Банер КСНУМКС

 

33. Токсикологија

Уредник поглавља: ​​Еллен К. Силбергелд


Преглед садржаја

Табеле и слике

Uvod
Еллен К. Силбергелд, уредница поглавља

Општи принципи токсикологије

Дефиниције и концепти
Бо Холмберг, Јохан Хогберг и Гунар Јохансон

Токсикокинетика
Душан Ђурић

Циљни орган и критични ефекти
Марек Јакубовски

Ефекти старости, пола и других фактора
Споменка Телишман

Генетске детерминанте токсичног одговора
Даниел В. Неберт и Росс А. МцКиннон

Механизми токсичности

Увод и концепти
Филип Г. Ватанабе

Ћелијска повреда и ћелијска смрт
Бењамин Ф. Трумп и Ирене К. Березески

Генетиц Токицологи
Р. Рита Мисра и Мицхаел П. Ваалкес

Иммунотокицологи
Јосепх Г. Вос и Хенк ван Ловерен

Токсикологија циљног органа
Еллен К. Силбергелд

Токсиколошке методе испитивања

Биомаркери
Пхилиппе Грандјеан

Процена генетске токсичности
Давид М. ДеМарини и Јамес Хуфф

Ин витро испитивање токсичности
Јоанне Зурло

Структура Активности Односи
Еллен К. Силбергелд

Регулатори Токицологи

Токсикологија у прописима о здрављу и безбедности
Еллен К. Силбергелд

Принципи идентификације опасности – јапански приступ
Масаиуки Икеда

Приступ Сједињених Држава процени ризика од репродуктивних токсичних и неуротоксичних агенаса
Еллен К. Силбергелд

Приступи идентификацији опасности - ИАРЦ
Хари Ваинио и Јулиан Вилбоурн

Додатак – Опште процене канцерогености за људе: монографије ИАРЦ, свеске 1-69 (836)

Процена ризика од карциногена: други приступи
Цеес А. ван дер Хеијден

Столови 

Кликните на везу испод да видите табелу у контексту чланка.

  1. Примери критичних органа и критичних ефеката
  2. Основни ефекти могућих вишеструких интеракција метала
  3. Адукти хемоглобина код радника изложених анилину и ацетанилиду
  4. Наследни поремећаји склони раку и дефекти у поправци ДНК
  5. Примери хемикалија које показују генотоксичност у људским ћелијама
  6. Класификација тестова за имунолошке маркере
  7. Примери биомаркера изложености
  8. За и против метода за идентификацију ризика од рака код људи
  9. Поређење ин витро система за студије хепатотоксичности
  10. Поређење САР и тест података: ОЕЦД/НТП анализе
  11. Регулисање хемијских супстанци законима, Јапан
  12. Испитни предмети према Закону о контроли хемијских супстанци, Јапан
  13. Хемијске супстанце и закон о контроли хемијских супстанци
  14. Одабрани велики инциденти неуротоксичности
  15. Примери специјализованих тестова за мерење неуротоксичности
  16. Крајње тачке у репродуктивној токсикологији
  17. Поређење поступака екстраполације малих доза
  18. Често цитирани модели у карактеризацији ризика од карциногена

фигуре

Поставите показивач на сличицу да бисте видели наслов слике, кликните да бисте видели слику у контексту чланка.

тестТОКС050Ф1ТОКС050Ф2ТОКС050Ф4ТОКС050Т1ТОКС050Ф6ТОКС210Ф1ТОКС210Ф2ТОКС060Ф1ТОКС090Ф1ТОКС090Ф2ТОКС090Ф3ТОКС090Ф4ТОКС110Ф1ТОКС260Ф1ТОКС260Т4


Кликните да бисте се вратили на врх странице

Понедељак, КСНУМКС децембар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Дефиниције и концепти

Изложеност, доза и одговор

Токсичност је интринзична способност хемијског агенса да негативно утиче на организам.

Ксенобиотици је термин за „стране материје”, односно стране организму. Његова супротност су ендогена једињења. Ксенобиотици укључују лекове, индустријске хемикалије, отрове који се јављају у природи и загађиваче животне средине.

Хазард је потенцијал да се токсичност оствари у одређеном окружењу или ситуацији.

Ризик је вероватноћа појаве одређеног штетног ефекта. Често се изражава као проценат случајева у датој популацији и током одређеног временског периода. Процена ризика се може заснивати на стварним случајевима или на пројекцији будућих случајева, на основу екстраполација.

Оцена токсичности класификација токсичности може се користити у регулаторне сврхе. Оцена токсичности је произвољно степеновање доза или нивоа изложености који изазивају токсичне ефекте. Оцењивање може бити „супертоксично“, „високо токсично“, „умерено токсично“ и тако даље. Најчешће оцене се односе на акутну токсичност. Класификација токсичности се односи на груписање хемикалија у опште категорије према њиховом најважнијем токсичном ефекту. Такве категорије могу укључивати алергене, неуротоксичне, канцерогене и тако даље. Ова класификација може имати административну вредност као упозорење и као информација.

однос дозе и ефекта је однос између дозе и ефекта на индивидуалном нивоу. Повећање дозе може повећати интензитет ефекта или може довести до озбиљнијег ефекта. Крива доза-ефекат се може добити на нивоу целог организма, ћелије или циљног молекула. Неки токсични ефекти, као што су смрт или рак, нису степеновани, већ су ефекти „све или ништа“.

однос доза-одговор је однос између дозе и процента појединаца који показују специфичан ефекат. Са повећањем дозе обично ће бити погођен већи број особа у изложеној популацији.

За токсикологију је неопходно успоставити односе доза-ефекат и доза-одговор. У медицинским (епидемиолошким) студијама критеријум који се често користи за прихватање узрочне везе између агенса и болести је да је ефекат или одговор пропорционалан дози.

Може се нацртати неколико кривуља доза-одговор за хемикалију – по једна за сваку врсту ефекта. Крива доза-одговор за већину токсичних ефеката (када се проучава у великим популацијама) има сигмоидни облик. Обично постоји опсег ниских доза где није откривен одговор; како се доза повећава, одговор прати узлазну криву која обично достиже плато при 100% одговору. Крива доза-одговор одражава варијације међу појединцима у популацији. Нагиб криве варира од хемијског до хемијског и између различитих врста ефеката. За неке хемикалије са специфичним ефектима (канцерогени, иницијатори, мутагени) крива доза-одговор може бити линеарна од нулте дозе унутар одређеног опсега дозе. То значи да не постоји праг и да чак и мале дозе представљају ризик. Изнад тог опсега дозе, ризик се може повећати већом од линеарне стопе.

Варијације у изложености током дана и укупне дужине изложености током животног века могу бити подједнако важне за исход (одговор) као и средњи или просечни или чак интегрисани ниво дозе. Висока вршна изложеност може бити штетнија од равномернијег нивоа изложености. Ово је случај са неким органским растварачима. С друге стране, за неке карциногене, експериментално је показано да фракционисање једне дозе на неколико излагања са истом укупном дозом може бити ефикасније у стварању тумора.

A доза се често изражава као количина ксенобиотика која улази у организам (у јединицама као што су мг/кг телесне тежине). Доза се може изразити на различите (више или мање информативне) начине: доза излагања, што представља концентрацију загађивача у ваздуху удахнутог током одређеног временског периода (у хигијени рада обично осам сати), или задржала or апсорбована доза (у индустријској хигијени се назива и оптерећење тела), што је количина присутна у телу у одређено време током или након излагања. Тхе доза ткива је количина супстанце у одређеном ткиву и циљна доза је количина супстанце (обично метаболита) везана за критични молекул. Циљна доза се може изразити као мг хемијске везаности по мг специфичног макромолекула у ткиву. За примену овог концепта потребне су информације о механизму токсичног дејства на молекуларном нивоу. Циљна доза је прецизније повезана са токсичним ефектом. Доза изложености или оптерећење тела могу бити лакше доступни, али су мање прецизно повезани са ефектом.

У концепт дозе често је укључен временски аспект, чак и ако није увек изражен. Теоријска доза по Хаберовом закону је Д = цт, где D је доза, c је концентрација ксенобиотика у ваздуху и t трајање излагања хемикалијама. Ако се овај концепт користи на нивоу циљног органа или молекула, може се користити количина по мг ткива или молекула током одређеног времена. Временски аспект је обично важнији за разумевање поновљених излагања и хроничних ефеката него за једнократна излагања и акутне ефекте.

Додатни ефекти настају као резултат излагања комбинацији хемикалија, где се појединачне токсичности једноставно додају једна другој (1+1=2). Када хемикалије делују преко истог механизма, претпоставља се адитивност њихових ефеката иако то није увек случај у стварности. Интеракција између хемикалија може довести до инхибиције (антагонизам), са мањим ефектом од очекиваног од додавања ефеката појединачних хемикалија (1+1 2). Алтернативно, комбинација хемикалија може произвести израженији ефекат него што би се очекивало додавањем (повећан одговор међу појединцима или повећање учесталости одговора у популацији), то се назива синергизам (1+1 >2).

Време кашњења је време између првог излагања и појаве ефекта или одговора који се може открити. Термин се често користи за канцерогене ефекте, где се тумори могу појавити дуго након почетка излагања, а понекад и дуго након престанка излагања.

A праг дозе је ниво дозе испод којег се не јавља приметан ефекат. Сматра се да постоје прагови за одређене ефекте, као што су акутни токсични ефекти; али не и за друге, као што су канцерогени ефекти (од стране иницијатора који формирају ДНК адукте). Само одсуство одговора у датој популацији, међутим, не треба узети као доказ за постојање прага. Одсуство одговора може бити узроковано једноставним статистичким феноменом: нежељени ефекат који се јавља при ниској фреквенцији можда неће бити детектован у малој популацији.

LD50 (ефикасна доза) је доза која узрокује 50% смртности у популацији животиња. ЛД50 се често наводи у старијој литератури као мера акутне токсичности хемикалија. Што је виши ЛД50, што је нижа акутна токсичност. Веома токсична хемикалија (са ниским ЛД50) тако је речено моћан. Не постоји неопходна корелација између акутне и хроничне токсичности. ЕД50 (ефикасна доза) је доза која изазива специфичан ефекат осим смртности код 50% животиња.

НОЕЛ (НОАЕЛ) означава ниво без уоченог (штетног) ефекта, или највећу дозу која не изазива токсични ефекат. За утврђивање НОЕЛ потребно је више доза, велика популација и додатне информације како би се осигурало да одсуство одговора није само статистички феномен. ЛОЕЛ је најнижа примећена ефективна доза на кривој доза-одговор, или најнижа доза која изазива ефекат.

A фактор безбедности је формални, произвољан број са којим се дели НОЕЛ или ЛОЕЛ добијени експериментима на животињама да би се добила пробна дозвољена доза за људе. Ово се често користи у области токсикологије хране, али се може користити иу токсикологији на раду. Безбедносни фактор се такође може користити за екстраполацију података са малих популација на веће популације. Безбедносни фактори се крећу од 100 до 10.3. Безбедносни фактор два обично може бити довољан да заштити од мање озбиљног ефекта (као што је иритација), а фактор од 1,000 може се користити за веома озбиљне ефекте (као што је рак). Термин фактор безбедности могао би се боље заменити термином заштита фактор или чак, фактор неизвесности. Употреба последњег термина одражава научне несигурности, као што је да ли се тачни подаци о дози и одговору могу превести са животиња на људе за одређени хемијски, токсични ефекат или ситуацију изложености.

Ектраполатионс су теоријске квалитативне или квантитативне процене токсичности (екстраполације ризика) изведене из превођења података са једне врсте на другу или из једног скупа података о дози-одговору (обично у опсегу високе дозе) у регионе доза-одговор где нема података. Екстраполације се обично морају направити да би се предвидели токсични одговори изван опсега посматрања. Математичко моделирање се користи за екстраполације засноване на разумевању понашања хемикалије у организму (токсикокинетичко моделирање) или на основу разумевања статистичких вероватноћа да ће се десити специфични биолошки догађаји (биолошки или механички засновани модели). Неке националне агенције развиле су софистициране моделе екстраполације као формализовани метод за предвиђање ризика у регулаторне сврхе. (Погледајте дискусију о процени ризика касније у поглављу.)

Системски ефекти су токсични ефекти у ткивима удаљеним од пута апсорпције.

Циљни орган је примарни или најосетљивији орган захваћен након излагања. Иста хемикалија која улази у тело различитим путевима дозе, брзине дозе, пола и врсте може утицати на различите циљне органе. Интеракција између хемикалија, или између хемикалија и других фактора може утицати и на различите циљне органе.

Акутни ефекти настају након ограничене изложености и убрзо (сати, дани) након излагања и могу бити реверзибилни или неповратни.

Хронични ефекти настају након дужег излагања (месеци, године, деценије) и/или трају након престанка излагања.

Акутна излагање је изложеност кратког трајања, док хронична изложеност је дуготрајна (понекад доживотна) изложеност.

Толеранција на хемикалију може доћи када поновљена излагања резултирају нижим одговором од онога што би се очекивало без претходног третмана.

Пријем и диспозиција

Транспортни процеси

радиодифузија. Да би ушла у организам и стигла до места на коме настаје оштећење, страна супстанца мора да прође неколико баријера, укључујући ћелије и њихове мембране. Већина токсичних супстанци пролази кроз мембране пасивно дифузијом. Ово се може десити за мале молекуле растворљиве у води проласком кроз водене канале или, за оне растворљиве у мастима, растварањем у и дифузијом кроз липидни део мембране. Етанол, мали молекул који је растворљив и у води и у мастима, брзо дифундује кроз ћелијске мембране.

Дифузија слабих киселина и база. Слабе киселине и базе могу лако да прођу кроз мембране у свом нејонизованом облику растворљивом у мастима, док су јонизовани облици сувише поларни да би могли да прођу. Степен јонизације ових супстанци зависи од пХ. Ако постоји пХ градијент преко мембране, они ће се акумулирати на једној страни. Излучивање слабих киселина и база урина у великој мери зависи од пХ вредности урина. Фетални или ембрионални пХ је нешто виши од пХ вредности мајке, што изазива благо накупљање слабих киселина у фетусу или ембриону.

Олакшана дифузија. Пролаз супстанце може бити олакшан носачима у мембрани. Олакшана дифузија је слична ензимским процесима по томе што је посредована протеинима, високо селективна и засићена. Друге супстанце могу инхибирати олакшани транспорт ксенобиотика.

Активни превоз. Неке супстанце се активно транспортују кроз ћелијске мембране. Овај транспорт је посредован протеинима носачима у процесу аналогном оном код ензима. Активни транспорт је сличан олакшаној дифузији, али се може десити против градијента концентрације. Захтева унос енергије и метаболички инхибитор може блокирати процес. Већина загађивача животне средине се не транспортује активно. Један изузетак је активна тубуларна секреција и реапсорпција метаболита киселине у бубрезима.

Пхагоцитосис је процес у коме специјализоване ћелије као што су макрофаги гутају честице ради накнадног варења. Овај транспортни процес је важан, на пример, за уклањање честица у алвеолама.

Највећи проток. Супстанце се такође транспортују у телу заједно са кретањем ваздуха у респираторном систему током дисања, као и кретањем крви, лимфе или урина.

Филтрација. Због хидростатског или осмотског притиска вода тече у ринфузи кроз поре у ендотелу. Сваки раствор који је довољно мали биће филтриран заједно са водом. Филтрација се у извесној мери јавља у капиларном кориту у свим ткивима, али је посебно важна у формирању примарног урина у бубрежним гломерулима.

Апсорпција

Апсорпција је унос супстанце из околине у организам. Појам обично укључује не само улазак у баријерно ткиво већ и даљи транспорт у крв која циркулише.

Плућна апсорпција. Плућа су примарни пут депозиције и апсорпције малих честица у ваздуху, гасова, пара и аеросола. За гасове и паре који су високо растворљиви у води, значајан део апсорпције се дешава у носу и респираторном стаблу, али за мање растворљиве супстанце првенствено се одвија у плућним алвеолама. Алвеоле имају веома велику површину (око 100м2 код људи). Поред тога, дифузиона баријера је изузетно мала, са само два танка слоја ћелија и растојањем реда микрометара од алвеоларног ваздуха до системске циркулације крви. То чини плућа веома ефикасним не само у размени кисеоника и угљен-диоксида већ и других гасова и пара. Генерално, дифузија преко алвеоларног зида је толико брза да не ограничава апсорпцију. Брзина апсорпције уместо тога зависи од протока (пулмонална вентилација, минутни волумен срца) и растворљивости (крв: коефицијент расподеле ваздуха). Други важан фактор је метаболичка елиминација. Релативни значај ових фактора за плућну апсорпцију увелико варира за различите супстанце. Физичка активност доводи до повећане плућне вентилације и минутног волумена, и смањеног протока крви у јетри (а самим тим и стопе биотрансформације). За многе инхалационе супстанце то доводи до значајног повећања плућне апсорпције.

Перкутана апсорпција. Кожа је веома ефикасна баријера. Осим своје терморегулаторне улоге, дизајниран је да штити организам од микроорганизама, ултраљубичастог зрачења и других штетних агенаса, као и од прекомерног губитка воде. Удаљеност дифузије у дермису је реда десетина милиметара. Поред тога, кератински слој има веома високу отпорност на дифузију за већину супстанци. Ипак, може доћи до значајне дермалне апсорпције која резултира токсичношћу за неке супстанце — високо токсичне супстанце растворљиве у мастима као што су органофосфорни инсектициди и органски растварачи, на пример. Вероватно ће доћи до значајне апсорпције након излагања течним супстанцама. Перкутана апсорпција паре може бити важна за раствараче са веома ниским притиском паре и високим афинитетом према води и кожи.

Гастроинтестинална апсорпција јавља се након случајног или намерног гутања. Веће честице које су првобитно удахнуте и депоноване у респираторном тракту могу се прогутати након мукоцилијарног транспорта до фаринкса. Практично све растворљиве супстанце се ефикасно апсорбују у гастроинтестиналном тракту. Низак пХ црева може олакшати апсорпцију, на пример, метала.

Друге руте. У тестирању токсичности и другим експериментима, посебни путеви примене се често користе ради погодности, иако су ретки и обично нису релевантни у окружењу на послу. Ови путеви укључују интравенске (ИВ), субкутане (сц), интраперитонеалне (ип) и интрамускуларне (им) ињекције. Генерално, супстанце се апсорбују већом брзином и потпуније овим путевима, посебно након ИВ ињекције. Ово доводи до краткотрајних, али високих пикова концентрације који могу повећати токсичност дозе.

Дистрибуција

Дистрибуција супстанце у организму је динамичан процес који зависи од брзине узимања и елиминације, као и од протока крви до различитих ткива и њихових афинитета за супстанцу. Мали, ненаелектрисани молекули растворљиви у води, једновалентни катјони и већина ањона лако се дифундују и на крају ће достићи релативно равномерну дистрибуцију у телу.

Обим дистрибуције је количина супстанце у телу у датом тренутку, подељена са концентрацијом у крви, плазми или серуму у том тренутку. Вредност нема значење као физичка запремина, јер многе супстанце нису равномерно распоређене у организму. Волумен дистрибуције мањи од једног л/кг телесне тежине указује на преференцијалну дистрибуцију у крви (или серуму или плазми), док вредност изнад једне указује на преференцију периферних ткива као што је масно ткиво за супстанце растворљиве у масти.

Акумулација је накупљање супстанце у ткиву или органу до виших нивоа него у крви или плазми. Такође се може односити на постепено накупљање током времена у организму. Многи ксенобиотици су високо растворљиви у мастима и имају тенденцију да се акумулирају у масном ткиву, док други имају посебан афинитет за кости. На пример, калцијум у костима се може заменити за катјоне олова, стронцијума, баријума и радијума, а хидроксилне групе у костима могу се заменити за флуор.

Барриерс. Крвни судови у мозгу, тестисима и плаценти имају посебне анатомске карактеристике које инхибирају пролаз великих молекула попут протеина. Ове карактеристике, које се често називају крвно-мозак, крвно-тестиси и крвно-плаценте баријере, могу дати лажан утисак да спречавају пролаз било које супстанце. Ове баријере су од мале или никакве важности за ксенобиотике који могу да дифундују кроз ћелијске мембране.

Везивање крви. Супстанце могу бити везане за црвена крвна зрнца или компоненте плазме, или се могу појавити невезане у крви. Угљенмоноксид, арсен, органска жива и хексавалентни хром имају висок афинитет према црвеним крвним зрнцима, док неорганска жива и тровалентни хром преферирају протеине плазме. Бројне друге супстанце се такође везују за протеине плазме. Само невезана фракција је доступна за филтрацију или дифузију у елиминационе органе. Везивање крви стога може повећати време задржавања у организму, али смањити узимање у циљним органима.

Елиминација

Елиминација је нестанак супстанце у телу. Елиминација може укључивати излучивање из тела или трансформацију у друге супстанце које нису обухваћене специфичном методом мерења. Брзина нестанка се може изразити константом брзине елиминације, биолошким полувремену или клиренсом.

Крива концентрација-време. Крива концентрације у крви (или плазми) у односу на време је погодан начин за описивање уноса и диспозиције ксенобиотика.

Површина испод кривине (АУЦ) је интеграл концентрације у крви (плазми) током времена. Када су метаболичка засићеност и други нелинеарни процеси одсутни, АУЦ је пропорционална апсорбованој количини супстанце.

Биолошко полувреме (или полуживот) је време потребно након завршетка излагања да се количина у организму смањи на половину. Пошто је често тешко проценити укупну количину супстанце, користе се мерења као што је концентрација у крви (плазми). Полувреме треба користити са опрезом, јер се може променити, на пример, са дозом и дужином излагања. Поред тога, многе супстанце имају сложене криве распадања са неколико полувремена.

биолошка расположивост је део примењене дозе који улази у системску циркулацију. У недостатку предсистемског клиренса, или метаболизам првог проласка, разломак је један. При оралној изложености пресистемски клиренс може бити последица метаболизма у гастроинтестиналном садржају, зиду црева или јетри. Метаболизам првог пролаза ће смањити системску апсорпцију супстанце и уместо тога повећати апсорпцију метаболита. Ово може довести до другачијег обрасца токсичности.

зазор је запремина крви (плазме) у јединици времена потпуно очишћене од супстанце. Да би се разликовао од бубрежног клиренса, на пример, често се додаје префикс тотал, метаболички или крв (плазма).

Унутрашњи клиренс је капацитет ендогених ензима да трансформишу супстанцу, а такође се изражава у запремини у јединици времена. Ако је унутрашњи клиренс у органу много мањи од протока крви, каже се да је метаболизам ограничен капацитетом. Супротно томе, ако је унутрашњи клиренс много већи од протока крви, метаболизам је ограничен протоком.

Излучивање

Излучивање је излазак супстанце и њених производа биотрансформације из организма.

Излучивање у урину и жучи. Бубрези су најважнији органи за излучивање. Неке супстанце, посебно киселине велике молекуларне тежине, излучују се жучом. Део супстанци излучених жучом може се реапсорбовати у цревима. Овај процес, ентерохепатична циркулација, уобичајено је за коњуговане супстанце након цревне хидролизе коњугата.

Други путеви излучивања. Неке супстанце, као што су органски растварачи и продукти распадања као што је ацетон, довољно су испарљиве тако да се знатна фракција може излучити издисајем након удисања. Мали молекули растворљиви у води, као и молекули растворљиви у мастима, лако се излучују у фетус преко плаценте, а код сисара у млеко. За мајку, лактација може бити квантитативно важан пут излучивања упорних хемикалија растворљивих у мастима. Потомство може бити секундарно изложено преко мајке током трудноће, као и током лактације. Једињења растворљива у води могу се донекле излучити знојем и пљувачком. Ове руте су углавном од мањег значаја. Међутим, пошто се ствара и прогута велика количина пљувачке, излучивање пљувачке може допринети реапсорпцији једињења. Неки метали као што је жива се излучују трајним везивањем за сулфхидрилне групе кератина у коси.

Токсикокинетички модели

Математички модели су важни алати за разумевање и описивање уноса и одлагања страних супстанци. Већина модела је компартментална, односно организам је представљен једним или више одељака. Компартмент је хемијски и физички теоријска запремина у којој се претпоставља да се супстанца дистрибуира хомогено и тренутно. Једноставни модели се могу изразити као збир експоненцијалних чланова, док компликованији захтевају нумеричке процедуре на рачунару за њихово решавање. Модели се могу поделити у две категорије, дескриптивне и физиолошке.

In описни модела, прилагођавање измереним подацима се врши променом нумеричких вредности параметара модела или чак саме структуре модела. Структура модела обично нема много везе са структуром организма. Предности дескриптивног приступа су што се прави мало претпоставки и што нема потребе за додатним подацима. Недостатак дескриптивних модела је њихова ограничена корисност за екстраполације.

Физиолошки модели конструисани су на основу физиолошких, анатомских и других независних података. Модел се затим прерађује и потврђује поређењем са експерименталним подацима. Предност физиолошких модела је што се могу користити у сврхе екстраполације. На пример, утицај физичке активности на унос и диспозицију инхалираних супстанци може се предвидети на основу познатих физиолошких прилагођавања вентилације и минутног волумена срца. Недостатак физиолошких модела је што захтевају велику количину независних података.

Биотрансформација

Биотрансформација је процес који доводи до метаболичке конверзије страних једињења (ксенобиотика) у телу. Процес се често назива метаболизам ксенобиотика. Као опште правило, метаболизам претвара ксенобиотике растворљиве у липидима у велике метаболите растворљиве у води који се могу ефикасно излучити.

Јетра је главно место биотрансформације. Сви ксенобиотици који се уносе из црева транспортују се у јетру једним крвним судом (вена порта). Ако се унесе у малим количинама, страна супстанца се може потпуно метаболисати у јетри пре него што дође до опште циркулације и других органа (ефекат првог пролаза). Инхалирани ксенобиотици се дистрибуирају преко опште циркулације до јетре. У том случају се само део дозе метаболише у јетри пре него што стигне до других органа.

Ћелије јетре садрже неколико ензима који оксидирају ксенобиотике. Ова оксидација генерално активира једињење - оно постаје реактивније од матичног молекула. У већини случајева оксидовани метаболит се даље метаболише другим ензимима у другој фази. Ови ензими коњугују метаболит са ендогеним супстратом, тако да молекул постаје већи и поларнији. Ово олакшава излучивање.

Ензими који метаболишу ксенобиотике присутни су и у другим органима као што су плућа и бубрези. У овим органима они могу играти специфичне и квалитативно важне улоге у метаболизму одређених ксенобиотика. Метаболити формирани у једном органу могу се даље метаболисати у другом органу. Бактерије у цревима такође могу учествовати у биотрансформацији.

Метаболити ксенобиотика могу се излучити бубрезима или путем жучи. Такође се могу издахнути кроз плућа или везати за ендогене молекуле у телу.

Однос између биотрансформације и токсичности је сложен. Биотрансформација се може посматрати као неопходан процес за преживљавање. Штити организам од токсичности спречавајући накупљање штетних материја у телу. Међутим, у биотрансформацији се могу формирати реактивни посредни метаболити, који су потенцијално штетни. Ово се зове метаболичка активација. Дакле, биотрансформација такође може изазвати токсичност. Оксидовани, посредни метаболити који нису коњуговани могу се везати и оштетити ћелијске структуре. Ако се, на пример, ксенобиотски метаболит веже за ДНК, може се изазвати мутација (погледајте „Генетичка токсикологија”). Ако је систем биотрансформације преоптерећен, може доћи до масовног уништења есенцијалних протеина или липидних мембрана. Ово може довести до смрти ћелије (погледајте „Повреда ћелије и ћелијска смрт“).

