Základy toxikologie

VZ – 2.r.

Definice toxikologie

Vědecký obor, který studuje kvalitativní i kvantitativní účinek chemických látek na živé organismy.

Nauka o (a) škodlivých a nežádoucích účincích látek na živé

organismy a ekosystémy, (b) o mechanismech účinků, (c) o analýze škodlivin ve složkách životního prostředí a

biologického materiálu, (d) O prevenci a léčbě otrav,(e) O způsobu posuzování škodlivých účinků

Co je jed, „toxický“ účinek

Jed je chemikálie uvedená v zákoněAle: Každá látka může být jedem.Toxicita závisí na dávce (dosis facit venenum). Co je to dávka?Množství látky, která vstoupí do organismu

Toxické účinky se mohou projevit u člověka či u jiných živých organismů. Záleží na mechanismu účinku a na biotransformaci látky.

Historie toxikologieHistorie toxikologie

Je tak stará jako lidstvo samo. TravičstvíJe tak stará jako lidstvo samo. Travičství

Znalosti jedů se používalo v politice i v Znalosti jedů se používalo v politice i v řešení osobních problémů.řešení osobních problémů.

Taxus (tis) – toxos (luk) - toxicon (jed pro Taxus (tis) – toxos (luk) - toxicon (jed pro namáčení šípů)namáčení šípů)

Staří Egypťané – kyanovodík z broskvových pecekStaří Egypťané – kyanovodík z broskvových pecek

Sokrates – odvar z bolehlavu (Conium maculatum – Sokrates – odvar z bolehlavu (Conium maculatum – b. plamatý)b. plamatý)

Nero – arsenikNero – arsenik

Claudius a Aggripina – otrava houbamiClaudius a Aggripina – otrava houbami

Historie toxikologieHistorie toxikologie

Phillipus Aureolus Theophastus Bombastus von Phillipus Aureolus Theophastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus, * 1492).Hohenheim (Paracelsus, * 1492).

První „toxikolog“ – vztah dávky a účinkuPrvní „toxikolog“ – vztah dávky a účinku

Ramazzini (1700) „Choroby dělníků“ (základ Ramazzini (1700) „Choroby dělníků“ (základ pracovního lékařství)pracovního lékařství)

Percival Pott – kominíci a Ca skrotaPercival Pott – kominíci a Ca skrotaClaude Bernard – mechanismus působení Claude Bernard – mechanismus působení

chemických látek na biologický systém (kurare)chemických látek na biologický systém (kurare)20. stol. – rozvoj vědy, analytiky, chemického 20. stol. – rozvoj vědy, analytiky, chemického

průmyslu, vývoje léčiv .průmyslu, vývoje léčiv .Průmyslové havárie (Bhópal 1984 Průmyslové havárie (Bhópal 1984

methylisokyanatan)methylisokyanatan)

Cíle toxikologieCíle toxikologie

• Zjišťování škodlivých a nežádoucích biologických Zjišťování škodlivých a nežádoucích biologických vlastností chemických látek, jejich sloučenin a vlastností chemických látek, jejich sloučenin a směsísměsí

• Navrhování a realizace preventivních opatření na Navrhování a realizace preventivních opatření na ochranu před jejich škodlivými účinkyochranu před jejich škodlivými účinky

• Studium možností diagnostiky a léčby otravStudium možností diagnostiky a léčby otrav

Rozdělení toxikologieRozdělení toxikologieObecná toxikologieObecná toxikologie – studium obecných – studium obecných

zákonitostí, teorií, dějů a souvislostí.zákonitostí, teorií, dějů a souvislostí. Mechanismy účinku, biotransformace, expozice, Mechanismy účinku, biotransformace, expozice,

interakce látek (aditivní účinek, potencující interakce látek (aditivní účinek, potencující účinek, antagonistický účinek). Vývoj metod pro účinek, antagonistický účinek). Vývoj metod pro studium toxicity.studium toxicity.

Speciální toxikologieSpeciální toxikologie – popisuje studuje a hodnotí – popisuje studuje a hodnotí toxické účinky konkrétních chemických látek a toxické účinky konkrétních chemických látek a přípravků.přípravků.

Experimentální toxikologieExperimentální toxikologie – studium účinků – studium účinků chemických látek v experimentech in vivo i in chemických látek v experimentech in vivo i in vitrovitro

Klinická toxikologieKlinická toxikologie – zkoumá účinky chemických – zkoumá účinky chemických látek na člověka látek na člověka

EkotoxikologieEkotoxikologie – zkoumá účinek látek na biotické – zkoumá účinek látek na biotické složky prostředísložky prostředí

Rozdělení toxikologie (pokr.)Rozdělení toxikologie (pokr.)

