Základy toxikologie VZ – 2.r.

Definice toxikologie Vědecký obor, který studuje kvalitativní i kvantitativní účinek chemických látek na živé organismy. Nauka o škodlivých a nežádoucích účincích látek na živé organismy a ekosystémy, o mechanismech účinků, o analýze škodlivin ve složkách životního prostředí a biologického materiálu, O prevenci a léčbě otrav, O způsobu posuzování škodlivých účinků

Co je jed, „toxický“ účinek Jed je chemikálie uvedená v legislativě (seznam látek klasifikovaných jako škodlivé (dříve NV 114/1999) Toxin = jed přirozeného původu (mikrobiální, rostlinné, živočišné toxiny) Toxicita závisí na dávce (dosis facit venenum). Co je to dávka? Množství látky, která vstoupí do organismu Toxické účinky se mohou projevit u člověka či u jiných živých organismů. Záleží na výši expozice, mechanismu účinku a na biotransformaci látky.

Historie toxikologie Je tak stará jako lidstvo samo. Travičství Znalosti jedů se používalo v politice i v řešení osobních problémů. Taxus (tis) – toxos (luk) - toxicon (jed pro namáčení šípů) Staří Egypťané – kyanovodík z broskvových pecek Sokrates – odvar z bolehlavu (Conium maculatum – b. plamatý) Nero – arsenik Claudius a Aggripina – otrava houbami

Historie toxikologie Phillipus Aureolus Theophastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus, * 1492). První „toxikolog“ – vztah dávky a účinku Ramazzini (1700) „Choroby dělníků“ (základ pracovního lékařství) Percival Pott (1714-1788) – kominíci a Ca skrota Claude Bernard – mechanismus působení chemických látek na biologický systém (kurare) J.E. Purkyně – zkoušky působení látek na vlastním těle 20. stol. – rozvoj vědy, analytiky, chemického průmyslu, vývoje léčiv. 1. SV – yperit Průmyslové havárie (Bhópal 1984 methylisokyanatan) Současné politické otravy –Litviněnko, Juščenko

Přírodní toxiny a jedy Ne vše, co je přírodního původu, je neškodné, popř. zdravé. Jedovaté rostliny a živočiši - ochrana před predátory. Rostlinné jedy (př.) – glykosidy (kyanidy), strumigenní glukosinuláty, alkaloidy, saponiny, kumariny, fytoestrogeny Houbové jedy – námelové alkaloidy, mykotoxiny, muskarin apod. Toxiny sinic a řas – cyanotoxin Bakteriální toxiny Živočišné jedy – ryba Fugu - tetrodotoxin

Cíle toxikologie Zjišťování škodlivých a nežádoucích biologických vlastností chemických látek, jejich sloučenin a směsí Studium možností diagnostiky a léčby otrav Navrhování a realizace preventivních opatření na ochranu před jejich škodlivými účinky Predikce (předpověď) možných nežádoucích účiků Poskytování odborných podkladů pro hodnocení rizik (hodnocení zdravotních rizik ve 3.r.)

Rozdělení toxikologie Obecná toxikologie – studium obecných zákonitostí, teorií, dějů a souvislostí. Mechanismy účinku, biotransformace, expozice, interakce látek (aditivní účinek, potencující účinek, antagonistický účinek). Vývoj metod pro studium toxicity. Speciální toxikologie – popisuje studuje a hodnotí toxické účinky konkrétních chemických látek a přípravků. Experimentální toxikologie – studium účinků chemických látek v experimentech in vivo i in vitro Klinická toxikologie – zkoumá účinky chemických látek na člověka Ekotoxikologie – zkoumá účinek látek na biotické složky prostředí

Rozdělení toxikologie (pokr.) Analytická toxikologie – využívá metody analytické chemie pro průkaz toxických látek v biotických i abiotických složkách. Kvalitativní i kvantitativní výpovědi. Průmyslová toxikologie – sleduje toxické účinky surovin, produktů, meziproduktů i odpadů v průmyslu. Souvisí s pracovním lékařstvím. Soudní toxikologie (forenzní) v soudním lékařství Vojenská toxikologie – bojové chemické látky Predikční toxikologie odhad účinku pomocí alternativních metod (QSAR, in silico) Farmakologická toxikologie