Метаболизам је реч која се често користи наизменично са биотрансформацијом. Означава реакције хемијског распада или синтезе које катализирају ензими у телу. Хранљиве материје из хране, ендогена једињења и ксенобиотици се метаболишу у телу.

Метаболичка активација значи да се мање реактивно једињење претвара у реактивнији молекул. Ово се обично дешава током реакција Фазе 1.

Метаболичка инактивација значи да се активни или токсични молекул претвара у мање активан метаболит. Ово се обично дешава током реакција Фазе 2. У одређеним случајевима инактивирани метаболит може бити реактивиран, на пример ензимским цепањем.

Фаза 1 реакција односи се на први корак у метаболизму ксенобиотика. То обично значи да је једињење оксидовано. Оксидација обично чини једињење растворљивијим у води и олакшава даље реакције.

Ензими цитокром П450 су група ензима који првенствено оксидирају ксенобиотике у реакцијама фазе 1. Различити ензими су специјализовани за руковање специфичним групама ксенобиотика са одређеним карактеристикама. Ендогени молекули су такође супстрати. Ензими цитокрома П450 се индукују ксенобиотицима на специфичан начин. Добијање индукционих података о цитохрому П450 може бити информативно о природи претходних изложености (видети „Генетске детерминанте токсичног одговора”).

Фаза 2 реакција односи се на други корак у метаболизму ксенобиотика. То обично значи да је оксидовано једињење коњуговано са (повезано) са ендогеним молекулом. Ова реакција додатно повећава растворљивост у води. Многи коњуговани метаболити се активно излучују преко бубрега.

Трансферазе су група ензима који катализују реакције фазе 2. Они коњугују ксенобиотике са ендогеним једињењима као што су глутатион, аминокиселине, глукуронска киселина или сулфат.

Глутатион је ендогени молекул, трипептид, који је коњугован са ксенобиотицима у Фази 2 реакција. Присутан је у свим ћелијама (и у ћелијама јетре у високим концентрацијама), и обично штити од активираних ксенобиотика. Када се глутатион исцрпи, може доћи до токсичних реакција између активираних ксенобиотских метаболита и протеина, липида или ДНК.

Индукција значи да су ензими укључени у биотрансформацију повећани (у активности или количини) као одговор на излагање ксенобиотицима. У неким случајевима у року од неколико дана активност ензима може се повећати неколико пута. Индукција је често уравнотежена тако да се реакције фазе 1 и фазе 2 повећавају истовремено. Ово може довести до брже биотрансформације и може објаснити толеранцију. Насупрот томе, неуравнотежена индукција може повећати токсичност.

Инхибитион до биотрансформације може доћи ако се два ксенобиотика метаболишу истим ензимом. Два супстрата морају да се такмиче, а обично се даје предност једном од супстрата. У том случају се други супстрат не метаболише, или се само споро метаболише. Као и код индукције, инхибиција се може повећати, али и смањити токсичност.

Активација кисеоником могу изазвати метаболити одређених ксенобиотика. Они могу аутооксидирати под производњом активираних врста кисеоника. Ове врсте добијене кисеоником, које укључују супероксид, водоник пероксид и хидроксилни радикал, могу оштетити ДНК, липиде и протеине у ћелијама. Активација кисеоника је такође укључена у инфламаторне процесе.

Генетска варијабилност између појединаца се види у многим генима који кодирају ензиме Фазе 1 и Фазе 2. Генетска варијабилност може објаснити зашто су одређене особе подложније токсичним ефектима ксенобиотика од других.

 

Назад

Понедељак, КСНУМКС децембар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Токсикокинетика

Људски организам представља сложен биолошки систем на различитим нивоима организације, од молекуларно-ћелијског нивоа до ткива и органа. Организам је отворен систем, који размењује материју и енергију са околином кроз бројне биохемијске реакције у динамичкој равнотежи. Животна средина може бити загађена, или контаминирана разним отровима.

Продор молекула или јона токсиканата из радног или животног окружења у тако снажно координиран биолошки систем може реверзибилно или неповратно пореметити нормалне ћелијске биохемијске процесе, или чак повредити и уништити ћелију (погледајте „Повреде ћелије и ћелијска смрт“).

Пенетрација токсиканата из околине до места његовог токсичног дејства унутар организма може се поделити у три фазе:

  1. Фаза експозиције обухвата све процесе који се одвијају између различитих токсиканата и/или утицаја на њих фактора средине (светлости, температуре, влажности итд.). Може доћи до хемијских трансформација, деградације, биоразградње (од стране микроорганизама) као и дезинтеграције токсичних материја.
  2. Токсикокинетичка фаза обухвата апсорпцију токсиканата у организам и све процесе који прате транспорт телесним течностима, дистрибуцију и акумулацију у ткивима и органима, биотрансформацију у метаболите и елиминацију (излучивање) токсиканата и/или метаболита из организма.
  3. Токсикодинамичка фаза се односи на интеракцију токсичних супстанци (молекула, јона, колоида) са специфичним местима деловања на или унутар ћелија – рецепторима – што на крају производи токсични ефекат.

 

Овде ћемо се фокусирати искључиво на токсикокинетичке процесе у људском организму након излагања токсикантима из околине.

Молекули или јони токсиканата присутни у животној средини продиру у организам преко коже и слузокоже, односно епителних ћелија респираторног и гастроинтестиналног тракта, у зависности од тачке уласка. То значи да молекули и јони токсиканата морају продрети кроз ћелијске мембране ових биолошких система, као и кроз замршени систем ендомембрана унутар ћелије.

Сви токсикокинетички и токсикодинамички процеси одвијају се на молекуларно-ћелијском нивоу. Бројни фактори утичу на ове процесе и они се могу поделити у две основне групе:

  • хемијски састав и физичко-хемијска својства токсиканата
  • структура ћелије посебно својства и функције мембрана око ћелије и њених унутрашњих органела.

 

Физичко-хемијска својства токсичних супстанци

Године 1854. руски токсиколог ЕВ Пеликан започео је студије о односу између хемијске структуре супстанце и њене биолошке активности – однос структурне активности (САР). Хемијска структура директно одређује физичко-хемијске особине, од којих су неке одговорне за биолошку активност.

За дефинисање хемијске структуре као дескриптори се могу изабрати бројни параметри, који се могу поделити у различите групе:

1. Физичко-хемијски:

  • опште - тачка топљења, тачка кључања, притисак паре, константа дисоцијације (пКa)
  • електрични—јонизациони потенцијал, диелектрична константа, диполни момент, однос маса: наелектрисање итд.
  • квантна хемикалија — атомски набој, енергија везе, енергија резонанце, електронска густина, молекуларна реактивност итд.

 

 2. Стерић: запремина молекула, облик и површина, облик подструктуре, молекуларна реактивност итд.
 3. Структурно: број веза број прстенова (у полицикличним једињењима), степен гранања итд.

 

За сваки токсикант потребно је одабрати скуп дескриптора везаних за одређени механизам деловања. Међутим, са токсикокинетичке тачке гледишта, два параметра су од општег значаја за све токсиканте:

  • Нернстов коефицијент расподеле (П) утврђује растворљивост токсичних молекула у двофазном систему октанол (уље)-вода, у корелацији са њиховом липо- или хидросолубилношћу. Овај параметар ће у великој мери утицати на дистрибуцију и акумулацију токсичних молекула у организму.
  • Константа дисоцијације (пКa) дефинише степен јонизације (електролитичке дисоцијације) молекула токсичног средства у наелектрисане катјоне и ањоне при одређеном пХ. Ова константа представља пХ при којем се постиже 50% јонизација. Молекули могу бити липофилни или хидрофилни, али су јони растворљиви искључиво у води телесних течности и ткива. Познавање пКa могуће је израчунати степен јонизације супстанце за сваки пХ помоћу Хендерсон-Хаселбахове једначине.

 

За удахнуту прашину и аеросоле, величина честица, облик, површина и густина такође утичу на њихову токсикокинетику и токсикодинамику.

Структура и својства мембрана

Еукариотска ћелија људских и животињских организама окружена је цитоплазматском мембраном која регулише транспорт супстанци и одржава ћелијску хомеостазу. Ћелијске органеле (нуклеус, митохондрије) такође поседују мембране. Ћелијска цитоплазма је подељена на сложене мембранске структуре, ендоплазматски ретикулум и Голгијев комплекс (ендомембране). Све ове мембране су структурно сличне, али се разликују по садржају липида и протеина.

Структурни оквир мембране је двослојни молекули липида (фосфолипиди, сфинголипиди, холестерол). Окосницу молекула фосфолипида чини глицерол са две његове -ОХ групе естерификоване алифатичним масним киселинама са 16 до 18 атома угљеника, а трећа група естерификована фосфатном групом и азотним једињењем (холин, етаноламин, серин). У сфинголипидима, сфингозин је база.

Молекул липида је амфипатичан јер се састоји од поларне хидрофилне „главе“ (амино алкохол, фосфат, глицерол) и неполарног близаначког „репа“ (масне киселине). Липидни двослој је распоређен тако да хидрофилне главе чине спољашњу и унутрашњу површину мембране, а липофилни репови су растегнути према унутрашњости мембране, која садржи воду, различите јоне и молекуле.

Протеини и гликопротеини се убацују у липидни двослој (интринзични протеини) или су причвршћени за површину мембране (спољни протеини). Ови протеини доприносе структурном интегритету мембране, али могу да делују и као ензими, носачи, зидови пора или рецептори.

Мембрана представља динамичку структуру која се може дезинтегрисати и поново изградити са различитим пропорцијама липида и протеина, у складу са функционалним потребама.

Регулација транспорта супстанци у и из ћелије представља једну од основних функција спољашње и унутрашње мембране.

Неки липофилни молекули пролазе директно кроз липидни двослој. Хидрофилни молекули и јони се транспортују преко пора. Мембране реагују на промене услова отварањем или затварањем одређених пора различитих величина.

Следећи процеси и механизми су укључени у транспорт супстанци, укључујући токсичне материје, кроз мембране:

  • дифузија кроз липидни двослој
  • дифузија кроз поре
  • транспорт носачем (олакшана дифузија).

 

Активни процеси:

  • активни транспорт превозником
  • ендоцитоза (пиноцитоза).

 

радиодифузија

Ово представља кретање молекула и јона кроз липидни двослој или поре из области високе концентрације, или високог електричног потенцијала, у регион ниске концентрације или потенцијала („низбрдо“). Разлика у концентрацији или електричном наелектрисању је покретачка сила која утиче на интензитет флукса у оба смера. У равнотежном стању, прилив ће бити једнак ефлуксу. Брзина дифузије следи Фикеов закон, наводећи да је директно пропорционална расположивој површини мембране, разлици у градијенту концентрације (наелектрисања) и карактеристичном коефицијенту дифузије, и обрнуто пропорционална дебљини мембране.

Мали липофилни молекули лако пролазе кроз липидни слој мембране, према Нернст-овом партиционом коефицијенту.

Велики липофилни молекули, молекули растворљиви у води и јони користиће водене канале пора за свој пролаз. Величина и стереоконфигурација ће утицати на пролаз молекула. За јоне, поред величине, врста наелектрисања ће бити одлучујућа. Протеински молекули зидова пора могу добити позитиван или негативан набој. Уске поре имају тенденцију да буду селективне – негативно наелектрисани лиганди ће дозволити пролаз само за катјоне, а позитивно наелектрисани лиганди ће дозволити пролаз само за ањоне. Са повећањем пречника пора, хидродинамички проток је доминантан, омогућавајући слободан пролаз јона и молекула, према Поисеуиллеовом закону. Ова филтрација је последица осмотског градијента. У неким случајевима јони могу да продру кроз специфичне комплексне молекуле -јонофори—који могу произвести микроорганизми са антибиотским дејством (нонактин, валиномицин, грамацидин, итд.).

Олакшана или катализована дифузија

Ово захтева присуство носача у мембрани, обично протеинског молекула (пермеазе). Носач селективно везује супстанце, налик комплексу супстрат-ензим. Слични молекули (укључујући токсичне материје) могу да се такмиче за одређени носач док се не достигне тачка засићења. Токсиканци могу да се такмиче за носач и када су неповратно везани за њега транспорт је блокиран. Стопа транспорта је карактеристична за сваку врсту превозника. Ако се транспорт врши у оба смера, то се назива размена дифузија.

Активни превоз

За транспорт неких супстанци виталних за ћелију користи се посебан тип носача који се транспортује против градијента концентрације или електричног потенцијала („узбрдо“). Носач је веома стереоспецифичан и може бити засићен.

За транспорт узбрдо потребна је енергија. Неопходна енергија се добија каталитичким цепањем молекула АТП до АДП помоћу ензима аденозин трифосфатазе (АТП-азе).

Токсиканти могу да ометају овај транспорт компетитивном или неконкурентном инхибицијом носиоца или инхибицијом активности АТП-азе.

Ендоцитоза

Ендоцитоза се дефинише као транспортни механизам у коме ћелијска мембрана окружује материјал савијањем и формира везикулу која га транспортује кроз ћелију. Када је материјал течан, процес се назива пиноцитоза. У неким случајевима материјал је везан за рецептор и овај комплекс се транспортује мембранским везикулом. Ову врсту транспорта посебно користе епителне ћелије гастроинтестиналног тракта, ћелије јетре и бубрега.

Апсорпција токсичних супстанци

Људи су изложени бројним отровима присутним у радном и животном окружењу, који у људски организам могу да продру кроз три главна улазна портала:

  • преко респираторног тракта удисањем загађеног ваздуха
  • преко гастроинтестиналног тракта гутањем контаминиране хране, воде и пића
  • кроз кожу дермалним, кожним продирањем.

 

У случају изложености у индустрији, инхалација представља доминантан начин уласка токсичних супстанци, након чега следи дермална пенетрација. У пољопривреди, изложеност пестицидима путем дермалне апсорпције је скоро једнака случајевима комбиноване инхалације и дермалне пенетрације. Општа популација је највише изложена уносом контаминиране хране, воде и пића, затим удисањем и ређе продирањем у кожу.

Апсорпција преко респираторног тракта

Апсорпција у плућима представља главни пут апсорпције бројних токсиканата који се преносе ваздухом (гасови, паре, испарења, магле, димови, прашина, аеросоли, итд.).

Респираторни тракт (РТ) представља идеалан систем за размену гасова који поседује мембрану површине 30м2 (истек) до 100м2 (дубока инспирација), иза које се налази мрежа од око 2,000км капилара. Систем, развијен еволуцијом, смештен је у релативно мали простор (грудна шупљина) заштићен ребрима.

Анатомски и физиолошки РТ се може поделити у три одељка:

  • горњи део РТ, или назофарингеални (НП), почевши од носних носа и протеже се до фаринкса и ларинкса; овај део служи као систем за климатизацију
  • трахео-бронхијално дрво (ТБ), које обухвата бројне цеви различитих величина, које доводе ваздух у плућа
  • плућни одељак (П), који се састоји од милиона алвеола (ваздушних кеса) распоређених у гроздове.

 

Хидрофилне токсиканте лако апсорбује епител назофарингеалног региона. Цео епител НП и ТБ региона прекривен је филмом воде. Липофилни токсиканти се делимично апсорбују у НП и ТБ, али углавном у алвеолама дифузијом кроз алвеоло-капиларне мембране. Брзина апсорпције зависи од вентилације плућа, минутног волумена (протока крви кроз плућа), растворљивости токсичног средства у крви и брзине његовог метаболизма.

У алвеолама се врши размена гасова. Алвеоларни зид се састоји од епитела, интерстицијалног оквира базалне мембране, везивног ткива и капиларног ендотела. Дифузија токсиканата је веома брза кроз ове слојеве, који имају дебљину од око 0.8 μм. У алвеолама, токсикант се из ваздушне фазе преноси у течну фазу (крв). Брзина апсорпције (дистрибуције ваздуха у крв) токсичног супстанца зависи од његове концентрације у алвеоларном ваздуху и Нернстовог партиционог коефицијента за крв (коефицијента растворљивости).

У крви токсикант се може растворити у течној фази једноставним физичким процесима или везати за крвне ћелије и/или састојке плазме према хемијском афинитету или адсорпцијом. Садржај воде у крви је 75% и, стога, хидрофилни гасови и паре показују високу растворљивост у плазми (нпр. алкохоли). Липофилни токсиканти (нпр. бензен) су обично везани за ћелије или макромолекуле као што је беланчевина.

Од самог почетка излагања у плућима одвијају се два супротна процеса: апсорпција и десорпција. Равнотежа између ових процеса зависи од концентрације токсичног супстанца у алвеоларном ваздуху и крви. На почетку излагања концентрација токсичних супстанци у крви је 0, а задржавање у крви је скоро 100%. Са наставком излагања, постиже се равнотежа између апсорпције и десорпције. Хидрофилни токсиканти ће брзо постићи равнотежу, а брзина апсорпције зависи од плућне вентилације, а не од протока крви. Липофилним токсикантима је потребно дуже време да би се постигла равнотежа, а овде проток незасићене крви управља стопом апсорпције.

Таложење честица и аеросола у РТ зависи од физичких и физиолошких фактора, као и од величине честица. Укратко, што је мања честица то ће дубље продрети у РТ.

Релативно константно ниско задржавање честица прашине у плућима особа које су високо изложене (нпр. рудари) сугерише постојање веома ефикасног система за уклањање честица. У горњем делу РТ (трахео-бронхијални) клиренс врши мукоцилијарно ћебе. У плућном делу делују три различита механизма: (1) мукоцилијарна дека, (2) фагоцитоза и (3) директан продор честица кроз алвеоларни зид.

Првих 17 од 23 грана трахео-бронхијалног стабла поседују трепљасте епителне ћелије. Својим потезима ове цилије непрестано померају слузокожу према устима. Честице таложене на овом мукоцилијарном покривачу ће се прогутати у устима (гутање). Мукозни покривач такође покрива површину алвеоларног епитела, крећући се према мукоцилијарном покривачу. Поред тога, специјализоване покретне ћелије — фагоцити — гутају честице и микроорганизме у алвеолама и мигрирају у два могућа правца:

  • према мукоцилијарном покривачу, који их транспортује до уста
  • кроз међућелијске просторе алвеоларног зида до лимфног система плућа; такође честице могу директно продрети овим путем.

 

Апсорпција преко гастроинтестиналног тракта

Токсиканти се могу прогутати у случају случајног гутања, узимања контаминиране хране и пића или гутања честица очишћених од РТ.

Читав нутритивни канал, од једњака до ануса, у основи је изграђен на исти начин. Слузни слој (епител) је подржан везивним ткивом, а затим мрежом капилара и глатких мишића. Површински епител желуца је веома наборан како би се повећала површина апсорпције/секреције. Подручје црева садржи бројне мале избочине (ресице), које су у стању да апсорбују материјал „упумпавањем“. Активна област за апсорпцију у цревима је око 100м2.

У гастроинтестиналном тракту (ГИТ) сви процеси апсорпције су веома активни:

  •  трансћелијски транспорт дифузијом кроз липидни слој и/или поре ћелијских мембрана, као и филтрацијом пора
  •  параћелијска дифузија кроз спојеве између ћелија
  •  олакшану дифузију и активни транспорт
  •  ендоцитоза и механизам пумпања ресица.

 

Неки токсични јони метала користе специјализоване транспортне системе за есенцијалне елементе: талијум, кобалт и манган користе систем гвожђа, док се чини да олово користи систем калцијума.

Многи фактори утичу на брзину апсорпције токсиканата у различитим деловима ГИТ:

  • физичко-хемијске особине токсиканата, посебно Нернстов коефицијент расподеле и константа дисоцијације; за честице је важна величина честица — што је мања, већа је растворљивост
  • количина хране присутна у ГИТ (ефекат разблаживања)
  • време боравка у сваком делу ГИТ (од неколико минута у устима до једног сата у стомаку до много сати у цревима
  • подручје апсорпције и апсорпциони капацитет епитела
  • локални пХ, који регулише апсорпцију дисоцираних токсиканата; у киселом пХ желуца, недисоцирана кисела једињења ће се брже апсорбовати
  • перисталтику (померање црева мишићима) и локални проток крви
  • секрет желуца и црева претвара токсичне супстанце у мање или више растворљиве производе; жуч је емулгатор који производи више растворљивих комплекса (хидротрофија)
  • комбиновано излагање другим токсичним супстанцама, које могу произвести синергистичке или антагонистичке ефекте у процесима апсорпције
  • присуство агенаса за стварање комплекса/хелата
  • деловањем микрофлоре РТ (око 1.5 кг), око 60 различитих врста бактерија које могу да врше биотрансформацију токсиканата.

 

Неопходно је поменути и ентерохепатичну циркулацију. Поларни токсиканти и/или метаболити (глукурониди и други коњугати) се излучују са жучом у дуоденум. Овде ензими микрофлоре врше хидролизу и ослобођени производи се могу реапсорбовати и транспортовати порталном веном у јетру. Овај механизам је веома опасан у случају хепатотоксичних супстанци, омогућавајући њихову привремену акумулацију у јетри.

У случају токсиканата који се биотрансформишу у јетри у мање токсичне или нетоксичне метаболите, гутање може представљати мање опасан улазни улаз. Након апсорпције у ГИТ-у, ови токсиканти ће се транспортовати порталном веном до јетре, где се могу делимично детоксиковати биотрансформацијом.

Апсорпција кроз кожу (дермална, перкутана)

Кожа (1.8 м2 површине код одрасле особе) заједно са слузокожом телесних отвора покрива површину тела. Представља баријеру против физичких, хемијских и биолошких агенаса, одржава интегритет и хомеостазу тела и обавља многе друге физиолошке задатке.

У основи кожа се састоји од три слоја: епидермиса, праве коже (дермис) и поткожног ткива (хиподермис). Са токсиколошке тачке гледишта, епидермис је овде од највећег интереса. Грађен је од много слојева ћелија. Рожната површина спљоштених, мртвих ћелија (стратум цорнеум) је горњи слој, испод којег се налази непрекидни слој живих ћелија (стратум цорнеум цомпацтум), а затим типична липидна мембрана, а затим стратум луцидум, стратум грамулосум и стратум. слузокоже. Липидна мембрана представља заштитну баријеру, али у длакавим деловима коже кроз њу продиру и фоликули длаке и канали знојних жлезда. Према томе, дермална апсорпција се може десити следећим механизмима:

  • трансепидермална апсорпција дифузијом кроз липидну мембрану (баријеру), углавном липофилним супстанцама (органски растварачи, пестициди, итд.) и у малој мери неким хидрофилним супстанцама кроз поре
  • трансфоликуларна апсорпција око стабљике косе у фоликул длаке, заобилазећи мембранску баријеру; ова апсорпција се дешава само у длакавим деловима коже
  • апсорпција преко канала знојних жлезда, који имају површину попречног пресека од око 0.1 до 1% укупне површине коже (релативна апсорпција је у овој пропорцији)
  • апсорпција кроз кожу при механичким, термичким, хемијским повредама или кожним обољењима; овде су слојеви коже, укључујући липидну баријеру, поремећени и отворен је пут за улазак токсичних и штетних агенаса.

 

Брзина апсорпције кроз кожу зависиће од многих фактора:

  • концентрација токсичног супстанци, врста носача (медиј), присуство других супстанци
  • садржај воде у кожи, пХ, температура, локални проток крви, знојење, површина контаминиране коже, дебљина коже
  • анатомске и физиолошке карактеристике коже због пола, старости, индивидуалних варијација, разлика које се јављају у различитим етничким групама и расама итд.

Транспорт токсиканата крвљу и лимфом

Након апсорпције на било ком од ових улазних врата, токсични супстанци ће доспети у крв, лимфу или друге телесне течности. Крв представља главно средство за транспорт токсиканата и њихових метаболита.

Крв је орган који циркулише течност, преноси неопходни кисеоник и виталне супстанце до ћелија и уклања отпадне продукте метаболизма. Крв такође садржи ћелијске компоненте, хормоне и друге молекуле укључене у многе физиолошке функције. Крв тече унутар релативно добро затвореног циркулаторног система крвних судова под високим притиском, гурнутог активношћу срца. Због високог притиска долази до цурења течности. Лимфни систем представља дренажни систем, у виду фине мреже малих лимфних капилара танких зидова који се гранају кроз мека ткива и органе.

Крв је мешавина течне фазе (плазма, 55%) и чврстих крвних зрнаца (45%). Плазма садржи протеине (албумини, глобулини, фибриноген), органске киселине (млечна, глутаминска, лимунска) и многе друге супстанце (липиди, липопротеини, гликопротеини, ензими, соли, ксенобиотици итд.). Елементи крвних ћелија укључују еритроците (Ер), леукоците, ретикулоците, моноците и тромбоците.

Токсиканти се апсорбују у облику молекула и јона. Неки токсиканти на пХ вредности крви формирају колоидне честице као трећи облик у овој течности. Молекули, јони и колоиди токсиканата имају различите могућности за транспорт у крви:

  •  да се физички или хемијски везују за елементе крви, углавном Ер
  •  да се физички растворе у плазми у слободном стању
  •  да се везују за једну или више врста протеина плазме, у комплексу са органским киселинама или су везани за друге фракције плазме.

 

Већина токсиканата у крви постоји делимично у слободном стању у плазми и делимично везана за еритроците и састојке плазме. Расподела зависи од афинитета токсиканата према овим састојцима. Сви разломци су у динамичкој равнотежи.

Неки токсиканти се преносе крвним елементима — углавном еритроцитима, врло ретко леукоцитима. Токсиканти се могу адсорбовати на површини Ер, или се могу везати за лиганде строме. Ако продру у Ер могу се везати за хем (нпр. угљен моноксид и селен) или за глобин (Сб111, По210). Неки токсиканти које преноси Ер су арсен, цезијум, торијум, радон, олово и натријум. Хексавалентни хром је искључиво везан за Ер, а тровалентни хром за протеине плазме. За цинк се јавља конкуренција између Ер и плазме. Око 96% олова транспортује Ер. Органска жива је углавном везана за Ер, а неорганска жива се углавном преноси албумином из плазме. Мале фракције берилијума, бакра, телура и уранијума носе Ер.

Већина токсиканата се транспортује плазмом или плазма протеинима. Многи електролити су присутни као јони у равнотежи са недисоцираним молекулима слободним или везаним за фракције плазме. Ова јонска фракција токсиканата је веома дифузна, продире кроз зидове капилара у ткива и органе. Гасови и паре се могу растворити у плазми.

Протеини плазме имају укупну површину од око 600 до 800 км2 понуђен за апсорпцију токсичних материја. Молекули албумина поседују око 109 катјонских и 120 ањонских лиганада на располагању јонима. Многи јони су делимично ношени албумином (нпр. бакар, цинк и кадмијум), као и једињења као што су динитро- и орто-крезоли, нитро- и халогеновани деривати ароматичних угљоводоника и феноли.

Молекули глобулина (алфа и бета) транспортују мале молекуле токсичних супстанци, као и неке металне јоне (бакар, цинк и гвожђе) и колоидне честице. Фибриноген показује афинитет за одређене мале молекуле. Многе врсте веза могу бити укључене у везивање токсиканата за протеине плазме: Ван дер Валсове силе, привлачење наелектрисања, повезаност између поларних и неполарних група, водонични мостови, ковалентне везе.

Липопротеини плазме транспортују липофилне токсиканте као што су ПЦБ. Остале фракције плазме такође служе као транспортно средство. Афинитет токсиканата за протеине плазме сугерише њихов афинитет за протеине у ткивима и органима током дистрибуције.

