Vliv xenobiotik na lidský organismus

1.Úvod

Xenobiotika jsou jakékoli látky tělu cizí (př. ledy, léčiva….). Jejich osudem v organismu se zabývá xenobiochemie a toxikologie .
Obecná toxikologie pojednává o vztazích mezi chemickou látkou a jejím toxickým účinkem na živý organismus. Má tedy mnoho společného s obecnou farmakologií, protože rozdíl mezi toxickým a farmakologickým účinkem je v mnoha případech jen kvantitativní, tzn. že mechanismus toxického účinku chemické látky je totožný s jejím mechanismem farmakologickým. Jed a lék od sebe odlišuje pouze dávka.

2.Vztahy mezi chemickou strukturou látky a toxickým účinkem

Struktura chemické látky je určujícím faktorem jejího toxického (farmakologického biologického) účinku. V mnoha případech lze proto na základě chemické struktury předpovědět, jaký biologický účinek bude látka vykazovat. Určitá uskupení atomů v molekule (např. funkční skupiny) již předem napovídají, jaké biologické účinky můžeme u takové látky očekávat. Postup, při němž z chemické struktury usuzujeme na biologické účinky látky, říkáme predikce. Tuto činnost lze svěřit počítači a pro tyto účely jsou vyvíjeny expertní systémy, které mohou řešit takový úkol velmi rychle a často i spolehlivě. Navíc se mohou samy učit a tedy neustále zdokonalovat. Predikční metody hrají významnou úlohu v toxikologii i jiných biologických vědách a mohou v některých případech nahradit i experimenty na laboratorních zvířatech.
Vlastní toxický projev chemické látky a jeho intenzita je ovšem ovlivněna celou řadou faktorů. Především dávkou. Dávka je chápána jako množství chemické látky (xenobiotika) které pronikne do organismu. Dávka toxické látky, která ještě nevyvolá pozorovatelnou změnu, je dávka podprahová. Nejmenší dávka, která již vyvolá hodnotitelnou reakci je dávka prahová, každá dávka vyšší než prahová je dávka nadprahová. Obecně platí mezi dávkou chemické látky a jejím toxickým účinkem vztah přímé úměrnosti, tzn. že čím vyšší dávka, tím vyšší toxický efekt. Matematický vztah mezi dávkou a toxickým účinkem však nikdy není prostá aritmetická úměra, protože vztah mezi dávkou a efektem je logaritmický.1) Z grafického vyjádření tohoto vztahu (křivka ve tvaru sigmoidy) lze odvodit některé toxicitní parametry, např. hodnotu střední smrtné dávky (LD50) a prahovou dávku.
LD50 (dosis letalis media) je taková koncentrace podávané látky při jejímž podání uhynulo 50% testovaných organismů za 24 hodin.
Střední smrtná dávka (dosis letalis media, LD50) nemusí být dostatečným parametrem, který charakterizuje toxicitu chemické látky. Důležitá je také jak rychle se zvyšuje toxicita s rostoucí dávkou . U některých látek vede již nepatrné zvýšení dávky k rychlému vzestupu toxicity, zatímco u jiných látek není závislost toxicity na dávce tak výrazná .
Pro sledování účinků toxické látky v čase se používá také parametr střední účinná doba (tempus effectivum medium, ET50), který označuje časový úsek mezi podáním léčiva a nástupem účinku u 50 % pokusných objektů a střední smrtná doba (tempus letale medium, LT50), udávající časový interval mezi podáním látky a smrtí 50 % pokusných objektů.
Toxicitní parametry jsou statistické veličiny, které charakterizují toxické vlastnosti chemické látky ve vztahu k biologickému objektu, na nějž působí. Z těch nejznámějších jsou to např. parametry LD50, LC50, LT50 apod., kde číselná hodnota u jednotlivých parametrů udává procento pokusných objektů které vykazují žádaný toxický efekt.
Většinou je udáván parametr pro 50 % pokusných objektů. Toxicitní parametry se získávají v experimentu na živém biologickém objektu.

