Nutriční toxikologie

Definice a obsah nutriční toxikologie Nutriční toxikologie se obecně zabývá vztahy mezi faktory výživy a biologickými procesy v organismu a zahrnuje zhruba následující oblasti: přívod toxických látek potravou a jejich nežádoucí zdravotní účinek přívod ochranných faktorů a látek s benefitním účinkem interakce makro- i mikronutrientů s toxickými či benefitními faktory v potravě interakce nutričních a toxických faktorů s fysiologickými endogenními procesy

Přívod toxických látek potravou a jejich nežádoucí zdravotní účinek toxické prvky (např. olovo, kadmium, rtuť, arsen) dusičnany a dusitany pesticidy polychlorované bifenyly dioxiny ftaláty polycyklické aromatické uhlovodíky produkty pyrolýzy aminokyselin (heterocyklické aminy) přirozené toxiny rostlinného původu toxické produkty plísní (mykotoxiny) toxické produkty bakterií (botulotoxin)

Přívod ochranných faktorů a látek s benefitním účinkem vitaminy, stopové prvky (např. selen, zinek, měď, jod) další přirozené složky rostlinné stravy s antioxidačním, antimutagenním, antikarcinogenním či jiným působením podporujícím a upevňujícím zdraví.

Interakce makro- i mikronutrientů s toxickými či benefitními faktory v potravě peroxidace lipidů a úroveň oxidačního stresu ve vztahu k nutričním faktorům s antioxidačním účinkem, vztah hladiny krevních lipidů a saturace organismu chrómem, inhibice toxicity kadmia působením zinku a selenu, blokáda nitrosační reakce a vzniku nitrosaminů vitaminem C a E, zvýšení nefrotoxického účinku mykotoxinu ochratoxinu A působením kadmia.

Interakce nutričních a toxických faktorů s fysiologickými endogenními procesy zvýšená indukce detoxikačních konjugačních enzymů II. fáze metabolické přeměny (např. sulforafanem obsaženým v brokolici), inhibice enzymů aktivujících prokarcinogeny na vlastní karcinogenní produkty, (např. inhibice cytochromu P450 typu CYP 3A4 flavonoidem naringinem v grapefruitu snižuje metabolickou aktivaci aflatoxinu B1 na vlastní karcinogenní metabolit) indukce biotransformačních enzymů a následná zvýšená biotransformace xenobiotik, zvýšení aktivity enzymu hydroxy-metyl-glutaryl-koenzym A-reduktázy, který se účastní tvorby endogenního cholesterolu, polychlorovanými bifenyly či dioxiny, ovlivnění složení a biotransformační kapacity střevní mikroflóry fermentovanými mléčnými výrobky s obsahem laktobacilární mikroflóry.

Cizorodé látky v potravě Přídatné (aditivní) - (konzervancia, sladidla, barviva, plnidla, atd.) Kontaminující (cizorodé) – anorganické, organické Přirozené toxické látky (přirozené pesticidy) Důsledky technologických procesů Toxické produkty mikroorganismů

Přídatné (aditivní) látky v potravinách Dle stanovení vyhlášky MZ: Množství a druhy látek přídatných, pomocných a potravních doplňků, které se smějí vyskytovat v potravinách (potravních surovinách) a jejich přípustné množství Podmínky výskytu toxikologicky významných kontaminujících látek v potravinách a způsob jejich hodnocení Pomocné látky povolené při výrobě potravin, limity a označování Potravní doplňky povolené k obohacování potravin

Přídatné látky lze použít jen pokud je to technologicky zdůvodněné Příklady: Konzervanty, barviva, aromata, náhradní sladidla, zahušťovadla, emulgátory, antioxydanty, kypřící látky, modifikované škroby, protispékavé látky, plnidla Látky leštící, pěnotvorné, zpevňující, želírující, zvlhčující atd.