Органске киселине (млечна, глутаминска, лимунска) формирају комплексе са неким токсичним материјама. Земноалкалне и ретке земље, као и неки тешки елементи у облику катјона, комплексирају се и са органским окси- и амино киселинама. Сви ови комплекси су обично дифузиони и лако се дистрибуирају у ткивима и органима.

Физиолошки хелатни агенси у плазми као што су трансферин и металотионеин се такмиче са органским киселинама и аминокиселинама за катјоне да би формирали стабилне хелате.

Слободни јони који се дифузују, неки комплекси и неки слободни молекули лако се уклањају из крви у ткива и органе. Слободна фракција јона и молекула је у динамичкој равнотежи са везаном фракцијом. Концентрација токсичног супстанца у крви ће регулисати брзину његове дистрибуције у ткива и органе, односно његову мобилизацију из њих у крв.

Расподела токсичних супстанци у организму

Људски организам се може поделити на следеће преграде. (1) унутрашњи органи, (2) кожа и мишићи, (3) масно ткиво, (4) везивно ткиво и кости. Ова класификација се углавном заснива на степену васкуларне (крвне) перфузије у опадајућем редоследу. На пример, унутрашњи органи (укључујући мозак), који представљају само 12% укупне телесне тежине, примају око 75% укупне запремине крви. С друге стране, везивно ткиво и кости (15% укупне телесне тежине) добијају само један проценат укупне запремине крви.

Добро прокрвљени унутрашњи органи углавном постижу највећу концентрацију токсиканата за најкраће време, као и равнотежу између крви и овог одељка. Упијање токсичних супстанци у мање прокрвљена ткива је много спорије, али је задржавање веће и трајање задржавања много дуже (акумулација) због ниске перфузије.

За интрацелуларну дистрибуцију токсиканата од великог су значаја три компоненте: садржај воде, липида и протеина у ћелијама различитих ткива и органа. Горе наведени редослед одељака такође помно прати опадајући садржај воде у њиховим ћелијама. Хидрофилни токсиканти ће се брже дистрибуирати у телесне течности и ћелије са високим садржајем воде, а липофилни токсиканти у ћелије са већим садржајем липида (масно ткиво).

Организам поседује неке баријере које ометају продирање неких група токсичних супстанци, углавном хидрофилних, у одређене органе и ткива, као што су:

  • крвно-мождана баријера (цереброспинална баријера), која ограничава продирање великих молекула и хидрофилних токсиканата у мозак и ЦНС; ова баријера се састоји од блиско спојеног слоја ендотелних ћелија; па кроз њега могу продрети липофилни токсиканти
  • плацентну баријеру, која има сличан ефекат на продирање токсиканата у фетус из крви мајке
  • хистохематолошку баријеру у зидовима капилара, која је пропусна за мале и средње молекуле, и за неке веће молекуле, као и за јоне.

 

Као што је раније наведено, само слободни облици токсиканата у плазми (молекули, јони, колоиди) су доступни за продирање кроз зидове капилара који учествују у дистрибуцији. Ова слободна фракција је у динамичкој равнотежи са везаном фракцијом. Концентрација токсиканата у крви је у динамичкој равнотежи са њиховом концентрацијом у органима и ткивима, управљајући задржавањем (акумулацијом) или мобилизацијом из њих.

Стање организма, функционално стање органа (нарочито неурохуморална регулација), хормонска равнотежа и други фактори играју улогу у дистрибуцији.

Задржавање токсиканата у одређеном одељку је углавном привремено и може доћи до прерасподеле у друга ткива. Задржавање и акумулација се заснива на разлици између стопа апсорпције и елиминације. Трајање задржавања у компартменту изражава се биолошким полуживотом. Ово је временски интервал у коме се 50% токсичног супстанца уклања из ткива или органа и редистрибуира, транслоцира или елиминише из организма.

Процеси биотрансформације настају током дистрибуције и задржавања у различитим органима и ткивима. Биотрансформација производи више поларних, више хидрофилних метаболита, који се лакше елиминишу. Ниска стопа биотрансформације липофилног токсиканта ће генерално узроковати његову акумулацију у компартменту.

Токсиканти се могу поделити у четири главне групе према њиховом афинитету, претежном задржавању и акумулацији у одређеном одељку:

  1. Токсиканти растворљиви у телесним течностима равномерно су распоређени према садржају воде у одељцима. Многи моновалентни катјони (нпр. литијум, натријум, калијум, рубидијум) и неки ањони (нпр. хлор, бром), дистрибуирају се према овом обрасцу.
  2. Липофилни токсиканти показују висок афинитет за органе богате липидима (ЦНС) и ткива (масна, масна).
  3. Токсиканте који формирају колоидне честице затим заробљавају специјализоване ћелије ретикулоендотелног система (РЕС) органа и ткива. Тро- и четворовалентни катјони (лантан, цезијум, хафнијум) су распоређени у ОИЕ ткива и органа.
  4. Токсиканти који показују висок афинитет за кости и везивно ткиво (остеотропни елементи, трагачи за костима) укључују двовалентне катјоне (нпр. калцијум, баријум, стронцијум, радон, берилијум, алуминијум, кадмијум, олово).

 

Акумулација у ткивима богатим липидима

„Стандардни човек“ од 70 кг телесне тежине садржи око 15% телесне тежине у облику масног ткива, повећавајући се са гојазношћу до 50%. Међутим, ова липидна фракција није равномерно распоређена. Мозак (ЦНС) је орган богат липидима, а периферни нерви су обавијени мијелинским омотачем богатим липидима и Швановим ћелијама. Сва ова ткива нуде могућност акумулације липофилних токсиканата.

У овај одељак ће бити распоређени бројни неелектролити и неполарни токсиканти са одговарајућим Нернстовим коефицијентом расподеле, као и бројни органски растварачи (алкохоли, алдехиди, кетони, итд.), хлоровани угљоводоници (укључујући органохлорне инсектициде као што је ДДТ), неки инертни гасови (радон) итд.

Масно ткиво ће акумулирати токсичне супстанце због ниске васкуларизације и ниже стопе биотрансформације. Овде накупљање токсиканата може представљати неку врсту привремене „неутрализације“ због недостатка циљева за токсично дејство. Међутим, потенцијална опасност за организам је увек присутна због могућности мобилизације токсиканата из овог одељка назад у циркулацију.

Таложење токсиканата у мозгу (ЦНС) или липидима богатом ткиву мијелинске овојнице периферног нервног система је веома опасно. Неуротоксиканти се таложе овде директно поред својих мета. Токсиканти задржани у ткиву ендокриних жлезда богатом липидима могу изазвати хормонске поремећаје. Упркос крвно-можданој баријери, у мозак (ЦНС) доспевају бројни неуротоксиканти липофилне природе: анестетици, органски растварачи, пестициди, тетраетил олово, органомеркуријали итд.

Задржавање у ретикулоендотелном систему

У сваком ткиву и органу одређени проценат ћелија је специјализован за фагоцитну активност, захватање микроорганизама, честица, колоидних честица и тако даље. Овај систем се назива ретикулоендотелни систем (РЕС), који се састоји од фиксних ћелија као и покретних ћелија (фагоцита). Ове ћелије су присутне у неактивном облику. Повећање горе наведених микроба и честица ће активирати ћелије до тачке засићења.

Токсиканти у облику колоида ће бити заробљени РЕС органа и ткива. Дистрибуција зависи од величине колоидних честица. За веће честице ће се фаворизовати задржавање у јетри. Са мањим колоидним честицама, мање или више уједначена дистрибуција ће се десити између слезине, коштане сржи и јетре. Чишћење колоида из ОИЕ је веома споро, иако се мале честице чисте релативно брже.

Акумулација у костима

Око 60 елемената се може идентификовати као остеотропни елементи или трагачи за костима.

Остеотропни елементи се могу поделити у три групе:

  1. Елементи који представљају или замењују физиолошке састојке кости. Двадесет таквих елемената је присутно у већим количинама. Остали се појављују у траговима. У условима хроничне изложености, токсични метали као што су олово, алуминијум и жива такође могу ући у минералну матрицу коштаних ћелија.
  2. Земноалкалне и други елементи који формирају катјоне са јонским пречником сличним пречнику калцијума су заменљиви са њим у минералу кости. Такође, неки ањони су заменљиви са ањонима (фосфат, хидроксил) минерала костију.
  3. Елементи који формирају микроколоиде (ретке земље) могу се адсорбовати на површини минерала костију.

 

Скелет стандардног човека чини 10 до 15% укупне телесне тежине, што представља велики потенцијални депо за складиштење остеотропних токсиканата. Кост је високо специјализовано ткиво које се по запремини састоји од 54% минерала и 38% органског матрикса. Минерални матрикс кости је хидроксиапатит, Ца10(ПО4)6(ОХ)2 , у коме је однос Ца према П око 1.5 према један. Површина минерала доступног за адсорпцију је око 100м2 по г кости.

Метаболичка активност костију скелета може се поделити у две категорије:

  • активна, метаболичка кост, у којој су процеси ресорпције и формирања нове кости, или ремоделирања постојеће кости, веома опсежни
  • стабилна кост са ниском стопом ремоделирања или раста.

 

Код фетуса, метаболичка кост одојчади и малог детета (погледајте „доступни скелет“) представља скоро 100% скелета. Са годинама се овај проценат метаболичке кости смањује. Уграђивање токсиканата током излагања јавља се у метаболичкој кости иу одељцима који се спорије окрећу.

Уградња токсиканата у кост се дешава на два начина:

  1. За јоне долази до јонске размене са физиолошки присутним катјонима калцијума, или ањонима (фосфат, хидроксил).
  2. За токсиканте који формирају колоидне честице долази до адсорпције на површини минерала.

 

Реакције јонске размене

Коштани минерал, хидроксиапатит, представља сложен систем јонске размене. Катиони калцијума могу се заменити различитим катјонима. Ањони присутни у кости се такође могу заменити ањонима: фосфат са цитратима и карбонатима, хидроксил са флуором. Јони који нису заменљиви могу да се адсорбују на површини минерала. Када се токсични јони инкорпорирају у минерал, нови слој минерала може покрити површину минерала, закопавајући токсикант у структуру костију. Јонска размена је реверзибилан процес, у зависности од концентрације јона, пХ и запремине течности. Тако, на пример, повећање калцијума у ​​исхрани може смањити таложење токсичних јона у решетки минерала. Поменуто је да се са годинама смањује проценат метаболичке кости, иако се јонска размена наставља. Са старењем долази до ресорпције минерала костију, при чему се густина костију заправо смањује. У овом тренутку, токсични састојци у костима се могу ослободити (нпр. олово).

Око 30% јона уграђених у минерале костију је лабаво везано и може се разменити, ухватити природним хелатним агенсима и излучити, са биолошким полуживотом од 15 дана. Осталих 70% је чвршће везано. Мобилизација и излучивање ове фракције показује биолошки полуживот од 2.5 године и више у зависности од типа кости (процеси ремоделирања).

Хелатни агенси (Ца-ЕДТА, пенициламин, БАЛ, итд.) могу да мобилишу значајне количине неких тешких метала, а њихово излучивање урином је значајно повећано.

Колоидна адсорпција

Колоидне честице се адсорбују као филм на површини минерала (100м2 по г) Ван дер Валсовим силама или хемисорпцијом. Овај слој колоида на минералним површинама прекривен је следећим слојем формираних минерала, а токсиканти су више закопани у структуру костију. Брзина мобилизације и елиминације зависи од процеса ремоделирања.

Акумулација у коси и ноктима

Коса и нокти садрже кератин, са сулхидрил групама које могу да хелирају металне катјоне као што су жива и олово.

Дистрибуција токсиканата унутар ћелије

У последње време дистрибуција токсиканата, посебно неких тешких метала, унутар ћелија ткива и органа постаје значајна. Са техникама ултрацентрифугирања, различите фракције ћелије се могу одвојити да би се одредио њихов садржај металних јона и других токсиканата.

Студије на животињама су откриле да се након продирања у ћелију неки метални јони везују за специфичан протеин, металотионеин. Овај протеин ниске молекуларне тежине присутан је у ћелијама јетре, бубрега и других органа и ткива. Његове сулфхидрилне групе могу да вежу шест јона по молекулу. Повећано присуство металних јона индукује биосинтезу овог протеина. Јони кадмијума су најмоћнији индуктор. Металотионеин служи и за одржавање хомеостазе виталних јона бакра и цинка. Металотионеин може да веже цинк, бакар, кадмијум, живу, бизмут, злато, кобалт и друге катјоне.

Биотрансформација и елиминација токсичних супстанци

Током задржавања у ћелијама различитих ткива и органа, токсични супстанци су изложени ензимима који могу да их биотрансформишу (метаболишу) стварајући метаболите. Постоји много путева за елиминацију токсиканата и/или метаболита: издахнутим ваздухом преко плућа, урином преко бубрега, жучи преко ГИТ, знојем преко коже, пљувачком преко слузокоже уста, млеком преко млечне жлезде, а преко косе и ноктију путем нормалног раста и обнове ћелија.

Елиминација апсорбованог токсичног средства зависи од улазног портала. У плућима одмах почиње процес апсорпције/десорпције и токсични састојци се делимично елиминишу издахнутим ваздухом. Елиминација токсиканата апсорбованих другим путевима уласка је продужена и почиње након транспорта крвљу, а на крају се завршава након дистрибуције и биотрансформације. Током апсорпције постоји равнотежа између концентрација токсичног супстанца у крви и ткивима и органима. Излучивање смањује концентрацију токсичног супстанца у крви и може изазвати мобилизацију токсичног средства из ткива у крв.

Многи фактори могу утицати на брзину елиминације токсичних супстанци и њихових метаболита из тела:

  • физичко-хемијске особине токсиканата, посебно Нернстов коефицијент расподеле (П), константа дисоцијације (пКa), поларитет, молекуларна структура, облик и тежина
  • ниво експозиције и време елиминације после излагања
  • улазни портал
  • расподела у деловима тела, који се разликују по курсу са крвљу и крвном перфузијом
  • брзина биотрансформације липофилних токсиканата у више хидрофилне метаболите
  • опште здравствено стање организма, а посебно органа за излучивање (плућа, бубрези, ГИТ, кожа и др.)
  • присуство других токсиканата који могу ометати елиминацију.

 

Овде разликујемо две групе преграда: (1) тхе систем брзе размене— у овим одељцима, концентрација токсиканата у ткиву је слична оној у крви; и (2) тхе систем споре размене, где је концентрација токсиканата у ткиву већа него у крви због везивања и акумулације — масно ткиво, скелет и бубрези могу привремено да задрже неке токсиканте, нпр. арсен и цинк.

Токсикант се може излучити истовремено на два или више путева излучивања. Међутим, обично је једна рута доминантна.

Научници развијају математичке моделе који описују излучивање одређеног токсиканта. Ови модели се заснивају на кретању из једног или оба одељка (системи размене), биотрансформацији и тако даље.

Елиминација издахнутим ваздухом преко плућа

Елиминација преко плућа (десорпција) је типична за токсиканте високе испарљивости (нпр. органски растварачи). На овај начин ће се брзо елиминисати гасови и паре са малом растворљивошћу у крви, док ће се токсични састојци са високом растворљивошћу у крви елиминисати другим путевима.

Органски растварачи које апсорбује ГИТ или кожа се делимично излучују издахнутим ваздухом при сваком проласку крви кроз плућа, ако имају довољан притисак паре. Алкотест који се користи за осумњичене пијане возаче заснива се на овој чињеници. Концентрација ЦО у издахнутом ваздуху је у равнотежи са садржајем ЦО-Хб у крви. Радиоактивни гас радон се појављује у издахнутом ваздуху услед распада радијума нагомиланог у скелету.

Елиминација токсичног средства издахнутим ваздухом у односу на период после излагања обично се изражава трофазном кривом. Прва фаза представља елиминацију токсиканата из крви, са кратким полуживотом. Друга, спорија фаза представља елиминацију услед размене крви са ткивима и органима (систем брзе размене). Трећа, веома спора фаза је услед размене крви са масним ткивом и скелетом. Ако се токсикант не акумулира у таквим одељцима, крива ће бити двофазна. У неким случајевима је могућа и четворофазна крива.

Одређивање гасова и пара у издахнутом ваздуху у периоду после излагања понекад се користи за процену изложености радника.

Излучивање бубрега

Бубрег је орган специјализован за излучивање бројних токсиканата и метаболита растворљивих у води, одржавајући хомеостазу организма. Сваки бубрег поседује око милион нефрона који могу да врше излучивање. Бубрежна екскреција представља веома сложен догађај који обухвата три различита механизма:

  • гломеруларна филтрација Бовмановом капсулом
  • активни транспорт у проксималном тубулу
  • пасивни транспорт у дисталном тубулу.

 

Излучивање токсичног средства преко бубрега у урину зависи од Нернстовог партиционог коефицијента, константе дисоцијације и пХ урина, величине и облика молекула, брзине метаболизма до хидрофилнијих метаболита, као и здравственог стања бубрега.

Кинетика бубрежног излучивања токсичног супстанца или његовог метаболита може се изразити двофазном, трофазном или четворофазном кривом излучивања, у зависности од дистрибуције одређеног токсиканта у различитим деловима тела који се разликују у брзини размене са крвљу.

Пљувачка

Неки лекови и метални јони могу се излучити кроз слузокожу уста пљувачком — на пример, олово („оловна линија“), жива, арсен, бакар, као и бромиди, јодиди, етил алкохол, алкалоиди и тако даље. Токсиканти се затим гутају и доспевају у ГИТ, где се могу поново апсорбовати или елиминисати фецесом.

Зној

Многи неелектролити могу се делимично елиминисати преко коже знојем: етил алкохол, ацетон, феноли, угљен-дисулфид и хлоровани угљоводоници.

Млеко

Многи метали, органски растварачи и неки органохлорни пестициди (ДДТ) се излучују преко млечне жлезде у мајчино млеко. Овај пут може представљати опасност за дојенчад.

коса

Анализа косе може се користити као индикатор хомеостазе неких физиолошких супстанци. Такође, изложеност неким токсичним супстанцама, посебно тешким металима, може се проценити овом врстом биолошке анализе.

Уклањање токсичних супстанци из тела може се повећати:

  • механичка транслокација путем испирања желуца, трансфузије крви или дијализе
  • стварање физиолошких услова који исхраном мобилишу токсиканте, промена хормонске равнотеже, побољшање бубрежне функције применом диуретика
  • примена агенаса за стварање комплекса (цитрати, оксалати, салицилати, фосфати) или хелатних агенаса (Ца-ЕДТА, БАЛ, АТА, ДМСА, пенициламин); ова метода је индикована само код особа под строгом медицинском контролом. Примена хелатних агенаса се често користи за елиминацију тешких метала из тела изложених радника у току њиховог лечења. Ова метода се такође користи за процену укупног оптерећења тела и нивоа претходне изложености.

 

Одређивање изложености

Одређивање токсиканата и метаболита у крви, издахнутом ваздуху, урину, зноју, фецесу и коси све се више користи за процену изложености људи (тестови изложености) и/или процену степена интоксикације. Стога су границе биолошке изложености (Биолошке МАЦ вредности, Индекси биолошке изложености—БЕИ) недавно успостављене. Ови биолошки тестови показују „унутрашње излагање” организма, односно потпуну изложеност тела у радном и животном окружењу свих улазних врата (видети „Методе токсиколошког испитивања: Биомаркери”).

Комбиновани ефекти због вишеструке експозиције

Људи у радном и/или животном окружењу обично су истовремено или узастопно изложени различитим физичким и хемијским агенсима. Такође, потребно је узети у обзир да неке особе користе лекове, пуше, конзумирају алкохол и храну која садржи адитиве и сл. То значи да се обично јавља вишеструка изложеност. Физички и хемијски агенси могу да интерагују у сваком кораку токсикокинетичких и/или токсикодинамичких процеса, производећи три могућа ефекта:

  1. Независан. Сваки агенс производи другачији ефекат због различитог механизма деловања,
  2. Синергистиц. Комбиновани ефекат је већи него код сваког појединачног агенса. Овде разликујемо два типа: (а) адитивни, где је комбиновани ефекат једнак збиру ефеката које производи сваки агенс посебно и (б) потенцирајући, где је комбиновани ефекат већи од адитива.
  3. Антагонистички. Комбиновани ефекат је мањи од адитива.

 

Међутим, студије о комбинованим ефектима су ретке. Ова врста студије је веома сложена због комбинације различитих фактора и агенаса.

Можемо закључити да када је људски организам изложен два или више токсиканата истовремено или узастопно, потребно је размотрити могућност неких комбинованих ефеката, који могу повећати или смањити брзину токсикокинетичких процеса.

 

Назад

Понедељак, КСНУМКС децембар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Циљни орган и критични ефекти

Приоритетни циљ токсикологије на раду и животне средине је побољшање превенције или значајног ограничавања здравствених ефеката изложености опасним агенсима у општој и професионалној средини. У ту сврху развијени су системи за квантитативну процену ризика у вези са датом изложеношћу (видети одељак „Регулаторна токсикологија“).

Ефекти хемикалије на одређене системе и органе су повезани са величином изложености и да ли је изложеност акутна или хронична. Имајући у виду разноликост токсичних ефеката чак и унутар једног система или органа, предложена је јединствена филозофија која се тиче критичног органа и критичног ефекта у сврху процене ризика и развоја здравствених препоручених граница концентрације токсичних супстанци у различитим срединама животне средине. .

Са становишта превентивне медицине, од посебног је значаја идентификовање раних штетних ефеката, на основу опште претпоставке да спречавање или ограничавање раних ефеката може спречити развој тежих здравствених ефеката.

Такав приступ је примењен на тешке метале. Иако тешки метали, као што су олово, кадмијум и жива, припадају специфичној групи токсичних супстанци код којих хронични ефекат активности зависи од њихове акумулације у органима, дефиниције представљене у наставку објавила је Радна група за токсичност метала (Нордберг 1976).

Дефиниција критичног органа коју је предложила Радна група за токсичност метала усвојена је са малом модификацијом: реч метал је замењен изразом потенцијално токсична супстанца (Дуффус 1993).

Да ли се одређени орган или систем сматра критичним зависи не само од токсикомеханике опасног агенса већ и од пута апсорпције и изложене популације.

  • Критична концентрација за ћелију: концентрација при којој се штетне функционалне промене, реверзибилне или иреверзибилне, јављају у ћелији.
  • Критична концентрација органа: средња концентрација у органу у тренутку када најосетљивији тип ћелија у органу достиже критичну концентрацију.
  • Критички орган: тај одређени орган који први постигне критичну концентрацију метала под одређеним околностима излагања и за дату популацију.
  • Критични ефекат: дефинисана тачка у односу између дозе и ефекта код појединца, односно тачка у којој се јавља нежељени ефекат у ћелијској функцији критичног органа. На нивоу изложености нижем од оног који даје критичну концентрацију метала у критичном органу, могу се јавити неки ефекти који не нарушавају ћелијску функцију пер се, али се могу открити путем биохемијских и других тестова. Такви ефекти се дефинишу као суб-критични ефекти.

 

Биолошко значење субкритичног ефекта понекад није познато; може представљати биомаркер изложености, индекс адаптације или претходник критичног ефекта (погледајте „Методе токсиколошког испитивања: Биомаркери”). Ова друга могућност може бити посебно значајна с обзиром на профилактичке активности.

Табела 1 приказује примере критичних органа и ефеката за различите хемикалије. У хроничној изложености кадмијуму у животној средини, где је пут апсорпције од мањег значаја (концентрација кадмијума у ​​ваздуху се креће од 10 до 20 μг/м3 у урбаним и 1 до 2 μг/м3 у руралним областима), критични орган је бубрег. У радном окружењу где ТЛВ достиже 50μг/м3 а удисање представља главни пут излагања, два органа, плућа и бубрег, сматрају се критичним.

Табела 1. Примери критичних органа и критичних ефеката

Супстанца Критични орган код хроничне изложености Критични ефекат
Кадмијум Плућа Нонтхресхолд:
Рак плућа (јединични ризик 4.6 к 10-3)
  Бубрег Праг:
Повећано излучивање нискомолекуларних протеина (β2 –М, РБП) у урину
  Плућа Емфизем благе промене функције
Довести Одрасли
Хематопоетски систем
Повећано излучивање делта-аминолевулинске киселине у урину (АЛА-У); повећана концентрација слободног еритроцитног протопорфирина (ФЕП) у еритроцитима
  Периферном нервном систему Успоравање брзина проводљивости споријих нервних влакана
жива (елементарна) Млада деца
Централни нервни систем
Смањење коефицијента интелигенције и други суптилни ефекти; живчани тремор (прсти, усне, капци)
жива (жива) Бубрег Протеинурија
Манган Одрасли
Централни нервни систем
Оштећење психомоторних функција
  Деца
Плућа
Респираторни симптоми
  Централни нервни систем Оштећење психомоторних функција
Толуен Слузница Иритација
Винил хлорид Џигерица Рак
(ризик јединице ангиосаркома 1 к 10-6 )
Етил ацетат Слузница Иритација

 

За олово, критични органи код одраслих су хемопоетски и периферни нервни систем, где се критични ефекти (нпр. повишена концентрација протопорфирина у еритроцитима (ФЕП), повећано излучивање делта-аминолевулинске киселине у урину или поремећена проводљивост периферних нерава) манифестују када ниво олова у крви (индекс апсорпције олова у систему) приближава се 200 до 300 μг/л. Код мале деце критичан орган је централни нервни систем (ЦНС), а симптоми дисфункције откривени употребом батерије психолошког теста се јављају у испитиваним популацијама чак и при концентрацијама од око 100 μг/л Пб. у крви.

Формулисан је низ других дефиниција које би могле боље да одражавају значење појма. Према СЗО (1989), критични ефекат је дефинисан као „први нежељени ефекат који се јавља када се достигне гранична (критична) концентрација или доза у критичном органу. Нежељени ефекти, као што је рак, без дефинисане граничне концентрације често се сматрају критичним. Одлука о томе да ли је ефекат критичан је ствар стручне процене.” У Међународном програму за хемијску безбедност (ИПЦС) смернице за развој Документи о критеријумима здравља животне средине, критични ефекат је описан као „штетни ефекат за који се сматра да је најприкладнији за одређивање подношљивог уноса“. Последња дефиниција је формулисана директно у сврху процене граница изложености на основу здравља у општем окружењу. У овом контексту чини се да је најважније одредити који ефекат се може сматрати штетним. Према садашњој терминологији, штетни ефекат је „промена у морфологији, физиологији, расту, развоју или животном веку организма која резултира оштећењем способности да надокнади додатни стрес или повећањем осетљивости на штетне ефекте других утицаја животне средине. Одлука о томе да ли је неки ефекат штетан или не захтева стручну процену.”

Слика 1 приказује хипотетичке криве доза-одговор за различите ефекте. У случају излагања олову, A може представљати субкритични ефекат (инхибиција АЛА-дехидратазе еритроцита), B критични ефекат (повећање цинк протопорфирина у еритроцитима или повећање излучивања делта-аминолевулинске киселине, C клинички ефекат (анемија) и D фатални ефекат (смрт). За излагање олову постоји обиље доказа који илуструју како одређени ефекти излагања зависе од концентрације олова у крви (практична супротност дози), било у облику односа доза-одговор или у односу на различите варијабле (пол, старост, итд. .). Одређивање критичних ефеката и односа доза-одговор за такве ефекте код људи омогућава да се предвиди учесталост датог ефекта за дату дозу или његов пандан (концентрација у биолошком материјалу) у одређеној популацији.

