Mechanismy toxických účinků

Toxikologie PřF UK, ZS 2016/2017

7. Toxikodynamika II.

Mechanismy toxických účinků ■

toxický účinek = výsledek interakce xenobiotika a organismu, který organismu škodí v krátkodobém nebo dlouhodobém horizontu, organismus (nebo jeho potomstvo) pozměňuje nebo i ničí

■

široké spektrum toxických účinků ▪ vratné × nevratné ▪ zasahující jedince × zasahující také/pouze jeho potomky ▪ funkční toxicita = účinek na funkci systému ▫ genotoxické účinky: mutagenita, karcinogenita, teratogenita ▫ imunotoxické účinky (alergie) ▪ orgánová toxicita = účinek na funkci orgánu ▫ dermatotoxicita

▫ hepatotoxicita

▫ pulmotoxicita

▫ nefrotoxicita

▫ hematotoxicita

▫ neurotoxicita

Genotoxické účinky

© Karel Nesměrák, 2016

1



Genotoxické účinky ■

mutageneze – změna (spontánní / vyvolaná vnějším vlivem) genetické informace (lat. mutatio = změna, řec. γενναν = tvořím)

■

mutace – stálá změna pořadí nukleotidů v DNA ▪ spontánní (evoluce × reparační mechanismy), asi 5×10–5 mutací na 1 gen za jednu generaci ▪ působením xenobiotik  chemomutace

■

léze – poškození DNA, vedoucí k mutaci ▪ adukty s xenobiotiky ▪ chybějící báze v řetězci

Genotoxické účinky Mutace podle stupně účinku na genetickou informaci ■

genová mutace ▪ změna v pořadí nebo počtu nukleotidů v DNA → ztráta funkce genu → vznik odlišného proteinu (změna účinnosti, metabolické poruchy)


2



Genotoxické účinky původní

→

mutace

DNA

m-RNA

peptid

normálně funkční enzym

nefunkční enzym


chromosomová mutace (aberace) ▪ větší změna v řetězci DNA, změna struktury chromosomů → změna buněčného dělení až smrt buňky


3




genomové mutace – změna počtu chromosomů v buňce ▪ polyploidie – znásobení počtu úplných chromosomových sad → přenáší se do další generace ▪ aneuploidie – snížení či zvýšení počtu jen určitých chromozomů → vede ke smrti buňky, nebo např. Downův syndrom

Genotoxické účinky Mutace podle druhu buněk ■

gametická mutace ▪ poškození zárodečných buněk (vajíčka / spermie) před oplodněním ▪ gametické mutace neslučitelné se životem ▫ smrt gamet ▫ zvýšení četnosti potratů → ovlivnění fertility ▪ gametické mutace slučitelné se životem ▫ abnormální vývoj plodu (vrozené vady) ▫ mohou být přenosné i na další generace (změna genotypu) → snížení kvality života potomstva


4




somatická mutace ▪ mutace genetické informace tělních buněk ▪ v embryonálním stádiu ▫ chybný vývoj orgánu ▫ vrozené vady ▫ smrt embrya ▪ u dospělého jedince ▫ poruchy metabolismu ▫ smrt buňky ▫ nádorové bujení (kancerogenese)

Genotoxické účinky Mechanismy poškození DNA (léze) ■

xenobiotikum versus DNA ▪ chemická reakce ▪ adukce, interkalace

■

příklady xenobiotik ▪ nitrosoguanidin ▪ hydroxylamin ▪ analogy basí (5-bromuracyl) ▪ alkylační činidla ▪ methylační činidla ▪ polycyklické aromatické uhlovodíky ▪ radikály


5




alkylace DNA ▪ reaktivní organické látky (epoxidy, hydroxyderiváty, ionty) reagují se skupinami bohatými na elektrony (NH2–, OH–, =N–) → proteiny, DNA, RNA ▪ vznikají mj. biotransformací původně neúčinné látky (aktivované metabolity) ▪ např. dimethylnitrosamin

H 3C N

N

O

NADPH, O 2

H 3C

H 3C

H 3C N

N

N

O

HOH 2 C

N

DNA

O

DNA–CH 3

H

HCHO

Genotoxické účinky ▪ bis(2-chlorethyl)methylamin ClH2CH2C N ClH2CH2C

CH3

CH3

DNA N

N

N

CH2CH2 N

O

CH2CH2

N

O

N

N H 2N

■

N

N H

H

NH 2

polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), angl. polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) ▪ charakteristické strukturní uspořádání – oblast zálivu (angl. bay region)


6




chemická transformace bází DNA ▪ např. HNO2 mění cytosin na uracyl, adenin na hypoxanthin NH 2

O

N

NH

N H

■

O

N H

O

inkorporace abnormálních analogů ▪ např. 5-bromuracyl (záměna za thymin) nebo 2-aminopurin O

