Vorrangiges Ziel der Arbeits- und Umwelttoxikologie ist die Verbesserung der Vermeidung oder weitgehenden Begrenzung gesundheitlicher Auswirkungen der Exposition gegenüber gefährlichen Arbeitsstoffen im allgemeinen und beruflichen Umfeld. Zu diesem Zweck wurden Systeme zur quantitativen Risikobewertung in Bezug auf eine bestimmte Exposition entwickelt (siehe Abschnitt „Regulatorische Toxikologie“).

Die Auswirkungen einer Chemikalie auf bestimmte Systeme und Organe hängen vom Ausmaß der Exposition und davon ab, ob die Exposition akut oder chronisch ist. Angesichts der Vielfalt toxischer Wirkungen auch innerhalb eines Systems oder Organs wurde zur Risikobewertung und Entwicklung gesundheitsbasierter empfohlener Konzentrationsgrenzwerte toxischer Stoffe in unterschiedlichen Umweltmedien eine einheitliche Philosophie bezüglich des kritischen Organs und der kritischen Wirkung vorgeschlagen .

Aus Sicht der Präventivmedizin ist es von besonderer Bedeutung, frühe Nebenwirkungen zu erkennen, ausgehend von der allgemeinen Annahme, dass die Verhinderung oder Begrenzung früher Auswirkungen schwerwiegendere gesundheitliche Auswirkungen verhindern kann.

Ein solcher Ansatz wurde auf Schwermetalle angewendet. Obwohl Schwermetalle wie Blei, Cadmium und Quecksilber zu einer bestimmten Gruppe toxischer Substanzen gehören, deren chronische Wirkung von ihrer Anreicherung in den Organen abhängt, wurden die nachstehenden Definitionen von der Task Group on Metal Toxicity (Nordberg 1976).

Die von der Task Group on Metal Toxicity vorgeschlagene Definition des kritischen Organs wurde mit einer leichten Modifikation übernommen: dem Wort Metall wurde durch den Ausdruck ersetzt potenziell toxische Substanz (Duffus 1993).

Ob ein bestimmtes Organ oder System als kritisch angesehen wird, hängt nicht nur von der Toxikomechanik des gefährlichen Stoffes ab, sondern auch vom Aufnahmeweg und der exponierten Bevölkerung.

• Kritische Konzentration für eine Zelle: die Konzentration, bei der nachteilige Funktionsänderungen, reversibel oder irreversibel, in der Zelle auftreten.
• Kritische Organkonzentration: die mittlere Konzentration im Organ zu dem Zeitpunkt, an dem der empfindlichste Zelltyp im Organ die kritische Konzentration erreicht.
• Kritisches Organ: das bestimmte Organ, das unter bestimmten Expositionsbedingungen und für eine bestimmte Bevölkerungsgruppe als erstes die kritische Metallkonzentration erreicht.
• Kritischer Effekt: definierter Punkt in der Beziehung zwischen Dosis und Wirkung im Individuum, nämlich der Punkt, an dem eine Beeinträchtigung der Zellfunktion des kritischen Organs auftritt. Bei einem niedrigeren Expositionsniveau als dem, das eine kritische Metallkonzentration im kritischen Organ ergibt, können einige Wirkungen auftreten, die die Zellfunktion per se nicht beeinträchtigen, jedoch durch biochemische und andere Tests nachweisbar sind. Solche Effekte sind definiert als subkritische Effekte.

Die biologische Bedeutung des unterkritischen Effekts ist manchmal nicht bekannt; es kann für einen Expositionsbiomarker, einen Anpassungsindex oder einen kritischen Wirkungsvorläufer stehen (siehe „Toxikologische Testmethoden: Biomarker“). Die letztgenannte Möglichkeit kann im Hinblick auf prophylaktische Aktivitäten von besonderer Bedeutung sein.

Tabelle 1 zeigt Beispiele kritischer Organe und Wirkungen für verschiedene Chemikalien. Bei chronischer umweltbedingter Cadmiumbelastung, bei der der Aufnahmeweg von untergeordneter Bedeutung ist (Cadmiumkonzentrationen in der Luft reichen von 10 bis 20 μg/m³ in der Stadt und 1 bis 2 μg/m³ in den ländlichen Gebieten) ist das kritische Organ die Niere. In der beruflichen Umgebung, wo der TLV 50 μg/m erreicht³ und die Inhalation den Hauptexpositionsweg darstellt, werden zwei Organe, Lunge und Niere, als kritisch angesehen.

Tabelle 1. Beispiele für kritische Organe und kritische Wirkungen

Für Blei sind die kritischen Organe bei Erwachsenen das blutbildende und das periphere Nervensystem, wo sich die kritischen Wirkungen (z. B. erhöhte Protoporphyrin-Konzentration in freien Erythrozyten (FEP), erhöhte Ausscheidung von Delta-Aminolävulinsäure im Urin oder gestörte periphere Nervenleitung) manifestieren, wenn der Blutbleispiegel (ein Index der Bleiabsorption im System) nähert sich 200 bis 300 μg/l. Bei kleinen Kindern ist das zentrale Nervensystem (ZNS) das kritische Organ, und die mit einer psychologischen Testbatterie festgestellten Funktionsstörungen treten in den untersuchten Populationen bereits bei Konzentrationen im Bereich von etwa 100 μg/l Pb auf in Blut.

Es wurden eine Reihe anderer Definitionen formuliert, die die Bedeutung des Begriffs möglicherweise besser widerspiegeln. Laut WHO (1989) wurde die kritische Wirkung definiert als „die erste nachteilige Wirkung, die auftritt, wenn die (kritische) Schwellenkonzentration oder -dosis im kritischen Organ erreicht wird. Unerwünschte Wirkungen wie Krebs ohne definierte Schwellenkonzentration werden oft als kritisch angesehen. Die Entscheidung, ob ein Effekt kritisch ist, ist eine Frage des Expertenurteils.“ Im International Programme on Chemical Safety (IPCS) werden Richtlinien zur Entwicklung entwickelt Dokumente zu Umweltgesundheitskriterienwird die kritische Wirkung beschrieben als „die nachteilige Wirkung, die als am besten geeignet zur Bestimmung der tolerierbaren Aufnahme erachtet wird“. Die letztgenannte Definition wurde direkt zum Zwecke der Bewertung der gesundheitsbasierten Expositionsgrenzwerte in der allgemeinen Umwelt formuliert. Wesentlich scheint in diesem Zusammenhang die Bestimmung zu sein, welche Wirkung als nachteilige Wirkung anzusehen ist. Nach gängiger Terminologie ist die Beeinträchtigung die „Änderung der Morphologie, Physiologie, des Wachstums, der Entwicklung oder der Lebensdauer eines Organismus, die zu einer Beeinträchtigung der Fähigkeit, zusätzliche Belastungen zu kompensieren, oder einer Erhöhung der Anfälligkeit für die schädlichen Auswirkungen anderer Umwelteinflüsse führt. Die Entscheidung darüber, ob eine Wirkung nachteilig ist oder nicht, erfordert ein Expertenurteil.“

Abbildung 1 zeigt hypothetische Dosis-Wirkungs-Kurven für verschiedene Wirkungen. Bei Bleibelastung A kann einen unterkritischen Effekt darstellen (Hemmung der Erythrozyten-ALA-Dehydratase), B der kritische Effekt (eine Erhöhung des Erythrozyten-Zink-Protoporphyrins oder eine Erhöhung der Ausscheidung von Delta-Aminolävulinsäure, C die klinische Wirkung (Anämie) und D die fatale Wirkung (Tod). Für die Bleiexposition gibt es zahlreiche Belege dafür, wie bestimmte Wirkungen der Exposition von der Bleikonzentration im Blut (praktisches Gegenstück zur Dosis) abhängig sind, entweder in Form der Dosis-Wirkungs-Beziehung oder in Bezug auf verschiedene Variablen (Geschlecht, Alter usw .). Die Bestimmung der kritischen Wirkungen und der Dosis-Wirkungs-Beziehung für solche Wirkungen beim Menschen ermöglicht es, die Häufigkeit einer bestimmten Wirkung für eine bestimmte Dosis oder ihr Gegenstück (Konzentration in biologischem Material) in einer bestimmten Population vorherzusagen.

Abbildung 1. Hypothetische Dosis-Wirkungs-Kurven für verschiedene Wirkungen

Es gibt zwei Arten von kritischen Wirkungen: solche, die als grenzwertig angesehen werden, und solche, für die bei jeder Expositionshöhe ein gewisses Risiko bestehen kann (nicht grenzwertbezogene, genotoxische Karzinogene und Keimmutagene). Wann immer möglich, sollten geeignete Humandaten als Grundlage für die Risikobewertung verwendet werden. Um die Schwellenwirkungen für die allgemeine Bevölkerung zu bestimmen, müssen Annahmen über die Expositionshöhe (tolerierbare Aufnahme, Biomarker der Exposition) getroffen werden, sodass die Häufigkeit der kritischen Wirkung in der Bevölkerung, die einem bestimmten gefährlichen Stoff ausgesetzt ist, der Häufigkeit entspricht dieser Wirkung in der allgemeinen Bevölkerung. Bei Bleiexposition liegt die maximal empfohlene Blutbleikonzentration für die Allgemeinbevölkerung (200 µg/l, Median unter 100 µg/l) (WHO 1987) praktisch unter dem Schwellenwert für die angenommene kritische Wirkung – der erhöhte freie Erythrozyten-Protoporphyrin-Spiegel ist zwar vorhanden nicht unter dem Wert liegt, der mit Auswirkungen auf das ZNS bei Kindern oder dem Blutdruck bei Erwachsenen verbunden ist. Wenn Daten aus gut durchgeführten Studien am Menschen, die eine Konzentration ohne beobachtete Nebenwirkungen definieren, die Grundlage für die Sicherheitsbewertung bilden, wurde im Allgemeinen ein Unsicherheitsfaktor von zehn als angemessen erachtet. Bei beruflicher Exposition können sich die kritischen Wirkungen auf einen bestimmten Teil der Bevölkerung (z. B. 10 %) beziehen. Dementsprechend wurde bei beruflicher Bleiexposition die empfohlene gesundheitsbasierte Blutbleikonzentration auf 400 mg/l bei Männern festgelegt, wobei ein 10%iger Ansprechwert für ALA-U von 5 mg/l bei PbB-Konzentrationen von etwa 300 bis 400 mg/l auftrat . Für die berufliche Exposition gegenüber Cadmium (unter Annahme der erhöhten Urinausscheidung von Proteinen mit geringem Gewicht als kritischer Effekt) wurde der Gehalt von 200 ppm Cadmium in der Nierenrinde als zulässiger Wert angesehen, da dieser Effekt in 10 % der Fälle beobachtet wurde die exponierte Bevölkerung. Diese beiden Werte werden derzeit (dh 1996) in vielen Ländern über eine Senkung erwogen.

Es gibt keinen klaren Konsens über eine geeignete Methodik für die Risikobewertung von Chemikalien, für die die kritische Wirkung möglicherweise keinen Schwellenwert hat, wie z. B. genotoxische Karzinogene. Eine Reihe von Ansätzen, die weitgehend auf der Charakterisierung der Dosis-Wirkungs-Beziehung beruhen, wurden zur Bewertung solcher Wirkungen übernommen. Aufgrund der fehlenden gesellschaftspolitischen Akzeptanz von Gesundheitsrisiken durch Karzinogene in Dokumenten wie z Luftqualitätsrichtlinien für Europa (WHO 1987) nur die Werte wie das Einheitslebensdauerrisiko (d. h. das Risiko, das mit einer lebenslangen Exposition gegenüber 1 μg/m³ des gefährlichen Stoffes) werden für Wirkungen ohne Schwellenwert angegeben (siehe „Regulatorische Toxikologie“).

Derzeit besteht der grundlegende Schritt bei der Durchführung von Aktivitäten zur Risikobewertung in der Bestimmung des kritischen Organs und der kritischen Auswirkungen. Die Definitionen sowohl der kritischen als auch der schädlichen Wirkung spiegeln die Verantwortung wider, zu entscheiden, welche der Wirkungen innerhalb eines bestimmten Organs oder Systems als kritisch angesehen werden sollten, und dies steht in direktem Zusammenhang mit der anschließenden Bestimmung empfohlener Werte für eine bestimmte Chemikalie in der allgemeinen Umgebung -zum Beispiel, Luftqualitätsrichtlinien für Europa (WHO 1987) oder gesundheitsbasierte Grenzwerte bei beruflicher Exposition (WHO 1980). Die Bestimmung der kritischen Wirkung innerhalb des Bereichs der unterkritischen Wirkungen kann zu einer Situation führen, in der die empfohlenen Grenzwerte für die Konzentration toxischer Chemikalien in der allgemeinen oder beruflichen Umgebung in der Praxis unmöglich einzuhalten sind. Wenn eine Wirkung, die sich möglicherweise mit den frühen klinischen Wirkungen überschneidet, als kritisch betrachtet wird, kann dies dazu führen, dass die Werte angenommen werden, bei denen sich in einem Teil der Bevölkerung unerwünschte Wirkungen entwickeln können. Die Entscheidung, ob eine bestimmte Wirkung als kritisch einzustufen ist oder nicht, liegt in der Verantwortung von Expertengruppen, die auf Toxizitäts- und Risikobewertung spezialisiert sind.

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Es gibt oft große Unterschiede zwischen Menschen in der Intensität der Reaktion auf toxische Chemikalien und Variationen in der Anfälligkeit eines Individuums im Laufe des Lebens. Diese können einer Vielzahl von Faktoren zugeschrieben werden, die die Absorptionsrate, die Verteilung im Körper, die Biotransformation und/oder die Ausscheidungsrate einer bestimmten Chemikalie beeinflussen können. Abgesehen von den bekannten erblichen Faktoren, von denen eindeutig gezeigt wurde, dass sie mit einer erhöhten Anfälligkeit für chemische Toxizität beim Menschen verbunden sind (siehe „Genetische Determinanten der toxischen Reaktion“), umfassen andere Faktoren: konstitutionelle Merkmale in Bezug auf Alter und Geschlecht; vorbestehende Krankheitszustände oder eine Verringerung der Organfunktion (nicht erblich, dh erworben); Ernährungsgewohnheiten, Rauchen, Alkoholkonsum und Medikamenteneinnahme; gleichzeitige Exposition gegenüber Biotoxinen (verschiedene Mikroorganismen) und physikalischen Faktoren (Strahlung, Feuchtigkeit, extrem niedrige oder hohe Temperaturen oder barometrische Drücke, besonders relevant für den Partialdruck eines Gases), sowie begleitende körperliche Betätigung oder psychische Belastungssituationen; frühere berufliche und/oder umweltbedingte Exposition gegenüber einer bestimmten Chemikalie und insbesondere gleichzeitige Exposition gegenüber anderen Chemikalien, nicht notwendigerweise toxisch (z. B. essentielle Metalle). Die möglichen Beiträge der oben genannten Faktoren zur Erhöhung oder Verringerung der Anfälligkeit für gesundheitsschädliche Wirkungen sowie die Mechanismen ihrer Wirkung sind für eine bestimmte Chemikalie spezifisch. Daher werden hier nur die häufigsten Faktoren, grundlegenden Mechanismen und einige charakteristische Beispiele vorgestellt, während spezifische Informationen zu jeder einzelnen Chemikalie an anderer Stelle zu finden sind Enzyklopädie.

