ZDROWIE ŚRODOWISKOWE WYKŁAD 2, 19.12.2012

Metabolizm ksenobiotyków w organizmie

• Wchłanianie (absorpcja) – przejście substancji ze środowiska zewnętrznego do krążenia ogólnego (krew, chłonka)

- droga inhalacyjna, pokarmowa, skórna, pozajelitowa

• Rozmieszczenie (dystrybucja)

• Przemiany biochemiczne (biotransformacja) – polimorfizm genów kodujących izoenzymy cytochromu P450, N-acetylotransferazę…)

• Wydalanie

Podstawowe drogi wnikania do organizmu

• Płuca (CO, krzemionka, amoniak, chlorowodór, tlenki azotu)

• Układ pokarmowy

- jama ustna (cyjanki, nikotyna, alkohole, nitrogliceryna)

- żołądek (fenol, kwas salicylowy, benzoesowy, kofeina)

- jelito (metylortęć, słabe kwasy i zasady)

• Skóra

- transport transepidermalny (węglowodory aromatyczne, alifatyczne, aromatyczne aminy, zw. fosfoorganiczne…)

- transport trans folikularny (metale ciężkie i ich związki organiczne)

Kumulacja

• gromadzenie się trucizn w miejscach poza organem docelowym.

• stężenie związku/metabolitu w miejscach magazynowania może osiągać wartość wyższą, niż w organizmie docelowym.

- tkanka tłuszczowa – związki litofilne, np. pestycydy chloro organiczne

- plazma krwi – związki wiążące się z białkami krwi (np. jony rtęci)

- kości – ołów, fluor, rad, stront

- wątroba – kadm, ołów, rtęć

Stopniowa akumulacja trucizny zatrucia po przyjęciu powtarzających się małych dawek

Ksenobiotyk – procesy w organizmie

1. biotransformacja – przemiany biochemiczne (enzymatyczne i nieenzymatyczne) prowadzące do powstania metabolitów

benzen tlenek benzenu … fenol

pestycyd DDT DDE

1. eliminacja – trucizny i ich metabolity niemożliwe do zmagazynowania są usuwane z organizmu

2. tworzenie kompleksów receptor-toksyna – efekt działania toksycznego

Biotransformacja

(pierwsze dwie fazy są w komórce)

• reakcje pierwszej fazy – utlenianie, redukcja i hydroliza (powstawanie grup funkcyjnych)

- związki lipofilne związki bardziej hydrofilne

- enzymy cytochromu P450 + enzymy mikrosomalne hepatocytów

• reakcje drugiej fazy – metyzacja

- wiązanie powstałych metabolitów z reaktywnymi metabolitami ustrojowymi (aminokwasy, glutation, kwas glukuronowy, octowy, siarkowy)

• reakcje trzeciej fazy – usuwanie hydrofilnych metabolitów poza komórkę (osoczenerkimocz; żółćstolec)

Prowadzi do wytworzenia związku bardziej polarnego niż substancja wyjściowa, co sprzyja szybszemu wydaleniu.

Najważniejszą rolę w metabolizmie ksenobiotyków odgrywają hepatocyty.

2/3 ksenobiotyków przechodzi biotransformację w wątrobie, 1/3 ksenobiotyków w nerkach, przewodzie pokarmowym i płucach.

Wydalanie

Nerki (mocz) – Ksenobiotyk dobrze rozpuszczalne w wodzie, o małej masie cząsteczkowej (leki i ich metabolity, pestycydy fosfoorganiczne, fluorki, stront, selen, beryl, kadm, chrom, cyna, kobalt, związki nieorganiczne rtęci).

Przewód pokarmowy – toksyny rozpuszczalne w tłuszczach wydalane drogą żółciową (dioksyny, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, alkaloidy, atropina, morfina, mangan, srebro, arsen, cynk, związki organiczne rtęci, ołów, miedź).

Płuca – toksyny lotne (dwusiarczek węgla, eter etylowy, CO₂).

Skóra (fenol, etanol, kwas benzoesowy, ołów, rtęć, żelazo, brom, jod).

Gruczoły mleczne (leki, morfina, nikotyna, alkohol, metale ciężkie, jod, metyl ortęć).

Efekty zatruć

Organ reagujący na dany ksenobiotyk jest organem docelowym = efektor.

Etapy zdarzeń prowadzące do powstania zatrucia organizmu:

- ekspozycja (narażenie)

- farmakokinetyka (wchłanianie, dystrybucja, biotransformacja)

- ujawnienie zatrucia.

