LOSY KSENOBIOTYKÓW
W ORGANIZMIE

Ksenobiotyk - greckie słowo xenos - oznacza

obcy.

 
Ksenobiotykiem jest każda substancja nie

będąca naturalnym składnikiem żywego

organizmu:



substancja egzogenna



materiał antropogenny o strukturze nie

występującej w przyrodzie,

do których organizmy nie przystosowały się na

drodze wcześniejszej ewolucji.

Główne grupy substancji obcych dla człowieka to:
- leki,
- pestycydy,
- niektóre substancje celowo dodane do żywności,
- zanieczyszczenia środowiska zewnętrznego.

pochodzenia zawodowego i komunalnego,
wewnątrzdomowe i zewnątrzdomowe
pochodzenia chemicznego i organicznego.

Metabolizm
ksenobiotyków w
organizmie obejmuje:



wchłanianie (absorbcja)



rozmieszczenie (dystrybucja)



przemiany biochemiczne
( biotransformacja)



wydalanie

DROGI WCHŁANIANIA

Egzogenne substancje toksyczne

wchłaniane są do organizmu
trzema głównymi drogami:



drogi oddechowe



skóra



układ pokarmowy

METABOLIZM
SUBSTANCJI
CHEMICZNYCH

Substancje chemiczne do tkanek i narządów dostają się po

przeniknięciu przez błony biologiczne na zasadzie transportu:

- biernego
- nośnikowego
- aktywnego
Zostają wówczas pokonane bariery nabłonkowe poszczególnych

układów oraz błony białkowo-lipidowe oddzielające różne tkanki

od płynów ustrojowych.

Związki silnie polarne np. kwasy sulfonowe lub aminy

czwartorzędowe, czy też substancje bardzo lotne np. eter etylowy

NIE ULEGAJĄ PRZEMIANOM METABOLICZNYM

w ustroju człowieka.
Wydalane są w swej pierwotnej formie.

Większość ksenobiotyków ulega

BIOTRANSFORMACJI

Wydalane są z ustroju w postaci metabolitów.
 
1.  Metabolity są mniej toksyczne w stosunku do substratu,
lub wręcz stają się nietoksyczne –

DETOKSYKACJA

2.   Metabolity te mogą stawać się bardziej toksyczne niż
dostarczony do organizmu substrat.
 
W związku z tym na określenie przemian wewnątrzustrojowych
ksenobiotyków używany jest termin “biotransformacja”.

Celem biotransformacji ksenobiotyków jest zwiększenie ich
rozpuszczalności w wodzie (czyli zwiększenie ich polarności)
dzięki czemu ułatwione jest ich wydalanie z ustroju.
Bardzo silnie hydrofobowe ksenobiotyki mogłyby przebywać
w tkance tłuszczowej niezmiernie długo.
 
* Monitoring środowiskowy - pomiar stężeń czynników
szkodliwych w środowisku, mający na celu ocenę wielkości
narażenia oraz ryzyka wystąpienia skutków zdrowotnych, przy
przyjęciu za podstawę odpowiednich danych interpretacyjnych.
 
** Monitoring biologiczny - systematyczny pomiar stężeń
substancji toksycznych lub ich metabolitów w tkankach,
wydzielinach lub wydalinach, oddzielnie lub łącznie, mający
na celu ocenę wielkości narażenia oraz ryzyka dla zdrowia,
przy przyjęciu za podstawę oceny odpowiednich danych
interpretacyjnych.

