TOKSYKOLOGIA.docx

TOKSYKOLOGIA.

Toksyny – wykłady.

Toksykologia – nauka o truciznach i ich wpływie na organizm, jej zadaniem jest współdziałanie z innymi naukami w celu ustalania optymalnych warunków dla życia ludzi i zwierząt. Jest dyscypliną zajmującą się oceną ryzyka zagrożenia zdrowia ludzi i zwierząt podczas ich kontaktów z różnymi substancjami. Bada związki chemiczne i ich szkodliwy wpływ na organizm w celu oceny stopnia niebezpieczeństwa dla zdrowia ludzi i zwierząt oraz zajmuje się opracowywaniem metod leczenia, zapobieganie i rozpoznawania zatruć.

Podział na trzy podstawowe działy:

Toksykologia kliniczna: zatrucia ostre i chroniczne; ostre nie nastręczają kłopotów – niezbyt częste występowanie i łatwe diagnozowanie, chroniczne – objawy narastają powoli i są mało charakterystyczne, w rozpoznaniu często trzeba stosować skomplikowane analizy chemiczne.

Toksykologia środowiskowa: zajmuje się czynnikami szkodliwymi, które działają ze środowiska na zwierzęta. Czynniki te mogą się znajdować w powietrzu, glebie, wodzie lub paszy.

Toksykologia doświadczalna: zajmuje się właściwościami trucizn i ich działaniem w konkretnych warunkach eksperymentu.

Podział toksykologii:

Teoretyczna:

Ogólna: definiowanie pojęć, terminów, toksokinetyka, toksodynamika.

Szczegółowa: toskykologia leków, metali, związków

Doświadczalna: badanie wpływu związku toksycznego na organizmy żywe, opracowywanie modeli doświadczalnych.

Praktyczna:

Sądowo-lekarska

Kliniczna

Doświadczalna

Analityka toksykologiczna

Humanotoksykologia

Zootoksykologia

Fitotoksykologia

Subdyscypliny specjalistyczne: toksykologia przemysłowa, żywności, środowiska.

Trucizna: wg Philipusa Teofrastusa Bombastusa Aureusa von Hohenheima zwanego Paracelsusem, z 1525 roku: „wszystko jest trucizną  i nic nie jest trucizną, tylko dawka decyduje, że jakaś substancja nie jest trucizną”.

Trucizna to substancja, która wprowadzona w małych ilościach do organizmu może wywołać zaburzenia w czynnościach organizmu. Jednak o tym, czy substancja wywoła zatrucie decyduje przede wszystkim jej dawka  - truciznami mogą okazać się zarówno substancje niezbędne jak i nieniezbędne. W przypadku substancji niezbędnych do zaburzeń dochodzi zarówno przy nadmiarze jak i przy niedoborze tych substancji.

Podział trucizn:

W zależności od pochodzenia:

Naturalne: bakteryjne, grzybicze, roślinne, zwierzęce, mineralne.

Nienaturalne (syntetyczne): antropogenne (ksenobiotyki) – produkowane przez ludzi – stanowią główny problem toksykologiczny.

Wewnętrzne i zewnętrzne.

Budowa: organiczne i nieorganiczne

Działanie: miejscowe i ogólne (po wchłonięciu – tlenek węgla)

Efekty po wchłonięciu: trucizny krwi, tkanki nerwowej, narządów miąższowych, trucizny mitozy

Trucizny wewnętrzne i zewnętrzne

Działanie w organizmie:

Trucizny żrące: działanie żrące lub drażniące w miejscu wtargnięcia lub w narządach wydalniczych: gazy drażniące, żrące zasady i kwasy, sole niektórych metali ciężkich.

Trucizny powodujące śmierć na skutek anoksji: substancje wiążące się z hemoglobiną i powodujące utratę jej zdolności wiązania z tlenem: tlenek węgla i azotyny, oraz substancje inaktywujące enzymy oddechowe: cyjanki, lub niszczące narządy krwiotwórcze: pierwiastki promieniotwórcze.

