Wpływ czynników zależnych od środowiska
Gatunek cechy genetyczne, dziedziczą się, dotyczą wszystkich osobników
Względna wrażliwość na truciznę
Człowiek 1
Koń, świnia 0,5
Krowa, owca, koza 0,3
Pies, kot 0,2
Szczur 0,1
Np.: fenol - toksyczność 1000x ↑ dla kota, ryb niż dla człowieka
Ma to znaczenie przy testowaniu trucizn (ksenobiotyków) na zwierzętach w stosunku do człowieka
Stopień rozwoju filogenetycznego:
im wyższy stopień filogenetyczny, tym osobnik bardziej wrażliwy na ksenobiotyk
np. wrażliwość CUN człowieka na morfinę duża w porównaniu z drobiem
różnice międzygatunkowe w procesach:
wchłaniania
dystrybucji
biotransformacji
wydalania
wrażliwości receptorów
Nie są to różnice w mechanizmie ani w efekcie działania, są one uwarunkowane biotransformacją i kinetyką związku
im dany narząd jest bardziej rozwinięty filogenetycznie, tym toksyczność związków będzie większa, ale nie jest to zawsze regułą, np.: amfetamina bardzo silnie działa u człowieka, bardzo słabo generalnie u ssaków, najsłabiej u ptaków
Wchłanianie (dotyczy toksyczności ostrej)
- DDT - lepsze wchłanianie przez chitynową kutikulę ↑ toksyczność dla owadów
- Fenylobutazon - u świnki morskiej wchłanianie 3x ↓ niż u szczura
Dystrybucja
- wiązanie z białkiem (toksyczny jest tylko związek wolny!)
Człowiek 93%
Koń 30% kloksacyklina
Królik 22%
Człowiek 84% sulfafurazol
Mysz 30%
- czas półtrwania [T1/2 w min]
Mysz 19 (↓ toksyczność)
Królik 60
Szczur 120 Heksobarbital
Pies 260
Człowiek 360 (↑ toksyczność)
Wydalanie
Barbital
Szczur 95% w ciągu 72h
Kura 33% w ciągu 7 dni
Biotransformacja
Różnice gatunkowe związane z różną aktywnością enzymów (uwarunkowane genetycznie i charakterystyczne dla danego gatunku).
- Sukcynylocholina <-> cholinoesteraza
Bardzo silne działanie u psów i bydła, bo niska aktywność cholinoesterazy
Słabe działanie u koni i świń, bo wysoka aktywność enzymu
- Fenole (faza sprzęgania) <-> glukuronozylotransferaza - sprzęganie z UDPGA
Koty bardzo słaba aktywność, ryby brak aktywności
U tych gatunków toksyczność więc bardzo wysoka
(UDPGA aktywny kwas glukuronowy, z nim dzięki glukuronozylotransferazie są sprzęgane substancje
5. Czułość na strofantynę
- Świnka morska, królik 500-1000x ↓ niż np. pies czy kot
Efekt inotropowy dodatni strofantyny (dawka wymagana)
Pies, kot 10-7 mol/l
Świnka morska 10-6 mol/l
Szczur 10-5 mol/l
Kret 10-3 mol/l
- Owce - Cu (!) 6-10 ppm to dawka dająca ostre objawy zatrucia u owiec
- Przeżuwacze
Bardzo wrażliwe na metale ciężkie, są one organizmami wskaźnikowymi do oceny zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi
Trujące rośliny - odporne na tiaminazę z paproci
Azotany - bardzo toksyczne dla przeżuwaczy, w żwaczu następuje redukcja NO3- NO2↑
Glikozydy cyjanotwórcze - bardzo toksyczne dla przeżuwaczy
Niektóre cechy fizjologiczne:
Zdolność wymiotowania konie, przeżuwacze, szczury - nie mają zdolności wymiotowania. Trutki na szczury zawierają substancje indukujące odruch wymiotny, aby zabezpieczyć inne zwierzęta przed zatruciem.
