Powiślańska Szkoła Wyższa

ul. 11 Listopada 29, 82-500 Kwidzyn

tel/fax [phone]; tel. [phone]

www.wsz.kwidzyn.edu.pl

[e-mail]

Praca semestralna z przedmiotu:

Biochemia i biofizyka

Pod kierunkiem:

Prof. dr hab. Stefana Angielskiego

Temat pracy:

Biomarkery chorób serca, wątroby i nerek.

Wydział: Nauk o Zdrowiu

Kierunek: Pielęgniarstwo

Specjalność: Pielęgniarstwo Ogólne

Rok akademicki: 2011/2012

Semestr: Zimowy

Rok studiów: I

Tryb: Niestacjonarny

Pracę wykonali:

1. Magdalena Golonka

2. Przemysław Sanecki

Kwidzyn, dn. 18.11.2011r.

SPIS TREŚCI

1. Wstęp, pojęcie biomarkeru oraz podział . . . . . str. 3

2. Biomarkery chorób serca . . . . . str. 5

3. Biomarkery chorób wątroby . . . . . str. 8

4. Biomarkery chorób nerek . . . . . str. 11

5. Aktualne badania naukowe na temat biomarkerów . . . . . str. 12

6. Podsumowanie . . . . . str. 13

7. Piśmiennictwo . . . . . str. 13

Pojęcie biomarker wprowadzono do terminologii medycznej 20 lat temu. W 2001 r. przedstawiono definicję biomarkerów, mówiącą, że jest to cecha, która daje się obiektywnie zmierzyć i może być zastosowana w ocenie procesów fizjologicznych oraz patologicznych lub w odpowiedzi organizmu na działania terapeutyczne. W najszerszym ujęciu biomarkerami są wyniki pomiaru ciśnienia tętniczego krwi, stężenia cholesterolu i glukozy we krwi, ale także badań obrazowych. By zrozumieć całość mojej pracy wytłumaczę pojęcie ksenobiotyk, które może być nie dla wszystkich jasne. Są to substancje chemiczne nie będące naturalnym składnikiem żywego organizmu ani też nie wykorzystane przez organizm do podtrzymywania funkcji życiowych. Substancjami obcymi dla organizmu mogą być niektóre leki, pestycydy, związki rakotwórcze. Biomarkery mogą przyjmować postać antygenów, białek, enzymów lub hormonów. Wzrost stężenia markerów może, lecz nie musi świadczyć o toczącym się procesie nowotworowym.

W zależności od informacji, jakie możemy uzyskać dzięki biomarkerom wyróżnia się:

• Biomarkery ekspozycji (narażenia). Są to wskaźniki wchłoniętej dawki określające ilościowo wchłoniętą substancję toksyczną, jej metabolit lub produkty interakcji z substancjami endogennymi. Szczególnie cenne są biomarkery swoiste dla określonej trucizny i występujące w łatwo dostępnym materiale biologicznym np. mocz, ślina, krew, powietrze wydychane.

• Biomarkery skutków zdrowotnych (efektu) - dostarczają informacji o zmianach w organizmie, które powstały w wyniku ekspozycji na działanie substancji toksycznych.

• Biomarkery wrażliwości - informują o tym, czy w przypadku określonej osoby lub grupy osób po podaniu określonej dawki należy oczekiwać wystąpienia skutków zdrowotnych niższych lub wyższych od oczekiwanych.

Biomarkery można wykorzystać do wyjaśnienia zależności:

• przyczyna skutek

• dawka skutek

w procesie szacowania ryzyka zdrowotnego oraz w diagnostyce klinicznej.

Biomarkery skutków zdrowotnych mogą być użyte do:

• wykrycia zmian przedklinicznych

• oszacowania szkodliwych skutków zdrowotnych wywołanych w następstwie ekspozycji zewnętrznej na substancje chemiczną i jej absorpcję w organizmie.

Do określenia współzależności dawka - odpowiedź przyczyniają się biomarkery ekspozycji i skutków, natomiast biomarkery wrażliwości ułatwiają wyjaśnienie rozmiaru odpowiedzi ustrojowej na ekspozycję.