Entsprechend dem Stadium, in dem diese Faktoren wirken (Aufnahme, Verteilung, Biotransformation oder Ausscheidung einer bestimmten Chemikalie), können die Mechanismen grob nach zwei grundlegenden Wechselwirkungsfolgen kategorisiert werden: (1) eine Änderung der Menge der Chemikalie in a Zielorgan, d. h. an der/den Stelle(n) ihrer Wirkung im Organismus (toxikokinetische Wechselwirkungen), oder (2) eine Änderung der Intensität einer spezifischen Reaktion auf die Menge der Chemikalie in einem Zielorgan (toxikodynamische Wechselwirkungen) . Die häufigsten Mechanismen beider Wechselwirkungstypen beziehen sich auf die Konkurrenz mit anderen Chemikalien um die Bindung an dieselben Verbindungen, die an ihrem Transport im Organismus beteiligt sind (z. B. spezifische Serumproteine) und/oder um denselben Biotransformationsweg (z. B. spezifische Enzyme), was zu einer Änderung der Geschwindigkeit oder Abfolge zwischen der anfänglichen Reaktion und der endgültigen gesundheitsschädlichen Wirkung führt. Jedoch können sowohl toxikokinetische als auch toxikodynamische Wechselwirkungen die individuelle Empfindlichkeit gegenüber einer bestimmten Chemikalie beeinflussen. Der Einfluss mehrerer begleitender Faktoren kann zu Folgendem führen: (a) additive Effekte—Die Intensität des kombinierten Effekts ist gleich der Summe der Effekte, die von jedem Faktor separat erzeugt werden, (b) synergistische Effekte—die Intensität der kombinierten Wirkung größer ist als die Summe der Wirkungen, die von jedem Faktor einzeln erzeugt werden, oder (c) antagonistische Wirkungen—Die Intensität des kombinierten Effekts ist kleiner als die Summe der Effekte, die von jedem Faktor separat erzeugt werden.

Die Menge einer bestimmten toxischen Chemikalie oder eines charakteristischen Metaboliten an der/den Stelle(n) ihrer Wirkung im menschlichen Körper kann mehr oder weniger durch biologisches Monitoring bestimmt werden, d. h. durch die Auswahl der richtigen biologischen Probe und den optimalen Zeitpunkt der Probenentnahme biologische Halbwertszeiten für eine bestimmte Chemikalie sowohl im kritischen Organ als auch im gemessenen biologischen Kompartiment berücksichtigen. Verlässliche Informationen über andere mögliche Faktoren, die die individuelle Anfälligkeit beim Menschen beeinflussen könnten, fehlen jedoch im Allgemeinen, und folglich basiert der Großteil des Wissens über den Einfluss verschiedener Faktoren auf Tierversuchsdaten.

Es sollte betont werden, dass in einigen Fällen relativ große Unterschiede zwischen Menschen und anderen Säugetieren in der Intensität der Reaktion auf eine äquivalente Menge und/oder Dauer der Exposition gegenüber vielen toxischen Chemikalien bestehen; Beispielsweise scheinen Menschen erheblich empfindlicher auf die gesundheitsschädlichen Wirkungen mehrerer toxischer Metalle zu reagieren als Ratten (üblicherweise in Tierversuchen verwendet). Einige dieser Unterschiede können der Tatsache zugeschrieben werden, dass die Transport-, Verteilungs- und Biotransformationswege verschiedener Chemikalien stark von geringfügigen Änderungen des Gewebe-pH-Werts und des Redoxgleichgewichts im Organismus abhängen (ebenso wie die Aktivitäten verschiedener Enzyme). Das Redoxsystem des Menschen unterscheidet sich erheblich von dem der Ratte.

Dies gilt offensichtlich für wichtige Antioxidantien wie Vitamin C und Glutathion (GSH), die für die Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts unerlässlich sind und eine Schutzfunktion gegen die nachteiligen Wirkungen der von Sauerstoff oder Fremdstoffen stammenden freien Radikale haben, die an a beteiligt sind Vielzahl pathologischer Zustände (Kehrer 1993). Der Mensch kann Vitamin C im Gegensatz zur Ratte nicht selbst synthetisieren, und sowohl die Spiegel als auch die Umsatzrate von Erythrozyten-GSH sind beim Menschen erheblich niedriger als bei der Ratte. Menschen fehlen im Vergleich zu Ratten oder anderen Säugetieren auch einige der schützenden antioxidativen Enzyme (z. B. wird angenommen, dass GSH-Peroxidase in menschlichen Spermien wenig aktiv ist). Diese Beispiele veranschaulichen die möglicherweise größere Anfälligkeit des Menschen gegenüber oxidativem Stress (insbesondere in empfindlichen Zellen, z. B. anscheinend größere Anfälligkeit des menschlichen Spermas gegenüber toxischen Einflüssen als das der Ratte), was zu einer anderen Reaktion oder einer größeren Anfälligkeit gegenüber dem Einfluss von führen kann verschiedene Faktoren beim Menschen im Vergleich zu anderen Säugetieren (Telišman 1995).

Einfluss des Alters

Im Vergleich zu Erwachsenen sind sehr kleine Kinder aufgrund ihrer relativ größeren Inhalationsvolumina und gastrointestinalen Absorptionsrate aufgrund der größeren Durchlässigkeit des Darmepithels und aufgrund unausgereifter Entgiftungsenzymsysteme und einer relativ geringeren Ausscheidungsrate toxischer Chemikalien häufig anfälliger für chemische Toxizität . Das Zentralnervensystem scheint im frühen Entwicklungsstadium besonders anfällig für die Neurotoxizität verschiedener Chemikalien zu sein, beispielsweise Blei und Methylquecksilber. Auf der anderen Seite können ältere Menschen aufgrund einer chemischen Exposition in der Vorgeschichte und erhöhten Körpervorräten einiger Xenobiotika oder einer bereits bestehenden beeinträchtigten Funktion von Zielorganen und/oder relevanten Enzymen anfällig sein, was zu einer verringerten Entgiftungs- und Ausscheidungsrate führt. Jeder dieser Faktoren kann zur Schwächung der körpereigenen Abwehr beitragen – eine Abnahme der Reservekapazität, die eine erhöhte Anfälligkeit für spätere Exposition gegenüber anderen Gefahren verursacht. Beispielsweise können die Cytochrom-P450-Enzyme (die an den Biotransformationswegen fast aller toxischen Chemikalien beteiligt sind) entweder induziert werden oder ihre Aktivität aufgrund des Einflusses verschiedener Faktoren im Laufe des Lebens (einschließlich Ernährungsgewohnheiten, Rauchen, Alkohol, Einnahme von Medikamenten usw.) verringert haben Exposition gegenüber Umwelt-Xenobiotika).

Einfluss von Sex

Geschlechtsspezifische Empfindlichkeitsunterschiede sind für eine große Zahl toxischer Chemikalien (ca. 200) beschrieben worden und finden sich bei vielen Säugetierarten. Es scheint, dass Männer im Allgemeinen anfälliger für Nierentoxine und Frauen für Lebertoxine sind. Die Ursachen für die unterschiedliche Reaktion zwischen Männchen und Weibchen wurden mit Unterschieden in einer Vielzahl von physiologischen Prozessen in Verbindung gebracht (z. B. sind Weibchen in der Lage, einige toxische Chemikalien durch Menstruationsblutverlust, Muttermilch und/oder Übertragung auf den Fötus zusätzlich auszuscheiden, aber sie erfahren zusätzlichen Stress während Schwangerschaft, Geburt und Stillzeit), Enzymaktivitäten, genetische Reparaturmechanismen, hormonelle Faktoren oder das Vorhandensein relativ größerer Fettdepots bei Frauen, was zu einer größeren Ansammlung einiger lipophiler toxischer Chemikalien wie organischer Lösungsmittel und einiger Medikamente führt .

Einfluss von Ernährungsgewohnheiten

Ernährungsgewohnheiten haben einen wichtigen Einfluss auf die Anfälligkeit für chemische Toxizität, vor allem, weil eine angemessene Ernährung für das Funktionieren des chemischen Abwehrsystems des Körpers zur Aufrechterhaltung einer guten Gesundheit unerlässlich ist. Eine ausreichende Zufuhr essentieller Metalle (einschließlich Halbmetalle) und Proteine, insbesondere der schwefelhaltigen Aminosäuren, ist für die Biosynthese verschiedener entgiftender Enzyme und die Bereitstellung von Glycin und Glutathion für Konjugationsreaktionen mit körpereigenen und körperfremden Verbindungen erforderlich. Lipide, insbesondere Phospholipide, und Lipotrope (Methylgruppenspender) sind für die Synthese biologischer Membranen notwendig. Kohlenhydrate liefern die für verschiedene Entgiftungsprozesse erforderliche Energie und liefern Glucuronsäure für die Konjugation toxischer Chemikalien und ihrer Metaboliten. Selen (ein essentielles Halbmetall), Glutathion und Vitamine wie Vitamin C (wasserlöslich), Vitamin E und Vitamin A (fettlöslich) spielen eine wichtige Rolle als Antioxidantien (z. B. bei der Kontrolle der Lipidperoxidation und der Aufrechterhaltung der Integrität von Zellmembranen). und Radikalfänger zum Schutz vor giftigen Chemikalien. Darüber hinaus können verschiedene Nahrungsbestandteile (Eiweiß- und Ballaststoffgehalt, Mineralstoffe, Phosphate, Zitronensäure usw.) sowie die aufgenommene Nahrungsmenge die gastrointestinale Absorptionsrate vieler toxischer Chemikalien stark beeinflussen (z. B. die durchschnittliche Absorptionsrate von löslichen Bleisalze, die zu den Mahlzeiten eingenommen werden, beträgt etwa acht Prozent, im Gegensatz zu etwa 60 % bei nüchternen Personen). Die Ernährung selbst kann jedoch eine zusätzliche Quelle der individuellen Exposition gegenüber verschiedenen toxischen Chemikalien sein (z. B. erheblich erhöhte tägliche Aufnahme und Akkumulation von Arsen, Quecksilber, Cadmium und/oder Blei bei Personen, die kontaminierte Meeresfrüchte verzehren).

Einfluss des Rauchens

Die Gewohnheit des Rauchens kann die individuelle Anfälligkeit für viele toxische Chemikalien aufgrund der Vielfalt möglicher Wechselwirkungen mit der Vielzahl der im Zigarettenrauch enthaltenen Verbindungen (insbesondere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Benzol, Nikotin, Acrolein, einige Pestizide, Cadmium und , in geringerem Maße, Blei und andere toxische Metalle usw.), von denen sich einige lebenslang im menschlichen Körper anreichern können, einschließlich des pränatalen Lebens (z. B. Blei und Cadmium). Die Wechselwirkungen treten hauptsächlich auf, weil verschiedene toxische Chemikalien um die gleiche(n) Bindungsstelle(n) für den Transport und die Verteilung im Organismus und/oder um den gleichen Biotransformationsweg konkurrieren, an dem bestimmte Enzyme beteiligt sind. Beispielsweise können mehrere Bestandteile von Zigarettenrauch Cytochrom-P450-Enzyme induzieren, während andere ihre Aktivität dämpfen und somit die gemeinsamen Biotransformationswege vieler anderer toxischer Chemikalien, wie organischer Lösungsmittel und einiger Medikamente, beeinflussen können. Starkes Zigarettenrauchen über einen langen Zeitraum kann die Abwehrmechanismen des Körpers erheblich reduzieren, indem es die Reservekapazität verringert, um mit dem nachteiligen Einfluss anderer Lebensstilfaktoren fertig zu werden.

Einfluss von Alkohol

Der Konsum von Alkohol (Ethanol) kann die Anfälligkeit für viele giftige Chemikalien auf verschiedene Weise beeinflussen. Es kann die Absorptionsrate und Verteilung bestimmter Chemikalien im Körper beeinflussen – zum Beispiel die gastrointestinale Absorptionsrate von Blei erhöhen oder die pulmonale Absorptionsrate von Quecksilberdampf verringern, indem es die Oxidation hemmt, die für die Retention von eingeatmetem Quecksilberdampf erforderlich ist. Ethanol kann auch die Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Chemikalien durch kurzfristige Änderungen des Gewebe-pH-Werts und eine Erhöhung des Redoxpotentials infolge des Ethanolstoffwechsels beeinflussen, da sowohl Ethanol, das zu Acetaldehyd oxidiert, als auch Acetaldehyd, das zu Acetat oxidiert, ein Äquivalent von reduziertem Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) produzieren und Wasserstoff (H⁺). Da die Affinität sowohl essentieller als auch toxischer Metalle und Metalloide zur Bindung an verschiedene Verbindungen und Gewebe vom pH-Wert und Änderungen des Redoxpotentials beeinflusst wird (Telišman 1995), kann selbst eine mäßige Aufnahme von Ethanol zu einer Reihe von Folgen führen, wie z. 1) Umverteilung von langfristig angereichertem Blei im menschlichen Organismus zugunsten einer biologisch aktiven Bleifraktion, (2) Ersatz von essentiellem Zink durch Blei in zinkhaltigen Enzym(en), dadurch Beeinflussung der Enzymaktivität, oder Beeinflussung der Mobil- Blei auf die Verteilung anderer essentieller Metalle und Halbmetalle im Organismus wie Calcium, Eisen, Kupfer und Selen, (3) erhöhte Ausscheidung von Zink im Urin und so weiter. Die Wirkung möglicher vorgenannter Ereignisse kann dadurch verstärkt werden, dass alkoholische Getränke eine nennenswerte Menge Blei aus Gefäßen oder der Verarbeitung enthalten können (Prpic-Majic et al. 1984; Telišman et al. 1984; 1993).

Ein weiterer häufiger Grund für ethanolbedingte Empfindlichkeitsänderungen ist, dass viele toxische Chemikalien, z. B. verschiedene organische Lösungsmittel, den gleichen Biotransformationsweg teilen, an dem die Cytochrom-P450-Enzyme beteiligt sind. Abhängig von der Intensität der Exposition gegenüber organischen Lösungsmitteln sowie der Menge und Häufigkeit der Ethanolaufnahme (d. h. akuter oder chronischer Alkoholkonsum) kann Ethanol die Biotransformationsraten verschiedener organischer Lösungsmittel verringern oder erhöhen und damit deren Toxizität beeinflussen (Sato 1991) .

