Czynniki wpływające na toksyczność

2013-01-06
Czynniki wpływające na
toksyczność
Toksyczność substancji uzależniona jest od następujących
czynników:
Wielkość organizmu
Potrzeba dużo mniej toksyny, aby zabić małego owada niż znacznie
większego ssaka (zakładając, że wszystkie inne parametry są identyczne).
Toksyczność selektywna
Stosunek masy człowieka (70 kg) do
masy szczura (200 g) wynosi 350, ale
stosunek powierzchni organizmów jest
tylko 55.
Powierzchnia ciała zwierzęcia P jest w
przybliżeniu równa:
P = 10.m2/3
Szybkość wchłaniania przez skórę
Przemiany metaboliczne - chemoterapeutyczne wykorzystanie sulfonamidów
DDT jest prawie identycznie toksyczny dla owadów i ssaków, gdy jest podawany
iniekcyjnie. Podawany zewnętrznie, jest zdecydowanie bardziej trujący dla
owadów.
Toksyczność w tym przypadku nie zależy tylko od różnicy stosunku powierzchni
ciała do jego masy, ale także od faktu, że pancerzyk chitynowy owadów jest
bardziej przepuszczalny dla DDT niż nie zabezpieczona skóra ssaka.
Większość skóry ssaków jest pokryta sierścią, co daje zwierzętom dodatkowe
zabezpieczenie.
sulfonamid
Większość kręgowców do normalnego funkcjonowania organizmu wymaga
dostarczania egzogennego kwasu foliowego. Kwas foliowy jest następnie w
organizmie przekształcany w kwas tetrahydrofoliowy, który jest ważnym
kofaktorem uczestniczącym w syntezie nukleotydów purynowych i
pirymidynowych.
Aktywność enzymatyczna
W pewnych przypadkach przemiany metaboliczne mogą być takie same dla
szeregu różnych gatunków, jednakże enzymy, które są odpowiedzialne za
określone przemiany, mogą być różne.
Działanie inhibujące pirymetaminy i trimetoprimu względem reduktazy kwasu
dihydrofoliowego
6-hydroksylo-7,8-
kwas p-aminobenzoesowy
kwas 7,8-dihydropteroinowy
dihydropterydyna
kwas 7,8-dihydrofoliowy
kwas foliowy
Źródło enzymu
Pirymetamina
Trimetoprim
Wątroba ludzka
180
30 000
Escherichia coli
2500
0,5
Proteus vulgaris
1500
0,4
Wątroba szczura
70
26 000
wartości wyrażone jako IC50 (w stężeniu mol.10-8)
1
2013-01-06
Układy metabolizujące ksenobiotyki
Przykładowo insektycyd malation, po przekształceniu go do malaoksonu przez
cytochrom
P-450,
staje
się
inhibitorem
hamującym
działanie
acetylocholinoesterazy. Jest on 35 razy mniej toksyczny, jeśli jest podawany
doustnie szczurom, niż kiedy jest podany musze domowej.
Przykładem
selektywnej
toksyczności
jest
wykorzystanie jako insektycydów syntetycznych
pyretroidów. Grupa tych związków pochodzi od
występujących w przyrodzie toksyn zwanych
pyretrynami, które zostały wyizolowane z
kwiatów chryzantem.
Pyretroidy wykazują wysoką selektywność
w stosunku do owadów. Przykładowo
permetryna, charakteryzuje się tym, że
wartość LD50 dla szczura jest 1400 razy
większa niż dla szarańczy pustynnej.
Czynniki wpływające na
toksyczność
Testy toksyczności na zwierzętach
Różnice gatunkowe
Chcąc wykorzystać wyniki badań toksyczności przeprowadzone na zwierzętach i
zastosować obserwacje i wnioski do przewidywania toksyczności w stosunku do
człowieka, konieczne jest zminimalizowanie różnic gatunków.
Nawet w obrębie jednej klasy, takiej jak na przykład ssaki, różnice w
metabolizmie różnych gatunków mogą być znaczne. W wielu przypadkach
różnice mają charakter ilościowy oraz jakościowy.