O Br

NH N H

O

NH N H

O


interkalace lipofilních molekul (např. pyren)


7



Genotoxické účinky

Typické funkční skupiny xenobiotik s genotoxickými účinky

Genotoxické účinky Stanovení mutagenních účinků ■

epidemiologické studie

■

dlouhodobé testy na zvířatech (in vivo) ▫ cytogenetická analýza kostní dřeně hlodavců

Chromosomové aberace v hepatocytech čínského křečka


8




testy in vitro, zejména Amesův test ▫ zpětná mutace inhibovaných genů pro syntézu esenciálních aminokyselin mikrosomální frakce (potkaní játra)

mikrosomální frakce (potkaní játra)

Karcinogenita ■

karcinogenese – nadměrné dělení (bujení) buněk tání → tvorba nádorů (řec. καρκινος = rak, řec. γενναν = tvořím; kancerogenese z lat. cancer = rak)

■

nádory (novotvary) – abnormální tkáně rostoucí v důsledku porušené růstové regulace a genové exprese ▪ benigní (nezhoubný) – nezakládá dceřiná ložiska a roste omezeně ▪ maligní (zhoubný) – při růstu ničí okolní tkáně a zakládá dceřiná ložiska (metastázy)

■

vznik způsoben ▪ fyzikálně (UV záření) ▪ chemicky ▪ biologicky (onkoviry)


9



Karcinogenita ■

chemická karcinogenita ▪ karcinogeny – látky vyvolávající zhoubné bujení buněk a tkání ▪ kokarcinogeny – látky zesilující účinek karcinogenů, samy nekarcinogenní ▪ prekarcinogeny – karcinogenní účinek mají až metabolity

■

asi 80 % genotoxických látek (mutagenů) je zároveň karcinogeny (mutagenní poškození reparačních mechanismů)

■

karcinogenní účinek mohou mít i látky nemutagenní (a obráceně) např. benzen, chloroform, 1,4-dioxan, trichlorethylen

Karcinogenita ■

mechanismus karcinogenese složitý ▪ ztráta kontroly buněčného růstu (zpětné vazby proliferace)


10



Karcinogenita ■

nádorový proces může indukovat libovolné množství karcinogenu (teoreticky i jediná molekula)

■

exposici karcinogenním látkám je třeba minimalizovat, nelze ji odstranit („přirozené“ přírodní karcinogeny)

■

ochrana na straně organismu ▪ karcinogenní látka se nemusí na místo účinku dostat (bariéry) ▪ poškození DNA opraveno ▪ mutace DNA nepodstatná z hlediska dělení buňky ▪ nádorová buňka zničena imunitním systémem

■

zjišťování karcinogenních vlastností velmi obtížné ▪ epidemiologické studie (nelze pro nové látky) ▪ chronické testy na zvířatech (mezidruhové rozdíly!) ▪ odhad z testů na mutagenitu

Karcinogenita ■

příklady karcinogenních látek ▪ anorganické (sloučeniny): As, Be, Cd, Cr, Ni, Rn ▪ organické ▫ primární karcinogeny H Cl

C H

O

H O

C

O

Cl

H

bis(chlormethyl)ether

H 3C

S O

O

H N

O CH 3

dimethylsulfát

H 2C

O CH 2

ethylenimin

C

H 2C

CH 2

-propionaceton

▫ prekarcinogeny H H

benzo[a]pyren

CH 3

H C

N

C

N

N CH 3

Cl

vinylchlorid

p-dimethylaminoazobenzen


11



Karcinogenita ▪ směsi: azbest, tabákový kouř, uhelný dehet ▪ volné radikály (kyslík)

Karcinogenita ■

zacházení s karcinogeny upraveno předpisy ▪ International Agency for Research on Cancer (IARC), http://www.iarc.fr/


12



Karcinogenita ■ procentuální zastoupení faktorů vyvolávajících nádorové bujení u lidí geofyzikální faktory 3 %

infekce 10 %

neznámé příčiny 4% tabák 30 % (var. 25–40 %)

léky 1 % znečištění prostředí 2 % zaměstnání 4 % sexuální chování 7 % (var. 1–13 %)

alkohol 3 % (var. 2–4 %) konzervanty < 1 %

potrava 35 % (var. 10–70 %)

Teratogenita ■

teratogeny – chemikálie vyvolávající vrozené vady nebo abnormality během embryonálního vývoje (řec. τερατος = stvůra, řec. γενναν = tvořím)

■

čistý teratogen účinkuje bez změny genotypu  → mění se jen fenotyp a změny nejsou dědičné

■

období blastogenese (do 17. dne těhotenství) ▪ buňky nejsou ještě diferencovány ▪ při rozsáhlém poškození smrt embrya ▪ při malém poškození náhrada buněk a dále normální vývoj bez vrozených vad (pokud nejde zároveň o mutagenní účinek)


