Ocena narażenia na czynniki rakotwórcze.
Szczególnie przydatną metodą w określeniu dawki biologicznie efektywnej jest oznaczenie adduktów, jakie związki rakotwórcze (lub ich metabolity)tworzą z makrocząsteczkami komórkowymi, czyli białkami oraz DNA.
Większość związków rakotwórczych to związki elektrofilne lub ulegające transformacji do metabolitów o takich właściwościach.
Elektrofilne związki rakotwórcze mogą wiązać się kowalencyjnie z miejscami nukleofilnymi w białkach lub DNA, tworząc odpowiednie addukty.
Addukty łącząc się z DNA pojawiają się bezpośrednio po ekspozycji.
Jeżeli jednak addukty nie są usunięte z DNA, mogą zapoczątkować powstanie mutacji. Jako źródło DNA wykorzystuje się najczęściej komórki krwi, głównie limfocyty, czasem są to komórki złuszczone z płuc, pęcherza moczowego itd. oraz pochodzące z biopsji.
Stwierdzono także przydatność wykrywania adduktów w albuminach z surowicy krwi, które są syntetyzowane w wątrobie, gdzie szereg związków rakotwórczych ulega przemianie w aktywne metabolity.
Ponieważ należą one do białek o stosunkowo długim okresie półtrwania wynoszącym 20 – 24 dni, dlatego addukty w nich wykrywane służą jako Biomarker opóźnionej ekspozycji.
Poziom adduktów w hemoglobinie jest niższy niż adduktów z DNA, ponieważ dla większości substancji genotoksycznych nie jest to cząstka docelowa i nie występują w niej procesy aktywacji metabolicznej.
Jednak ze względu na stosunkowo wysoką trwałość cząstki hemoglobiny i jej nośnika, czyli krwinek czerwonych (około 120 dni) oraz brak systemów naprawczych, addukty hemoglobiny są wykorzystywane w monitorowaniu narażonych populacji głównie jako biomarker narażenia skumulowanego.
Biomarker wczesnych skutków biologicznych (przykłady):
| Rodzaj skutku | Przykład | Tkanki |
|---|---|---|
| Zmiany cytogenetyczne | Aberracje chromosomowe (AC), mikrojądra (MN) |
|
| Wymiana chromatyd siostrzanych SCE | ||
| Uszkodzenie łańcucha DNA | Pęknięcie jedno- lub dwuniciowe (test kometowy) | |
| Mutacje punktowe | Hemoglobina | krwinki czerwone, limfocyty |
| Protoonkogeny | FMS, SRC, MOS, SIS | DNA limfocytów krwi |
| Geny supresorowe | p53, RB1, NF1 | |
| Markery nowotworowe | CA, CEA, TPA, AFP | krew, surowica |
Biomarker wrażliwości – są wskaźnikami wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do odpowiedzi wywołanej ekspozycją na specyficzny czynnik szkodliwy (np. przebyte choroby, czynniki fizjologiczne, żywnościowe czy genetyczne).
Istnieje wiele czynników, które mogą zmienić indywidualną odpowiedź na czynniki rakotwórcze.
Mogą to być zarówno przebyte choroby, fizjologiczne lub żywnościowe, jak i genetyczne.
Wcześniejsza ekspozycja na substancje chemiczne indykujące odpowiedź immunologiczną może uwrażliwić daną osobę na kolejną ekspozycję, np. poprzez rozwinięcie się nadwrażliwości płucnej po ekspozycji na pył czy substancję chemiczną.
Związek między czynnikami środowiskowymi i genetycznymi określany jest terminem „ekogenetyczność”.
Za powstanie pewnych ludzkich nowotworów mogą być odpowiedzialne interakcje zachodzące między chemicznymi kancerogenami oraz wirusami obecnymi, np. w wątrobie, nosogardzieli czy narządów płucnych.
Wiadomo także, że pewne hormony odgrywają ważną rolę, jako czynniki ryzyka, w odniesieniu do raka piersi u kobiet, chociaż związek między hormonami sterydowymi i prolaktyną w powstawaniu raka piersi nie jest jednoznaczny.