Sposób ekspozycji
Tylko naczelne, świnka morska i żywiące się owocami nietoperze i ptaki
potrzebują witaminy C (w trakcie rozwoju ewolucyjnego gatunki utraciły
zdolność syntezy kwasu askorbinowego), podczas gdy inne ssaki i ptaki mogą
ją zsyntezować.
W każdej ocenie toksyczności związków obecnych w środowisku i pochodzenia
przemysłowego jest ważne, aby w czasie testu wykonywanego na zwierzętach
sposób podawania trucizny był podobny do przewidywanego u człowieka.
Toksyczność leku antyrakowego Metotreksatu. Chociaż Metotreksat jest
bardzo toksyczny dla ludzi, myszy, szczurów i psów, nie jest toksyczny dla
świnki morskiej i królika.
Rakotwórcze działanie 190 związków chemicznych badano wykonując
testy na szczurach i myszach. Jedynie 44 z tych związków wykazało
działanie rakotwórcze na oba gatunki, podczas gdy 54 związki powodowały
raka albo u szczurów albo u myszy, ale nigdy u obu gatunków - dane
Narodowego Instytutu Rakowego (NCI, ang. National Cancer Institute).
istotny jest właściwy wybór obiektu zwierzęcego
2
2013-01-06
W celu uzyskania odpowiedniej, znaczącej dla badań ilości nowotworów w ciągu
życia myszy lub szczura, w obrębie testowanej populacji, konieczne jest
podawanie stosunkowo dużych dawek podejrzanego związku rakotwórczego
(kancerogennego). Duża dawka może, lecz nie musi, symulować rzeczywistych
warunków życia człowieka związanych z ekspozycją na związki rakotwórcze w
miejscu pracy.
W żadnym wypadku nie oddaje to w sposób prawdziwy chronicznej
ekspozycji populacji ludzkiej, jako takiej, na niewielkie ilości związków
rakotwórczych obecnych w środowisku naturalnym.
Czynniki wpływające na
toksyczność
Indywidualne różnice w reakcji na ksenobiotyki
Mimo iż można wyznaczyć zależność dawka-reakcja dla dużych dawek
badanych związków toksycznych (rakotwórczych), jej ekstrapolacja dla małych
dawek pozostaje całkowicie hipotetyczna. Z tych powodów ryzyko związane
z oceną ekspozycji na rakotwórcze związki obecne w środowisku jest trudne.
W 1958 roku Kongres Stanów Zjednoczonych wprowadził poprawkę do Ustawy
o Żywności i Kosmetykach (ang. Food and Cosmetic Act) znaną jako klauzula
Delaneya, która mówi:
„... żaden z dodatków nie może być uważany za bezpieczny, jeśli wykazano, że
powoduje zachorowanie na raka w przypadku przyjęcia z pokarmem przez
człowieka lub zwierzę, lub jeśli wykazano po wykonaniu odpowiednich testów
dla oceny bezpieczeństwa dodatków do pokarmu, że indukuje raka w
organizmie człowieka lub zwierzęcia..."
Różnice w reakcjach na ksenobiotyki pojedynczych osobników w obrębie
danego gatunku mogą być spowodowane przyczynami środowiskowymi
(dostosowaniem się do otoczenia) lub też spowodowane indywidualnymi
cechami genetycznymi poszczególnych osobników lub grup osobników.
Czynniki środowiskowe i wewnątrzwydzielnicze
na metabolizm ksenobiotyków wpływa dieta,
ekspozycja na konkurencyjny ksenobiotyk,
indukcja i inhibicja (hamowanie) działania enzymów metabolizujących
ksenobiotyki ,
metabolizm jednego związku chemicznego może być przyspieszony lub
spowolniony po działaniu innego związku chemicznego (aktywator lub inhibitor
cytochromu P-450 lub jednego ze skoniugowanych enzymów),
skutek działania toksyny zależy również od stanu hormonalnego osobnika,
wiek osobnika.
Czynniki genetyczne
W niektórych przypadkach, kiedy przebadana zostaje duża liczba osobników
danej populacji, a dane zaprezentowano w postaci wykresu różnicowej
zależności dawka-reakcja, uzyskuje się krzywą o przebiegu wielofazowym.