Toxický účinek Vyplývá z interakce mezi látkou a biologickým systémem Látka působí na organismus (vyvolá účinek) Organismus působí na látku (biotransformace). Biotransformace  detoxikace Typy účinků: Akutní – okamžitý, bezprostřední (LD50) Chronický – dlouhodobé působení nízkým dávkám Pozdní (vzdálené, opožděné, delayed) – efekt nastane po dlouhé latenci až několik let (karcinogenní, mutagenní)

Mechanismy působení toxických látek Interakce s biologicky významnými molekulami v organismu Vazba na nukleofilní skupiny (DNA, proteiny) Působení přes receptory Působení přes volné radikály

LD50 (letální dávka, usmrcujících 50% exponovaných subjektů) - stupně toxicity 15 g/kg Prakticky neškodné NaCl 5-15 g/kg Prakticky netoxické aceton 0,5-5 g/kg Málo toxické ZnSO4 0,05-0,5 g/kg Toxické NaF 0,005-0,05 g/kg Velmi toxické Akrolein, tetraetylolovo <0,005 Extrémně toxické TCDD (dioxin)

Zjišťování toxicity Odhad podle struktury chemické látky (QSAR) Pokusy in vitro na buněčných liniích (bakterie, tkáňové kultury apod.) Testování na zvířatech (in vivo) Epidemiologické studie (havarijní situace, pracovní expozice apod.

Toxicita u člověka Epidemiologické studie (srovnání výskytu toxického účinku u populačních skupin s různou úrovní expozice) Extrapolace ze studií na zvířatech (rozdíly v biotransformaci, toxikokinetice a toxikodynamice mezi člověkem a zvířetem) Extrapolace z in vitro studií – podezření, pokud je pozorován účinek; pokud pozorován není, nelze účinek přesto vyloučit. Extrapolace z in silico – odhad možného mechanismu účinku na základě struktury látky Účinek ovlivněn věkem, pohlavím, zdravotním stavem člověka i jeho genetický vybavením.

Rozdělení dle účinku Neurotoxikologie Imunotoxikologie Genotoxikologie Nefrotoxikologie Toxikologie psychotropních a omamných látek atd

Toxicita – orgánová specifita Hepatotoxicita – játra jsou nejčastějším místem účinku Nefrotoxicita Neurotoxicita Hematotoxicita Kardiotoxicita Narkotický účinek – nespecifický Kumulace látek v tělních tkáních, nejčastěji v tuku (POPs), ale i v kostech (Pb), v ledvinách (Cd)

Funkční toxicita Imunotoxicita Alergenita Reprotoxicita (účinek na reprodukci) Teratogenita, embryotoxicita Genotoxicita (účinek na složky genomu) Bakteriotoxicita

Jednotky velikosti dávky/účinku Hmotnostní (g, mg/kg; mg.kg-1 apod./ hmotnosti jedince) Moly, mmol, mol/l, mol/kg apod. Ppm – parts per milion (mg z kg) Ppb – parts per bilion (miliarda) ug z kg setkáme se s nimi v anglosaské literatuře

Závislost účinku na dávce a čase Prahové účinky – lze většinou určit bezpečné limity Bezprahové (stochastické) účinky – nelze určit bezpečné limity, limitní hodnoty mohou být přesto stanoveny na základě přijatelnosti rizika pro společnost Hormesis - Závislost na dávce není lineární, ale má tvar U

Přípustné epoziční limity: Pracovní prostředí: PEL (permissible exposure limit) a NPK-P (nejvyšší přípustná koncentrace) Biologické expoziční testy (BET, BEI – biologic exposure indices) Pitná voda: MH (mezní hodnota), NMH (nejvyšší mezní hodnota) Potraviny: ADI (acceptable daily intake – přijatelný denní příjem) TDI (tolerable daily intake) PTWI (weekly) a PTMI (monthly) pokud se jedná o chronickou expozici

Osud chemické látky v organismu Vstup do organismu – vstřebání, absorpce Distribuce Biotransformace vylučování ADME – absorpce, distribuce, metabolismus, exkrece

Vstup látky do organismu Inhalačně – velikost částic, hydrofilita Transdermálně přes kůži či sliznici – především u prof. expozice (kapalina plyn) nebo porušenou kůží Orálně –látky hydrofilní i lipofilní, závisí i na charakteru potravy (per os, požitím). Enterohepatální cyklus: GIT – játra – krev - GIT Intravenózně Transplacentálně látky schopné překonat placentální bariéru mezi matkou a plodem (Pb, metylHg, dioxiny, PCB a další POPs)