13



Teratogenita ■

organogenese (17. až 90. den těhotenství) – nejkritičtější období ▪ poškození vede k degeneraci orgánů ▪ po 60. dni vývoj dostatečně daleko, riziko teratogenního účinku se snižuje

■

po ukončení organogenese ▪ vznik malformací nemožný ▪ může dojít k ovlivnění funkčního zrání orgánů, → vada není anatomická, ale funkční (projeví se v pozdějším období)

■

embryotoxický účinek – při vysoké míře poškození smrt embrya

■

teratogenní účinek je pokládán za prahový → vyvíjející organismus se do určité míry poškození regeneruje

Teratogenita ■

testování teratogenity ▪ epidemiologické studie vzácné (Contergan) ▪ testování in vivo náročné, na několika savčích druzích ▪ látka podávána samičkám minimálně v období organogenese (nesmí dojít k úhynu samičky)

■

testování vývojové (reproduktivní) toxicity = mutagenita + teratogenita ▪ vícegenerační testy ▪ látka podávána samcům i samičkám i v období spermatogenese, dále po celou dobu gravidity a laktace a po narození mláďatům, atd. ▪ velké mezidruhové rozdíly


14



Teratogenita ■

O

příklady teratogenních látek ▪ antibiotika (tetracyklin)

N

▪ cytostatika (aminoferin,

O NH

cyklofosfamid, busulfan)

O

▪ antithyroidní léky (methimazol)

O

(S)-Thalidomid

▪ chelatační látky ▪ halogenované bifenyly

(*)

▪ cigaretový dým ▪ kokain ▪ ethanol ▪ ethylen oxid ▪ ionty kovů (lithium, rtuť, olovo) ▪ thalidomid ▪ toluen

Embrya opice Macaca mulatta stará 100 dní. (*) jednorázová dávka 30 mg kg–1 podaná 26 dne tehotenství.

Imunotoxické účinky ■

imunitní systém chrání organismus před látkami organismu cizími (antigeny)

■

vliv xenobiotik na imunitní systém alergické reakce

senzibilizace

homeostáze imunosuprese

bez vlivu xenobiotika snížení odolnosti infekcím


15



Imunotoxické účinky Hypersensibilizující účinek, alergeny ■

alergeny – chemikálie zvyšující aktivitu organismu neúměrnou změnou imunitní odezvy (řec. αλλος = jiný, řec. ενχερεια= činnost)

■

nepřiměřená kvalitativní / kvantitativní reakce na podnět antigenu → alergické onemocnění

■

kromě proteinů (mikroorganismy) mohou imunitní reakci vyvolat i nízkomolekulární látky (hapteny), jejichž vazbou na bílkoviny organismu vlastní dojde ke konformační změně → imunitní odezva

Imunotoxické účinky 1. senzibilizující expozice ■

tvorba protilátek, aktivace T-buněk


16



Imunotoxické účinky 2. provokující (výbavná) exposice ■

další kontakt organismu s látkou vyvolá alergickou reakci

Imunotoxické účinky


17




alergie bezprostředního typu ▪ odezva několik minut po expozici ▪ účinek histaminu, serotoninu

■

alergie opožděného typu ▪ odezva se projeví až do 48 hodin ▪ produkty aktivovaných lymfoidních buněk

■

alergické projevy ▪ záněty kůže (alergické dermatitidy) ▪ senná rýma ▪ křeče dýchacích cest (astmatické záchvaty) ▪ anafylaktický šok (i smrt)


velký počet alergenů ▪ přírodní látky: pyly, roztoči, prach, plísně ▪ léčiva (antibiotika, acetylsalicylová kyselina) ▪ průmyslové chemikálie a produkty (formaldehyd) ▪ anorganické ionty (nikl, chrom)

■

prakticky každý organismus je na něco alergický, otázkou je zda se realizuje expozice alergenem

■

četné alergeny jsou zároveň karcinogeny či mutageny

■

expozice nejčastěji kůží či sliznicí (senná rýma), ale i požitím

■

testování alergenů ▪ obvykle kožní senzibilizace na morčatech ▪ u člověka epikutální testy (terčíky s látkou přilepené na kůži) nebo sledování protilátek v krvi


18



Toxikodynamika Pulomotoxické látky: asbest, berylium, oxid kademnatý, chlór, NOX, SO2, O3, fosgen, SiO2

Látky toxické pro CNS: ionty Pb2+, Hg2+, methanol, halogenované ulovodíky, dimethylrtuť