Náhradní sladidla Potraviny se sníženým obsahem energie (deserty, zmrzliny, nealko nápoje, pomazánky, pečivo, cukrovinky, žvýkačky, pivo… Sorbitol (E 420), xylitol (E 967), mannitol (E 421), laktitol (E 966) Acesulfam K (E 950) Aspartam (E 951) Kyselina cyklamová a její soli (E 952) Sacharin a jeho soli (E 954) Thaumatin (E 957) Neohesperidin (E 959)

Kontaminující látky Kovy a metaloidy Dusičnany, dusitany Alifatické chlorované uhlovodíky (dichlormetan, tri-, tetrachlormetan, trichloretylen…) Polycyklické aromatické uhlovodíky N-nitrosaminy Chlorované persistentní organické látky (DDT, PCB, dioxiny apod.) Estery kyseliny ftalové Mykotoxiny

Kontaminující látky Anorganické látky – kovy - nitráty Kovy: As (anorganický): mořské ryby, rýže, obiloviny, víno, pivo Pb: neurotoxicita, průchod placentou Hg: organická forma (metylrtuť) – ryby, rybí výrobky, mořské plody (Minamata) Cd: cereálie, rostlinná potrava, kouření. Itai-Itai Nitráty: Kojenecká methemoglobinemie, karcinogenní nitrosaminy

Nitrosaminy Bakteriální reduktázy Nitráty + kyselé pH Nitrity Vit. C, E Nitrosaminy Methemoglobinemie kojenců

Organické kontaminující látky Antropogenního původu: POPs PAU Ftaláty Přirozeného původu: mykotoxiny

Mykotoxiny – toxické produkty plísní Vlhkost, teplo a poškození obilek při sklizni Sklizeň obilovin Uskladnění obilí Uchovávání cereálních výrobků (vč. balení) Ovoce, kompoty Ořechy, arašídy, káva, kakao Zaplísněná krmiva Metabolity mykotoxinů v mléce

Toxický účinek mykotoxinů Genotoxický a karcinogenní: aflatoxiny, ochratoxiny, fumonisiny, griseofulvin, trichoteceny Hepatotoxický: aflatoxiny, luteoskyrin, sterigmatocystin Estrogenní: zearalenon Nefrotoxický: ochratoxin, citrinin Dermatotoxický: trichoteceny, psoraleny, sporidesminy, verrukariny Hematotoxický: aflatoxiny, ochratoxin A, trichoteceny, zearalenon Imunotoxický: aflatoxiny, ochratoxin A, trichoteceny, patulin, sporidesmin

Onemocnění spojovaná s mykotoxiny Aflatoxiny Aflatoxikóza, kwašiorkor, Reyův syndrom, primární karcinom jater (potenciace HBV) Ochratoxin A Balkánská endemická nefropatie, nádory ledvin Trichoteceny alimentární toxická aleukie, stachybotriotoxikóza Fumonisiny Nádory jícnu Citreoviridin akutní kardiální beri-beri, onemocnění ze žluté rýže Luteoskyrin dtto Námelové alkaloidy ergotismus

Toxické produkty bakterií Histidin v rybím mase – bakteriální dekarboxylázy - biogenní aminy (histamin) Tyrosin v sýrech - bakteriální dekarboxylázy – tyramin (+ inh.MAO) Bakteriální toxikoinfekce a toxikózy: stafylokoková enterotoxikóza, botulotoxin , intoxikace Clostridium. perfringens A, intoxikace B. cereus Bakteriální redukce dusičnanů na dusitany: methemoglobinemie, nitrosaminy Lipolytické a proteolytické působení mikroorganismů

Heterocyklické aminy (pyrolyzáty proteinu) Vznikají působením vysoké teploty při úpravě masa a masných výrobků. Množství závisí na výši teploty a délce tepelné úpravy: aminokyselina (glycin, fenylalanin) + kreatin (kreatinin) + glukóza Nepřímé mutageny s vysokou potencí - aktivace CYP1A2 Detoxikace: hydroxylace, konjugace Karcinogenita potvrzena na zvířatech

Zajímavé toxikanty vznikající v důsledku potravinářské technologie Chlorpropandioly (3-MCPD) Výroba polévkového koření, sojové omáčky apod. Kyselá hydrolýza (HCl) – rozštěpení MK – vazba chloru = zvýšená biologická aktivita vzniklých derivátů (mutagenita) Akrylamid V hranolkách, čipsech, chlebu, sušenkách apod. Množství závisí na technologii (např. výše teploty či délka kulinární úpravy). Potenciální karcinogen (Hb addukty), neurologické změny

Proč se zabývat persistentními organickými chlorovanými látkami? Jsou všudypřítomné a někde víc Mají specifické vlastnosti Mají nežádoucí zdravotní důsledky Ovlivňují zdravotní stav populace Představují globální problém Musí být regulovány v mezinárodní spolupráci (Stockholmská dohoda)

Persistentní organické polutanty (POPs) Chlorované pesticidy (DDT včetně metabolitů, HCB, a, b, g -HCH aj.) Polychlorované bifenyly (PCB) Polychlorované dioxiny (PCDD) a dibenzofurany (PCDF) Polybromované bifenyly (PBB) Polybromované dibenzoétery (PBDE – retardátory hoření) Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) a další….