3.Faktory ovlivňující toxický účinek chemické látky
Mimo velikosti dávky je toxicita chemické látky ovlivněna ještě řadou dalších faktorů: Z nich je možno jmenovat např. místo expozice, tj. místo kudy pronikne chemická látka do organismu. K intoxikaci organismu chemickou látkou může dojít teprve tehdy, až látka překoná vnější bariéru organismu a pronikne do něj. Tomuto procesu říkáme expozice. Pokud k expozici nedojde, nemůže látka svůj toxický účinek uplatnit. Místem expozice bývá nejčastěji:
gastrointestinální trakt (GIT) (perorální intoxikace, p.o)
dýchací cesty (inhalační intoxikace)
sliznice
neporušená kůže
otevřenou ranou (tzv. chemické mixty)
pomocí injekčního vpichu do různých částí organismu. (při práci s laboratorními zvířaty)
1. do svalu (intramuskulárně, i.m.)
2. do žíly (intravenózně, i.v.)
3. pod kůži (subkutánně, s.c.)
4. do mozku (intracerebrálně)
Toxický účinek chemické látky je místem expozice ovlivněn ve smyslu rychlosti nástupu toxického účinku a velikosti LD50. Významným faktorem ovlivňujícím toxický účinek látky je také trvání expozice. Rozeznáváme:
akutní jednorázovou expozici, kdy látka pronikne do organismu pouze jednou např. při injekci nebo je inhalována maximálně po dobu 4 hodin nebo je s ní organismus v jiném kontaktu (např. přes kůži) maximálně pod dobu 24 hodin.
Opakovaná expozice je opakované působení chemické látky
1. subakutní toxicita po dobu 4 týdnů
2. subchronická toxicita po dobu 1 až tří měsíců
3. chronická toxicita nebo déle než 3 měsíce
Při opakované expozici je také důležitá frekvence expozice, tedy v jakých časových intervalech expozice probíhá a jaká je délka jednotlivých intervalů - délky působení chemické látky a délky přestávek. Frekvence expozice ovlivňuje toxicitu látky v závislosti na jejím osudu v organismu. Při dostatečně dlouhých intervalech může díky rozložení látky na netoxické produkty nebo díky vylučování látky (exkreci) dojít k tomu, že každá další expozice probíhá pod obrazem akutní jednorázové expozice. Podobně je tomu tak i v případech, kdy dochází k obnovení (reparaci) narušených biochemických pochodů, biologických struktur a tkání. Naopak při krátkých intervalech může absorpce látky být vyšší než rychlost její biotransformace a exkrece a docházet tak k hromadění (kumulaci) látky v organismu. Kumulace vede k postupnému zvyšování koncentrace chemické látky v některých orgánech, což může vést k jejich nevratnému (ireversibilnímu) poškození.

