Toxikologie, její předmět a vymezení pojmů 1. Úvod
2. Předmět toxikologie a vymezení pojmů 3. Působení cizorodých látek na lidský organismus 4. Klasifikace jedů
5. Účinek jedů, druhy účinku 6. Závislost účinku na koncentraci a dávce
Úvod Zkušenosti s jedy (toxickými látkami) doprovází člověka celým jeho vývojem:
látky přírodní povahy – mikrobiální toxiny, rostlinné toxiny, toxiny jedovatých hub a živočišné toxiny; některé cíleně používané v travičství, například bolehlav podaný Sokratovi
syntetické organické sloučeniny – methanol, benzen, ...
anorganické jedy – sloučeniny arsenu, olova, rtuti, ...
Základy moderní toxikologie položil Paracelsus (1493 – 1541): Všechny látky jsou jedy. Toliko správná dávka odlišuje lék od jedu. Dnes: Každá látka, organismu kvalitativně nebo kvantitativně cizí, která jej poškozuje chemicky nebo fyzikálně, je jed.
Předmět toxikologie a vymezení pojmů Toxikologie je nauka o škodlivém působení látek na živý organismus. Toxikologie kombinuje znalosti z medicíny, molekulární biologie, genetiky a chemie. Má stránku popisnou, experimentální a teoretickou. Je blízká farmakologii. Odvětví:
popisná toxikologie
predikční toxikologie
soudní lékařství
klinická toxikologie
průmyslová toxikologie
toxikologie omamných a psychotropních látek
ekotoxikologie
toxikologie potravin a jejich doplňků
toxikologie agrochemikálií
Působení xenobiotik na lidský organismus Působení biologického systému a cizorodé látky (xenobiotika) je vzájemné: Látka působí na organismus a ten působí na cizorodou látku, chemicky ji přeměňuje. Účinek látky na organismus je dělen na čtyři fáze:
Vstup látky do organismu (vstřebání).
Přenos látky v organismu.
Látková přeměna – biotransformace.
Vylučování - exkrece.
Biotransformace a vylučování se někdy označují společným názvem eliminace.
Stupně toxicity chemických látek Přibližná smrtná dávka Příklad Kategorie v mg/kg množství pro člověka __________________________________________________________________ 1. prakticky netoxické >15 000 víc než litr BaSO4 2. málo toxické 5 - 10 000 půllitr až litr C2H5OH 3. mírně toxické 500 - 5 000 půldeci až půllitr NaCl, FeSO4 4. silně toxické 50 - 500 lžička až půldeci Cd2+, Pb2+, CH3OH 5. extrémně toxické 5 - 50 7 kapek až lžička BaCO3, KClO3 6. supertoxické <5 stopa, <7 kapek nikotin, As3+, botulotoxin, dioxiny
Česká legislativa třídí jedy (toxické látky) podle akutní toxicity do třech skupin: 1. silně toxické (T+) - smrtná dávka méně než 25 mg/kg 2. toxické - smrtná dávka (T) 25 - 200 mg/kg 3. škodlivé (Xn) - smrtná dávka 200 - 2000 mg/kg
Účinek jedů, druhy účinku Působení xenobiotika na lidský organismus se může navenek projevit celou škálou rozmanitých účinků - od lehké nevolnosti, přes poruchy zažívání, nervové soustavy až po smrt. Otrava - intoxikace je poškozením životních funkcí organismu v důsledku působení xenobiotika. Může se projevit bezprostředně po jednorázové dávce cizorodé látky. V takovém případě mluvíme o otravě akutní - akutním účinku. V jiných případech se může poškození zdraví projevit teprve po dlouhodobém styku s látkou. Jedná se o chronický účinek, chronickou otravu. K akutní otravě dochází při jednorázové vyšší dávce nebo krátkodobé inhalaci vyšších koncentrací. K chronické otravě dochází naopak při opakovaných malých dávkách, nebo dlouhodobém vdechování nižších koncentrací. Účinky akutní a chronické vyvolané stejnou látkou se mohou navzájem značně lišit.
Způsob působení 1. Přímý toxický účinek - látka působí pouhou svou přítomností na kritickém místě v organismu. 2. Biochemický účinek - látka reaguje s cílovou molekulou (receptorem), ovlivní nějaký biochemický děj a tím některou životní funkci buňky či organismu. 3. Imunotoxický účinek - změny imunitního systému projevující se snížením imunity nebo nepřiměřenou alergickou reakcí. 4. Mutagenita - změna genetické informace vedoucí ke změně vlastností následujících generací. 5. Karcinogenita - změna genetické informace vedoucí ke zhoubnému nádorovému bujení. 6. Teratogenita - poškození plodu vedoucí k narození defektního jedince.
