Faktory ovlivňující účinky toxických látek (TL)

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

Fyzikální faktory ovlivňující účinek TL 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

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

Chemické vlastnosti ovlivňující účinek TL 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

QSAR - quantitative structure - activity relationship přístup využívající moderní statistické přístupy a databázové systémy k odhadu účinku toxické látky na základě její chemické struktury 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

Vliv potravy na účinek TL Toxikokinetické interakce 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 ????????

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 Transport Místo účinku Cílová molekula protein, lipid, DNA, ... Porucha homeostázy Účinek (smrt, změna v produkci enzymů, změna růstu, ... Toxická látka Aktivní metabolit podle Klaassen a Watkins (2003) 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

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

Chronický účinek toxické látky Akutní účinek toxické látky 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.)

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

Biomarkery biomarkery na různých úrovních organizace biol. systémů Molekula (např. DNA) Enzym (např. CYP 450) Organela (např. mitochondrie) Buňka Tkáň Orgán Jedinec Populace Vzrůstá citlivost biomarkerů Vzrůstá množství a rozmanitost biomarkerů v reakci na daný podnět Klesá možnost jednoduché intervence v reakci na projevy toxicity Historicky nejstarší biomarkery Vzrůstá účinnost pochopení komplexních dějů 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 http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc155.htm#SectionNumber:1.1

Křivky dávka účinek Přecitlivělí jedinci Normální jedinci Odolní jedinci 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)

Parametry odvozené z KDÚ Dávka Účinek žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek Práh účinku Dávka Účinek žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek Práh účinku genotoxický karcinogen mutagen Dávka Účinek žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek Práh účinku NOAEL LOAEL 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 např. pro genotoxické karcinogeny a mutageny nemá KDÚ práh účinku, neexistuje tedy „bezpečná“ dávka NOAEL (No Observed Adverse Efect Level) nejvyšší experimentální dávka, při níž stále ještě nepozorujeme sledovaný toxický účinek, na KDÚ je y = 0 LOAEL (Lowest Observed Adverse Efect Level) nejnižší experimentální dávka při níž pozorujeme sledovaný toxický účinek, na KDÚ je y > 0

Parametry odvozené z KDÚ RfD - Kadmium (Cd) RfD - Benzen SF - Benzen Parametry odvozené z KDÚ referenční dávka (RfD) RfD = NOAEL/( UF MF) denní dávka dané látky, kterou je možno celoživotně přijímat bez následků na zdraví 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 http://www.epa.gov/iris/rfd.htm

Parametry odvozené z KDÚ Dávka Účinek (% úmrtí) žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek LD50 25 50 75 100 LD99 Dávka Účinek (%) TD50 25 50 75 100 LD50 ED50 spánek bezvědomí smrt Dávka Účinek (% úmrtí) LD50 25 50 75 100 látka 2 látka 1 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 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 účinek

Vztah dávka - účinek 3) Porovnání toxicity dvou látek Látka B Pokles průměrného krevního tlaku (%) Látka A Látka B Dávka (mg) Větší účinnost Větší maximální účinek 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

Interakce mezi TL chemické reakce mezi jednotlivými tox. látkami změny v absorpci, distribuci a exkreci soutěž o receptory

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

Antagonistický účinek a) fyziologický antagonismus vasodilatanty + vasopresory d) receptorový antagonismus CO + O2 b) chemický antagonismus kovy + chelatační činidla c) dispoziční antagonismus toxická látka + absorpční uhlí Potenciace potenciace hepatotoxického účinku CCl4 isopropanolem warfarin - kompetice na albuminu

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

Opakované podání látky 1) 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

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.

Inhibitory biotransformačních enzymů k1 k2 E + S ES E + P k-1 E + S ES E + P E + S1 ES E + P1 + I + S2 substrátová kompetice kompetitivní reversibilní inhibice EI ES2 E + P2 E + S ES E + P E + S ES E + P + I + I + I kombinovaná inhibice nekompetitivní reversibilní inhibice EIS EIS

Induktory biotransformačních enzymů CYP450 3A4,5,7, 2B6 CYP450 CYP450 1A2 CYP450 2E1 CH3CH2OH

Lék nebo Toxikant biotransformovaný Lék nebo Toxikant aktivní neaktivní více účinný TOXICKÝ méně účinný

Věk a účinek TL Děti Senioři 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

Další faktory Pohlaví Hmotnost Patologický stav organismu ženy citlivější z důvodu nižší hmotnosti, menstruace - látky dráždící CNS a zvyšující prokrvení pánevních orgánů, gravidita - poškození plodu Hmotnost dávka - mg/kg kumulace látek v tucích srdeční činnost Patologický stav organismu postižení ledvin - snížené vylučování látek postižení jater - změny v rychlosti a účinnosti biotransformace, Genetický polymorfismus geneticky determinované odchylky ve struktuře biotransformačních enzymů

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