Toxikokinetika I

Toxikologie PřF UK, ZS 2016/2017

3. Toxikokinetika I.

Toxikokinetika ■

osud xenobiotika v živém organismu → jak organismus působí na xenobiotikum (řec.  = uvést v pohyb, rozpohybovat)

■

fáze ADME = absorption, distribution, metabolism, excretion ▪ (vstup) ▪ absorpce a distribuce ▪ metabolismus (biotransformace) a exkrece

Toxikokinetika

orálně

inhalačně

dermálně intravenózně subkutánně intramuskulárně

gastrointestinální trakt

játra

plíce

portální krev

kůže

krev a lymfa

žluč

stolice

extracelulární kapalina

ledviny

plíce

moč

exspirace

tuk

orgány tkáně / kosti

Biotransformace

© Karel Nesměrák, 2016

1



Vstup xenobiotik do organismu ■

aby xenobiotikum vyvolalo účinek musí dosáhnout místa účinku: buňka, organela, receptor

■

vstup (podání) xenobiotika ▪ intravaskulární → absorpce odpadá

rychlost nástupu účinku

▫ intravenosní (i.v.) ▫ intraarteriální (i.a.) ▪ extravaskulární → musí dojít k absorpci ▫ inhalační (inh.) ▫ intramuskulární (i.m.) ▫ rektální ▫ subkutánní (sc.) ▫ perorální (or., po.) ▫ transdermální (derm.)


absorpce – proces jímž se nezměněné xenobiotikum dostává z místa podání do distribuce (krev, systémový oběh) ▪ při různých cestách vstupu různé kvantitativní ale i kvalitativní účinky (např. proteinové šípové jedy) ▪ presystémová eliminace (first-pass efect)

■

rozhodující charakteristiky organismu ▪ velikost absorpční plochy ▪ prokrvenost místa kontaktu ▪ počet překonávaných bariér

■

rozhodující charakteristiky xenobiotika ▪ velikost (geometrie) molekuly ▪ stupeň disociace (pKa) ▪ hydrofobnost (rozdělovací koeficient oktanol-voda, log P)


2



Vstup xenobiotik do organismu Velikost molekul xenobiotika ■

rozsah molárních hmotností 0–600 g mol–1

■

výjimečně více, např. trombolytické enzymy  50 000 g mol–1

H2O Mr = 18,0153

Li2CO3 Mr = 73,891

penicilin G Mr = 334,39

Vstup xenobiotik do organismu karboxylová skupina pKa = 3,0

Disociace molekul xenobiotika ■

ve vodných roztocích jsou silné i slabé elektrolyty

O

OH

ionizovány a disociovány OH

H2O + H2O  H3O+ + OH– R-NH2 + H3O+  R-NH3+ + H2O R-COOH + H2O  H3 ■

O+ +

hydroxyskupina pKa = 13,4

R-COO–

kyselina salicylová

disociační konstanta HB + H2O  H3O+ + B– Ka 

[H3 O  ][B – ] [HB]

log K a  log[H3 O  ]  log[B – ] – log[HB] – log[H3 O  ]  – log K a  log[B – ] – log[HB] pH  pK a  log


[B – ] [HB]

3




vliv pH prostředí na stupeň disociace benzoová kyselina (pKa = 4), resp. anilin (pKb = 9,37)

pH

1

benzoová

%

kyselina

neion.

COOH

anilin

% neion.

NH 3+

99.9

2

99

0,1

3

90

1

4 5

50 COO–

10 NH 2

10

50

6

1

90

7

0,1

99


kolik procent z podané dávky xenobiotika s hodnotou pKa = 3,5 bude v žaludku (při pH ≈ 2,5) v disociované formě

pH  pK a  log log

[B – ] [HB]

[B – ]  pH  pK a [HB] [B – ]  10pHpK a [HB] [B – ]  10 2,5 – 3,5  0,1  10 % [HB]

1.0 

0.8

0.6

0.4

0.2

HB – B

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

pH


4




distribuce slabé kyseliny (pKa = 3) v jednotlivých tělních tekutinách

ŽALUDEK

PLASMA

MOČ

pH ~ 3.0

pH ~ 7.4

pH ~ 5.0

(0,004 ‰) RCOOH

(0,004 ‰) RCOOH

(0,004 ‰) RCOOH

RCOO– (0,004 ‰)

RCOO– (99,5 %)

RCOO– (0,4 %)

Vstup xenobiotik do organismu Rozdělovací koeficient xenobiotika ■

charakterizuje schopnost látky rozpouštět se v tucích

P

[xenobioti kum] n oktanol [xenobioti kum] v oda

sloučenina

log P

glycin

–3,21

EDTA

–1,93

sarin

–0,45

acetylsalicylová kys.

–1,02

benzoová kys.

