Biotransformace xenobiotik

Toxikologie PřF UK, ZS 2016/2017

4. Toxikokinetika II.

Biotransformace xenobiotik ■

xenobiotika (zejména s log D7,4 > 0) podléhají biochemickým reakcím → biotransformace

■

cílem zrychlení vylučování xenobiotik prostřednictvím zvýšení hydrofility (rozpustnosti ve vodě)

■

výsledek biotransformace ▪ snížení až vymizení toxicity ▪ objevení nebo zvýšení toxicity („aktivované“ reaktivní metabolity)

■

metabolismus (ř.  = přeměna) – všechny osudy chemikálie v organismu (některé metabolity se zapojují do katabolismu)

Biotransformace xenobiotik

© Karel Nesměrák, 2016

1




Biotransformace xenobiotik Lokalizace biotransformačních pochodů ■

hlavní biotransformační orgán – játra (hepatocty) ▪ enterohepatální cyklus ▪ vliv poškození jater

■

další biotransformační místa: plazma, plíce, ledviny, střevní stěna, svaly, slezina

■

buňka ▪ endoplasmatické retikulum ▪ mitochondrie ▪ cytosol

Zrnité (zER) a hladké (hER) endoplasmatické retikulum v hepatocytu


2



Biotransformace xenobiotik I. fáze biotransformace ■

chemická změna xenobiotika oxidačně-redukčními procesy

■

zvýšení hydrofility zavedením / odkrytím polárních skupin –OH, –NH2, –SH

1. Oxidační reakce ■

dominující

■

enzymové systémy (oxidoreduktasy) ▪ mikrosomální ▫ cytochrom P-450 (zavedení kyslíku) ▫ FAD-dependentní monooxygenasy (substráty s N, S, P) ▪ nemikrosomální (alkoholdehydrogenasa, aminooxidasa aj.)


Katalytické cykly flavin monooxygenasy a cytochromu P450


3



Biotransformace xenobiotik Reakce

Strukturální změna

1. Katalyzované mikrosomálním systémem RCH3 → RCH2OH

alifatická hydroxylace aromatická hydroxylace tvorba arenoxidů

HO

R

R C H

H C

R H

R

R

H

C

C

R

O

N-dealkylace (heteroatomu)

RNHCH2Rʼ → RNH2 + RʼCH2O

O-dealkylace (heteroatomu)

ROCH2Rʼ → ROH + RʼCH2O

S-dealkylace (heteroatomu)

RSCH2Rʼ → RSH + RʼCH2O

N-oxidace

RNH2 → RNHOH R1 R2

R1

N

R2

R3

N

O

R3



R1

R1

S-oxidace

S

S R2

oxidativní deaminace

RCHCH3

R

CCH3

R1

R1 C R2

oxidativní dehalogenace


+ NH3

O

NH2

oxidativni desulfurace

O

R2

S

C

O

R2

R–X → R=O + HX

4





2. Katalyzované nemikrosomálními systémy RCH2OH → RCHO RCHO → RCOOH

dehydrogenace

O

O

oxidace purinů

N

HN

N H

N

N

HN O

N H

N H H+

R 3N – O

monooxidace

R 3N

aminooxidace

RCH2NH2 → RCHO + NH3

R3N+OH

Biotransformace xenobiotik 2. Redukční reakce Reakce


azoredukce

RN=NR1 → RNH–NHR1 → RNH2 + R1NH2

nitroredukce

RNO2 → RNO → RNHOH → RNH2

redukce karbonylu

R1

R1 O

R2

R2

redukce sulfoxidů (N-oxidů)

