений. Однако ранние исследования соответствующих моделей на млекопитающих показали, что разные виды значительно различаются по своей чувствительности. Последние исследования изотретинона (производного витамина А) показали, что люди в 25 раз более чувствительны к его тератогенному действию, чем кролики и в 250 раз чувствительнее мышей. Обезьяны приблизительно в 10 раз менее чувствительны, чем мы. Наблюдается также различие в чувствительности в зависимости от ткани. Даже среди приведенных видов наблюдаются разительные различия в чувствительности. В случае триамциполона (производное гидрокортизона), резистентная линия мышей продемонстрировала более быстрый метаболизм вещества, чем чувствительная линия, так что эмбриону досталось намного меньше вещества, которое приводит к формированию характерного дефекта вкуса. Можно представить, таким образом, большое влияние полиморфизма ферментов на индивидуальную чувствительность. В виду больших и часто непрогнозируемых видовых различий в чувствительности, приближение результатов тестирования животных к человеку является трудной задачей. Последний обзор тестирования животных показал, что из 38 известных человеческих тератогенов, только 20% были положительны для тестируемых лабораторных животных. Из 165 соединений считающихся нетератогенами для человека, 40% дало положительный результат при тестировании в более чем одном виде лабораторных животных. Все это свидетельствует о серьезности проблемы. Было отмечено, что даже если бы программа тестирования была сделана вовремя, когда разрабатывали салидомид, этот препарат все равно могли бы разрешить использовать. Трудности при интерпретации результатов для разных видов важно учитывать при изучении механизмов действия токсикантов, хотя это нелегкая задача. Механизм действия салидомида, например, до сих пор неизвестен. Как отмечалось ранее, внутриматочная cреда может быть источником проблем. Двумя важными примерами являются диабет и фенилкетонурия. Инсулин-зависимые диабетики могут адаптироваться к содержанию глюкозы в крови в пределах 150-250 мг/дл, но они могут не осозновать, что уровень сахара должен быть в значительной степени понижен до 95-120 мг/дл для предотвращения дефектов при рождении. В противном случае ребенок может страдать дефектами сердца и нервной системы. В идеальном случае уровень сахара в крови проверяется 4-8 раз в сутки, в том числе и ночью. Фенилкетонурия была выявлена в 1934 г., тем самым была найдена причина умственного отставания детей. Эта болезнь вызывается отсутствием фермента фенилаланин гидроксилазы. Когда фенилаланин не превращается в тирозин, создается его высокая концентрация в крови, что является токсичным для мозга новорожденного. Специальная диета с низким содержанием фенилаланина была разработана в 1953 г., в результате чего появилась возможность избежать умственного отставания, если начать вовремя ее применять. Проверка новорожденных началась в 1963г., так что младенцы с этой болезнью могут немедленно начать получать специальный рацион. Этот подход был настолько успешен, что сейчас люди, страдающие фенилкетонурией, имеют семьи. К несчастью, женщины с этим синдромом, которые не контролировали свою диету, рождают детей с врожденным умственным отставанием и аномалиями сердца. Фенилаланин передается от матери к ребенку через плаценту, так что плод может подвергаться воздействию. Симптомы могут быть значительно уменьшены тщательным контролем за диетой матери, но и это не гарантирует избежание эффекта. Экспериментальные исследования пороков развития на животных и эпидемиологические исследования на человеческой популяции показали, что определенное время воздействия в период беременности, особенно начало средней стадии, было критическим для формирования дефектов. Эти наблюдения могут быть рационализированы путем рассматривания стадий эмбрионального развития. На восьмой клеточной стадии, если произошло изолирование от других клеток, каждая клетка проявляет способность образовать эмбрион. Последующие деления дают увеличение бластоцисты, содержащей жидкость, заполняющей впадины тысячами клеток, большинство из которых предназначены для формированя поддерживающих тканей