Analytická toxikologieAnalytická toxikologie – využívá metody – využívá metody analytické chemie pro průkaz toxických látek v analytické chemie pro průkaz toxických látek v biotických i abiotických složkách. Kvalitativní i biotických i abiotických složkách. Kvalitativní i kvantitativní výpovědi.kvantitativní výpovědi.

Průmyslová toxikologiePrůmyslová toxikologie – sleduje toxické účinky – sleduje toxické účinky surovin, produktů, meziproduktů i odpadů v surovin, produktů, meziproduktů i odpadů v průmyslu. Souvisí s pracovním lékařstvím.průmyslu. Souvisí s pracovním lékařstvím.

Soudní toxikologieSoudní toxikologie (forenzní) v soudním lékařství (forenzní) v soudním lékařství

Vojenská toxikologie Vojenská toxikologie – bojové chemické látky– bojové chemické látky

Predikční toxikologiePredikční toxikologie odhad účinku pomocí odhad účinku pomocí alternativních metod (QSAR, in silico)alternativních metod (QSAR, in silico)

Farmakologická toxikologieFarmakologická toxikologie

Toxický účinekToxický účinek

Vyplývá z interakce mezi látkou a biologickým Vyplývá z interakce mezi látkou a biologickým systémemsystémem

Látka působí na organismus (vyvolá účinek)Látka působí na organismus (vyvolá účinek)

Organismus působí na látku (biotransformace).Organismus působí na látku (biotransformace).

Biotransformace Biotransformace detoxikace detoxikace

Typy účinků:Typy účinků:

AkutníAkutní – okamžitý, bezprostřední (LD – okamžitý, bezprostřední (LD5050))

ChronickýChronický – dlouhodobé působení nízkým dávkám – dlouhodobé působení nízkým dávkám

PozdníPozdní (vzdálené, opožděné, delayed) – efekt (vzdálené, opožděné, delayed) – efekt nastane po dlouhé latenci (karcinogenní, nastane po dlouhé latenci (karcinogenní, mutagenní)mutagenní)

Rozdělení dle účinkuRozdělení dle účinku

NeurotoxikologieNeurotoxikologie

ImunotoxikologieImunotoxikologie

GenotoxikologieGenotoxikologie

NefrotoxikologieNefrotoxikologie

Toxikologie psychotropních a omamných Toxikologie psychotropních a omamných látek látek

atd atd

Toxicita – orgánová specifitaToxicita – orgánová specifita

HepatotoxicitaHepatotoxicita – játra jsou nejčastějším místem – játra jsou nejčastějším místem účinkuúčinku

NefrotoxicitaNefrotoxicita

NeurotoxicitaNeurotoxicita

HematotoxicitaHematotoxicita

KardiotoxicitaKardiotoxicita

Narkotický účinek – nespecifickýNarkotický účinek – nespecifický

Kumulace látek v tělních tkáních, nejčastěji v tuku Kumulace látek v tělních tkáních, nejčastěji v tuku (POPs), ale i v kostech (Pb), v ledvinách (Cd)(POPs), ale i v kostech (Pb), v ledvinách (Cd)

Funkční toxicitaFunkční toxicita

ImunotoxicitaImunotoxicita

AlergenitaAlergenita

Reprotoxicita (účinek na reprodukci)Reprotoxicita (účinek na reprodukci)

Teratogenita, embryotoxicitaTeratogenita, embryotoxicita

Genotoxicita (účinek na složky genomu)Genotoxicita (účinek na složky genomu)

BakteriotoxicitaBakteriotoxicita

LD50 (letální dávka, usmrcujících 50% LD50 (letální dávka, usmrcujících 50% exponovaných subjektů) - stupně exponovaných subjektů) - stupně

toxicitytoxicity

15 g/kg15 g/kg Prakticky neškodnéPrakticky neškodné NaClNaCl

5-15 g/kg5-15 g/kg Prakticky netoxickéPrakticky netoxické acetonaceton

0,5-5 g/kg0,5-5 g/kg Málo toxické Málo toxické ZnSO4ZnSO4

0,05-0,5 g/kg0,05-0,5 g/kg Toxické Toxické NaFNaF

0,005-0,05 0,005-0,05 g/kgg/kg

Velmi toxickéVelmi toxické Akrolein, Akrolein, tetraetylolovotetraetylolovo

<<0,0050,005 Extrémně toxickéExtrémně toxické TCDDTCDD

Toxicita u člověkaToxicita u člověka

Epidemiologické studie (srovnání výskytu toxického Epidemiologické studie (srovnání výskytu toxického účinku u populačních skupin s různou úrovní účinku u populačních skupin s různou úrovní expozice)expozice)

Extrapolace ze studií na zvířatech (rozdíly v Extrapolace ze studií na zvířatech (rozdíly v biotransformaci,.toxikokinetice a toxikodynamice biotransformaci,.toxikokinetice a toxikodynamice mezi člověkem a zvířetem)mezi člověkem a zvířetem)

Extrapolace z Extrapolace z in vitroin vitro studií – podezření, pokud je studií – podezření, pokud je pozorován účinek; pokud pozorován není, nelze pozorován účinek; pokud pozorován není, nelze účinek přesto vyloučit.účinek přesto vyloučit.

