1

Faktory ovlivňující účinky toxických látek (TL)

2

Faktory ovlivňující účinek TL

Faktory se vztahem k toxické látce• fyzikální a chemické vlastnosti TL

• současně podávaná potrava

Faktory se vztahem k toxické látce i k organizmu • dávka• kombinace TL• opakované podání• faktory podmiňující pozdní účinky

Faktory se vztahem k organizmu• věk, pohlaví• hmotnost, tělesná konstituce• cirkadiální rytmy• patologické stavy organismu

3

– látky rozpustné v tucích - snadno pronikají pokožkou sliznicemi, snadno se kumulují ve tkáních, často bývají neurotoxické

– látky rozpustné ve vodě - při vstupu zažívacím traktem snadněji zvyšují svoji koncentraci v tělních tekutinách

– těkavé látky - rychle zvyšují svou koncentraci v ovzduší, snadný a rychlý prostup do organismu přez respirační trakt

– aerosoly - průnik do organismu závislý na velikosti částic

– vliv pH na disociaci slabých elektrolytů - disociovaná forma slabého elektrolytu (iont) obvykle hůře prostupuje přes biomembrány než forma nedisociovaná

Fyzikální faktory ovlivňující účinek TL

4

Chemické vlastnosti ovlivňující účinek TL

• látky rozpustné v tucích s b.v. 20 - 100 °C - vyvolávají při inhalaci vysokých koncentrací narkózu, při delší expozici nižším koncentracím stav podobný chronickému alkoholizmu

• org. kyseliny, aldehydy a fenoly o malé molekulové hmotnosti - zpravidla lokálně dráždí

• aromatické uhlovodíky s větším počtem kondenzovaných jader než dvě - zpravidla mívají karcinogenní účinky

• aromatické aminy a nitrosloučeniny se dvěma a více benzenovými jádry - zpravidla mívají karcinogenní účinky

5

• alkylační činidla a jejich prekurzory - zpravidla karcinogenní, poškozují krvetvorbu, kontaktně poškozují pokožku a sliznice

• sloučeniny a metabolity tvořící nedisociované komplexy s Cu a Fe - zpravidla blokují tkáňové dýchání

• jednoduché aromatické aminy a nitrosloučeniny - zpravidla vyvolávají cyanózu a methemoglobinemii

• estery kyseliny dusité a dusičné -snižují krevní tlak a rovněž mohou vyvolat cyanózu a methemoglobinemii

• organické sloučeniny odvozené od kyselin fosforu - inhibují cholinesterázu, čímž vyvolávají těžké nervové příznaky

• těžké kovy a organokovové sloučeniny - zpravidla poškozují játra a ledviny a působí neurotoxicky

Chemické vlastnosti ovlivňující účinek TL

6

• přístup využívající moderní statistické přístupy a databázové systémy k odhadu účinku toxické látky na základě její chemické struktury

QSAR - quantitative structure - activity relationship

• využívá se například i při plánování výroby nových látek

• kromě toxikologie velký význam ve farmakologii

• přístup snižující nutnost provádění nových experimentů na živých organismech

• časopis „QSAR Combinatorial science“ - Wiley Interscience

7

Toxikokinetické interakce

Vliv potravy na účinek TL

• zpomalení absorpce• ovlivnění biologické dostupnosti TL

– změna pH trávících šťáv– tvorba nevstřebatelných komplexů– adsorpce TL na částicích potravy– kompetice o transportní mechanismy – zpomalení vyprazdňování žaludku (tuky)– ovlivnění biotransformačních pochodů– ovlivnění pH moči

Toxikodynamické interakce • ????????

8

Jed

“Všechny látky jsou jedy, nic není nejedovaté.

Pouze dávka způsobuje, že látka přestává být jedem.”

Paracelsus (16.století n.l.)

Toxický účinek• porucha homeostáze organismu způsobená toxickou látkou

(jedem?)

• podmínkou je dostatečně dlouhé setrvání dostatečně vysoké koncentrace TL v místě účinku

Toxický účinek se projeví pokud

– absorpce > metabolická degradace a/nebo eliminace– chemická látka způsobuje ireversibilní změny organismu (neexistuje

opravný mechanismus)– rychlost negativních změn je větší než rychlost jejich oprav

Místo a způsob expozice

kůže, GI, respirační trakt

injekce

Dávka (mg/kg)

s,l,g

g, %

Forma

Absorpce

Distribuce na TS

Reabsorpce

Metabolická aktivace

Presystémová eliminace

Exkrece

Distribuce z TS

Metabolická inaktivace

Tra

nsp

ort

Místo účinku

Cílová molekulaprotein, lipid, DNA, ...