Trucizna lub jej metabolity docierają do organu docelowego ujawnienie zatrucia (kliniczne symptomy działania trucizny).

Typowe w komórkach miejsca docelowe dla działania trucizny

Typowa komórka kategoria działania trucizny miejsce docelowe efekt zatrucia

Mitochondrium farmakologiczna cytochrom inhibicja

Jądro komórkowe genotoksyczna DNA mutacja

Błona komórkowa patologiczna receptor lipidowy w błonie destrukcja.

„NARZĄD KRYTYCZNY” (układ, narząd, tkanka) = „ORGAN DOCELOWY”

• pierwszy osiąga stężenie krytyczne substancji toksycznej w określonych warunkach narażenia

• w nim najwcześniej występują efekty działania toksycznego

• zależy od rodzaju ekspozycji (ostra, przewlekła), drogi wchłaniania i gatunku.

Narząd krytyczny

Przewlekłe narażenie na kadm nerki

Zatrucia ostre parami rtęci płuca

Zatrucia rtęcią metaliczną układ nerwowy

Zatrucia CO mózg

Ekspozycja na hałas ucho wewnętrzne

Promieniowanie X szpik kostny

Monitoring środowiska

Badania stanu środowiska realizowane są w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska.

• Koordynacja - organ Inspekcji Ochrony Środowiska

• Koordynator PMŚ – Główny Inspektorat Ochrony Środowiska.

Monitoring głównych elementów środowiska:

- wód powierzchniowych

- wód podziemnych

- zbiorników zaporowych

- wody pitnej
- jakości powietrza

- gleb

- hałasu

Monitoring a narażenie środowiskowe

Monitoring środowiskowy – system ciągłych lub systematycznie powtarzanych pomiarów i obserwacji stanu wybranych cech i właściwości środowiska.

• Prowadzony w oparciu o system stałych punktów pomiarowych za pomocą:

- aparatury kontrolno-pomiarowej

- organizmów bioindykatorów (bioindykacja)

Pomiar stężeń czynników szkodliwych w środowisku, mający na celu ocenę:

- wielkości narażenia

- ryzyka wystąpienia skutków zdrowotnych

Standardy jakości środowiska

• Dopuszczalne poziomy niektórych substancji w powietrzu (benzen, NO₂, NO_x, ołów, ozon, pył zawieszony PM10, CO) PM10 - 50µg/m³ w ciągu 24 godzin, dopuszczalne przekroczenie do 35/365 dni.

• Wymagania dla wód powierzchniowych wykorzystywanych do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia.

• Wymagania, jakom powinna odpowiadać woda kąpielisk.

• Standardy jakości gleby oraz ziemi (dopuszczalne wartości dla zanieczyszczeń: metale, związki nieorganiczne, węglowodory chlorowane, środki ochrony roślin).

• Dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych w środowisku:

1. Terenów przeznaczonych pod zabudowę mieszkaniową

2. Miejsc dostępnych dla ludności.

Środowisko pracy

Wskaźniki narażenia dla substancji chemicznych i czynników fizycznych:

• NDS – najwyższe dopuszczalne stężenie związku chemicznego

• NDN – najwyższe dopuszczalne natężenie fizycznego czynnika.

NDS – wartość średni ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń.

NDS w środowisku pracy dla:

• Pyłów zawierających azbest – 1mg/m³ !!!!!

• Ołowiu – 0,05 mg/m³

• Ozonu – 0,15 mg/m³

NDN – wartość średnia natężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń.

• NDN hałasu – w odniesieniu do poziomu ekspozycji odniesionego do 8-godzinnego dobowego wymiaru pracy – wynosi 85dB.

Biomarkery

Biomarker – wskaźnik procesów zachodzących w organizmie, pozwalający na ocenę:

1. Wielkości narażenia na czynniki

2. Efektów działania w postaci skutków zdrowotnych.

Mierzona odpowiedź organizmu – funkcjonalna, fizjologiczna, biochemiczna na poziomie komórkowym lub subkomórkowym.

Biomarkery stanowią ogniwa sekwencji wydarzeń od ekspozycji na czynniki szkodliwe do skutku zdrowotnego (choroba).