Obecność przedżołądków
Wiek
Przyczyny ↑ wrażliwości noworodków na ksenobiotyki:
Brak adaptacji (mechanizmów adaptacyjnych) np.:
Zdolność do termoregulacji;
U organizmów starych zanik procesów adaptacyjnych;
Aktywacja enzymów odpowiedzialnych za mechanizmy adaptacyjne stymulowana jest przez hormony;
Enzymy mikrosomalne zależne od androgenów (P-450, reduktaza P-450 zależna od NADPH2)
Bariera śluzówkowa wykształcona dość późno (kilka godzin - kilka dni); u noworodków bardzo delikatna śluzówka, może łatwo dochodzić do uszkodzeń
Zawartość wody u dorosłych ok. 60%, u noworodków ok. 90% (duża przestrzeń wodna, ↑ możliwość dystrybucji + słabe mechanizmy wydalnicze + brak mechanizmów aktywnego wydzielania do światła kanalików)
Łamliwość (oporność) krwinek czerwonych słaba błona, bardzo wrażliwa na hemolizę
Chwiejność układu regulacyjnego regulacja wydzielania hormonów niesprawna
Zdolność białek do wiązania (ksenobiotyków)
różny czas wykształcenia
duża część ksenobiotyków w stanie wolnym
szybkie wypieranie przez ksenobiotyki związków endogennych z połączeń z białkami np.: sulfonamidy wypierają Bb z białek - działa ona toksycznie na OUN
bariera krew / mózg
łatwe i duże przechodzenie Bb do OUN
Ołów w związkach nieorganicznych u osobników dorosłych nie przechodzi do OUN, u noworodków ze względu na słabe lub brak wykształcenia bariery bardzo szybko przechodzi do OUN encefalopatia ołowiowa.
Przy narażeniach organizmu na związki organiczne ołowiu także pojawia się problem zatrucia OUN, ale pojawia się on również u osobników dorosłych ze względu na łatwą przenikalność tych związków przez barierę krew/mózg
biotransformacja „niedojrzałość enzymów mikrosomalnych” - biorą one udział w I fazie biotransformacji
Reakcje utleniania
cytochrom P-450, reduktaza P-450 NADPH2
Szczur - 56 dzień (pełna aktywność)
monooksygenazy
Szczur - po 30 dniach (pełna aktywność)
Reakcje sprzęgania
glukuronozylotransferaza
transferaza glutationowa
Szczur - 35 dzień
sprzęganie z glicyną
Szczur - 8 dzień
Człowiek - 8 tydzień
Przykłady:
Azotany (ogólnie toksyczność ↓ u monogastrycznych)
U noworodka:
Mała kwasowość żołądka sprzyja zasiedleniu przez mikroorganizmy
NO3- NO2 - utlenianie Fe w Hb
Hb płodowa bardzo podatna na wszystkie czynniki utleniające metHb
Układ reduktazy metHb - niska aktywność u noworodka
Pobieranie płynów duża objętość dystrybucji i duża ilość pokarmu płynnego
Dużo azotanów w soku z marchwi; w szpinaku też dużo azotanów; azotany i azotyny znajdują się także w wodzie
Wpływ wieku na toksyczność ostrą
Pestycyd Wiek DL50 mg/kg
Noworodek 134 brak wykształconych mechanizmów biotransformacji:
Malation Osesek 925 metabolizowany do ↓ toksycznego malaoksonu
Dorosłe 3700
Noworodek 4000 Związek działający stymulująco na OUN,
DDT Osesek 440 ↓ toksyczność dla noworodka - wszystkie
Dorosłe 195 środki pobudzające OUN będą działać podobnie
Noworodek 167 metabolit ↑ toksyczny
Dieldryna Osesek 37
Dorosłe 25
Po jej przekształceniach powstanie metabolit o bardzo ↑ toksyczność, ponieważ noworodek nie ma rozwiniętych mechanizmów biotransformacji nie będą u niego powstawały toksyczne metabolity.