R1 S R2

CH OH

R1 O

S R2

redukce disulfidů

R–S–S–R1 → R–SH + HS–R1

redukční dehalogenace

CCl4 → [CCl3] + Cl–


5



Biotransformace xenobiotik 3. Hydrolytické reakce Reakce


hydrolýza esterů

R–COORʼ + H2O → R–COOH + RʼOH

hydrolýza amidů

R–CONHRʼ + H2O → R–COOH + RʼNH2

hydrolytická dehalogenace

RCHX2 + H2O → RCH=O + 2 X– + 2 H+

Biotransformace xenobiotik II. fáze biotransformace ■

produkty I. fáze dále podléhají reakcím s endogenními (tělu vlastními) sloučeninami → konjugace (spojení) s molekulami s polárními skupinami

■

účelem je další zvýšení hydrofility molekuly

■

produkty II. fáze polárnější a méně toxičtější než produkty I. fáze

■

v některých případech může II. fáze předcházet I. fázi

N

O

H

C

N

II. fáze NH 2

acetylace

N

O

H

H

O

C

N

N

C

I. fáze hydrolýza

isoniazid O N


CH3

C

OH

+

H

H

H

O

N

N

C

CH3

6



Biotransformace xenobiotik Typ konjugace/endogenní reaktant

Typ substrátu

COOH O

glukuronidace

OH

fenoly, alkoholy, karboxylové kyseliny, hydoxylaminy, sulfosloučeniny

OH OH OH

kyselina D-glukuronová NH 2

sulfátová konjugace

fenoly, alkoholy, aromatické aminy

N

N

N

N

O O

O

adenosin-5-fosfosulfát

H

P

O O

O-

H

H

H

H OH

glutathionová konjugace

O-

S O

epoxidy, arenoxidy, nitroskupiny, hydroxylaminy NH 2

O H N

OH

OH N H

glutathion (Gly-Cis-Glu) O

O

O SH

Biotransformace xenobiotik Typ konjugace/endogenní reaktant

Typ substátu

NH 2

methylace

katecholaminy, fenoly, aminy, histamin

N

N

N

N

S+

COOH

O H

H

H

H

H OH

NH 2

adenosinmethionin

CH3COO–

acetylace

aminy

acetylkoenzym A

peptidová konjugace

karboxylové kyseliny O

O H2N glycin, glutamin, taurin


O H2N

OH

H2N

OH

SO3–

NH2

7




Biotransformace xenobiotik Enterohepatální cyklus ■

glukuronidy vylučované do žluči mohou být ve střevu dekonjugovány a znovu absorbovány → nutné cyklus přerušit

■

například methylrtuť, thallné sloučeniny, nitrosloučeniny, akrylamid, bisfenol A


8




Biotransformace xenobiotik Faktory ovlivňující biotransformaci ■

rozdíly v biotransformaci → rozdílná toxicita ▪ interdindividuální ▪ mezidruhové ▪ vnější faktory


9



Biotransformace xenobiotik Interindividuální rozdíly ■

stupeň vývoje organismu (věk) ▪ u savců se jaterní enzymy aktivují až po narození ▪ ve stáří klesá enzymová aktivita → snížení tvorby glukuronidů ▪ u dětí větší absorpce v gastrointestinálním traktu, např. kademnaté ionty 20× více než u dospělých

■

pohlaví organismu ▪ samci hlodavců biotransformují rychleji než samice, např. chloroform poškozuje játra jen myším samcům ▪ u člověka neprokázáno (jen pokles biotransformace v těhotenství)

■

zdravotní a fyzický stav ▪ jaterní onemocnění značný vliv na průběh biotransformace ▪ choroby ledvin ovlivňují vylučování močí ▪ vzájemné ovlivnění lék × xenobiotikum (indukce / inhibice enzymů)


genetické dispozice (genetický polymorfismus)

Koncentrace antituberkulotika isoniazidu v plasmě po 6 hodinách od podání 9,8 mg/kg (pro 267 pokusných jedinců)


10



Biotransformace xenobiotik Mezidruhové rozdíly ■

rozdíly v genetické informaci

■

předmět studia srovnávací toxikologie → specifické účinky (herbicidy aj.)

