Interakce toxické látky s organismem I Absorpce Distribuce Toxikologie (C005)

Interakce toxické látky s organismem A. Absorpce přestup tox. látky z místa primárního kontaktu do krevní plazmy B. Distribuce a transport na zásahové místo rozdělení tox. látky mezi krevní plazmu a plazmatické proteiny, přestup volného podílu tox. látky z krevní plazmy do tkání, rozdělení tox. látky mezi jednotlivými částmi těla C. Interakce s receptorem D. Exkrece přestup tox. látky z krevní plazmy do moči, žluči, potu, vydechovaného vzduch, mateřského mléka,.... E. Biotransformace v průběhu všech výše uvedených dějů může docházet k metabolizaci (biotransformaci) toxické látky

Toxikokinetika (ADME) Tkáňová depa volný podíl vázaný podíl Místo účinku vázaný podíl volný podíl Absorpce Volný podíl TL Exkrece Vázaný podíl TL na PP Metabolity Průchod přes buněčnou membránu Biotransformace

Buněčná membrána - model tekuté mozaiky základním skeletem je dvojvrstva fosfolipidů, cholesterol, glykolipidy celkově výrazně hydrofobní integrální a periferní proteiny, strukturní a funkční proteiny iontové kanály, membránově vázané enzymy (cyt P 450) hydrofilní poměr lipidů a proteinů v biomembráně přibližně 1 : 1 póry naplněné vodou - např. u cév tvoří 0,2 % povrchu model tekuté mozaiky semipermeabilní bariéra - selektivní prostup živin a metabolitů kontrola pH, osmotického tlaku, koncentrace iontů, na povrchu ukotveny důležité enzymy

Obr. 1: Model tekuté mozaiky membránových struktur Fosfátová hlava hydrofilní část, směřuje do vodního prostředí (ven z buňky a dovnitř cytoplazmy) Lipidový konec hydrofobní část, tvoří vnitřek membrány Integrální proteiny Periferní proteiny Lipidy Uhlovodíkové řetězce Obr. 1: Model tekuté mozaiky membránových struktur

Mechanismy prostupu toxických látek biomembránou A) Pasivní transportní mechanismy nevyžadují přísun energie z metabolismu buňky pohyb ve směru koncentračního, či elektrochemického gradientu, nebo na základě rozdílu jiných fyzikálně chemických vlastností prostředí na obou stranách biomembrány B) Aktivní transportní mechanismy transport proti směru koncentračního či elektrochemického gradientu překonávání koncentračního gradientu vyžaduje přísun energie - hydrolytické štěpení makroergických vazeb ATP

Transportovaná látka (TL) Nižší koncentrace TL Vyšší koncentrace TL Aktivní transport Pasivní transport Energie Prostá difúze Facilitovaná difúze Transportovaná látka (TL) Proteinový kanál Transportní protein Lipidová dvojvrstva

Transport látek přes buněčnou membránu látky rozpustné v tucích prostou difuzí přes fosfolip. dvojvrstvu látky rozpustné ve vodě difundují proteinovými kanály (ligandově nebo elektricky řízené či stále otevřené) velké hydrofilní molekuly pomocí facilitované difúze osmóza vody skrz proteinové kanály částice a kapénky exo - či endocytózou aktivní transport - anorganické ionty i velké hydrofilní molekuly proti směru koncentračního gradientu

Pasivní transportní mechanismy Prostá difúze nejvýznamnější mechanismus prostupu toxických látek při jejich vstřebávání (absorpci) do organismu - rychlost absorpce popsána Fickovým zákonem D - difuzní koeficient A - absorpční plocha Kow - rozdělovací koeficient h - tloušťka membrány C1 - C2 - koncentrační gradient prostup lipofilních látek o nižší molekulové hmotnosti ( M  500 ) (diethylether, benzen, tetrachlormethan, barbituráty, DDT, cyklohexan) prostup malých nepolárních molekul plynů (N2, CO2, O2, N2O)

Pasivní transportní mechanismy Prostá difúze - vliv pH na množství vstřebané látky přes lipofilní buněčnou membránu může projít prostou difúzí pouze elektricky neutrální, nepolární molekula v případě slabých kyselin a zásad projde pouze neionizovaný podíl Henderson-Hasselbachova rovnice Ionizovaný Neionizovaný Slabá kyselina R-H R-.......H+ Slabá zásada R-OH R+......OH- pH při kterém je přávě polovina látky ionyzována je pKa slabá báze se bude přednostně ionizovat v kyselém prostředí a naopak

prostředí (např. krevní plazmy) slabého elektrolytu (např. nikotin) Henderson-Hasselbalchova rovnice [neprotonovaný podíl] log = pH - pKa [protonovaný podíl] vlastnost prostředí (např. krevní plazmy) slabého elektrolytu (např. nikotin) Slabá kyselina Při vysokém pH je rovnováha slabé kyseliny posunuta k A-  podíl nesoucí náboj nedifunduje přes biomembrány Při vysokém pH je rovnováha slabé zásady posunuta k B  podíl bez náboje dobře difunduje přes biomembrány Slabá báze toxická látka se bude koncentrovat na té straně biomembr., kde je více ionizována v žaludku se ve větší míře vstřebávají slabé kyseliny, v tenkém střevu slabé báze