Einfluss von Medikamenten

Die gemeinsame Einnahme verschiedener Medikamente kann die Empfindlichkeit gegenüber toxischen Chemikalien beeinflussen, hauptsächlich weil viele Medikamente an Serumproteine ​​binden und somit den Transport, die Verteilung oder die Ausscheidungsrate verschiedener toxischer Chemikalien beeinflussen oder weil viele Medikamente in der Lage sind, relevante entgiftende Enzyme zu induzieren oder ihre Aktivität zu unterdrücken (z. B. die Cytochrom-P450-Enzyme), wodurch die Toxizität von Chemikalien mit demselben Biotransformationsweg beeinflusst wird. Charakteristisch für beide Mechanismen ist eine erhöhte Ausscheidung von Trichloressigsäure (dem Metaboliten mehrerer chlorierter Kohlenwasserstoffe) im Urin bei Anwendung von Salicylat, Sulfonamid oder Phenylbutazon und eine erhöhte Hepato-Nephrotoxizität von Tetrachlorkohlenstoff bei Anwendung von Phenobarbital. Darüber hinaus enthalten einige Medikamente eine beträchtliche Menge einer potenziell toxischen Chemikalie, beispielsweise die aluminiumhaltigen Antazida oder Präparate, die zur therapeutischen Behandlung der bei chronischem Nierenversagen auftretenden Hyperphosphatämie verwendet werden.

Einfluss der gleichzeitigen Exposition gegenüber anderen Chemikalien

Die Veränderungen der Anfälligkeit für gesundheitsschädliche Wirkungen durch Wechselwirkungen verschiedener Chemikalien (dh mögliche additive, synergistische oder antagonistische Wirkungen) wurden fast ausschließlich an Versuchstieren, hauptsächlich an der Ratte, untersucht. Relevante epidemiologische und klinische Studien fehlen. Dies ist insbesondere angesichts der relativ größeren Intensität der Reaktion oder der Vielfalt der gesundheitsschädlichen Wirkungen mehrerer toxischer Chemikalien beim Menschen im Vergleich zu Ratten und anderen Säugetieren besorgniserregend. Abgesehen von veröffentlichten Daten auf dem Gebiet der Pharmakologie beziehen sich die meisten Daten nur auf Kombinationen von zwei verschiedenen Chemikalien innerhalb bestimmter Gruppen, wie z. B. verschiedene Pestizide, organische Lösungsmittel oder essentielle und/oder toxische Metalle und Halbmetalle.

Die kombinierte Exposition gegenüber verschiedenen organischen Lösungsmitteln kann zu verschiedenen additiven, synergistischen oder antagonistischen Wirkungen führen (abhängig von der Kombination bestimmter organischer Lösungsmittel, ihrer Intensität und Expositionsdauer), hauptsächlich aufgrund der Fähigkeit, die Biotransformation des anderen zu beeinflussen (Sato 1991).

Ein weiteres charakteristisches Beispiel sind die Wechselwirkungen von essentiellen und/oder toxischen Metallen und Halbmetallen, da diese an möglichen Einflüssen des Alters (z. B. lebenslange Ansammlung von umweltbedingtem Blei und Cadmium im Körper), des Geschlechts (z. B. allgemeiner Eisenmangel bei Frauen) beteiligt sind ), Ernährungsgewohnheiten (z. B. erhöhte Nahrungsaufnahme von toxischen Metallen und Halbmetallen und/oder unzureichende Nahrungsaufnahme von essentiellen Metallen und Halbmetallen), Rauchgewohnheiten und Alkoholkonsum (z. B. zusätzliche Exposition gegenüber Cadmium, Blei und anderen toxischen Metallen) und Konsum von Medikamenten (z. B. kann eine Einzeldosis Antazidum zu einer 50-fachen Erhöhung der durchschnittlichen täglichen Aufnahme von Aluminium durch die Nahrung führen). Die Möglichkeit verschiedener additiver, synergistischer oder antagonistischer Wirkungen der Exposition gegenüber verschiedenen Metallen und Halbmetallen beim Menschen kann anhand grundlegender Beispiele in Bezug auf die wichtigsten toxischen Elemente (siehe Tabelle 1) veranschaulicht werden, abgesehen davon, dass weitere Wechselwirkungen auftreten können, da auch essentielle Elemente beeinflussen können (z. B. die bekannte antagonistische Wirkung von Kupfer auf die gastrointestinale Resorptionsrate sowie den Zinkstoffwechsel und umgekehrt). Die Hauptursache all dieser Wechselwirkungen ist die Konkurrenz verschiedener Metalle und Metalloide um dieselbe Bindungsstelle (insbesondere die Sulfhydrylgruppe, -SH) in verschiedenen Enzymen, Metalloproteinen (insbesondere Metallothionein) und Geweben (z. B. Zellmembranen und Organbarrieren). Diese Wechselwirkungen können eine relevante Rolle bei der Entwicklung mehrerer chronischer Krankheiten spielen, die durch die Wirkung freier Radikale und oxidativen Stress vermittelt werden (Telišman 1995).

Tabelle 1. Grundlegende Auswirkungen möglicher multipler Wechselwirkungen in Bezug auf die wichtigsten toxischen und/oder essentiellen Metalle und Matalloide bei Säugetieren

Hinweis: Die Daten beziehen sich größtenteils auf experimentelle Studien an der Ratte, während relevante klinische und epidemiologische Daten (insbesondere zu quantitativen Dosis-Wirkungs-Beziehungen) im Allgemeinen fehlen (Elsenhans et al. 1991; Fergusson 1990; Telišman et al. 1993).

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Es ist seit langem bekannt, dass jeder Mensch anders auf Umweltchemikalien reagiert. Die jüngste Explosion in der Molekularbiologie und Genetik hat zu einem klareren Verständnis der molekularen Grundlage einer solchen Variabilität geführt. Zu den wichtigsten Determinanten der individuellen Reaktion auf Chemikalien gehören wichtige Unterschiede zwischen mehr als einem Dutzend Superfamilien von Enzymen, die zusammenfassend bezeichnet werden xenobiotisch- (körperfremd) bzw Droge-metabolisierend Enzyme. Obwohl die Rolle dieser Enzyme klassischerweise als Entgiftung angesehen wird, wandeln dieselben Enzyme auch eine Reihe von inerten Verbindungen in hochgiftige Zwischenprodukte um. Kürzlich wurden viele subtile sowie grobe Unterschiede in den diese Enzyme kodierenden Genen identifiziert, die nachweislich zu deutlichen Variationen in der Enzymaktivität führen. Es ist nun klar, dass jedes Individuum eine unterschiedliche Ergänzung von Xenobiotika-metabolisierenden Enzymaktivitäten besitzt; Diese Vielfalt könnte als „metabolischer Fingerabdruck“ betrachtet werden. Es ist das komplexe Zusammenspiel dieser vielen verschiedenen Enzym-Superfamilien, das letztendlich nicht nur das Schicksal und das Toxizitätspotenzial einer Chemikalie bei einem bestimmten Individuum bestimmt, sondern auch die Bewertung der Exposition. In diesem Artikel haben wir uns entschieden, die Superfamilie der Cytochrom-P450-Enzyme zu verwenden, um die bemerkenswerten Fortschritte zu veranschaulichen, die beim Verständnis der individuellen Reaktion auf Chemikalien erzielt wurden. Die Entwicklung relativ einfacher DNA-basierter Tests zur Identifizierung spezifischer Genveränderungen in diesen Enzymen liefert nun genauere Vorhersagen der individuellen Reaktion auf Chemikalienexposition. Wir hoffen, dass das Ergebnis eine präventive Toxikologie sein wird. Mit anderen Worten, jeder Einzelne könnte etwas über die Chemikalien erfahren, auf die er oder sie besonders empfindlich reagiert, und so eine zuvor unvorhersehbare Toxizität oder Krebs vermeiden.

Obwohl dies im Allgemeinen nicht anerkannt wird, sind Menschen täglich einem Sperrfeuer unzähliger verschiedener Chemikalien ausgesetzt. Viele dieser Chemikalien sind hochgiftig und stammen aus einer Vielzahl von Umwelt- und Nahrungsquellen. Die Beziehung zwischen solchen Expositionen und der menschlichen Gesundheit war und ist ein Hauptaugenmerk biomedizinischer Forschungsbemühungen weltweit.

Was sind einige Beispiele für dieses chemische Bombardement? Mehr als 400 Chemikalien aus Rotwein wurden isoliert und charakterisiert. Mindestens 1,000 Chemikalien werden schätzungsweise durch eine angezündete Zigarette produziert. Es gibt unzählige Chemikalien in Kosmetika und parfümierten Seifen. Eine weitere wichtige Quelle der Exposition gegenüber Chemikalien ist die Landwirtschaft: Allein in den Vereinigten Staaten werden Ackerland jedes Jahr mehr als 75,000 Chemikalien in Form von Pestiziden, Herbiziden und Düngemitteln ausgesetzt; Nach der Aufnahme durch Pflanzen und Weidetiere sowie Fische in nahe gelegenen Gewässern nimmt der Mensch (am Ende der Nahrungskette) diese Chemikalien auf. Zwei weitere Quellen für große Konzentrationen von Chemikalien, die in den Körper aufgenommen werden, sind (a) chronisch eingenommene Medikamente und (b) die Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen am Arbeitsplatz über ein ganzes Berufsleben hinweg.

Es ist inzwischen allgemein bekannt, dass die Exposition gegenüber Chemikalien viele Aspekte der menschlichen Gesundheit beeinträchtigen und chronische Krankheiten und die Entwicklung vieler Krebsarten verursachen kann. In den letzten zehn Jahren begann man, die molekulare Grundlage vieler dieser Beziehungen zu enträtseln. Darüber hinaus hat sich die Erkenntnis herauskristallisiert, dass sich Menschen in ihrer Anfälligkeit für die schädlichen Wirkungen einer Exposition gegenüber Chemikalien deutlich unterscheiden.

Gegenwärtige Bemühungen, die Reaktion des Menschen auf eine Exposition gegenüber Chemikalien vorherzusagen, kombinieren zwei grundlegende Ansätze (Abbildung 1): die Überwachung des Ausmaßes der Exposition des Menschen durch biologische Marker (Biomarker) und die Vorhersage der wahrscheinlichen Reaktion einer Person auf ein bestimmtes Expositionsniveau. Obwohl diese beiden Ansätze äußerst wichtig sind, sollte betont werden, dass sich die beiden deutlich voneinander unterscheiden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Genetische Faktoren zugrunde liegende individuelle Anfälligkeit für eine bestimmte chemische Belastung. Dieses Forschungsfeld wird weit gefasst Ökogenetik, oder auch Pharmakogenetik (siehe Kalow 1962 und 1992). Viele der jüngsten Fortschritte bei der Bestimmung der individuellen Anfälligkeit für chemische Toxizität sind aus einer größeren Wertschätzung der Prozesse entstanden, durch die Menschen und andere Säugetiere Chemikalien entgiften, und der bemerkenswerten Komplexität der beteiligten Enzymsysteme.

Abbildung 1. Die Wechselbeziehungen zwischen Expositionsbeurteilung, ethnischen Unterschieden, Alter, Ernährung, Ernährung und genetischer Anfälligkeitsbeurteilung – die alle beim individuellen Toxizitäts- und Krebsrisiko eine Rolle spielen

Wir werden zunächst die Variabilität toxischer Reaktionen beim Menschen beschreiben. Wir werden dann einige der Enzyme vorstellen, die für eine solche Variation der Reaktion aufgrund von Unterschieden im Metabolismus fremder Chemikalien verantwortlich sind. Als nächstes werden die Geschichte und Nomenklatur der Cytochrom-P450-Superfamilie detailliert beschrieben. Fünf menschliche P450-Polymorphismen sowie mehrere Nicht-P450-Polymorphismen werden kurz beschrieben; diese sind für menschliche Unterschiede in der toxischen Reaktion verantwortlich. Wir werden dann ein Beispiel diskutieren, um den Punkt zu betonen, dass genetische Unterschiede bei Individuen die Expositionsbewertung beeinflussen können, wie durch Umweltüberwachung bestimmt. Abschließend diskutieren wir die Rolle dieser Xenobiotika-metabolisierenden Enzyme in kritischen Lebensfunktionen.

Variation der toxischen Reaktion in der menschlichen Bevölkerung

Toxikologen und Pharmakologen sprechen gemeinhin von der durchschnittlichen tödlichen Dosis für 50 % der Bevölkerung (LD₅₀), die durchschnittliche maximal tolerierte Dosis für 50 % der Bevölkerung (MTD₅₀) und die durchschnittliche wirksame Dosis eines bestimmten Medikaments für 50 % der Bevölkerung (ED₅₀). Wie wirken sich diese Dosen jedoch auf jeden von uns individuell aus? Mit anderen Worten, ein hochsensibles Individuum kann 500-mal stärker betroffen oder 500-mal wahrscheinlicher betroffen sein als das resistenteste Individuum in einer Population; für diese Leute, die LD₅₀ (und MTD₅₀ und ED₅₀) Werte hätten wenig Bedeutung. LD₅₀, MTD₅₀ und ED₅₀ Werte sind nur relevant, wenn sie sich auf die Gesamtbevölkerung beziehen.

Figure 2 veranschaulicht eine hypothetische Dosis-Wirkungs-Beziehung für eine toxische Reaktion von Individuen in einer gegebenen Population. Dieses generische Diagramm könnte bronchogenes Karzinom als Reaktion auf die Anzahl der gerauchten Zigaretten, Chlorakne als Funktion des Dioxinspiegels am Arbeitsplatz, Asthma als Funktion der Luftkonzentration von Ozon oder Aldehyd, Sonnenbrand als Reaktion auf ultraviolettes Licht, verringerte Gerinnungszeit usw. darstellen eine Funktion der Einnahme von Aspirin oder Magen-Darm-Beschwerden als Reaktion auf die Anzahl der Jalapeno Paprika verzehrt. Im Allgemeinen gilt in jedem dieser Fälle, je größer die Exposition, desto größer die toxische Reaktion. Der Großteil der Bevölkerung zeigt den Mittelwert und die Standardabweichung der toxischen Reaktion als Funktion der Dosis. Der „resistente Ausreißer“ (unten rechts in Abbildung 2) ist eine Person, die bei höheren Dosen oder Expositionen weniger stark anspricht. Ein „empfindlicher Ausreißer“ (oben links) ist eine Person, die auf eine relativ geringe Dosis oder Exposition übertrieben reagiert. Diese Ausreißer mit extrem unterschiedlichen Reaktionen im Vergleich zur Mehrheit der Individuen in der Bevölkerung können wichtige genetische Varianten darstellen, die Wissenschaftlern dabei helfen können, die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen einer toxischen Reaktion zu verstehen. 