Trucizny uszkadzające narządy miąższowe (trucizny parenchymalne): powodują uszkodzenia komórek i naczyń w narządach wewnętrznych, wywierają lokalne działanie drażniące – ogólnym następstwem ich działania jest zwyrodnienie wielu narządów i skłonności do krwawień.

Trucizny działające wybiórczo na ośrodkowy układ nerwowy: narkotyki, alkaloidy, niektóre glikozydy, alkohole. Przeważnie powodują także uszkodzenie narządów miąższowych.

Na podstawie analizy chemicznej:

Lotne w fazie wodnej – dające się destylować z parą wodną:

Rozpuszczalne w wodzie – wytrząsane z wodą lub przez dializę

Rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych:

Ekstrahujące się z eterem ze środowiska kwaśnego

Ekstrahujące się eterem ze środowiska zasadowego (prawie wszystkie alkaloidy)

Metale

Zatrucie – zaburzenie homeostazy wywołane kontaktem z trucizną w dawce odpowiednio dużej. W celu odwrócenia kontaktu z trucizną stosuje się małe dawki przywracające homeostazę – leki.

O tym, czy określona substancja spowoduje zmianę funkcji lub struktury decyduje jej stężenie w miejscu działania, czas kontaktu z tkanką – wpływ czynnika toksycznego jest funkcją jego stężenia i czasu. Wszystkie trucizny w odpowiednio małych dawkach są nieaktywne, tj. nie wywołują zmian klinicznych. W organizmie jednak zachodzą zmiany, które organizm jest jeszcze w stanie kompensować. Dla powstania zatrucia duże znaczenie ma to, czy dawka była wprowadzona jednorazowo czy tez wielokrotnie i w jakich odstępach czasu. Substancje niezbędne dla organizmu: przy zbyt małej koncentracji – objawy patologiczne – choroby z niedoboru, przy zbyt wysokiej koncentracji – zatrucie: miedź: choroba niedoborowa: anemia, przy nadmiarze: choroba Wilsona, żelazo: anemia – hemochromatoza. Przy ksenobiotykach brak jest chorób z niedoboru.

Biorąc pod uwagę zachowanie się trucizn w organizmie i mechanizm ich działania wyróżnia się:

Trucizny kumulujące się: gdy procesy eliminacji trucizny przebiegają wolniej niż wchłanianie – prowadzi to do jej gromadzenia się w organizmie – przy dalszym wnikaniu trucizny po pewnym czasie pojawia się jej koncentracja konieczna do wywołania zatrucia. Należą tu: ołów, kadm, chlorowane węglowodory. Stopień kumulacji zależy od szybkości biotransformacji i wydalania – nie obserwuje się kumulacji fenolu, który jest poddawany tylko jednej reakcji sprzęgania, przy czym produkty jego przemiany są dobrze rozpuszczalne w wodzie i nie są resorbowane zwrotnie w nerkach. Nitrobenzen natomiast jest dobrze rozpuszczalny w tłuszczach, wolno ulega przemianie i ulega wchłanianiu zwrotnemu w kanalikach. Odkładanie trucizn zależy też od ich powinowactwa do określonych struktur organizmu: kadm kumuluje się w nerkach na skutek powinowactwa do metalotioneiny, ołów jest odkładany w kościach, chlorowane węglowodory kumulują się w tkance tłuszczowej w związku z ich dobrą rozpuszczalnością w tłuszczach.

Trucizny wykazujące kumulację działania: krótkotrwała obecność trucizny podanej w małej dawce powoduje zmiany nieodwracalne, które po kolejnym wniknięciu trucizny nasilają się i może dojść do wystąpienia objawów zatrucia: rodentycydy antykoagulacyjne – bardziej toksyczne przy wielokrotnym przyjmowaniu małych dawek niż przy jednokrotnym przyjęciu dużej dawki. Też kumulacja działania karcynogenów. Tzw. „hit and run” – szybki metabolizm – koncentracja = 0 ale efekt pozostaje.