Přímý toxický účinek Pokud látka nepříznivě působí na organismus pouhou svou přítomností na určitém místě, aniž by se vázala na receptor, či reagovala s cílovými molekulami, mluvíme o přímém toxickém účinku.
Mezi přímý toxický účinek patří působení silných kyselin a zásad. Projevuje se místně, jako účinek leptavý, nebo v některých případech i systémově, změnou buněčného pH. Látky, které krystalizují v ledvinách, je mechanicky poškozují a mají na ně přímý toxický účinek. Příkladem je kyselina šťavelová, která v ledvinách krystalizuje jako šťavelan vápenatý, a dále některá léčiva – sulfonamidy, které je při předávkování mohou rovněž mechanicky poškodit.
Biochemický účinek, inhibice enzymů Mnohé cizorodé látky ovlivňují důležité biochemické děje v organismu a tím následně také životní funkce. Nejčastěji se jedná o inhibici enzymů. Inhibice znamená zpomalení reakce katalyzované (urychlované) příslušným enzymem
S + E
[ E- S]
P + E
kde E je enzym, S - substrát a P - produkt Substrát se váže na enzym v tzv. aktivním místě. Inhibitor má schopnost vázat se dostatečně pevně na totéž místo, a tak soutěžit se substrátem o enzym. To je inhibice kompetitivní (soutěživá). Předpokladem kompetitivní inhibice je, aby jed, inhibitor, měl podobné vlastnosti jako substrát a mohl se tak účinně vázat na enzym. Příkladem kompetitivní inhibice je působení oxidu uhelnatého, který se váže místo kyslíku na hemové železo v krevním barvivu hemoglobinu (Hb). Vzniklá vazba CO-Hb je mnohem pevnější než vazba kyslíku (O2-Hb) a hemoglogin pak není schopen vázat kyslík.
Biochemický účinek, inhibice enzymů Fluorované látky, zejména kyselina fluoroctová, jsou prostorově velmi podobné nefluorovaným analogům. Atomové poloměry fluoru a vodíku jsou totiž podobné. Kyselina fluoroctová může sloužit pro některé enzymy Krebsova cyklu (cyklus kyseliny citrónové, součást fyziologického metabolismu) jako substrát nahrazující kyselinu octovou. Tak dojde ke vzniku kyseliny fluorcitrónové, která na rozdíl od kyseliny citrónové nemůže být dále zpracována enzymem akonitasou, ale naopak silně tento enzym inhibuje. Tím se celý cyklus spojený s produkcí energie blokuje. Kromě toho se může cizorodá látka vázat na jiné místo enzymu. Pozměněný enzym potom není schopen plnit svoji funkci. Mluvíme o inhibici nekompetitivní. Takto působí některé těžké kovy, Hg, Pb, As, Cd, které se váží na thiolové skupiny enzymů, a tak je poškozují. Inhibice tvorby adenosintrifosfátu (ATP) dinitrofenolem, dinitro-o-kresolem nebo pentachlorfenolem má za následek přeměnu energie na teplo - horečku. Silně kyselé fenoly pronikají do buňky a v mitochodriích zmenšují gradient pH potřebný pro správnou funkci enzymu pro syntézu ATP.
Imunotoxicita Imunitní systém reaguje na cizorodé vysokomolekulární látky, hlavně bílkoviny. Základními součástí imunitního systému jsou lymfatický systém (slezina, lymfatické žlázy, lymfatické uzliny) a bílé krvinky (periferní leukocyty). Když je nějaká látka imunitním systémem rozpoznána jako cizí, začnou se proti ní tvořit protilátky. Tyto protilátky vytvoří s antigenem komplex a tak jej deaktivují. Imunitní odpověď se navenek projevuje různě, od mírných kožních projevů, kopřivky, přes dýchací potíže až po anafylaktický šok. Toxické látky mohou buď imunitní reakci potlačit, nebo naopak vyvolat nepřiměřenou odpověď imunitního systému (alergická reakce).
Teratogenita Mnohé látky mají schopnost poškodit embryo, případně plod při dávkách, které nejsou pro matku toxické. Některé z nich způsobují, že se dítě narodí sice životaschopné, ale těžce poškozené. Tyto látky se označují jako teratogeny. Nejznámějším teratogenem je N-(2,6-dioxo-3-piperidinyl)ftalimid, thalidomid, léčivo, které bylo od 1957 od 1961 používané jako sedativum. Toto léčivo nemělo pro dospělé vedlejší účinky. Bylo proto doporučováno i těhotným ženám jako zvláště bezpečné. Děti žen, které ho během těhotenství užívaly, se rodily těžce deformované (zkrácené končetiny, malformace vnitřních orgánů ap.). To vedlo k zavedení povinného testování léčiv na teratogenitu a ke zpřísnění požadavků na testování léčiv vůbec.