Abbildung 2. Generische Beziehung zwischen jeder toxischen Reaktion und der Dosis eines umweltbedingten, chemischen oder physikalischen Mittels

Unter Verwendung dieser Ausreißer in Familienstudien haben Wissenschaftler in einer Reihe von Laboratorien begonnen, die Bedeutung der Mendelschen Vererbung für eine bestimmte toxische Reaktion zu erkennen. Anschließend kann man sich molekularbiologischen und genetischen Studien zuwenden, um den zugrunde liegenden Mechanismus auf Genebene zu lokalisieren (Genotyp) verantwortlich für die umweltbedingte Krankheit (Phänotyp).

Xenobiotika- oder Arzneimittel-metabolisierende Enzyme

Wie reagiert der Körper auf die unzähligen exogenen Chemikalien, denen wir ausgesetzt sind? Menschen und andere Säugetiere haben hochkomplexe metabolische Enzymsysteme entwickelt, die mehr als ein Dutzend verschiedene Superfamilien von Enzymen umfassen. Nahezu jede Chemikalie, der Menschen ausgesetzt sind, wird durch diese Enzyme modifiziert, um die Entfernung der Fremdsubstanz aus dem Körper zu erleichtern. Gemeinsam werden diese Enzyme häufig als bezeichnet Arzneimittel metabolisierende Enzyme or Xenobiotika metabolisierende Enzyme. Eigentlich sind beide Begriffe irreführend. Erstens verstoffwechseln viele dieser Enzyme nicht nur Medikamente, sondern Hunderttausende von Umwelt- und Nahrungschemikalien. Zweitens haben alle diese Enzyme auch normale Körperverbindungen als Substrate; Keines dieser Enzyme verstoffwechselt nur fremde Chemikalien.

Seit mehr als vier Jahrzehnten werden die durch diese Enzyme vermittelten Stoffwechselprozesse üblicherweise entweder als Phase-I- oder als Phase-II-Reaktionen klassifiziert (Abbildung 3). Reaktionen der Phase I („Funktionalisierung“) umfassen im Allgemeinen relativ geringfügige strukturelle Modifikationen der Ausgangschemikalie durch Oxidation, Reduktion oder Hydrolyse, um einen besser wasserlöslichen Metaboliten herzustellen. Häufig bieten Phase-I-Reaktionen einen „Handgriff“ für die weitere Modifikation einer Verbindung durch nachfolgende Phase-II-Reaktionen. Phase-I-Reaktionen werden in erster Linie durch eine Superfamilie äußerst vielseitiger Enzyme vermittelt, die zusammen als Cytochrome P450 bezeichnet werden, obwohl auch andere Enzym-Superfamilien beteiligt sein können (Abbildung 4).

Abbildung 3. Die klassische Bezeichnung von Phase-I- und Phase-II-Fremdstoff- oder Arzneimittel-metabolisierenden Enzymen

Abbildung 4. Beispiele für Arzneimittel metabolisierende Enzyme

Phase-II-Reaktionen umfassen die Kopplung eines wasserlöslichen endogenen Moleküls an eine Chemikalie (Ausgangschemikalie oder Phase-I-Metabolit), um die Ausscheidung zu erleichtern. Phase-II-Reaktionen werden häufig als "Konjugations"- oder "Derivatisierungs"-Reaktionen bezeichnet. Die Enzym-Superfamilien, die Phase-II-Reaktionen katalysieren, werden im Allgemeinen nach der beteiligten endogenen konjugierenden Einheit benannt: zum Beispiel Acetylierung durch die N-Acetyltransferasen, Sulfatierung durch die Sulfotransferasen, Glutathion-Konjugation durch die Glutathion-Transferasen und Glucuronidierung durch die UDP-Glucuronosyltransferasen (Abbildung 4). . Obwohl das Hauptorgan des Arzneimittelstoffwechsels die Leber ist, sind die Konzentrationen einiger Arzneimittel metabolisierender Enzyme im Gastrointestinaltrakt, den Keimdrüsen, der Lunge, dem Gehirn und den Nieren ziemlich hoch, und solche Enzyme sind zweifellos bis zu einem gewissen Grad in jeder lebenden Zelle vorhanden.

Xenobiotika-metabolisierende Enzyme sind zweischneidig Swords

Je mehr wir über die biologischen und chemischen Prozesse erfahren, die zu Fehlentwicklungen der menschlichen Gesundheit führen, desto offensichtlicher wird, dass Arzneimittel metabolisierende Enzyme auf ambivalente Weise funktionieren (Abbildung 3). In den meisten Fällen werden fettlösliche Chemikalien in leichter ausgeschiedene wasserlösliche Metaboliten umgewandelt. Es ist jedoch klar, dass dieselben Enzyme in vielen Fällen in der Lage sind, andere inerte Chemikalien in hochreaktive Moleküle umzuwandeln. Diese Zwischenprodukte können dann mit zellulären Makromolekülen wie Proteinen und DNA interagieren. Somit besteht für jede Chemikalie, der Menschen ausgesetzt sind, das Potenzial für konkurrierende Stoffwechselwege metabolische Aktivierung und Entgiftung.

Kurze Überprüfung der Genetik

In der Humangenetik ist jedes Gen (loci) befindet sich auf einem der 23 Chromosomenpaare. Die Zwei Allele (einer auf jedem Chromosom des Paares vorhanden) können gleich oder voneinander verschieden sein. Zum Beispiel die B und b Allele, in denen B (braune Augen) dominiert b (blaue Augen): Individuen des braunäugigen Phänotyps können entweder die haben BB or Bb Genotypen, wohingegen Individuen des blauäugigen Phänotyps nur die haben können bb Genotyp.

A Polymorphismus ist definiert als zwei oder mehr stabil vererbte Phänotypen (Merkmale) – die von denselben Genen abstammen – die in der Population aufrechterhalten werden, oft aus Gründen, die nicht unbedingt offensichtlich sind. Damit ein Gen polymorph ist, darf das Genprodukt für die Entwicklung, die Fortpflanzungskraft oder andere kritische Lebensprozesse nicht wesentlich sein. Tatsächlich ist ein „ausgewogener Polymorphismus“, bei dem die Heterozygote einen deutlichen Überlebensvorteil gegenüber beiden Homozygoten hat (z. B. Resistenz gegen Malaria und das Sichelzellen-Hämoglobin-Allel), eine häufige Erklärung dafür, dass ein Allel in der Population auf einem ansonsten unerklärlichen hohen Wert gehalten wird Frequenzen (vgl González und Nebert 1990).

Menschliche Polymorphismen von Xenobiotika-metabolisierenden Enzymen

Genetische Unterschiede im Metabolismus verschiedener Medikamente und Umweltchemikalien sind seit mehr als vier Jahrzehnten bekannt (Kalow 1962 und 1992). Diese Unterschiede werden häufig als bezeichnet pharmakogenetisch oder allgemeiner ökogenetische Polymorphismen. Diese Polymorphismen stellen abweichende Allele dar, die mit einer relativ hohen Häufigkeit in der Bevölkerung vorkommen und im Allgemeinen mit Aberrationen in der Enzymexpression oder -funktion assoziiert sind. In der Vergangenheit wurden Polymorphismen normalerweise nach unerwarteten Reaktionen auf Therapeutika identifiziert. In jüngerer Zeit hat die rekombinante DNA-Technologie es Wissenschaftlern ermöglicht, die genauen Veränderungen in Genen zu identifizieren, die für einige dieser Polymorphismen verantwortlich sind. Polymorphismen wurden nun in vielen Arzneimittel metabolisierenden Enzymen charakterisiert – einschließlich sowohl Phase-I- als auch Phase-II-Enzymen. Da immer mehr Polymorphismen identifiziert werden, wird es immer deutlicher, dass jedes Individuum ein bestimmtes Komplement von Arzneimittel-metabolisierenden Enzymen besitzen kann. Diese Vielfalt könnte man als „metabolischen Fingerabdruck“ bezeichnen. Es ist das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Superfamilien der arzneimittelmetabolisierenden Enzyme in jedem Individuum, das letztendlich seine oder ihre besondere Reaktion auf eine bestimmte Chemikalie bestimmt (Kalow 1962 und 1992; Nebert 1988; Gonzalez und Nebert 1990; Nebert und Weber 1990).

Expression menschlicher Xenobiotika-metabolisierender Enzyme in der Zelle Kultur

Wie könnten wir bessere Prädiktoren für menschliche toxische Reaktionen auf Chemikalien entwickeln? Fortschritte bei der Definition der Vielzahl von Enzymen, die Arzneimittel metabolisieren, müssen von genauen Kenntnissen darüber begleitet werden, welche Enzyme das Stoffwechselschicksal einzelner Chemikalien bestimmen. Daten aus Laborstudien an Nagetieren haben sicherlich nützliche Informationen geliefert. Signifikante Unterschiede zwischen den Spezies bei Enzymen, die Fremdstoffe metabolisieren, erfordern jedoch Vorsicht bei der Extrapolation von Daten auf menschliche Populationen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, haben viele Laboratorien Systeme entwickelt, in denen verschiedene Zelllinien in Kultur manipuliert werden können, um funktionelle menschliche Enzyme zu produzieren, die stabil und in hohen Konzentrationen sind (Gonzalez, Crespi und Gelboin 1991). Die erfolgreiche Produktion menschlicher Enzyme wurde in einer Vielzahl unterschiedlicher Zelllinien aus Quellen wie Bakterien, Hefen, Insekten und Säugetieren erreicht.

Um den Stoffwechsel von Chemikalien noch genauer zu definieren, mehrere Enzyme wurden auch erfolgreich in einer einzelnen Zelllinie produziert (Gonzalez, Crespi und Gelboin 1991). Solche Zelllinien liefern wertvolle Einblicke in die genauen Enzyme, die an der metabolischen Verarbeitung einer bestimmten Verbindung und wahrscheinlich toxischer Metaboliten beteiligt sind. Wenn diese Informationen dann mit dem Wissen über das Vorhandensein und die Menge eines Enzyms in menschlichen Geweben kombiniert werden können, sollten diese Daten wertvolle Prädiktoren für das Ansprechen liefern.

Cytochrom P450

Geschichte und Nomenklatur

Die Cytochrom-P450-Superfamilie ist eine der am besten untersuchten Superfamilien von Arzneimittel metabolisierenden Enzymen, die eine große individuelle Variabilität in der Reaktion auf Chemikalien aufweist. Cytochrom P450 ist ein praktischer Oberbegriff, der verwendet wird, um eine große Superfamilie von Enzymen zu beschreiben, die für den Metabolismus unzähliger endogener und exogener Substrate von entscheidender Bedeutung sind. Der Begriff Cytochrom P450 wurde erstmals 1962 geprägt, um ein Unbekanntes zu beschreiben Pigment in Zellen, die, wenn sie reduziert und mit Kohlenmonoxid gebunden wurden, einen charakteristischen Absorptionspeak bei 450 nm erzeugten. Seit den frühen 1980er Jahren hat die cDNA-Klonierungstechnologie zu bemerkenswerten Einblicken in die Vielzahl von Cytochrom-P450-Enzymen geführt. Bis heute wurden mehr als 400 unterschiedliche Cytochrom-P450-Gene in Tieren, Pflanzen, Bakterien und Hefen identifiziert. Es wurde geschätzt, dass jede Säugetierart, wie der Mensch, 60 oder mehr unterschiedliche P450-Gene besitzen kann (Nebert und Nelson 1991). Die Vielzahl der P450-Gene hat die Entwicklung eines standardisierten Nomenklatursystems erforderlich gemacht (Nebert et al. 1987; Nelson et al. 1993). Das erstmals 1987 vorgeschlagene und alle zwei Jahre aktualisierte Nomenklatursystem basiert auf der divergenten Entwicklung von Aminosäuresequenzvergleichen zwischen P450-Proteinen. Die P450-Gene werden in Familien und Unterfamilien unterteilt: Enzyme innerhalb einer Familie zeigen mehr als 40 % Aminosäureähnlichkeit, und diejenigen innerhalb derselben Unterfamilie zeigen 55 % Ähnlichkeit. P450-Gene werden mit dem Wurzelsymbol benannt CYP gefolgt von einer arabischen Zahl, die die P450-Familie bezeichnet, einem Buchstaben, der die Unterfamilie bezeichnet, und einer weiteren arabischen Zahl, die das individuelle Gen bezeichnet (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Daher, CYP1A1 repräsentiert das P450-Gen 1 in Familie 1 und Unterfamilie A.

Ab Februar 1995 gibt es 403 CYP Gene in der Datenbank, bestehend aus 59 Familien und 105 Unterfamilien. Dazu gehören acht niedere eukaryotische Familien, 15 Pflanzenfamilien und 19 Bakterienfamilien. Die 15 menschlichen P450-Genfamilien umfassen 26 Unterfamilien, von denen 22 auf chromosomale Stellen im größten Teil des Genoms kartiert wurden. Einige Sequenzen sind über viele Arten eindeutig ortholog – zum Beispiel nur eine CYP17 (Steroid 17α-Hydroxylase)-Gen wurde in allen bisher untersuchten Wirbeltieren gefunden; andere Sequenzen innerhalb einer Unterfamilie sind stark dupliziert, was die Identifizierung orthologer Paare unmöglich macht (z. B. die CYP2C Unterfamilie). Interessanterweise teilen Mensch und Hefe ein orthologes Gen in der CYP51 Familie. Für Leser, die weitere Informationen über die P450-Superfamilie suchen, stehen zahlreiche umfassende Übersichtsartikel zur Verfügung (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991; Nebert und McKinnon 1994; Guengerich 1993; Gonzalez 1992).

Der Erfolg des P450-Nomenklatursystems hat zur Entwicklung ähnlicher Terminologiesysteme für die UDP-Glucuronosyltransferasen (Burchell et al. 1991) und Flavin-enthaltende Monooxygenasen (Lawton et al. 1994) geführt. Ähnliche Nomenklatursysteme, die auf divergenter Evolution basieren, werden auch für mehrere andere Superfamilien von Arzneimittel metabolisierenden Enzymen entwickelt (z. B. Sulfotransferasen, Epoxidhydrolasen und Aldehyddehydrogenasen).

Kürzlich teilten wir die Säuger-P450-Gen-Superfamilie in drei Gruppen ein (Nebert und McKinnon 1994) – diejenigen, die hauptsächlich am Stoffwechsel von Fremdchemikalien beteiligt sind, diejenigen, die an der Synthese verschiedener Steroidhormone beteiligt sind, und diejenigen, die an anderen wichtigen endogenen Funktionen beteiligt sind. Es sind die fremdstoffmetabolisierenden P450-Enzyme, denen die größte Bedeutung für die Vorhersage der Toxizität zukommt.