■

studium toxických účinků × výběr vhodného modelu (člověk metabolicky příbuznější vepři domácímu než potkanovi)

■

rozdíly v I. i II. fázi biotransformace ▪ např. hydroxylace anilinu: masožravci vykazují ortho-hydroxylaci hlodavci vykazují para-hydroxylaci ▪ rozdíly se týkají i biologického poločasu xenobiotika

■

genetická rozdílnost v rámci jednoho druhu (lidská rasa) → interindividuální rozdíly

Biotransformace xenobiotik Vnější faktory ■

složení potravy (dieta) ▪ např. nízkoproteinová dieta u potkanů brání aktivaci kancerogenního dimethylnitrosaminu ▪ dále: cukry, tuky, vitaminy, biogenní prvky ▪ kouření (indukce enzymů)

■

fyzikální jevy z okolního prostředí ▪ teplota, vlhkost, přirozené radiační záření

■

střídání světla a tmy ▪ aktivita monooxygenas vykazuje 24 hodinové i měsíční cykly

■

stres


11




současné působení více chemikálií ▪ obvykle značně nespecifické ▫ kompetitivní (soutěživá) inhibice enzymů (methanol × ethanol) ▪ výsledkem ▫ aditivita, např. kombinace

toxicita

▫ indukce syntézy mikrosomálních enzymů (fenobarbital, dioxiny) Aditivita (2 + 2 = 4) 5 4 3

organofosfátů

2

▫ synergismus – toxicita směsi

1 xenobiotikum A (samotné)

obou látek, např. tetrachlormethan

toxicita

vyšší než součet toxicit

xenobiotikum B (samotné)

směs A+B

Synergismus (1 + 1 = 5) 5 4 3

v kombinaci s alkoholem

2 1 xenobiotikum A (samotné)


směs A+B

▫ antagonismus – toxicita směsi menší než součet toxicit

toxicita

Biotransformace xenobiotik Antagonismus (4 + 2 = 1) 5 4 3

obou látek

2

▫ potenciace – toxicita látky se

1 xenobiotikum A (samotné)

bez nebo s malým toxickým účinkem, např. zvýšení


směs A+B

Potenciace (0 + 2 = 5) 5 4

hepatotoxicity tetrachormethanu

3

současným podáním

1

netoxického isopropanolu


toxicita

zvýší současně podanou látkou

2

xenobiotikum A (samotné)


směs A+B

12



Vylučování xenobiotik ■

xenobiotikum (metabolity) vylučováno ▪ z jednotlivých tkání a orgánů (eliminace) ▪ z celého organismu (exkrece)

■

exkrece ▪ ledviny → moč (hlavní vylučovací cesta) ▪ játra → žluč → střevo → stolice ▪ plíce → vydechování ▪ jiné cesty → tělní sekrety (pot, sliny, slzy, mateřské mléko aj.)

■

xenobiotikum má (obvykle) svoji hlavní vylučovací cestu, závisí na ▪ fyzikálně-chemických parametrech látky: Mr < 350 do moči Mr > 450 do žluči ▪ biotransformačních mechanismech (např. enterohepatální oběh) ▪ kumulaci látky v organismu


biologické poločasy ▪ hodiny

– lehko vylučitelné organické látky (benzen, styren)

▪ desítky hodin – obtížněji vylučitelné organické látky (trichlorethylen) ▪ stovky hodin

– ionty kovů (rtuť)

▪ tisíce hodiny

– ionty kovů (olovo, kadmium, arsen), lipofilní organické látky


13



Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik ledvinami ■

nejdůležitější cesta exkrece

■

rychlost ovlivněna činností ledvin i krevního oběhu ▪ při poruše ledvin změna rychlosti exkrece ▪ zvýšení diuresy medikamentózně nebo příjmem tekutin → zrychlení exkrece

■

některé konjugáty se mohou rozpadat v močovém měchýři a xenobiotikum se může znovu absorbovat do krve