Trucizny nie wykazujące kumulacji działania: małe ilości mogą być wprowadzone do organizmu bez szkody, a do zatrucia dojdzie przy jednorazowym wprowadzeniu wysokich dawek – kwas pruski. Działanie takich trucizn zależy od ich stężenia w organizmie.

Zależnie od wywołanych efektów wyróżnia się dawki trucizn:

Dawka graniczna lub progowa (dosis minima): ilość substancji, która wywołuje pierwsze spostrzegalne reakcje biologiczne tkanek.

Dawka lecznicza (dosis therapeutica seu curativa): dawka, która wykazuje działanie farmakodynamiczne nie wywołując zakłóceń procesów fizjologicznych – odnosi się to do leków i substancji niezbędnych dla organizmu.

Dawka toksyczna lub trująca (dosis toxica): ilość substancji, która wywołuje odwracalne zaburzenia patofizjologiczne oraz dające się stwierdzić objawy zatrucia.

Dawka śmiertelna (dosis letalis): ilość substancji, która powoduje nieodwracalne uszkodzenie lub porażenie ośrodków ważnych dla życia i związaną z tym śmierć organizmu.

W celu porównania toksyczności ostrej wykorzystuje się dawkę toksyczną DL50. Jest to wartość, która wskazuje po jakiej dawce (z prawdopodobieństwem 95%) pada 50% otrzymujących ją zwierząt.

Obliczanie DL: DL50 = DM – suma [z x d] / n, gdzie DM – dosis maximalis, z- ˝ reagujących zwierząt z 2 sąsiadujących grup, d – różnica stosowanej dawki z dwóch sąsiadujących grup; n – liczba zwierząt. 

Na podstawie DL50 dzieli się trucizny na klasy. Oznakowanie: klasa 1: czarna trupia czaszka ze skrzyżowanymi piszczelami; klasa 2: trucizna na czarnym tle; klasa 3: środek szkodliwy.

Klasy toksyczności według Hodge’a i Sternera.

Do porównywania niektórych trucizn służy ocena zmian wskaźników biochemicznych – np. zmiana aktywności acetylocholinoesterazy w krwinkach jest miernikiem wpływu insektycydów fosforoorganicznych, a aktywność enzymów narządów miąższowych w osoczu (enzymów wskaźnikowych) jest miernikiem działania trucizn doprowadzających do uszkodzenia komórek – zmiany te mogą się ujawnić w warunkach, kiedy nie obserwuje się jeszcze żadnych zmian w zachowaniu zwierząt (objawów klinicznych).

Bezpieczeństwo stosowania leków:

indeks terapeutyczny (IT): średnia dawka toksyczna (DL50) / średnia dawka lecznicza (DC50).

Jako dobry też współczynnik niezawodnego bezpieczeństwa (CSF): jest to stosunek dawki śmiertelnej dla 1% populacji do dawki efektywnej dla 99%:  LD1 / DC99 . w przypadku ludzi dawkę śmiertelną zastępuje się dawką toksyczną.

Zatrucia: spowodowane działaniem czynników naturalnych lub ksenobiotycznych. Czynniki naturalne: związki mineralne, związki toksyczne roślinne i trucizny zwierzęce: zagrożenia mają najczęściej charakter lokalny, zależny od warunków geochemicznych: fluor obecny w z skałach i wodzie, pierwiastki obecne w glebie i kumulowane przez rośliny (miedź, molibden, selen), rośliny toksyczne (normalnie niechętnie zjadane), mikotoksyny.

