Bezpečnostní inženýrství - Toxikologie -
Hlavní zdroj: Kolská Z., Toxikologie, PřF UJEP, 2007
M. Jahoda
Obecná toxikologie Základní pojmy Toxikologie • věda, která se zabývá studiem nepříznivých účinků chemických, fyzikálních a biologických agens na živé organismy a ekosystémy včetně prevence a léčby těchto nepříznivých účinků (Society of Toxicology) Toxicita • schopnost látky působit na organismy nepříznivě Toxická látka • látka schopná působit na organismus nepříznivě Toxin • jakákoliv substance, která i v malém množství nebo nízké koncentraci, po jednorázovém, nebo opakovaném podání, způsobí poškození, nebo smrt organismu
2
Obecná toxikologie
3
Z historie Paracelsus (Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim)
1493-1541
„Všechny substance jsou jedy, neexistuje žádná, která by jím nemohla být. Pouze dávka odlišuje jed od látky neškodné, nebo léku.“ lékař – alchymista položil základy farmakologie, toxikologie a moderní terapie, objevil vztah dávka-účinek
Obecná toxikologie
4
Rozdělení toxikologie Obecná toxikologie • zkoumá obecné zákonitosti a vztahy mezi chemickými látkami a účinkem na živý organismus. (Mechanismy účinku, biotransformace, expozice, interakce látek. Vývoj metod pro studium toxicity.) Speciální toxikologie • popisuje studuje a hodnotí toxické účinky konkrétních chemických látek a přípravků (anorganické látky, organické látky, bojové látky, omamné a psychotropní látky, toxiny živočišného a rostlinného původu). Experimentální toxikologie • studium účinků chemických látek v experimentech in vivo a in vitro Klinická toxikologie • zkoumá účinky chemických látek na člověka Ekotoxikologie • zkoumá účinek látek na biotické složky prostředí
v živém ve skle
Obecná toxikologie Rozdělení toxikologie 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 Farmakologická toxikologie
5
Obecná toxikologie Faktory ovlivňující toxický účinek Je-li organismus vystaven působení určité látky, její účinek závisí na mnoha faktorech: 1. Na druhu látky. 2. Na dávce nebo koncentraci v prostředí, z něhož látky do organismu vstupuje. 3. Na cestě, kterou do organismu vstupuje (brány vstupu). 4. Na citlivosti jedince. 5. Na vstřebatelnosti látky (např. na rozpustnosti látky ve vodě, tucích či jiných tekutin v organismu). Toxické látky • Chemické (jedy) • Fyzikální (prachové částice pod 5 m, vlákna) • Biologické (patogeny)
6
Toxické látky Jednotky velikosti účinku Hmotnostní (g, mg/kg; mg.kg-1 apod./ hmotnost jedince) Moly (mmol, mol/l, mol/kg apod.) ppm – parts per milion (mg z kg) ppb – parts per bilion (miliarda) g z kg procento (%) – setina z celku promile (‰) – tisícina z celku
Expozice (doba působení) Akutní (jednorázová) • okamžitá, bezprostřední, do 24 hodin, inhalace do 4 hodin Opakovaná • subakutní – podobu 4 týdnů • subchronická – 1 až 3 měsíce • chronická – délen ež 3 měsíce Pozdní (vzdálené, opožděné, delayed) • efekt nastane po dlouhé latenci (karcinogenní, mutagenní)
7
Toxické látky Dávka Látka
8
LD50 (mg/kg)
Cukr
29 700
Ethanol
7 060
Sůl kuchyňská
3 000
Paracetamol (acetaminophen)
1 944
Síran železnatý
1 500
Formaldehyd
800
Amoniak
350
Aspirin
200
Kofein
192
Phenobarbital
150
DDT
100
Arsenic
15
Strychnin
2
Nikotin
1
Dioxin
0,0001
Botulotoxin
0,00001
Letální dávka (LD50) dávka pro 70 kg osobu • • • • • •
Extrémně toxické < 5 mg/kg Velmi toxické 5 – 50 mg/kg Toxické 50 – 500 mg/kg Málo toxické 0.5 – 5 g/kg Prakticky netoxické 5 – 15 g/kg Prakticky neškodné >15 g/kg
Letální dávka (smrtelná) • odhaduje se výpočtem koeficientu LD50 - což je výpočet dávky, která způsobí akutní uhynutí 50 % experimentálních zvířat (myší nebo potkanů).