Biomarkery mogą mieć zastosowanie w diagnostyce klinicznej poprzez:

• potwierdzenie diagnozy zatrucia

• pomoc w ocenie skuteczności postępowania leczniczego oraz w rokowaniu klinicznym.

W trakcie tej pracy ograniczę się do biomarkerów chorób serca, nerek oraz wątroby.

Biomarkery chorób serca

Zmniejszony przepływ krwi do mięśnia sercowego prowadzi do niedokrwienia serca. Przedłużające się niedokrwienie (20-40minut lub dłużej) prowadzi do uszkodzenia. Śmierć uszkodzonych komórek mięśnia sercowego powoduje wydzielanie mikrocząsteczek, które można wykryć w krwioobiegu. Do tych biomarkerów sercowych należą: mioglobina, izoformy CK-MB, CK-MB oraz tropiny sercowe I i T.

Biomarkery sercowe różnią się czułością (prawdopodobieństwem, że ich poziom będzie podwyższony podczas zawału) i swoistością (prawdopodobieństwem, że podwyższony poziom będzie wynikiem uszkodzenia komórek, a nie innych stanów niezwiązanych z sercem takich jak np. uszkodzenie mięśni szkieletowych). Pierwszy wykrywalny marker sercowy, mioglobina, występuje we krwi w mierzalnych ilościach po 1-2 godzinach, ale jest nieswoisty i jego poziom może być podwyższony również wtedy, gdy uszkodzone są komórki nie należące do serca. Izoformy CK-MB oraz tropiny sercowe I i T mają dużą swoistość w odniesieniu do martwicy mięśnia sercowego, nie można ich jednak wykryć przez pierwsze

4-6 godzin po pojawieniu się bólu w klatce piersiowej wywołanego przez zawał serca.

Po jakim czasie można wykryć poszczególne markery surowicowe (w godz.) [Wytyczne ACC/AHA dotyczące postępowania w przypadkach zawału serca z uniesionym odcinkiem ST, aktualizacja 2004r.)

• Mioglobina (1-4h)

• Troponiny sercowe (3-12h)

• CK-MB (3-12h)

• Izoformy CK-MB (2-6h)

Wykrycie markerów sercowych może umożliwić odróżnienie NSTEMI (wystąpił zawał i uwalniane są markery surowicowe) od niestabilnej dusznicy (zawał jeszcze nie wystąpił i żadne markery nie zostały uwolnione). Markery sercowe zapewniają również stratyfikację ryzyka i informacje prognostyczne. Troponina jest biomarkerem preferowanym przy diagnozowaniu zawału serca w przypadku jednoczesnego uszkodzenia mięśni szkieletowych.

1. Troponiny sercowe

• grupa trzech białek regulacyjnych skurcze mięśni poprzecznie prążkowanych i mięśnia sercowego

• Troponina I i Troponina T to charakterystyczne dla serca białka strukturalne, których normalnie nie można wykryć w surowicy. Pacjenci z podwyższonymi poziomami troponiny mają poważniejsze zakrzepy i większą zatorowość mikrokrążenia wieńcowego.

• Preferowany biomarker do diagnozowania zawału serca. Większa czułość w porównaniu do CK-MB. Poziom powyżej 99centyla średniej wartości dla populacji jest diagnostyczny.

• Pozwalają wykryć minimalne uszkodzenia mięśnia sercowego u pacjentów z zawałem bez uniesienia ST (NSTEMI)

- 30% pacjentów bez uniesionego odcinka ST, u których w przeciwnym wypadku rozpoznano by niestabilną dusznicę, ma niewielkie uszkodzenia mięśnia sercowego wykrywane za pomocą testów troponinowych

(np. ujemny wynik CK-MB).

- U pacjentów tych występuje zwiększone ryzyko poważnych sercowych zdarzeń niepożądanych i mogą oni odnieść korzyść z zastosowania nowych terapii takich jak inhibitory GP llb/llla w porównaniu z pacjentami, u których poziom tych swoistych markerów nie jest podwyższony.

- U tej grupy pacjentów występuje również zwiększone ryzyko późniejszego zawału serca i nagłej śmierci sercowej.