и только небольшая доля будет формировать плод. За малым исключением, обработка токсичным веществом на ранних стадиях обычно наносит вред жизнеспособности эмбриона или понижает темп роста, но не дает анатомических дефектов. В течение следующей фазы развития, внутренняя клеточная масса проходит гаструляцию, что предполагает формирование трех эмбриональных слоев (эктодермы, эндодермы, мезодермы), из которых развиваются различные ткани. Избирательная часть клеток имеет высокий темп размножения и формирует структуры, которые обнаруживаются в системах главных органов. Некоторые группы клеток мигрируют по эмбриону и участвуют в формировании различных структур. Зачатки органов формируются в течение первых 3-х – 8-ми недель. Клетки могут проявлять очень различающуюся чувствительность к токсичным веществам. Если определенные клетки селективно утрачены или даже если не происходит их миграции, то возникает большая вероятность развития порока, часто даже более чем в одной ткани. К восьмой недели беременности система органов в основном оказывается сформированной. После этого, главным образом, происходит быстрое увеличение числа клеток и полное развитие тонкой структуры ткани. Таким образом, воздействие токсичными химическими соединениями на определенные типы клеток в течение этого времени, как правило, вызывает морфологические аномалии и функциональные дефициты. Важнейшим примером могут быть изменения взаимодействия нервных окончаний. Когда нервные окончания запускают процесс, они связываются с нервными и многими другими клетками. Некоторые из этих взаимосвязей усиливались в течение последующего развития, в то время как другие взаимодействия были утеряны за ненадобностью. Этот процесс может быть изменен химическими соединениями, в результате чего могут даже возникать дефекты поведения. Эти дефекты могут не проявляться до определенного времени после рождения. Функциональные изменения иммунной системы, сердца, легких и печени также могут не проявляться сразу после рождения. Задержка роста и смертность являются главными явлениями в течение первых двух недель, до тех пор, пока клетки подвергаются специализации и происходит формирование зачатков эмбриональных органов. Последующее время, когда разнообразные системы органов являются восприимчивыми, проявляются значительные и незначительные дефекты. Воздействие в более позднее время ведет к функциональным изменениям. Отмечено, что нервная система имеет более долгий чувствительный период. Подобные зависимости могут существовать и для других видов, но время беременности (18 дней у мышей и 21 день у крыс, например) и чувствительные периоды могут быть разными. Эта информация может быть важной для открытия тестов и интерпретирования результатов. Плацента имеет решающие функции во время беременности, являясь проводником питания для внутриутробного плода. После разделения кровеносных систем матери и плода питательные вещества должны поступать через стенки кровяных сосудов матери, вступая во взаимодействия с тканями и стенками кровяных сосудов эмбриона. Это может являться барьером для перемещения токсичных веществ, однако, этот барьер не очень селективный. Например, гидрофобные соединения (например, метилированная ртуть) быстро проходят через него. Плацента проявляет способность метаболизировать токсические соединения. Курение матери стимулирует активность бензпирен-гидроксилазы, которая может активировать, либо инактивировать токсичные вещества, в то время как никотин в крови матери легко передается через плаценту и стимулирует скорость сердечного ритма у эмбриона. Сама плацента может наносить ущерб плоду. Так, у крыс кадмий является токсичным на средних и поздних стадиях беременности, несмотря на низкий эффект воздействия. Это связано с тем, что кадмий понижает поток крови между плацентой и транспортом питательных веществ через нее. Список известных токсикантов, действующих на развитие плода, продолжает расти. Случай с диэтилстильбензолом (DES) известен из прошлого. Этот синтетический эстроген был впервые синтезирован в 1938 г и в течение 10 лет прописывался беременным женщинам для предотвраащения выкидышей. В период с 1948 по 1971 г был проведен