Narażenie poszczególnych osób jest podobne, różnice genetyczne w metabolizmie mogą powodować wyraźne zróżnicowanie dawek docierających do miejsc docelowego działania oraz zróżnicowanie odpowiedzi biologicznej.
Jest to np. związane z polimorfizmem genowym, obejmującym różne enzymy zarówno I (cytochrom P-450) jak i II fazy biotransformacji ksenobiotyków (transferazy-S-glutationowe, acetylotransferazy).
W komórkach ludzkich wykazano występowanie licznych form tansferazy-S-glutationowej, których synteza jest kontrolowana przez cztery zespoły genów: GSTA, GSTM, GSTP i GSTT.
Transferaza GSTH1 katalizuje reakcję między epoksydowymi i dioepoksydowymi pochodnymi benzo(a)pirenu a glutationem.
Około 50% populacji kaukaskiej wykazuje tzw. fenotyp zerowy, który charakteryzuje się bardzo niską aktywnością GSTM1 i powoduje upośledzenie zdolności do dezaktywacji kancerogenów z grupy WWA.
Wiąże się to ze zwiększonym ryzykiem zachorowania na raka płuc, żołądka czy jelita grubego.
Zastosowanie monitoringu biologicznego:
- obecnie zastosowanie w ocenie narażenia na szkodliwe substancje na poziomie grupy;
- w przyszłości na poziomie osobniczym;
- skrining, czyli sposób na wykrycie zagrożenia rozwojem choroby na etapie umożliwiającym odpowiednie działania zapobiegawcze
- zasadniczym zadaniem monitoringu biologicznego, czyli badań z zastosowaniem biomarkerów, jest jednoznaczne powiązanie zależności ekspozycja – dawka oraz dawka – skutek zdrowotny
- określenie ilościowych zależności poszczególnych biomarkerów konkretną jednostką chorobową pozwoli na realne szacowania ryzyka nowotworu związanego z narażeniem czynniki rakotwórcze.
W procesie oceny ryzyka wyróżnia się następujące etapy postępowania:
- identyfikacja zagrożenia,
- ocena narażenia,
- określenie zależności dawka-odpowiedź.
- charakterystyka ryzyka i analiza niepewności.
Identyfikacja i charakterystyka zagrożenia w odniesieniu do szkodliwych substancji w poszczególnych elementach środowiska powinna zawierać następujące kroki:
- identyfikacja szkodliwych substancji w powietrzu, wodzie pitnej i glebie,
- rozkład zawartości szkodliwych substancji jako funkcję odległości od źródła emisji,
- ocenę mobilności danej substancji w mediach środowiskowych, jej biodostępności,
- charakterystykę toksykologiczną warzyw i owoców oraz produktów zwierzęcych wytwarzanych na skażonym terenie.
Ocena ryzyka zdrowotnego:
- opis skutków toksycznych ostrych i przewlekłych,
- dane o toksyczności ostrej i przewlekłej w postaci dawki referencyjnej,
- w przypadku substancji rakotwórczych - jednostkowe ryzyko nowotworowe.
Narażenie-bezpośredni kontakt czynnika chemicznego, fizycznego lub biologicznego z organizmem ludzkim. Ocena narażenia obejmuje określone wielkości, częstości, czasu trwania oraz drogi narażenia. W precyzyjnej zintegrowanej ocenie narażenia należy brać pod uwagę różne czynniki np. warunki meteorologiczne, własności gleby, sposoby wykorzystywania terenu, własności hydrologiczne terenu.
Występowanie narażenia na toksyny
Źródło skażenia → Wrażliwy osobnik(populacja) → Narażenie
Brak narażenia na toksyny występuje kiedy jakiś element kontaktu wypadnie np. źródło skażenia.
Istotną rolę odgrywa:
- czas narażenia (czy jest całożyciowe narażenie, czy tylko zawodowe),
- rodzaj wrażliwości populacji (czy narażenie dotyczy dzieci, osób starszych czy ogółu populacji).
Oceny służą utworzeniu scenariusza narażenia.
Do obliczeń modelowych wykorzystuje się 3 podstawowe scenariusze narażenia:
- mieszkańca,
- pracownika,
- kontakt przypadkowy.