Czynniki związane a obecnością człowieka: zanieczyszczenia przemysłowe, pestycydy, środki stosowane w gospodarstwie domowym i rolnym, zanieczyszczona i nieodpowiednia pasza, leki użyte nieodpowiednio lub użyte w przypadku idiosynkrazji. Zanieczyszczenia przemysłowe: emitowane ciągle (próby ograniczenia emisji) i emisje przypadkowe (podczas awarii). Odpady z gazowni: fenol i pokrewne, z garbarni: chrom, z gorzelni: alkohole, z galwanizerni: cyjanki, chrom i inne metale ciężkie. Zatrucia pestycydami. W gospodarstwie domowym: ołów w farbach i kitach, olej pędne i smary, płyny do chłodnic. Leki: boroglukonian wapnia podany w dawce terapeutycznej ale zbyt szybko powoduje śmierć. Idiosynkrazja. Zbyt duże ilości paszy; pasze niebezpieczne: zboża, koniczyna, buraki – nadmierna zawartość podstawowych składników odżywczych zboża i buraki – węglowodany), zawartość składników dodatkowych wprowadzonych jako nawozy(azotany w burakach), powstających podczas przygotowywania i przechowywania paszy (azotany i azotyny w burakach, solanina w ziemniakach, dikumarol w gnijącej koniczynie). Związki toksyczne przenikające do pasz – środki do impregnacji drewna, dezynfekcji, benzopireny. Zawartość substancji toksycznych w wodzie: przedostają się do niej ze ściekami i z wodą napływającą z pól (też odchody zwierzęce). W atmosferze: prawie wyłącznie wynika z działalności człowieka: dymy i pyły z zakładów przemysłowych i palenisk domowych, spaliny środków transportu.

Większość zatruć u zwierząt wynika z zaniedbań ludzi.

Czynniki warunkujące powstawanie zatruć: efekt toksyczny może wystąpić, jeśli czynnik toksyczny lub metabolit jego przemian osiągnie w organizmie odpowiednie miejsce receptorowe i zadziała na nie w odpowiednim stężeniu i przez odpowiednio długi czas. O możliwości wystąpienia zatrucia decyduje przede wszystkim dawka trucizny, lecz działanie toksyczne substancji na żywy ustrój jest wynikiem właściwości trucizny i oddziaływania organizmu i obywa się w konkretnych warunkach środowiskowych.

Czynniki warunkujące powstanie zatrucia dzielimy na:

Zależne od trucizny:

Związane z narażeniem na zatrucie (sposobem wniknięcia czy wprowadzenia trucizny):

Zależne od organizmu:

Zależne od otaczającego środowiska:

Czynniki zależne od trucizny: rozpuszczalność i stopień dysocjacji, cechy organoleptyczne, stan rozdrobnienia, temperatura wrzenia i parowania, budowa chemiczna (obecność określonych rodników).

Rozpuszczalność w wodzie lub tłuszczach decyduje o szybkości wchłaniania. Substancje nierozpuszczalne w wodzie lub tłuszczach nie mogą ulec wchłonięciu i wywołać reakcji, mogą działać tylko fizycznie, nawet po wprowadzeniu do krwiobiegu nie przenikają przez barierę błony komórkowej. Sole barowe  łatwo rozpuszczalne (chlorek, węglan) w wodzie są silnymi truciznami, siarczan baru nierozpuszczalny w wodzie jest bezpieczny. Trudno rozpuszczalny kalomel jest mniej trujący od łatwo rozpuszczalnego sublimatu.

Miernikiem rozpuszczalności substancji w tłuszczu jest wartość współczynnika rozdziału olej/woda, czyli iloraz stężeń badanego związku w dwu nie mieszających się fazach: R=Col/Cw, dla etanolu wynosi on 0,03, dla ksylenu – 6 000. Jego wartość pozwala na wstępną charakterystykę toksykologiczną danej substancji – można przewidzieć drogę narażenia i stopień ryzyka zagrożenia, szybkość wchłaniania, dystrybucję i postępowanie terapeutyczne. Trucizny dobrze wchłaniające się i łatwo przenikające przez błony w organizmie odznaczają się wysoką wartością tego współczynnika, dotyczy to też wchłaniania przez skórę i przenikania do tkanki tłuszczowej. W przypadku niektórych trucizn siła działania jest zależna głównie od ich rozpuszczalności w tłuszczach (etery, uretan, barbiturany). Znajomość współczynnika daje możliwość przewidywania rozmieszczenia danej substancji w organizmie. Efekty toksyczne będą zależały od użytego rozpuszczalnika – ważne przy ocenie toksyczności form użytkowych trucizn, zwłaszcza pestycydów. DDT podany w roztworze wodnym jest 5 x mniej toksyczny niż w roztworze olejowym.