Płeć (powiązane zawsze z gatunkiem)
Wyższa toksyczność u samic:
barbiturany enzymy je metabolizujące są indukowane przez androgeny
insektycydy P-org (paration) szybszy metabolizm u samic do paraoksonu o ↑ toksyczności
Kot ♀ - dwunitrofenol
Królik ♀ - benzen
Szczur ♀ - strychnina
Wyższa toksyczność u samców:
chloroform wykazuje bardzo silne działanie nefrotoksyczne; kastracja znosi różnicę płci, podawanie estrogenów także obniża jego toksyczność
nikotyna (psy ♂)
alkohol etylowy (↑ aktywność dehydrogenazy alkoholowej)
ołów, aldryna (↑ metabolizowana do bardzo toksycznego związku)
Aktualny stan zwierzęcia
otłuszczenie - dla związków rozpuszczalnych w tłuszczach ↓ toksyczność (bo magazynowanie ksenobiotyku w tkance tłuszczowej), reakcja stresowa (lipoliza) uwalnia te związki z tłuszczu doprowadzając do ostrego działania toksycznego
niedożywienie
perystaltyka przewodu pokarmowego - im szybsza tym wchłanianie słabsze
sekrecja hormonów - glikokortykosteroidy, estrogeny…
choroby
Uprzednio stosowane leki / trucizny
induktory enzymatyczne zaangażowane w biotransformację trucizn
chlorowcowane węglowodory
policykliczne węglowodory stymulacja P-450 c NADPH2
luminal
inhibitory enzymów
związki P-organiczne
Hormony
gestagenne: progesteron, hormony łożyska wyraźnie hamują aktywność enzymów II fazy biotransformacji. Hamują sprzęganie hamują rzeczywistą możliwość wydalenia związku
Aktywność ciałka żółtego podwyższa toksyczność związków
Dawka pokarmowa
interakcja z czynnikami pokarmowymi
chelatowanie (↓ toksyczności - terapia zatruć)
hydroliza
stan wypełnienia przewodu pokarmowego - w pustym przewodzie pokarmowym wchłanianie ↑, ale nie zawsze, patrz przykład z ZnP
dieta niskokaloryczna
wysokowęglowodanowa (P-450, reduktaza P-450)
niskobiałkowa (CCl4 ↓)
wysokobiałkowa (tioacetamid ↑)
niedobory witamin
A,C wpływ na enzymy mikrosomalne, monooksydazy
Czynniki środowiska zewnętrznego
Temperatura
Ciśnienie atmosferyczne Fizyczne
Światło
Temperatura ↓
Aktywność enzymów ↓ Naczynia skurcz Podwzgórze
tylny płat przysadki
Metabolit Metabolit Naczynia Naczynia
o ↑ tok. o ↓ tok. przew. pok. obwodowe Wazopresyna (brak wydzielania)
Wchłanianie ↓ Niedotlenienie Wydalanie moczu ↑
Et ↓ Et ↑ tkanek
Et ↓
Aktywność enzymów ↓ Diureza Et ↓
(dalej tak jak obok)
Toksykokinetyka
Mówi o tym, co się dzieje ze związkiem toksycznym w organizmie.
Wchłanianie
Dystrybucja
Biotransformacja
Wydalanie
Wchłanianie
Większość związków toksycznych wchłania się na drodze dyfuzji.
Transport poprzez błony:
Bierny - 90% wchłaniania
Dyfuzja
prosta - związki rozpuszczalne w tłuszczach (generalnie)
ułatwiona
transport par jonów
Absorpcja konwekcyjna (transport przez pory ∅ 0,7-1 μm)
związki hydrofilne, transport ten zależny jest od masy cząsteczkowej
Musi być albo gradient osmotyczny albo gradient hydrostatyczny albo gradient potencjałów elektrycznych.
przez błony - m. cz. 200
filtracja - m. cz. 70000
Aktywny - określone związki endogenne
Droga wchłaniania:
Przez skórę
Z układu oddechowego
Z przewodu pokarmowego
Inne
Wchłanianie przez skórę:
Niewielka możliwość zatrucia u zwierząt tą drogą w porównaniu do drogi pokarmowej. Chodzi tu głównie o insektycydy P-organiczne (większa T przy narażeniu dermalnym niż p.o)
Transport transepidermalny - przez naskórek
Głównie związki silnie lipofilne (zanieczyszczenia środowiska)
chlorowcowane węglowodory
insektycydy P-organiczne
benzen
chlorowodór, cyjanowodór, fenole
Transport transfolikularny - przez gruczoły
Wszystkie związki nawet hydrofilne i zjonizowane, ale niewielka możliwość wchłonięcia (bo % powierzchni skóry zajętej przez gruczoły jest niewielki 0,1 - 1%)
Czynniki wpływające na wchłanianie przez skórę
uszkodzenie naskórka (wszystkie)
zmiana przepuszczalności naskórka
detergenty (rozluźnienie komórek, ↑ możliwości wchłonięcia)
substancje keratolityczne (kwas salicylowy, siarka, boraks, kwas borowy) usunięcie lub uszkodzenie odpornej w-wy keratyny
nawodnienie - długotrwałe działanie pary wodnej ↑ wchłanianie
usunięcie wydzieliny gruczołów łojowych - pH skóry to 4,2 - 5,5 punkt izoelektryczny keratyny. Przy pH >5,6 dochodzi do zmiany konfiguracji keratyny powstaje hydrofilny żel o dużej wchłanialności (wszystkiego)
usuwanie frakcji lipidowej
rozszerzenie naczyń skórnych przy wysokiej temperaturze
Wchłanianie z przewodu pokarmowego:
Jama ustna - nikotyna, cyjanki, alkohole
Żołądek - słabe kwasy
Jelita - słabe zasady
Większość ksenobiotyków wchłania się w sposób bierny, ale zachodzi też
Transport przenośnikowy - ksenobiotyki konkurują lub wykorzystują przenośniki substancji potrzebnych organizmowi
Np.:
- Żelazo <-> tal, mangan, kobalt podobne drogi wchłaniania. Przy narażeniu na te substancje możemy mieć do czynienia z objawami niedoboru żelaza konkurencja o nośnik
Wapń, magnez <-> ołów, kadm, stront wykorzystują mechanizmy transportu dla wapnia i magnezu, przy twardej wodzie (dużo Ca i Mg) narażenie na te metale będzie mniejsze.