Vliv pH v místě absorpce na míru vstřebání slabých elektrolytů (potkan, tenké střevo) Kyseliny 5-nitrosalicylová salicylicylová acetylsalicylová benzoová pKa 2.3 3.0 3.5 4.2 % absorbované látky pH 4 40 64 41 62 pH 5 27 35 36 pH 7 30 --- pH 8 10 5 Data from: Schanker LS, J Pharmacol Exp Ther 123:81, 1958. Báze anilin aminopyrin chynin 4.6 5.0 8.4 21 9 48 11 58 61 52 54

Pasivní transportní mechanismy Kow = Cn-oktanol / Cvoda Prostá difúze - vliv rozdělovacího koeficientu KOW na množství vstřebané látky Kow = Cn-oktanol / Cvoda Oktanol Voda Hydrofilní podíl Lipofilní podíl přes lipofilní buněčnou membránu budou ve větší míře přecházet látky s vyšší hodnotou KOW

Absorpce v žaludku během 1h (% dávky) 52 580 barbital (pKa 7.8) secobarbital (pKa 7.9) thiopental (pKa 7.6) 10 20 30 40 50 absorpce těchto látek je proporcionální k jejich lipofilitě

Pasivní transportní mechanismy Filtrace transport využívající rozdílného hydrostatického tlaku na obou stranách biomembrány volný prostup vody a malých molekul ve vodě rozp. látek, prostup iontů kanály pro vodu vznikající mezi oscilujícími molekulami lipidů normální buněčná membrána - póry 4 Å (prochází látky M = 100 - 200) membrána glomerulu (ledviny) - póry 40 Å (prochází látky M = 50 000) rychlost filtrace je úměrná rozdílu tlaků, ploše membrány a propustnosti membrány pro danou látku

Pasivní transportní mechanismy Iontové kanály iontové kanály tvořené integrálními membránovými proteiny stále otevřené, ligandově a elektricky řízené rychlost transportu ovlivněna i počtem kanálů - saturabilita

Pasivní transportní mechanismy Usnadněná difúze (přenašečový transport) nevyžaduje přísun energie, hnací silou rozdíl koncentrací na obou stranách biomembrány k transportu látek se využívá integrálních membránových proteinů, které mají funkci přenašeče přenos pomocí translačního pohybu nebo následkem konformační změny vazebné bílkoviny přenos velkých v tucích nerozpustných molekul a některých anorg. i org. iontů ve směru koncentračního gradientu rychlost transportu závisí na koncentraci přenašečů (saturabilita) a na velikosti koncentračního spádu,. kompetice endogenních a/nebo exogenních molekul symporty a antiporty

Aktivní transportní mechanismy přenašečový transport, vyžaduje přísun energie (ATP) přenos velkých hydrofilních molekul proti směru koncentračního gradientu rychlost ovlivněna koncentrací přenašečů a dostupností energie probíhá zde kompetice endogenních a/nebo exogenních molekul Přenos iontovými kanály přenos iontů proti směru koncentračního gradientu Na+/ K+ ATP ázová pumpa Endo/Exocytosa

Absorpce Biologická dostupnost (F) je-li místem absorpce kůže, zažívací trakt, nebo plíce musí tox. látka při přestupu do krevní plazmy překonávat buněčné membrány množství absorbované tox. látky závisí na její schopnosti překonávat biomembránu Biologická dostupnost (F) množství látky, které se v nezměněném stavu dostane z místa prvního kontaktu s organismem na místo účinku (případně do tělního oběhu) vliv místa a způsobu aplikace iv > inhal > ip > im > po > td parenterální vs. enterální aplikace - „first pass effect“ je snižována nevstřebaným podílem, podílem zachyceným na plazmatických proteinech, zmetabolizovaným podílem (first- pass efekt), podílem účastnícím se enterohepatální cirkulace, vyloučeným podílem apod.