Porucha homeostázy

Účinek

(smrt, změna v produkci enzymů,

změna růstu, ...

Toxická látka

Aktivní metabolit

podle Klaassen a Watkins (2003)

9

Toxický účinek

• negativní změna ve fungování biologického systému

– na úrovni molekulární, buněčné nebo orgánové či na úrovni organismu

– symptomy

• lokální účinek systémový účinek• reverzibilní účinek ireverzibilní účinek• okamžitý účinek opožděný účinek• stupňovitý účinek (z hlediska úrovně určitého faktoru - např. koncentrace

neurotransmiteru) kvantální účinek (odezva „všechno nebo nic“) • letální účinek neletální účinek

10

Dávka• množství TL vstupující do organismu• obvykle se udává v mg/kg (hmotnost toxické látky) / (hmotnost organismu)• někdy pouze jako hmotnost podané látky v mg

Expozice

• charakterizována frekvencí a dobou dávkování

Akutní < 24hod obvykle 1 dávka

Subakutní 1 měsíc opakované podání

Subchronická 1-3 měsíce opakované podání

(< 10% života org.)

Chronická > 3 měsíce opakované podání

(> 10% života org.)

Čas

Ko

nc

en

trac

e l

átk

y n

a m

ístě

úč

ink

u

Dávka 1 Dávka 2 Dávka 3 Dávka 4 Dávka 5 Dávka 6

Rychlé vylučování

Pomalé vylučování

(Akumulace)Práh účinku

Akutní účinek toxické látkyChronický účinek toxické látky

11

Podmínky umožňující vyčíslit vztah dávka - účinek

1. Existuje vztah mezi reakcí organismu a podanou látkou

2. Velikost odpovědi je úměrná dávce– existuje specifické vazebné místo (receptor) s kterým tox. látka reaguje za vzniku specifické odezvy

– míra odezvy je úměrná koncentraci tox. látky v receptorovém místě

– koncentrace tox. látky v receptorovém místě je úměrná dávce

3. Existují metody měření dávky i účinku

12

http://www.inchem.org/documents/ehc/ehc/ehc155.htm#SectionNumber:1.1

Biomarkery• markery v biologických systémech s dostatečně dlouhou dobou života, které umožňují lokalizovat kde v systému došlo ke

změně a umožňují tuto změnu kvantifikovat

• biomarkery na různých úrovních organizace biol. systémů – molekulární buněčné tkáňové individuální

• kategorizace biomarkerů podle funkce– biomarkery dávky (expozice) - toxická látka nebo její metabolit, případně látka vznikající po interakci tox. látky s receptorem

– biomarkery účinku (efektu) - měřitelná změna v biochemii, fyziologii či chování organismu vznikající v důsledku expozice tox. látce

– biomarkery citlivosti - indikátor vrozené nebo získané schopnosti organismu reagovat určitým způsobem na expozici toxické látce

Molekula (např. DNA)

Enzym (např. CYP 450)

Organela (např. mitochondrie)

Buňka

Tkáň

Orgán

Jedinec

Populace

Vzr

ůst

á ci

tliv

ost

bio

mar

kerů

Vzr

ůst

á m

no

žstv

í a

rozm

anit

ost

bio

mar

kerů

v r

eakc

i n

a d

aný

po

dn

ět

Kle

sá m

ožn

ost

jed

no

du

ché

inte

rven

ce v

rea

kci

na

pro

jevy

to

xici

ty

Historicky nejstarší

biomarkery

Vzr

ůst

á ú

čin

no

st p

och

op

ení

kom

ple

xníc

h d

ějů

13

Křivky dávka účinek• popisují vztah mezi zvyšující se dávkou TL a odezvou organismu

(individuální KDÚ) či organismů (populační KDÚ)

• mohou mít podobu aditivní (+ kolik) či kumulativní závislosti (celkem kolik)

Přecitlivělí jedinci

Normální jedinci

Odolní jedinci

14

Parametry odvozené z KDÚ• práh účinku

– teoretická dávka při níž dojde k nástupu sledovaného toxického účinku (např. úmrtí první myši), nachází se mezi hodnotami NOAEL a LOAEL

– podprahové dávky nezpůsobují daný toxický účinek

• LOAEL (Lowest Observed Adverse Efect Level)– nejnižší experimentální dávka při níž pozorujeme sledovaný toxický účinek,

na KDÚ je y > 0

• NOAEL (No Observed Adverse Efect Level)– nejvyšší experimentální dávka, při níž stále ještě nepozorujeme sledovaný

toxický účinek, na KDÚ je y = 0

– např. pro genotoxické karcinogeny a mutageny nemá KDÚ práh účinku, neexistuje tedy „bezpečná“ dávka