FAZA PIERWSZA

1. hydroksylacja - podstawienie grupy hydroksylowej do łańcuchów

bocznych węglowodorów aromatycznych i barbituranów

2. epoksydacja - przyłączenie do podwójnego wiązania atomu tlenu z

utworzeniem pierścienia trójczłonowego: (wielopierścieniowe

węglowodory aromatyczne) metabolity

epoksydowe mogą

wykazywać działanie mutagenne i rakotwórcze

3.   oksydatywna dezaminacja - utlenienie amin endogennych (aminy

katecholowe, poliaminy, histamina) -> do ketonów pod wpływem

oksydazy aminowej w obecności NADPH i tlenu cząsteczkowego

4. desulfurylacja - podstawienie tlenu w miejsce siarki (insektycydy

fosfororganiczne, tiobarbiturany) -> ulegają biotransformacji do

metabolitów z reguły bardziej toksycznych

5. redukcja związków nitrowych - odpowiednie reduktazy w

warunkach beztlenowych

przekształcają aromatyczne związki

nitrowe i azozwiązki (nitrobenzen, chloramfenikol) do amin

pierwszorzędowych.

FAZA DRUGA

Glukuronidacja – reszta glukuronidowa z kwasu UDP-glukuronowego przy

udziale enzymów -transferaz glukuronylowych - ulega związaniu przez tlen,

azot lub grupę siarkową z substancjami, które posiadają grupy wodorotlenowe,

karboksylowe, aminowe i sulfhydrolowe.

Wiele związków np. fenole, sterole, alanina, kwas benzoesowy wydalane są

pod postacią glukuronidów.

Sprzęganie z siarką i siarczanami (sulfatacja)
-    fenole, alkohole pierwszo-i drugorzędowe, aminozwiązki alifatyczne i

aromatyczne po reakcji sprzęgania z siarczanem przechodzą w estry siarkowe,

cyjanowodór i cyjanki przechodzą w rodanki (izotiocyjaniany), niektóre metale

przechodzą w siarczki.

Sprzęganie z glutationem
Sprzęganie substratu z aktywną grupą glutationu (reszta sulfhydrylowa SH

cysteiny). Koniugaty glutationowe ulegają dalszym przemianom: odszczepienie

grupy glutamylowej i glicynowej, przyłączenie grupy aminowej.

Metylowanie i acetylowanie - reakcje te mają dużą rolę w przemianach

endogennych np. adrenalina jest metylowana do noradrenaliny, natomiast w

metabolizowaniu obcych związków organicznych zachodzą rzadziej.

RODZAJE TOKSYCZNOŚCI
ZWIĄZANE Z PRZEMIANĄ
KSENOBIOTYKÓW

1. Cytotoksyczność ksenobiotyków
Reaktywne postaci ksenobiotyków łączą się kowalencyjnym

wiązaniem z makrocząsteczkami komórkowymi doprowadzając do

uszkodzenia komórki.

 
2. Wpływ na strukturę białek i antygenowość
Sam ksenobiotyk może nie stymulować powstawania przeciwciał,

natomiast po połączeniu z białkami może działać jak hapten. Może

dojść wówczas do immunologicznego uszkodzenia komórki.

 
1.   Działanie mutagenne i udział w kancerogenezie chemicznej
Niektóre związki chemiczne w swojej pierwotnej postaci nie powinny

wywoływać żadnych zmian w materiale genetycznym, a nabierają

takich właściwości dopiero w organiźmie człowieka. Najbardziej

znanym przykładem jest benzo(a)piren. Substancją rakotwórczą

staje się dopiero po aktywacji przez monooksygenazy siateczki

śródplazmatycznej

Udowodnienie związku przyczynowo-skutkowego
pomiędzy:
- oddziaływaniem środowiska zewnętrznego
- odpowiedzią ustroju w postaci rozwoju
konkretnej jednostki chorobowej
może nastręczać dużo trudności.
Etiologia wielu chorób ma bowiem
wieloczynnikowe podłoże:
-             czynniki genetyczne
-             czynniki wynikające z nieprawidłowego
stylu życia
-            czynniki środowiskowe.
W udowodnieniu znaczenia czynników
środowiskowych pomocne mogą być biomarkery.

BIOMARKERY

Do oceny efektów działania substancji

chemicznych na organizm oraz określenia

interakcji między układem biologicznym a

zagrożeniem środowiskowym (chemicznym,

fizycznym i biologicznym) służą biomarkery.