Absorpce - GI trakt Faktory ovlivňující úroveň absorpce doba setrvání látky v místě absorpce plocha pro absorpci úroveň prokrvení pH v místě absorpce Dutina ústní a jícen krátká doba setrvání toxické látky pH v ústech okolo 5, pH slin okolo 7 sliznice pod jazykem silně prokrvena, parentální aplikace vysoká úroveň absorpce některých látek - např. nikotin, nitroglycerin

Absorpce - GI trakt Žaludek Tenké střevo doba setrvání pevné látky 3,5 - 4 h, kapalina řádově minuty pH v rozmezí 1 - 3  silné kyseliny a báze a slabé báze ionizovány, slabé kyseliny neionizovány - vstřebávají se vlivem žaludeční kyseliny dochází k chemickým změnám celé řady látek výrazný vliv aktuální náplně žaludku Tenké střevo absorpční plocha 10 m2, pH 5 - 8, doba setrvání 3 - 5 h, silné prokrvení prostá difůze neioniz.podílu slabých bází a kyselin, lipofilních látek facilitovaná difůze a aktivní transport velkých a/nebo hydrofilních molekul, kovových iontů a disociovaných elektrolytů

Absorpce - GI trakt Tenké střevo Tlusté střevo a konečník vliv střevní mikroflóry - vznik nitrosaminů z dusitanů enterální aplikace - „first pass“ efekt Tlusté střevo a konečník absorpční plocha max. 1 m2, doba setrvání 8 - 14 h, pH = 7,8 - 8, silně prokrvená sliznice význam zejména při rektální aplikaci léků

Absorpce - dýchací cesty Nosní sliznice malá plocha, krátká doba setrvání, silná vrstva buněk nosní sliznice převážně lipofilní látky - prostá difuse, méně hydrofilní látky - filtrace maligní neoplasie Průdušnice a průdušky absorpce plynů, vyloučení částic zachycených v hlenu Plicní sklípky (alveoly) plocha 70 - 90 m2 , jednovrstvá tenká lipofilní membrána s velkým množstvím pórů přes membránu se vstřebávají lipofilní látky přes póry se velmi dobře vstřebávají i ve vodě rozpustné plyny a aerosoly

Absorpce - dýchací cesty Absorpce částic látky rozpustné ve vodě a tucích procházejí do krevního řečiště látky nerozpustné ve vodě ani v tucích se ukládají - pneumokoniózy, rakovina Vliv velikosti částic na úroveň absorpce nad 10  m - sedimentace, záchyt v dýchacích cestách okolo 5  m - záchyt v alveolách kolem 25 % okolo 1  m - záchyt v alveolách kolem 50 % okolo 0,25  m - snížená retence následkem pomalejší sedimentace pod 0,1  m - vliv Brownova pohybu

Absorpce - kůže velká plocha, velká vrstva membrán prostá difúze lipofilních látek transepidermální cestou polární látky pronikají přes suchou popraskanou pokožku mazovými žlázkami pronikají zejména lipofilní látky potními žlázkami pronikají i malé hydrofilní molekuly parentální aplikace

Distribuce Rychlost distribuce proces rozdělování vstřebané látky (metabolitů) z krevní plazmy do jednotlivých orgánů, přestup látky na místo účinku v krevní plazmě TL rozdělena mezi plazmovou vodu a plazmatické bílkoviny, do dalších orgánů může prostupovat pouze volný podíl přestup přes membránu kapilár velmi rychlý - přes mezibuněčné prostory endotelu do buněk orgánů přestup nejčastěji prostou difúzí Rychlost distribuce vazba toxické látky na plazmatické bílkoviny v krvi rychlost krevního proudu - stupeň prokrvení orgánu dynamika průniku látek přes biomembrány rozpustnost ve vodě a v tucích, stupeň ionizace

Bariéry omezující distribuci Hematoencefalická bariéra štěrbinová spojení (tight-junctions) buněk endotelu v krevních kapilárách neumožňují přestup velkých molekul z krve do tkání mozku gliové buňky (astrocyty) obalují povrch mozkových kapilár a svou enzymatickou činností též zabraňují přestupu celé řady látek z krve do mozku prostou difůzí procházejí přes bariéru malé molekuly plynů (O2, CO2) a látky vysoce rozpustné v tucích - nikotin, heroin, methylrtuť..... aktivním transportem (facilitovanou difůzí) procházejí přes bariéru látky potřebné pro buněčný metabolismus (glukóza, aminokyseliny, vitamíny) a hormony Placentární bariéra

Depozice ve tkáních Depozice v kostech Kosti jsou ze 30 % tvořeny organickými látkami kolagenová vlákna a ze 70 % anorganickými solem hydroxyapatit (Ca3(PO4 )2  (OH)n ) sloučeniny Pb2+ - výplň mezer v kolagenové struktuře anion F- - náhrada OH skupin v apatitu - fluorapatit kation Sr2+ - náhrada Ca chelatační činidla, antibiotika tetracyklinového typu

Depozice ve tkáních Depozice v tukových tkáních silně lipofilní sloučeniny postupný návrat do krevního řečiště - THC (27 dní) DDT - problém ekotoxikologie Depozice v měkkých tkáních velké množství látek se ukládá v játrech halogenované uhlovodíky - hepatotoxické Pb - játra, Cd - ledviny Depozice ve vlasech některé kovy Hg, As