Projevy toxického účinku Akutní otrava
• může nastat při vlastní expozici, bezprostředně po ní nebo se zpožděním • vniknutí nadkritické dávky do organismu v krátké době, projevuje se okamžitým účinkem • látka vniká do organismu v podkritických dávkách, je ukládána v některém orgánu a jednorázově vyplavena do krve v nadkritickém množství Průběh • prudký, představují bezprostřední ohrožení zdraví nebo života postiženého
9
Projevy toxického účinku
10
Chronická otrava
• podkritické dávky vnikají do organismu dlouhodobě • dochází k jejich kumulaci v těle • účinky se projeví opožděně po překročení určité koncentrace v místě účinku Průběh • příznaky otravy nastupují zvolna, stupňují se a přetrvávají i po přerušení či ukončení expozice • neohrožují zdraví nebo život okamžitě • vyžadují dlouhodobé léčení, příp. zanechávají trvalé následky
Projevy toxického účinku
11
Chemická alergie
• imunologicky zprostředkovaná tvorba protilátek po předchozím podání toxické látky • alergická reakce se pak rozvine po opětovném podání i nepatrného množství toxické (anafylaktický šok) Průběh • geneticky podmíněné abnormální reakce na chemické látky (mimořádně vysoká citlivost na malé dávky nebo mimořádně nízká citlivost na vysoké dávky)
Mechanismy toxického účinku
12
Obecně cizorodá látka působí tak, že se naváže na určité místo v organismu zvané receptor a tím ovlivní nějakou důležitou životní funkci.
Rozdělení podle projevu Přímý toxický účinek • poškození buněk určitého orgánu, nejčastěji se jedná o játra, ledviny, plíce, ... • dráždivý účinek – dochází k podráždění nebo poškození sliznice očí, dýchacích cest, zažívacího ústrojí nebo kůže (vyvolávají jej např. kyseliny, louhy, látky s oxidačními účinky, organická rozpouštědla) • narkotický účinek – způsobují jej látky, které brzdí přenos nervového vzruchu a tím potlačují aktivitu centrální nervové soustavy (např. nižší alkoholy, CHCl3, CCl4, benzen, toluen…)
Mechanismy toxického účinku
13
Rozdělení podle projevu
Biochemický toxický účinek • toxická látka interaguje s cílovou molekulou (enzym, receptor, ...) • ovlivnění biochemického děje • inhibice enzymu X aktivace enzymu Příklady o př. nervově paralytické otravné látky (Sarin, Soman, VX) inhibují enzym acetylcholinesterázu blokování nervosvalového přenosu, smrt nastává v důsledku zástavy dechu a selhání kardiovaskulárního systému terapie spočívá v aplikaci specifických antidot (anticholinergikum + reaktivátor) o ethanol aktivuje alkoholdehydrogenázu katalyzuje přeměnu primárních a sekundárních alkoholů na jim odpovídající aldehydy či ketony
Mechanismy toxického účinku Rozdělení podle projevu
Imunotoxický účinek
14
Imunitní systém slouží k tomu, aby byl schopen rozpoznat v organismu cizorodou látku a aby se ji pokusil z organismu vytěsnit. Je-li nějaká látka rozpoznána jako cizí antigen, imunitní systém vyprovokuje tvorbu protilátek, které vytvoří s antigenem komplex (protilátka-antigen) a tím je antigen inaktivován.
• ovlivnění imunitního systému • toxické látky mohou imunitní reakci : • potlačit (imunosuprese) benzen, polycyklické aromatické uhlovodíky, PCB, ozon • vyvolat nepřiměřenou imunitní reakci (alergická reakce) např. pyly, prachy, akryláty, kovy, ...
Mutagenita • zásah do genetické informace • působením chemických látek dojde ke změně struktury některé báze nukleových kyselin (DNK, RNK), takto pozměněná báze není schopna vytvořit příslušný pár → dojde ke změně kódované a přenášené genetické informace
Mechanismy toxického účinku Rozdělení podle projevu
Kancerogenita • mutace v genetickém materiálu projevující se zhoubným bujením • poškození opravných mechanismů, které jsou jinak schopny poškozenou nukleovou kyselinu rozpoznat a opravit, příp. nahradit. • např. azbest, aminoazosloučeniny, vinylchlorid, polyaromatické sloučeniny, aromatické nitrosloučeniny, heteroaromatické nitrosloučeniny
Teratogenita • schopnost látky poškodit embryo, přestože pro matku je v dané dávce neškodná • př. léčivo Talidomid, používáno jako sedativum - na dospělé nemělo žádné vedlejší účinky, děti matek se rodily těžce deformované (zkrácené končetiny, malformace vnitřních orgánu, ...) • povinné testy všech léčiv na teratogenitu a ke zpřísnění požadavku na testování léčiv, na všech letácích k lékům uváděno, zda jsou či nejsou vhodné k užívání v době těhotenství
15
Toxokinetika
16
Zabývá se rychlostí a mechanismem účinku toxickou látku na živý organismus za různých podmínek. Zkoumá osud toxické látky v organismu po celou dobu setrvání v organismu po jednotlivých krocích. Popisuje průběh absorpce toxické látky (vniknutí do organismu), distribuce (rozvod toxické látky do organismu), biotransformace (přeměna toxické látky) a exkreci (vyloučení toxické látky nebo jejích metabolitu z organismu).