Слика 1. Хипотетичке криве доза-одговор за различите ефекте

ТОКС080Ф1

Критични ефекти могу бити два типа: они за које се сматра да имају праг и они за које може постојати одређени ризик на било ком нивоу изложености (без прага, генотоксични карциногени и мутагени клица). Кад год је могуће, као основу за процену ризика треба користити одговарајуће податке о људима. Да би се одредили гранични ефекти за општу популацију, претпоставке у вези са нивоом изложености (подношљиви унос, биомаркери изложености) морају бити направљене тако да учесталост критичног ефекта у популацији изложеној датом опасном агенсу одговара учесталости тог ефекта у општој популацији. У изложености олову, максимална препоручена концентрација олова у крви за општу популацију (200 μг/л, медијан испод 100 μг/л) (СЗО 1987) је практично испод граничне вредности за претпостављени критични ефекат – повишен ниво протопорфирина у слободним еритроцитима, иако је није испод нивоа повезаног са ефектима на ЦНС код деце или крвним притиском код одраслих. Генерално, ако су подаци из добро спроведених студија људске популације који дефинишу ниво без уочених штетних ефеката основа за процену безбедности, онда се фактор несигурности десет сматра одговарајућим. У случају професионалне изложености критични ефекти се могу односити на одређени део популације (нпр. 10%). Сходно томе, код изложености олову на радном месту, препоручена концентрација олова у крви заснована на здрављу је усвојена да буде 400 мг/л код мушкараца где се 10% нивоа одговора за АЛА-У од 5 мг/л јавља при концентрацијама ПбБ од око 300 до 400 мг/л. . За професионалну изложеност кадмијуму (под претпоставком да је повећано излучивање протеина мале тежине урином критичан ефекат), ниво 200ппм кадмијума у ​​бубрежној кори се сматра прихватљивом вредношћу, јер је овај ефекат примећен код 10% пацијената. изложено становништво. Обе ове вредности се тренутно разматрају за смањење, у многим земљама (тј. 1996).

Не постоји јасан консензус о одговарајућој методологији за процену ризика од хемикалија за које критични ефекат можда нема праг, као што су генотоксични карциногени. Бројни приступи засновани углавном на карактеризацији односа доза-одговор су усвојени за процену таквих ефеката. Због недостатка друштвено-политичког прихватања здравственог ризика узрокованог канцерогенима у документима као што су Смернице за квалитет ваздуха за Европу (СЗО 1987), само вредности као што је јединични животни ризик (тј. ризик повезан са доживотном изложеношћу 1 μг/м3 опасног агенса) приказани су за ефекте који нису гранични (видети „Регулативна токсикологија“).

Тренутно је основни корак у предузимању активности за процену ризика одређивање критичног органа и критичних ефеката. Дефиниције и критичног и штетног ефекта одражавају одговорност одлучивања који од ефеката унутар датог органа или система треба сматрати критичним, а ово је директно повезано са накнадним одређивањем препоручених вредности за дату хемикалију у општој средини. -на пример, Смернице за квалитет ваздуха за Европу (СЗО 1987) или границе професионалне изложености засноване на здрављу (СЗО 1980). Одређивање критичног ефекта унутар опсега субкритичних ефеката може довести до ситуације у којој је у пракси немогуће одржати препоручене границе концентрације токсичних хемикалија у општој или радној средини. Сматрајући да је критичан ефекат који се може преклапати, рани клинички ефекти могу довести до усвајања вредности за које се могу развити нежељени ефекти у неком делу популације. Одлука да ли се дати ефекат треба сматрати критичним или не остаје одговорност стручних група које су специјализоване за процену токсичности и ризика.

 

Назад

Понедељак, КСНУМКС децембар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Утицај старости, пола и других фактора

Често постоје велике разлике међу људима у интензитету одговора на токсичне хемикалије и варијације у осетљивости појединца током живота. Ово се може приписати разним факторима који могу да утичу на брзину апсорпције, дистрибуцију у телу, биотрансформацију и/или брзину излучивања одређене хемикалије. Осим познатих наследних фактора за које је јасно показано да су повезани са повећаном осетљивошћу на хемијску токсичност код људи (видети „Генетске детерминанте токсичног одговора”), други фактори укључују: конституцијске карактеристике везане за узраст и пол; већ постојећа болесна стања или смањење функције органа (ненаследно, тј. стечено); навике у исхрани, пушење, конзумирање алкохола и употреба лекова; истовремена изложеност биотоксинима (различитим микроорганизмима) и физичким факторима (зрачење, влага, екстремно ниске или високе температуре или барометарски притисци посебно релевантни за парцијални притисак гаса), као и истовремене физичке вежбе или ситуације психичког стреса; претходна професионална и/или изложеност животне средине одређеној хемикалији, а посебно истовремена изложеност другим хемикалијама, не нужно токсични (нпр. есенцијални метали). Могући доприноси наведених фактора у повећању или смањењу подложности штетним ефектима на здравље, као и механизми њиховог деловања, специфични су за одређену хемикалију. Стога ће овде бити представљени само најчешћи фактори, основни механизми и неколико карактеристичних примера, док се специфичне информације о свакој појединачној хемикалији могу наћи на другим местима у овој Енциклопедија.

Према фази у којој ови фактори делују (апсорпција, дистрибуција, биотрансформација или излучивање одређене хемикалије), механизми се могу грубо категоризовати према две основне последице интеракције: (1) промена количине хемикалије у циљни орган, односно на месту(има) њеног дејства у организму (токсикокинетичке интеракције), или (2) промена интензитета специфичног одговора на количину хемикалије у циљном органу (токсикодинамичке интеракције) . Најчешћи механизми било које врсте интеракције су повезани са надметањем са другим хемикалијама за везивање за иста једињења која учествују у њиховом транспорту у организму (нпр. специфични серумски протеини) и/или за исти пут биотрансформације (нпр. специфични ензими) што резултира променом брзине или редоследа између почетне реакције и коначног штетног ефекта на здравље. Међутим, и токсикокинетичке и токсикодинамичке интеракције могу утицати на индивидуалну осетљивост на одређену хемикалију. Утицај неколико пратећих фактора може довести до: (а) адитивни ефекти—интензитет комбинованог ефекта једнак је збиру ефеката које производи сваки фактор посебно, (б) синергијски ефекти-интензитет комбинованог ефекта је већи од збира ефеката које производи сваки фактор посебно, или (ц) антагонистички ефекти—интензитет комбинованог ефекта је мањи од збира ефеката које производи сваки фактор посебно.

Количина одређене токсичне хемикалије или карактеристичног метаболита на месту(има) њеног дејства у људском телу може се мање или више проценити биолошким праћењем, односно одабиром исправног биолошког узорка и оптималног времена узимања узорака, узимања узимају у обзир биолошке полуживоте за одређену хемикалију иу критичном органу иу измереном биолошком одељку. Међутим, генерално недостају поуздане информације о другим могућим факторима који би могли да утичу на индивидуалну осетљивост људи, па се стога већина сазнања о утицају различитих фактора заснива на експерименталним подацима на животињама.

Треба нагласити да у неким случајевима постоје релативно велике разлике између људи и других сисара у интензитету одговора на еквивалентан ниво и/или трајању излагања многим токсичним хемикалијама; на пример, чини се да су људи знатно осетљивији на штетне здравствене ефекте неколико токсичних метала него пацови (који се обично користе у експерименталним студијама на животињама). Неке од ових разлика могу се приписати чињеници да путеви транспорта, дистрибуције и биотрансформације различитих хемикалија у великој мери зависе од суптилних промена пХ ткива и редокс равнотеже у организму (као и активности различитих ензима), као и да редокс систем човека се знатно разликује од система пацова.

Ово је очигледно случај са важним антиоксидансима као што су витамин Ц и глутатион (ГСХ), који су од суштинског значаја за одржавање редокс равнотеже и који имају заштитну улогу против штетних ефеката слободних радикала добијених из кисеоника или ксенобиотика који су укључени у разноврсност патолошких стања (Кехрер 1993). Људи не могу ауто-синтетизовати витамин Ц, за разлику од пацова, а нивои, као и стопа обртања ГСХ еритроцита код људи су знатно нижи него код пацова. Људима такође недостају неки од заштитних антиоксидативних ензима, у поређењу са пацовима или другим сисарима (нпр. сматра се да је ГСХ-пероксидаза слабо активна у људској сперми). Ови примери илуструју потенцијално већу рањивост на оксидативни стрес код људи (нарочито у осетљивим ћелијама, нпр. очигледно већу рањивост људске сперме на токсичне утицаје него код пацова), што може резултирати другачијим одговором или већом подложности утицају различити фактори код људи у поређењу са другим сисарима (Телишман 1995).

Утицај старости

У поређењу са одраслима, веома мала деца су често подложнија хемијској токсичности због релативно веће запремине инхалације и брзине гастроинтестиналне апсорпције због веће пермеабилности цревног епитела, као и због незрелих ензимских система за детоксикацију и релативно мањег степена излучивања токсичних хемикалија. . Чини се да је централни нервни систем посебно осетљив у раној фази развоја у погледу неуротоксичности различитих хемикалија, на пример, олова и метил живе. С друге стране, старије особе могу бити подложне због историје излагања хемикалијама и повећаних залиха неких ксенобиотика у телу, или већ постојеће компромитоване функције циљних органа и/или релевантних ензима што доводи до смањене детоксикације и брзине излучивања. Сваки од ових фактора може допринети слабљењу одбране тела — смањењу резервног капацитета, што доводи до повећане осетљивости на накнадно излагање другим опасностима. На пример, ензими цитокрома П450 (укључени у путеве биотрансформације скоро свих токсичних хемикалија) могу бити или индуковани или имају смањену активност због утицаја различитих фактора током живота (укључујући навике у исхрани, пушење, алкохол, употребу лекова и изложеност ксенобиотицима из животне средине).

Утицај пола

За велики број токсичних хемикалија (приближно 200) описане су родне разлике у осетљивости, а такве разлике се налазе код многих врста сисара. Чини се да су мушкарци генерално осетљивији на бубрежне токсине, а жене на токсине из јетре. Узроци различитог одговора између мушкараца и жена повезани су са разликама у различитим физиолошким процесима (нпр. женке су способне за додатно излучивање неких токсичних хемикалија кроз менструални губитак крви, мајчино млеко и/или пренос на фетус, али доживљавају додатни стрес током трудноће, порођаја и лактације), активности ензима, генетских механизама поправке, хормонских фактора или присуства релативно већих депоа масти код жена, што доводи до веће акумулације неких липофилних токсичних хемикалија, као што су органски растварачи и неки лекови .

Утицај навика у исхрани

Навике у исхрани имају важан утицај на осетљивост на хемијску токсичност, углавном зато што је адекватна исхрана неопходна за функционисање хемијског одбрамбеног система тела у одржавању доброг здравља. Адекватан унос есенцијалних метала (укључујући металоиде) и протеина, посебно аминокиселина које садрже сумпор, неопходан је за биосинтезу различитих ензима за детоксикацију и обезбеђивање глицина и глутатиона за реакције коњугације са ендогеним и егзогеним једињењима. Липиди, посебно фосфолипиди, и липотропи (донори метил групе) неопходни су за синтезу биолошких мембрана. Угљени хидрати обезбеђују енергију потребну за различите процесе детоксикације и обезбеђују глукуронску киселину за коњугацију токсичних хемикалија и њихових метаболита. Селен (есенцијални металоид), глутатион и витамини као што су витамин Ц (растворљив у води), витамин Е и витамин А (растворљив у липидима), имају важну улогу као антиоксиданси (нпр. у контроли пероксидације липида и одржавању интегритета ћелијских мембрана) и хватачи слободних радикала за заштиту од токсичних хемикалија. Поред тога, различити састојци у исхрани (садржај протеина и влакана, минерали, фосфати, лимунска киселина, итд.), као и количина конзумиране хране могу у великој мери утицати на стопу гастроинтестиналне апсорпције многих токсичних хемикалија (нпр. просечна стопа апсорпције растворљивих оловне соли које се узимају уз оброке износи око осам процената, за разлику од приближно 60% код испитаника који гладују). Међутим, сама исхрана може бити додатни извор индивидуалне изложености различитим токсичним хемикалијама (нпр. значајно повећан дневни унос и акумулација арсена, живе, кадмијума и/или олова код субјеката који конзумирају контаминирану морску храну).

Утицај пушења

Навика пушења може утицати на индивидуалну осетљивост на многе токсичне хемикалије због разних могућих интеракција које укључују велики број једињења присутних у диму цигарета (нарочито полициклични ароматични угљоводоници, угљен моноксид, бензен, никотин, акролеин, неки пестициде, кадмијум и , у мањој мери олово и други токсични метали итд.), од којих су неки способни да се акумулирају у људском телу током живота, укључујући и пренатални живот (нпр. олово и кадмијум). Интеракције се дешавају углавном зато што се различите токсичне хемикалије такмиче за исто место(а) везивања за транспорт и дистрибуцију у организму и/или за исти пут биотрансформације који укључује одређене ензиме. На пример, неколико састојака дима цигарете може да индукује ензиме цитокрома П450, док други могу смањити њихову активност и на тај начин утицати на уобичајене путеве биотрансформације многих других токсичних хемикалија, као што су органски растварачи и неки лекови. Обилно пушење цигарета током дужег периода може значајно смањити одбрамбене механизме организма смањењем резервног капацитета да се носи са штетним утицајем других фактора животног стила.

Утицај алкохола

Потрошња алкохола (етанола) може утицати на осетљивост на многе токсичне хемикалије на неколико начина. Може утицати на брзину апсорпције и дистрибуцију одређених хемикалија у телу—на пример, повећати брзину гастроинтестиналне апсорпције олова или смањити брзину плућне апсорпције живине паре инхибирањем оксидације која је неопходна за задржавање удахнуте живе паре. Етанол такође може утицати на осетљивост на различите хемикалије кроз краткорочне промене у пХ ткива и повећање редокс потенцијала који је резултат метаболизма етанола, пошто и етанол оксидујући у ацеталдехид и ацеталдехид оксидујући у ацетат производе еквивалент редукованог никотинамид аденин динуклеотида (НАДХ) водоник (Х+). Пошто на афинитет и есенцијалних и токсичних метала и металоида за везивање за различита једињења и ткива утичу пХ и промене у редокс потенцијалу (Телишман 1995), чак и умерен унос етанола може довести до низа последица као што су: ( 1) прерасподела дуготрајно акумулираног олова у људском организму у корист биолошки активне фракције олова, (2) замена есенцијалног цинка оловом у ензимима који садрже цинк, чиме се утиче на активност ензима, односно утицај мобилног олово на дистрибуцију других есенцијалних метала и металоида у организму као што су калцијум, гвожђе, бакар и селен, (3) повећано излучивање цинка урином и сл. Ефекат могућих горе наведених догађаја може бити појачан чињеницом да алкохолна пића могу садржати значајну количину олова из посуда или прераде (Прпић-Мајић и сар. 1984; Телишман и сар. 1984; 1993).

Још један уобичајени разлог за промене осетљивости у вези са етанолом је тај што многе токсичне хемикалије, на пример, различити органски растварачи, деле исти пут биотрансформације који укључује ензиме цитокрома П450. У зависности од интензитета изложености органским растварачима, као и количине и учесталости гутања етанола (тј. акутна или хронична конзумација алкохола), етанол може смањити или повећати стопе биотрансформације различитих органских растварача и тако утицати на њихову токсичност (Сато 1991) .

Утицај лекова

Уобичајена употреба различитих лекова може утицати на осетљивост на токсичне хемикалије углавном зато што се многи лекови везују за протеине у серуму и на тај начин утичу на транспорт, дистрибуцију или брзину излучивања различитих токсичних хемикалија, или зато што су многи лекови способни да индукују релевантне ензиме за детоксикацију или смање њихову активност. (нпр. ензими цитокрома П450), чиме утичу на токсичност хемикалија са истим путем биотрансформације. Карактеристично за било који од механизама је повећано излучивање трихлоросирћетне киселине (метаболита неколико хлорисаних угљоводоника) у урину при употреби салицилата, сулфонамида или фенилбутазона и повећана хепато-нефротоксичност угљен-тетрахлорида када се користи фенобарбитал. Поред тога, неки лекови садрже знатну количину потенцијално токсичних хемикалија, на пример, антациде који садрже алуминијум или препарате који се користе за терапијско лечење хиперфосфатемије која се јавља код хроничне бубрежне инсуфицијенције.

Утицај истовремене изложености другим хемикалијама

Промене у осетљивости на штетне ефекте на здравље услед интеракције различитих хемикалија (тј. могућих адитивних, синергистичких или антагонистичких ефеката) проучаване су скоро искључиво на експерименталним животињама, углавном на пацовима. Недостају релевантне епидемиолошке и клиничке студије. Ово је посебно забрињавајуће имајући у виду релативно већи интензитет одговора или разноврсност штетних ефеката на здравље неколико токсичних хемикалија код људи у поређењу са пацовима и другим сисарима. Осим објављених података из области фармакологије, већина података се односи само на комбинације две различите хемикалије унутар одређених група, као што су разни пестициди, органски растварачи или есенцијални и/или токсични метали и металоиди.

Комбиновано излагање различитим органским растварачима може резултирати различитим адитивним, синергистичким или антагонистичким ефектима (у зависности од комбинације појединих органских растварача, њиховог интензитета и трајања излагања), углавном због способности међусобног утицаја на биотрансформацију (Сато 1991).

Други карактеристичан пример су интеракције и есенцијалних и/или токсичних метала и металоида, јер су они укључени у могући утицај старости (нпр. акумулација олова и кадмијума из животне средине током живота), пола (нпр. уобичајени недостатак гвожђа код жена). ), навике у исхрани (нпр. повећан унос токсичних метала и металоида исхраном и/или недовољан унос есенцијалних метала и металоида исхраном), навика пушења и конзумације алкохола (нпр. додатно излагање кадмијуму, олову и другим токсичним металима) и употреба лекова (нпр. једна доза антацида може довести до 50-струког повећања просечног дневног уноса алуминијума храном). Могућност различитих адитивних, синергистичких или антагонистичких ефеката изложености различитим металима и металоидима код људи може се илустровати основним примерима који се односе на главне токсичне елементе (видети табелу 1), осим којих може доћи до даљих интеракција јер есенцијални елементи такође могу утицати један другог (нпр. добро познати антагонистички ефекат бакра на брзину гастроинтестиналне апсорпције као и метаболизам цинка, и обрнуто). Главни узрок свих ових интеракција је надметање различитих метала и металоида за исто место везивања (посебно сулфхидрилну групу, -СХ) у различитим ензимима, металопротеинима (посебно металотионеину) и ткивима (нпр. ћелијске мембране и баријере органа). Ове интеракције могу имати значајну улогу у настанку неколико хроничних болести које су посредоване дејством слободних радикала и оксидативног стреса (Телишман 1995).

Табела 1. Основни ефекти могућих вишеструких интеракција у вези са главним токсичним и/или есенцијалним металима и маталоидима код сисара

Токсичан метал или металоид Основни ефекти интеракције са другим металом или металоидом
Алуминијум (Ал) Смањује брзину апсорпције Ца и нарушава метаболизам Ца; недостатак Ца у исхрани повећава брзину апсорпције Ал. Оштећује метаболизам фосфата. Подаци о интеракцијама са Фе, Зн и Цу су двосмислени (тј. могућа улога другог метала као посредника).
арсен (ас) Утиче на дистрибуцију Цу (повећање Цу у бубрезима и смањење Цу у јетри, серуму и урину). Оштећује метаболизам Фе (повећање Фе у јетри са истовременим смањењем хематокрита). Зн смањује брзину апсорпције неорганског Ас и смањује токсичност Ас. Се смањује токсичност Ас и обрнуто.
Кадмијум (ЦД) Смањује брзину апсорпције Ца и нарушава метаболизам Ца; недостатак Ца у исхрани повећава брзину апсорпције Цд. Оштећује метаболизам фосфата, односно повећава излучивање фосфата у урину. Оштећује метаболизам Фе; недостатак Фе у исхрани повећава брзину апсорпције Цд. Утиче на дистрибуцију Зн; Зн смањује токсичност Цд, док је његов утицај на брзину апсорпције Цд двосмислен. Се смањује токсичност Цд. Мн смањује токсичност Цд при ниском излагању Цд. Подаци о интеракцији са Цу су двосмислени (тј. могућа улога Зн, или другог метала, као посредника). Високи нивои Пб, Ни, Ср, Мг или Цр(ИИИ) у исхрани могу смањити стопу апсорпције Цд.
Жива (Хг) Утиче на дистрибуцију Цу (повећање Цу у јетри). Зн смањује брзину апсорпције неорганске Хг и смањује токсичност Хг. Се смањује токсичност Хг. Цд повећава концентрацију Хг у бубрезима, али истовремено смањује токсичност Хг у бубрезима (утицај синтезе металотионеина изазване Цд-ом).
Олово (Пб) Оштећује метаболизам Ца; недостатак Ца у исхрани повећава брзину апсорпције неорганског Пб и повећава токсичност Пб. Оштећује метаболизам Фе; Дефицит Фе у исхрани повећава токсичност Пб, док је његов утицај на брзину апсорпције Пб двосмислен. Оштећује метаболизам Зн и повећава излучивање Зн у урину; недостатак Зн у исхрани повећава брзину апсорпције неорганског Пб и повећава токсичност Пб. Се смањује токсичност Пб. Подаци о интеракцијама са Цу и Мг су двосмислени (тј. могућа улога Зн, или другог метала, као посредника).

Напомена: Подаци се углавном односе на експерименталне студије на пацовима, док релевантни клинички и епидемиолошки подаци (посебно у погледу квантитативних односа доза-одговор) генерално недостају (Елсенханс ет ал. 1991; Фергуссон 1990; Телишман ет ал. 1993).

 

Назад

Понедељак, КСНУМКС децембар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Генетске детерминанте токсичног одговора

Одавно је познато да је реакција сваке особе на хемикалије из животне средине различита. Недавна експлозија у молекуларној биологији и генетици донела је јасније разумевање молекуларне основе такве варијабилности. Главне детерминанте индивидуалног одговора на хемикалије укључују важне разлике између више од десет суперфамилија ензима, које се заједнички називају ксенобиотик- (страно за тело) или метаболизам лекова ензими. Иако се улога ових ензима класично сматра детоксикацијом, ти исти ензими такође претварају бројна инертна једињења у високо токсичне интермедијере. Недавно су идентификоване многе суптилне, као и велике разлике у генима који кодирају ове ензиме, за које се показало да доводе до значајних варијација у активности ензима. Сада је јасно да сваки појединац поседује посебан комплемент ензима који метаболишу ксенобиотике; ова разноликост би се могла сматрати „метаболичким отиском прста“. Сложена интеракција ових многих различитих суперфамилија ензима је оно што на крају одређује не само судбину и потенцијал за токсичност хемикалије код сваког појединца, већ и процену изложености. У овом чланку одлучили смо да користимо суперпородицу ензима цитокрома П450 како бисмо илустровали изузетан напредак постигнут у разумевању индивидуалног одговора на хемикалије. Развој релативно једноставних тестова заснованих на ДНК дизајнираних да идентификују специфичне промене гена у овим ензимима, сада пружа прецизније предвиђање индивидуалног одговора на излагање хемикалијама. Надамо се да ће резултат бити превентивна токсикологија. Другим речима, сваки појединац би могао да научи о оним хемикалијама на које је посебно осетљив, чиме би се избегао претходно непредвидива токсичност или рак.

Иако то није опште цењено, људска бића су свакодневно изложена гомили небројених различитих хемикалија. Многе од ових хемикалија су веома токсичне и потичу из широког спектра извора животне средине и исхране. Однос између такве изложености и здравља људи је био и наставља да буде главни фокус биомедицинских истраживања широм света.

Који су неки примери овог хемијског бомбардовања? Изоловано је и окарактерисано више од 400 хемикалија из црног вина. Процењује се да упаљена цигарета производи најмање 1,000 хемикалија. У козметици и парфимисаним сапунима има безброј хемикалија. Још један велики извор изложености хемикалијама је пољопривреда: само у Сједињеним Државама пољопривредна земљишта примају више од 75,000 хемикалија сваке године у облику пестицида, хербицида и средстава за ђубрење; након уноса од стране биљака и животиња на испаши, као и рибе у оближњим воденим токовима, људи (на крају ланца исхране) уносе ове хемикалије. Два друга извора великих концентрација хемикалија које се уносе у тело укључују (а) лекове који се узимају хронично и (б) изложеност опасним супстанцама на радном месту током целог радног века.

Сада је добро утврђено да излагање хемикалијама може негативно утицати на многе аспекте људског здравља, изазивајући хроничне болести и развој многих карцинома. У последњој деценији, молекуларна основа многих од ових односа почела је да се разоткрива. Поред тога, појавила се спознаја да се људи значајно разликују по својој подложности штетним ефектима излагања хемикалијама.

Тренутни напори да се предвиди људски одговор на излагање хемикалијама комбинују два основна приступа (слика 1): праћење обима изложености људи путем биолошких маркера (биомаркера) и предвиђање вероватне реакције појединца на дати ниво изложености. Иако су оба ова приступа изузетно важна, треба нагласити да се ова два изразито разликују један од другог. Овај чланак ће се фокусирати на генетски фактори у основи индивидуалне осетљивости на било коју одређену хемијску изложеност. Ова област истраживања се широко назива екогенетика, Или фармакогенетика (видети Калов 1962 и 1992). Многа недавна достигнућа у одређивању индивидуалне осетљивости на хемијску токсичност су еволуирала из већег уважавања процеса којима људи и други сисари детоксикују хемикалије и изузетне сложености укључених ензимских система.

Слика 1. Међуодноси између процене изложености, етничких разлика, старости, исхране, исхране и процене генетске осетљивости – сви они играју улогу у индивидуалном ризику од токсичности и ракаТОКС050Ф1

Прво ћемо описати варијабилност токсичних одговора код људи. Затим ћемо представити неке од ензима одговорних за такве варијације у одговору, због разлика у метаболизму страних хемикалија. Затим ће бити детаљно описана историја и номенклатура суперфамилије цитокрома П450. Укратко ће бити описано пет хуманих полиморфизама П450, као и неколико полиморфизама који нису П450; они су одговорни за људске разлике у токсичном одговору. Затим ћемо размотрити пример да бисмо нагласили да генетске разлике код појединаца могу утицати на процену изложености, како је утврђено праћењем животне средине. На крају, разговараћемо о улози ових ензима који метаболишу ксенобиотике у критичним животним функцијама.

Варијације у токсичном одговору међу људском популацијом

Токсиколози и фармаколози обично говоре о просечној смртоносној дози за 50% популације (ЛД50), просечна максимална толерисана доза за 50% популације (МТД50), и просечна ефективна доза одређеног лека за 50% популације (ЕД50). Међутим, како ове дозе утичу на сваког од нас на индивидуалној основи? Другим речима, високо осетљива особа може бити 500 пута више погођена или 500 пута већа вероватноћа да ће бити погођена од најотпорније особе у популацији; за ове људе, ЛД50 (и МТД50 и ЕД50) вредности би имале мало значења. ЛД50, МТД50 и ЕД50 вредности су релевантне само када се односи на популацију у целини.