Xenobiotika metabolisierende P450-Enzyme

P450-Enzyme, die am Metabolismus fremder Verbindungen und Arzneimittel beteiligt sind, kommen fast immer innerhalb von Familien vor CYP1, CYP2, CYP3 und CYP4. Diese P450-Enzyme katalysieren eine Vielzahl von Stoffwechselreaktionen, wobei ein einziges P450 oft in der Lage ist, viele verschiedene Verbindungen zu metabolisieren. Darüber hinaus können mehrere P450-Enzyme eine einzelne Verbindung an verschiedenen Stellen metabolisieren. Eine Verbindung kann auch an derselben einzelnen Stelle von mehreren P450 metabolisiert werden, wenn auch mit unterschiedlichen Raten.

Eine äußerst wichtige Eigenschaft der Arzneimittel metabolisierenden P450-Enzyme besteht darin, dass viele dieser Gene durch genau die Substanzen induzierbar sind, die als ihre Substrate dienen. Andererseits werden andere P450-Gene durch Nichtsubstrate induziert. Dieses Phänomen der Enzyminduktion liegt vielen Arzneimittelwechselwirkungen von therapeutischer Bedeutung zugrunde.

Obwohl diese speziellen P450-Enzyme in vielen Geweben vorhanden sind, werden sie in relativ hohen Konzentrationen in der Leber, dem primären Ort des Arzneimittelstoffwechsels, gefunden. Einige der Xenobiotika metabolisierenden P450-Enzyme zeigen Aktivität gegenüber bestimmten endogenen Substraten (z. B. Arachidonsäure). Es wird jedoch allgemein angenommen, dass die meisten dieser Xenobiotika metabolisierenden P450-Enzyme keine wichtige physiologische Rolle spielen – obwohl dies noch nicht experimentell nachgewiesen wurde. Die selektive homozygote Disruption oder „Knock-out“ einzelner Xenobiotika-metabolisierender P450-Gene mittels Gen-Targeting-Methoden in Mäusen wird wahrscheinlich bald eindeutige Informationen in Bezug auf die physiologische Rolle der Xenobiotika-metabolisierenden P450s liefern (für eine Übersicht von Gen-Targeting, siehe Capecchi 1994).

Im Gegensatz zu P450-Familien, die für Enzyme codieren, die hauptsächlich an physiologischen Prozessen beteiligt sind, zeigen Familien, die Fremdstoffe metabolisierende P450-Enzyme codieren, eine ausgeprägte Artspezifität und enthalten häufig viele aktive Gene pro Unterfamilie (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Angesichts des offensichtlichen Mangels an physiologischen Substraten ist es möglich, dass P450-Enzyme in Familien vorkommen CYP1, CYP2, CYP3 und CYP4 die in den letzten mehreren hundert Millionen Jahren erschienen sind, haben sich als Mittel zur Entgiftung von Fremdchemikalien entwickelt, die in der Umwelt und in der Ernährung angetroffen werden. Die Evolution der Xenobiotika metabolisierenden P450 hätte eindeutig über einen Zeitraum stattgefunden, der weit vor der Synthese der meisten synthetischen Chemikalien liegt, denen Menschen heute ausgesetzt sind. Die Gene in diesen vier Genfamilien könnten sich in Tieren aufgrund ihrer Exposition gegenüber pflanzlichen Metaboliten während der letzten 1.2 Milliarden Jahre entwickelt und auseinander entwickelt haben – ein Prozess, der beschreibend als „Tier-Pflanze-Kriegsführung“ bezeichnet wird (Gonzalez und Nebert 1990). Tier-Pflanze-Krieg ist das Phänomen, bei dem Pflanzen neue Chemikalien (Phytoalexine) als Abwehrmechanismus entwickelten, um die Aufnahme durch Tiere zu verhindern, und die Tiere wiederum mit der Entwicklung neuer P450-Gene reagierten, um sich an die sich diversifizierenden Substrate anzupassen. Weitere Impulse für diesen Vorschlag liefern die kürzlich beschriebenen Beispiele von Pflanzen-Insekten- und Pflanzen-Pilz-Chemical Warfare, die P450-Entgiftung von toxischen Substraten beinhalten (Nebert 1994).

Das Folgende ist eine kurze Einführung in mehrere der Human-Xenobiotika-metabolisierenden P450-Enzym-Polymorphismen, bei denen angenommen wird, dass genetische Determinanten der toxischen Reaktion von hoher Bedeutung sind. Bis vor kurzem wurden P450-Polymorphismen im Allgemeinen durch unerwartete Schwankungen in der Patientenreaktion auf verabreichte therapeutische Mittel nahegelegt. Mehrere P450-Polymorphismen werden tatsächlich nach dem Medikament benannt, mit dem der Polymorphismus zuerst identifiziert wurde. In jüngerer Zeit konzentrierten sich Forschungsbemühungen auf die Identifizierung der genauen P450-Enzyme, die am Stoffwechsel von Chemikalien beteiligt sind, für die eine Varianz beobachtet wird, und auf die genaue Charakterisierung der beteiligten P450-Gene. Wie zuvor beschrieben, kann die messbare Aktivität eines P450-Enzyms gegenüber einer Modellchemikalie als Phänotyp bezeichnet werden. Allele Unterschiede in einem P450-Gen für jedes Individuum werden als P450-Genotyp bezeichnet. Da die Analyse von P450-Genen immer genauer untersucht wird, wird die genaue molekulare Grundlage der zuvor dokumentierten phänotypischen Varianz immer klarer.

Die CYP1A-Unterfamilie

Die CYP1A Unterfamilie umfasst zwei Enzyme in Menschen und allen anderen Säugetieren: diese werden unter der Standard-P1-Nomenklatur als CYP1A1 und CYP2A450 bezeichnet. Diese Enzyme sind von erheblichem Interesse, da sie an der metabolischen Aktivierung vieler Prokarzinogene beteiligt sind und auch durch mehrere toxikologisch bedenkliche Verbindungen, einschließlich Dioxin, induziert werden. Zum Beispiel aktiviert CYP1A1 metabolisch viele Verbindungen, die im Zigarettenrauch gefunden werden. CYP1A2 aktiviert metabolisch viele Arylamine, die mit Harnblasenkrebs in Verbindung gebracht werden und in der chemischen Farbstoffindustrie vorkommen. CYP1A2 aktiviert auch metabolisch 4-(Methylnitrosamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanon (NNK), ein aus Tabak gewonnenes Nitrosamin. CYP1A1 und CYP1A2 werden aufgrund der Induktion durch im Rauch vorhandene polyzyklische Kohlenwasserstoffe auch in höheren Konzentrationen in den Lungen von Zigarettenrauchern gefunden. Die Niveaus der CYP1A1- und CYP1A2-Aktivität gelten daher als wichtige Determinanten der individuellen Reaktion auf viele potenziell toxische Chemikalien.

Toxikologisches Interesse an der CYP1A Unterfamilie wurde durch einen Bericht aus dem Jahr 1973 stark intensiviert, der den Grad der CYP1A1-Induzierbarkeit bei Zigarettenrauchern mit der individuellen Anfälligkeit für Lungenkrebs korrelierte (Kellermann, Shaw und Luyten-Kellermann 1973). Die molekularen Grundlagen der CYP1A1- und CYP1A2-Induktion standen im Mittelpunkt zahlreicher Labors. Der Induktionsprozess wird durch ein als Ah-Rezeptor bezeichnetes Protein vermittelt, an das Dioxine und strukturell verwandte Chemikalien binden. Der Name Ah ist abgeleitet von der aryl hKohlenwasserstoffnatur vieler CYP1A-Induktoren. Interessanterweise führen Unterschiede in dem Gen, das den Ah-Rezeptor codiert, zwischen Mäusestämmen zu deutlichen Unterschieden in der chemischen Reaktion und Toxizität. Ein Polymorphismus im Ah-Rezeptorgen scheint auch beim Menschen vorzukommen: Etwa ein Zehntel der Bevölkerung zeigt eine hohe Induktion von CYP1A1 und ist möglicherweise einem größeren Risiko als die anderen neun Zehntel der Bevölkerung für die Entwicklung bestimmter chemisch induzierter Krebsarten ausgesetzt. Die Rolle des Ah-Rezeptors bei der Kontrolle von Enzymen in der CYP1A Subfamilie und ihre Rolle als Determinante der menschlichen Reaktion auf Chemikalienexposition waren Gegenstand mehrerer neuerer Übersichten (Nebert, Petersen und Puga 1991; Nebert, Puga und Vasiliou 1993).

Gibt es andere Polymorphismen, die den Gehalt an CYP1A-Proteinen in einer Zelle kontrollieren könnten? Ein Polymorphismus in der CYP1A1 Gen wurde ebenfalls identifiziert, und dies scheint das Lungenkrebsrisiko bei japanischen Zigarettenrauchern zu beeinflussen, obwohl derselbe Polymorphismus das Risiko bei anderen ethnischen Gruppen nicht zu beeinflussen scheint (Nebert und McKinnon 1994).

CYP2C19

Schwankungen in der Rate, mit der Individuen das Antikonvulsivum (S)-Mephenytoin metabolisieren, sind seit vielen Jahren gut dokumentiert (Guengerich 1989). Zwischen 2 % und 5 % der Kaukasier und bis zu 25 % der Asiaten weisen einen Mangel an dieser Aktivität auf und sind möglicherweise einem höheren Toxizitätsrisiko durch das Medikament ausgesetzt. Es ist seit langem bekannt, dass dieser Enzymdefekt ein Mitglied des Menschen betrifft CYP2C Unterfamilie, aber die genaue molekulare Grundlage dieses Mangels war Gegenstand beträchtlicher Kontroversen. Der Hauptgrund für diese Schwierigkeit waren die sechs oder mehr Gene im Menschen CYP2C Unterfamilie. Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass eine Einzelbasen-Mutation in der CYP2C19 -Gen ist die Hauptursache für diesen Mangel (Goldstein und de Morais 1994). Ein einfacher DNA-Test, basierend auf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), wurde ebenfalls entwickelt, um diese Mutation schnell in menschlichen Populationen zu identifizieren (Goldstein und de Morais 1994).

CYP2D6

Die vielleicht am ausführlichsten charakterisierte Variation in einem P450-Gen ist diejenige, an der die beteiligt ist CYP2D6 Gen. Mehr als ein Dutzend Beispiele für Mutationen, Umlagerungen und Deletionen, die dieses Gen betreffen, wurden beschrieben (Meyer 1994). Dieser Polymorphismus wurde erstmals vor 20 Jahren durch die klinische Variabilität der Reaktion der Patienten auf das Antihypertensivum Debrisoquin nahegelegt. Änderungen in der CYP2D6 Gene, die zu einer veränderten Enzymaktivität führen, werden daher zusammenfassend als die bezeichnet Debrisoquiner Polymorphismus.

Vor dem Aufkommen von DNA-basierten Studien wurden Personen basierend auf Metabolitenkonzentrationen in Urinproben als langsame oder extensive Metabolisierer (PMs, EMs) von Debrisoquin klassifiziert. Es ist jetzt klar, dass Änderungen in der CYP2D6 -Gen kann dazu führen, dass Individuen nicht nur einen schlechten oder ausgedehnten Debrisoquin-Metabolismus, sondern auch einen ultraschnellen Metabolismus aufweisen. Die meisten Änderungen in der CYP2D6 Gen sind mit einem teilweisen oder vollständigen Mangel an Enzymfunktion verbunden; Kürzlich wurden jedoch Personen in zwei Familien beschrieben, die mehrere funktionelle Kopien des besitzen CYP2D6 Gen, was zu einem ultraschnellen Metabolismus von CYP2D6-Substraten führt (Meyer 1994). Diese bemerkenswerte Beobachtung liefert neue Einblicke in das breite Spektrum der CYP2D6-Aktivität, die zuvor in Bevölkerungsstudien beobachtet wurde. Veränderungen der CYP2D6-Funktion sind angesichts der mehr als 30 häufig verschriebenen Medikamente, die von diesem Enzym metabolisiert werden, von besonderer Bedeutung. Die CYP2D6-Funktion eines Individuums ist daher eine Hauptdeterminante sowohl der therapeutischen als auch der toxischen Reaktion auf die verabreichte Therapie. In der Tat wurde kürzlich argumentiert, dass die Berücksichtigung des CYP2D6-Status eines Patienten für die sichere Anwendung von psychiatrischen und kardiovaskulären Arzneimitteln notwendig ist.

Die Rolle des CYP2D6 Polymorphismus als Determinante der individuellen Anfälligkeit für menschliche Krankheiten wie Lungenkrebs und Parkinson-Krankheit war ebenfalls Gegenstand intensiver Studien (Nebert und McKinnon 1994; Meyer 1994). Während Schlussfolgerungen angesichts der unterschiedlichen Art der verwendeten Studienprotokolle schwer zu definieren sind, scheinen die meisten Studien auf einen Zusammenhang zwischen schnellen Metabolisierern von Debrisoquin (EM-Phänotyp) und Lungenkrebs hinzuweisen. Die Gründe für eine solche Assoziation sind derzeit unklar. Es wurde jedoch gezeigt, dass das CYP2D6-Enzym NNK, ein aus Tabak gewonnenes Nitrosamin, metabolisiert.

Mit der Verbesserung DNA-basierter Assays, die eine noch genauere Beurteilung des CYP2D6-Status ermöglichen, wird erwartet, dass die genaue Beziehung von CYP2D6 zum Krankheitsrisiko geklärt wird. Während der schnelle Metabolisierer mit einer Anfälligkeit für Lungenkrebs in Verbindung gebracht werden kann, scheint der langsame Metabolisierer (PM-Phänotyp) mit der Parkinson-Krankheit unbekannter Ursache assoziiert zu sein. Während diese Studien auch schwer zu vergleichen sind, scheint es, dass PM-Personen mit einer verminderten Fähigkeit, CYP2D6-Substrate (z. B. Debrisoquin) zu metabolisieren, ein 2- bis 2.5-fach erhöhtes Risiko haben, an der Parkinson-Krankheit zu erkranken.

CYP2E1

Die CYP2E1 Das Gen kodiert für ein Enzym, das viele Chemikalien verstoffwechselt, darunter Medikamente und viele niedermolekulare Karzinogene. Dieses Enzym ist auch deshalb von Interesse, weil es durch Alkohol stark induzierbar ist und eine Rolle bei Leberschäden spielen kann, die durch Chemikalien wie Chloroform, Vinylchlorid und Tetrachlorkohlenstoff verursacht werden. Das Enzym wird hauptsächlich in der Leber gefunden, und der Enzymspiegel variiert deutlich zwischen Individuen. Genaue Prüfung der CYP2E1 -Gen hat zur Identifizierung mehrerer Polymorphismen geführt (Nebert und McKinnon 1994). Es wurde eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein bestimmter struktureller Variationen in der CYP2E1 Gen und offensichtlich verringertes Lungenkrebsrisiko in einigen Studien; Es gibt jedoch deutliche interethnische Unterschiede, die einer Klärung dieser möglichen Beziehung bedürfen.