Cechy organoleptyczne mają znaczenie przy zatruciach rozmyślnych i przypadkowych: arszenik jest bez smaku i zapachu, sublimat ma posmak metaliczny, drażniąca woń niektórych gazów (siarkowodór, fosgen, chlor) jest ostrzegawcza.

Stan rozdrobnienia: wpływ na wchłanianie: wchłanianie jest szybsze przy większej pulweryzacji, zwłaszcza przy truciznach trudno rozpuszczalnych; jest szczególnie ważny dla wchłaniania z dróg oddechowych – np. gorączka odlewnicza – tlenek cynku o dużym rozdrobnieniu – średnica 0,1-0,3 mm – ostre objawy ze strony układu oddechowego.

Temperatura wrzenia i parowania: niższa temperatura wrzenia i parowania sprzyja wchłanianiu: DL50 benzenu, toluenu i ksylenu jest taka sama, ale stopień narażenia na benzen jest wyższy, bo ma niższą temperaturę parowania.

Budowa chemiczna: obecność określonych grup doprowadza do zwiększenia lub osłabienia toksycznego działania. Grupy te mogą bezpośrednio oddziaływać na organizm lub zmieniać właściwości związku (rozpuszczalność, napięcie powierzchniowe, dyfuzja przez błony, powinowactwo do tkanek). Obecność grup czasem umożliwia przewidywanie działania związku:

Grupa nitrowa (C-NO2) i nitrozowa (C-O-NO): zwiększa toksyczność nadając działanie utleniające – silne działanie methemoglobinotwórcze i naczyniorozszerzające. Ponadto związki nitrozowe tworzą nitrozoaminy wykazujące silne działanie rakotwórcze.

Grupa aminowa (NH2): zawiera ją wiele związków, wiele z nich działa methemoglobinotwórczo; znane jest silne działanie amin, z których diaminy (putrescyna, kadaweryna) zwane jadami trupimi mają silne działanie toksyczne. Zwiększa też hydrofilność substancji.

Grupa cyjanowa (-CN): zwiększa wybitnie toksyczność związku, łączy się ona z grupami sulfhydrylowymi i doprowadza do inhibicji enzymów. Toksyczność związków zawierających grupę cyjanową zależy od łatwości jej odłączenia – nieorganiczne związki z grupą cyjanową są bardzo toksyczne ze względu na wysoki stopień dysocjacji.

Grupa azowa (-N=H-): zwiększa toksyczność, wiele związków wykazuje działanie rakotwórcze.

Grupa metylowa (-CH3): może powodować zmniejszenie toksyczności (kofeina-metylokofeina), zwiększenie (dezorcyna-dwumetylorezorcyna) lub nie powodować jej zmian (mocznik-metylomocznik). Wprowadzenie grupy metylowej do związku aromatycznego zwiększa jego toksyczność (benzen-toluen-ksylen; fenol-krezol-ksylenol), podobnie przy metylowaniu grup aminowych (kwas p-amino-benzoesowy-kwas metyloaminobezoesowy). Zwiększa lipofilność substancji.

Grupa wodorotlenowa (-OH): ma różny wpływ: wprowadzona do związków alifatycznych przeważnie zmniejsza, a czasami nawet prowadzi do zniesienia ich toksyczności (etan-etanol, propanol-glicerol), natomiast wprowadzona do pierścienia zwiększa toksyczność (benzen-fenol, fenol-hydrochinon, kwas benzoesowy-kwas salicylowy). Niebezpieczne są hydroksylaminy powstające z pierwszo- i drugorzędowych amin aromatycznych – są bardziej toksyczne od wyjściowych amin, wykazują działanie methemoglobinotwórcze i rakotwórcze.

Grupa karboksylowa (-COO-): wpływa głównie na właściwości fizyczno-chemiczne związku: zwiększa rozpuszczalność w wodzie przez co ułatwia wydalanie przez nerki.