 
Biomarker –wskaźnik procesów zachodzących w

organiźmie, pozwalający na ocenę wielkości

narażenia na czynniki chemiczne i efektów

działania w postaci skutków zdrowotnych, jakie

te czynniki powoduję w eksponowanym

organiźmie.

 

Najczęściej wyróżnia się trzy klasy biomarkerów:
 
-     biomarkery ekspozycji:
egzogenne substancje lub ich metabolity,
a także produkty interakcji między czynnikiem chemicznym
(ksenobiotykiem) i docelowymi cząsteczkami lub
komórkami;
są one obecne i mierzone w wewnętrznych przedziałach
organizmu
biomarkery skutków (efektu) –
mierzalne biochemiczne, fizjologiczne, behawioralne i inne
zmiany zachodzące wewnątrz organizmu,
które mogą być rozpoznane jako łączące się z:
- już obecnymi,
-mogącymi się pojawić zaburzeniami zdrowia
biomarkery wrażliwości –
wskaźniki wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do
odpowiedzi wywołanej ekspozycją na specyficzny
ksenobiotyk

Część

związków

chemicznych

o

charakterze

ksenobiotyków po dostaniu się do organizmu może ulegać:
1. bioakumulacji.
2. biotransformacji.

BIOMARKERY EKSPOZYCJI.

Biomonitoring pomocny w określeniu interakcji
pomiędzy organizmem człowieka a zagrożeniem
środowiskowym:

Ekspozycja

Biomarkery ekspozycji

Arsen (As)

arsen w moczu, włosach, paznokciach
kwas monometyloarsenowy + kwas dimetyloarsenowy

Kadm (Cd)

kadm w moczu, beta 2 - mikroglobulina w moczu

Ołów (Pb)

ołów we krwi i w moczu ,
protoporfiryna erytrocytarna, cynkoporfiryna erytrocytarna we
krwi,
kwas delta-aminolewulinowy i koproporfiryny w moczu

Rtęć (Hg)

rtęć w moczu

Chrom (Cr)

chrom w moczu

Benzen

benzen we krwi, fenol w moczu

Dwusiarczek węgla

kwas 4-tio-4-tiazolidyno karbonylowy w moczu

Fenol

fenol w moczu

Ksyleny

kwasy metylohipurowe w moczu

Nitrobenzen

nitrofenol w moczu i w osoczu , MetHb we krwi

Styren

kwas migdałowy oraz kwas fenyloglioksalowy
w moczu

Toulen

kwas hipurowy w moczu, toulen we krwi

O toksyczności stwierdzanej w
wewnętrznych przedziałach organizmu
danej substancji chemicznej -
traktowanej jako biomarker ekspozycji -
mówimy wówczas, gdy występuje ona w
stężeniu przekraczającym DSB.

DSB - najwyższe dopuszczalne
stężenie biologiczne ( dla dawki
pochłoniętej ) związków szkodliwych
lub ich metabolitów w płynach
ustrojowych ( przede wszystkim we
krwi i w moczu) oraz w tkankach.

BIOMARKERY SKUTKÓW
( EFEKTU)

Preferowane są biomarkery, które łączą się z mechanizmami

toksycznymi i określają ilościowo zależność dawka -
odpowiedź.

Trudności interpretacyjne wiążą się jednak z faktem, że:
* obserwuje się dużą zmienność wewnątrzosobniczą w

odpowiedzi na takie same dawki substancji chemicznych

* niektóre biomarkery są niespecyficzne lub niedostatecznie

specyficzne i określają więcej niż jedno uszkodzenie
narządowe lub proces chorobowy.

Dlatego wprowadzono dodatkowe pojęcie
-biomarker funkcji danego narządu.

Sposób postępowania diagnostycznego w aspekcie przyczynowo-

skutkowym zostanie podany na przykładzie biomarkerów
funkcji płuc.