W procesie szacowania ryzyka zdrowotnego oraz w diagnostyce klinicznej Biomarkery można wykorzystać do wyjaśnienia zależności:

Przyczyna skutek

Dawka skutek

Biomarkery

Bezpośrednie wskaźniki dawki wchłoniętej do organizmu umożliwiające indywidualną ocenę narażenia:

1. Biomarkery ekspozycji (narażenia)

- egzogenne substancje lub ich metabolity a także produkty interakcji między czynnikiem chemicznym a docelowymi cząsteczkami lub komórkami

- produkty wiązania substancji w ustroju (np. z hemoglobiną lub DNA)

- są pośrednimi miernikami efektów szkodliwych

- pomocne w przewidywaniu potencjalnych skutków zdrowotnych

- są obecne i mierzalne w organizmie

-np. zatrucie rtęcią – rtęć w moczu w stężeniu powyżej 50µg/l

Biomarkery ekspozycji

Metale: Pb, Cd, Ni, Cr, As, Co

• Ołów (ołów w krwi i w moczu, protoporfiryna erytrocyt arna we krwi)

• Kadm (kadm w moczu,beta-2 mikroglobulina w moczu)

• Rtęć (rtęć w moczu)

• Fluorki (fluorki w moczu)

• Nieorganiczne związki chemiczne

- tlenek węgla (stężenie hemoglobiny tlenkowęglowej we krwi)

• Organiczne substancje chemiczne

- metyl ortęć (rtęć we włosach)

- benzen (benzen we krwi, fenol w moczu)

- fenol (fenol w moczu)

Zastosowanie biomarkerów – nadzór zdrowotny nad pracownikami narażonymi na ekspozycję na:

- metale – kadm, ołów, rtęć, nikiel, arsen, chrom, kobalt

- organiczne substancje chemiczne – anilina, benzen, dwusiarczek węgla, styren, chlorobenzen, chlorowane węglowodory.

1. Biomarkery skutku biologicznego (efektu)

• mierzalne biochemiczne, fizyczne, behawioralne zmiany zachodzące w organizmie, które mogą być powiązane z:

- już obecnymi zaburzeniami zdrowia

- mogącymi się pojawić zaburzeniami zdrowia

• mogą służyć do:

- rozpoznania źródła zatrucia

- wykrycia zmian przedklinicznych

- zaplanowania postępowania terapeutycznego

- określenia lokowania leczenia

Biomarkery skutku:

- hepatotoksyczności: aminotransferazy hematologiczne np. wolna porfiryna erytrocyt arna

- zatrucia związkami fosfoorganicznymi – niska aktywność acetylocholino transferazy

Biomarkery funkcji płuc

- zwiększona liczba neutrofilów w BALF (regionie oskrzelowo-pęcherzykowym) – reakcja zapalna

- zwiększone stężenie białka w BALF – zwiększenie przepuszczalności bariery pęcherzykowo-włośniczkowej

- obniżony poziom glutationu – trój peptyd (silny przeciwutleniacz) – stres oksydacyjny (działanie reaktywnych form tlenu)

- zwiększony poziom wydzielanego przez makrofagi płucne nowotworowego czynnika martwicy TNF – procesy zwłóknienia w płucach

Biomarkery uszkodzenia nerek

- kreatynina surowicza – prawidłowość przesączania kłębuszkowego

- interleukina 18 w moczu – wczesne uszkodzenie nerek na tle niedokrwiennym

- lipokalina (związana z żelatynazą neutrofili) – Biomarker ONN

- cząsteczki-1 uszkodzenia nerek (KIM-1) – białko nie wykrywane w staniefizjologicznym w moczu

- Cystatyna C w moczu – Biomarker uszkodzenia kanalików nerkowych

1. Biomarkery wrażliwości

- Wskaźniki wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do odpowiedzi na określony szkodliwy czynnik.

- Różna aktywność enzymów biorących udział w biotransformacji substancji chemicznych związana z polimorfizmem genów kodujących.

- Niedobory IgA.

1. Nadwrażliwość na sukcynylocholiny – obecność w osoczu nietypowej cholinoesterazy CHE1 (różnica = 1 aminokwas)

2. Niedobór α1-antytrypsyny

- czynniki genetyczne – wrodzony brak α1-antytrypsyny

- defekt wytwarzania w wątrobie α1-antytrypsyny

Niedobór antytrypsyny – dym tytoniowy rozedma płuc

1. Niedobór IgA – substancje podrażniające układ oddechowy podrażnienie układu oddechowego

Biomarkery wrażliwości – związki rakotwórcze

Palenie tytoniu a różne następstwa zdrowotne w populacji

• Polimorfizm genetyczny enzymu – hydroksylazy węglowodorów aromatycznych (różne wiązanie benzopirenu do DNA)

Metabolit nikotyny – kotynina jest biomarkerem narażenia na nikotynę.