• Przydatne do stratyfikacji ryzyka i prognozy: potwierdzają rozpoznanie STEMI; stratyfikują ryzyko w przypadkach niestabilnej dusznicy i NSTEMI

• Dwufazowa kinetyka uwalniania - poziom podwyższony przez kilka dni (zastępują izoenzymy LDH)

2. CK-MB

• Występuje w mięśniach szkieletowych i surowicy, mniej charakterystyczny

od troponiny

• Preferowany biomarker w przypadku dorzutu zawału i nieinwazyjnej

oceny reperfuzji

3. Izoformy CK-MB

• Test ma większą czułość niż CK-MB, jednak nie jest szeroko stosowany. Wczesny biomarker martwicy mięśnia sercowego.

• Istnieje tylko jedna postać w mięśniu sercowym, ale różne izoformy w osoczu.

• Podniesiony poziom izoformy sercowej CK-MB do > 1 U/L lub zwiększony stosunek CK-MB do CK-MB >1,5 cechuje się lepszą czułością i swoistością od konwencjonalnych testów na CK-MB.

Popularnym objawem toksycznym jest nienormalne pogrubienie ścianek tętniczych, czemu towarzyszy utrata ich elastyczności, objaw zwany stwardnieniem tętnic (arteriosklerozą). Rozszerzenie tętnic i naczyń włosowatych jest oznaką ostrego zatrucia arsenem. Innym efektem tego typu jest miażdżyca tętnic, postać arteriosklerozy, gdy wewnętrzna wyściółka ścianek tętnicy zostaje pokryta warstwą utworzoną w wyniku odkładania się substancji tłuszczowych. Substancją związaną z potencjalnym naczyniowym objawem toksycznym jest między innymi dym tytoniowy, który wnosi wkład w zwyrodnienie naczyniowe prowadzące do zawału mięśnia sercowego.

Biomarkery chorób wątroby

Wątroba często jest pierwszym ważnym organem dokonującym metabolizmu, z którym spotyka się wchłonięta substancja toksyczna i który wykazuje bardzo wysoką aktywność metaboliczną. Ważną funkcją wątroby jest metabolizowanie, składowanie i uwalnianie substancji odżywczych, to znaczy utrzymywanie odżywczej homeostazy.

Gdy stężenia odżywczych cząsteczek we krwi są duże, wątroba może przekształcać je w glikogen oraz tłuszcze i składować. Gdy stężenia substancji odżywczych we krwi są małe, wątroba może przekształcić niektóre aminokwasy, pirogronian i mleczan w glukozę, która jest uwalniana do krwi. Wykorzystuje ona aminokwasy do syntezy białek, które są uwalniane do krwi, łącznie z albuminą, czynnikami krzepliwości krwi i białkami transportującymi. Wątroba stanowi główne miejsce metabolizmu tłuszczów i, jeśli trzeba, uwalnia je do krwi. Wytwarza żółć, która tworzy emulsję z tłuszczami w jelicie cienkim.

Substancje wchodzą i opuszczają wątrobę wraz z krwią w tętnicach i żyłach. Substancje odżywcze, leki i przyjęte ksenobiotyki zaabsorbowane w jelicie cienkim przechodzą bezpośrednio do wątroby przez żyłę wrotną. Wątroba dysponuje innym mechanizmem wydzielania w postaci żółci uwalnianej z powrotem do jelit. Uwalniana żółć jest główną drogą eliminacji związków ksenobiotycznych i ich metabolitów. Z punktu widzenia chemii toksykologicznej, główną funkcją wątroby jest metabolizowanie substancji ksenobiotycznych w wyniku reakcji fazy I i fazy II. Ze względu na tę funkcję, wątroba jest decydującym organem w badaniach związanych z chemią toksykologiczną. Ponieważ dotyczy to przetwarzania ksenobiotyków chemicznych, wątroba często jest organem, który ulega niszczeniu przez te substancje i ich metabolity, Wątroba u osób uczulonych genetycznie może ulec uszkodzeniu w wyniku działania terapeutycznych dawek niektórych leków.