1,88

DDT

6,76


5




zdánlivý rozdělovací koeficient D ▪ pravdivější, je funkcí pH (např. log D7,4)

karboxylová skupina pKa = 3,0

O

OH OH hydroxy skupina pKa = 13,4

kyselina salicylová log P = 1,78

Prostup biologickou membránou ■

místem specifického toxického účinku je buňka / organela

■

xenobiotikum musí překonat buněčnou membránu ▪ obaluje a chrání buňku (organely) ▪ představuje bariéru mezi krví a vnitřkem buňky


6



Prostup biologickou membránou 1. pasivní difuze ■

přenos látek lipofilní povahy (Mr  500) vlivem koncentračního gradientu (Fickovy zákony) buněčnou stěnou ▪ kinetika 1. řádu kp  ln 2 t1/2

kp – penetrační konstanta ■

biologické membrány = nevodné prostředí → korelace účinku s log P

2. filtrace ■

hydrofilní látky (Mr ~ 100–200) mohou procházet póry v buněčné stěně některých buněk → neprochází větší (organické) ionty nebo látky vázané na plasmatické bílkoviny

Prostup biologickou membránou 3. pasivní / aktivní přenašečový transport ■

membránové proteiny (proteinové pumpy) ▪ přenašeč žlučových kyseliny ▪ přenašeč glukoronidů

■

velké hydro- i lipofilní molekuly, anorganické i organické ionty

■

aktivní transport i proti koncentračnímu gradientu (spotřeba energie)


7



Prostup biologickou membránou 4. transcytosa ■

pinocytosa – vstřebávání kapiček média, včetně rozpuštěné látky

■

fagocytosa – vstřebávání celých částic

Inhalační vstup xenobiotik ■

nejdůležitější cesta, trvá po celou dobu života

■

plicní sklípky: 140 m2

■

denně 10–30 m3 vzduchu

■

retence ovlivněna

inhalované xenobiotikum

vlastnostmi látky (těkavost) ■

vstřebané množství [g] minh = R cex Vmin t R

plíce xenobiotikum v plazmě

– retence <0, 1>

krevní kapilára

cex – koncentrace ve vnějším prostředí [g l–1] Vmin – ventilace plic [l min–1] t


– délka expozice [min]

plicní sklípky

8



Inhalační vstup xenobiotik ■

plyny a páry ▪ rozdělovací koeficient vzduch-krev ▪ po 30 minutách ustavení retenční rovnováhy

■

aerosoly, prach ▪ částice ~ 5 μm usazování ▪ částice < 0,1 μm mohou být i vstřebány

■

nejrychlejší a nejúčinnější vstup

Vlákna azbestu v plicích potkana

xenobiotik – ihned se dostávají do distribuce (inhalace par rtuti více než 50 %)

Transdermální vstup xenobiotik ■

plocha kůže asi 2 m2

■

kvalita pokožky na různých místech těla různá

pokožka ~ 10 m

škára

podkožní vazivo a tuk


9



Transdermální vstup xenobiotik ■

vliv stavu pokožky ▪ poranění (až intravenosní expozice!) ▪ vlhkost, stáří

■

plyny a páry – zanedbatelné množství (nepostačuje k vyvolání účinku)

■

kapaliny (významné při profesionální expozici) ▪ lipofilní látky – absorpce přes membrány ▪ hydrofilní látky – absorpce zanedbatelná

■

směsi ▪ zvýšení penetrace

Perorální vstup xenobiotik

pozřené xenobiotikum

zbytek organismu

játra

ledviny

dolní dutá žíla moč

portální žíla

žaludek

střevo

krevní kapilára xenobiotikum v plazmě játra


10



Perorální vstup xenobiotik 1. vstřebávání v žaludku ■

mohou se vstřebávat (ale ne příliš významně) ▪ elektroneutrální hydrofilní i lipofilní látky (malá Mr) ▪ ionty (aktivní transport) ▫ jednomocné (desítky %) ▫ dvojmocné (jednotky %) ▫ vícemocné (desetiny %)

■

pH žaludeční šťávy ovlivňuje vstřebávání ▫ jen slabé kyseliny

Perorální vstup xenobiotik 2. vstřebávání v tenkém střevu ■

hlavní část vstřebávání (velká plocha 40 m2)

■

vstřebávání závisí na složení potravy

■

nerozpustné látky se nevstřebávají

■

vstřebané látky přecházejí rovnou do jater, kde probíhá hlavní část biotransformace ▫ first-pass efect – presystémová eliminace, zapříčiňuje rozdíly v toxicitě xenobiotik podaných orálně a jinou cestou ▫ enterohepatální cyklus

■

obecně vstup s velkou kapacitou, ale omezenou absorpcí (lze ji snížit odstraněním / zrychlením průchodu látky)