контроль 4 млн. женщин, что составило 7% от общего числа беременных. Общий режим дневной дозы составлял 5 мг в начале шестой недели беременности и увеличивался до 150 мг на 36-й недели. В 1971 г в Бостонской клинике восьми женщинам в возрасте от 15 до 22 лет была удалена аденомокарцинома влагалища. В литературе еще не было описано так много случаев. Причины были найдены в применении DES. После этого FDA запретило использовать DES в период беременности. К 1995 г было зарегистрировано 367 аналогичных случаев, которые продолжали появляться каждый год. Этот вид рака возникает редко, приблизительно один случай на тысячу женщин, подвергшихся воздействию DES, как инициатора опухоли. Дефецит питательных веществ или избыток витамина А известны с 1950-х гг., что внесло вклад в развитие токсикологии. В моделях на животных (мышах, хомяках) использование ретиноидной кислоты (активной формы витамина А) может вызывать неправильное образование лица, конечностей, сердца, нервной системы и скелета. Ретиноидная кислота изменяет экспрессию гена через специфичный рецепторный белок, который так же действует на Аh рецептор и экспрессируется во многих тканях. Этот механизм может иметь сильные эффекты, которые можно наблюдать при развитии цыпленка. В 1982 г фармацевтический препарат 13-цис-ретиноидной кислоты стал примененяться для удаления угревой сыпи у подростков. Несмотря на предупреждения врачей и на надписи на упаковке, весь следующий год сообщали об отклонениях в развитии младенцев у женщин, которые использовали это вещество. Изучение 115-ти беременных, которые принимали 13-цис-ретиноидную кислоту, показало, что у 18% женщин наблюдался самопроизвольный аборт, а у 26% родились дети с пороками развития. Другое исследование показало, что половина детей имели IQ меньше чем 85. Для уменьшения инцидентов токсичного отравления в будущем, были сделаны рекомендации по лимитированию его распространения среди женщин, имеющих сыпь, которые не имеют других альтернативных терапевтических средств. Наркотики являются наиболее известными химическими токсикантами. Потребление алкоголя во время беременности вызывает эмбриональный алкогольный синдром, характеризующийся замедленным ростом до и после рождения и характерным нарушением функций центральной нервной системы. Этот синдром, выявленный в начале 1970-х гг., отслеживался с 1979 г. Сейчас в США встречаемость этого синдрома составляет 2.2 случая на 10000 новорожденных, т.е. произошло увеличение в 4 раза со времени обнаружения. Синдром с высокой частотой встречается у детей, матери которых страдают алкоголизмом (2.5%). Порог потребления алкоголя для избежания синдрома не известен, но подсчитано, что потребление 1 гр. алкоголя в день вызывает уменьшение веса у новорожденных на 160 гр. Были предложены многочисленные механизмы для действия алкоголя как токсиканта. Вероятно, продукт метаболизма - высоко токсичный ацетальдегид, является решающим фактором. Однако, этанол сам изменяет функции одного из важнейшего нервно-трансмиссионного рецептора, тем самым нарушая нервную активность и, вероятно, сигналы нервной системы в период беременности. Употребление кокаина вызывает преждевременные роды, низкий вес у новорожденных, проблемы поведения и синдром неожиданной смерти у младенцев. Это вещество сужает кровеносные сосуды в плаценте, создавая тем самым дефицит питательных веществ у плода. Оно также влияет на нервные функции блокированием натриевых каналов, используемых в проводимости импульсов. Эффекты этого вмешательства становятся явными после рождения. Хотя кокаин вызывает серьезные проблемы со здоровьем, полагают, что влияние никотина до рождения при использовании табака ведет к более серьезным проблемам. Употребление табака в 25% случаев беременности ведет к низкому весу новорожденных, синдрому смертности младенцев и к устойчивым нарушениям при учебе и в поведении. В моделях на животных испытывалось влияние курения. Было отмечено замедление роста клеток и изменение синаптической активности. В дополнение к попыткам уменьшить использование табака, эти открытия также вызывают серььезные беспокойства о никотиновой замене для прекращения курения во время беременности.
