Faktory ovlivňující účinky toxických látek (TL)
description
Transcript of Faktory ovlivňující účinky toxických látek (TL)
1
Faktory ovlivňující účinky toxických látek (TL)
2
Faktory ovlivňující účinek TL
Faktory se vztahem k toxické látce• fyzikální a chemické vlastnosti TL
• současně podávaná potrava
Faktory se vztahem k toxické látce i k organizmu • dávka• kombinace TL• opakované podání• faktory podmiňující pozdní účinky
Faktory se vztahem k organizmu• věk, pohlaví• hmotnost, tělesná konstituce• cirkadiální rytmy• patologické stavy organismu
3
– látky rozpustné v tucích - snadno pronikají pokožkou sliznicemi, snadno se kumulují ve tkáních, často bývají neurotoxické
– látky rozpustné ve vodě - při vstupu zažívacím traktem snadněji zvyšují svoji koncentraci v tělních tekutinách
– těkavé látky - rychle zvyšují svou koncentraci v ovzduší, snadný a rychlý prostup do organismu přez respirační trakt
– aerosoly - průnik do organismu závislý na velikosti částic
– vliv pH na disociaci slabých elektrolytů - disociovaná forma slabého elektrolytu (iont) obvykle hůře prostupuje přes biomembrány než forma nedisociovaná
Fyzikální faktory ovlivňující účinek TL
4
Chemické vlastnosti ovlivňující účinek TL
• látky rozpustné v tucích s b.v. 20 - 100 °C - vyvolávají při inhalaci vysokých koncentrací narkózu, při delší expozici nižším koncentracím stav podobný chronickému alkoholizmu
• org. kyseliny, aldehydy a fenoly o malé molekulové hmotnosti - zpravidla lokálně dráždí
• aromatické uhlovodíky s větším počtem kondenzovaných jader než dvě - zpravidla mívají karcinogenní účinky
• aromatické aminy a nitrosloučeniny se dvěma a více benzenovými jádry - zpravidla mívají karcinogenní účinky
5
• alkylační činidla a jejich prekurzory - zpravidla karcinogenní, poškozují krvetvorbu, kontaktně poškozují pokožku a sliznice
• sloučeniny a metabolity tvořící nedisociované komplexy s Cu a Fe - zpravidla blokují tkáňové dýchání
• jednoduché aromatické aminy a nitrosloučeniny - zpravidla vyvolávají cyanózu a methemoglobinemii
• estery kyseliny dusité a dusičné -snižují krevní tlak a rovněž mohou vyvolat cyanózu a methemoglobinemii
• organické sloučeniny odvozené od kyselin fosforu - inhibují cholinesterázu, čímž vyvolávají těžké nervové příznaky
• těžké kovy a organokovové sloučeniny - zpravidla poškozují játra a ledviny a působí neurotoxicky
Chemické vlastnosti ovlivňující účinek TL
6
• přístup využívající moderní statistické přístupy a databázové systémy k odhadu účinku toxické látky na základě její chemické struktury
QSAR - quantitative structure - activity relationship
• využívá se například i při plánování výroby nových látek
• kromě toxikologie velký význam ve farmakologii
• přístup snižující nutnost provádění nových experimentů na živých organismech
• časopis „QSAR Combinatorial science“ - Wiley Interscience
7
Toxikokinetické interakce
Vliv potravy na účinek TL
• zpomalení absorpce• ovlivnění biologické dostupnosti TL
– změna pH trávících šťáv– tvorba nevstřebatelných komplexů– adsorpce TL na částicích potravy– kompetice o transportní mechanismy – zpomalení vyprazdňování žaludku (tuky)– ovlivnění biotransformačních pochodů– ovlivnění pH moči
Toxikodynamické interakce • ????????
8
Jed
“Všechny látky jsou jedy, nic není nejedovaté.
Pouze dávka způsobuje, že látka přestává být jedem.”
Paracelsus (16.století n.l.)
Toxický účinek• porucha homeostáze organismu způsobená toxickou látkou
(jedem?)
• podmínkou je dostatečně dlouhé setrvání dostatečně vysoké koncentrace TL v místě účinku
Toxický účinek se projeví pokud
– absorpce > metabolická degradace a/nebo eliminace– chemická látka způsobuje ireversibilní změny organismu (neexistuje
opravný mechanismus)– rychlost negativních změn je větší než rychlost jejich oprav
Místo a způsob expozice
kůže, GI, respirační trakt
injekce
Dávka (mg/kg)
s,l,g
g, %
Forma
Absorpce
Distribuce na TS
Reabsorpce
Metabolická aktivace
Presystémová eliminace
Exkrece
Distribuce z TS
Metabolická inaktivace
Tra
nsp
ort
Místo účinku
Cílová molekulaprotein, lipid, DNA, ...