4.Selektivní a orgánová toxicita
Některé látky jsou schopny působit toxicky pouze na některé biologické druhy, zatímco pro jiné druhy jsou v přibližně stejných dávkách nebo koncentracích neškodné. Takové vlastnosti chemických látek říkáme selektivní toxicita. Tato vlastnost je projevem rozdílné citlivosti různých biologických druhů k chemické látce a lze ji využít v případech, že potřebujeme cíleně zasáhnout pouze proti určitému biologickému druhu, např. plevelům, aniž bychom ohrozili jiné druhy žijící v jejich blízkosti, tj. kulturní rostliny. Jiným příkladem mohou být insekticidní organofosfáty, které vykazují vysokou toxicitu pro hmyz, ale jen nízkou toxicitu pro teplokrevné živočichy včetně člověka, což znamená, že práce s nimi představuje pro člověka jen malé zdravotní riziko. Selektivní toxicita by mohla vést k chybným závěrům o toxicitě chemické látky, pokud by byla testována jen na jednom biologickém druhu. Proto platí zásada, že testování je nutno vždy provádět na více biologických druzích. V případě testování toxicity látek, u nichž se předpokládá aplikace člověku, např. léčiva, je nutno volit nejméně dva druhy laboratorních zvířat, z nichž jedno nesmí být hlodavec. Selektivní toxicita mezi vzdálenými biologickými druhy je podmíněna rozdílnou stavbou buněk a jejich rozdílným biochemickými pochody (např. rozdíly mezi rostlinami a živočichy), u biologicky blízkých druhů je selektivní toxicita většinou podmíněna rozdíly v odbourávání určité chemické látky u různých biologických druhů.
Pokud chemická látka působí na některé orgány více toxicky než na jiné, mluvíme o orgánové toxicitě. Takovými citlivými orgány mohou být např. játra (hepatotoxicita), ledviny (nefrotoxicita), kardiovaskulární systém (kardiotoxicita), nervový systém (neurotoxicita) apod. V některých případech nemusí být selektivita toxického účinku omezena na jediný orgán, ale může se projevit na dvou i více orgánech, které jsou někdy označovány jako tzv. cílové orgány. Jen zcela výjimečně mohou být poškozeny víceméně všechny orgány a pak mluvíme o tzv. systémové toxicitě. Často je však za systémovou toxicitu považovány případy, kdy cílovým orgánem je centrální nervový systém (CNS). Pokud se projevují toxické příznaky pouze v místě prvního kontaktu toxické látky s biologickým objektem, mluvíme o lokální toxicitě. Původně lokální toxicita se však může v průběhu trvání intoxikace změnit na toxicitu orgánovou či systémovou. Tak je tomu např. u zpuchýřujících látek jako jsou yperity, kdy lokální toxické změny na kůži (nejprve zarudnutí, pak puchýře) se postupně mění až na systémové příznaky intoxikace.
Zvláštní odpovědí organismu na působení chemické látky je tzv. chemická alergie. Jejím fyziologickým podkladem je imunologicky zprostředkovaná tvorba protilátek po předchozím kontaktu organismu s chemickou látkou. Alergická reakce se rozvine po opětovném kontaktu organismu s touže látkou a to i ve velmi malých dávkách, protože interakce antigen - protilátka je neobyčejně citlivá. Chemická alergie se může projevit změnami na kůži (kopřivka, vyrážka), očích (zánět spojivek), vnitřních orgánech a může končit tzv. anafylaktickým šokem.
U většiny chemických látek se jejich toxický účinek na biologický objekt projeví již v krátké době expozici nebo po krátké době latence. Existují však výjimky, kdy mezi expozicí a objevením se prvých příznaků intoxikace je doba latence relativně dlouhá nebo je k vyvolání toxického účinku potřebné aby došlo k opakované expozici. Takový druh toxické reakce označujeme jako opožděnou toxicitu. Takový druh toxicity vykazují např. některé karcinogenní látky, u nich může být doba latence až několik desítek let.

5. Toxikinetika a biotransformace toxických látek

Toxikinetika (někdy též toxikokinetika) se zabývá osudem toxické látky v organismu od jejího průniku do organismu (absorpce), přes její rozdělení do jednotlivých tkání a buněk (distribuce), až po její vyloučení (exkrece). Chemická látka často podléhá v organismu řadě biochemických reakcí, při nichž se mění (transformuje) na látky jiného chemického složení (biotransformace). Toxikinetika nesleduje, jaké toxické účinky chemická látka v organismu vyvolává.
Tím se zabývá toxikodynamika. Sleduje mechanismy a projevy působení škodlivin na organismus interakce na molekulární úrovni, účinky látek na buňky, tkáně, orgány a celý organismus.2)

5.1 Absorpce

Absorpce je způsob, jakým chemická látka překonává bariéru mezi biologickým objektem a vnějším prostředím a proniká do organismu. Mezi nejčastější způsoby absorpce toxických látek u člověka patří:

Absorpce plícemi, která se uplatňuje při vdechování plynů, par a aerosolů toxických látek. Tento způsob absorpce je častý při otravách toxickými plyny jako je chlor, kyanovodík (HCN), oxid uhelnatý (CO), oxid uhličitý (CO2), oxidy dusíku, sirovodík (H2S) apod., při otravách parami lehce prchavých kapalin jako je sirouhlík (CS2), ether, benzen, chlorované uhlovodíky, tetraethylolovo, atd. a při otravách pevnými či tekutými aerosoly s různou velikostí částic. Absorpce plícemi (jako hlavní branou vstupu toxické látky do organismu) se uplatňuje i u mnoha bojových chemických látek jako je např. fosgen, difosgen, chlorpikrin, sarin, soman, tabun apod. Absorpce plynů a par plícemi (vdechování, inhalace) je velmi rychlá, protože tento orgán je svou stavbou uzpůsoben k efektivní výměně plynů (O2 a CO2) mezi vdechovaným vzduchem a krví. Tomu odpovídá jak neobyčejně velká efektivní plocha, na které k výměně dochází (kolem 2000 m2), tak stavba membrány plicních buněk (pneumocytů), která je velmi tenká, takže látky překonávající tuto vzdálenost pomocí difuze se dostávají z jedné strany membrány (alveoly) na druhou stranu membrány (krevní kapiláry) velmi rychle. Tato membrána je ovšem pro plyny a páry propustná v obou směrech, takže mezi plynnými molekulami chemické látky v plicích a rozpuštěnou látkou v krvi se ustaví rovnovážný stav, při němž je rychlost difuze v obou směrech je stejná. Obecně lze říci, že čím vyšší bude koncentrace látky v inhalovaném vzduchu, tím vyšší bude i její koncentrace v krvi. Beze zbytku to však platí pouze pro látky s vysokou rozpustností v kapalinách (krvi) jako je např. chloroform (CHCl3). U látek s omezenou rozpustností v kapalinách, jako je tomu v případě uhlovodíků (methan, ethan, ethylen, benzen, toluen, apod.), je rychlost absorpce nižší, protože dojde k rychlému nasycení krve absorbovaným plynem nebo parami těkavé látky.1)
Plicní absorpce tekutých a pevných aerosolů je ovlivněna rovněž velikostí částic. Čím menší jsou částice aerosolu, tím hlouběji pronikají do plicní architektury a jsou odolnější k fyziologickým mechanismům, kterými jsou vdechnuté částice odstraňovány z dýchacích cest (kýchání, vykašlávání, retrográdní pohyb řasinkového epitelu respiračního traktu). Nejmenší částice o velikosti 1 mm a menší pronikají až do alveolárních váčků a odtud jsou do krve a lymfatických cest přenášeny po pohlcení alveolárními makrofágy fagocytózou.2)
Samotná krev je místem toxického účinku jen pro velmi omezené množství chemických látek (např. CO a částečně HCN). Pro většinu z nich je nutné, aby pronikly z krve do tkání a jednotlivých orgánů. K tomu dochází tak, že látky rozpuštěné v krvi difundují do tkání tak dlouho, až dojde ke vzniku rovnovážného vztahu mezi tkání a krví, kdy koncentrace látky v tkáni a krvi se již nemění.

Absorpce gastrointestinálním traktem (GIT) přichází v úvahu při perorálním podání toxické látky (ingesce). GIT je častou branou vstupu toxické látky do organismu (např. alimentární otravy, předávkování léku). K absorpci chemické látky v GIT může dojít na několika místech:
sliznicemi v dutině ústní (např. nitroglycerin)
v žaludku (např. ethanol)
v tenkém a tlustém střevě (většina léčiv)
v konečníku (některé léky v podobě čípků)
Většina látek se vstřebává prostou difúzí, jen málo rozpustné látky se mohou do epiteliálních buněk GIT přemístit pomocí pinocytózy. Absorpce chemické látky trávícím traktem je však ovlivněna řadou faktorů. V prvé řadě jsou to samotné fyzikálně chemické vlastnosti látky jako je její:
rozpustnost ve vodě a lipofilních rozpouštědlech a tomu odpovídající rozdělovací koeficient
stabilita při různých pH (prostředí žaludku je např. velmi kyselé, kolem pH 2,0)
u nerozpustných látek také velikost částic
a potom zda a jakým způsobem je látka v zažívacím traktu metabolizována.
O rychlosti a velikosti absorpce dále rozhoduje funkční stav GIT, zejména motilita střev a rychlost vyprazdňování žaludku, což jsou veličiny,které mohou být výrazným způsobem pozměněny u nemoci a také modifikovány věkem.