Hepatotoxické látky: berylium, tetrachlor methan, vinyliden chlorid

Neurotoxické látky: ionty Pb2+,akrylamid, sirouhlík, n-hexan

Nefrotoxické látky: chloroform, HgCl2, hexachlorbutadien

Dermatotoxické účinky ■

leptavé účinky H+, resp. H3O+, způsobují koagulaci tkání

■

silné kyseliny ▪ HCl – pouze změna pH ▪ H2SO4 – dehydratace ▪ HNO3 – oxidace, nitrace

■

ionty OH– působí zmýdelnění tkání, pronikají hlouběji, → špatná hojivost ran

■

oxidační činidla

■

reakce s proteiny, alkylace a acylace → genotoxicita

■

organická rozpouštědla – „rozpouštění“ tuků


19



Dermatotoxické účinky ■

škála projevů široká ▪ indukce apoptosy (fyziologická smrt kožních buněk) ▪ dermatitida (vředy, záněty) ▪ fotosenzibilizace ▪ akné (chlorová akné) ▪ alergizace (kontaktní dermatitida) ▪ změny pigmentace (např. arsen) ▪ tvorba granulomů ▪ nekrosa ▪ karcinogenese

Pulmotoxické účinky ■

dráždivý účinek xenobiotik na plíce ▪ otok (edém) plic ▪ astma, bronchitidy

■

pneumokoniosa – změna struktury plic vlivem inhalace „neutrálního“ prachu ▪ silikosa, azbestosa

■

„horečka slévačů“ – alergické reakce na denaturované bílkoviny tvořící se v dýchacích cestách

■

rakovina plic (azbest) Vlákna azbestu v plicích potkana


20



Hematotoxické účinky ■

inhibice přenosu kyslíku ▪ reakce s kyslíkem = snížení jeho dostupnosti ▪ blokování vazebného místa na nosiči (hemoglobin) = kompetitivní inhibice (CO, NO)

oxyhemoglobin

karboxyhemoglobin 250× silnější vazba

Hematotoxické účinky ▪ oxidace Fe2+  Fe3+ projevuje se cyanosou (zmodráním), methemoglobinemie CN– N

N Fe3+

N

N protein methemoglobin

N

N Fe3+

N

N protein cyanohemoglobin (léčba otrav kyanidy)

léčiva

xenobiotika

benzokain

dusičnany

amylnitrit

dusitany

nitroglycerin

anilinová barviva

sulfonamid

chlorečnan draselný

fenacetin

aminobenzeny

dusičnan stříbrný

nitrotolueny

chinin

TNT

methylenová modř

nitroethan


21



Hepatotoxické účinky ■

játra hlavní orgán biotransformace → možné poškození metabolity

■

projevy hepatotoxického poškození ▪ ztučnění jater (steatosa): CCl4, ethanol ▪ nekrosa hepatocytů: dimethylformamid, Cu2+ ▪ cholestatida – zadržování žluči: 1,1-dichlorethylen, Mn2+ ▪ cirhosa (opakovaná exposice): vinylchlorid, As3+ ▪ tumory: aflatoxiny

Nefrotoxické účinky ■

selhání ledvin v důsledku snížení funkce tubulů (poškození membránových proteinů, krystalizace látek v tubulech, nekrosa buněk) → hromadění odpadních dusíkatých látek (azotemie) → vnitřní otrava organismu

■

příklady nefrotoxických látek ▪ těžké kovy (Hg, Cd, Cr, Pt, Pd, U): vazba na –SH, nekrosy, snížení rychlosti glomerulární filtrace, vazba na metalothionein ▪ halogenované uhlovodíky: lipoperoxidace, nekrosa proximálních tubulů, poškození mitochondrií, azotemie ▪ antibiotika: snížení rychlosti glomerulární filtrace, nekrosy ▪ protizánětlivá léčiva (acetylsalicylová kyselina, ibuprofen): nekrosy v dřeni a v Henleho smyčce, chronická nefritida ▪ mykotoxiny: akutní selhání ledvin (anurie)


22



Neurotoxické účinky ■

narkotický účinek ▪ rozpouštění těkavých lipofilních látek (diethylether, toluen, chloroform) v tukových strukturách membrán nervových vláken → reverzibilní brzdění rychlosti přenosu nervového vzruchu

Neurotoxické účinky ■

☺

degenerativní poškození

(A)

(B)

(C)

(D)

neuronu (přenosu vzruchu): (A) neuronopatie: organokovové sloučeniny rtuti, olova, akrylamid, sloučeniny hliníku, alkohol (B) axonopatie: n-hexan, akrylamid, CS2, Pb2+, PCB (C) myelinopatie: Pb2+, CN–, dichloroctová kys., hexachlorofen (D) přerušení neurotransmise: bakteriální toxiny (botulotoxin), Pb2+, nikotin, organofosfáty (1) soma s dendrity, (2) myelinové pouzdro, (3) axon, (4) synapse


23

Mechanismy toxických účinků

Recommend Documents