Toksyczny wpływ na wątrobę badany jest w ramach hepatotoksyczności (toksyczności w stosunku do wątroby), a substancje, które tę toksyczność wywołują, noszą nazwę substancji hepatotoksycznych. Wiele wiadomo o hepatotoksyczności na podstawie znacznej liczby zatruć wątroby wynikających z przewlekłego alkoholizmu. Uszkodzenie wątroby wynikające z nadmiernego spożywania alkoholu początkowo zmniejsza zdolność organu do usuwania tłuszczów, objawiającą się ich odkładaniem się w wątrobie (stłuszczenie wątroby). Wątroba ostatecznie traci zdolność wykonywania swoich funkcji metabolicznych i gromadzi tkankę bliznową, objaw znany jako marskość wątroby. Niemożność syntezowania czynników powodujących krzepliwość krwi może spowodować śmiertelny krwotok w wątrobie.

Innymi ksenobiotykami wywołującymi zatrucie wątroby są substancje toksyczne znajdujące się w hormonach, herbacie (z mięty) i wodzie pitnej zainfekowanej fotosyntetycznymi cyjanobakteriami Microcystis aeruginosa. Każdego roku giną ludzie, którzy zjedli trujące grzyby; szczególnie dochodzi do tego w przypadku muchomora sromotnikowego. Bardzo dużo informacji o hepatotoksyczności uzyskano, obserwując skutki wywołane przez środki farmaceutyczne, w których wiele wycofano z użytku ze względu na szkodliwy wpływ na wątrobę. Przykładem takiego związku hepatotoksycznego testowanego jako lek jest fialurydyna którą testowano w połowie XX wieku pod kątem leczenia wirusowego przewlekłego zapalenia wątroby typu B. U siedmiu z trzynastu testowanych pacjentów pojawiła się wyniszczająca hepatotoksyczność z ciężką żółtaczką, pociągająca za sobą kwasicę mleczanową, związaną z gromadzeniem się kwasu mlekowego, pośredniego metabolitu. Siedmiu pacjentów poddano transplantacji wątroby, lecz pięciu z nich zmarło.

Stłuszczenie wątroby jest objawem kumulowania się tłuszczów w wątrobie w nadmiarze około 5%. Może ono pojawić się w wyniku działania substancji toksycznych, które powodują wzrost syntezy tłuszczów, zmniejszenie ich metabolizmu lub zmniejszenie wydzielania tłuszczów w postaci lipoprotein.

Dimetyloformamid jest ksenobiotycznym związkiem chemicznym stosowanym w przemyśle, znanym z powodowania obumierania komórek wątroby. Bardziej uporządkowanym typem obumierania komórki jest apoptoza, podczas której komórki stają się otorbione i są systematycznie usuwane z organu. Ta podstawowa funkcja odpowiedzialna

za utrzymanie prawidłowego stanu komórki jest realizowana w komórce dzięki specjalnym komórkom zwanym komórkami Kupffera. Komórki te dokonują fagocytozy, podczas której cząstki stałe, takie jak pozostałości komórkowe lub inna obca materia w wątrobie, ulegają otorbieniu w błonie komórkowej i są wprowadzane do komórek Kupffera, które są następnie wydalane.

Zmniejszone wydzielanie żółci może objawiać się akumulacją bilirubiny, ciemnego pigmentu powstającego w wyniku rozpadu hemu krwi. Gdy produkt ten nie jest uwalniany

w wystarczającej ilości z żółcią, gromadzi się w skórze i oczach, dając charakterystyczne chorobliwe zabarwienie znane jako objaw żółtaczki. Ograniczona produkcja i wydzielanie żółci jest znane jako cholestaza kanalikowa. Może być ona wywołana przez wiele substancji ksenobiotycznych, takich jak chloropromazyna. Zmniejszone wydzielanie żółci może również objawiać się uszkodzeniem przewodów żółciowych (pozawątrobowych). Metylenodianilina wykorzystywana w żywicach epoksydowych znana jest z niszczenia przewodów żółciowych.