Die CYP3A-Unterfamilie

Beim Menschen wurden vier Enzyme als Mitglieder der identifiziert CYP3A Unterfamilie aufgrund ihrer Ähnlichkeit in der Aminosäuresequenz. Die CYP3A-Enzyme metabolisieren viele häufig verschriebene Medikamente wie Erythromycin und Cyclosporin. Der krebserregende Lebensmittelkontaminant Aflatoxin B₁ ist ebenfalls ein CYP3A-Substrat. Ein Mitglied des Menschen CYP3A Unterfamilie, bezeichnet CYP3A4, ist das wichtigste P450 in der menschlichen Leber und kommt auch im Gastrointestinaltrakt vor. Wie bei vielen anderen P450-Enzymen ist der CYP3A4-Spiegel von Person zu Person sehr unterschiedlich. Ein zweites Enzym mit der Bezeichnung CYP3A5 findet sich nur in etwa 25 % der Lebern; die genetische Grundlage dieses Befundes wurde nicht aufgeklärt. Die Bedeutung der CYP3A4- oder CYP3A5-Variabilität als Faktor für genetische Determinanten der toxischen Reaktion wurde noch nicht nachgewiesen (Nebert und McKinnon 1994).

Nicht-P450-Polymorphismen

Zahlreiche Polymorphismen existieren auch innerhalb anderer Xenobiotika-metabolisierender Enzym-Superfamilien (z. B. Glutathiontransferasen, UDP-Glucuronosyltransferasen, para-Oxonasen, Dehydrogenasen, N-Acetyltransferasen und Flavin-enthaltende Monooxygenasen). Da die endgültige Toxizität jedes durch P450 erzeugten Zwischenprodukts von der Effizienz nachfolgender Phase-II-Entgiftungsreaktionen abhängt, ist die kombinierte Rolle mehrerer Enzympolymorphismen wichtig bei der Bestimmung der Anfälligkeit für chemisch induzierte Krankheiten. Das metabolische Gleichgewicht zwischen Phase-I- und Phase-II-Reaktionen (Abbildung 3) ist daher wahrscheinlich ein Hauptfaktor bei chemisch induzierten menschlichen Krankheiten und genetischen Determinanten der toxischen Reaktion.

Der GSTM1-Genpolymorphismus

Ein gut untersuchtes Beispiel eines Polymorphismus in einem Phase-II-Enzym ist dasjenige, an dem ein Mitglied der Glutathion-S-Transferase-Enzymsuperfamilie mit der Bezeichnung GST mu oder GSTM1 beteiligt ist. Dieses spezielle Enzym ist von erheblichem toxikologischem Interesse, da es anscheinend an der anschließenden Entgiftung toxischer Metaboliten beteiligt ist, die aus Chemikalien im Zigarettenrauch durch das CYP1A1-Enzym produziert werden. Der identifizierte Polymorphismus in diesem Glutathion-Transferase-Gen beinhaltet ein völliges Fehlen eines funktionellen Enzyms bei nicht weniger als der Hälfte aller untersuchten Kaukasier. Dieses Fehlen eines Phase-II-Enzyms scheint mit einer erhöhten Anfälligkeit für Lungenkrebs verbunden zu sein. Durch die Gruppierung von Personen nach beiden Varianten CYP1A1 Gene und die Deletion oder Anwesenheit eines funktionellen GSM1 Gens wurde gezeigt, dass das Risiko, an rauchinduziertem Lungenkrebs zu erkranken, signifikant variiert (Kawajiri, Watanabe und Hayashi 1994). Insbesondere Personen, die eine Seltenheit zeigen CYP1A1 Genveränderung, in Kombination mit einem Fehlen der GSM1 Gen, hatten ein höheres Risiko (bis zu neunfach) an Lungenkrebs zu erkranken, wenn sie einer relativ geringen Menge an Zigarettenrauch ausgesetzt waren. Interessanterweise scheint es interethnische Unterschiede in der Bedeutung von Genvarianten zu geben, die weitere Untersuchungen erfordern, um die genaue Rolle solcher Veränderungen bei der Krankheitsanfälligkeit aufzuklären (Kalow 1962; Nebert und McKinnon 1994; Kawajiri, Watanabe und Hayashi 1994).

Synergistischer Effekt von zwei oder mehr Polymorphismen auf die Toxizität Antwort

Eine toxische Reaktion auf ein Umweltmittel kann durch die Kombination zweier pharmakogenetischer Defekte bei demselben Individuum stark übertrieben werden, beispielsweise die kombinierten Wirkungen des N-Acetyltransferase (NAT2)-Polymorphismus und des Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD)-Polymorphismus .

Die berufliche Exposition gegenüber Arylaminen stellt ein ernstes Risiko für Harnblasenkrebs dar. Seit den eleganten Studien von Cartwright im Jahr 1954 ist klar geworden, dass der N-Acetylator-Status eine Determinante von Azofarbstoff-induziertem Blasenkrebs ist. Es besteht eine hochsignifikante Korrelation zwischen dem Slow-Acetylator-Phänotyp und dem Auftreten von Blasenkrebs sowie dem Grad der Invasivität dieses Krebses in der Blasenwand. Im Gegenteil, es besteht eine signifikante Assoziation zwischen dem Phänotyp des schnellen Acetylierers und dem Auftreten von kolorektalen Karzinomen. Die N-Acetyltransferase (NAT1, NAT2)-Gene wurden geklont und sequenziert, und DNA-basierte Assays sind nun in der Lage, mehr als ein Dutzend allelische Varianten nachzuweisen, die für den Phänotyp des langsamen Acetylierers verantwortlich sind. Das NAT2 Das Gen ist polymorph und für den größten Teil der Variabilität der toxischen Reaktion auf Umweltchemikalien verantwortlich (Weber 1987; Grant 1993).

Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD) ist ein Enzym, das für die Bildung und Aufrechterhaltung von NADPH entscheidend ist. Niedrige oder fehlende G6PD-Aktivität kann aufgrund des Fehlens normaler Spiegel von reduziertem Glutathion (GSH) in den roten Blutkörperchen zu schwerer arzneimittel- oder xenobiotikainduzierter Hämolyse führen. G6PD-Mangel betrifft weltweit mindestens 300 Millionen Menschen. Mehr als 10 % der afroamerikanischen Männer weisen den weniger schweren Phänotyp auf, während bestimmte sardische Gemeinschaften den schwereren „mediterranen Typ“ mit einer Häufigkeit von bis zu einer von drei Personen aufweisen. Das G6PD Das Gen wurde geklont und auf dem X-Chromosom lokalisiert, und zahlreiche verschiedene Punktmutationen sind für den großen Grad an phänotypischer Heterogenität verantwortlich, die bei G6PD-defizienten Individuen beobachtet wird (Beutler 1992).

Es wurde festgestellt, dass Thiozalsulfon, ein Arylamin-Sulfat-Medikament, eine bimodale Verteilung der hämolytischen Anämie in der behandelten Population verursacht. Bei der Behandlung mit bestimmten Arzneimitteln sind Personen mit der Kombination aus G6PD-Mangel und dem langsamen Acetylierer-Phänotyp stärker betroffen als Personen mit dem G6PD-Mangel allein oder dem langsamen Acetylierer-Phänotyp allein. G6PD-defiziente langsame Acetylierer sind mindestens 40-mal anfälliger für Thiozalsulfon-induzierte Hämolyse als normale G6PD-schnelle Acetylierer.

Wirkung genetischer Polymorphismen auf die Expositionsabschätzung

Die Expositionsabschätzung und das Biomonitoring (Abbildung 1) erfordern auch Informationen über die genetische Ausstattung jedes Individuums. Bei identischer Exposition gegenüber einer gefährlichen Chemikalie kann der Gehalt an Hämoglobin-Addukten (oder anderen Biomarkern) zwischen Personen um zwei oder drei Größenordnungen variieren, abhängig vom metabolischen Fingerabdruck jeder Person.

Dieselbe kombinierte Pharmakogenetik wurde bei Arbeitern in Chemiefabriken in Deutschland untersucht (Tabelle 1). Hämoglobin-Addukte bei Arbeitern, die Anilin und Acetanilid ausgesetzt waren, sind bei langsamen Acetylierern mit G6PD-Mangel im Vergleich zu den anderen möglichen kombinierten pharmakogenetischen Phänotypen bei weitem am höchsten. Diese Studie hat wichtige Implikationen für die Expositionsbewertung. Diese Daten zeigen, dass, obwohl zwei Personen am Arbeitsplatz möglicherweise der gleichen Umgebungskonzentration gefährlicher Chemikalien ausgesetzt sind, die Höhe der Exposition (über Biomarker wie Hämoglobinaddukte) auf zwei oder mehr Größenordnungen geringer geschätzt werden kann auf die zugrunde liegende genetische Veranlagung des Individuums. Ebenso kann das resultierende Risiko einer gesundheitlichen Beeinträchtigung um zwei oder mehr Größenordnungen variieren.

Tabelle 1: Hämoglobinaddukte bei Arbeitern, die gegenüber Anilin und Acetanilid exponiert waren

Quelle: Adaptiert von Lewalter und Korallus 1985.

Genetische Unterschiede in der Bindung sowie im Stoffwechsel

Es sollte betont werden, dass die gleichen Argumente, die hier für den Metabolismus gemacht wurden, auch für die Bindung gemacht werden können. Vererbbare Unterschiede in der Bindung von Umweltmitteln werden die toxische Reaktion stark beeinflussen. Zum Beispiel Unterschiede in der Maus cdm -Gen kann die individuelle Empfindlichkeit gegenüber Cadmium-induzierter Hodennekrose tiefgreifend beeinflussen (Taylor, Heiniger und Meier 1973). Unterschiede in der Bindungsaffinität des Ah-Rezeptors wirken sich wahrscheinlich auf dioxininduzierte Toxizität und Krebs aus (Nebert, Petersen und Puga 1991; Nebert, Puga und Vasiliou 1993).

Abbildung 5 fasst die Rolle des Metabolismus und der Bindung bei Toxizität und Krebs zusammen. Toxische Stoffe, wie sie in der Umwelt oder nach Metabolisierung oder Bindung vorkommen, lösen ihre Wirkungen entweder über einen genotoxischen Weg (bei dem Schäden an der DNA auftreten) oder einen nicht-genotoxischen Weg (bei dem DNA-Schäden und Mutagenese nicht auftreten müssen) aus. Interessanterweise wurde kürzlich klar, dass „klassische“ DNA-schädigende Mittel über einen von reduziertem Glutathion (GSH) abhängigen nichtgenotoxischen Signaltransduktionsweg wirken können, der in Abwesenheit von DNA und außerhalb des Zellkerns auf oder nahe der Zelloberfläche initiiert wird (Devary et al. 1993). Genetische Unterschiede im Metabolismus und in der Bindung bleiben jedoch die Hauptdeterminanten bei der Kontrolle unterschiedlicher individueller toxischer Reaktionen.

Abbildung 5. Die allgemeinen Mittel, durch die Toxizität auftritt

Rolle von Arzneimittel-metabolisierenden Enzymen in der Zellfunktion

Genetisch basierte Variationen in der Funktion von Arzneimittel metabolisierenden Enzymen sind von großer Bedeutung bei der Bestimmung der individuellen Reaktion auf Chemikalien. Diese Enzyme sind entscheidend für die Bestimmung des Schicksals und des Zeitverlaufs einer fremden Chemikalie nach der Exposition.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, kann die Bedeutung von Arzneimittel metabolisierenden Enzymen für die individuelle Anfälligkeit gegenüber Chemikalienexposition tatsächlich ein weitaus komplexeres Problem darstellen, als aus dieser einfachen Diskussion des Xenobiotika-Stoffwechsels hervorgeht. Mit anderen Worten, während der letzten zwei Jahrzehnte wurden genotoxische Mechanismen (Messungen von DNA-Addukten und Proteinaddukten) stark betont. Was aber, wenn nicht-genotoxische Mechanismen bei der Auslösung toxischer Reaktionen mindestens genauso wichtig sind wie genotoxische Mechanismen?

Wie bereits erwähnt, sind die physiologischen Rollen vieler Arzneimittel metabolisierender Enzyme, die am Xenobiotika-Metabolismus beteiligt sind, nicht genau definiert worden. Nebert (1994) hat vorgeschlagen, dass aufgrund ihrer Anwesenheit auf diesem Planeten für mehr als 3.5 Milliarden Jahre Arzneimittel-metabolisierende Enzyme ursprünglich (und sind es heute immer noch hauptsächlich) für die Regulierung der zellulären Spiegel vieler Nicht-Peptid-Liganden verantwortlich waren, die für die Transkriptionsaktivierung wichtig sind von Genen, die Wachstum, Differenzierung, Apoptose, Homöostase und neuroendokrine Funktionen beeinflussen. Darüber hinaus tritt die Toxizität der meisten, wenn nicht aller Umweltstoffe auf Agonisten or Antagonist Wirkung auf diese Signaltransduktionswege (Nebert 1994). Auf der Grundlage dieser Hypothese kann die genetische Variabilität in Arzneimittel metabolisierenden Enzymen ziemlich dramatische Auswirkungen auf viele kritische biochemische Prozesse innerhalb der Zelle haben, was zu wichtigen Unterschieden in der toxischen Reaktion führt. Es ist in der Tat möglich, dass ein solches Szenario auch vielen idiosynkratischen Nebenwirkungen zugrunde liegt, die bei Patienten auftreten, die häufig verschriebene Medikamente einnehmen.

Schlussfolgerungen

Das letzte Jahrzehnt hat bemerkenswerte Fortschritte in unserem Verständnis der genetischen Grundlage unterschiedlicher Reaktionen auf Chemikalien in Arzneimitteln, Nahrungsmitteln und Umweltschadstoffen gebracht. Arzneimittel metabolisierende Enzyme haben einen tiefgreifenden Einfluss darauf, wie Menschen auf Chemikalien reagieren. Da sich unser Bewusstsein für die Vielzahl von Enzymen, die Arzneimittel metabolisieren, weiter entwickelt, sind wir zunehmend in der Lage, das toxische Risiko für viele Arzneimittel und Umweltchemikalien besser einzuschätzen. Dies wird vielleicht am deutlichsten im Fall des CYP2D6-Cytochrom-P450-Enzyms veranschaulicht. Unter Verwendung relativ einfacher DNA-basierter Tests ist es möglich, die wahrscheinliche Reaktion eines Medikaments vorherzusagen, das hauptsächlich durch dieses Enzym metabolisiert wird; Diese Vorhersage wird die sicherere Verwendung wertvoller, aber potenziell toxischer Medikamente gewährleisten.