Biomarkery funkcji
płuc



zwiększona liczba neutrofilów w BALF (bronchoalveolar lavage

fluid) - reakcja zapalna w regionie oskrzelowo-pęcherzykowym



zwiększone stężenie białka w BALF - zwiększenie

przepuszczalności bariery pęcherzykowo-włośniczkowej



beta -glukoronidaza - marker nasilonej fagocytozy



zwiększony poziom wydzielanego przez makrofagi płucne

nowotworowego czynnika martwicyTNF (tumor necrosis

factor) - procesy zwłóknienia w płucach



obniżony poziom glutationu - biomarker stresu oksydacyjnego

 
Narażenie środowiskowe na tlenki azotu i ozon może

doprowadzać do:



upośledzenia antyoksydacyjnych mechanizmów obronnych

poprzez zaburzenie równowagi oksydacyjno-antyoksydacyjnej,



indukować stany zapalne doprowadzając do przewlekłej

obturacyjnej choroby płuc.

Zakładając, że diagnozujemy np. spawacza, który w
środowisku pracy narażony był zarówno na tlenki azotu jak
i ozon w stężeniu przekraczającym NDS, to aby
wnioskować że:

• narażenie to było przyczyną toczącego się stanu
zapalnego należałoby uzyskać zwiększoną liczbę
neutrofilów w BALF.
W przypadku, gdyby uzyskano prawidłowe stężenie
glutationu w surowicy krwi można by wnioskować , że nie
nastąpiło upośledzenie funkcji antyoksydacyjnych.
 
Biomarkerami przekształcania się komórek prawidłowych
w komórki nowotworowe, wraz z ich wzrostem ,
prowadzącym do nowotworu , mogą być:

• alkilowane puryny

• addukty alfatoksyn z guaniną

• addukty cis-platyny

• addukty tyminoglikolu

• N-nitrozo-prolina w moczu jako marker endogennych N-
nitrozozwiązków

BIOMARKERY
WRAŻLIWOŚCI

Wrażliwość osobnicza na ksenobiotyki uzależniona jest

od szeregu czynników; najważniejsze z nich to:

czynniki genetyczne. wiek, ogólny stan zdrowia,

stan

odżywienia,

styl

życia

->

palenie

papierosów, używki.

Biomarkery wrażliwości identyfikują tych osobników w

populacji, którzy mają genetyczną lub nabytą
odmienność we wrażliwości na skutki spowodowane
ekspozycją na substancje chemiczne. Wiadomo
bowiem, że jeśli np. eksponowana jest grupa
osobników na działanie substancji rakotwórczej, to z
całą pewnością nie dojdzie do rozwoju choroby
nowotworowej u wszystkich robotników, ale u części
z nich czynnik ten może być przyczyną choroby.

Biomarkery wrażliwości na czynniki środowiskowe i
genetyczne
---------------------------------------------------------------------------------------------------
--
Biomarker

Czynnik

Choroba

wrażliwości

środowiskowy

---------------------------------------------------------------------------------------------------
--Indukowalność hydroksylazy WWA

rak płuca

węglowodorów
---------------------------------------------------------------------------------------------------
--
Alfa 1-antytrypsyna

dym tytoniowy rozedma

płuc

---------------------------------------------------------------------------------------------------
--
Indukcja cytochromu P-450IIE1

spoż. alkoholu rak o

różnej
lokalizacji

Dym tytoniowy

(wolne rodniki tlenowe )

rodnik hydroksylowy

nadtlenek wodoru

anion ponadtlenkowy

Oksydanty z zanieczyszczeń

przemysłowych i

motoryzacyjnych

NO

2

, O

3

skupienie

pęcherzykowych

makrofagów płucnych



1

antytropsyna

E L A S T A Z A

neutrofilowa

R o z e d m a

międzyzrazikowa

czynniki

chemotaktyczne

neurofitów

Leukocyty

wielojądrzaste

obojętnochłonne

metionina 358

utleniona



1

antytrypsyna

unieczynniona

utrata zdolności

unieczynniania elastazy

uwolnienie

przyciąganie

uwalniają

trawi:

* kolagen

* elastynę

* fibronektynę

tkanki śródmiąż. płuc

hamuje

( 394 reszty aminokwasowe )

unieczynnia elastazę przez

nieodwracalne wiązanie

z metioniną - 358

ODPOWIEDŹ USTROJU NA
EKSPOZYCJĘ ŚRODOWISKOWĄ I
ZAWODOWĄ

1.Sposób określania związku przyczynowo-

skutkowego między ekspozycją zawodową
a odpowiedzią organizmu człowieka
omówiony zostanie na przykładzie
narażenia na rtęć (I),

2.Określanie

związku

przyczynowo-

skutkowego

w

ekspozycji

zarówno

komunalnej

jak

i

zawodowej

na

przykładzie narażenia na ołów (II)

 

I.
Narażenie na rtęć metaliczną i jej pary ma miejsce przy
obsłudze różnego rodzaju aparatury pomiarowej
wypełnionej rtęcią i przy czyszczeniu rtęci.
Do ostrego zatrucia dochodzi w przypadku rtęci rozlanej w
pomieszczeniach nieodpowiednio przystosowanych.
Przewlekła ekspozycja prowadząca do zatrucie
przewlekłego najczęściej ma miejsce w przemyśle
chemicznym (elektroliza), w przemyśle elektro-chemicznym
(lampy rtęciowe, prostowniki ).
Rtęć do organizmu dostaje się głównie poprzez układ
oddechowy.
Na poziomie komórkowym jej toksyczność przejawia się
uszkodzeniem błon komórkowych (powinowactwo do grup
sulfhydrylowych białek).
Rtęć przenika przez barierę krew-mózg. W obrazie
klinicznym przeważają objawy uszkodzenia układu
nerwowego. W początkowym okresie rozwija się zespól
rzekomonerwicowy, potem nerwica rtęciowa.
Zmiany w obwodowym układzie nerwowym mają charakter
polineuropatii. Najwięcej rtęci gromadzi się w nerkach,
mimo to objawy uszkodzenia nerek obserwuje się rzadko.

Początkowa odpowiedź organizmu na działanie rtęci jest
niespecyficzna.
Aby etiologię zespołu rzekomonerwicowego powiązać z
ekspozycją na rtęć należy stwierdzić w pomiarach
środowiskowych stężenie rtęci przekraczające NDS.
NDS dla rtęci podawane jest jako suma rtęci i związków
nieorganicznych i wynosi 50 μg/m

3

, a NDS chwilowe 150 μg/ m

3

.

Biomarkerem ekspozycji na rtęć jest obecność rtęci w moczu.
DSB wynosi 50ug/l (0,25 μmol/l ) i w przypadku zatrucia rtęcią
DSB powinno być przekroczone.
Przy ewentualnym uszkodzeniu nerek powinny być stwierdzane
biomarkery funkcji tego narządu.
W zależności od lokalizacji uszkodzenia biomarkery są różne.
Jako biomarker uszkodzenia kłębków nerkowych uznawane są
kreatynina i beta 2-mikroglobulina w surowicy krwi oraz białka o
ciężarze cząsteczkowym > 400000 w moczu.
Przy uszkodzeniu kanalików nerkowych stwierdzane są
antygeny kanalikowe (BB50, BBA, HF5) oraz enzymy w moczu
(N-acetylo-beta-D-glukozoamidaza i B-galaktozydaza.
Kalikrenina w moczu i glikoproteina Thamm-Horfsfalla
świadczyć mogą o uszkodzeniu pętli Henlego i kanalika
dystalnego.

II.
Ekspozycja na ołów może być rozpatrywana w
podwójnym aspekcie:
narażenie w środowisku bytowania człowieka
narażenie w środowisku pracy
Źródłem zanieczyszczenia środowiska naturalnego
ołowiem może być:
sąsiedztwo przemysłu,
-spaliny benzyny etylizowanej
-ołowiane instalacje wodociągowe.
Od 1998 roku:
D

24

-2 μg/m

3

,

D

30

- 5 μg/m

3

,

D

A

-0,5 μg/m

3

.