Vstupní brány expozice Kombinace expozičních cest Orální Potrava, voda, prach a půda Inhalační Ovzduší, aerosol ve sprše Kůží a sliznicí V pracovním procesu, z mastí a kosmetiky, textilie Kombinace expozičních cest

Hodnocení expozice Definice expozice: Expozice je styk chemického, fyzikálního nebo biologického činitele s vnějším povrchem organismu. Expozice je nabídka nebezpečné (potenciálně nebezpečné) látky či faktoru. Hodnocení expozice je určení nebo odhad velikosti, frekvence, trvání a cesty expozice

Velikost účinku a dostupnost Proces expozice – toxikologická dostupnost: Vstřebání, transport přes membrány Toxikokinetika – biologická dostupnost: Transport, distribuce, biotransformace, vylučování Toxikodynamika – interakce: Inhibice či indukce enzymů, interference s funkcemi buněk, aktivace a deaktivace látek metabolickou cestou

Osud látky v organismu Absorpce (vstřebání, resorpce) Transport a distribuce Metabolismus (biotransformace) Vylučování (exkrece) (ADME) (střevní mikroflóra) Interakce s místem účinku (genom, receptory, membrány apod.)

Možnosti toxických účinků Dráždění kůže a sliznic Narkotický účinek Inhibice transportu kyslíku (kompetice CO s O2, vznik karboxyhemoglobin; změna dvojmocného Fe v Hb na trojmocnou za vzniku methemoglobinu (dusitany, anilin, chlorečnany) Inhibice funkce enzymů (např. ionty Pb inhibují tvorbu porfyrinu potřebnou pro tvorbu hemu); organofosfáty inhibují acetylcholin esterázu (parasympatikomimetikum). Indukce činnosti enzymů Alkylace, acylace Mutagenita Alergenita

Distribuce látky v organismu Závisí na: charakteru látky (rozpustnosti ve vodě, velikosti a geometrie molekuly Místě vstupu látky do organismu Typu expozice

Biotransformace = přeměna chemické látky biochemickými mechanismy. Jedná se nejen o xenobiotika, ale i látky tělu vlastní Dochází ke změně chemické struktury a tedy i vlastností látky. Proces biotransformace vede obecně ke zvýšení hydrofility látky a jejímu lepšímu vyloučení. Důsledkem biotransformace může být jak detoxikace, tak i zvýšení toxicity či objevení toxicity (genotoxicity) původně netoxické látky

Fáze biotransformace I. Fáze: cytochrom P450 a jeho izomery oxidace, hydroxylace, epoxidace, redukce II. fáze: konjugační. Vzniklé konjugáty (s kys. glukuronovou, sulfátem, glutationem) jsou polárnější než vlastní látky a lépe se vylučují močí. Konjugáty se neresorbují, ale mohou být štěpeny mikroorganismy střevního traktu a navraceny tak do enterohepatálního oběhu Rozdíly v biotransformaci mohou být etnické, pohlavní, individuální (genetický polymorfismus)

Vylučování Ledviny – moč: glomerulární filtrace, tubulární absorpce nebo sekrece. Rozhoduje funkce ledvin i krevního oběhu. Játra – žluč – stolice: zejména lipofilní látky. Možnost štěpení konjugátů střevní mikroflórou (enterohepatální oběh) Vydechováním: těkavá organická rozpouštědla Vylučování žlázami: slinné, potní, mazové, slzné Vylučování mateřským mlékem: lipofilní látky s dlouhým biologickým poločasem

Depozice látek v organismu V kostech – olovo V ledvinách – kadmium V játrech – těžké kovy Ve vlasech – metylrtuť V tukové tkáni – lipofilní látky jako PCB, DDT apod. Přechod látek přes bariéry – hematoencefalickou, placentární

Doporučená literatura Miloň Tichý: Toxikologie pro chemiky. Učební texty Univerzity Karlovy, Praha, 2003 Jaroslav Prokeš a kol.: Základy toxikologie. Galén, Nakladatelství Karolinum, 2005 J. Horák, I. Linhart, P. Klusoň: Úvod do toxikologie a ekologie pro chemiky. VŠCHT, 2012 Igor Linhart: Toxikologie. VŠCHT Praha, 2012