Porucha homeostázy
Účinek
(smrt, změna v produkci enzymů,
změna růstu, ...
Toxická látka
Aktivní metabolit
podle Klaassen a Watkins (2003)
9
Toxický účinek
• negativní změna ve fungování biologického systému
– na úrovni molekulární, buněčné nebo orgánové či na úrovni organismu
– symptomy
• lokální účinek systémový účinek• reverzibilní účinek ireverzibilní účinek• okamžitý účinek opožděný účinek• stupňovitý účinek (z hlediska úrovně určitého faktoru - např. koncentrace
neurotransmiteru) kvantální účinek (odezva „všechno nebo nic“) • letální účinek neletální účinek
10
Dávka• množství TL vstupující do organismu• obvykle se udává v mg/kg (hmotnost toxické látky) / (hmotnost organismu)• někdy pouze jako hmotnost podané látky v mg
Expozice
• charakterizována frekvencí a dobou dávkování
Akutní < 24hod obvykle 1 dávka
Subakutní 1 měsíc opakované podání
Subchronická 1-3 měsíce opakované podání
(< 10% života org.)
Chronická > 3 měsíce opakované podání
(> 10% života org.)
Čas
Ko
nc
en
trac
e l
átk
y n
a m
ístě
úč
ink
u
Dávka 1 Dávka 2 Dávka 3 Dávka 4 Dávka 5 Dávka 6
Rychlé vylučování
Pomalé vylučování
(Akumulace)Práh účinku
Akutní účinek toxické látkyChronický účinek toxické látky
11
Podmínky umožňující vyčíslit vztah dávka - účinek
1. Existuje vztah mezi reakcí organismu a podanou látkou
2. Velikost odpovědi je úměrná dávce– existuje specifické vazebné místo (receptor) s kterým tox. látka reaguje za vzniku specifické odezvy
– míra odezvy je úměrná koncentraci tox. látky v receptorovém místě
– koncentrace tox. látky v receptorovém místě je úměrná dávce
3. Existují metody měření dávky i účinku
12
http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc155.htm#SectionNumber:1.1
Biomarkery• markery v biologických systémech s dostatečně dlouhou dobou života, které umožňují lokalizovat kde v systému došlo ke
změně a umožňují tuto změnu kvantifikovat
• biomarkery na různých úrovních organizace biol. systémů – molekulární buněčné tkáňové individuální
• kategorizace biomarkerů podle funkce– biomarkery dávky (expozice) - toxická látka nebo její metabolit, případně látka vznikající po interakci tox. látky s receptorem
– biomarkery účinku (efektu) - měřitelná změna v biochemii, fyziologii či chování organismu vznikající v důsledku expozice tox. látce
– biomarkery citlivosti - indikátor vrozené nebo získané schopnosti organismu reagovat určitým způsobem na expozici toxické látce
Molekula (např. DNA)
Enzym (např. CYP 450)
Organela (např. mitochondrie)
Buňka
Tkáň
Orgán
Jedinec
Populace
Vzr
ůst
á ci
tliv
ost
bio
mar
kerů
Vzr
ůst
á m
no
žstv
í a
rozm
anit
ost
bio
mar
kerů
v r
eakc
i n
a d
aný
po
dn
ět
Kle
sá m
ožn
ost
jed
no
du
ché
inte
rven
ce v
rea
kci
na
pro
jevy
to
xici
ty
Historicky nejstarší
biomarkery
Vzr
ůst
á ú
čin
no
st p
och
op
ení
kom
ple
xníc
h d
ějů
13
Křivky dávka účinek• popisují vztah mezi zvyšující se dávkou TL a odezvou organismu
(individuální KDÚ) či organismů (populační KDÚ)
• mohou mít podobu aditivní (+ kolik) či kumulativní závislosti (celkem kolik)
Přecitlivělí jedinci
Normální jedinci
Odolní jedinci
14
Parametry odvozené z KDÚ• práh účinku
– teoretická dávka při níž dojde k nástupu sledovaného toxického účinku (např. úmrtí první myši), nachází se mezi hodnotami NOAEL a LOAEL
– podprahové dávky nezpůsobují daný toxický účinek
• LOAEL (Lowest Observed Adverse Efect Level)– nejnižší experimentální dávka při níž pozorujeme sledovaný toxický účinek,
na KDÚ je y > 0
• NOAEL (No Observed Adverse Efect Level)– nejvyšší experimentální dávka, při níž stále ještě nepozorujeme sledovaný
toxický účinek, na KDÚ je y = 0
– např. pro genotoxické karcinogeny a mutageny nemá KDÚ práh účinku, neexistuje tedy „bezpečná“ dávka
Dávka
Úči
nek
žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek
Práh účinku Dávka
Úči
nek
žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek
Práh účinku
genotoxický karcinogen mutagen
Dávka
Úči
nek
žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek
Práh účinku
NOAEL
LOAEL
15
Parametry odvozené z KDÚ
• referenční dávka (RfD)
– denní dávka dané látky, kterou je možno celoživotně přijímat bez následků na zdraví
RfD = NOAEL/( UF MF)
– vypočteno pro nejzávažnější účinek a nejcitlivější jedince
– udává se v (mg/kg)/den
– zavedeno EPA, dostupné na adrese http://www.epa.gov/iris/rfd.htm
– pouze pro látky (účinky) s prahem
• směrnicový faktor(SF)
– denní příjem látky zvyšující pravděpodobnost onemocnění o 1%– např. pro karcinogeny a genotoxické mutageny
Křivky dávka - účinek
Dávka
Toxickýúčinek
Práh účinku
Látka bez prahuúčinku - např.