Absorpce kůží je poměrně častý způsob proniknutí chemické látky typu organických rozpouštědel, chlorovaných uhlovodíků (tetrachlormethan, perchlorethylen), insekticidů, nervově paralytických organofosfátů apod. do lidského organismu, přestože pro většinu látek představuje neporušená kůže neproniknutelnou bariéru. Kůže je složena z několika vrstev epiteliálních buněk tvořících samostatné bariéry, ale pro absorpci chemické látky je rozhodující průnik přes nejvrchnější vrstvu zrohovatělých buněk zvanou stratum corneum. Projde-li látka touto vrstvou, je již další její průnik kůží prostou difúzí poměrně rychlý a jakmile je dosaženo dolních vrstev kůže, protkaných hustou sítí krevních a lymfatických kapilár, proniká látka rychle do krve. Je-li stratum corneum porušeno nebo odstraněno, průnik chemické látky přes kůži se velmi urychlí, je-li naopak tato vrstva pokryta filmem některých polymerů (tzv. biologické rukavice), může být dosaženo podstatného zpomalení kožní absorpce. Některé lipofilní látky mohou pronikat přes kůži v místech mazových a potních žláz. Absorpce kůží může být využita jako aplikační cesta pro některá léčiva (např. substituční hormonální léčba) a její rychlost lze zvýšit přídavkem některých látek, které penetraci před kůži urychlují.

5.2 Distribuce

Distribucí rozumíme dynamické rozdělení chemické látky nebo jejich metabolitů do buněk, tkání a orgánů organismu. Distribuce závisí na rychlosti přestupu látky z kapilárního řečiště do tkáňových tekutin a na rychlosti přestupu z tkáňových tekutin do buněk tkání. Distribuci chemické látky můžeme sledovat klasickými analytickými metodami nebo po jejím označení vhodným markerem (radioaktivní isotop, fluorescenční sonda apod.) lze využít moderních zobrazovacích metod, z nichž některé umožňují sledovat i dynamiku tohoto procesu (např. SPECT).
Distribuce chemické látky v organismu je časově závislým a velmi komplexním jevem, který je možno popsat kinetickými rovnicemi a charakterizovat některými kinetickými konstantami. Distribuce není nikdy rovnoměrná, v některých orgánech je vždy koncentrace látky vyšší než v jiných, což je závislé na fyzikálně chemických vlastnostech látky, na tom zda látka pronikla do organismu jednorázově či opakovaně, zda se váže na nějaký vysokomolekulární nosič a na celé řadě dalších faktorů. Je nutno si uvědomit, že distribuce chemické látky v organismu je v každém časovém okamžiku výsledkem její absorpce a exkrece a že neexistuje univerzální kinetický model distribuce, aplikovatelný na všechny látky.

Distribuce je ovlivněna zejména velikostí rozdělovacího koeficientu, který udává v jakém poměru se látka dělí mezi vodní a organickou fázi. Tato fyzikální veličina je jedním z faktorů, který rozhoduje o tom, v kterých tkáních či orgánech se látka hromadí (kumuluje). Místo kumulace chemické látky (tuková tkáň, mozek, játra, ledviny apod.) může být místem jejího toxického účinku, ale nemusí tomu tak být ve všech případech. Často slouží některé tkáně jako specifická depa pro ukládání toxických látek (např. tuková tkáň pro lipofilní látky typu DDT, HCH, polychlorovaných bifenylů apod.). Ukládání látek v depech může významným způsobem nejen ovlivnit jejich distribuci, ale může také významně snížit jejích toxicitu, ale z těchto míst se mohou látky uvolňovat ještě dlouho poté, co již není organismus chemickou látkou exponován a působit na něj toxicky. Většina chemických látek je schopna reversibilní vazby na některé biomakromolekuly, zejména na plazmatické a tkáňové bílkoviny, které pak mohou sloužit jako depa nebo specifické transportéry. Takovými proteiny jsou např. plazmatické proteiny albumin, gama-globulin, transferin. Tyto bílkoviny plní v organismu významné fyziologické funkce, ale tím, že jsou schopny reverzibilně vázat mnohá xenobiotika, zasahují významným způsobem do jejich distribuce. Neméně významným faktorem pro distribuci látek je existence různých biologických bariér, protože některé látky mohou přes bariéry snadno přecházet, zatímco pro jiné jsou nepřekonatelnou překážkou. Z nejznámějších bariér jsou to zejména hematoencefalická bariéra (mezí krví a mozkem) a placentární bariéra, oddělující krevní oběh matky od krevního oběhu embrya.