Każdy układ biologicznie homogenny, nawet jeśli wszystkie osobniki
utrzymywane są w tych samych warunkach i jednakowo odżywiane, jest w
rzeczywistości heterogenny. Krzywa różnicowa relacji dawka-reakcja pokazuje,
że większość osobników tego samego gatunku w podobny sposób ulega
uszkodzeniu chemicznemu.
Przykładem genetycznej mutacji jest tak zwany polimorfizm acetylowania.
Działanie leku przeciwgruźliczego izoniazydu (INH, ang. isoniasid) jest
przerwane w wyniku procesu acetylowania.
3
2013-01-06
Kancerogeneza
chemiczna i mutageneza
Brak N-acetylotransferazy jest cechą genetyczną i jest dziedziczony.
Predyspozycje do posiadania tej cechy genetycznej uzależnione są także od
rasy, częstotliwość jej występowania jest największa wśród rasy czarnej i rasy
kaukaskiej, mniejsza wśród Japończyków i Chińczyków, a najmniejsza wśród
Eskimosów.
Polimorfizm reakcji acetylowania jest jednym z przykładów mutacji genetycznej,
wyrażającej się różnymi zdolnościami metabolizowania ksenobiotyku.
Rak to zwyczajowa nazwa dla około 200 chorób charakteryzujących się
nienormalnym wzrostem komórek.
Przyczyny raka można podzielić na następujące grupy:
1. predyspozycje genetyczne,
2. czynniki środowiskowe,
3. czynniki środowiskowe i predyspozycje genetyczne razem,
4. czynniki nieokreślone.
Typowymi przykładami z pierwszej grupy są takie schorzenia dziecięce, jak:
siatkówczak (złośliwe schorzenie siatkówki oka, wynikające z predyspozycji
genetycznej),
nerwiak (złośliwa forma schorzenia mózgu),
guz Wilma (złośliwa forma schorzenia nerek),
polipowatość okrężnicy (u dorosłych, uwarunkowanie genetyczne często
prowadzące do raka okrężnicy).
Połączone grupy 2 i 3 (to znaczy przypadki raka przypisane przyczynom
środowiskowym z predyspozycjami genetycznymi lub bez nich) prawdopodobnie
stanowią 60-90% wszystkich przypadków raka.
Środowisko, w tym kontekście, dotyczy nie tylko wody, powietrza i gleby, ale
również artykułów spożywczych, sposobu życia, ekspozycji zawodowej, leków
oraz praktycznie wszystkich aspektów wzajemnych relacji człowieka z
otoczeniem. W definicji tej zakłada się, że zdecydowanej większości przypadków
raka możnaby zapobiec, unikając ekspozycji na potencjalne kancerogeny oraz
zmieniając sposób życia.
Środowisko i rak
Trzecią grupę reprezentuje xeroderma pigmentosum (skóra pergaminowata
barwnikowa), genetyczne uwarunkowanie charakteryzujące się wadliwym
mechanizmem naprawy DNA. Osobniki z taką predyspozycją zapadają na raka
skóry podczas ekspozycji na działanie światła nadfioletowego.
Różnorodna podatność populacji na kancerogenne (rakotwórcze) działanie
dymu tytoniowego może również zależeć od predyspozycji genetycznych.
Bardzo mało można powiedzieć o grupie czwartej, ponieważ nie zawsze są
znane rzeczywiste przyczyny zachorowań na raka.
Śmiertelność lub liczba zachorowań na raka powstała w wyniku ekspozycji
środowiskowej w USA
Czynnik powodujący
raka
Procent całkowitej
liczby przypadków
raka
Okres badań (rok)
Tytoń
30 (śmiertelne)
76 (śmiertelne)
1977
1980
Alkohol
4-5 (śmiertelne)
1978
Sposób odżywiania się
35 (śmiertelne)
1977
Azbest
13-18 (zachorowań)
3 (zachorowania)
ostatnie lata
szacunkowo w
przyszłości
Zanieczyszczenie
powietrza
2 (śmiertelne)
szacunkowo w
przyszłości
4
2013-01-06
Azotany(III), które dodaje się do mięsa jako substancje konserwujące, są
prekancerogenami. Są nimi też występujące w warzywach azotany(V), które
przez enzymy występujące w ślinie ulegają redukcji do azotanów(III).