11



Intravaskulární vstup xenobiotik ■

obvykle intravenosní (žilní) podání ▪ odpadá absorpce, xenobiotikum jde přímo do distribuce ▪ bez průchodu játry (100 % xenobiotika distribuováno), neuplatní se presystémová eliminace (např. bisfenol A, THC, chlorpromazin, morfin, nikotin)

Distribuce / redistribuce xenobiotik ■

časový průběh koncentrace xenobiotika v krvi v závislosti na způsobu podání

■

biologický poločas xenobiotika t1/2 [min., hod., dny] ▪ určen rychlostí vstřebávání, metabolismu a vylučování ▪ ukazuje na kumulaci xenobiotika v těle


12




formy xenobiotika v plasmě ▪ volné ▪ vázané na biomolekuly (albumin 4,6 g/100 ml plasmy, globuliny, transferrin, ceruloplasmin, glykoproteiny, - a -lipoproteiny) ▪ přeměněné na metabolity (volné × vázané)

■

ovlivnění distribuce xenobiotik


rychlost distribuce xenobiotika (metabolitů) do tkáně ovlivňují ▪ prokrvenost tkáně


13



Distribuce / redistribuce xenobiotik ▪ průchodnost stěn krevních kapilár ▫ kapilární řečiště ▫ velká plocha, pomalý tok ▫ buňky kapilár tvoří bariéru, propojeny těsnými spoji (zonulae occludens Z) ▫ různý typ tkáně ▫ srdeční sval: transcytóza ▫ pankreas: hydrofóbní póry (prochází i proteiny, inzulin) ▫ mozek: hematoencefalická bariéra ▫ játra: okénka až 100 nm

Distribuce / redistribuce xenobiotik ▪ bariéra plazma-nervové buňky (hematoencefalická) ▫ méně prostupná zejména pro hydrofilní látky ▫ zánět může zvýšit permeaci (penicilín) ▫ pH mozkomíšního moku 7,35

 zonulae occludens,  fosfolipidová dvojvrstva, – transportéry a iontové kanály,  „enzymatická bariéra“,  odtoková (efflux) pumpa


14



Distribuce / redistribuce xenobiotik ▪ placentární bariéra ▫ řada buněčných vrstev oddělující matku a plod ▫ ochrana plodu + jeho výživa a odstraňování metabolitů ▫ prochází zejména lipofilní látky (DDT, kofein) ▫ pH krve matky 7,44, pH krve plodu 7,3 → zvyšování koncentrace slabých bází v plodu ▪ bariéra krev-varlata

Distribuce / redistribuce xenobiotik ▪ podmínky vstupu xenobiotika do tkání (pH, lipofilita, přenašečový transport) ▫ ionizace salicylové kyseliny (pKa = 3,0) ▫ intracelulární prostor (pH = 6,8) [B–]/[HB] = 6 300 ▫ plazma (pH = 7,4) [B–]/[HB] = 25 100 → v plazmě 4× vyšší koncentrace ionizované formy ▪ afinita xenobiotika k vazbám na biomolekuly plasmy, k vazbám na tkáně (kumulace xenobiotik) ▫ vede k prodloužení biologického poločasu ▫ játra a ledviny (místa eliminace xenobiotik), velká kapacita pro kumulaci ▫ cytoplasmatický protein ligandin v játrech (organické kyseliny) ▫ metallothionein v ledvinách (kadmium, olovo, rtuť) ▫ pigment melanin v oku (fenothiaziny, chlorchinon 100× víc než v játrech)


15



Distribuce / redistribuce xenobiotik ▫ tuková tkáň ▫ váže lipofilní xenobiotika (vysoké log P) ▫ individuální na množství tuku (obezita) ▫ malá perfuse krví (3 ml/min na 100 g) → pomalá redistribuce ▫ kostní tkáň ▫ akumuluje kovy (olovo – až 90 % z množství v organismu, stroncium), fluoridy (kostní fluorosa), tetracykliny, cis-platinu (osteosarkom)

Distribuce / redistribuce xenobiotik Distribuční objem Vd ■

definován jako objem kapaliny ve které by se musela rozpustit podaná dávka xenobiotika, aby dosáhla stejné koncentrace jako v plasmě → „zdánlivý“ distribuční objem (může být větší než celkový tělesný objem vody)

■

velikost závisí na charakteru xenobiotika ▪ pro intravenózní vstup lze vypočítat přímo z dávky Vd 

 [mg]  dávka [l] koncentrace v plazmě  [mg.l–1] 

▪ podle charakteru xenobiotika ▫ lipofilní xenobiotika → velký Vd ▫ disociovaná, hydrofilní xenobiotika → malý Vd


16



Distribuce / redistribuce xenobiotik

látka

Vd litr

heparin

4

isoniazid

42

ethanol

46

paracetamol

70

morfin

140

digoxin

490

chlorpromazin


1400

17

Toxikokinetika I

Recommend Documents