Слика КСНУМКС илуструје хипотетички однос доза-одговор за токсични одговор појединаца у било којој популацији. Овај генерички дијаграм може представљати бронхогени карцином као одговор на број попушених цигарета, хлоракну као функцију нивоа диоксина на радном месту, астму као функцију концентрације озона или алдехида у ваздуху, опекотине од сунца као одговор на ултраљубичасто светло, смањено време згрушавања као функција уноса аспирина, или гастроинтестинални дистрес као одговор на број јалапено конзумиране паприке. Генерално, у сваком од ових случајева, што је већа изложеност, то је већи токсични одговор. Већина популације ће показати средњу вредност и стандардну девијацију токсичног одговора као функцију дозе. „Отпорни излаз“ (доле десно на слици 2) је особа која има мањи одговор на веће дозе или изложеност. „Осетљиви излаз“ (горе лево) је особа која има претерани одговор на релативно малу дозу или изложеност. Ови изузетци, са екстремним разликама у одговору у поређењу са већином појединаца у популацији, могу представљати важне генетске варијанте које могу помоћи научницима у покушају да разумеју основне молекуларне механизме токсичног одговора. 

Слика 2. Генерички однос између било ког токсичног одговора и дозе било ког еколошког, хемијског или физичког агенса

ТОКС050Ф2

Користећи ове изузетне вредности у породичним студијама, научници у бројним лабораторијама су почели да цене значај Менделовог наслеђа за дати токсични одговор. Након тога, може се обратити молекуларној биологији и генетским студијама како би се утврдио основни механизам на нивоу гена (генотип) одговоран за болест узроковану животном средином (фенотип).

Ензими који метаболишу ксенобиотике или лекове

Како тело реагује на безброј егзогених хемикалија којима смо изложени? Људи и други сисари су развили веома сложене метаболичке ензимске системе који се састоје од више од десет различитих суперфамилија ензима. Скоро свака хемикалија којој су људи изложени биће модификована овим ензимима, како би се олакшало уклањање стране супстанце из тела. Заједно, ови ензими се често називају ензими који метаболизирају лекове or ензими који метаболишу ксенобиотике. У ствари, оба термина су погрешна. Прво, многи од ових ензима не метаболишу само лекове, већ стотине хиљада хемикалија из животне средине и исхране. Друго, сви ови ензими такође имају нормална телесна једињења као супстрате; ниједан од ових ензима не метаболише само стране хемикалије.

Више од четири деценије, метаболички процеси посредовани овим ензимима се обично класификују као реакције фазе И или фазе ИИ (слика 3). Реакције фазе И („функционализација“) углавном укључују релативно мале структурне модификације матичне хемикалије путем оксидације, редукције или хидролизе како би се произвео метаболит који је више растворљив у води. Често, реакције Фазе И пружају „ручку“ за даљу модификацију једињења наредним реакцијама Фазе ИИ. Реакције фазе И су првенствено посредоване суперфамилијом веома разноврсних ензима, који се заједнички називају цитохроми П450, иако могу бити укључене и друге суперфамилије ензима (слика 4).

Слика 3. Класична ознака ксенобиотичких или метаболичких ензима фазе И и фазе ИИток050ф4

Слика 4. Примери ензима који метаболишу лек

ТОКС050Т1

Реакције фазе ИИ укључују спајање ендогеног молекула растворљивог у води за хемикалију (матичну хемикалију или метаболит фазе И) како би се олакшало излучивање. Реакције фазе ИИ се често називају реакцијама "коњугације" или "дериватизације". Суперфамилије ензима које катализују реакције фазе ИИ се генерално називају у складу са ендогеним коњугујућим остатком који је укључен: на пример, ацетилација помоћу Н-ацетилтрансфераза, сулфатизација помоћу сулфотрансфераза, коњугација глутатиона помоћу глутатиона глутатиона трансферазе4 (глутатионотрансферон трансферазеXNUMX) . Иако је главни орган метаболизма лекова јетра, нивои неких ензима који метаболишу лек су прилично високи у гастроинтестиналном тракту, гонадама, плућима, мозгу и бубрезима, а такви ензими су несумњиво присутни у одређеној мери у свакој живој ћелији.

Ензими који метаболизирају ксенобиотике представљају двоструку оштрицу Свордс

Како сазнајемо више о биолошким и хемијским процесима који доводе до поремећаја здравља људи, постаје све очигледније да ензими који метаболизирају лекове функционишу на амбивалентан начин (слика 3). У већини случајева, хемикалије растворљиве у липидима се претварају у метаболите растворљиве у води који се лакше излучују. Међутим, јасно је да су у многим приликама исти ензими способни да трансформишу друге инертне хемикалије у високо реактивне молекуле. Ови интермедијери могу затим да ступе у интеракцију са ћелијским макромолекулима као што су протеини и ДНК. Дакле, за сваку хемикалију којој су људи изложени, постоји потенцијал за конкурентне путеве метаболичка активација детоксикација.

Кратак преглед генетике

У људској генетици, сваки ген (локуса) се налази на једном од 23 пара хромозома. Два алела (по један присутан на сваком хромозому у пару) могу бити исти, или се могу разликовати један од другог. На пример, тхе B b алела, у којима B (смеђе очи) доминира над b (плаве очи): појединци фенотипа смеђих очију могу имати или BB or Bb генотипови, док појединци плавооког фенотипа могу имати само bb генотип.

A полиморфизам се дефинише као два или више стабилно наслеђених фенотипа (особина) – изведених из истог гена (гена) – који се одржавају у популацији, често из разлога који нису нужно очигледни. Да би ген био полиморфан, генски производ не сме бити од суштинског значаја за развој, репродуктивну снагу или друге критичне животне процесе. У ствари, „уравнотежени полиморфизам“, где хетерозигот има изразиту предност у преживљавању у односу на било који хомозигот (нпр. отпорност на маларију и алел хемоглобина српастих ћелија) је уобичајено објашњење за одржавање алела у популацији на иначе необјашњивом високом нивоу. фреквенције (види Гонзалес и Неберт 1990).

Хумани полиморфизми ензима који метаболишу ксенобиотике

Генетске разлике у метаболизму различитих лекова и хемикалија из животне средине познате су више од четири деценије (Калов 1962 и 1992). Ове разлике се често називају фармакогенетски или, шире, екогенетски полиморфизми. Ови полиморфизми представљају варијанте алела који се јављају на релативно високој фреквенцији у популацији и генерално су повезани са аберацијама у експресији или функцији ензима. Историјски, полиморфизми су обично идентификовани након неочекиваних одговора на терапеутске агенсе. Недавно је технологија рекомбинантне ДНК омогућила научницима да идентификују прецизне промене у генима који су одговорни за неке од ових полиморфизама. Полиморфизми су сада окарактерисани у многим ензимима који метаболишу лекове — укључујући ензиме фазе И и фазе ИИ. Како се све више и више полиморфизама идентификује, постаје све очигледније да сваки појединац може да поседује посебан комплемент ензима који метаболишу лек. Ова разноликост се може описати као „метаболички отисак прста“. Сложена интеракција различитих суперфамилија ензима који метаболишу лекове унутар сваког појединца ће на крају одредити његов или њен посебан одговор на дату хемикалију (Калов 1962 и 1992; Неберт 1988; Гонзалез и Неберт 1990; Неберт и Вебер 1990).

Изражавање људских ензима који метаболизирају ксенобиотике у ћелији култура

Како бисмо могли развити боље предикторе токсичних реакција људи на хемикалије? Напредак у дефинисању мноштва ензима који метаболишу лек мора бити праћен прецизним знањем о томе који ензими одређују метаболичку судбину појединачних хемикалија. Подаци прикупљени из лабораторијских студија глодара свакако су пружили корисне информације. Међутим, значајне разлике међу врстама у ензимима који метаболишу ксенобиотике захтевају опрез у екстраполацији података на људске популације. Да би превазишле ову потешкоћу, многе лабораторије су развиле системе у којима се различите ћелијске линије у култури могу конструисати да производе функционалне људске ензиме који су стабилни иу високим концентрацијама (Гонзалез, Цреспи и Гелбоин 1991). Успешна производња хуманих ензима постигнута је у различитим различитим ћелијским линијама из извора укључујући бактерије, квасац, инсекте и сисаре.

Да би се још прецизније дефинисао метаболизам хемикалија, више ензима такође су успешно произведени у једној ћелијској линији (Гонзалез, Цреспи и Гелбоин 1991). Такве ћелијске линије пружају драгоцен увид у прецизне ензиме укључене у метаболичку обраду било ког датог једињења и вероватно токсичних метаболита. Ако се ове информације могу комбиновати са знањем у вези са присуством и нивоом ензима у људским ткивима, ови подаци би требало да пруже вредне предикторе одговора.

Цитоцхроме ПКСНУМКС

Историја и номенклатура

Суперфамилија цитокрома П450 је једна од највише проучаваних суперфамилија ензима за метаболизам лекова, која има велику индивидуалну варијабилност као одговор на хемикалије. Цитохром П450 је погодан генерички термин који се користи за описивање велике суперфамилије ензима који су кључни у метаболизму безбројних ендогених и егзогених супстрата. Термин цитохром П450 је први пут скован 1962. да опише непознато пигмент у ћелијама које су, када су редуковане и везане за угљен моноксид, произвеле карактеристичан пик апсорпције на 450 нм. Од раних 1980-их, технологија клонирања цДНК довела је до изванредних увида у мноштво ензима цитокрома П450. До данас је идентификовано више од 400 различитих гена цитокрома П450 код животиња, биљака, бактерија и квасца. Процењено је да било која врста сисара, као што су људи, може да поседује 60 или више различитих гена П450 (Неберт и Нелсон 1991). Мноштво гена П450 захтевало је развој стандардизованог система номенклатуре (Неберт ет ал. 1987; Нелсон ет ал. 1993). Први пут предложен 1987. године и ажуриран на двогодишњој основи, систем номенклатуре је заснован на дивергентној еволуцији поређења секвенци аминокиселина између протеина П450. П450 гени су подељени у породице и подфамилије: ензими унутар породице показују сличност аминокиселина већу од 40%, а они унутар исте подфамилије показују сличност од 55%. П450 гени су именовани симболом корена СРБ следи арапски број који означава породицу П450, слово које означава потпородицу и још један арапски број који означава појединачни ген (Нелсон ет ал. 1993; Неберт ет ал. 1991). Тако, ЦИПКСНУМКСАКСНУМКС представља П450 ген 1 у породици 1 и подфамилији А.

Од фебруара 1995. има 403 СРБ гена у бази података, која се састоји од 59 породица и 105 подфамилија. Ово укључује осам породица нижих еукариота, 15 породица биљака и 19 породица бактерија. 15 хуманих фамилија гена П450 обухвата 26 подфамилија, од којих су 22 мапиране на хромозомске локације у већем делу генома. Неке секвенце су јасно ортологне међу многим врстама - на пример, само једној ЦИПКСНУМКС (стероид 17α-хидроксилазе) ген је пронађен код свих до сада испитаних кичмењака; друге секвенце унутар потфамилије су веома дуплициране, што чини идентификацију ортологних парова немогућом (нпр. ЦИП2Ц потпородица). Занимљиво је да људи и квасац деле ортологни ген у ЦИПКСНУМКС породица. Читаоцима који траже додатне информације о суперфамилији П450 доступни су бројни свеобухватни прегледи (Нелсон ет ал. 1993; Неберт ет ал. 1991; Неберт и МцКиннон 1994; Гуенгерицх 1993; Гонзалез 1992).

Успех система номенклатуре П450 је резултирао развојем сличних терминолошких система за УДП глукуронозилтрансферазе (Бурцхелл ет ал. 1991) и монооксигеназе које садрже флавин (Лавтон ет ал. 1994). Слични системи номенклатуре засновани на дивергентној еволуцији су такође у развоју за неколико других суперфамилија ензима који метаболишу лек (нпр. сулфотрансферазе, епоксид хидролазе и алдехид дехидрогеназе).

Недавно смо поделили суперпородицу гена П450 сисара у три групе (Неберт и МцКиннон 1994) – оне које су углавном укључене у страни хемијски метаболизам, оне које су укључене у синтезу различитих стероидних хормона и оне које учествују у другим важним ендогеним функцијама. Ензими П450 који метаболишу ксенобиотике имају највећи значај за предвиђање токсичности.

Ензими П450 који метаболишу ксенобиотике

П450 ензими укључени у метаболизам страних једињења и лекова се скоро увек налазе у породицама ЦИП1, ЦИП2, ЦИП3 ЦИПКСНУМКС. Ови ензими П450 катализују широк спектар метаболичких реакција, при чему је један П450 често способан да метаболише много различитих једињења. Поред тога, више ензима П450 може метаболисати једно једињење на различитим местима. Такође, једињење се може метаболисати на истом, једном месту са неколико П450, иако различитим брзинама.

Најважније својство ензима П450 који метаболишу лек је да се многи од ових гена могу индуцирати самим супстанцама које служе као њихови супстрати. С друге стране, други гени П450 су индуковани несупстратима. Овај феномен индукције ензима лежи у основи многих интеракција лек-лек од терапијског значаја.

Иако су присутни у многим ткивима, ови специфични ензими П450 налазе се у релативно високим нивоима у јетри, примарном месту метаболизма лека. Неки од ензима П450 који метаболишу ксенобиотике показују активност према одређеним ендогеним супстратима (нпр. арахидонској киселини). Међутим, генерално се верује да већина ових ензима П450 који метаболишу ксенобиотике не играју важну физиолошку улогу - иако то још није експериментално утврђено. Селективни хомозиготни поремећај, или „нокаут“, појединачних П450 гена који метаболишу ксенобиотике помоћу методологија циљања гена код мишева ће вероватно ускоро пружити недвосмислене информације у погледу физиолошких улога П450 који метаболишу ксенобиотике (за преглед циљање гена, видети Цапеццхи 1994).

За разлику од П450 породица које кодирају ензиме укључене првенствено у физиолошке процесе, породице које кодирају ензиме П450 који метаболишу ксенобиотике показују изражену специфичност врсте и често садрже много активних гена по подфамилији (Нелсон ет ал. 1993; Неберт ет ал. 1991). С обзиром на очигледан недостатак физиолошких супстрата, могуће је да ензими П450 у породицама ЦИП1, ЦИП2, ЦИП3 ЦИПКСНУМКС које су се појавиле у последњих неколико стотина милиона година развиле су се као средство за детоксикацију страних хемикалија које се сусрећу у животној средини и исхрани. Јасно је да би се еволуција П450-а који метаболишу ксенобиотике догодила током временског периода који далеко претходи синтези већине синтетичких хемикалија којима су људи сада изложени. Гени у ове четири породице гена су можда еволуирали и дивергирали код животиња због њихове изложености биљним метаболитима током последњих 1.2 милијарде година – процес који се описно назива „ратовање животиња и биљака“ (Гонзалез и Неберт 1990). Рат између животиња и биљака је феномен у којем су биљке развиле нове хемикалије (фитоалексине) као одбрамбени механизам како би спречиле гутање од стране животиња, а животиње су, заузврат, реаговале развојем нових гена П450 како би се прилагодиле диверзификованим супстратима. Даљи подстицај овом предлогу су недавно описани примери хемијског рата између биљака и инсеката и биљака и гљива који укључује П450 детоксикацију токсичних супстрата (Неберт 1994).

Следи кратак увод у неколико полиморфизама ензима П450 који метаболише хумане ксенобиотике за које се верује да су генетске детерминанте токсичног одговора од великог значаја. До недавно, полиморфизми П450 су генерално сугерисани неочекиваном варијансом у одговору пацијената на примењене терапеутске агенсе. Неколико полиморфизама П450 је заиста именовано према леку са којим је полиморфизам први пут идентификован. У скорије време, истраживачки напори су се фокусирали на идентификацију прецизних ензима П450 укључених у метаболизам хемикалија за које је уочена варијанса и прецизну карактеризацију укључених гена П450. Као што је раније описано, мерљива активност ензима П450 према моделној хемикалији може се назвати фенотипом. Алелне разлике у гену П450 за сваког појединца називају се генотипом П450. Како се све више и више разматрања примењује на анализу гена П450, прецизна молекуларна основа претходно документоване фенотипске варијансе постаје јаснија.

Потфамилија ЦИП1А

ЦИП1А подфамилија обухвата два ензима код људи и свих других сисара: они су означени као ЦИП1А1 и ЦИП1А2 према стандардној номенклатури П450. Ови ензими су од великог интереса, јер су укључени у метаболичку активацију многих проканцерогена, а такође су индуковани са неколико једињења од токсиколошке важности, укључујући диоксин. На пример, ЦИП1А1 метаболички активира многа једињења која се налазе у диму цигарета. ЦИП1А2 метаболички активира многе ариламине — повезане са раком мокраћне бешике — који се налазе у хемијској индустрији боја. ЦИП1А2 такође метаболички активира 4-(метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон (ННК), нитрозамин добијен од дувана. ЦИП1А1 и ЦИП1А2 се такође налазе на вишим нивоима у плућима пушача цигарета, због индукције полицикличним угљоводоницима присутним у диму. Нивои активности ЦИП1А1 и ЦИП1А2 се стога сматрају важним детерминантама индивидуалног одговора на многе потенцијално токсичне хемикалије.

Токсиколошки интерес за ЦИП1А Подпородица је у великој мери интензивирана извештајем из 1973. који повезује ниво индуцибилности ЦИП1А1 код пушача цигарета са индивидуалном осетљивошћу на рак плућа (Келлерманн, Схав и Луитен-Келлерманн 1973). Молекуларна основа индукције ЦИП1А1 и ЦИП1А2 била је главни фокус бројних лабораторија. Процес индукције је посредован протеином који се назива Ах рецептор за који се везују диоксини и структурно сродне хемикалије. Име Ah је изведено из aрил hприрода угљикохидрата многих индуктора ЦИП1А. Занимљиво је да разлике у гену који кодира Ах рецептор између сојева мишева доводе до значајних разлика у хемијском одговору и токсичности. Чини се да се полиморфизам у гену Ах рецептора јавља и код људи: отприлике једна десетина популације показује високу индукцију ЦИП1А1 и може бити под већим ризиком од осталих девет десетина популације за развој одређених хемијски изазваних карцинома. Улога Ах рецептора у контроли ензима у ЦИП1А потпородица, и њена улога као детерминанте људског одговора на излагање хемикалијама, била је предмет неколико недавних прегледа (Неберт, Петерсен и Пуга 1991; Неберт, Пуга и Василиоу 1993).

Да ли постоје други полиморфизми који би могли да контролишу ниво ЦИП1А протеина у ћелији? Полиморфизам у ЦИПКСНУМКСАКСНУМКС ген је такође идентификован, и чини се да то утиче на ризик од рака плућа међу јапанским пушачима цигарета, иако се чини да овај исти полиморфизам не утиче на ризик код других етничких група (Неберт и МцКиннон 1994).

ЦИПКСНУМКСЦКСНУМКС

Варијације у брзини којом појединци метаболишу антиконвулзивни лек (С)-мефенитоин су добро документоване много година (Гуенгерицх 1989). Између 2% и 5% белаца и чак 25% Азијата имају недостатак ове активности и могу бити изложени већем ризику од токсичности лека. Одавно је познато да овај дефект ензима укључује човека ЦИП2Ц подфамилија, али прецизна молекуларна основа овог недостатка била је предмет значајних контроверзи. Главни разлог за ову потешкоћу било је шест или више гена код људи ЦИП2Ц потпородица. Међутим, недавно је показано да мутација једне базе у ЦИПКСНУМКСЦКСНУМКС ген је примарни узрок овог недостатка (Голдстеин и де Мораис 1994). Једноставан ДНК тест, заснован на ланчаној реакцији полимеразе (ПЦР), такође је развијен да би се ова мутација брзо идентификовала у људској популацији (Голдстеин и де Мораис 1994).

ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС

Можда је најопсежнија варијација у гену П450 она која укључује ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС ген. Описано је више десетина примера мутација, преуређивања и брисања који утичу на овај ген (Меиер 1994). Овај полиморфизам је први пут сугерисан пре 20 година клиничком варијабилности у одговору пацијената на антихипертензивни агенс дебрисохин. Измене у ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС ген који изазива измењену активност ензима се стога заједнички називају полиморфизам дебрисокина.

Пре појаве студија заснованих на ДНК, појединци су класификовани као слаби или екстензивни метаболизатори (ПМ, ЕМ) дебрисокина на основу концентрација метаболита у узорцима урина. Сада је јасно да су измене у ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС ген може довести до тога да појединци показују не само лош или екстензивни метаболизам дебрисокина, већ и ултрабрзи метаболизам. Већина измена у ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС ген су повезани са делимичним или потпуним недостатком функције ензима; међутим, недавно су описани појединци у две породице који поседују више функционалних копија ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС ген, што доводи до ултрабрзог метаболизма ЦИП2Д6 супстрата (Меиер 1994). Ово изванредно запажање пружа нови увид у широк спектар активности ЦИП2Д6 које су раније примећене у популацијским студијама. Промене у функцији ЦИП2Д6 су од посебног значаја, имајући у виду више од 30 често преписиваних лекова који се метаболишу овим ензимом. Функција ЦИП2Д6 појединца је стога главна детерминанта и терапијског и токсичног одговора на примењену терапију. Заиста, недавно се тврдило да је разматрање статуса ЦИП2Д6 пацијента неопходно за безбедну употребу и психијатријских и кардиоваскуларних лекова.

Улога ЦИПКСНУМКСДКСНУМКС полиморфизам као детерминанта индивидуалне осетљивости на људске болести као што су рак плућа и Паркинсонова болест такође је био предмет интензивног проучавања (Неберт и МцКиннон 1994; Меиер 1994). Иако је закључке тешко дефинисати с обзиром на различиту природу коришћених протокола истраживања, чини се да већина студија указује на повезаност између екстензивних метаболизатора дебрисокина (ЕМ фенотип) и рака плућа. Разлози за такво удруживање за сада су нејасни. Међутим, показало се да ензим ЦИП2Д6 метаболише ННК, нитрозамин добијен од дувана.

Како се есеји засновани на ДНК побољшавају – омогућавајући још прецизнију процену статуса ЦИП2Д6 – очекује се да ће прецизан однос ЦИП2Д6 и ризика од болести бити разјашњен. Док екстензивни метаболизатор може бити повезан са осетљивошћу на рак плућа, чини се да је лош метаболизатор (ПМ фенотип) повезан са Паркинсоновом болешћу непознатог узрока. Иако је ове студије такође тешко упоредити, чини се да особе са ПМ са смањеним капацитетом за метаболизам ЦИП2Д6 супстрата (нпр. дебрисохин) имају 2 до 2.5 пута повећање ризика од развоја Паркинсонове болести.

ЦИП2Е1

ЦИП2Е1 ген кодира ензим који метаболише многе хемикалије, укључујући лекове и многе карциногене ниске молекуларне тежине. Овај ензим је такође од интереса јер је веома индуцибилан алкохолом и може играти улогу у повредама јетре изазваним хемикалијама као што су хлороформ, винил хлорид и угљен-тетрахлорид. Ензим се првенствено налази у јетри, а ниво ензима значајно варира међу појединцима. Помно испитивање ЦИП2Е1 ген је резултирао идентификацијом неколико полиморфизама (Неберт и МцКиннон 1994). Пријављен је однос између присуства одређених структурних варијација у ЦИП2Е1 ген и очигледно смањени ризик од рака плућа у неким студијама; међутим, постоје јасне међуетничке разлике које захтевају разјашњење овог могућег односа.

Потфамилија ЦИП3А

Код људи, четири ензима су идентификована као чланови ЦИП3А подфамилија због њихове сличности у секвенци аминокиселина. Ензими ЦИП3А метаболишу многе уобичајено прописане лекове као што су еритромицин и циклоспорин. Канцерогени загађивач хране афлатоксин Б1 је такође супстрат ЦИП3А. Један члан човека ЦИП3А потпородица, назначена ЦИПКСНУМКСАКСНУМКС, је главни П450 у људској јетри, као и присутан у гастроинтестиналном тракту. Као што је тачно за многе друге ензиме П450, ниво ЦИП3А4 је веома варијабилан међу појединцима. Други ензим, означен као ЦИП3А5, налази се у само око 25% јетре; генетска основа овог налаза није разјашњена. Важност варијабилности ЦИП3А4 или ЦИП3А5 као фактора у генетским детерминантама токсичног одговора још није утврђена (Неберт и МцКиннон 1994).

Полиморфизми који нису П450

Бројни полиморфизми такође постоје унутар других суперфамилија ензима који метаболишу ксенобиотике (нпр. глутатион трансферазе, УДП глукуронозилтрансферазе, пара-оксоназе, дехидрогеназе, Н-ацетилтрансферазе и монооксигеназе које садрже флавин). Пошто крајња токсичност било ког интермедијера генерисаног П450 зависи од ефикасности накнадних реакција детоксикације фазе ИИ, комбинована улога вишеструких ензимских полиморфизама је важна у одређивању осетљивости на хемијски изазване болести. Метаболички баланс између реакција фазе И и фазе ИИ (слика 3) је стога вероватно главни фактор у хемијски изазваним људским болестима и генетским детерминантама токсичног одговора.

Полиморфизам гена ГСТМ1

Добро проучен пример полиморфизма у ензиму фазе ИИ је онај који укључује члана суперфамилије ензима глутатион С-трансферазе, означеног као ГСТ му или ГСТМ1. Овај посебан ензим је од великог токсиколошког интереса јер се чини да је укључен у накнадну детоксикацију токсичних метаболита произведених од хемикалија у диму цигарета помоћу ензима ЦИП1А1. Идентификовани полиморфизам у овом гену за глутатион трансферазу укључује потпуно одсуство функционалног ензима код чак половине свих испитаних белаца. Чини се да је недостатак ензима фазе ИИ повезан са повећаном осетљивошћу на рак плућа. Груписањем појединаца на основу обе варијанте ЦИПКСНУМКСАКСНУМКС гена и брисање или присуство функционалног ГСТМ1 гена, показало се да ризик од развоја карцинома плућа изазваног пушењем значајно варира (Кавајири, Ватанабе и Хаиасхи 1994). Конкретно, појединци који показују једну ретку ЦИПКСНУМКСАКСНУМКС промена гена, у комбинацији са одсуством ГСТМ1 гена, били су у већем ризику (чак деветоструко) од развоја рака плућа када су били изложени релативно ниском нивоу дима цигарета. Занимљиво је да изгледа да постоје међуетничке разлике у значају варијантних гена које захтевају даље проучавање како би се разјаснила прецизна улога таквих промена у подложности болестима (Калов 1962; Неберт и МцКиннон 1994; Кавајири, Ватанабе1994 и Хаиасхи XNUMX).

Синергистички ефекат два или више полиморфизама на токсични одговор

Токсичан одговор на агенс животне средине може бити у великој мери преувеличан комбинацијом два фармакогенетичка дефекта код исте особе, на пример, комбиновани ефекти полиморфизма Н-ацетилтрансферазе (НАТ2) и полиморфизма глукоза-6-фосфат дехидрогеназе (Г6ПД). .

Професионална изложеност ариламинима представља озбиљан ризик од рака мокраћне бешике. Од елегантних студија Цартвригхта из 1954. године, постало је јасно да је статус Н-ацетилатора детерминанта рака мокраћне бешике изазваног азо-бојом. Постоји веома значајна корелација између фенотипа споро ацетилатора и појаве карцинома мокраћне бешике, као и степена инвазивности овог карцинома у зиду бешике. Напротив, постоји значајна повезаност између фенотипа брзог ацетилатора и инциденце колоректалног карцинома. Н-ацетилтрансфераза (НАТ1, НАТ2) гени су клонирани и секвенционирани, а тестови засновани на ДНК сада су у стању да открију више од десет алелних варијанти које представљају фенотип спорог ацетилатора. Тхе НАТКСНУМКС ген је полиморфан и одговоран за већину варијабилности у токсичном одговору на хемикалије из животне средине (Вебер 1987; Грант 1993).