Místo expozice • • • • • • • •
inhalační = vdechnutím perorálně = ústy - polknutím perkutánně = kůží - vstřebáním kůží intravenózně - do žíly intramuskulárně - do svalu subkutánně - do podkožního vaziva intrakutánně - vpíchnutím do kůže sublingválně – pod jazyk
nejčastěji
invazivně (průnikem)
Absorpce toxické látky Inhalace (plíce) • toxické látky se do organismu dostávají buď jako plyn, pára, kapičky aerosolu nebo prachové částice dýchacími cestami • některé látky (dobře rozpustné ve vodě) se zadržují již v horních cestách dýchacích na vlhkém povrchu sliznice, zbytek se dostává dýchacími cestami dále až do plicních sklípků, alveolů a odtud se vstřebávají do krve Odezva plic na toxické látky
• • • • •
Podráždění – kyselé mlhy (např. HCl) Otok – fosgen (COCl2) Rozedma plic1 – kouření Fibróza2 – oxid křemičitý (silikóza) Karcinom – azbest 1 2
úbytek plicní tkáně náhrada plicní tkáně vazivem
17
Absorpce toxické látky
18
Absorpce kůží • některé chemické látky se mohou velmi rychle vstřebat - např. nervové plyny, CCl4, insekticidy, ... • po absorpcí kůží se látka velmi rychle dostává do krevního oběhu a s krví do celého těla • účinek je buď lokální (lokální podráždění pokožky), nebo systémový (pokud se látka vstřebá do celého těla) Absorpce je ovlivněna teplotou vlhkostí kůže celistvostí kůže dobou působení koncentrací látky rozpustností (ve vodě/tuku) velikostí molekul
Absorpce toxické látky Absorpce trávicím systémem (cesta perorální - požitím) • většinou s potravou, absorpce může nastat kdekoli v trávicím systému - v dutině ústní, v žaludku, v tenkém nebo tlustém střevu nebo v konečníku • buď působí toxická látka přímo podráždění zažívacího traktu (látky žíravé a dráždivé), nebo jsou ze zažívacího traktu absorbovány do krve a to podél celého zažívacího traktu, kdekoli na cestě: ústní dutina – konečník • hnací silou absorpce je lipofilita látky (rozpustnost v tucích)
19
Absorpce toxické látky Vstřikem
Přímo do krve říznutí, jehly, rozbité sklo, ... propíchnutí kůže, nebo zranění
• Nebezpečí intoxikace na pracovišti primárně spojená s krevními patogeny obzvláště nebezpečné v odvětví zdravotní péče Prevence: ochranné pomůcky
20
Biotransformace • vetšina toxických látek podléhá po vstupu do organismu chemickým přeměnám, biotransformací, metabolickým přemenám • některé biotransformace vedou ke vzniku méne toxických látek detoxikace • jiné vedou ke vzniku toxictejších látek bioaktivace nebo metabolická aktivace
Biotransformační reakce Reakce I. fáze • oxidace - nejvýznamnější • redukce • hydrolýza Reakce II. fáze • slučování (konjugace) s kyselinou glukuronovou , glutathionem, nebo kyselinou sírovou (sulfátová konjugace) • methylace • acetylace
21
Exkrece = vyloučení toxické látky nebo jejich metabolitů z organismu • rychlá eliminace snižuje pravděpodobnost výskytu toxicity látky a snižuje trvání jejího biologického efektu
Nejdůležitější cesty Moč • malé, ve vodě rozpustné molekuly (velké molekuly – neprocházejí ledvinami; lipofilní látky – jsou zpětně resorbovány z tubulů) • při léčbě intoxikací může být exkrece látek urychlena alkalizací/okyselením moči (fyziologické pH moči je 5-6,5) • exkrece močí ovlivněna i vazbou na plazmatické bílkoviny • podmínkou je rozpustnost ve vodě
22
Exkrece
23
Nejdůležitější cesty Plíce • důležitá cesta exkrece pro těkavé a plynné látky (př. až 60 % benzenu eliminováno plícemi) • pasivní difúzí z krve do plicních sklípků • díky rychlé výměně plynů – stálé zachování koncentračního gradient Stolice • cizorodá látka se dostává z jater se žlucí do tenkého a tlustého streva a odtud do stolice • takto vystupují zejména vysokomolekulární látky, např. tetracyklinová antibiotika (širokospektrá bakteriostatická antibiotika) Pot • velmi nepříjemné pokud se takto vylučují látky silně zapáchající jako např. některé thioly nebo kyselina máselná
Studium toxicity • Určení toxického účinku - lokální účinek, cílový orgán, systémové účinky, akutní, chronické účinky. • Určení toxické dávky - určit dávku, která bude produkovat určitý toxický účinek.