Persistentní organické polutanty (POPs): Charakteristika: Persistence v prostředí Transport na dlouhou vzdálenost Dlouhý biologický poločas Bioakumulace v průběhu potravního řetězce Biokoncentrace ¨(biomagnifikace) ve vodních organismech Ukládání v tuku Nežádoucí biologické účinky Nežádoucí zdravotní účinky

I. Nebezpečné vlastnosti (nežádoucí zdravotní účinky) Ovlivnění hormonální rovnováhy (Endokrinní disruptory) Karcinogenita Neurotoxicita Chlorakne Poruchy imunity Poruchy metabolismu glukózy Změny lipidového spektra

Jaká je situace v ČR? PCB jako technické směsi se vyráběly v bývalém Československu v Chemko Strážské (Michalovce) Výroba znamenala velké znečištění bezprostředního okolí továrny i únik těchto látek do ovzduší a vodních toků (Zemplínská Šírava) PCB byly v průmyslové výrobě používány více v Česku než na Slovensku. Pronikly do prostředí, potravních řetězců a organismu osob žijících v těchto průmyslových oblastech. V Uherském Hradišti byly vyráběny barvy obsahující až 20% PCB. Tato oblast představuje lokalitu se zvýšenou zátěží populace.

Vznik dioxinů 1) Dříve: Jako kontaminující produkty výrobních procesů: Výroba chlorovaných pesticidů a jejich použití (Vietnam, Seveso, Spolana Neratovice…), výroba PCB (Chemko); Papírenský průmysl – používání chlóru pro bělení. 2) Nyní: V důsledku neúplného spalování organické hmoty: Požáry, vulkanická činnost; Domácí topeniště, spalovny odpadů, krematoria; Spalovací motory; Kouření cigaret.

Mezinárodní regulace ED látek Stockholmská konvence, květen 22, 2001 Reguluje dosud celkem 12 chemických struktur V r. 2012 přidány do seznamu další chemické látky Zákaz - pesticidy: Aldrin, Chlordane, Dieldrin, Endrin, Heptachlor, Hexachlorobenzene, Mirex, Toxaphene, Zákaz – průmyslové látky: Polychlorinated biphenyls Omezení: DDT (v zemích s vysokým rizikem malárie) Omezení zdrojů: dioxiny

Závěry – možnosti prevence? Technická a technologická řešení (regulace u zdroje): Omezení tvorby dioxinů a průniku do prostředí. (záchyt dioxinů na filtrech spaloven, dokonalejší spalovací procesy, regulace zátěže z dopravy). Odhalení, evidence a likvidace starých skládek. Regulace v potravinách. Individuální ochrana: Obtížná, reálné je omezení konsumace živočišných tuků. Nespalovat odpady v lokálních topeništích Aktuální problematika genetické toxikologie, Brno, 5. – 7. 5. 2003

Co spojuje nutriční a genetickou toxikologii? Význam nutričních faktorů v procesu mutagenese a karcinogenese Význam nutričních faktorů v procesu antimutagenese a antikarcinogenese Význam genetického vybavení organismu pro expresi toxického, mutagenního a karcinogenního účinku nutričních faktorů

Nutriční faktory, mutagenita, karcinogenita Význam makronutrientů v karcinogenese: Vyšší konzumace (živočišných) tuků Vyšší přívod energie Nadměrný přívod soli Nedostatečný přívod vlákniny……atd. Význam cizorodých látek v potravě Pesticidy, PCB, dioxiny, mykotoxiny, ftaláty…atd. Látky vznikající vlivem technologických procesů PAU, nitroPAU, NA, HA

Význam biotransformace v nutriční (anti)karcinogenese Fáze I – P450 - oxidace, redukce, hydrolýza Fáze II – konjugace pomocí GST, EH, NAT, sulfotransferáz a UDP glukuronyl transferáz Fáze III – transport xenobiotik a jejich metabolitů z buněk Biotransformační kapacita mikroflóry organismu

Význam biotransformace v nutriční (anti)karcinogenese Rozdíly v biotransformačních procesech mohou být způsobeny: 1. Genetickým vybavením jedince (skupiny, etnika). Genetický polymorfismus 2. Působením zevních faktorů, zejména složek stravy může dojít k: Inhibici Indukci Aktivaci Složky stravy (xenobiotika i přirozeně se vyskytující látky ve stravě) jsou schopny modulovat biotransformační enzymy směrem zvýšené detoxikace i snížené bioaktivace (nebo i naopak).