Dávka

Úči

nek

žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek

Práh účinku Dávka

Úči

nek

žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek

Práh účinku

genotoxický karcinogen mutagen

Dávka

Úči

nek

žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek

Práh účinku

NOAEL

LOAEL

15

Parametry odvozené z KDÚ

• referenční dávka (RfD)

– denní dávka dané látky, kterou je možno celoživotně přijímat bez následků na zdraví

RfD = NOAEL/( UF MF)

– vypočteno pro nejzávažnější účinek a nejcitlivější jedince

– udává se v (mg/kg)/den

– zavedeno EPA, dostupné na adrese http://www.epa.gov/iris/rfd.htm

– pouze pro látky (účinky) s prahem

• směrnicový faktor(SF)

– denní příjem látky zvyšující pravděpodobnost onemocnění o 1%– např. pro karcinogeny a genotoxické mutageny

Křivky dávka - účinek

Dávka

Toxickýúčinek

Práh účinku

Látka bez prahuúčinku - např.

karcinogen

NOAEL

Látka s prahemúčinku - např. HCN

Esenciálnílátka

(nutrient) -např Se

RfD - Kadmium (Cd)

RfD - Benzen

SF - Benzen

http://www.epa.gov/iris/rfd.htm

16

Parametry odvozené z KDÚ• Pro srovnání toxicity různých látek (vzorků) se užívají parametry

odvozené pro 50 % efekt, neboť jsou zatíženy nejmenší chybou

• LD50

– dávka (mg/kg) po jejímž podání zemře 50 % pokusných objektů

– strychnin LD50 (orálně, potkan) = 2,35 mg/kg

– např. databáze HSDB na TOXNET– http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-bin/sis/htmlgen?HSDB

• LC50

– koncentrace látky ve vzduchu (ppm, %, mg/m3) po jejíž expozici trvající vymezenou dobu (obvykle 4h) zemře 50 % pokusných objektů

– NH3 LC50 (inhalačně, 2 h, myš) = 3,310 mg/m3

• ED50

– efektivní dávka - u 50 % objektů vyvolá požadovaný terapeutický účinek

• TD50

– toxická dávka - u 50 % objektů vyvolá nežádoucí toxický účinekDávka

Úči

nek

(%

úm

rtí)

žádný účinek rostoucí účinek maximální účinek

LD50

0

25

50

75

100

LD99

Dávka

Úči

nek

(%

)

TD50

0

25

50

75

100

LD50ED50

spánek bezvědomí smrt

Dávka

Úči

nek

(%

úm

rtí)

LD50

0

25

50

75

100

LD50

látka 2látka 1

práh práh

LD50 (potkan, p.o.) LDL0 (člověk, p.o.)

Ethanol 7 060 mg/kg 1 400 mg/kg

Methanol 5 628 mg/kg 428 mg/kg

NaCl 3 000 mg/kg 5 000 mg/kg

Acylpirin 1 500 mg/kg 25 - 30 000 mg/kg

THC 666 mg/kg -

Kofein 192 mg/kg 192 mg/kg

Kokain 99 mg/kg 1 000 mg/kg

Nikotin 60 mg/kg 60 mg

KCN 10 mg/kg 50 - 100 mg

Strychnin 2,35 mg/kg 5 - 10 mg

Nikotin 1,0 mg/kg

TCDD 0,1 mg/kg

Botulin 0,0001 mg/kg

Terapeutická šíře TS TS = LD50 - ED50

Terapeutický index TI TI = LD50/ED50

Hranice bezpečnosti MS MS = LD1 / ED99

17

Vztah dávka - účinek

3) Porovnání toxicity dvou látek

• Účinnost (potency) - čím je celkové množství látky potřebné k dosažení daného efektu menší, tím větší je účinnost

Po

kles

prů

měr

néh

o k

revn

ího

tla

ku (

%)

Látka A

Látka B

Dávka (mg)

Větší účinnost

Větší maximální účinek

18

Interakce mezi TL

• chemické reakce mezi jednotlivými tox. látkami

• změny v absorpci, distribuci a exkreci

• soutěž o receptory

19

Aditivní účinek

• alkohol + sedativa tlumivý účinek na CNS

• organofosfáty - účinek různých organofosfátů na CNS bývá aditivní

• halogenované insekticidy + halogenovaná org. rozpouštědla

– závislost na místě účinku - aditivní efekt z hlediska hepatotoxicity a antagonistický z hlediska neurotoxicity