Stężenie kotoniny w moczu:

- osoby niepalące – 50 ng/ml

- bierni palacze – 50,1-400 ng/ml

- czynni palacze – powyżej 400 ng/ml

Stwierdzenie działania toksycznego danej substancji chemicznej

- Biomarker ekspozycji występuje w stężeniu przekraczającym DSB

DSB – najwyższe dopuszczalne stężenie biologiczne związków szkodliwych lub ich metabolitów w płynach ustrojowych (krwi, moczu) lub tkankach.

DSB w populacji narażonej:

- dla ołowiu w krwi – 600 µg/l, dla kobiet w wieku rozrodczym – 300 µg/l

- dla rtęci w moczu – 60 µg/l

Dla populacji nienarażonej – 200 µg/l dla ołowiu we krwi.

Ryzyko działania toksycznego danej substancji chemicznej

Gdy zmierzona wartość stężenia substancji/związku w materiale biologicznym dla czynnika chemicznego jest:

• Większa niż DSB – ryzyko wysokie

• Mniejsze niż DSB, ale jednocześnie większe niż ½ wartości DSB – ryzyko na poziomie średnim

• Mniejsze niż DSB, ale jednocześnie mniejsze niż ½ wartości DSB – ryzyko na poziomie małym

Analiza obecnych w organizmie biomarkerów uzyskanie informacji:

1. Czy organizm jest/był narażony na działanie czynnika szkodliwego? (Biomarkery ekspozycji)

2. Czy narażenie na ksenobiotyk spowodowało skutki zdrowotne? (Biomarkery efektu)

3. Czy dana osoba jest wrażliwa na działanie danego ksenobiotyk? (Biomarkery wrażliwości)

Choroby zawodowe

- wszelkie zaburzenia stanu zdrowia swoiście związane ze środowiskiem pracy zawodowej lub sposobem jej wykonywania.

Zespół objawów choroby odpowiada skutkom biologicznym działania ksenobiotyk w miejscu pracy.

1. Zostanie udokumentowane narażenie na szkodliwe ksenobiotyk powyżej NDS lub NDN w środowisku pracy (czas narażenia musi być wystarczająco długi).

2. Szkodliwe działanie zostanie potwierdzone odpowiednimi biomarkerami:

- ekspozycji

- efektu (skutku)

Toksyny sinicowe

• Cykliczne peptydy

• Alkaloidy

• Lipo polisacharydy

Mechanizm działania toksyn sinicowych:

1. Hepatotoksyny (blokowanie fosfataz białkowych)

2. Neurotoksyny (zaburzenie przewodnictwa nerwowo-mięśniowego)

3. Cytotoksyny (blokowanie syntezy białka)

4. Dermatotoksyny (zmiany skórne, działanie drażniące)

Ekspozycja na toksyny sinic

Szkodliwe następstwa zdrowotne – wynik bezpośredniego działania toksyn lub alergenów zawartych w komórkach sinic.

Drogi ekspozycji na toksyny sinic:

• Przez skórę

• Per os - przeciętna ilość wody spożywanej podczas kąpieli:

- osoba dorosła – 100 ml

- dziecko – 250 ml

• Inhalacyjna – wdychanie aerozolu powietrzno-wodnego

Zasady oceny zagrożeń zdrowotnych związanych z zakwitami sinic w kąpieliskach

• 20 000 komórek/ml – zagrożenie dla zdrowia człowieka – konieczna informacja dla użytkowników kąpielisk (wytyczne WHO)

• 100 000 komórek/ml – zakaz kąpieli w kąpieliskach

• 20 000 komórek/ml – szacowane stężenie mikrocystyny 2-4 µg/L

• Dawka dzienna 40 µg/kg m.c. = NOAEL dla mikrocystyny (toksyna sinicowa, produkowana przez Microcystis)

Dopuszczalne dzienne pobranie (TDI)= 0,040 µg/kg m.c.

Najwyższe dopuszczalne stężenie mikrocystyny w wodzie:

- kąpielisk – 20 µg/L

- do spożycia – 1 µg/L

Zatrucie ołowiem

Ołów do ustroju wprowadzany jest z powietrzem atmosferycznym, wodą i pokarmem.