Induktory metalotioneiny
Cu, Zn, kadm, rtęć, ołów, kobalt, złoto bardzo silne induktory
Indukcja metalotionein umożliwia wchłanianie w/w związków, ich transport w organizmie i ich magazynowanie w połączeniu z m-t.
Np.: kadm magazynuje się w nerkach w połączeniu z m-t. W pewnym momencie może dochodzić do nagłego uwolnienia Cd z jego połączeń z m-t zatrucie
Wchłanianie aktywne
Pirymidyny <-> 5-fluorouracyl
Uracyl, tymina <-> 5-bromouracyl
Związki rozpuszczalne w tłuszczach - wchłonięcie głównie do limfy z pominięciem wątroby
Czynniki fizykochemiczne:
interakcje
Kadm Zn, Cu
Fluor Ca, Mg, Al powstają nierozpuszczalne fluorki, przez co spada możliwość wchłaniania i spada toksyczność
Wapń Pb, Cd, Sr
Enzymy trawienne, enzymy mikroorganizmów, pH
Zmiana toksyczności
Fosforek cynku fosfowodór
Azotany
Jad węży
Wchłanianie z układu oddechowego:
Ma duże znaczenie w zatruciach środowiskowych
Zależy od stanu skupienia związków
Wchłanianie gazów i par (10-4 - 10-2 μm)
Proces ten w dużej mierze zależy od współczynnika rozdziału woda/powietrze
Anilina 1000000 90% (↑ wchłanianie)
Aceton 1000 80%
Nitrobenzen 100 ~60%
CS2 1 40% (↓ wchłanianie)
Przy ocenie toksyczności par czy gazów należy brać pod uwagę różne stany fizjologiczne organizmu oraz intensywność wentylacji.
↑ wentylacji ↑ wchłaniania aniliny (bo duża rozpuszczalność)
ale
↑ wentylacji ↓ wchłaniania CS2 (bo ↓ rozpuszczalność w wodzie) aby podwyższyć wchłanianie tego związku należałoby przyspieszyć przepływ krwi.
Wchłanianie aerozoli (10-2 - 102 μm)
- ∅ 10 μm znaczna część związków o takiej średnicy osadza się w górnych drogach oddechowych; będą one bardzo szybko usuwane przez nabłonek migawkowy (u człowieka generalnie)
- ∅ 1-5 μm docierają do oskrzeli i oskrzelików
- ∅ < 1 μm 90% tych związków znajdzie się w pęcherzykach płucnych skąd będą usuwane bardzo powoli i z wielkim trudem. Np.: dym papierosowy, który jest bardzo dobrze wchłaniany będzie usuwany kilkaset lub kilka tysięcy dni
Podobnie dobrze wchłaniane są dymy tlenków cynku i magnezu. Natomiast bardzo słabe wchłanianie wykazuje pył węglowy.
Ciekawostka: azbest sam w sobie nie jest rakotwórczy, proces nowotworzenia wynika z tego, że do płuc dostają się drobiny azbestu podobnie jak i innych cząstek włóknistych, powodując zapoczątkowanie procesu nowotworzenia.