+

=

20

Antagonistický účinek a) fyziologický antagonismus

– vasodilatanty + vasopresory

b) chemický antagonismus– kovy + chelatační činidla

c) dispoziční antagonismus– toxická látka + absorpční uhlí

d) receptorový antagonismus– CO + O2

Potenciace • potenciace hepatotoxického účinku CCl4 isopropanolem

• warfarin - kompetice na albuminu

21

Synergický účinek

• kuřáci mají 10 - krát větší riziko onemocnění rakovinou plic než nekuřáci

• při obrábění azbestu vzrůstá riziko onemocnění rakovinou plic 5 - krát větší

• kuřáci obrábějící azbest mají riziko onemocnění rakovinou plic 53 - krát větší než zbytek populace

22

Opakované podání látky1) Zesílení toxického účinku

• kumulace toxické látky v těle - druhá dávka je absorbována dříve, než je první dávka úplně vyloučena

• kumulace poškození - organismus se nestihne plně regenerovat po podání jedné dávky předtím, než je vystaven dávce druhé

2) Zeslabení toxického účinku

• vznik tolerance (návyku)– mechanismy toxikokinetické– mechanismy toxikodynamické

Čas

Ko

nc

en

trac

e l

átk

y n

a m

ístě

úč

ink

u

Dávka 1 Dávka 2 Dávka 3 Dávka 4 Dávka 5 Dávka 6

Rychlé vylučování

Pomalé vylučování

(Akumulace)Práh účinku

23

Vznik tolerance

• adaptace organismu na určitou látku, k dosažení určitého účinku je třeba zvýšit dávku

1) mechanismus toxikokinetický - změny v rychlosti, míře a kvalitě absorpce, distribuce, biotransformace a exkrece

– As2O3 se při opakované expozici méně vstřebává

– barbituráty indukují enzymy vlastní biotransformace– Cd indukuje tvorbu metalothioneninu

2) mechanismus toxikodynamický - změna účinnosti dané látky

– změna počtu a funkce receptorů– změna v produkci a exocytóze neurotransmiterů

• morfin, nitroglycerin apod.

24

Inhibitory biotransformačních enzymů

E + S ES E + Pk1

k-1

k2

kompetitivní reversibilní inhibiceEI

E + S ES E + P

+

I

E + S ES E + P

+

I EISnekompetitivní reversibilní inhibice

substrátová kompetice

E + S1 ES E + P1

+

S2 ES2 E + P2

E + S ES E + P

+

IEIS

+

Ikombinovaná inhibice

25

Induktory biotransformačních enzymůk1 k2

NNO

OCH3(CH2)3

phenylbutazone

N N

O

O O

H H

C2H5 C6H5

phenobarbital

benzo(a)pyrene

CYP450CYP450 3A4,5,7, 2B6

CYP450 1A2 CYP450 2E1 CH3CH2OH

26

Lék nebo Toxikant

biotransformovaný Lék nebo Toxikant

aktivní

neaktivní

aktivní

neaktivní

více účinný

TOXICKÝ

méně účinný

O S-GS S-CH2CHCO2H

OH OH

NH2

S-CH2CHCO2H

OH

NHCCH3

O

S-CH2CHCO2H

NHCCH3

O

GSHCYP

H2O

27

Věk a účinek TL

Děti• nižší hmotnost• snížená vazba TL na plazmatické proteiny• nevyvinutý enzymatický systém pro biotransformaci TL• nevyvinutá hematoencefalická bariéra• snížená exkrece ledvinami• růst zubů a kostí - poškození antibiotiky

Senioři• snížená vazba TL na plazmatické proteiny• snížená mobilita střev, snížená absorpce v GIT• snížená účinnost biotransformace• snížená exkrece ledvinami

28

Další faktoryPohlaví• ženy citlivější z důvodu nižší hmotnosti, menstruace - látky dráždící CNS a zvyšující prokrvení pánevních orgánů, gravidita - poškození plodu

Patologický stav organismu• postižení ledvin - snížené vylučování látek

• postižení jater - změny v rychlosti a účinnosti biotransformace,

Hmotnost• dávka - mg/kg• kumulace látek v tucích• srdeční činnost

Genetický polymorfismus• geneticky determinované odchylky ve struktuře biotransformačních enzymů

29

Další faktory

Cesty vstupu xenobiotika do organismu

• enterální aplikace (přez zažívací trakt) - toxický účinek může být zvýšen dobrou rozpustností látek v žaludečních šťávách a obsahu žaludku (některé škodliviny mohou být v žaludku výrazně pozměněny), toxická látka prochází játry (v játrech může být detoxikována, pozměněna, může se ukládat)

• parenterální aplikace (mimo zažívací trakt) - toxická látka se dostává do velkého krevního oběhu mimo detoxikační bariéru jater

30