Inhibice enzymů I fáze (CYP apod.) Indukce konjugačních enzymů Redukce vzniku genotoxických meziproduktů Možné snížení pravděpodobnosti incidence nádorů

Identifikace složek stravy s antimutagenním/antikarcinogenním účinkem Vitaminy Minerály a stopové prvky Flavonoidy Lykopen EGCG a další katechiny Glukosinuláty Kys. ellagová Kys. glycirizinová (lékořice) AITK Resveratrol …a další Zelenina a ovoce Brukvovitá zelenina Vláknina Česnek Cibule Sója Červené víno Čaj zelený i černý ….a další

Heterocyklické aminy význam genetického polymorfismu CYP1A2 – indukce kouřením, PAU, brukvovitou zeleninou (?) 2 typy polymorfismu NAT – rychlá a pomalá acetylace Zvýšené riziko karcinomu tlustého střeva u osob s rychlou acetylací (NAT) a s intensivní aktivitou CYP1A2. Zvýšené riziko karcinomu močového měchýře u subjektů s pomalou acetylací exponovaných aromatickým aminům

Heterocyklické aminy – modulace účinku složkami výživy (Na téma prevence účinku HA publikováno přes 300 studií) Adsorpce na vlákninu Interakce s heminem a chlorofylem blokuje kovalentní vazbu na DNA Brukvovitá zelenina (indol-3-karbinol) potlačuje přeměnu HA pomocí CYP1A2 na hydroxyamino-derivát, protože indukuje více CYP1A1 (hydroxylace) Složky zeleného čaje indukují GST, zvyšují detoxikaci Antioxidanty – snižují tvorbu HA Fermentované mléčné produkty – snižují dekonjugaci ve střevním lumen

Nádorové onemocnění plic Rizikové faktory Mechanismy (účinné látky) Protektivní faktory Mechanismy Kouření Směs negenotoxických i genotoxických karcinogenů Přestat kouřit, Zelenina, zelený čaj Snížení expozice Antioxidační efekt Ovlivnění biotransformace Profese (asbest, radon) Vyšší riziko u kuřáků Ochrana na pracovišti Nedostatek vitaminů (A, C, karotenoidů) Nízká ochrana před oxidačním stresem Změnit stravovací zvyklosti

Nádorové onemocnění žaludku Rizikové faktory Mechanismy (účinné látky) Protektivní faktory Mechanismy Přesolené pokrmy Uzené pokrmy Dusičnany a dusitany Alkohol, kouření Helicobacter pylori Snížená kyselost v žaludku Nedostatek vitaminů E, C Nitrosaminy, jejich tvorba v žaludku Redukce nitrátů na nitrity Chronické dráždění Urychlené dělení buněk Zelenina, ovoce, zelený čaj Antioxidační látky, vit. C, E Léčení infekce Regulace nitrátů v potravě a vodě Antioxidační efekt Ovlivnění Prevence tvorby nitrosaminů Zvýšení obranyschopnosti buněk

Nádorové onemocnění tlustého střeva Rizikové faktory Mechanismy (účinné látky) Protektivní faktory Mechanismy Rodinná dispozice Obezita Nadměrný příjem tuků Nedostatek vlákniny Pyrolyzáty proteinu Nedostatek fyzické aktivity Složení střevní mikroflóry Zvýšená tvorba a promoční efekt žlučových kyselin Oxidovaný cholesterol Pomalá pasáž střevem, zvýšená resorpce genotoxinů Genotoxicita pyrolyzátů Anaerobní mikroflora Úprava stravovacích zvyklostí Redukce hmotnosti Dostatek vlákniny Úprava střevní mikroflóry (jogurty apod.) Vápník, hořčík, selen Snížená tvorba žlučových kys. Urychlená střevní pasáž a snížená resorpce karcinogenů Úprava složení střevní mikroflóry Vazba žlučových kyselin na soli Ca a Mg