Глукоза-6-фосфат дехидрогеназа (Г6ПД) је ензим кључан за стварање и одржавање НАДПХ. Ниска или одсутна активност Г6ПД може довести до тешке хемолизе изазване лековима или ксенобиотицима, због одсуства нормалних нивоа редукованог глутатиона (ГСХ) у црвеним крвним зрнцима. Недостатак Г6ПД погађа најмање 300 милиона људи широм света. Више од 10% афроамеричких мушкараца показује мање озбиљан фенотип, док одређене сардинске заједнице показују тежи „медитерански тип“ са учесталостима чак једна од сваке три особе. Тхе Г6ПД ген је клониран и локализован на Кс хромозому, а бројне различите тачкасте мутације објашњавају велики степен фенотипске хетерогености уочене код особа са недостатком Г6ПД (Беутлер 1992).

Утврђено је да тиозалсулфон, лек ариламин сулфа, изазива бимодалну дистрибуцију хемолитичке анемије у леченој популацији. Када се лече одређеним лековима, појединци са комбинацијом недостатка Г6ПД плус фенотипа спорог ацетилатора су више погођени од оних са недостатком Г6ПД самог или само фенотипом спорог ацетилатора. Спори ацетилатори са недостатком Г6ПД су најмање 40 пута подложнији хемолизи изазваној тиозалсулфоном од нормалних брзих ацетилатора са Г6ПД.

Утицај генетских полиморфизама на процену изложености

Процена изложености и биомониторинг (слика 1) такође захтевају информације о генетском саставу сваког појединца. С обзиром на идентичну изложеност опасној хемикалији, ниво адуката хемоглобина (или других биомаркера) може варирати за два или три реда величине међу појединцима, у зависности од метаболичког отиска прста сваке особе.

Иста комбинована фармакогенетика проучавана је код радника хемијских фабрика у Немачкој (табела 1). Адукти хемоглобина међу радницима изложеним анилину и ацетанилиду су далеко највећи код спорих ацетилатора са недостатком Г6ПД, у поређењу са другим могућим комбинованим фармакогенетским фенотиповима. Ова студија има важне импликације за процену изложености. Ови подаци показују да, иако две особе могу бити изложене истом амбијенталном нивоу опасних хемикалија на радном месту, количина изложености (преко биомаркера као што су адукти хемоглобина) може бити процењена на два или више реда величине мање, због на основну генетску предиспозицију појединца. Исто тако, резултирајући ризик од штетног утицаја на здравље може варирати за два или више реда величине.

Табела 1: Адукти хемоглобина код радника изложених анилину и ацетанилиду

Статус ацетилатора Недостатак Г6ПД
брзо Успорити Не да Хгб адукти
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

Извор: Адаптирано из Левалтер анд Кораллус 1985.

Генетске разлике у везивању као и метаболизму

Треба нагласити да се исти случај направљен овде за метаболизам може направити и за везивање. Наследне разлике у везивању агенаса животне средине ће у великој мери утицати на токсични одговор. На пример, разлике у мишу ЦДМ ген може дубоко утицати на индивидуалну осетљивост на некрозу тестиса изазвану кадмијумом (Таилор, Хеинигер и Меиер 1973). Разлике у афинитету везивања Ах рецептора вероватно утичу на токсичност изазвану диоксином и рак (Неберт, Петерсен и Пуга 1991; Неберт, Пуга и Василиоу 1993).

Слика 5 сумира улогу метаболизма и везивања у токсичности и канцеру. Токсични агенси, будући да постоје у животној средини или након метаболизма или везивања, изазивају своје ефекте било генотоксичним путем (у којем долази до оштећења ДНК) или негенотоксичним путем (у којем не мора да дође до оштећења ДНК и мутагенезе). Занимљиво је да је недавно постало јасно да „класични“ агенси који оштећују ДНК могу да делују путем негенотоксичног пута за трансдукцију сигнала зависног од глутатиона (ГСХ), који се покреће на или близу површине ћелије у одсуству ДНК и ван ћелијског језгра. (Девари ет ал. 1993). Међутим, генетске разлике у метаболизму и везивању остају главне детерминанте у контроли различитих индивидуалних токсичних одговора.

Слика 5. Општи начин на који настаје токсичност

ТОКС050Ф6

Улога ћелијске функције ензима који метаболизира лек

Генетски засноване варијације у функцији ензима који метаболишу лек су од велике важности у одређивању индивидуалног одговора на хемикалије. Ови ензими су кључни у одређивању судбине и временског тока стране хемикалије након излагања.

Као што је илустровано на слици 5, важност ензима који метаболишу лекове у индивидуалној осетљивости на излагање хемикалијама може заправо представљати далеко сложеније питање него што је очигледно из ове једноставне расправе о метаболизму ксенобиотика. Другим речима, током последње две деценије, генотоксични механизми (мерења ДНК адуката и протеинских адуката) су у великој мери наглашени. Међутим, шта ако су негенотоксични механизми барем једнако важни као и генотоксични механизми у изазивању токсичних одговора?

Као што је раније поменуто, физиолошке улоге многих ензима који метаболишу лекове укључених у метаболизам ксенобиотика нису тачно дефинисане. Неберт (1994) је предложио да су, због свог присуства на овој планети више од 3.5 милијарди година, ензими који метаболишу лекове првобитно (и сада су још увек примарно) одговорни за регулисање ћелијских нивоа многих непептидних лиганада важних за активацију транскрипције. гена који утичу на раст, диференцијацију, апоптозу, хомеостазу и неуроендокрине функције. Штавише, токсичност већине, ако не и свих агенаса животне средине се јавља путем агониста or антагониста дејство на ове путеве трансдукције сигнала (Неберт 1994). На основу ове хипотезе, генетска варијабилност ензима који метаболишу лек може имати прилично драматичне ефекте на многе критичне биохемијске процесе унутар ћелије, што доводи до значајних разлика у токсичном одговору. Заиста је могуће да такав сценарио може бити основа многих идиосинкратичних нежељених реакција које се јављају код пацијената који користе уобичајено прописане лекове.

Закључци

У протеклој деценији забележен је значајан напредак у нашем разумевању генетске основе различитог одговора на хемикалије у лековима, храни и загађивачима животне средине. Ензими који метаболишу лек имају дубок утицај на начин на који људи реагују на хемикалије. Како наша свест о вишеструкости ензима који метаболишу лекове наставља да еволуира, све смо више у могућности да направимо побољшане процене токсичног ризика за многе лекове и хемикалије из животне средине. Ово је можда најјасније илустровано у случају ензима цитокрома П2 ЦИП6Д450. Користећи релативно једноставне тестове засноване на ДНК, могуће је предвидети вероватан одговор било ког лека који се претежно метаболише овим ензимом; ово предвиђање ће обезбедити безбеднију употребу вредних, али потенцијално токсичних лекова.

Будућност ће без сумње видети експлозију у идентификацији даљих полиморфизама (фенотипова) који укључују ензиме који метаболишу лекове. Ове информације ће бити праћене побољшаним, минимално инвазивним ДНК тестовима за идентификацију генотипова у људској популацији.

Такве студије треба да буду посебно информативне у процени улоге хемикалија у многим еколошким болестима тренутно непознатог порекла. Разматрање вишеструких полиморфизама ензима који метаболишу лекове, у комбинацији (нпр. табела 1), такође ће вероватно представљати посебно плодну област истраживања. Такве студије ће разјаснити улогу хемикалија у изазивању рака. Заједно, ове информације би требало да омогуће формулисање све више индивидуализованих савета о избегавању хемикалија које би могле бити од индивидуалног значаја. Ово је област превентивне токсикологије. Такви савети ће без сумње у великој мери помоћи свим појединцима да се носе са све већим хемијским теретом којем смо изложени.

 

Назад

Недеља, КСНУМКС јануар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Увод и концепти

Механистичка токсикологија је студија о томе како хемијски или физички агенси интерагују са живим организмима да изазову токсичност. Познавање механизма токсичности неке супстанце побољшава способност спречавања токсичности и дизајнирања пожељнијих хемикалија; представља основу за терапију прекомерног излагања и често омогућава даље разумевање основних биолошких процеса. За потребе овога Енциклопедија нагласак ће бити стављен на животиње да би се предвидела токсичност за људе. Различите области токсикологије укључују механистичку, дескриптивну, регулаторну, форензичку и еколошку токсикологију (Клаассен, Амдур и Доулл 1991). Све ово има користи од разумевања основних механизама токсичности.

Зашто разумети механизме токсичности?

Разумевање механизма којим супстанца изазива токсичност побољшава различите области токсикологије на различите начине. Механистичко разумевање помаже владином регулатору да успостави правно обавезујуће безбедне границе за излагање људи. Помаже токсиколозима у препоруци правца деловања у вези са чишћењем или санацијом контаминираних места и, заједно са физичким и хемијским својствима супстанце или смеше, може се користити за одабир степена потребне заштитне опреме. Механистичко знање је такође корисно у формирању основе за терапију и дизајн нових лекова за лечење људских болести. За форензичког токсиколога механизам токсичности често пружа увид у то како хемијски или физички агенс може изазвати смрт или онеспособљење.

Ако се разуме механизам токсичности, дескриптивна токсикологија постаје корисна у предвиђању токсичних ефеката сродних хемикалија. Важно је схватити, међутим, да недостатак механичких информација не спречава здравствене раднике да заштите људско здравље. Разборите одлуке засноване на студијама на животињама и људском искуству се користе за утврђивање безбедних нивоа изложености. Традиционално, маргина сигурности је утврђена коришћењем „нивоа без штетних ефеката“ или „најнижег нивоа штетних ефеката“ из студија на животињама (користећи дизајне са поновљеном изложеношћу) и дељењем тог нивоа са фактором 100 за професионалну изложеност или 1,000 за друга изложеност људи животне средине. Успех овог процеса је очигледан из неколико инцидената штетних ефеката на здравље који се приписују излагању хемикалијама код радника где су у прошлости постављене и поштоване одговарајуће границе изложености. Поред тога, људски животни век наставља да расте, као и квалитет живота. Свеукупно коришћење података о токсичности довело је до ефикасне регулаторне и добровољне контроле. Детаљно познавање токсичних механизама ће побољшати предвидљивост новијих модела ризика који се тренутно развијају и резултираће сталним побољшањем.

Разумевање механизама животне средине је сложено и претпоставља познавање поремећаја екосистема и хомеостазе (равнотеже). Иако се о томе не говори у овом чланку, боље разумевање токсичних механизама и њихових крајњих последица у екосистему би помогло научницима да донесу мудре одлуке у вези са руковањем комуналним и индустријским отпадом. Управљање отпадом је растућа област истраживања и биће веома важно у будућности.

Технике проучавања механизама токсичности

Већина механичких студија почиње дескриптивном токсиколошком студијом на животињама или клиничким опсервацијама код људи. У идеалном случају, студије на животињама укључују пажљиво понашање и клиничка посматрања, пажљиво биохемијско испитивање елемената крви и урина на знакове штетне функције главних биолошких система у телу и постморталну процену свих система органа микроскопским прегледом да би се проверило да ли постоје повреда (видети смернице ОЕЦД-а за испитивање; директиве ЕЦ о процени хемикалија; правила тестирања ЕПА САД; прописе о хемикалијама Јапана). Ово је аналогно темељном физичком прегледу људи који би се обавио у болници током периода од два до три дана, осим обдукције.

Разумевање механизама токсичности је уметност и наука посматрања, креативност у одабиру техника за тестирање различитих хипотеза и иновативна интеграција знакова и симптома у узрочно-последичној вези. Механистичке студије почињу са излагањем, прате временску дистрибуцију и судбину у телу (фармакокинетика) и мере резултујући токсични ефекат на неком нивоу система и на неком нивоу дозе. Различите супстанце могу деловати на различитим нивоима биолошког система изазивајући токсичност.

Излагање

Пут излагања у механичким студијама је обично исти као код излагања људи. Пут је важан јер могу постојати ефекти који се јављају локално на месту излагања поред системских ефеката након што се хемикалија апсорбује у крв и дистрибуира по целом телу. Једноставан, али убедљив пример локалног ефекта би била иритација и евентуална корозија коже након наношења јаких киселих или алкалних раствора дизајнираних за чишћење тврдих површина. Слично томе, иритација и ћелијска смрт се могу јавити у ћелијама које облажу нос и/или плућа након излагања иритантним парама или гасовима као што су оксиди азота или озона. (Обоје су састојци загађења ваздуха или смога). Након апсорпције хемикалије у крв кроз кожу, плућа или гастроинтестинални тракт, концентрацију у било ком органу или ткиву контролишу многи фактори који одређују фармакокинетику хемикалије у телу. Тело има способност активирања и детоксикације разних хемикалија као што је наведено у наставку.

Улога фармакокинетике у токсичности

Фармакокинетика описује временске односе за хемијску апсорпцију, дистрибуцију, метаболизам (биохемијске промене у телу) и елиминацију или излучивање из тела. У односу на механизме токсичности, ове фармакокинетичке варијабле могу бити веома важне и у неким случајевима одређују да ли ће се токсичност појавити или неће. На пример, ако се материјал не апсорбује у довољној количини, неће доћи до системске токсичности (унутар тела). Супротно томе, високо реактивна хемикалија која се брзо (секунде или минуте) детоксифицира помоћу дигестивних или јетрених ензима можда неће имати времена да изазове токсичност. Неке полицикличне халогенисане супстанце и смеше, као и одређени метали као што је олово, не би изазвали значајну токсичност ако би излучивање било брзо; али акумулација до довољно високих нивоа одређује њихову токсичност пошто излучивање није брзо (понекад се мери годинама). На срећу, већина хемикалија се не задржава тако дуго у телу. Акумулација безопасног материјала и даље не би изазвала токсичност. Брзина елиминације из тела и детоксикације се често назива полуживотом хемикалије, што је време да се 50% хемикалије излучи или промени у нетоксични облик.

Међутим, ако се хемикалија акумулира у одређеној ћелији или органу, то може бити разлог за даље испитивање њене потенцијалне токсичности у том органу. Недавно су развијени математички модели за екстраполацију фармакокинетичких варијабли са животиња на људе. Ови фармакокинетички модели су изузетно корисни у генерисању хипотеза и тестирању да ли експериментална животиња може бити добра репрезентација за људе. О овој теми написана су бројна поглавља и текстови (Гехринг ет ал. 1976; Реитз ет ал. 1987; Нолан ет ал. 1995). Поједностављени пример физиолошког модела је приказан на слици 1.

Слика 1. Поједностављени фармакокинетички модел

ТОКС210Ф1

Могу негативно утицати на различите нивое и системе

Токсичност се може описати на различитим биолошким нивоима. Повреда се може проценити на целој особи (или животињи), органском систему, ћелији или молекулу. Системи органа обухватају имунолошки, респираторни, кардиоваскуларни, бубрежни, ендокрини, дигестивни, мусколо-скелетни, крвни, репродуктивни и централни нервни систем. Неки кључни органи укључују јетру, бубреге, плућа, мозак, кожу, очи, срце, тестисе или јајнике и друге главне органе. На ћелијском/биохемијском нивоу, нежељени ефекти укључују ометање нормалне функције протеина, функције ендокриних рецептора, инхибицију метаболичке енергије или инхибицију или индукцију ксенобиотских (страних супстанци) ензима. Нежељени ефекти на молекуларном нивоу укључују промену нормалне функције ДНК-РНК транскрипције, специфичног везивања за цитоплазматске и нуклеарне рецепторе и гена или генских производа. На крају, дисфункција у главном органском систему је вероватно узрокована молекуларном променом у одређеној циљној ћелији унутар тог органа. Међутим, није увек могуће пратити механизам уназад до молекуларног порекла узрочности, нити је то неопходно. Интервенција и терапија се могу осмислити без потпуног разумевања молекуларне мете. Међутим, знање о специфичном механизму токсичности повећава предиктивну вредност и тачност екстраполације на друге хемикалије. Слика 2 је дијаграмски приказ различитих нивоа на којима се може открити интерференција нормалних физиолошких процеса. Стрелице показују да се последице по појединца могу одредити одозго надоле (изложеност, фармакокинетика токсичности система/органа) или одоздо према горе (молекуларна промена, ћелијски/биохемијски ефекат до токсичности система/органа).

Слика 2. Репрезентација механизама токсичности

ТОКС210Ф2

Примери механизама токсичности

Механизми токсичности могу бити једноставни или веома сложени. Често постоји разлика између врсте токсичности, механизма токсичности и нивоа ефекта, у зависности од тога да ли су штетни ефекти последица појединачне, акутне високе дозе (попут случајног тровања) или ниже дозе. поновљено излагање (од професионалне изложености или изложености околини). Класично, у сврху тестирања, акутна, појединачна висока доза се даје директном интубацијом у стомак глодара или излагањем атмосфери гаса или паре у трајању од два до четири сата, шта год највише личи на излагање људи. Животиње се посматрају током периода од две недеље након излагања, а затим се прегледају главни спољни и унутрашњи органи на повреде. Тестирање поновљених доза се креће од месеци до година. За врсте глодара, две године се сматрају хроничном (доживотном) студијом која је довољна за процену токсичности и канцерогености, док би се за нељудске примате две године сматрале субхроничном (мање од животног века) студијом за процену токсичности поновљених доза. Након излагања, врши се комплетан преглед свих ткива, органа и течности како би се утврдили нежељени ефекти.

Механизми акутне токсичности

Следећи примери су специфични за високе дозе, акутне ефекте који могу довести до смрти или тешке онеспособљености. Међутим, у неким случајевима, интервенција ће довести до пролазних и потпуно реверзибилних ефеката. Доза или тежина изложености ће одредити резултат.

Једноставни асфиксанти. Механизам токсичности за инертне гасове и неке друге нереактивне супстанце је недостатак кисеоника (аноксија). Ове хемикалије, које узрокују недостатак кисеоника у централном нервном систему (ЦНС), називају се једноставни асфиксанти. Ако особа уђе у затворени простор који садржи азот без довољно кисеоника, долази до тренутног исцрпљивања кисеоника у мозгу и доводи до несвести и коначне смрти ако се особа брзо не уклони. У екстремним случајевима (близу нулте вредности кисеоника) може доћи до несвести за неколико секунди. Спасавање зависи од брзог уклањања у окружење богато кисеоником. Преживљавање са иреверзибилним оштећењем мозга може настати од одложеног спасавања, због одумирања неурона, који не могу да се регенеришу.

Хемијска средства за гушење. Угљенмоноксид (ЦО) се такмичи са кисеоником за везивање за хемоглобин (у црвеним крвним зрнцима) и стога лишава ткива кисеоника за енергетски метаболизам; може доћи до ћелијске смрти. Интервенција обухвата уклањање са извора ЦО и третман кисеоником. Директна употреба кисеоника заснива се на токсичном деловању ЦО. Још један снажан хемијски гушилац је цијанид. Јон цијанида омета ћелијски метаболизам и коришћење кисеоника за енергију. Третман натријум нитритом изазива промену хемоглобина у црвеним крвним зрнцима у метхемоглобин. Метхемоглобин има већи афинитет везивања за јон цијанида него ћелијска мета цијанида. Сходно томе, метхемоглобин везује цијанид и држи цијанид подаље од циљних ћелија. Ово чини основу за антидоталну терапију.

Депресиви централног нервног система (ЦНС).. Акутну токсичност карактерише седација или губитак свести за низ материјала као што су растварачи који нису реактивни или који се трансформишу у реактивне интермедијере. Претпоставља се да је седација/анестезија последица интеракције растварача са мембранама ћелија у ЦНС-у, што нарушава њихову способност да преносе електричне и хемијске сигнале. Иако седација може изгледати као благи облик токсичности и била је основа за развој раних анестетика, „доза и даље ствара отров”. Ако се довољна доза даје гутањем или удисањем, животиња може угинути услед застоја дисања. Ако не дође до смрти од анестетика, ова врста токсичности је обично лако реверзибилна када се субјект уклони из околине или се хемикалија редистрибуира или елиминише из тела.

Ефекти коже. Штетни ефекти на кожу могу варирати од иритације до корозије, у зависности од супстанце на коју се сусреће. Јаке киселине и алкални раствори су некомпатибилни са живим ткивом и корозивни су, изазивајући хемијске опекотине и могуће ожиљке. Ожиљци настају услед смрти дермалних, дубоких ћелија коже одговорних за регенерацију. Ниже концентрације могу само изазвати иритацију првог слоја коже.

Још један специфичан токсични механизам коже је хемијска сензибилизација. На пример, сензибилизација се јавља када се 2,4-динитрохлоробензен веже са природним протеинима у кожи и имуни систем препознаје измењени комплекс везан за протеине као страни материјал. Реагујући на ову страну материју, имуни систем активира посебне ћелије да елиминишу страну супстанцу ослобађањем медијатора (цитокина) који изазивају осип или дерматитис (погледајте „Имунотоксикологију“). Ово је иста реакција имуног система када дође до излагања отровном бршљану. Имунолошка сензибилизација је веома специфична за одређену хемикалију и потребна је најмање два излагања пре него што се изазове одговор. Прво излагање сензибилизира (подешава ћелије да препознају хемикалију), а накнадно излагање покреће одговор имуног система. Уклањање контакта и симптоматска терапија антиинфламаторним кремама које садрже стероиде обично су ефикасне у лечењу сензибилизованих појединаца. У озбиљним или рефракторним случајевима, системски делујући имуносупресив попут преднизона користи се у комбинацији са локалним лечењем.

Сензибилизација плућа. Толуен диизоцијанат (ТДИ) изазива имуни одговор на сензибилизацију, али циљно место су плућа. Прекомерно излагање ТДИ код осетљивих особа изазива едем плућа (нагомилавање течности), бронхијално стезање и оштећење дисања. Ово је озбиљно стање и захтева уклањање појединца из потенцијалног накнадног излагања. Лечење је првенствено симптоматско. Сензибилизација коже и плућа прати одговор на дозу. Прекорачење нивоа одређеног за професионалну изложеност може изазвати штетне ефекте.

Ефекти ока. Повреда ока се креће од црвенила спољашњег слоја (црвенило у базену) преко формирања катаракте на рожњачи до оштећења шаренице (обојени део ока). Тестови иритације очију се спроводе када се верује да неће доћи до озбиљне повреде. Многи механизми који изазивају корозију коже такође могу изазвати повреду очију. Материјали корозивни за кожу, попут јаких киселина (пХ мањи од 2) и алкалија (пХ већи од 11.5), нису тестирани у очима животиња јер ће већина изазвати корозију и слепило због механизма сличног оном који изазива корозију коже . Поред тога, површински активни агенси попут детерџената и сурфактаната могу изазвати повреде ока у распону од иритације до корозије. Група материјала која захтева опрез су позитивно наелектрисани (катјонски) сурфактанти, који могу изазвати опекотине, трајно замућење рожњаче и васкуларизацију (формирање крвних судова). Друга хемикалија, динитрофенол, има специфичан ефекат стварања катаракте. Чини се да је ово повезано са концентрацијом ове хемикалије у оку, што је пример фармакокинетичке дистрибуционе специфичности.

Иако је горенаведена листа далеко од исцрпне, она је дизајнирана да пружи читаоцу уважавање различитих механизама акутне токсичности.

Механизми субхроничне и хроничне токсичности

Када се дају као појединачна висока доза, неке хемикалије немају исти механизам токсичности као када се дају више пута као нижа, али и даље токсична доза. Када се даје једна велика доза, увек постоји могућност да се прекорачи способност особе да детоксикује или излучи хемикалију, а то може довести до другачијег токсичног одговора него када се дају мање дозе које се понављају. Алкохол је добар пример. Високе дозе алкохола доводе до примарних ефеката на централни нервни систем, док мање дозе које се понављају доводе до повреде јетре.

Инхибиција антихолинестеразе. Већина органофосфатних пестицида, на пример, има малу токсичност за сисаре док се метаболички не активирају, првенствено у јетри. Примарни механизам деловања органофосфата је инхибиција ацетилхолинестеразе (АЦхЕ) у мозгу и периферном нервном систему. АЦхЕ је нормални ензим који прекида стимулацију неуротрансмитера ацетилхолина. Лагана инхибиција АЦхЕ током дужег периода није повезана са нежељеним ефектима. При високим нивоима изложености, немогућност да се прекине ова неуронска стимулација доводи до прекомерне стимулације холинергичког нервног система. Холинергична прекомерна стимулација на крају доводи до низа симптома, укључујући респираторни застој, праћен смрћу ако се не лечи. Примарни третман је примена атропина, који блокира ефекте ацетилхолина, и примена пралидоксим хлорида, који реактивира инхибирани АЦхЕ. Стога се и узрок и третман токсичности органофосфата разматрају разумевањем биохемијске основе токсичности.

Метаболичка активација. Многе хемикалије, укључујући угљен-тетрахлорид, хлороформ, ацетиламинофлуорен, нитрозамине и паракват се метаболички активирају до слободних радикала или других реактивних интермедијера који инхибирају и ометају нормалну ћелијску функцију. При високим нивоима изложености ово доводи до смрти ћелије (погледајте „Повреда ћелије и ћелијска смрт“). Док специфичне интеракције и ћелијски циљеви остају непознати, системи органа који имају способност да активирају ове хемикалије, као што су јетра, бубрези и плућа, су потенцијалне мете за повреде. Конкретно, одређене ћелије унутар органа имају већи или мањи капацитет да активирају или детоксикују ове интермедијере, а овај капацитет одређује интрацелуларну осетљивост унутар органа. Метаболизам је један од разлога зашто је разумевање фармакокинетике, која описује ове врсте трансформација и дистрибуцију и елиминацију ових интермедијера, важно за препознавање механизма деловања ових хемикалија.

Механизми рака. Рак је мноштво болести, и док се разумевање одређених врста рака убрзано повећава због многих молекуларно биолошких техника које су развијене од 1980. године, има још много тога да се научи. Међутим, јасно је да је развој рака процес у више фаза, а критични гени су кључни за различите врсте рака. Промене у ДНК (соматске мутације) у великом броју ових критичних гена могу изазвати повећану осетљивост или канцерогене лезије (погледајте „Генетичка токсикологија”). Изложеност природним хемикалијама (у куваној храни попут говедине и рибе) или синтетичким хемикалијама (као што је бензидин, који се користи као боја) или физичким агенсима (ултраљубичасто светло од сунца, радон из земље, гама зрачење из медицинских процедура или индустријских активности) су све доприносе мутацијама соматских гена. Међутим, постоје природне и синтетичке супстанце (као што су антиоксиданти) и процеси поправке ДНК који штите и одржавају хомеостазу. Јасно је да је генетика важан фактор у настанку рака, пошто синдроми генетских болести као што је пигментна ксеродерма, где постоји недостатак нормалне поправке ДНК, драматично повећавају осетљивост на рак коже услед излагања ултраљубичастом зрачењу сунца.

Репродуктивни механизми. Слично као код рака, познати су многи механизми репродуктивне и/или развојне токсичности, али много тога треба научити. Познато је да ће одређени вируси (као што је рубеола), бактеријске инфекције и лекови (као што су талидомид и витамин А) негативно утицати на развој. Недавно, рад Кхере (1991), који је прегледао Царнеи (1994), показује добре доказе да се абнормални развојни ефекти у тестовима на животињама са етилен гликолом могу приписати метаболичким метаболитима код мајке. Ово се дешава када се етилен гликол метаболише у киселе метаболите укључујући гликолну и оксалну киселину. Чини се да су накнадни ефекти на плаценту и фетус последица овог процеса метаболичке токсичности.