Policykliczne węglowodory aromatyczne (PAH, ang. polycycllc aromatic
hydrocarbons) tworzą się podczas pieczenia mięsa na ruszcie, smażenia lub
wędzenia. Co więcej, ryby lub skorupiaki wydobyte z wody zanieczyszczonej
mogą zawierać chlorowcowe pochodne pestycydów węglowodorowych,
PAH,
polichlorowane pochodne bifenyli (PCB, ang. polychlorinated
biphenyls) oraz inne zanieczyszczenia o charakterze związków organicznych.
Kancerogeneza
chemiczna i mutageneza
Wieloetapowy rozwój raka
Stwierdzenie braku korelacji pomiędzy rakiem i
konsumpcją specyficznych środków żywnościowych
nie może nasuwać wniosku, że taka korelacja nie
istnieje.
Koncepcja wieloetapowego rozwoju raka datuje się od doświadczeń
Berenbluma i Shubika. Badacze ci prowadzili badania nad rakotwórczym
działaniem 9,10-dimetylobenzoantracenu (DMBA) i benzo[a]pirenu (BP) u
myszy.
Gdy jednorazowo wprowadzono do skóry myszy 1,5-procentowy roztwór DMBA
w płynnej parafinie, tylko u jednej z 45 badanych stwierdzono raka. Kiedy
jednak po jednorazowej dawce DMBA podawano 5-procentowy olej krotonowy w
ciekłej parafinie dwa razy tygodniowo, przez 2 tygodnie, u 20 z 45 myszy
stwierdzono raka. Nie zaobserwowano powstania jakiegokolwiek raka wówczas,
gdy olej krotonowy podawano dwukrotnie w ciągu tygodnia przez 2 tygodnie
przed podaniem DMBA.
Inicjacja
(zapoczątkowanie)
powoduje
wzajemne
oddziaływanie
genotoksycznego związku z DNA komórkowym. Skoro doszło do uszkodzenia
DNA i nie zostało ono naprawione, komórka ulega stałej mutacji. Taka utajona
forma wczesnego uzłośliwienia komórki może pozostawać w zwierzęciu przez
większość jego życia, bez pojawienia się kiedykolwiek wzrostu rakowatego.
Okres utajony u człowieka może wynosić 20 lat i dłużej.
Dotychczas
zidentyfikowano
wiele
promotorów. Związkami najintensywniej
badanymi są estry forbolu, pochodne
diterpenów
wyizolowanych
z
oleju
krotonowego. Kwasy żółciowe okazały się
promotorami kancerogenezy okrężnicy.
Alkohol działa jako promotor u ludzi
poddanych ekspozycji na substancje
rakotwórcze zawarte w dymie tytoniowym.
U palaczy rzadko występuje rak górnej
części przewodu pokarmowego lub jamy
ustnej, jednakże palacze tytoniu, którzy
również piją alkohol, często zapadają na
raka
górnej
części
przewodu
pokarmowego.
Przedrakowa ekspozycja komórki
na działanie promotora, nawet
przy opóźnieniu około jednego
roku, przekształca komórkę w nie
dający
się
odwrócić
stan
uzłośliwienia.
Promocja, jako
proces powolny, oraz ekspozycja
na
działanie promotora muszą
zostać przedłużone o pewien czas.
Warunek ten tłumaczy, dlaczego
ryzyko
raka
szybko
zostaje
zredukowane przy rzuceniu nałogu
palenia papierosów - okazało się,
że w dymie tytoniowym występują
zarówno inicjatory, jak i promotory.
Niektóre związki, chociaż niekoniecznie same rakotwórcze, w momencie
podania wcześniejszego lub równocześnie z kancerogenem, wzmacniają jego
aktywność. Takie związki są określane jako kokancerogeny.
Niektóre promotory, takie jak estry forbolu, są również kokancerogenami.