Drogi narażenia:
- pokarmowa,
- inhalacyjna,
- kontakt przez skórę.
Podstawa oceny narażania: dawka pobrana (ilość substancji szkodliwej, z którą styka się organizm na danej drodze narażenia w ciągu doby w przeliczeniu na 1kg masy ciała). Przy jej obliczaniu uwzględnia się: stężenie danej szkodliwej substancji w środowisku (powietrzu, wodzie, glebie), częstotliwość i czas trwania kontaktu i okres uśredniania w tzw. scenariuszu całożyciowym przewlekłego narażenia (zazwyczaj 70lat).
Dawka całkowita pobrana-suma dawek pobranych na poszczególnych drogach narażenia
I=CxFIx(K+CK)/(MCxT)
I - dawka pobrana (mg (kg))
C - średnie stężenie substancji w danym medium środowiskowym [mg/l]
FI - liczba niemianowana z przedziału od 0 do 1, określająca na jaką część faktycznego pobrania pochodzi ze skażonego źródła
K - wielkość dobowego kontaktu (spożycia wody pitnej [l/d],dobowa wentylacja płuc [m3/d])
CK - częstotliwość i czas trwania kontaktu (ile godz. na dobę, prze ile dni w roku),
MC - średnia masa ciała [kg],
T- okres uśredniania (dni, lata, w przewlekłym okresie - przyjmowane jako 70 lat).
Standardowe dane dotyczące dobowego pobrania mediów środowiskowych:
Wentylacja płuc: gdy nie jest wyspecyfikowany schemat aktywności przyjmuje się średnią
dobową wentylację płuc na poziomie 20 m3/d dla dorosłych i 5 - 10 m3/d dla dzieci.
Konsumpcja wody pitnej: wartość średnia = 1.4 l/d, 90-ty percentyl rozkładu = 2.0 l/d
Przypadkowe spożycie gleby - dotyczy głównie dzieci na skutek wkładania do ust niemy-
tych rąk. Przyjmowane tu wartości to: 150-200 mg/d = 50-ty percentyl rozkładu w grupie
wiekowej 1-6 lat, 100 mg/d dla grup wiekowych starszych od 6 lat, 800 mg/d - najwyższa
wartość (prawy ogon rozkładu) - wyłączając tzw. pica, czyli spaczone łaknienie
Modelowanie potencjalnych scenariuszy narażenia prowadzi do ilościowej oceny ryzyka narażenia na chemiczne substancje toksyczne i rakotwórcze.
-Pobór substancji chemicznych z wodą pitną
I = Cw × FI × (Kw × CK) / (MC × T)
gdzie:
I - dawka pobrana [mg/d kg],
Cw - średnie stężenie substancji w wodzie [mg/l],
FI - liczba niemianowana z przedziału od 0 do 1 określająca, jaka część faktycznego spożycia pochodzi ze
skażonego źródła,
K - wielkość dobowego spożycia wody pitnej [l wody /d], w/g rekomendacji US EPA przyjmuje się 2 l/d
CK - częstotliwość i czas trwania kontaktu (ile godz. na dobę, przez ile dni w roku, ile lat) - zależy od konkretnego scenariusza narażenia,
MC - średnia masa ciała [kg],
T - okres uśredniania (przyjmowany najczęściej jako 70 lat - tzw. całożyciowe przewlekłe narażenie)
Przykłady:
- Pobór substancji chemicznych przez przypadkowe spożycie gleby
- Pobór substancji chemicznych z gleby na drodze wchłaniania przezskórnego
- Pobór substancji chemicznych ze skażonymi płodami rolnymi, owocami i warzywami
- Pobór substancji chemicznych ze skażonymi produktami mięsnymi i nabiałem
- Pobór substancji chemicznych drogą inhalacyjną
Obliczenie średniej populacyjnej dawki pobranej (tzn. średniej dawki pobranej ważonej strukturą demograficzną narażonej populacji) :
Ipop= w0-6I0-6+ w7-19I7-19+ wmIm+ wkIk
w0 – 6 oznacza procent populacji przypadający na dzieci w wieku 0-6 lat,
I0 – 6 oznacza dawkę pobraną obliczoną dla dzieci w wieku 0-6 lat,
w7 - 19 oznacza procent populacji przypadający na dzieci w wieku 7-19 lat,
I7 - 19 oznacza dawkę pobraną obliczoną dla dzieci w wieku 7-19 lat,
Wk oznacza procent populacji przypadający na kobiety,
Ik oznacza dawkę pobraną obliczoną dla kobiet,
Wm oznacza procent populacji przypadający na mężczyzn,
Im oznacza dawkę pobraną obliczoną dla mężczyzn.