Extrapolace z Extrapolace z in silicoin silico – odhad možného – odhad možného mechanismu účinku na základě struktury látkymechanismu účinku na základě struktury látky

Účinek ovlivněn věkem, pohlavím, zdravotním Účinek ovlivněn věkem, pohlavím, zdravotním stavem člověkastavem člověka

Jednotky velikosti účinkuJednotky velikosti účinku

Hmotnostní (g, mg/kg; mg.kg-1 apod./ hmotnosti jedince)

Moly, mmol, mol/l, mol/kg apod.

Neměly by se užívat, ale setkáme se s nimu v anglosaské literatuře:

Ppm – parts per milion (mg z kg)Ppb – parts per bilion (miliarda) ug z kg

Závislost účinku na dávce a Závislost účinku na dávce a časečase

Prahové účinkyPrahové účinky

Bezprahové (stochastické) účinkyBezprahové (stochastické) účinky

Přípustné epoziční limity:

Pracovní prostředí: PEL (permissible exposure limit) a NPK-P (nejvyšší přípustná koncentrace)

Biologické expoziční testy (BET, BEI – biologic exposure indices)

Pitná voda: MH (mezní hodnota), NMH (nejvyšší mezní hodnota)

Potraviny: ADI (acceptable daily intake – přijatelný denní příjem)

TDI (tolerable daily intake)PTWI (weekly) a PTMI (monthly) pokud se

jedná o chronickou expozici

Hodnocení expozice

Definice expozice:

Expozice je styk chemického, fyzikálního nebo biologického činitele s vnějším povrchem organismu.

Expozice je nabídka nebezpečné (potenciálně nebezpečné) látky či faktoru.

Hodnocení expozice je určení nebo odhad velikosti, frekvence, trvání a cesty expozice

Vstupní brány expozice

Orální

Potrava, voda, prach a půda

Inhalační

Ovzduší, aerosol ve sprše

Kůží a sliznicí

V pracovním procesu, z mastí a kosmetiky, textilie

Kombinace expozičních cest

Vstup látky do organismuVstup látky do organismu

InhalačněInhalačně – velikost částic, hydrofilita – velikost částic, hydrofilita

TransdermálněTransdermálně – především u prof. expozice – především u prof. expozice (kapalina(kapalina plyn) plyn)

OrálněOrálně –látky hydrofilní i lipofilní, závisí i na –látky hydrofilní i lipofilní, závisí i na charakteru stravy.charakteru stravy.

Enterohepatální cyklus: GIT – játra – krev - GITEnterohepatální cyklus: GIT – játra – krev - GIT

Intravenózně Intravenózně

Transplacentálně Transplacentálně látky schopné překonat látky schopné překonat placentální bariéru mezi matkou a plodem (Pb, placentální bariéru mezi matkou a plodem (Pb, metylHg, dioxiny, PCB a další POPs)metylHg, dioxiny, PCB a další POPs)

Velikost účinku a dostupnostVelikost účinku a dostupnost

Proces expozice – toxikologická dostupnost:Proces expozice – toxikologická dostupnost:

Vstřebání, transport přes membrány Vstřebání, transport přes membrány

Toxikokinetika – biologická dostupnost:Toxikokinetika – biologická dostupnost:

Transport, distribuce biotransformace, vylučováníTransport, distribuce biotransformace, vylučování

Toxikodynamika – interakce:Toxikodynamika – interakce:

Inhibice či indukce enzymů, interference s funkcemi Inhibice či indukce enzymů, interference s funkcemi buněk, aktivace a deaktivace látek metabolickou buněk, aktivace a deaktivace látek metabolickou cestoucestou

Osud látky v organismuOsud látky v organismu

AAbsorpce (vstřebání, resorpce)bsorpce (vstřebání, resorpce)

Transport a Transport a ddistribuceistribuce

MMetabolismus (biotransformace)etabolismus (biotransformace)

Vylučování (Vylučování (eexkrece)xkrece)

(ADME)(ADME)

(střevní mikroflóra)(střevní mikroflóra)

Interakce s místem účinku (genom, receptory, Interakce s místem účinku (genom, receptory, membrány apod.)membrány apod.)