Dystrybucja
I Faza (kilka minut) zależy od:
pojemności minutowej serca
przepływu przez poszczególne narządy
płuca: 1000 ml/min/100 g tkanki
nerki: 450 ml/min/100 g tkanki
wątrobę
OUN
II Faza - przenikanie do tkanek
szybkość przepływu krwi
szybkość dyfuzji
Kompartment centralny
Krew to nie tylko droga transportu, ale także miejsce działania ksenobiotyków.
Wiązanie ksenobiotyków przez krwinki:
Powinowactwo do Hb
- Co (do części białkowej); CO2; NO2-
Powinowactwo do błon krwinek
Ołów
Współczynnik rozdziału krwinki / osocze
Cr+3 1
Sb+3 25-300
Pb nieorg. ~20
Hb org. ~10
Hb nieorg. ~1
Fenol 0
Kiedy współczynnik rozdziału krwinki / osocze jest duży - mniejsza dostępność, ale hemoliza
Np.: Ołów - działa na syntezę hemu ale też powoduje masową hemolizę
Wiązanie przez białka osocza
Odwracalne wiązania jonowe, wodorowe, hydrofobowe {większość}
Nieodwracalne wiązania kowalencyjne (np.: insektycydy P-organiczne)
Stopień wiązania z białkiem
Wiązanie z albuminami (bardzo uniwersalne)
błękit Ewansa kilka miesięcy
teridaks T1/2 - okres półtrwania 2,5 roku
fenazon ~0%
fenylobutazon 98%
Wiązanie z globulinami
β2-globulina <-> Cu
α1-transferyna <-> Fe
Wiązanie z lipoproteinami α i β
substancje lipofilne (insektycydy P-organiczne, węglowodory halogenowe i inne)
Konsekwencje wiązania się z białkiem
Wzrost T1/2 (dłuższy okres przebywania)
Opóźnienie biotransfromacji i wydalania
Lokalizacja tkankowa i narządowa
Wiązanie z białkami
Cytozol np.: w wątrobie ligandyna wiąże kwasy organiczne; w wątrobie i nerkach metalotioneina wiąże kadm, rtęć, bizmut, ołów, miedź i magnez;
Jądro: białka chromatyny - ołów, rtęć i bizmut
Rozpuszczanie w tłuszczach
Kumulacja w kościach
Wymiana Ca na ołów i stront
Wymiana -OH (z hydroksyapatytów) na fluor
Bariera
Łożyskowa dla ksenobiotyków i toksyn niewielkie znaczenie, gdyż nikły stopień zatrzymywania. 99% substancji przechodzi przez łożysko bardzo łatwo, dużo ksenobiotyków (arsen) kumuluje się w łożysku
Krew/mózg
Redystrybucja:
- alkaloidy pirydynowe
- ołów
Dystrybucja Redystrybucja
Pb
Erytrocyty Wątroba, Kości
nerki
Po 20 min od
momentu wchłonięcia 90%
Po 2 godzinach od momentu wchłonięcia 50%
Po 1 miesiącu od momentu wchłonięcia 90%
(podobnie redystrybucji ulegają alkaloidy pirolizydynowe z wątroby do płuc)
Wydalanie
Mocz, żółć, kał, powietrze oddechowe, ślina, pot, mleko, jaja!
Wydalanie z powietrzem
Procesowi temu ulegają substancje lotne, o współczynniku rozdziału powietrze/woda powyżej 10-3, takie jak:
Związki dostające się do płuc z powietrzem
Metabolity związków nielotnych
np.: ditiokarbaminiany (herbicydy) CS2 ↑
Wydalanie z żółcią
PBC, PCIC, PCB duża lipofilność
Sprzężone z: UDPGA, PAPS, GSH
Mn, Org. Hg, Cu, Cr, Pb, As - specjalny transport aktywny również w sposób czynny:
Mechanizmy transportu aktywnego:
Dla anionów (połączenia z kwasem glukuronowym, aktywnym kwasem siarkowym)
np.: BSP bromosulfoftaleina
Dla kationów
np.: PAEB (tubokuraryna)
Dla związków obojętnych (digitoksyna, oubaina)
Dla metali ciężkich (ołów)
Różnice gatunkowe:
- BSP - szczur, królik, pies 5x wolniej
- PAEB - pies prawie wcale
- Oubaina - szczur 50% w ciągu 24h; królik, pies 3% w ciągu 24h
- Noworodki - słabo wykształcony mechanizm transportu aktywnego oubaina 40x bardziej toksyczna
Tox 3 pop
- 11 -