Vylučování xenobiotik


14




glomerulární filtrace ▪ průtok krve ledvinami asi 1200 ml/min ▪ exkrece volných molekul xenobiotika a metabolitů do Mr ~ 65 000 → ne vázané na plasmatické bílkoviny (albumin, Mr ~ 69 000) ▪ hnací silou hydrostatický a koloidně-osmotický tlak


tubulární sekrece a resorpce (snižuje exkreci) ▪ tubuly tvořeny semipermeabilní lipoidní membránou ▪ umožňuje vylučování / resorpci xenobiotik vázaných na proteiny


15




pKb = 7,0

ovlivnění vyučování pH moči ▪ fyziologická moč pH = 6,3–6,6, mezní hodnoty 4,5 až 7,5 ▪ medikamentózní podání NH4Cl  nebo NaHCO3 

pKb = 6,5

pKb = 7,5

Vylučování amfetaminu (pKb = 4,2) ledvinami

Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik játry ■

druhá nejvýznamnější cesta exkrece (průtok asi 1300 ml/min krve)

■

látka vyloučena do žluče (0,8 ml/min) a s ní do tenkého střeva → enterohepatální cyklus

■

druhy eliminace ▪ lipofilní látky prostou difusí (koncentrační gradient) ▪ hydrofilní látky (konjugáty) s Mr > 450 aktivním transportem

■

závisí na zdravotním stavu jater


16



Vylučování xenobiotik

lipofilní xenobiotikum hydrofilní xenobiotikum

Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik plícemi ■

mezi krví a vzduchem je lipoidní bariéra s velkým počtem pórů

■

pro nepolární látky s vysokou tenzí par (ether, chloroform, ethanol) ▪ benzen až 40 % vylučováno touto cestou

■

k vylučování může dojít i po ukončení exposice

■

ovlivněno plochou plic, rychlostí dýchání (fyzická zátěž)


17



Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik ostatními cestami ■

podružný význam – vylučování slinnými, potními, mazovými nebo slznými žlázami

■

výjimkou vylučování do mateřského mléka ▪ snadno lipofilní látky (DDT, polychlorované bifenyly, nikotin, morfin, acetylsalicylová kyselina, kofein) ▪ koncentrace látek rovny až koncentraci v krvi

Toxikokinetické modely ■

sledování toxikokinetiky v živém organismu ▪ vzhledem ke složitosti systému přesné sledování nemožné ▪ nepřímo monitorováním koncentrace ve snadno dostupných prostředích (krev/plazma, moč, stolice)

■

modelování umožňuje ▪ odhadovat rychlost a velikost absorpce xenobiotika ▪ předvídat vliv změny dávky a cesty vstupu xenobiotika ▪ snížení následků působení xenobiotika (léčba)

■

modely jako rozhodující uvažují ▪ průnik biologickými bariérami (difusí) → kompartmentové modely ▪ průnik, transport, biotransformaci → fyziologické modely


18



Toxikokinetické modely Kompartmentové modely ■

xenobiotikum z místa podání do místa účinku překonává bariéry bariéry (difuse biologickými membránami)

■

organismus (resp. distribuční prostor) nahrazen soustavou vzájemně propojených oddílů ▪ kompartmenty (angl. oddělení (ve vlaku), přihrádka, součást) → jako by xenobiotikum bylo ve formě homogenního roztoku v jedné (nebo více) „nádobách“


farmakokinetické parametry modelu ▪ kapacitní – popis schopnosti kompartmentu uskladňovat látku ▫ distribuční objem Vd [ml, l] ▪ kinetické – popis rychlosti procesů ▫ rychlostní konstanta k [s–1, hod–1], poločas procesu t1/2 [s, hod]

(z angl. area under curve),

c, mg l

▫ plocha pod křivkou AUC

–1

▫ clearance Cl [l min–1] 1.0

0.8

udává skutečné množství

0.6

xenobiotika v krevní plasmě

0.4

[mg l–1 h]

