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:

1. wchłaniania

2. dystrybucji

3. biotransformacji

4. wydalania

5. 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

1. Wchłanianie (dotyczy toksyczności ostrej)

- DDT - lepsze wchłanianie przez chitynową kutikulę ↑ toksyczność dla owadów

- Fenylobutazon - u świnki morskiej wchłanianie 3x ↓ niż u szczura

2. Dystrybucja

- wiązanie z białkiem (toksyczny jest tylko związek wolny!)

Człowiek 93%

Koń 30% kloksacyklina

Królik 22%

Człowiek 84% sulfafurazol

Mysz 30%

- czas półtrwania [T_1/2 w min]

Mysz 19 (↓ toksyczność)

Królik 60

Szczur 120 Heksobarbital

Pies 260

Człowiek 360 (↑ toksyczność)

3. Wydalanie

Barbital

Szczur 95% w ciągu 72h

Kura 33% w ciągu 7 dni

4. 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:

1. Mała kwasowość żołądka sprzyja zasiedleniu przez mikroorganizmy

NO₃^- NO₂ - utlenianie Fe w Hb

2. Hb płodowa bardzo podatna na wszystkie czynniki utleniające metHb

3. Układ reduktazy metHb - niska aktywność u noworodka

4. 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

1. Temperatura

2. Ciśnienie atmosferyczne Fizyczne

3. 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.

1. Wchłanianie

2. Dystrybucja

3. Biotransformacja

4. Wydalanie

Wchłanianie

Większość związków toksycznych wchłania się na drodze dyfuzji.

Transport poprzez błony:

1. Bierny - 90% wchłaniania

1. Dyfuzja

1. prosta - związki rozpuszczalne w tłuszczach (generalnie)

2. ułatwiona

3. transport par jonów

2. 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.

1. przez błony - m. cz. 200

2. filtracja - m. cz. 70000

2. Aktywny - określone związki endogenne

Droga wchłaniania:

1. Przez skórę

2. Z układu oddechowego

3. Z przewodu pokarmowego

4. 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)

1. Transport transepidermalny - przez naskórek

Głównie związki silnie lipofilne (zanieczyszczenia środowiska)

• chlorowcowane węglowodory

• insektycydy P-organiczne

• benzen

• chlorowodór, cyjanowodór, fenole

2. 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 T_1/2 - 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

1. 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

2. Krew/mózg

3. 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 -