Die Identifizierung weiterer Polymorphismen (Phänotypen) von arzneimittelmetabolisierenden Enzymen wird in Zukunft zweifelsohne explodieren. Diese Informationen werden von verbesserten, minimalinvasiven DNA-basierten Tests zur Identifizierung von Genotypen in menschlichen Populationen begleitet.

Solche Studien sollten bei der Bewertung der Rolle von Chemikalien bei den vielen Umweltkrankheiten gegenwärtig unbekannter Herkunft besonders aufschlussreich sein. Die Berücksichtigung mehrerer arzneimittelmetabolisierender Enzympolymorphismen in Kombination (z. B. Tabelle 1) dürfte ebenfalls ein besonders fruchtbares Forschungsgebiet darstellen. Solche Studien werden die Rolle von Chemikalien bei der Verursachung von Krebs klären. Insgesamt sollten diese Informationen die Formulierung zunehmend individueller Ratschläge zur Vermeidung von Chemikalien ermöglichen, die wahrscheinlich von individueller Bedeutung sind. Dies ist das Gebiet der präventiven Toxikologie. Eine solche Beratung wird zweifellos allen Menschen bei der Bewältigung der ständig zunehmenden chemischen Belastung, der wir ausgesetzt sind, sehr helfen.

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Mechanistische Toxikologie ist die Lehre davon, wie chemische oder physikalische Stoffe mit lebenden Organismen interagieren, um Toxizität zu verursachen. Die Kenntnis des Toxizitätsmechanismus einer Substanz verbessert die Fähigkeit, Toxizität zu verhindern und wünschenswertere Chemikalien zu entwickeln; sie bildet die Grundlage für die Therapie bei Überexposition und ermöglicht häufig ein tieferes Verständnis grundlegender biologischer Prozesse. Zu diesem Zweck Enzyklopädie Der Schwerpunkt liegt auf Tieren, um die Humantoxizität vorherzusagen. Verschiedene Bereiche der Toxikologie umfassen mechanistische, deskriptive, regulatorische, forensische und Umwelttoxikologie (Klaassen, Amdur und Doull 1991). All dies profitiert vom Verständnis der grundlegenden Toxizitätsmechanismen.

Warum Toxizitätsmechanismen verstehen?

Das Verständnis des Mechanismus, durch den eine Substanz Toxizität verursacht, verbessert verschiedene Bereiche der Toxikologie auf unterschiedliche Weise. Das mechanistische Verständnis hilft der staatlichen Regulierungsbehörde, rechtsverbindliche Sicherheitsgrenzwerte für die Exposition des Menschen festzulegen. Es hilft Toxikologen bei der Empfehlung von Maßnahmen zur Sanierung oder Sanierung kontaminierter Standorte und kann zusammen mit den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Stoffes oder Gemisches zur Auswahl des erforderlichen Schutzausrüstungsgrades herangezogen werden. Mechanistisches Wissen ist auch nützlich, um die Grundlage für die Therapie und das Design neuer Arzneimittel zur Behandlung menschlicher Krankheiten zu bilden. Für den forensischen Toxikologen liefert der Toxizitätsmechanismus oft einen Einblick, wie ein chemischer oder physikalischer Stoff zum Tod oder zur Handlungsunfähigkeit führen kann.

Wenn der Toxizitätsmechanismus verstanden ist, wird die deskriptive Toxikologie nützlich, um die toxischen Wirkungen verwandter Chemikalien vorherzusagen. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass ein Mangel an mechanistischen Informationen Gesundheitsfachkräfte nicht davon abhält, die menschliche Gesundheit zu schützen. Es werden umsichtige Entscheidungen auf der Grundlage von Tierversuchen und menschlicher Erfahrung getroffen, um sichere Expositionsniveaus festzulegen. Herkömmlicherweise wurde eine Sicherheitsspanne festgelegt, indem die „Stufe ohne nachteilige Wirkung“ oder eine „Stufe mit der niedrigsten nachteiligen Wirkung“ aus Tierversuchen (unter Verwendung von Designs mit wiederholter Exposition) verwendet und diese Stufe durch einen Faktor von 100 für berufliche Exposition oder 1,000 für berufliche Exposition dividiert wurde andere menschliche Umweltexposition. Der Erfolg dieses Prozesses zeigt sich an den wenigen Vorfällen von gesundheitsschädlichen Wirkungen, die der Exposition gegenüber Chemikalien bei Arbeitern zugeschrieben werden, bei denen in der Vergangenheit angemessene Expositionsgrenzwerte festgelegt und eingehalten wurden. Zudem nimmt die Lebenserwartung der Menschen weiter zu, ebenso wie die Lebensqualität. Insgesamt hat die Verwendung von Toxizitätsdaten zu einer wirksamen behördlichen und freiwilligen Kontrolle geführt. Detailliertes Wissen über toxische Mechanismen wird die Vorhersagbarkeit neuerer Risikomodelle, die derzeit entwickelt werden, verbessern und zu kontinuierlichen Verbesserungen führen.

Das Verständnis von Umweltmechanismen ist komplex und setzt ein Wissen über Ökosystemstörungen und Homöostase (Gleichgewicht) voraus. Obwohl in diesem Artikel nicht diskutiert, würde ein verbessertes Verständnis der toxischen Mechanismen und ihrer endgültigen Folgen in einem Ökosystem den Wissenschaftlern helfen, umsichtige Entscheidungen in Bezug auf den Umgang mit kommunalen und industriellen Abfallmaterialien zu treffen. Die Abfallwirtschaft ist ein wachsendes Forschungsgebiet und wird auch in Zukunft sehr wichtig sein.

Techniken zur Untersuchung von Toxizitätsmechanismen

Die meisten mechanistischen Studien beginnen mit einer deskriptiven toxikologischen Studie an Tieren oder klinischen Beobachtungen am Menschen. Idealerweise umfassen Tierversuche sorgfältige Verhaltens- und klinische Beobachtungen, eine sorgfältige biochemische Untersuchung von Elementen des Blutes und Urins auf Anzeichen einer nachteiligen Funktion wichtiger biologischer Systeme im Körper und eine Post-Mortem-Bewertung aller Organsysteme durch mikroskopische Untersuchung zur Überprüfung Verletzungen (siehe OECD-Testrichtlinien; EG-Richtlinien zur Chemikalienbewertung; US EPA-Testregeln; japanische Chemikalienvorschriften). Dies entspricht einer gründlichen körperlichen Untersuchung beim Menschen, die in einem Krankenhaus über einen Zeitraum von zwei bis drei Tagen mit Ausnahme der Obduktion stattfinden würde.

Toxizitätsmechanismen zu verstehen, ist die Kunst und Wissenschaft der Beobachtung, der Kreativität bei der Auswahl von Techniken zum Testen verschiedener Hypothesen und der innovativen Integration von Anzeichen und Symptomen in eine kausale Beziehung. Mechanistische Studien beginnen mit der Exposition, verfolgen die zeitbezogene Verteilung und den Verbleib im Körper (Pharmakokinetik) und messen die resultierende toxische Wirkung auf einer bestimmten Ebene des Systems und auf einer bestimmten Dosisebene. Verschiedene Substanzen können auf verschiedenen Ebenen des biologischen Systems wirken, indem sie Toxizität verursachen.

Belichtung

Der Expositionsweg in mechanistischen Studien ist normalerweise derselbe wie bei der Exposition beim Menschen. Der Weg ist wichtig, da neben den systemischen Wirkungen, nachdem die Chemikalie ins Blut aufgenommen und im ganzen Körper verteilt wurde, auch lokale Wirkungen am Expositionsort auftreten können. Ein einfaches, aber überzeugendes Beispiel für eine lokale Wirkung wäre eine Reizung und eventuelle Verätzung der Haut nach dem Auftragen starker Säure- oder Alkalilösungen, die zum Reinigen harter Oberflächen bestimmt sind. In ähnlicher Weise können Reizungen und Zelltod in Zellen auftreten, die die Nase und/oder Lungen auskleiden, nachdem sie reizenden Dämpfen oder Gasen, wie Stickoxiden oder Ozon, ausgesetzt wurden. (Beide sind Bestandteile der Luftverschmutzung oder des Smogs). Nach Aufnahme einer Chemikalie ins Blut durch Haut, Lunge oder Magen-Darm-Trakt wird die Konzentration in jedem Organ oder Gewebe durch viele Faktoren gesteuert, die die Pharmakokinetik der Chemikalie im Körper bestimmen. Der Körper hat die Fähigkeit, verschiedene Chemikalien zu aktivieren und zu entgiften, wie unten angegeben.

Rolle der Pharmakokinetik bei der Toxizität

Die Pharmakokinetik beschreibt die zeitlichen Zusammenhänge von chemischer Aufnahme, Verteilung, Stoffwechsel (biochemische Veränderungen im Körper) und Ausscheidung bzw. Ausscheidung aus dem Körper. In Bezug auf Toxizitätsmechanismen können diese pharmakokinetischen Variablen sehr wichtig sein und in einigen Fällen bestimmen, ob eine Toxizität auftritt oder nicht. Wenn beispielsweise ein Material nicht in ausreichender Menge absorbiert wird, tritt keine systemische Toxizität (innerhalb des Körpers) auf. Umgekehrt hat eine hochreaktive Chemikalie, die schnell (Sekunden oder Minuten) durch Verdauungs- oder Leberenzyme entgiftet wird, möglicherweise nicht die Zeit, Toxizität zu verursachen. Einige polyzyklische halogenierte Substanzen und Gemische sowie bestimmte Metalle wie Blei würden bei schneller Ausscheidung keine signifikante Toxizität verursachen; aber die Akkumulation auf ausreichend hohe Niveaus bestimmt ihre Toxizität, da die Ausscheidung nicht schnell erfolgt (manchmal in Jahren gemessen). Glücklicherweise bleiben die meisten Chemikalien nicht so lange im Körper. Die Ansammlung eines unschädlichen Materials würde immer noch keine Toxizität hervorrufen. Die Ausscheidungsrate aus dem Körper und die Entgiftung wird häufig als Halbwertszeit der Chemikalie bezeichnet, das ist die Zeit, in der 50 % der Chemikalie ausgeschieden oder in eine nicht toxische Form umgewandelt werden.

Wenn sich jedoch eine Chemikalie in einer bestimmten Zelle oder einem bestimmten Organ anreichert, kann dies ein Grund dafür sein, ihre potenzielle Toxizität in diesem Organ weiter zu untersuchen. In jüngerer Zeit wurden mathematische Modelle entwickelt, um pharmakokinetische Variablen von Tieren auf Menschen zu extrapolieren. Diese pharmakokinetischen Modelle sind äußerst nützlich, um Hypothesen zu generieren und zu testen, ob das Versuchstier eine gute Repräsentation für den Menschen sein kann. Zahlreiche Kapitel und Texte wurden zu diesem Thema verfasst (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). Ein vereinfachtes Beispiel eines physiologischen Modells ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Ein vereinfachtes pharmakokinetisches Modell

Verschiedene Ebenen und Systeme können beeinträchtigt werden

Die Toxizität kann auf verschiedenen biologischen Ebenen beschrieben werden. Die Verletzung kann am ganzen Menschen (oder Tier), am Organsystem, an der Zelle oder am Molekül beurteilt werden. Organsysteme umfassen das Immun-, Atmungs-, Herz-Kreislauf-, Nieren-, Hormon-, Verdauungs-, Muskel-Skelett-, Blut-, Fortpflanzungs- und Zentralnervensystem. Einige Schlüsselorgane sind Leber, Niere, Lunge, Gehirn, Haut, Augen, Herz, Hoden oder Eierstöcke und andere wichtige Organe. Auf zellulärer/biochemischer Ebene umfassen Nebenwirkungen die Beeinträchtigung der normalen Proteinfunktion, der endokrinen Rezeptorfunktion, die Hemmung der Stoffwechselenergie oder die Hemmung oder Induktion xenobiotischer (Fremdsubstanzen) Enzyme. Unerwünschte Wirkungen auf molekularer Ebene umfassen eine Veränderung der normalen Funktion der DNA-RNA-Transkription, der spezifischen zytoplasmatischen und nukleären Rezeptorbindung und von Genen oder Genprodukten. Letztendlich wird eine Funktionsstörung in einem wichtigen Organsystem wahrscheinlich durch eine molekulare Veränderung in einer bestimmten Zielzelle innerhalb dieses Organs verursacht. Die Rückverfolgung eines Mechanismus auf einen molekularen Verursachungsursprung ist jedoch nicht immer möglich und auch nicht erforderlich. Intervention und Therapie können ohne vollständiges Verständnis des molekularen Ziels entworfen werden. Das Wissen um den spezifischen Mechanismus der Toxizität erhöht jedoch den Vorhersagewert und die Genauigkeit der Extrapolation auf andere Chemikalien. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der verschiedenen Ebenen, auf denen eine Störung normaler physiologischer Prozesse festgestellt werden kann. Die Pfeile zeigen an, dass die Folgen für eine Person von oben nach unten (Exposition, Pharmakokinetik bis hin zu System-/Organtoxizität) oder von unten nach oben (molekulare Veränderung, zelluläre/biochemische Wirkung bis hin zu System-/Organtoxizität) bestimmt werden können.

Abbildung 2. Repräsentation von Toxizitätsmechanismen

Beispiele für Toxizitätsmechanismen

Toxizitätsmechanismen können einfach oder sehr komplex sein. Häufig besteht ein Unterschied zwischen der Art der Toxizität, dem Toxizitätsmechanismus und dem Ausmaß der Wirkung, je nachdem, ob die Nebenwirkungen auf eine einzelne, akute hohe Dosis (wie eine versehentliche Vergiftung) oder eine niedrigere Dosis zurückzuführen sind wiederholte Exposition (durch berufliche oder umweltbedingte Exposition). Klassischerweise wird zu Testzwecken eine akute, einzelne hohe Dosis durch direkte Intubation in den Magen eines Nagetiers oder durch zwei- bis vierstündiges Aussetzen gegenüber einer Gas- oder Dampfatmosphäre verabreicht, je nachdem, was der Exposition beim Menschen am ähnlichsten ist. Die Tiere werden nach der Exposition über einen Zeitraum von zwei Wochen beobachtet, und dann werden die wichtigsten äußeren und inneren Organe auf Verletzungen untersucht. Tests mit wiederholter Gabe reichen von Monaten bis zu Jahren. Bei Nagetierspezies gelten zwei Jahre als chronische (lebenslange) Studie, die ausreicht, um Toxizität und Karzinogenität zu bewerten, während bei nichtmenschlichen Primaten zwei Jahre als subchronische (weniger als lebenslange) Studie zur Bewertung der Toxizität bei wiederholter Verabreichung angesehen würden. Nach der Exposition wird eine vollständige Untersuchung aller Gewebe, Organe und Flüssigkeiten durchgeführt, um etwaige nachteilige Wirkungen festzustellen.