Mutagenita Genetická informace je uchována a přenášena pomocí kyseliny deoxyribonukleové (DNA) a ribonukleové (RNA). Obě kyseliny jsou tvořeny dvojitými šroubovicemi. Vlákna šroubovice jsou k sobě poutána vodíkovými můstky v párech pyrimidinových (cytosin, uracil a thymin) a purinových basí (adenin a guanin). Každá purinová base je vázána s určitou pyrimininovou a naopak. V RNA jsou to páry adenin-uracil a guanin-cytosin. V DNA je thymin namísto uracilu. Příklad vazby vodíkovými můstky je ilustrován níže na párech adenin-thymin a guanin-cytosin. N
O
H
N
NH
NH H
O
N
N
N
N
N H
N
N NH
H
O
guanin - cytosin
H N
N
CH3 N
O adenin - thymin
Karcinogenita Mutace v genetickém materiálu, DNA, se může projevit zhoubným bujením napadené tkáně - vznikne nádor. Mechanismus vzniku nádoru je značně složitý. Prvotní příčinou může být mutace, změna genetické informace. Vztah mezi mutagenitou a karcinogenitou není jednoznačný. Mutagenita není ani nutnou, ani postačující podmínkou karcinogenity. Většina karcinogenů má mutagenní účinky, ale nádorové bujení mohou vyvolat i látky nemutagenní. V takovém případě se může jednat o poškození opravných mechanismů, které jsou jinak schopny poškozenou DNA rozpoznat a opravit, případně nahradit.
Karcinogenita Tři typy údajů o látkách:
Prokázaný účinek na člověka (Known Human Carcinogen, Sufficient Evidence of Human Carcinogenity, Group 1): benzen, asbest, vinylchlorid, benzidin, aj. Prokázaný účinek na zvířata, řada důvodů pro podezření z účinků na člověka (Anticipated Human Carcinogen, Human Inadequate Evidence, Suspected Human Carcinogen, Animal Sufficient Evidence, Animal Carcinogen, Group 2), N2H4, DDT, dioxin, nitrobenzen, oxiran, PCB, N-nitrosodiethylamin, formaldehyd, CHCl3, CCl4, práškový Ni, některé sloučeniny Cr, akrylonitril, dimethylsulfát, epichlorhydrin, atd.
Nedostatečné důkazy pro účinky na pokusná zvířata (Group 3)
Závislost účinku na koncentraci a dávce Předpoklad závislosti mezi dávkou a odpovědí organismu, účinkem, je základním konceptem toxikologie. Pod jistou prahovou hodnotou dávky se zpravidla žádný účinek neobjeví. Při jejím překročení účinek s dávkou stoupá. Mnohem více než na dávce závisí účinek na koncentraci látky, nebo jejího účinného metabolitu, na místě účinku, tedy tam, kde látka reaguje s receptorem. Tato koncentrace je zase závislá na dávce, a tedy i účinek je pak závislý na dávce. Pokud je látka plynná, je dávka úměrná součinu vdechované koncentrace a času působení. Účinek je pak funkcí koncentrace a času:
D k ct U f( c t n ) kde D je dávka, U je účinek toxické látky, c její koncentrace ve vdechovaném vzduchu, k je konstanta úměrnosti, t je doba působení, n je exponent závislý na charakteru vazby látky na receptor a reversibilitě účinku.
Závislost účinku na koncentraci a dávce Pro látky vázané na receptory slabě, které se snadno uvolňují vydechováním, platí přibližně n = 0. Vazba na receptory je dokonale vratná. Účinek pak závisí pouze na koncentraci vdechované látky, nikoli na době vdechování. To je případ mnohých inhalačních anestetik (např. rajský plyn - N2O). Jejich účinek odezní brzy po ukončení inhalace a pacient se probudí. U látek, které se vážou na receptory nevratně (např. COCl2), rozhoduje celková dávka. V těchto případech n = 1, U = f(D). Je-li vazba na receptor nevratná a účinek alespoň částečně nevratný, doba působení má větší váhu, než vdechovaná koncentrace látky. Jinak řečeno, krátkodobé vdechování vyšších koncentrací je méně škodlivé, než dlouhodobé působení koncentrací úměrně nižších. V těchto případech n > 1. To je často případ karcinogenních látek a radioaktivního záření.