Kokancerogeny wzmagają przemianę nowotworową, podczas gdy promotory są
związane z przemianami następującymi po tym przekształceniu.
Typowymi
przykładami kokancerogenów są
katechole. Katechole, jako składniki dymu
tytoniowego, wzmagają działanie PAH, głównego
kancerogenu zawartego w dymie tytoniowym.
Azbest wzmaga działanie rakotwórcze dymu
tytoniowego. Ekspozycja na sam azbest powoduje
międzybłoniaki opłucnowe lub otrzewnowe, lecz nie
powoduje raka płuc. U palaczy, ekspozycja na
azbest znacznie zwiększa zapadalność na raka płuc.
5
2013-01-06
Kancerogeneza
chemiczna i mutageneza
Typy kancerogenów
Kancerogeny (substancje rakotwórcze,
karcynogeny)
genotoksyczne
epigenetyczne
Związki genotoksyczne oddziałują bezpośrednio lub pośrednio z DNA (w
większości przypadków są mutagenami), mają potencjalną możliwość
zmieniania kodu genetycznego.
Kancerogeny genotoksyczne działające bezpośrednio są albo silnymi
elektrofilami, albo z nich się składają. Ich cząsteczki mogą także zawierać
naprężone układy trój- lub czteroczłonowych pierścieni heterocyklicznych, takich
jak epoksydy, azarydyny, episiarczki i laktony. Te związki cykliczne wykazują
tendencję do nukleofilowego otwierania pierścienia. Wiele ksenobiotyków
wchodzi do organizmu w postaci związków nieszkodliwych i staje się, po
metabolicznej aktywacji, kancerogenami.
Kancerogeny epigenetyczne to wszystkie kancerogeny, które nie zostały
sklasyfikowane jako genotoksyczne, obejmują obszerną grupę takich
różnorodnych związków, jak jony metali (niklu, berylu, chromu, ołowiu,
kobaltu, magnezu i tytanu), kancerogeny w postaci ciała stałego (azbest i
krzemionka), immunosupresory (azapuryna i 6-merkaptopuryna) oraz
promotory.
Kancerogeneza
chemiczna i mutageneza
Mutageneza
Oprócz tak znanych promotorów, takich jak octan tetradekanoiloforbolu
(TPA) i fenobarbital, do grupy tej należą niektóre substancje
zanieczyszczające środowisko. Są nimi: PCB, tetrachlorodibenzodioksyna
(TCDD) i pestycydy będące chlorowanymi węglowodorami (DDT, Aldrin,
Chlordan i inne). Wszystkie one mogą być przyczyną raka wątroby u
gryzoni.
Mutacja punktowa może dotyczyć podstawienia zasady albo mutacji zmiany
fazy odczytu.
Wiele związków chemicznych obecnych w środowisku naturalnym oddziałuje z
układem genetycznym człowieka i zwierzęcia. Można zaobserwować trzy typy
uszkodzeń genetycznych:
zmiany w DNA znane jako mutacje punktowe;
zmiany struktury chromosomalnej, takie jak wyłamanie części chromosomu lub
przemieszczenie ramienia, znane jako klastogeneza (aberracje strukturalne);
niejednolity rozdział chromosomów podczas podziału komórki, znany jako
aneuploidia.
Możliwe są dwa typy podstawienia zasady:
• tranzycja (gdy puryna zostaje zastąpiona puryną, jak np. A przez G, albo
pirymidyna przez pirymidynę, jak np. C przez T)
•transwersja (gdy puryna zostaje zastąpiona pirymidyną).
Podstawienie pojedynczej zasady wywołuje niewielkie następstwa.
Podstawienia zasady, które nie wnoszą zmian do aminokwasów białek lub które
takie zmiany powodują, lecz nie zmieniają aktywności enzymatycznej, noszą
nazwę mutacji utajonych. Może się jednak zdarzyć, że podstawienie zasady
będzie prowadziło do utworzenia kodonu nonsensownego, który spowoduje
zakończenie syntezy białka. W tym przypadku dojdzie do syntezy enzymu
niekompletnego, co może mieć poważne następstwa.
6