Zakljucak

Намера овог чланка је да пружи перспективу о неколико познатих механизама токсичности и потреби за будућом студијом. Важно је схватити да механичко знање није апсолутно неопходно за заштиту здравља људи или животне средине. Ово знање ће побољшати способност стручњака да боље предвиди и управља токсичношћу. Стварне технике које се користе у разјашњавању било ког посебног механизма зависе од колективног знања научника и размишљања оних који доносе одлуке у вези са људским здрављем.

 

Назад

Недеља, КСНУМКС јануар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Ћелијска повреда и ћелијска смрт

Практично цела медицина је посвећена или спречавању ћелијске смрти, код болести као што су инфаркт миокарда, можданог удара, трауме и шока, или њеном изазивању, као у случају заразних болести и рака. Стога је неопходно разумети природу и механизме који су укључени. Ћелијска смрт је класификована као „случајна“, односно узрокована токсичним агенсима, исхемијом и тако даље, или „програмирана“, као што се дешава током ембриолошког развоја, укључујући формирање цифара и ресорпцију репа пуноглавца.

Повреда ћелије и ћелијска смрт су, стога, важни и у физиологији и у патофизиологији. Физиолошка смрт ћелија је изузетно важна током ембриогенезе и ембрионалног развоја. Проучавање ћелијске смрти током развоја довело је до важних и нових информација о укљученој молекуларној генетици, посебно кроз проучавање развоја бескичмењака. Код ових животиња, прецизна локација и значај ћелија које су предодређене за ћелијску смрт су пажљиво проучаване и, уз коришћење класичних техника мутагенезе, сада је идентификовано неколико укључених гена. Код одраслих органа, равнотежа између ћелијске смрти и пролиферације ћелије контролише величину органа. У неким органима, као што су кожа и црева, постоји непрекидан обрт ћелија. У кожи, на пример, ћелије се диференцирају како стигну до површине и коначно пролазе кроз терминалну диференцијацију и ћелијску смрт док кератинизација наставља са формирањем умрежених омотача.

Многе класе токсичних хемикалија су способне да изазову акутне повреде ћелија праћене смрћу. То укључује аноксију и исхемију и њихове хемијске аналоге као што је калијум цијанид; хемијски карциногени, који формирају електрофиле који се ковалентно везују за протеине у нуклеинским киселинама; оксидативне хемикалије, што доводи до стварања слободних радикала и повреде оксиданса; активација комплемента; и разне калцијум јонофоре. Ћелијска смрт је такође важна компонента хемијске канцерогенезе; многи потпуни хемијски карциногени, у канцерогеним дозама, производе акутну некрозу и упалу праћену регенерацијом и пренеоплазијом.

Дефиниције

Повреда ћелије

Повреда ћелије се дефинише као догађај или стимулус, као што је токсична хемикалија, која ремети нормалну хомеостазу ћелије, изазивајући тако низ догађаја (слика 1). Илустровани главни циљеви смртоносне повреде су инхибиција синтезе АТП-а, поремећај интегритета плазма мембране или повлачење есенцијалних фактора раста.

Слика 1. Повреда ћелије

ТОКС060Ф1

Смртоносне повреде доводе до смрти ћелије након променљивог временског периода, у зависности од температуре, типа ћелије и стимулуса; или могу бити сублеталне или хроничне – то јест, повреда доводи до измењеног хомеостатског стања које, иако абнормално, не доводи до смрти ћелије (Трамп и Арстила 1971; Трумп и Березески 1992; Трумп и Березески 1995; Трумп, Березески и Осорнио-Варгас 1981). У случају смртоносне повреде, постоји фаза пре времена смрти ћелије

током овог времена, ћелија ће се опоравити; међутим, након одређеног временског периода („тачка без повратка“ или тачка смрти ћелије), уклањање повреде не резултира опоравком, већ уместо тога ћелија пролази кроз деградацију и хидролизу, на крају достижући физичко-хемијску равнотежу са Животна средина. Ово је фаза позната као некроза. Током прелеталне фазе долази до неколико главних типова промена, у зависности од ћелије и врсте повреде. Они су познати као апоптоза и онкоза.

 

 

 

 

 

Апоптоза

Апоптоза је изведена из грчких речи или, што значи далеко од, и птосис, што значи пасти. Термин отпадајући од произилази из чињенице да се, током ове врсте прелеталне промене, ћелије смањују и подлежу изразитом мехурићу на периферији. Мехурићи се затим одвајају и испливавају. Апоптоза се јавља у различитим типовима ћелија након различитих врста токсичних повреда (Виллие, Керр и Цуррие 1980). Посебно је изражен у лимфоцитима, где је преовлађујући механизам за промет клонова лимфоцита. Добијени фрагменти резултирају базофилним телима која се виде унутар макрофага у лимфним чворовима. У другим органима, апоптоза се обично јавља у појединачним ћелијама које се брзо уклањају пре и после смрти фагоцитозом фрагмената од стране суседних паренхимских ћелија или макрофага. Апоптоза која се јавља у појединачним ћелијама са накнадном фагоцитозом обично не доводи до упале. Пре смрти, апоптотичке ћелије показују веома густ цитосол са нормалним или кондензованим митохондријама. Ендоплазматски ретикулум (ЕР) је нормалан или само благо проширен. Нуклеарни хроматин је изразито скупљен дуж нуклеарног омотача и око нуклеола. Нуклеарна контура је такође неправилна и долази до нуклеарне фрагментације. Кондензација хроматина је повезана са фрагментацијом ДНК која се, у многим случајевима, дешава између нуклеозома, дајући карактеристичан изглед лествице на електрофорези.

У апоптози, повећана [Ца2+]i може стимулисати К+ ефлукс који доводи до смањења ћелија, што вероватно захтева АТП. Повреде које потпуно инхибирају синтезу АТП-а, стога, вероватније ће довести до апоптозе. Константно повећање од [Ца2+]i има низ штетних ефеката укључујући активацију протеаза, ендонуклеаза и фосфолипаза. Активација ендонуклеазе доводи до прекида једноструких и двоструких ланаца ДНК који, заузврат, стимулишу повећане нивое п53 и поли-АДП рибозилацију, као и нуклеарних протеина који су неопходни за поправку ДНК. Активација протеаза модификује бројне супстрате укључујући актин и сродне протеине што доводи до формирања мехурића. Други важан супстрат је поли(АДП-рибоза) полимераза (ПАРП), која инхибира поправку ДНК. Повећана [ца2+]i је такође повезан са активацијом бројних протеин киназа, као што су МАП киназа, калмодулин киназа и друге. Такве киназе су укључене у активацију фактора транскрипције који иницирају транскрипцију непосредно раних гена, на пример, ц-фос, ц-јун и ц-миц, и у активацији фосфолипазе А2 што резултира пермеабилизацијом плазма мембране и интрацелуларних мембрана као што је унутрашња мембрана митохондрија.

Онкоза

Онкоза, изведена од грчке речи онкос, да отекне, назван је тако јер у овој врсти прелеталне промене ћелија почиње да отиче скоро одмах након повреде (Мајно и Јорис 1995). Разлог за отицање је повећање катјона у води унутар ћелије. Главни одговорни катјон је натријум, који је нормално регулисан за одржавање запремине ћелије. Међутим, у одсуству АТП-а или ако је На-АТПаза плазмалеме инхибирана, контрола запремине се губи због интрацелуларног протеина, а натријум у води наставља да расте. Међу раним догађајима у онкози су, дакле, повећани [На+]i што доводи до ћелијског отока и повећања [Ца2+]i који настају или услед прилива из екстрацелуларног простора или ослобађања из интрацелуларних складишта. То доводи до отицања цитосола, отицања ендоплазматског ретикулума и Голгијевог апарата и формирања водених мехурића око површине ћелије. Митохондрије су у почетку подвргнуте кондензацији, али касније и оне показују отицање велике амплитуде због оштећења унутрашње митохондријалне мембране. У овој врсти прелеталне промене, хроматин се подвргава кондензацији и на крају деградацији; међутим, не види се карактеристична лествица апоптозе.

Некроза

Некроза се односи на низ промена које се јављају након смрти ћелије када се ћелија претвара у остатке који се обично уклањају инфламаторним одговором. Могу се разликовати две врсте: онкотска некроза и апоптотичка некроза. Онкотична некроза се обично јавља у великим зонама, на пример, у инфаркту миокарда или регионално у органу након хемијске токсичности, као што је проксимални тубул бубрега након примене ХгЦл2. Укључене су широке зоне органа и некротичне ћелије брзо подстичу инфламаторну реакцију, прво акутну, а затим хроничну. У случају да организам преживи, у многим органима некроза је праћена уклањањем мртвих ћелија и регенерацијом, на пример, у јетри или бубрезима након хемијске токсичности. Насупрот томе, апоптотичка некроза се обично јавља на бази једне ћелије и некротични остаци се формирају унутар фагоцита макрофага или суседних паренхимских ћелија. Најраније карактеристике некротичних ћелија укључују прекиде у континуитету плазма мембране и појаву густине флокулента, што представља денатурисане протеине унутар митохондријалног матрикса. Код неких облика повреда који у почетку не ометају акумулацију калцијума у ​​митохондријима, депозити калцијум фосфата се могу видети унутар митохондрија. Други мембрански системи се слично фрагментирају, као што су ЕР, лизозоми и Голгијев апарат. На крају, нуклеарни хроматин се подвргава лизи, што је резултат напада лизозомалних хидролазе. Након смрти ћелије, лизозомалне хидролазе играју важну улогу у чишћењу остатака катепсина, нуклеолаза и липаза, јер оне имају оптимални кисели пХ и могу да преживе низак пХ некротичних ћелија док су други ћелијски ензими денатурисани и инактивирани.

Механизми

Почетни стимулус

У случају смртоносних повреда, најчешће почетне интеракције које доводе до повреде које доводе до смрти ћелије су сметње у енергетском метаболизму, као што су аноксија, исхемија или инхибитори дисања, и гликолиза као што су калијум цијанид, угљен моноксид, јодоацетат и ускоро. Као што је горе поменуто, високе дозе једињења која инхибирају енергетски метаболизам обично доводе до онкозе. Други уобичајени тип почетне повреде која резултира акутном смрћу ћелије је модификација функције плазма мембране (Трумп и Арстила 1971; Трумп, Березески и Осорнио-Варгас 1981). То може бити или директно оштећење и пермеабилизација, као у случају трауме или активације Ц5б-Ц9 комплекса комплемента, механичко оштећење ћелијске мембране или инхибиција натријум-калијума (На+-K+) пумпа са гликозидима као што је оуабаин. Калцијум јонофори као што су јономицин или А23187, који брзо носе [Ца2+] низ градијент у ћелију, такође изазивају акутну смртоносну повреду. У неким случајевима, образац прелеталне промене је апоптоза; код других је онкоза.

Сигнални путеви

Код многих врста повреда, митохондријално дисање и оксидативна фосфорилација су брзо погођени. У неким ћелијама, ово стимулише анаеробну гликолизу, која је способна да одржи АТП, али код многих повреда то је инхибирано. Недостатак АТП-а доводи до неуспеха да се активирају бројни важни хомеостатски процеси, посебно контрола интрацелуларне хомеостазе јона (Трумп и Березески 1992; Трумп, Березески и Осорнио-Варгас 1981). Ово доводи до брзог повећања [Ца2+]i, и повећана [На+] и [Цл-] резултира отицањем ћелија. Повећава [ца2+]i резултирају активацијом низа других сигналних механизама о којима се говори у наставку, укључујући низ киназа, што може резултирати повећаном тренутном раном транскрипцијом гена. Повећана [ца2+]i такође модификује функцију цитоскелета, делом резултирајући формирањем мехурића и активацијом ендонуклеаза, протеаза и фосфолипаза. Чини се да они изазивају многе од важних ефеката о којима је горе дискутовано, као што су оштећење мембране кроз активацију протеазе и липазе, директна деградација ДНК од активације ендонуклеазе и активација киназа као што су МАП киназа и калмодулин киназа, које делују као фактори транскрипције.

Кроз опсежан рад на развоју код бескичмењака Ц. елеганс Дросопхила, као и људске и животињске ћелије, идентификован је низ гена за смрт. Утврђено је да неки од ових гена бескичмењака имају пандане сисара. На пример, ген цед-3, који је неопходан за програмирану ћелијску смрт Ц. елеганс, има активност протеазе и јаку хомологију са ензимом који конвертује интерлеукин сисара (ИЦЕ). Блиско сродни ген који се зове апопаин или прИЦЕ недавно је идентификован са још ближом хомологијом (Ницхолсон ет ал. 1995). Ин Дросопхила, чини се да је ген жетеоца укључен у сигнал који води до програмиране ћелијске смрти. Остали гени за смрт укључују протеин Фас мембране и важан ген супресор тумора, п53, који је широко очуван. п53 се индукује на нивоу протеина након оштећења ДНК и када је фосфорилисан делује као фактор транскрипције за друге гене као што су гадд45 и ваф-1, који су укључени у сигнализацију смрти ћелије. Чини се да су и други непосредни рани гени као што су ц-фос, ц-јун и ц-миц укључени у неке системе.

У исто време, постоје гени против смрти који изгледа да се супротстављају генима за смрт. Први од њих који је идентификован био је цед-9 из Ц. елеганс, који је хомологан бцл-2 код људи. Ови гени делују на још непознат начин да спрече убијање ћелија било генетским или хемијским токсинима. Неки недавни докази указују да бцл-2 може деловати као антиоксиданс. Тренутно се улаже много напора да се развије разумевање укључених гена и да се развију начини за активирање или инхибицију ових гена, у зависности од ситуације.

 

Назад

Недеља, КСНУМКС јануар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Генетиц Токицологи

Генетска токсикологија, по дефиницији, је студија о томе како хемијски или физички агенси утичу на замршени процес наслеђа. Генотоксичне хемикалије се дефинишу као једињења која су способна да модификују наследни материјал живих ћелија. Вероватноћа да ће одређена хемикалија изазвати генетско оштећење неизбежно зависи од неколико варијабли, укључујући ниво изложености организма хемикалији, дистрибуцију и задржавање хемикалије када уђе у тело, ефикасност метаболичке активације и/или система детоксикације у циљна ткива, и реактивност хемикалије или њених метаболита са критичним макромолекулима унутар ћелија. Вероватноћа да ће генетско оштећење изазвати болест на крају зависи од природе оштећења, способности ћелије да поправи или појача генетско оштећење, могућности да изрази било коју промену која је изазвана, и способности тела да препозна и потисне умножавање аберантне ћелије.

У вишим организмима, наследне информације су организоване у хромозомима. Хромозоми се састоје од чврсто кондензованих ланаца ДНК повезане са протеинима. У оквиру једног хромозома, сваки молекул ДНК постоји као пар дугих, неразгранатих ланаца нуклеотидних подјединица повезаних фосфодиестарским везама које спајају 5 угљеника једног дела дезоксирибозе са 3 угљеника следећег (слика 1). Поред тога, једна од четири различите нуклеотидне базе (аденин, цитозин, гванин или тимин) је везана за сваку подјединицу дезоксирибозе као перле на нити. Тродимензионално, сваки пар ланаца ДНК формира двоструку спиралу са свим базама оријентисаним ка унутрашњости спирале. Унутар хеликса, свака база је повезана са својом комплементарном базом на супротном ДНК ланцу; водонична веза диктира снажно, нековалентно упаривање аденина са тимином и гванина са цитозином (слика 1). Пошто је секвенца нуклеотидних база комплементарна целом дужином молекула дуплекс ДНК, оба ланца носе у суштини исте генетске информације. У ствари, током репликације ДНК сваки ланац служи као шаблон за производњу новог партнерског ланца.

Слика 1. (а) примарна, (б) секундарна и (ц) терцијарна организација људских наследних информација

ТОКС090Ф1Користећи РНК и низ различитих протеина, ћелија на крају дешифрује информације кодиране линеарном секвенцом база унутар специфичних региона ДНК (гена) и производи протеине који су неопходни за опстанак основних ћелија, као и за нормалан раст и диференцијацију. У суштини, нуклеотиди функционишу као биолошка абецеда која се користи за кодирање аминокиселина, градивних блокова протеина.

Када се уметну нетачни нуклеотиди или се нуклеотиди изгубе, или када се додају непотребни нуклеотиди током синтезе ДНК, грешка се назива мутација. Процењено је да се на сваких 10 јавља мање од једне мутације9 нуклеотиди уграђени током нормалне репликације ћелија. Иако мутације нису нужно штетне, промене које изазивају инактивацију или прекомерну експресију важних гена могу довести до разних поремећаја, укључујући рак, наследне болести, развојне абнормалности, неплодност и ембрионалну или перинаталну смрт. Веома ретко, мутација може довести до побољшаног преживљавања; такве појаве су основа природне селекције.

Иако неке хемикалије реагују директно са ДНК, већина захтева метаболичку активацију. У последњем случају, електрофилни интермедијери као што су епоксиди или јони угљеника су на крају одговорни за изазивање лезија на различитим нуклеофилним местима унутар генетског материјала (слика 2). У другим случајевима, генотоксичност је посредована нуспроизводима интеракције једињења са интрацелуларним липидима, протеинима или кисеоником.

Слика 2. Биоактивација: а) бензо(а)пирена; и б) Н-нитрозодиметиламин

ТОКС090Ф2

Због њиховог релативног обиља у ћелијама, протеини су најчешћа мета интеракције токсичних супстанци. Међутим, модификација ДНК изазива већу забринутост због централне улоге овог молекула у регулисању раста и диференцијације кроз више генерација ћелија.

На молекуларном нивоу, електрофилна једињења имају тенденцију да нападају кисеоник и азот у ДНК. Локације које су најсклоне модификацијама илустроване су на слици 3. Иако су кисеоник унутар фосфатних група у ДНК кичми такође мета за хемијску модификацију, сматра се да је оштећење база биолошки релевантније јер се ове групе сматрају примарним информативним елемената у молекулу ДНК.

Слика 3. Примарна места хемијски изазваних оштећења ДНК

ТОКС090Ф3

Једињења која садрже један електрофилни део обично испољавају генотоксичност тако што производе моно-адукте у ДНК. Слично томе, једињења која садрже два или више реактивних делова могу да реагују са два различита нуклеофилна центра и на тај начин произведу интра- или интер-молекуларне попречне везе у генетском материјалу (слика 4). Унакрсне везе између ДНК-ДНК и ДНК-протеина могу бити посебно цитотоксичне јер могу формирати потпуне блокове за репликацију ДНК. Из очигледних разлога, смрт ћелије елиминише могућност да ће бити мутирана или неопластично трансформисана. Генотоксични агенси такође могу деловати тако што изазивају прекиде у фосфодиестарској кичми, или између база и шећера (производећи абазична места) у ДНК. Такви прекиди могу бити директан резултат хемијске реактивности на месту оштећења или се могу јавити током поправке једног од горе наведених типова лезија ДНК.

Слика 4. Разне врсте оштећења комплекса протеин-ДНК

ТОКС090Ф4

Током протеклих тридесет до четрдесет година развијене су различите технике за праћење врсте генетских оштећења изазваних разним хемикалијама. Такви тестови су детаљно описани на другом месту у овом поглављу и Енциклопедија.

Погрешна репликација „микролезија“ као што су моно-адукти, абазична места или прекиди једног ланца може на крају довести до супституција нуклеотидних базних парова, или уметања или брисања кратких полинуклеотидних фрагмената у хромозомској ДНК. Насупрот томе, „макролезије“, као што су гломазни адукти, унакрсне везе или прекиди двоструког ланца, могу изазвати добијање, губитак или преуређење релативно великих делова хромозома. У сваком случају, последице могу бити погубне по организам јер било који од ових догађаја може довести до смрти ћелије, губитка функције или малигне трансформације ћелија. Како тачно оштећење ДНК узрокује рак је углавном непознато. Тренутно се верује да процес може укључивати неодговарајућу активацију прото-онкогена као што је нпр миц Рас, и/или инактивација недавно идентификованих гена супресора тумора као што је п53. Абнормална експресија било ког типа гена укида нормалне ћелијске механизме за контролу пролиферације и/или диференцијације ћелија.

Превласт експерименталних доказа указује да је развој канцера након излагања електрофилним једињењима релативно редак догађај. Ово се делимично може објаснити интринзичном способношћу ћелије да препозна и поправи оштећену ДНК или неуспехом ћелија са оштећеном ДНК да преживе. Током поправке, оштећена база, нуклеотид или кратак део нуклеотида који окружује место оштећења се уклања и (користећи супротни ланац као шаблон) нови део ДНК се синтетише и спаја на место. Да би била ефикасна, поправка ДНК мора да се деси са великом тачношћу пре деобе ћелије, пре него што дође до могућности за ширење мутације.

Клиничке студије су показале да људи са наследним дефектима у способности да поправе оштећену ДНК често развију рак и/или развојне абнормалности у раном добу (табела 1). Такви примери пружају снажне доказе који повезују акумулацију оштећења ДНК са људским болестима. Слично, агенси који промовишу пролиферацију ћелија (као што је тетрадеканоилфорбол ацетат) често појачавају карциногенезу. За ова једињења, повећана вероватноћа неопластичне трансформације може бити директна последица смањења времена доступног ћелији да изврши адекватну поправку ДНК.

Табела 1. Наследни поремећаји склони карциному за које се чини да укључују дефекте у поправци ДНК

Синдром simptomi Ћелијски фенотип
Атаксија телангиектазија Неуролошко погоршање
Иммунодефициенци
Висока инциденција лимфома
Преосетљивост на јонизујуће зрачење и одређене алкилирајуће агенсе.
Дисрегулисана репликација оштећене ДНК (може указивати на скраћено време за поправку ДНК)
Блоомов синдром Абнормалности у развоју
Лезије на изложеној кожи
Висока инциденција тумора имуног система и гастроинтестиналног тракта
Висока учесталост хромозомских аберација
Дефектна лигација прекида повезаних са поправком ДНК
Фанцонијева анемија Заостајање у расту
Висока учесталост леукемије
Преосетљивост на средства за умрежавање
Висока учесталост хромозомских аберација
Дефектна поправка унакрсних веза у ДНК
Наследни неполипозни рак дебелог црева Висока учесталост рака дебелог црева Дефект у поправци неусклађености ДНК (када се убаци погрешан нуклеотид током репликације)
Ксеродерма пигментосум Висока инциденца епителиома на изложеним деловима коже
Неуролошко оштећење (у многим случајевима)
Преосетљивост на УВ светлост и многе хемијске карциногене
Дефекти у поправци ексцизије и/или репликацији оштећене ДНК

 

Најраније теорије о томе како хемикалије интерагују са ДНК могу се пратити до студија спроведених током развоја иперита за употребу у рату. Даље разумевање је произашло из напора да се идентификују агенси против рака који би селективно зауставили репликацију туморских ћелија које се брзо деле. Повећана забринутост јавности због опасности у нашем окружењу подстакла је додатна истраживања механизама и последица хемијске интеракције са генетским материјалом. Примери различитих врста хемикалија које испољавају генотоксичност су представљени у табели 2.

Табела 2. Примери хемикалија које показују генотоксичност у људским ћелијама

Класа хемикалија Пример Извор излагања Вероватна генотоксична лезија
Афлатоксини Афлатоксин Б1 Контаминирана храна Крупни ДНК адукти
Ароматични амини 2-Ацетиламинофлуорен еколошки Крупни ДНК адукти
Азиридин кинони Митомицин Ц Хемотерапија рака Моно-адукти, међуланчане унакрсне везе и једноланчани прекиди у ДНК.
Хлоровани угљоводоници Винил хлорид еколошки Моно-адукти у ДНК
Метали и једињења метала Цисплатин Хемотерапија рака Унакрсне везе унутар и међу ланцима у ДНК
  Једињења никла еколошки Моно-адукти и једноланчани прекиди у ДНК
Азотни сенф Циклофосфамид Хемотерапија рака Моно-адукти и међуланчане умрежене везе у ДНК
Нитросамини Н-нитрозодиметиламин Контаминирана храна Моно-адукти у ДНК
Полицикличних ароматичних угљоводоника Бензо (а) пирене еколошки Крупни ДНК адукти

 

Назад

Недеља, КСНУМКС јануар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Иммунотокицологи

Функције имуног система су да заштити тело од инвазије инфективних агенаса и да обезбеди имунолошки надзор против туморских ћелија које настају. Има прву линију одбране која је неспецифична и која сама може да покрене ефекторске реакције и стечену специфичну грану, у којој лимфоцити и антитела носе специфичност препознавања и накнадне реактивности према антигену.

Имунотоксикологија је дефинисана као „дисциплина која се бави проучавањем догађаја који могу довести до нежељених ефеката као резултат интеракције ксенобиотика са имунолошким системом. Ови нежељени догађаји могу резултирати као последица (1) директног и/или индиректног ефекта ксенобиотика (и/или његовог производа биотрансформације) на имуни систем, или (2) имунолошки заснованог одговора домаћина на једињење и/или његов метаболит(и), или антигени домаћина модификовани једињењем или његовим метаболитима” (Берлин ет ал. 1987).

Када имуни систем делује као пасивна мета хемијских увреда, резултат може бити смањена отпорност на инфекцију и одређене облике неоплазије, или имунолошка дисрегулација/стимулација која може погоршати алергију или ауто-имунитет. У случају да имуни систем реагује на антигенску специфичност ксенобиотика или антигена домаћина модификованог једињењем, токсичност се може манифестовати као алергије или аутоимуне болести.

Развијени су животињски модели за испитивање супресије имунитета изазване хемикалијама, а један број ових метода је потврђен (Бурлесон, Мунсон и Деан 1995; ИПЦС 1996). За потребе тестирања, следи вишестепени приступ како би се направио адекватан избор од огромног броја доступних тестова. Генерално, циљ првог нивоа је да идентификује потенцијалне имунотоксичне супстанце. Ако се идентификује потенцијална имунотоксичност, врши се други ниво тестирања да би се потврдиле и даље карактерисале уочене промене. Истраживања трећег нивоа укључују посебне студије о механизму деловања једињења. Неколико ксенобиотика је идентификовано као имунотоксиканти који изазивају имуносупресију у таквим студијама на лабораторијским животињама.

База података о поремећајима имунолошке функције код људи услед хемикалија из животне средине је ограничена (Десцотес 1986; НРЦ Подкомитет за имунотоксикологију 1992). Употреба маркера имунотоксичности је добила мало пажње у клиничким и епидемиолошким студијама да би се истражио ефекат ових хемикалија на здравље људи. Такве студије нису рађене често, а њихово тумачење често не дозвољава да се донесу недвосмислени закључци, на пример због неконтролисане природе излагања. Стога, тренутно процена имунотоксичности код глодара, са накнадном екстраполацијом на човека, чини основу за доношење одлука о опасности и ризику.

Реакције преосетљивости, посебно алергијска астма и контактни дерматитис, су важни здравствени проблеми у индустријализованим земљама (Вос, Иоунес и Смитх 1995). Феномен контактне сензибилизације је прво истражен код заморца (Андерсен и Маибацх 1985). До недавно је ово била врста избора за предиктивно тестирање. Доступне су многе методе тестирања заморчића, а најчешће коришћени су тест максимизације заморчића и Буехлеров тест оклудираних закрпа. Тестови на заморцима и новији приступи развијени на мишевима, као што су тестови отицања уха и тест локалних лимфних чворова, пружају токсикологу алате за процену опасности од сензибилизације коже. Ситуација у погледу сензибилизације респираторног тракта је веома различита. Још увек не постоје добро потврђене или широко прихваћене методе за идентификацију хемијских респираторних алергена, иако је напредак у развоју животињских модела за испитивање хемијских респираторних алергија постигнут код заморца и миша.