Zatrucie ołowiem – głównie uszkodzenie:

1. Układu krwiotwórczego (hamowanie syntezy hemoglobiny i skrócenie czasu przeżycia krwinek czerwonych)

2. Układu nerwowego (polineuropatia – zespół uszkodzenia nerwów obwodowych i encefalopatia)

• Wczesny okres zatrucia ołowiem przebiega bezobjawowo

• Zwiększenie stężenia ołowiu we krwi może prowadzić do powstania ostrych objawów (kolka ołowicza)

• DSB dla ołowiu we krwi wynosi 600 µg/l, a u kobiet w wieku rozrodczym 300 µg/l

• NDS dla ołowiu wynosi 50 µg/m³

Zatrucie rtęcią

• Do organizmu dostaje się głównie przez układ oddechowy

• Toksyczność jest następstwem uszkodzenia błon komórkowych (powinowactwo do grup sulfhydrylowych /SH/ białek)

• Przenika przez barierę krew-mózg

• W obrazie klinicznym:

1. Objawy uszkodzenia oun

2. Zmiany w obwodowym układzie nerwowym – polineuropatia

• Najwyższa kumulacja rtęci w nerkach – rzadko objawy uszkodzenia nerek

W Polsce dzienne pobranie rtęci przez osobę dorosłą 9-33 mg (~20 mg/dobę)

Dopuszczalne dzienne pobranie rtęci - 43 mg

Dopuszczalne tygodniowe pobranie – 300 mg (nieorganiczna), 200 mg (metylortęć)

Organiczne związki rtęci – NDS 0,01 mm/ m³

Nieorganiczne związki rtęci – NDS 0,05

Pary rtęci – NDS 0,025

Związek przyczynowo-skutkowy z narażeniem środowiskowym na ksenobiotyk

W przypadku, gdy ksenobiotyk:

• W środowisku pracy występował w stężeniu przekraczającym NDS

• W środowisku bytowania przekraczał dopuszczalną dawkę referencyjną

• W krwi lub moczu obecny w stężeniu przekraczającym DSB

Należy określić biomarkery skutku (efektu)

Monitoring narażenia środowiskowego a profilaktyka zdrowotna

Ryzyko

- prawdopodobieństwo wystąpienia określonych (niepożądanych) skutków zdrowotnych w wyniku narażenia na określony czynnik szkodliwy.

Ilościowo ryzyko jest liczbą niemianowaną z przedziału [0,1] (w epidemiologii wyrażone w %)

Rodzaje ryzyka:

• Faktyczne (dane epidemiologiczne)

• Potencjalne, przewidywalne (ocena ryzyka zdrowotnego)

• Postrzegane (zarządzanie ryzykiem)

Ryzyko środowiskowe

- prawdopodobieństwo, że substancje zanieczyszczające środowisko będą miały wpływ na zdrowie ludzi i/lub funkcjonowanie ekosystemów

• W odniesieniu do populacji człowieka przyjmuje się, że pewien poziom ryzyka jest dopuszczalny (dla substancji toksycznych!)

• Akceptowalny poziom ryzyka = bezpieczeństwo

Rodzaje substancji a narażenie

1. Substancje progowe (toksyczne)

2. Substancje bezprogowe (rakotwórcze)

Próg – poziom narażenia, poniżej którego odpowiedź toksyczna jest znikoma.

Substancje o działaniu toksycznym posiadają pewien próg stężenia, poniżej którego mechanizmy obronne chronią organizm przed negatywnymi skutkami działania.

W przypadku substancji rakotwórczych nie ma bezpiecznego progu narażenia – jedynie zerowe narażenie daje zerowe ryzyko.

Klasy toksyczności związków

Klasyfikacja działania toksycznego substancji chemicznej po podaniu dożołądkowym szczurom w oparciu o wartość DL₅₀

Zakres DL₅₀ klasa toksyczności

(mg/kg m.c./doba)

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

<25 bardzo toksyczna

25 – 200 toksyczna

200 – 2000 szkodliwa

Powyżej 2000 nie klasyfikowana

*wg załącznika nr 1 do rozporządzenia MZiOS z dnia 21 sierpnia 1997.

Podstawowe etapy oceny ryzyka

1. Identyfikacja zagrożenia – ocena potencjalnego szkodliwego wpływu danej substancji na zdrowie ludzi (wyniki testów in vivo, in vitro, badań klinicznych, danych epidemiologicznych)

2. Ocena narażenia – określenie wielkości oraz częstości narażenia ludzi (grupy ryzyka – dzieci, masa ciała)

3. Ocena zależności dawka-odpowiedź – określenie zależności pomiędzy narażeniem, a efektem toksycznym substancji

- wyznaczenie NOAEL lub LOAEL dla efektów progowych

1. Charakterystyka ryzyka – określenie prawdopodobieństwa, z jakim dany związek chemiczny może wywołać szkodliwy efekt.

Obliczenie:

- dla efektów progowych – marginesu bezpieczeństwa