Wielkość dawki pobranej zależna jest od parametrów fizjologicznych zdeterminowanych przez wiek i płeć. Średnie populacyjne należy obliczać dla danej substancji i danej drogi narażenia osobno. Gdy to możliwe dawkę pobrana przeliczamy na wchłoniętą:
Dawka = I × AF
AF oznacza współczynnik wchłaniania. Gdy jest nieznany to przyjmujemy AF=1. Dla subst. wchłoniętych przez przewód pokarmowy AF = 0.1-1.0, a dla inhalacyjnej drogi narażenia AF = 0.75 -1.0
Zależność dawka – odpowiedź
I. Rozróżnia się substancje kancerogenne i niekancerogenne (toksyczne):
- w przypadku substancji rakotwórczych przyjmuje się, że nie ma bezpiecznego progu narażenia tzn. przy każdym narażeniu zawsze istnieje pewne prawdopodobieństwo wystąpienia nowotworu.
- substancje o działaniu toksycznym posiadają pewien próg stężenia, poniżej którego mechanizmy obronne chronią organizm przed negatywnymi skutkami narażenia. Próg ten ilościowo opisuje tzw. NOAEL - poziom braku obserwowalnych efektów szkodliwych
II. uwzględniając potencjalne błędy wynikające z przeniesienia wniosków wyciąganych z badań na zwierzętach na populacje ludzkie, efekty ekstrapolacji z obszaru wysokich dawek na obszar dawek niskich oraz jakość toksykologicznych baz danych, wprowadza się tzw. współczynniki modyfikujące i współczynnik niepewności, przez które dzieli się NOAEL uzyskując (często o kilka rzędów wielkości niższą) wartość dawki referencyjnej RfD
Współczynnik przeliczający pochłoniętą dawkę substancji kancerogennej na skutek zdrowotny (prawdopodobieństwo wystąpienia nowotworu) nazywa się jednostkowym ryzykiem nowotworowym (UCR). Jest on wyznaczany jako nachylenie krzywej dawka-odpowiedź.
Krzywa zależności dawka-odpowiedź ma, więc charakter krzywej kalibracyjnej pozwalającej przełożyć dawkę na ryzyko nowotworowe.
Ocena potencjalnego ryzyka zdrowotnego narażenia na substancje rakotwórcze:
Ryzyko = Dawka × UCR
- ryzyko indywidualne – ryzyko ponoszone przez typowego przedstawiciela rozważanej populacji
- ryzyko indywidualne może być następnie przeliczane na ryzyko populacyjne, czyli na
oczekiwaną liczbę dodatkowych zachorowań na nowotwory w rozważanej populacji.
Zastosowanie monitoringu biologicznego:
- w ocenie narażenia na szkodliwe substancje na poziomie grupy
- w przyszłości będzie on służył także do oceny narażenia na poziomie osobniczym
- jednak zasadniczym zadaniem monitoringu biologicznego jest jednoznaczne
powiązanie zależności ekspozycja – dawka oraz dawka – skutek zdrowotny
- określenie ilościowych zależności poszczególnych biomarkerów (ekspozycji, skutku czy wrażliwości)z konkretną jednostką chorobową pozwoli na realne szacowania ryzyka nowotworowego związanego z narażeniem na czynniki rakotwórcze
- badania biomonitoringowe będą miały wówczas charakter skriningu, czyli pozwolą na wykrycie zagrożenia rozwojem choroby na etapie umożliwiającym odpowiednie działania zapobiegawcze.