 

Obserwowany jest spadek stężenia ołowiu np.
w Krakowie w 94 stężenie średnioroczne w powietrzu
atmosferycznym wynosiło 0,15 μg/m

3

-D

A

0,2 μg/m

3

,

w 98r stężenie ołowiu wynosiło 0,109 -D

A

-0,5 μg/m

3

.

 
Narażenie zawodowe ma miejsce głównie w hutach cynku i ołowiu
podczas przeróbki i wytapiania z rud, ale także w przemyśle
kaflarskim i ceramicznym oraz przy wyrobie szkła kryształowego,
przy wyrobie i remontach akumulatorów oraz w składnicach
złomu .
NDS dla ołowiu wynosi 50 μg/m

3

Ołów do ustroju wprowadzany jest z powietrzem atmosferycznym,
wodą i pokarmami.
 
Zatrucie ołowiem objawia się przede wszystkim uszkodzeniem:
układu krwiotwórczego (dochodzi do hamowania syntezy
hemoglobiny i skrócenia czasu przeżycia krwinek czerwonych)
układu nerwowego(polineuropatia i encephalopatia).

Znaczne zwiększenie stężenia ołowiu we krwi może prowadzić do
powstania ostrych objawów pod postacią kolki ołowiczej. Wczesny
okres zatrucia ołowiem przebiega bezobjawowo.
Objawy ołowicy są niespecyficzne .
W rozpoznaniu różnicowym należy pamiętać o tym, że:
- niedokrwistość oraz choroby ośrodkowego i obwodowego układu
nerwowego mogą mieć etiologię niezależną od ołowicy,
- kolkę ołowiową należy różnicować z kolką nerkową, żółciową,
zapaleniem trzustki, czy jelit.
 
Dlatego niezmiernie ważne jest oznaczenie biomarkerów
ekspozycji na ołów.
Nie mniej jednak również biomarkery mogą być niespecyficzne
lub niedostatecznie specyficzne.
Np. związane z ekspozycją na ołów zahamowanie aktywności
enzymów biosyntezy hemu znajduje odzwierciedlenie we wzroście
poziomu wolnej protoporfiryny erytrocytarnej.
Jednak poziom wolnej protoporfiryny erytrocytarnej wzrasta
również w stanach niedoboru żelaza.
Dlatego stosuje się kompleksowe oszacowanie.

W praktyce klinicznej oznaczane jest:

•-        stężenie ołowiu we krwi

•-        stężenie kwasu delta –aminolewulinowego w moczu.
 
DSB dla ołowiu we krwi wynosi 600 μg/l (2,28 μmol/l), a u
kobiet w wieku rozrodczym 300 μg/l (1,44 μmol/l).

DSB dla kwasu delta–aminolewulinowego (wg metody
Grabskiego) wynosi 17mg/l (129,6umol/l), a dla
protoporfiryny w krwinkach czerwonych - 10ug/gHb (1400
ug/l krwi).
 
Górne granice stężeń tych biomarkerów dla populacji
nienarażonej zawodowo są oczywiście niższe.
 
Ołów we krwi: 200 μg/l (0,97 μmol/l) ,
kwas delta –aminolewulinowy: 10mg/l (76,3umol/l),
protoporfiryna w erytrocytach- 2,5 ug/gHb (350 ug/l)

Wrażliwość osobnicza na ekspozycję
środowiskową uzależniona jest od całego szeregu
czynników.
Oprócz czynników genetycznych dużą rolę
odgrywa ogólny stan zdrowia, stan odżywienia
oraz styl życia.
Natomiast jako biomarker wrażliwości uważane
mogą być niedobory IgA.

Powyższy sposób diagnozowania schorzeń o
etiologii środowiskowej odgrywa rolę przede
wszystkim w początkowym okresie jeszcze przed
ujawnieniem się typowych objawów klinicznych.