Akute Toxizitätsmechanismen

Die folgenden Beispiele sind spezifisch für hochdosierte, akute Wirkungen, die zum Tod oder zu schwerer Handlungsunfähigkeit führen können. In einigen Fällen führt die Intervention jedoch zu vorübergehenden und vollständig reversiblen Wirkungen. Die Dosis oder Schwere der Exposition bestimmt das Ergebnis.

Einfache Erstickungsmittel. Der Toxizitätsmechanismus für Inertgase und einige andere nicht reaktive Substanzen ist Sauerstoffmangel (Anoxie). Diese Chemikalien, die Sauerstoffentzug im Zentralnervensystem (ZNS) verursachen, werden als Sauerstoffmangel bezeichnet einfache Erstickungsmittel. Wenn eine Person einen geschlossenen Raum betritt, der Stickstoff ohne ausreichend Sauerstoff enthält, kommt es im Gehirn zu einem sofortigen Sauerstoffmangel und führt zu Bewusstlosigkeit und schließlich zum Tod, wenn die Person nicht schnell entfernt wird. In extremen Fällen (fast null Sauerstoff) kann innerhalb weniger Sekunden Bewusstlosigkeit eintreten. Die Rettung hängt von der schnellen Entfernung in eine sauerstoffreiche Umgebung ab. Ein Überleben mit irreversiblen Hirnschäden kann durch verzögerte Rettung aufgrund des Todes von Neuronen erfolgen, die sich nicht regenerieren können.

Chemische Erstickungsmittel. Kohlenmonoxid (CO) konkurriert mit Sauerstoff um die Bindung an Hämoglobin (in roten Blutkörperchen) und entzieht dem Gewebe daher Sauerstoff für den Energiestoffwechsel; Zelltod kann die Folge sein. Die Intervention umfasst die Entfernung von der CO-Quelle und die Behandlung mit Sauerstoff. Die direkte Verwendung von Sauerstoff basiert auf der toxischen Wirkung von CO. Ein weiteres starkes chemisches Erstickungsmittel ist Cyanid. Das Cyanidion stört den Zellstoffwechsel und die Nutzung von Sauerstoff zur Energiegewinnung. Die Behandlung mit Natriumnitrit bewirkt eine Veränderung des Hämoglobins in den roten Blutkörperchen zu Methämoglobin. Methämoglobin hat eine größere Bindungsaffinität zum Cyanidion als das zelluläre Ziel von Cyanid. Folglich bindet das Methämoglobin das Cyanid und hält das Cyanid von den Zielzellen fern. Dies bildet die Grundlage für eine Antidottherapie.

Beruhigungsmittel des zentralen Nervensystems (ZNS).. Akute Toxizität ist bei einer Reihe von Stoffen wie Lösungsmitteln, die nicht reaktiv sind oder in reaktive Zwischenprodukte umgewandelt werden, durch Sedierung oder Bewusstlosigkeit gekennzeichnet. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die Sedierung/Anästhesie auf eine Wechselwirkung des Lösungsmittels mit den Membranen von Zellen im ZNS zurückzuführen ist, was deren Fähigkeit zur Übertragung elektrischer und chemischer Signale beeinträchtigt. Während die Sedierung als milde Form der Toxizität erscheinen mag und die Grundlage für die Entwicklung der frühen Anästhetika war, „macht die Dosis immer noch das Gift“. Wenn eine ausreichende Dosis durch Verschlucken oder Einatmen verabreicht wird, kann das Tier an Atemstillstand sterben. Wenn der Narkosetod nicht eintritt, ist diese Art von Toxizität normalerweise leicht reversibel, wenn das Subjekt aus der Umgebung entfernt wird oder die Chemikalie neu verteilt oder aus dem Körper eliminiert wird.

Skin-Effekte. Schädliche Wirkungen auf die Haut können je nach angetroffener Substanz von Reizungen bis zu Ätzwirkungen reichen. Starke Säuren und alkalische Lösungen sind mit lebendem Gewebe nicht kompatibel und ätzend, was zu chemischen Verbrennungen und möglichen Narbenbildungen führen kann. Die Narbenbildung ist auf den Tod der dermalen, tiefen Hautzellen zurückzuführen, die für die Regeneration verantwortlich sind. Niedrigere Konzentrationen können lediglich zu Reizungen der ersten Hautschicht führen.

Ein weiterer spezifischer toxischer Mechanismus der Haut ist die chemische Sensibilisierung. Beispielsweise tritt eine Sensibilisierung auf, wenn 2,4-Dinitrochlorbenzol an natürliche Proteine ​​in der Haut bindet und das Immunsystem den veränderten proteingebundenen Komplex als Fremdmaterial erkennt. Als Reaktion auf diesen Fremdstoff aktiviert das Immunsystem spezielle Zellen, um den Fremdstoff durch Freisetzung von Mediatoren (Zytokinen) zu eliminieren, die einen Hautausschlag oder eine Dermatitis verursachen (siehe „Immuntoxikologie“). Dies ist die gleiche Reaktion des Immunsystems, wenn es Giftefeu ausgesetzt wird. Die Immunsensibilisierung ist sehr spezifisch für die jeweilige Chemikalie und erfordert mindestens zwei Expositionen, bevor eine Reaktion hervorgerufen wird. Die erste Exposition sensibilisiert (setzt die Zellen in die Lage, die Chemikalie zu erkennen), und nachfolgende Expositionen lösen die Reaktion des Immunsystems aus. Kontaktentfernung und symptomatische Therapie mit steroidhaltigen entzündungshemmenden Cremes sind in der Regel wirksam bei der Behandlung sensibilisierter Personen. In schweren oder refraktären Fällen wird ein systemisch wirkendes Immunsuppressivum wie Prednison in Verbindung mit einer topischen Behandlung verwendet.

Lungensensibilisierung. Eine Immunsensibilisierungsreaktion wird durch Toluoldiisocyanat (TDI) ausgelöst, aber der Zielort ist die Lunge. TDI-Überexposition bei anfälligen Personen verursacht Lungenödeme (Flüssigkeitsansammlung), Bronchialverengung und Atembeschwerden. Dies ist ein schwerwiegender Zustand und erfordert, dass die Person von möglichen nachfolgenden Expositionen ausgeschlossen wird. Die Behandlung ist in erster Linie symptomatisch. Haut- und Lungensensibilisierung folgen einer Dosisreaktion. Die Überschreitung des für die berufliche Exposition festgelegten Grenzwerts kann schädliche Wirkungen haben.

Augeneffekte. Die Schädigung des Auges reicht von der Rötung der äußeren Schicht (Schwimmbadrötung) über die Kataraktbildung der Hornhaut bis hin zur Schädigung der Iris (farbiger Teil des Auges). Augenreizungstests werden durchgeführt, wenn davon ausgegangen wird, dass keine ernsthaften Verletzungen auftreten werden. Viele der Mechanismen, die Hautverätzungen verursachen, können auch Augenverletzungen verursachen. Für die Haut ätzende Materialien wie starke Säuren (pH-Wert unter 2) und Laugen (pH-Wert über 11.5) werden nicht in den Augen von Tieren getestet, da die meisten aufgrund eines ähnlichen Mechanismus wie der Hautverätzung zu Verätzungen und Erblindung führen . Darüber hinaus können oberflächenaktive Mittel wie Reinigungsmittel und Tenside Augenverletzungen verursachen, die von Reizungen bis hin zu Korrosion reichen. Eine Gruppe von Stoffen, bei denen Vorsicht geboten ist, sind die positiv geladenen (kationischen) Tenside, die Verbrennungen, dauerhafte Trübung der Hornhaut und Vaskularisierung (Bildung von Blutgefäßen) verursachen können. Eine andere Chemikalie, Dinitrophenol, hat eine spezifische Wirkung auf die Kataraktbildung. Dies scheint mit der Konzentration dieser Chemikalie im Auge zusammenzuhängen, was ein Beispiel für pharmakokinetische Verteilungsspezifität ist.

Obwohl die obige Auflistung bei weitem nicht erschöpfend ist, soll sie dem Leser eine Wertschätzung für verschiedene akute Toxizitätsmechanismen vermitteln.

Subchronische und chronische Toxizitätsmechanismen

Wenn sie als einzelne hohe Dosis verabreicht werden, haben einige Chemikalien nicht den gleichen Toxizitätsmechanismus wie wenn sie wiederholt als niedrigere, aber immer noch toxische Dosis verabreicht werden. Wenn eine einzelne hohe Dosis verabreicht wird, besteht immer die Möglichkeit, dass die Fähigkeit der Person, die Chemikalie zu entgiften oder auszuscheiden, überschritten wird, und dies kann zu einer anderen toxischen Reaktion führen als wenn niedrigere wiederholte Dosen verabreicht werden. Alkohol ist ein gutes Beispiel. Hohe Alkoholdosen führen zu primären Wirkungen auf das Zentralnervensystem, während niedrigere wiederholte Dosen zu Leberschäden führen.

Anticholinesterase-Hemmung. Die meisten Organophosphat-Pestizide haben zum Beispiel eine geringe Toxizität für Säugetiere, bis sie metabolisch aktiviert werden, hauptsächlich in der Leber. Der primäre Wirkungsmechanismus von Organophosphaten ist die Hemmung der Acetylcholinesterase (AChE) im Gehirn und im peripheren Nervensystem. AChE ist das normale Enzym, das die Stimulation des Neurotransmitters Acetylcholin beendet. Eine leichte Hemmung der AChE über einen längeren Zeitraum wurde nicht mit Nebenwirkungen in Verbindung gebracht. Bei hohen Expositionsniveaus führt die Unfähigkeit, diese neuronale Stimulation zu beenden, zu einer Überstimulation des cholinergen Nervensystems. Eine cholinerge Überstimulation führt letztendlich zu einer Vielzahl von Symptomen, einschließlich Atemstillstand, gefolgt vom Tod, wenn sie nicht behandelt wird. Die primäre Behandlung ist die Verabreichung von Atropin, das die Wirkung von Acetylcholin blockiert, und die Verabreichung von Pralidoximchlorid, das die gehemmte AChE reaktiviert. Daher werden sowohl die Ursache als auch die Behandlung der Organophosphattoxizität angesprochen, indem die biochemischen Grundlagen der Toxizität verstanden werden.

Stoffwechselaktivierung. Viele Chemikalien, einschließlich Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform, Acetylaminofluoren, Nitrosamine und Paraquat, werden metabolisch zu freien Radikalen oder anderen reaktiven Zwischenprodukten aktiviert, die die normale Zellfunktion hemmen und stören. Bei hoher Exposition führt dies zum Zelltod (siehe „Zellschädigung und Zelltod“). Während die spezifischen Wechselwirkungen und zellulären Ziele unbekannt bleiben, sind die Organsysteme, die die Fähigkeit haben, diese Chemikalien zu aktivieren, wie Leber, Niere und Lunge, alle potenzielle Ziele für Verletzungen. Insbesondere haben bestimmte Zellen innerhalb eines Organs eine größere oder geringere Fähigkeit, diese Zwischenprodukte zu aktivieren oder zu entgiften, und diese Fähigkeit bestimmt die intrazelluläre Anfälligkeit innerhalb eines Organs. Der Stoffwechsel ist ein Grund, warum ein Verständnis der Pharmakokinetik, die diese Arten von Umwandlungen und die Verteilung und Eliminierung dieser Zwischenprodukte beschreibt, wichtig ist, um den Wirkungsmechanismus dieser Chemikalien zu erkennen.

Krebsmechanismen. Krebs ist eine Vielzahl von Krankheiten, und obwohl das Verständnis bestimmter Krebsarten aufgrund der vielen molekularbiologischen Techniken, die seit 1980 entwickelt wurden, schnell zunimmt, gibt es noch viel zu lernen. Es ist jedoch klar, dass die Krebsentstehung ein mehrstufiger Prozess ist und kritische Gene der Schlüssel zu verschiedenen Krebsarten sind. Veränderungen in der DNA (somatische Mutationen) in einer Reihe dieser kritischen Gene können eine erhöhte Anfälligkeit oder kanzeröse Läsionen verursachen (siehe „Gentoxikologie“). Die Exposition gegenüber natürlichen Chemikalien (in gekochten Lebensmitteln wie Rindfleisch und Fisch) oder synthetischen Chemikalien (wie Benzidin, das als Farbstoff verwendet wird) oder physikalischen Einwirkungen (ultraviolettes Licht von der Sonne, Radon aus dem Boden, Gammastrahlung aus medizinischen Verfahren oder industriellen Aktivitäten) sind alle Mitwirkende an somatischen Genmutationen. Es gibt jedoch natürliche und synthetische Substanzen (z. B. Antioxidantien) und DNA-Reparaturprozesse, die schützen und die Homöostase aufrechterhalten. Es ist klar, dass die Genetik ein wichtiger Faktor bei Krebs ist, da genetische Krankheitssyndrome wie Xeroderma pigmentosum, bei denen eine normale DNA-Reparatur fehlt, die Anfälligkeit für Hautkrebs durch UV-Licht der Sonne dramatisch erhöhen.

Fortpflanzungsmechanismen. Ähnlich wie bei Krebs sind viele Mechanismen der Reproduktions- und/oder Entwicklungstoxizität bekannt, aber es gibt noch viel zu lernen. Es ist bekannt, dass bestimmte Viren (wie Röteln), bakterielle Infektionen und Medikamente (wie Thalidomid und Vitamin A) die Entwicklung beeinträchtigen. Kürzlich zeigten Arbeiten von Khera (1991), die von Carney (1994) überprüft wurden, gute Beweise dafür, dass die abnormen Entwicklungseffekte in Tierversuchen mit Ethylenglykol auf saure Stoffwechselprodukte der Mutter zurückzuführen sind. Dies tritt auf, wenn Ethylenglykol zu Säuremetaboliten, einschließlich Glykol- und Oxalsäure, metabolisiert wird. Die Folgewirkungen auf Plazenta und Fötus scheinen auf diesen metabolischen Vergiftungsprozess zurückzuführen zu sein.

Fazit

Die Absicht dieses Artikels ist es, einen Überblick über mehrere bekannte Toxizitätsmechanismen und die Notwendigkeit zukünftiger Studien zu geben. Es ist wichtig zu verstehen, dass mechanistisches Wissen nicht unbedingt notwendig ist, um die Gesundheit von Mensch und Umwelt zu schützen. Dieses Wissen wird die Fähigkeit des Fachmanns verbessern, die Toxizität besser vorherzusagen und zu handhaben. Die tatsächlichen Techniken, die zur Aufklärung eines bestimmten Mechanismus verwendet werden, hängen vom kollektiven Wissen der Wissenschaftler und dem Denken derjenigen ab, die Entscheidungen über die menschliche Gesundheit treffen.

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