Grupa sulfonowa (SO3H) nie ma swoistego działania biologicznego, wpływa na rozpuszczalność związku i jego wydalanie, przyczynia się do osłabienia toksyczności (fenol-kwas fenylosiarkowy).

Grupa tiolowa (sulfhydrylowa, -SH-): bardzo aktywna biologicznie, jej obecność zwiększa możliwość utleniania do związków sulfonowych o małej toksyczności i możliwość sprzęgania, więc zmniejsza toksyczność związku.

Grupa diazowa: -N=N- toksyczność ostra takich związków jest niska, ale wykazują one działanie kancerogenne, co przy narażeniu chronicznym może powodować poważne konsekwencje.

Podstawniki wodoru: F, Cl – zwiększa toksyczność, podobnie Br, J różnie

Rodniki hydrofilne: karboksylowy, hydroksylowy, aldehydowy, ketonowy, aminowy, iminiowy, amidowy, alkiloamidowy, sulfonamidowy.

Rodniki lipofilne: metylowy, metylenowy, etylowy, etylenowy, etylynowy, alkilowy, cykloheksylowy, fenylowy, naftylowy.

Ogólnie: związki o dużej aktywności chemicznej, jak kwasy, zasady, aldehydy mają silne działanie niszczące na tkanki. Związki organiczne: toksyczność węglowodorów alifatycznych zwiększa się ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu i wzrostem stopnia jego rozgałęzienia, co związane jest z większą rozpuszczalnością; węglowodory nienasycone są bardziej toksyczne niż nasycone (benzen-cykloheksan) – obecność wiązań nienasyconych zwiększa reaktywność.

Toksyczność substancji może się zmieniać w zależności od izomerii i układu przestrzennego – izomeria strukturalna: najbardziej toksyczne są para-, mniej toksyczne meta-, najmniej orto-; para- mają niższą temperaturę wrzenia i parowania. Izomeria optyczna: dla ssaków najbardziej toksyczne są izomery lewoskrętne (L-adrenalina jest 15 x silniejsza niż D, L-nikotyna 40 x silniejsza niż D).

Toksyczność może się zmieniać w zależności od składu (jednorodności) próbki. Zanieczyszczenia czy domieszki mogą oddziaływać równie intensywnie lub intensywniej niż sama trucizna – głównie dotyczy to pestycydów, których toksyczność form użytkowych zmienia się w zależności od obecności adiuwantów.

Czynniki zależne od narażenia na truciznę: 

Dawka, koncentracja trucizny

Droga i szybkość wprowadzenia

Czas trwania i częstotliwość narażenia

Czas wprowadzenia (pora dnia, roku) czyli czynniki chronotoksykologiczne.

Podstawowe znaczenie ma dawka trucizny, pozostałe mogą jedynie modyfikować jej wpływ. W badaniach dąży się do tego, żeby porównywane dawki trucizny wprowadzane były w jednakowej objętości i aby ta ilość była możliwie mała – tak, by masa wprowadzonego roztworu nie przekraczała 2-3% masy ciała zwierzęcia. Nie zawsze jest to możliwe, zwłaszcza przy substancjach o małej rozpuszczalności – wtedy zwiększa się objętość roztworu – przy podaniu p.o. toksyczność substancji wprowadzonej w większej ilości roztworu jest wyższa.

Trzeba też brać pod uwagę toksyczność samego nośnika: DL50 wody destylowanej dla myszy wynosi 44 ml a roztworu fizjologicznego 68 ml/kg. przy parenteralnym wprowadzeniu toksyczność roztworu może się zmieniać w zależności od miejsca podania: toksyczność chlorku amonowego jest mniejsza przy podskórnym podaniu w miejscu wentralnym niż dorsalnym. Są również różnice w działaniu po wprowadzeniu doi różnych żył.

Zmiany wrażliwości organizmu na trucizny mogą występować też zależnie od pory dnia: wiele wahań można wiązać ze spożyciem pokarmu: toksyczność kofeiny jest większa u zwierząt głodnych.

...