Marskość wątroby, często jest śmiertelnym zakończeniem uszkodzenia wątroby. Jest ona wynikiem powtarzającej się ekspozycji na czynniki toksyczne, takie jak występujące w przypadku konsumpcji alkoholu przez nałogowych alkoholików. Marskość wątroby charakteryzuje się odkładaniem i koncentracją włóknistej tkanki kolagenowej, która zastępuje aktywne komórki wątrobowe i w końcu tworzy w wątrobie barierę uniemożliwiającą jej funkcjonowanie.

Rak wątroby jest bezpośrednio związany z ekspozycją na niektóre substancje toksyczne. Androgeny (związane z męskimi hormonami płciowymi), aflatoksyny, arsen oraz ditlenek toru (podawany wielu pacjentom w latach 1920-1950 w postaci zawiesiny jako radioaktywna substancja kontrastowa w celach diagnostycznych) są znane jako powodujące raka wątroby. Zapewne najlepiej udokumentowaną substancją rakotwórczą dla człowieka jest chlorek winylu, który wywołuje typ raka wątroby o nazwie naczyniakomięsak krwionośny, który praktycznie nie jest nigdzie obserwowany z wyjątkiem robotników narażonych na poważną ekspozycję na chlorek winylu. Prawie do 1970 roku robotnicy byli narażeni na ekspozycję na duże stężenia chlorku winylu, aż do kilku części na tysiąc w powietrzu, w zakładzie przemysłowym produkującym poli(chlorek winylu). Zatrucie było tak powszechne, że nawet mówiono o „chorobie chlorko-winylowej", charakteryzującej się uszkodzeniem skóry, kości i wątroby. Uznaje się, że naczyniakomięsak krwionośny powstaje w wyniku działania metabolicznie powstałego reaktywnego epoksydu wytwarzanego w wyniku enzymatycznego utleniania chlorku winylu w wątrobie.

Biomarkery chorób nerek

Nerki i pęcherz odgrywają ważną rolę w toksykologii, ponieważ stanowią główną drogę wydalania hydrofilowych toksycznych metabolitów oraz ze względu na to, że ich uszkodzenie w postaci osłabionych funkcji nerek jest jednym z najważniejszych objawów szkodliwych wywołanych przez substancje toksyczne. Nerki odgrywają ważną rolę w utrzymaniu homeostazy organizmu. Podstawowym elementem nerek, dzięki któremu organ ten realizuje swoje podstawowe zadanie filtrowania krwi, jest nefron. Będąc głównym organem, przez który płyn ustrojowy opuszcza organizm jest zainteresowany utrzymywaniem objętości płynu międzykomórkowego. Działa w celu utrzymania krytycznej równowagi elektrolitowej we krwi. Utrzymuje również równowagę kwasowo - zasadową. W tym znaczeniu jest głównym organem „filtrującym” krew w organizmie. Inną decydującą funkcją nerek jest wytwarzanie aktywnej postaci di hydroksylowej witaminy D, niezwykle istotnej w regulowaniu absorbcji wapnia z jelit i odkładania wapnia w kościach. Nerki wytwarzają podstawowe hormony, takie jak renina i erytropoetyna.

Skutki toksycznego zaatakowania nerek przejawiają się ostrą lub przewlekłą niewydolnością nerek. Znanych jest wiele substancji neurotoksycznych, takich jak np.: środki terapeutyczne. Niektórymi z nich są organiczne związki rtęci podawane jako środki moczopędne w celu zwiększenia wydalania moczu z organizmu, środki przeciwzakaźne (sulfonamidy, mitomycyna C), środki znieczulające (analgetyki) i przeciwzapalny acetaminofen, oraz enfluran i lit stosowane w leczeniu zaburzeń centralnego układu nerwowego.

Do biomarkerów neurotoksyczności (uszkodzenia funkcji nerek) zalicza się kreatyninę surowiczą i β-2-mikroglobulinę, nisko- lub wysokocząsteczkowe białka moczu (albuminy, transferyna, globulina wiążąca retinol, immunoglobina G), markery cytotoksyczności (antygeny kanalikowe, np.: BB50, BBA i HF5), enzymy w moczu

(np. N-acetyloglukozoamidaza, β-galaktozydaza) oraz markery biochemiczne (aktywność kalikreiny, kwas sialowy i glikozaminoglikainy w moczu oraz ujemny ładunek krwinek czerwonych).