Problémy při studiu toxicity Neexistuje etický způsob, jak získat lidské dobrovolníky, a proto je nutné použít „model" na zvířatech: krysy, kočky, psi, králíci, atd. Ze získaných toxických dávek pak následně odhadovat působení na lidi Někdy he přenos informace problematická • alergie nebo imunita • potřeba statistické studie • organismus má specifickou odezvu nepoužitelnou pro lidi • odezva na dávku • reakční doba, skryté chování, akutní X chronické • obtíže při měření požadovaných veličin (např. olovo v játrech)
24
Rozdělení odezvy při konstantní dávce Základní koncept • • • •
25
Dávka = (Koncentrace) x (Čas)
Dávka a odezva může být měřena. Velikost odezvy je závislé na dávce. Všechny toxické interakce dávka-odezva lze sledovat. Se zvyšující se dávkou dochází ke zvýšení počtu postižených a/nebo zvýšení intenzity účinku. střední hodnota
• Testy na početné populaci. • Stejné dávky (obvykle dávka/tělesnou hmotnost). • Určení počtu nebo podílu jedinců, kteří mají odezvu.
Průměrná odezva při různých dávkách
26
Získaný vztah je pro každou látku individuální. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
průměrná odezva při dané dávce
Odezva (%)
• Opakování testu s různými dávkami. • Nalézt průměrnou odezvu na každou dávku. • Graf Odezva proti logaritmu Dávky. • Proložit data charakteristickou esovitou křivkou.
2
3
4
5
6
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
20
2
3
4
5
6
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1
2
3
4
5
6
20 18 16 20
14
18
12
16
10
14
8
12
6
10
4
8
2
6
0 1
2
3
4
5
6 4 2 0 1
2
3
4
5
Jednotky dávky • Množství na jednotku hmotnosti (mg/kg) • Množství na jednotku povrchu kůže (mg/m2)
6
log (Dávka)
Vyjádření akutní toxicity
27
EDf – efektivní dávka (malý vratný účinek, podráždění) pro f procent populace. TDf – toxická dávka (nesmrtelný nevratný účinek) pro f procent populace. LDf – smrtelná dávka pro f procent populace. Perorálně (mg kg-1) TDlo – Nízká toxická dávka – nejnižší účinná dávka LD10 – Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populace LD50 – Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace
Inhalačně (ppm [x hod]) TClo – Nízká toxická dávka - nejnižší účinná dávka LC10 – Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populace LC50 – Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace
Diagnóza otrav Kůže
• překrvení a červené zabarvení kůže • pocit horka v kůži • cyanoza - modrofialové zabarvení kůže způsobené nedostatečným okysličením (při oběhovém selhání) • melanodermie = hyperpigmentace - patologické zabarvení kůže (zhnědnutí, zešedivení, bronzový nádech) • krvácení do kůže (zejména sloučeniny P a Ba) • edémy • nadměrná perspirace (pocení) • kožní poruchy - zejména při poleptání - lokální otrava • precitlivělost a fotosenzibilita kůže (citlivost na světlo) • změna barvy vlasů (neplést s barevnými přelivy) zelená barva = otrava Cu, modrá = Co, rudá = anilinové barvy bílá = chlor, zlatá = H2O2, ...