karcinogen
NOAEL
Látka s prahemúčinku - např. HCN
Esenciálnílátka
(nutrient) -např Se
RfD - Kadmium (Cd)
RfD - Benzen
SF - Benzen
http://www.epa.gov/iris/rfd.htm
16
Parametry odvozené z KDÚ• Pro srovnání toxicity různých látek (vzorků) se užívají parametry
odvozené pro 50 % efekt, neboť jsou zatíženy nejmenší chybou
• LD50
– dávka (mg/kg) po jejímž podání zemře 50 % pokusných objektů
– strychnin LD50 (orálně, potkan) = 2,35 mg/kg
– např. databáze HSDB na TOXNET– http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/htmlgen?HSDB
• LC50
– koncentrace látky ve vzduchu (ppm, %, mg/m3) po jejíž expozici trvající vymezenou dobu (obvykle 4h) zemře 50 % pokusných objektů
– NH3 LC50 (inhalačně, 2 h, myš) = 3,310 mg/m3
• ED50
– efektivní dávka - u 50 % objektů vyvolá požadovaný terapeutický účinek
• TD50
– toxická dávka - u 50 % objektů vyvolá nežádoucí toxický účinekDávka
Úči
nek
(%
úm
rtí)
žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek
LD50
0
25
50
75
100
LD99
Dávka
Úči
nek
(%
)
TD50
0
25
50
75
100
LD50ED50
spánek bezvědomí smrt
Dávka
Úči
nek
(%
úm
rtí)
LD50
0
25
50
75
100
LD50
látka 2látka 1
práh práh
LD50 (potkan, p.o.) LDL0 (člověk, p.o.)
Ethanol 7 060 mg/kg 1 400 mg/kg
Methanol 5 628 mg/kg 428 mg/kg
NaCl 3 000 mg/kg 5 000 mg/kg
Acylpirin 1 500 mg/kg 25 - 30 000 mg/kg
THC 666 mg/kg -
Kofein 192 mg/kg 192 mg/kg
Kokain 99 mg/kg 1 000 mg/kg
Nikotin 60 mg/kg 60 mg
KCN 10 mg/kg 50 - 100 mg
Strychnin 2,35 mg/kg 5 - 10 mg
Nikotin 1,0 mg/kg
TCDD 0,1 mg/kg
Botulin 0,0001 mg/kg
Terapeutická šíře TS TS = LD50 - ED50
Terapeutický index TI TI = LD50/ED50
Hranice bezpečnosti MS MS = LD1 / ED99
17
Vztah dávka - účinek
3) Porovnání toxicity dvou látek
• Účinnost (potency) - čím je celkové množství látky potřebné k dosažení daného efektu menší, tím větší je účinnost
Po
kles
prů
měr
néh
o k
revn
ího
tla
ku (
%)
Látka A
Látka B
Dávka (mg)
Větší účinnost
Větší maximální účinek
18
Interakce mezi TL
• chemické reakce mezi jednotlivými tox. látkami
• změny v absorpci, distribuci a exkreci
• soutěž o receptory
19
Aditivní účinek
• alkohol + sedativa tlumivý účinek na CNS
• organofosfáty - účinek různých organofosfátů na CNS bývá aditivní
• halogenované insekticidy + halogenovaná org. rozpouštědla
– závislost na místě účinku - aditivní efekt z hlediska hepatotoxicity a antagonistický z hlediska neurotoxicity
+
=
20
Antagonistický účinek a) fyziologický antagonismus
– vasodilatanty + vasopresory
b) chemický antagonismus– kovy + chelatační činidla
c) dispoziční antagonismus– toxická látka + absorpční uhlí
d) receptorový antagonismus– CO + O2
Potenciace • potenciace hepatotoxického účinku CCl4 isopropanolem
• warfarin - kompetice na albuminu
21
Synergický účinek
• kuřáci mají 10 - krát větší riziko onemocnění rakovinou plic než nekuřáci
• při obrábění azbestu vzrůstá riziko onemocnění rakovinou plic 5 - krát větší
• kuřáci obrábějící azbest mají riziko onemocnění rakovinou plic 53 - krát větší než zbytek populace
22
Opakované podání látky1) Zesílení toxického účinku