Подаци о људима показују да хемијски агенси, посебно лекови, могу изазвати аутоимуне болести (Каммуллер, Блоксма и Сеинен 1989). Постоји велики број експерименталних животињских модела људских аутоимуних болести. Оне обухватају и спонтану патологију (на пример системски еритематозни лупус код новозеландских црних мишева) и аутоимуне феномене изазване експерименталном имунизацијом унакрсним реактивним аутоантигеном (на пример, артритис изазван Х37Ра адјувансом код пацова соја Левис). Ови модели се примењују у претклиничкој евалуацији имуносупресивних лекова. Врло мало студија бавило се потенцијалом ових модела за процену да ли ксенобиотик погоршава индуковану или урођену аутоимуност. Животињски модели који су погодни за истраживање способности хемикалија да изазову аутоимуне болести практично недостају. Један модел који се користи у ограниченој мери је тест поплитеалних лимфних чворова код мишева. Као и ситуација код људи, генетски фактори играју кључну улогу у развоју аутоимуне болести (АД) код лабораторијских животиња, што ће ограничити предиктивну вредност таквих тестова.

Имунски систем

Главна функција имуног система је одбрана од бактерија, вируса, паразита, гљивица и неопластичних ћелија. Ово се постиже деловањем различитих типова ћелија и њихових растворљивих медијатора у фино подешеном концерту. Одбрана домаћина може се грубо поделити на неспецифичну или урођену резистенцију и специфичан или стечени имунитет посредован лимфоцитима (Роитт, Бростофф и Мале 1989).

Компоненте имуног система присутне су у целом телу (Јонес ет ал. 1990). Компартмент за лимфоците се налази у лимфоидним органима (слика 1). Коштана срж и тимус су класификовани као примарни или централни лимфоидни органи; секундарни или периферни лимфоидни органи обухватају лимфне чворове, слезину и лимфоидно ткиво дуж секреторних површина као што су гастроинтестинални и респираторни тракт, такозвано лимфоидно ткиво повезано са слузницом (МАЛТ). Отприлике половина телесних лимфоцита налази се у било ком тренутку у МАЛТ-у. Поред тога, кожа је важан орган за индукцију имунолошких одговора на антигене присутне на кожи. Важне у овом процесу су епидермалне Лангерхансове ћелије које имају функцију презентовања антигена.

Слика 1. Примарни и секундарни лимфоидни органи и ткива

ТОКС110Ф1

Фагоцитне ћелије лозе моноцита/макрофага, назване мононуклеарни фагоцитни систем (МПС), јављају се у лимфоидним органима и такође на екстранодалним местима; екстранодални фагоцити укључују Купферове ћелије у јетри, алвеоларне макрофаге у плућима, мезангијалне макрофаге у бубрезима и глијалне ћелије у мозгу. Полиморфонуклеарни леукоцити (ПМН) су углавном присутни у крви и коштаној сржи, али се акумулирају на местима упале.

 

 

 

 

 

 

 

Неспецифична одбрана

Прву линију одбране од микроорганизама врши физичка и хемијска баријера, као што су кожа, респираторни и пробавни тракт. Ова баријера је потпомогнута неспецифичним заштитним механизмима укључујући фагоцитне ћелије, као што су макрофаги и полиморфонуклеарни леукоцити, који су у стању да убијају патогене, и природне ћелије убице, које могу да лизирају ћелије тумора и ћелије инфициране вирусом. Систем комплемента и одређени микробни инхибитори (нпр. лизозим) такође учествују у неспецифичном одговору.

Специфични имунитет

Након почетног контакта домаћина са патогеном, индукују се специфични имуни одговори. Обележје ове друге линије одбране је специфично препознавање детерминанти, такозваних антигена или епитопа, патогена помоћу рецептора на површини ћелије Б- и Т-лимфоцита. Након интеракције са специфичним антигеном, ћелија која носи рецептор се стимулише да се подвргне пролиферацији и диференцијацији, производећи клон ћелија потомака који су специфични за изазивајући антиген. Специфични имуни одговори помажу неспецифичној одбрани представљеној патогенима стимулишући ефикасност неспецифичних одговора. Основна карактеристика специфичног имунитета је да се памћење развија. Секундарни контакт са истим антигеном изазива бржи и снажнији, али добро регулисан одговор.

Геном нема капацитет да носи кодове низа антигенских рецептора који су довољни да препознају број антигена који се могу срести. Репертоар специфичности се развија процесом преуређивања гена. Ово је случајан процес, током којег се јављају различите специфичности. Ово укључује специфичности сопствених компоненти, које су непожељне. Процес селекције који се одвија у тимусу (Т ћелије) или коштаној сржи (Б ћелије) ради на брисању ових непожељних специфичности.

Нормална имунолошка ефекторска функција и хомеостатска регулација имуног одговора зависе од низа растворљивих производа, познатих као цитокини, које синтетишу и луче лимфоцити и други типови ћелија. Цитокини имају плеиотропне ефекте на имуне и инфламаторне одговоре. Сарадња између различитих ћелијских популација је неопходна за имуни одговор — регулацију одговора антитела, акумулацију имуних ћелија и молекула на местима упале, иницирање одговора акутне фазе, контролу цитотоксичне функције макрофага и многе друге процесе који су централни за отпорност домаћина. . На њих утичу и у многим случајевима зависе од цитокина који делују појединачно или заједно.

Препознају се два крака специфичног имунитета—хуморални имунитет и ћелијски посредован или ћелијски имунитет:

Хуморални имунитет. У хуморалном краку Б-лимфоцити се стимулишу након што рецептори на ћелијској површини препознају антиген. Антигенски рецептори на Б-лимфоцитима су имуноглобулини (Иг). Зреле Б ћелије (плазма ћелије) започињу производњу антиген-специфичних имуноглобулина који делују као антитела у серуму или дуж мукозних површина. Постоји пет главних класа имуноглобулина: (1) ИгМ, пентамерни Иг са оптималним капацитетом аглутинације, који се прво производи након антигенске стимулације; (2) ИгГ, главни Иг у циркулацији, који може да прође кроз плаценту; (3) ИгА, секреторни Иг за заштиту мукозних површина; (4) ИгЕ, Иг фиксирање за мастоците или базофилне гранулоците укључене у непосредне реакције преосетљивости и (5) ИгД, чија је главна функција рецептор на Б-лимфоцитима.

Ћелијски посредован имунитет. Ћелијски крак специфичног имуног система је посредован Т-лимфоцитима. Ове ћелије такође имају рецепторе за антиген на својим мембранама. Они препознају антиген ако су представљени ћелијама које представљају антиген у контексту антигена хистокомпатибилности. Дакле, ове ћелије имају ограничење поред специфичности антигена. Т ћелије функционишу као помоћне ћелије за различите (укључујући хуморалне) имуне одговоре, посредују у регрутовању инфламаторних ћелија и могу, као цитотоксичне Т ћелије, да убијају циљне ћелије након антиген-специфичног препознавања.

Механизми имунотоксичности

Имуносупресија

Ефективна резистенција домаћина зависи од функционалног интегритета имуног система, што заузврат захтева да компоненте ћелија и молекула који оркестрирају имуни одговор буду доступни у довољном броју иу оперативном облику. Урођене имунодефицијенције код људи често се карактеришу дефектима одређених линија матичних ћелија, што доводи до поремећене или одсутне производње имуних ћелија. По аналогији са урођеним и стеченим болестима хумане имунодефицијенције, хемијски изазвана имуносупресија може бити резултат једноставног смањења броја функционалних ћелија (ИПЦС 1996). Одсуство или смањен број лимфоцита може имати више или мање дубоке ефекте на имунолошки статус. Нека стања имунодефицијенције и тешка имуносупресија, који се могу јавити у трансплантацији или цитостатичкој терапији, повезани су посебно са повећаном инциденцом опортунистичких инфекција и одређених неопластичних болести. Инфекције могу бити бактеријске, вирусне, гљивичне или протозојске, а преовлађујући тип инфекције зависи од придружене имунодефицијенције. Може се очекивати да ће излагање имуносупресивним хемикалијама из животне средине довести до суптилнијих облика имуносупресије, што може бити тешко открити. Ово може довести, на пример, до повећане инциденције инфекција као што су грип или обична прехлада.

С обзиром на сложеност имуног система, са широким спектром ћелија, медијатора и функција које чине компликовану и интерактивну мрежу, имунотоксична једињења имају бројне могућности да испоље дејство. Иако природа почетних лезија изазваних многим имунотоксичним хемикалијама још увек није разјашњена, све је више доступних информација, углавном изведених из студија на лабораторијским животињама, у вези са имунобиолошким променама које доводе до депресије имунолошке функције (Деан ет ал. 1994.) . Токсични ефекти могу се јавити на следећим критичним функцијама (и дати су неки примери имунотоксичних једињења која утичу на ове функције):

  •  развој и ширење различитих популација матичних ћелија (бензен испољава имунотоксичне ефекте на нивоу матичних ћелија, изазивајући лимфоцитопенију)
  •  пролиферација различитих лимфоидних и мијелоидних ћелија, као и потпорних ткива у којима ове ћелије сазревају и функционишу (имунотоксична органокалајна једињења сузбијају пролиферативну активност лимфоцита у тимусној кортексу путем директне цитотоксичности; тимотоксично дејство 2,3,7,8-тетрахлоро -дибензо-п-диоксин (ТЦДД) и сродна једињења су вероватно због поремећене функције епителних ћелија тимуса, а не због директне токсичности за тимоците)
  •  преузимање, процесирање и презентација антигена од стране макрофага и других ћелија које представљају антиген (једна од мета 7,12-диметилбенз(а)антрацена (ДМБА) и олова је презентација антигена од стране макрофага; мета ултраљубичастог зрачења је антиген- представљање Лангерхансове ћелије)
  •  регулаторна функција Т-помоћних и Т-супресорских ћелија (функција Т-помоћних ћелија је оштећена органотинима, алдикарбом, полихлорисаним бифенилима (ПЦБ), ТЦДД и ДМБА; функција Т-супресорских ћелија је смањена третманом ниским дозама циклофосфамида)
  •  производња различитих цитокина или интерлеукина (бензо(а)пирен (БП) потискује производњу интерлеукина-1; ултраљубичасто зрачење мења производњу цитокина од стране кератиноцита)
  •  синтеза различитих класа имуноглобулина ИгМ и ИгГ је потиснута након третмана ПЦБ и трибутилкалај оксидом (ТБТ), и повећана након излагања хексахлоробензену (ХЦБ).
  •  регулација и активација комплемента (под утицајем ТЦДД)
  •  цитотоксична функција Т ћелија (3-метилхолантрен (3-МЦ), ДМБА и ТЦДД потискују цитотоксичну активност Т ћелија)
  •  функција природних ћелија убица (НК) (плућна НК активност је потиснута озоном; НК активност слезине је оштећена никлом)
  •  хемотаксија макрофага и полиморфонуклеарних леукоцита и цитотоксичне функције (озон и азот-диоксид нарушавају фагоцитну активност алвеоларних макрофага).

 

Алергија

Алергија могу се дефинисати као штетни здравствени ефекти који су резултат индукције и изазивања специфичних имуних одговора. Када се реакције преосетљивости јављају без укључивања имуног система термин псеудо-алергија се користи. У контексту имунотоксикологије, алергија је резултат специфичног имунолошког одговора на хемикалије и лекове који су од интереса. Способност хемикалије да сензибилизира појединце је генерално повезана са њеном способношћу да се ковалентно везује за телесне протеине. Алергијске реакције могу имати различите облике и оне се разликују у односу на основне имунолошке механизме и брзину реакције. Препознате су четири главне врсте алергијских реакција: Реакције преосетљивости типа И, које изазивају ИгЕ антитело и код којих се симптоми манифестују у року од неколико минута након излагања сензибилизоване особе. Реакције преосетљивости типа ИИ су резултат оштећења или уништења ћелија домаћина антителом. У овом случају симптоми постају очигледни у року од неколико сати. Реакције преосетљивости типа ИИИ или Артусове реакције су такође посредоване антителима, али против растворљивог антигена, и резултат су локалног или системског деловања имуних комплекса. На реакције типа ИВ, или преосетљивост одложеног типа, утичу Т-лимфоцити и обично се симптоми развијају 24 до 48 сати након излагања сензибилизоване особе.

Две врсте хемијских алергија од највећег значаја за здравље на раду су осетљивост на контакт или алергија коже и алергија респираторног тракта.

Контактна преосетљивост. Велики број хемикалија може изазвати сензибилизацију коже. Након локалног излагања осетљиве особе хемијском алергену, одговор Т-лимфоцита се индукује у дренирајућим лимфним чворовима. У кожи алерген директно или индиректно ступа у интеракцију са епидермалним Лангерхансовим ћелијама, које транспортују хемикалију до лимфних чворова и представљају је у имуногеном облику Т-лимфоцитима који реагују. Т-лимфоцити активирани алергеном пролиферирају, што доводи до клоналне експанзије. Појединац је сада сензибилизиран и реаговаће на друго дермално излагање истој хемикалији агресивнијим имунолошким одговором, што резултира алергијским контактним дерматитисом. Кожна инфламаторна реакција која карактерише алергијски контактни дерматитис је секундарна у односу на препознавање алергена у кожи од стране специфичних Т-лимфоцита. Ови лимфоцити се активирају, ослобађају цитокине и изазивају локалну акумулацију других мононуклеарних леукоцита. Симптоми се развијају око 24 до 48 сати након излагања сензибилизоване особе, па стога алергијски контактни дерматитис представља облик преосетљивости одложеног типа. Уобичајени узроци алергијског контактног дерматитиса укључују органске хемикалије (као што је 2,4-динитрохлоробензен), метале (као што су никл и хром) и биљне производе (као што је урушиол из отровног бршљана).

Респираторна преосетљивост. Респираторна преосетљивост се обично сматра реакцијом преосетљивости типа И. Међутим, реакције у касној фази и хроничнији симптоми повезани са астмом могу укључити ћелијски посредоване (тип ИВ) имуне процесе. На акутне симптоме повезане са респираторном алергијом утиче ИгЕ антитело, чија производња се провоцира након излагања осетљиве особе индукујућем хемијском алергену. ИгЕ антитело се дистрибуира системски и везује се, преко мембранских рецептора, за мастоците које се налазе у васкуларизованим ткивима, укључујући респираторни тракт. Након удисања исте хемикалије долази до реакције респираторне преосетљивости. Алерген се повезује са протеином и везује се за ИгЕ антитела везана за мастоците и унакрсно повезује. Ово заузврат изазива дегранулацију мастоцита и ослобађање инфламаторних медијатора као што су хистамин и леукотриени. Такви медијатори изазивају бронхоконстрикцију и вазодилатацију, што резултира симптомима респираторне алергије; астма и/или ринитис. Хемикалије за које се зна да изазивају респираторну преосетљивост код људи укључују анхидриде киселине (као што је тримелитни анхидрид), неке диизоцијанате (као што је толуен диизоцијанат), соли платине и неке реактивне боје. Такође, познато је да хронична изложеност берилијуму изазива преосетљивост плућа.

Аутоимунитет

Аутоимунитет може се дефинисати као стимулација специфичних имуних одговора усмерених против ендогених „самосталних” антигена. Индукована аутоимуност може бити резултат или промена у равнотежи регулаторних Т-лимфоцита или због повезаности ксенобиотика са компонентама нормалног ткива тако да их чини имуногеним („измењено ја“). Лекови и хемикалије за које се зна да случајно изазивају или погоршавају ефекте попут оних код аутоимуне болести (АД) код осетљивих појединаца су једињења мале молекулске тежине (молекулске тежине 100 до 500) за која се генерално сматра да сама по себи нису имуногена. Механизам АД услед излагања хемикалијама углавном је непознат. Болест се може произвести директно помоћу циркулишућих антитела, индиректно кроз формирање имунских комплекса, или као последица ћелијски посредованог имунитета, али се вероватно јавља комбинацијом механизама. Патогенеза је најпознатија код имунолошких хемолитичких поремећаја изазваних лековима:

  •  Лек се може везати за мембрану црвених ћелија и ступити у интеракцију са антителом специфичним за лек.
  •  Лек може да промени мембрану црвених ћелија тако да имуни систем сматра ћелију страном.
  •  Лек и његово специфично антитело формирају имуне комплексе који се везују за мембрану црвених ћелија и изазивају повреде.
  •  Сензибилизација црвених ћелија настаје услед производње аутоантитела црвених ћелија.

 

Утврђено је да разне хемикалије и лекови, посебно ове последње, изазивају аутоимуне реакције (Камуллер, Блоксма и Сеинен 1989). Професионална изложеност хемикалијама може случајно довести до синдрома сличних АД. Излагање мономерном винил хлориду, трихлоретилену, перхлоретилену, епоксидним смолама и силицијум прашини може изазвати синдроме сличне склеродерми. Синдром сличан системском еритематозусу (СЛЕ) описан је након излагања хидразину. Излагање толуен диизоцијанату је повезано са индукцијом тромбоцитопеничне пурпуре. Тешки метали као што је жива су укључени у неке случајеве имунокомплексног гломерулонефритиса.

Процена људског ризика

Процена имуног статуса човека се врши углавном коришћењем периферне крви за анализу хуморалних супстанци као што су имуноглобулини и комплемент, и леукоцита крви за састав подскупа и функционалност субпопулација. Ове методе су обично исте као оне које се користе за испитивање хуморалног и ћелијски посредованог имунитета, као и неспецифичне резистенције пацијената са сумњом на болест урођене имунодефицијенције. За епидемиолошке студије (нпр. професионално изложене популације) параметре треба изабрати на основу њихове предиктивне вредности у људским популацијама, валидираних животињских модела и основне биологије маркера (видети табелу 1). Стратегија скрининга на имунотоксичне ефекте након (случајног) излагања загађивачима животне средине или другим токсичним супстанцама у великој мери зависи од околности, као што су тип имунодефицијенције који се очекује, време између излагања и процене имунолошког статуса, степен изложености и број изложених особа. Процес процене имунотоксичног ризика од одређеног ксенобиотика код људи је изузетно тежак и често немогућ, углавном због присуства различитих збуњујућих фактора ендогеног или егзогеног порекла који утичу на одговор појединаца на токсично оштећење. Ово посебно важи за студије које истражују улогу излагања хемикалијама у аутоимуним болестима, где генетски фактори играју кључну улогу.

Табела 1. Класификација тестова за имунолошке маркере

Тест категорија karakteristike Специфични тестови
Основно-опште
Требало би да буде укључено у опште панеле
Индикатори општег здравља и стања органа Азот уреје у крви, глукоза у крви итд.
Басиц-имуне
Требало би да буде укључено у опште панеле
Општи показатељи имунолошког статуса
Релативно ниска цена
Методе испитивања су стандардизоване међу лабораторијама
Резултати изван референтних опсега се клинички могу интерпретирати
Комплетна крвна слика
Нивои ИгГ, ИгА, ИгМ у серуму
Фенотипови површинских маркера за главне подгрупе лимфоцита
Фокусирано/рефлексно
Треба укључити када то указују клинички налази, сумњива изложеност или претходни резултати тестова
Индикатори специфичних имунолошких функција/догађаја
Цена варира
Методе испитивања су стандардизоване међу лабораторијама
Резултати изван референтних опсега се клинички могу интерпретирати
Генотип хистокомпатибилности
Антитела на инфективне агенсе
Укупни серумски ИгЕ
Алерген-специфични ИгЕ
Аутоантитела
Кожни тестови за преосетљивост
Оксидативна експлозија гранулоцита
Хистопатологија (биопсија ткива)
истраживање
Треба укључити само контролне популације и пажљив дизајн студије
Индикатори општих или специфичних имунолошких функција/догађаја
Цена варира; често скупо
Методе анализе обично нису стандардизоване међу лабораторијама
Резултати изван референтних опсега често се не могу клинички интерпретирати
Ин витро тестови стимулације
Маркери површине за активацију ћелија
Концентрације цитокина у серуму
Тестови клоналности (антитела, ћелијска, генетска)
Тестови цитотоксичности

 

Пошто су адекватни подаци о људима ретко доступни, процена ризика за имуносупресију изазвану хемикалијама код људи се у већини случајева заснива на студијама на животињама. Идентификација потенцијалних имунотоксичних ксенобиотика се спроводи првенствено у контролисаним студијама на глодарима. Студије изложености ин виво представљају, у том погледу, оптималан приступ за процену имунотоксичног потенцијала једињења. Ово је због мултифакторске и сложене природе имуног система и имунолошких одговора. Ин витро студије су све веће вредности у разјашњавању механизама имунотоксичности. Поред тога, истраживањем ефеката једињења коришћењем ћелија животињског и људског порекла, могу се добити подаци за поређење врста, који се могу користити у „паралелограмском“ приступу за побољшање процеса процене ризика. Ако су доступни подаци за три камена темељца паралелограма (ин виво животиње, ин витро животиње и људи), можда ће бити лакше предвидети исход на преосталом камену темељцу, односно ризик код људи.

Када се процена ризика за имуносупресију изазвану хемикалијама мора ослањати искључиво на податке из студија на животињама, може се следити приступ у екстраполацији на човека применом фактора несигурности на ниво без уочених штетних ефеката (НОАЕЛ). Овај ниво се може заснивати на параметрима одређеним у релевантним моделима, као што су тестови резистенције домаћина и ин виво процена реакција преосетљивости и производње антитела. У идеалном случају, релевантност овог приступа у процени ризика захтева потврду студија на људима. Такве студије треба да комбинују идентификацију и мерење токсичности, епидемиолошке податке и процену имунолошког статуса.

Да би се предвидела контактна преосетљивост, доступни су модели заморчића који се користе у процени ризика од 1970-их. Иако су осетљиви и поновљиви, ови тестови имају ограничења јер зависе од субјективне процене; ово се може превазићи новијим и квантитативнијим методама развијеним у мишу. Што се тиче хемијске индуковане преосетљивости изазване удисањем или гутањем алергена, тестове треба развити и проценити у смислу њихове предиктивне вредности код човека. Када је у питању постављање безбедних нивоа изложености потенцијалним алергенима на радном месту, мора се узети у обзир двофазна природа алергије: фаза сензибилизације и фаза изазивања. Концентрација потребна за изазивање алергијске реакције код претходно сензибилизоване особе је знатно нижа од концентрације неопходне да се изазове сензибилизација код имунолошки наивне, али осетљиве особе.

Како животињски модели за предвиђање аутоимуности изазване хемикалијама практично недостају, нагласак треба дати развоју таквих модела. За развој таквих модела, наше знање о хемијском индукованој аутоимуности код људи требало би да се унапреди, укључујући проучавање генетских маркера и маркера имуног система за идентификацију осетљивих појединаца. Људи који су изложени лековима који изазивају аутоимуност нуде такву прилику.

 

Назад

Недеља, КСНУМКС јануар КСНУМКС КСНУМКС: КСНУМКС

Токсикологија циљног органа

Проучавање и карактеризација хемикалија и других агенаса за токсична својства често се предузима на основу специфичних органа и система органа. У овом поглављу, два циља су одабрана за детаљну дискусију: имуни систем и ген. Ови примери су одабрани да представљају сложен систем циљних органа и молекуларну мету унутар ћелија. За свеобухватнију дискусију о токсикологији циљних органа, читалац се упућује на стандардне токсиколошке текстове као што су Цасаретт анд Доулл, и Хаиес. Међународни програм за хемијску безбедност (ИПЦС) је такође објавио неколико критеријумских докумената о токсикологији циљних органа, по систему органа.

Токсиколошке студије циљних органа обично се спроводе на основу информација које указују на потенцијал за специфичне токсичне ефекте неке супстанце, било из епидемиолошких података или из студија опште акутне или хроничне токсичности, или на основу посебних забринутости за заштиту одређених функција органа, као што су као репродукција или развој фетуса. У неким случајевима, тестови токсичности специфичних циљних органа су изричито наложени од стране законских власти, као што је тестирање неуротоксичности у складу са америчким законом о пестицидима (погледајте „Приступ Сједињених Држава процјени ризика од репродуктивних токсиканата и неуротоксичних агенаса“ и тестирање мутагености према јапанском Цхемицал Закон о контроли супстанци (видети „Принципи идентификације опасности: јапански приступ“).

Као што је објашњено у одељку „Циљани орган и критични ефекти“, идентификација критичног органа заснива се на откривању органа или система органа који први реагују негативно или на најниже дозе или изложеност. Ове информације се затим користе за дизајнирање специфичних токсиколошких испитивања или више дефинисаних тестова токсичности који су дизајнирани да изазову осетљивије индикације интоксикације у циљном органу. Токсиколошке студије циљних органа такође се могу користити за одређивање механизама деловања, употребе у процени ризика (видети „Приступ Сједињених Држава процени ризика од репродуктивних токсиканата и неуротоксичних агенаса”).

Методе студија токсичности циљних органа

Циљни органи се могу проучавати излагањем интактних организама и детаљном анализом функције и хистопатологије у циљном органу, или ин витро излагањем ћелија, резова ткива или целих органа који се одржавају краткорочно или дуготрајно у култури (видети „Механизми токсикологија: Увод и појмови”). У неким случајевима, ткива људских субјеката могу такође бити доступна за студије токсичности за циљне органе, и то могу пружити могућности за валидацију претпоставки екстраполације међу врстама. Међутим, мора се имати на уму да такве студије не дају информације о релативној токсикокинетици.

Уопштено говорећи, студије токсичности циљног органа деле следеће заједничке карактеристике: детаљан хистопатолошки преглед циљног органа, укључујући пост мортем преглед, тежину ткива и преглед фиксираних ткива; биохемијске студије критичних путева у циљном органу, као што су важни ензимски системи; функционалне студије способности органа и ћелијских састојака да обављају очекиване метаболичке и друге функције; и анализа биомаркера изложености и раних ефеката у ћелијама циљних органа.

Детаљно познавање физиологије циљног органа, биохемије и молекуларне биологије може бити укључено у студије циљних органа. На пример, пошто је синтеза и секреција протеина мале молекуларне тежине важан аспект бубрежне функције, студије нефротоксичности често укључују посебну пажњу на ове параметре (ИПЦС 1991). Пошто је комуникација ћелија-ћелија основни процес функције нервног система, студије неуротоксичности циљних органа могу укључивати детаљна неурохемијска и биофизичка мерења синтезе неуротрансмитера, узимања, складиштења, ослобађања и везивања рецептора, као и електрофизиолошко мерење промена у мембрани. потенцијал повезан са овим догађајима.

Велики акценат се ставља на развој ин витро метода за токсичност циљних органа, како би се заменила или смањила употреба целих животиња. Значајан напредак у овим методама је постигнут за репродуктивне токсичне супстанце (Хеиндел и Цхапин 1993).

Укратко, студије токсичности циљних органа се генерално спроводе као тест вишег реда за одређивање токсичности. Избор специфичних циљних органа за даљу евалуацију зависи од резултата тестова на нивоу скрининга, као што су акутни или субхронични тестови које користе ОЕЦД и Европска унија; неки циљни органи и системи органа могу бити а приори кандидати за специјалну истрагу због забринутости за спречавање одређених врста штетних ефеката на здравље.

 

Назад

Страница КСНУМКС од КСНУМКС

" ОДРИЦАЊЕ ОД ОДГОВОРНОСТИ: МОР не преузима одговорност за садржај представљен на овом веб порталу који је представљен на било ком другом језику осим енглеског, који је језик који се користи за почетну производњу и рецензију оригиналног садржаја. Одређене статистике нису ажуриране од продукција 4. издања Енциклопедије (1998).“

Садржај