28
Diagnóza otrav Dýchací systém • • • •
perforace (proděravení) nosní přepážky - kokain, Cr, CrO42krvácení z nosu - KI, KClO3, benzen, ... otupení čichu - Cl2, CS2, H2S zápach dechu - bývá charakteristický pro některé otravy, např. česnekový zápach - As • dýchací poruchy - projevují se u většiny jedů • krvácení z plic - halogeny, benzín, éter, CS2, NH3 • plicní edém - Cl2, fosgen
29
Diagnóza otrav Trávicí soustava • • • • • • • • • •
poruchy chuti - kovová chuť : H2S, Br-, KI, As, Pb snížení chuti - Pb2+, Hg2+, kofein, morfin, nikotin, chinin česneková chuť - HCI3, As nasládlá chuť - H2S nekróza dásní (Bi - krvácení dásní) různá zbarvení sliznice ústní dutiny (žlutá - HNO3, černá - Ag, šedé lemy dásní - Pb, Bi, namodralé lemy - Hg) nadměrné slinění je vyvolávána celou řadou látek - H2S, B, ClO3-, Bi, Mn, éter, nitroglycerin, HCCl3, HCBr3, HCI3, HCN, CS2, ... vyschlost v krku - Li+, As, Ba, atropin, fenmetrazin, KClO3 parestezie - porušení vnímání pocitu v ústní dutině - kafr, kokain, methanol, HCN polykací potíže - při velkém poleptání nebo při obrnách dýchacího svalstva účinkem křečových jedů
30
Diagnóza otrav Trávicí soustava – vyšetření zvratků Velmi důležité je při převozu do nemocnice uchovat vzorek zvratku a předložit je k analýze. • • • • • •
bělavé zvratky - Ag, As modrozelené - soli Cu, CrO42-, roztoky Isvětélkující ve tmě - P zpěněné - OH-, KCN, saponin (rostlinný glykosid) zapáchající - prozrazují zapáchající jed podráždění rektální sliznice - otrava antibiotiky
31
Diagnóza otrav Urogenitální ústrojí • většina jedů působí proteiurii - výskyt bílkovin v moči • oligonurie nebo oligurie - snížení vylučování moci • anurie - zástava vylučování moči při těžkém poškození ledvin, např. težké kovy - Au, Hg, Pb, Bi, As • podráždění cest močových - při vylučování dráždivých jedů, např. AsH3, As, Sb, Hg, methanol, formaldehyd, kyselina štavelová, anilin • polyurie - nadměrné vylučování moči, např. CO nebo kyseliny • hemoglobinurie nebo hematurie - výskyt krve v moči
32
Diagnóza otrav
33
Nervová soustava • poruchy vědomí (narkotika, hypnotika) • závratě - Ba, antipyretika, chinin, hypnotika, soli Li, alkoholy • poruchy koordinace - CO, H2S, Br-, As, Hg, methanol, ethanol, nikotin, kofein, atropin, anilin • halucinace - Co, N2O, benzin, methanol, ethanol, hypnotika, arkotika, LSD, alkaloidy, jodoform, kafr • značná excitace - CO, N2O,H2S, KClO3, Br-, As, Pb, Hg, Sb, Bi, methanol, ethanol, HCN, benzen, alkaloidy • nespavost - vetšina otrav (mimo anestetik - látky způsobující znecitlivení, omezují vnímání bolesti) • poruchy inteligence - CO, As, Pb, Hg, H2S, Br-, I-, benzin, LSD, nitrobenzen
Diagnóza otrav
34
Nervová soustava • úzkost až deprese - efedrin, průmyslové rozpouštědlo zneužívaná k čichání (toluen) • křeče - strychnin, kurare • zlepšení paměti - strychnin a křečové jedy • třes - I-, Br-, Li+, Hg - jeden z typických příznaku, Ba • obrny - Hg, As, Pb • bolest hlavy - téměř u každé otravy s výjimkou opiátu (látky tišící bolest) a sedativ (látky tlumící zvýšenou dráždivost centrální nervové soustavy) • hemorrhagická encefalitida - krvácení do mozku, následně zápal mozkových blan - arsenobenzeny
Diagnóza otrav
35
Zrakové ústrojí • poruchy zraku až slepota - methanol, Sb, P, Ba, fenol, nitrobenzen, atropin, nikotin, hadí jedy • atrofie zrakového nervu (zakrnování) - methanol, CO, jodoform, tabák • chromatopsie - barevné vidění xanthopsie - žluté vidění - CO, Cr, Pb, As, dinitrobenzen cyanopsie - modré vidění - amylalkohol-pentanol, jodoform chloropsie - zelené vidění - Pb, strychnin, chinin, LSD erythropsie - červené vidění - pentanol, atropin, CS2, námel ianthinopsie - fialové vidění - atropin • snížení barvocitu - rozpoznávání barev - CO, Pb, methanol, ethanol, jodoform, CS2 • nystagmus - mimovolné kmitavé pohyby očí, záškuby, třes očí - As, Pb, I-, methanol, ethanol, éter, HCCl3, HCI3, HCN, CS2 • mydriáza - rozšíření zornic - při každé otravě, při níž se postižený dusí kokain, některé alkaloidy