• kumulace toxické látky v těle - druhá dávka je absorbována dříve, než je první dávka úplně vyloučena
• kumulace poškození - organismus se nestihne plně regenerovat po podání jedné dávky předtím, než je vystaven dávce druhé
2) Zeslabení toxického účinku
• vznik tolerance (návyku)– mechanismy toxikokinetické– mechanismy toxikodynamické
Čas
Ko
nc
en
trac
e l
átk
y n
a m
ístě
úč
ink
u
Dávka 1 Dávka 2 Dávka 3 Dávka 4 Dávka 5 Dávka 6
Rychlé vylučování
Pomalé vylučování
(Akumulace)Práh účinku
23
Vznik tolerance
• adaptace organismu na určitou látku, k dosažení určitého účinku je třeba zvýšit dávku
1) mechanismus toxikokinetický - změny v rychlosti, míře a kvalitě absorpce, distribuce, biotransformace a exkrece
– As2O3 se při opakované expozici méně vstřebává
– barbituráty indukují enzymy vlastní biotransformace– Cd indukuje tvorbu metalothioneninu
2) mechanismus toxikodynamický - změna účinnosti dané látky
– změna počtu a funkce receptorů– změna v produkci a exocytóze neurotransmiterů
• morfin, nitroglycerin apod.
24
Inhibitory biotransformačních enzymů
E + S ES E + Pk1
k-1
k2
kompetitivní reversibilní inhibiceEI
E + S ES E + P
+
I
E + S ES E + P
+
I EISnekompetitivní reversibilní inhibice
substrátová kompetice
E + S1 ES E + P1
+
S2 ES2 E + P2
E + S ES E + P
+
IEIS
+
Ikombinovaná inhibice
25
Induktory biotransformačních enzymůk1 k2
NNO
OCH3(CH2)3
phenylbutazone
N N
O
O O
H H
C2H5 C6H5
phenobarbital
benzo(a)pyrene
CYP450CYP450 3A4,5,7, 2B6
CYP450 1A2 CYP450 2E1 CH3CH2OH
26
Lék nebo Toxikant
biotransformovaný Lék nebo Toxikant
aktivní
neaktivní
aktivní
neaktivní
více účinný
TOXICKÝ
méně účinný
O S-GS S-CH2CHCO2H
OH OH
NH2
S-CH2CHCO2H
OH
NHCCH3
O
S-CH2CHCO2H
NHCCH3
O
GSHCYP
H2O
27
Věk a účinek TL
Děti• nižší hmotnost• snížená vazba TL na plazmatické proteiny• nevyvinutý enzymatický systém pro biotransformaci TL• nevyvinutá hematoencefalická bariéra• snížená exkrece ledvinami• růst zubů a kostí - poškození antibiotiky
Senioři• snížená vazba TL na plazmatické proteiny• snížená mobilita střev, snížená absorpce v GIT• snížená účinnost biotransformace• snížená exkrece ledvinami
28
Další faktoryPohlaví• ženy citlivější z důvodu nižší hmotnosti, menstruace - látky dráždící CNS a zvyšující prokrvení pánevních orgánů, gravidita - poškození plodu
Patologický stav organismu• postižení ledvin - snížené vylučování látek
• postižení jater - změny v rychlosti a účinnosti biotransformace,
Hmotnost• dávka - mg/kg• kumulace látek v tucích• srdeční činnost
Genetický polymorfismus• geneticky determinované odchylky ve struktuře biotransformačních enzymů
29
Další faktory
Cesty vstupu xenobiotika do organismu
• enterální aplikace (přez zažívací trakt) - toxický účinek může být zvýšen dobrou rozpustností látek v žaludečních šťávách a obsahu žaludku (některé škodliviny mohou být v žaludku výrazně pozměněny), toxická látka prochází játry (v játrech může být detoxikována, pozměněna, může se ukládat)
• parenterální aplikace (mimo zažívací trakt) - toxická látka se dostává do velkého krevního oběhu mimo detoxikační bariéru jater
30