Nádorové onemocnění jater Rizikové faktory Mechanismy (účinné látky) Protektivní faktory Mechanismy Zaplísněné potraviny Alkohol Hepatitis B Profese (práce s vinylchloridem) Mykotoxiny Chronické dráždění Narušení metabolických procesů Genotoxický účinek vinylchloridu Nejíst plesnivé potraviny Omezit alkohol Očkování proti HB Ochrana na pracovišti Snížení expozice Omezení chronického dráždění jaterních buněk Ochrana před infekcí

Chemoprevence Využití přirozených i syntetických látek pro inhibici vzniku a vývoje nádorového procesu či prodloužení věku, kdy bude nádorový proces prokázán u zvýšeně ohrožených populačních skupin. Představa: Karcinogenní proces může být působením chemopreventivních látek blokován v celém průběhu jeho mnohostupňového dlouhodobého vývoje.

Strategie chemoprevence Zaměření na celou populaci – formou doporučení Zaměření na populační skupiny se zvýšeným rizikem (genetické vybavení zvyšující riziko onemocnění, pacienti s nádorovým onemocněním po léčbě cytostatiky, profesionální expozice karcinogenům, kuřáci atd.)

Co musí předcházet výběru látky vhodné pro chemoprevenci? Identifikace látek s prokázaným antimutagenním a antikarcinogenním působením Zjištění a ověření mechanismu jejich účinku in vitro i na zvířecích modelech Ověření benefitního účinku ve vztahu k různým typům karcinogenů Ověření chemopreventivního účinku v klinické zkoušce Ověření účinku v epidemiologických studiích pomocí vhodných biomarkerů Použití k intervenci u ohrožených populačních skupin.

Požadavky na chemopreventivní agens Chemopreventivní agens nesmí jakýmkoliv způsobem poškozovat zdraví člověka Účinek látky musí být spolehlivě ověřen Musí se jednat o látku, která je obecně dostupná z přirozených zdrojů, intervence má doplňující charakter (vitaminy, přirozené složky rostlinné stravy..) Zdroj látky a způsob podání odpovídá kulturnímu a etickému vnímání intervenovaného jedince

Význam vitaminů a stopových prvků pro stabilitu genomu Mutat. Res. 475, 2001 Agens Deficience Zdravotní účinek Vit. C Nedostatečná ochrana před oxidací DNA Nádorová onemocnění, KVO… Vit. E dtto Kys. folová Inkorporace uracilu místo tyminu, akumulace homocysteinu. Chomozómové zlomy Vývoj. poruchy, nádorová a srd. onem. Vit. B12 Se Zvýšený oxidační stres Riziko nádorových onemocnění, poruchy funkce štítné žlázy

Překvapivé výsledky některých intervenčních studií Alpha Tocopherol Beta Carotene (ATBC) study, Finsko Beta-karoten v dávce 20 mg/den vedl ke zvýšení incidence karcinomu plic u kuřáků o 18 %. Carotene and Retinol Efficacy Trial (CARET), USA RR karcinomu plic pro celou skupinu 1,28 (pro pracovníky s asbestem 1,40, pro kuřáky 1,42, pro nekuřáky 0,80) European Study on Chemoprevention with Vitamin A and N-acetylcystein (EUROSCAN) Neprokázán benefitní efekt

Jak dál v chemoprevenci? Je prokázáno, že určité nutriční faktory jsou zapojeny do karcinogenního procesu. Mnoho stravovacích zvyklostí je spojeno s nižší prevalencí nádorových onemocnění. Balance biotransformačních enzymů, reparačních enzymů a dalších faktorů modulujících karcinogenesu včetně genetického vybavení je příliš komplikovaná. Představa, že bude možno použít universální chemoprotektiva, je v současnosti nereálná. Jsou nezbytné další studie směřující k poznání mechanismů působení za různých podmínek. Základní jistota je protektivní působení zeleniny a ovoce

Stravovací zvyklosti a prevence nádorů Preference rostlinné stravy: aspoň 5 porcí denně ovoce a zeleniny, preferovat cereálie, těstoviny, luštěniny Omezit živočišný tuk ve stravě, vybírat pokrmy s nižším obsahem tuku, volit šetrnou kulinární úpravu Omezovat konsumaci masa, především tučného Provozovat vhodnou formu fysické aktivity aspoň 30 min. denně Udržovat si své vhodné hmotnostní rozmezí Alkoholické nápoje konsumovat přiměřeně málo