0.2

0.0

0

5

10

15

20

t, h


19



c, mg l

–1

Toxikokinetické modely Jednokompartmentové modely ■

intravenózní podání

1.00 D = 40 mg Vd = 40 l ke = 0,25 h

0.75

▪ absorpce odpadá

–1

0.50

▪ eliminace kinetikou 1. řádu 0.25

D Vd

0.00

–1

ct  c0 exp( k et ) log ct  log c0 

0

5

10

15

20

t, h c, mg l

c0 

k et 2,303

1 D = 40 mg Vd = 40 l ke = 0,25 h

–1

0.1

0.01

1E-3

0

5

10

15

20

t, h

Toxikokinetické modely 1.00

–1

extravaskulární podání (např. orální) ▪ absorpce kinetikou prvého řádu z místa

c, mg l

■

D = 40 mg Vd = 40 l

0.75

ka = 0,50 h

–1

ke = 0,25 h

–1 –1

kZ = 0,05 h

podání do distribučního prostoru

0.50

▪ vedle absorpce probíhají ztrátové 0.25

procesy (presystémová eliminace) kz

0.00

0

5

10

15

20

1

c, mg l

–1

t, h

▪ koncentraci xenobiotika v krvi určuje

D = 40 mg Vd = 40 l ka = 0,50 h

–1

ke = 0,25 h

–1 –1

0.1

kZ = 0,05 h

kinetika následných a bočných reakcí  Batemanova funkce

ct =


ka D (exp(-ke t ) - exp(-( ka + k z )t )) Vd ka + k z - ke

0.01

1E-3 0

5

10

15

20

t, h

20



Dvoukompartmentové modely ■

intravenózní podání

c, g ml

–1

Toxikokinetické modely 10 9

D = 4 mg

8

A = 6,56 g ml–1

7

 = 0,847 min–1

6

▪ zahrnuje distribuci krev ↔ tkáně

5

B = 1.57 g ml–1

4

 = 0,0691 min–1

3

V1 = 492 ml

2

V2 = 965 ml

1

0

5

10

15

20

t, min

-fáze

c, g ml

–1

-fáze 10

1. kompartment 2. kompartment

▪ průběh koncentrace v 1. kompartmentu c1(t )  A exp( t )  B exp(  t )

1

0

5

10

15

20

t, min

Toxikokinetické modely Fysiologické modely ■

toxikokinetický model pro ethylen (ET) a ethylenoxid (EO)


21



Toxikokinetické modely Biologická dostupnost (bioavailability) ■

podíl množství podaného xenobiotika, které je obsaženo v krevní plazmě jako nezměněné

■

závisí na cestě vstupu xenobiotika

dána podílem AUC při sledované a intravenosní aplikaci

1.00

c, mg l

■

–1

a na rychlosti jeho eliminace D = 40 mg Vd = 40 l

F = 0.90 0.75

–1

ka = 0,50 h

–1

ke = 0,25 h

–1

( dávka )i.v .AUC exam. F ( dávka )exam. AUCi.v .

kZ = 0,05 h

0.50

0.25

0.00

0

5

10

15

20

t, h

Toxikokinetické modely Clearence ■

z angl. to clear = vyčistit

■

objem krve (plasmy) očištěný od xenobiotika za jednotku času [l min–1]

■

vyjadřuje míru vylučování xenobiotika („očištění“ organismu)


22




podle orgánu, ve kterém exkrece probíhá můžeme rozlišit ▪ renální clearanci Clr ▪ hepatickou clearanci Clh (= biotransformace) ▪ intestinální clearanci Cli (= presystémová eliminace) Cl = Clr + Clh + Cli + …

■

toxikokinetické modely ▪ jednokompartmentový (intravenosně)

Cl 

D  Vdk e AUC

▪ dvoukompartmentový (intravenosně)

Cl 


D  V1β AUC

23

Biotransformace xenobiotik

Recommend Documents