Aktualne badania naukowe na temat biomarkerów.

7. Program Ramowy Komisji Europejskiej, Priorytet: Zdrowie
Akronim projektu: BIOCLAIMS
Tytuł projektu:
„Biomarkery stałości równowagi metabolicznej regulowane dietą"
Kierownik projektu:
Prof. dr hab. Aldona Dembińska - Kieć, Kierownik Katedry Biochemii Klinicznej
Opis projektu:
W projekcie uczestniczy 11 doświadczonych zespołów badawczych z całej Europy prowadzących badania z zakresu nowych markerów procesów chorobowych. Badania prowadzone są w celu wypracowania nowych wczesnych markerów chorób, które zostaną przyszłości wykorzystane w medycynie prewencyjnej do oceny zarówno prawidłowości procesów metabolicznych jak i wykrycia wczesnych markerów tzw. chorób społecznych. Sprawdzona zostanie ich zmienność w zależności od składników diety ( oddziaływanie środowisko- gen- zmienność fenotypu), a zwłaszcza zmienność nowego parametru - markera biochemicznego od np. zawartości i składu kwasów tłuszczowych (zawartość wielonienasyconych kwasów n-3).

Celem badań prowadzonych w  Katedrze Biochemii Klinicznej oraz Katedrze i Klinice Chorób Metabolicznych UJ CM w ścisłej współpracy z Uniwersytetem w Warwick, UK i Uniwersytetem w Southampton, UK jest:

1. Wykrycie i  ocena wczesnych biomarkerów krwi i moczu (metabolomika) występowania powikłań metabolicznych u pacjentów z otyłością oraz biomarkerów opisujących zdrowy metabolicznie fenotyp.

2. Charakterystyka odpowiedzi wykrytych biomarkerów na zróżnicowane warunki metaboliczne występujące w codziennym życiu.

3. Zmiany w stężeniu wykrytych biomarkerów pod wpływem modyfikacji diety (dieta redukcyjna) i stosowania aktywnych suplementów dietetycznych (kwasy tłuszczowe n-3 PUFA : DHA/EPA w nowym stosunku 5:1, nie używanym do tej pory w interwencji dietetycznej w badaniach klinicznych).

Okres realizacji:
marzec 2010 roku - luty 2013 roku

Podsumowanie

Naszym zdaniem biomarkery i ich zastosowanie są na etapie rozwojowym, o czym mówią licznie prowadzone współcześnie badania. Mamy wielką nadzieję, że przyczyni się to do lepszego poznania tych toksyn jak i zapobiegania bądź wykrywania we wczesnym stadium chorób, które można wyleczyć, bądź zwolnić ich rozwój. Ze względu na to, że jeden rodzaj nowotworu może produkować markery charakterystyczne dla innych nowotworów, wykrycie określonego nowotworu jest utrudnione. Są jednak niezbite dowody na to, że niektóre z markerów niemal w 100 proc. wskazują na określony nowotwór, np.: AFP jest charakterystyczny dla pierwotnego raka wątroby i pozwala go rozpoznać bez cienia wątpliwości. Wierzymy, iż zostaną wykryte takie markery, które będą w 100% określały każdy rodzaj nowotworu, co jest ważne dla profilaktyki chorób opisanych w tej pracy.

Piśmiennictwo

Dembińska-Kieć A., Naskalski J.W., Diagnostyka laboratoryjna z elementami biochemii klinicznej, Urban & Partner, Wrocław 2009

Lutz W., Indulski J.A. Biomarkery i ocena ryzyka. Pojęcia i zasady. Kryteria zdrowotne środowiska. Tom 155, Inst. Med. Pracy, Łódź 1995, 5-67

Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W. Biochemia Harpera. Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, 1995

Seńczuk W. (red.), Toksykologia. Podręcznik dla studentów, lekarzy i farmaceutów Wydanie IV, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2002

12 | Strona

---