Možnosti toxických účinkůMožnosti toxických účinků

Dráždění kůže a sliznicDráždění kůže a sliznicNarkotický účinekNarkotický účinekInhibice transportu kyslíku (kompetice CO s O2, vznik Inhibice transportu kyslíku (kompetice CO s O2, vznik

karboxyhemoglobin; změna dvojmocného Fe v Hb na karboxyhemoglobin; změna dvojmocného Fe v Hb na trojmocnou za vzniku methemoglobinu (dusitany, anilin, trojmocnou za vzniku methemoglobinu (dusitany, anilin, chlorečnany)chlorečnany)

Inhibice funkce enzymů (např. ionty Pb inhibují tvorbu Inhibice funkce enzymů (např. ionty Pb inhibují tvorbu porfyrinu potřebnou pro tvorbu hemu); organofosfáty porfyrinu potřebnou pro tvorbu hemu); organofosfáty inhibují acetylcholin esterázu inhibují acetylcholin esterázu (parasympatikomimetikum). (parasympatikomimetikum).

Indukce činnosti enzymůIndukce činnosti enzymůAlkylace, acylaceAlkylace, acylaceMutagenitaMutagenitaAlergenitaAlergenita

Distribuce látky v organismuDistribuce látky v organismu

Závisí na:Závisí na: charakteru látky (rozpustnosti ve vodě, velikosti a charakteru látky (rozpustnosti ve vodě, velikosti a

geometrie molekulygeometrie molekuly

Místě vstupu látky do organismuMístě vstupu látky do organismu

Typu expoziceTypu expozice

BiotransformaceBiotransformace

= přeměna chemické látky biochemickými = přeměna chemické látky biochemickými mechanismy. Jedná se nejen o xenobiotika, ale i mechanismy. Jedná se nejen o xenobiotika, ale i látky tělu vlastnílátky tělu vlastní

Dochází ke změně chemické struktury a tedy i Dochází ke změně chemické struktury a tedy i vlastností látky.vlastností látky.

Proces biotransformace vede obecně ke zvýšení Proces biotransformace vede obecně ke zvýšení hydrofility látky a jejímu lepšímu vyloučení.hydrofility látky a jejímu lepšímu vyloučení.

Důsledkem biotransformace může být jak Důsledkem biotransformace může být jak detoxikace, tak i zvýšení toxicity či objevení detoxikace, tak i zvýšení toxicity či objevení toxicity (genotoxicity) původně netoxické látky toxicity (genotoxicity) původně netoxické látky

Fáze biotransformaceFáze biotransformace

I. Fáze: cytochrom P450 a jeho izomeryI. Fáze: cytochrom P450 a jeho izomery

oxidace, hydroxylace, epoxidace, oxidace, hydroxylace, epoxidace,

redukceredukce

II. fáze: konjugační. Vzniklé konjugáty (s kys. II. fáze: konjugační. Vzniklé konjugáty (s kys. glukuronovou, sulfátem, glutationem) jsou glukuronovou, sulfátem, glutationem) jsou polárnější než vlastní látky a lépe se vylučují polárnější než vlastní látky a lépe se vylučují močí.močí.

Konjugáty se neresorbují, ale mohou být Konjugáty se neresorbují, ale mohou být štěpeny mikroorganismy střevního traktu a štěpeny mikroorganismy střevního traktu a navraceny tak do enterohepatálního oběhunavraceny tak do enterohepatálního oběhu

Rozdíly v biotransformaci mohou být etnické, Rozdíly v biotransformaci mohou být etnické, pohlavní, individuální (genetický polymorfismus)pohlavní, individuální (genetický polymorfismus)

VylučováníVylučování

LedvinyLedviny – moč: glomerulární filtrace, tubulární – moč: glomerulární filtrace, tubulární absorpce nebo sekrece. Rozhoduje funkce ledvin i absorpce nebo sekrece. Rozhoduje funkce ledvin i krevního oběhu.krevního oběhu.

JátraJátra – žluč – stolice: zejména lipofilní látky. – žluč – stolice: zejména lipofilní látky. Možnost štěpení konjugátů střevní mikroflórouMožnost štěpení konjugátů střevní mikroflórou

Vydechováním: Vydechováním: těkavá organická rozpouštědlatěkavá organická rozpouštědla

Vylučování žlázami:Vylučování žlázami: slinné, potní, mazové, slzné slinné, potní, mazové, slzné

Vylučování mateřským mlékemVylučování mateřským mlékem: lipofilní látky s : lipofilní látky s dlouhým biologickým poločasemdlouhým biologickým poločasem

Doporučená literaturaDoporučená literatura

• Miloň Tichý: Toxikologie pro chemiky. Učební Miloň Tichý: Toxikologie pro chemiky. Učební texty Univerzity Karlovy, Praha, 2003texty Univerzity Karlovy, Praha, 2003

• Jaroslav Prokeš a kol.: Základy toxikologie. Galén, Jaroslav Prokeš a kol.: Základy toxikologie. Galén, Nakladatelství Karolinum, 2005Nakladatelství Karolinum, 2005