5.3 Biotransformace

Biotransformací chemické látky rozumíme její chemickou přeměnu v organismu na jinou chemickou sloučeninu. K biotransformaci dochází v řadě orgánů, z nichž nejdůležitější jsou játra, dále ledviny, plíce a další orgány. Játra jsou nejvýznamnějším biotransformačním orgánem, v němž dochází k přeměně většiny chemických látek, vstupujících do organismu. V játrech je biotransformační proces vázán na všechny jaterní buňky (hepatocyty), zatímco v ostatních orgánech má tuto schopnost jen omezené množství specializovaných buněk.
Biotransformace může probíhat ve dvou fázích, ale existují i látky, které biotransformaci nepodléhají. Takové se vylučují ve formě, v jaké do organismu pronikly. Většina xenobiotik je však metabolizována a vylučována jako metabolity.
I. Fáze biotransformace probíhá ve většině případů jako oxidativní reakce, méně často jako redukce nebo hydrolýza. Na biotransformačních reakcích se podílí několik enzymových systémů, z nichž nejdůležitější je komplex cytochromu P-450. Ten odpovídá za hydroxylaci alifatických i aromatických sloučenin, za deaminaci a některé další chemické přeměny. Z jiných biotransformačních systémů jsou důležité flavinové aminoxidázy. peroxidázy, nespecifické hydrolázy a další. Výsledkem I. fáze biotransformace je ve většině případů vznik hydrofilní a méně toxické látky, která se snadno vylučuje z organismu. Jen v ojedinělých případech je výsledkem biotransformace látka, která má větší toxicitu, než látka původní. Takový způsob biotransformace bývá někdy označován jako bioaktivace nebo letální syntéza. Tak je tomu např. u některých karcinogenů jako jsou např. polycyklické aromatické uhlovodíky, arylaminy. Jiným příkladem může být bioaktivace málo toxického organofosfátu parathionu na silně toxický paraoxon. Na I. fázi biotransformace navazuje někdy její druhá fáze.
II. Fáze biotransformace zahrnuje řadu syntetických reakcí, při nichž jsou xenobiotikum nebo jeho metabolity konjugovány s endogenními látkami za vzniku nových chemických sloučenin, které jsou potom vylučovány. Takové látky jsou proto označovány jako konjugáty. Nejčastěji jsou xenobiotika konjugována s kyselinou glukuronovou (glukuronáty),nebo sírovou (sulfáty). Z dalších biotransformací II. fáze je to např. acetylace, methylace apod.
Všechny biotransformační reakce jsou řízeny enzymovými systémy, které jsou v buňce lokalizovány v oblasti endoplasmatického retikula. Enzymy zodpovědné za I. fázi biotransformace jsou lokalizovány v mikrosomech a enzymy podílející se na II. fázi jsou v cytosolu. Enzymová výbava je však u jednotlivých druhů živočichů značně odlišná, proto může být stejná látka u jednotlivých druhů živočichů rozdílně metabolizována. Proto je přenos metabolických experimentů prováděných na laboratorních zvířatech někdy obtížně přenositelný na člověka. Rozdíly v enzymové výbavě však existují i v rámci druhu, protože zde existuje geneticky podmíněný polymorfismus. Ten má za následek, že u některých jedinců se chemická látka může metabolizovat mnohem rychleji či naopak mnohem pomaleji než u jiných nebo může být dokonce metabolizována i rozdílným způsobem. Z toho potom vyplývá, že různi jedinci jsou k toxickému účinku chemických látek různě citliví. Další rozdíly je možno pozorovat i mezi pohlavími a mezi mladými a starými jedinci.
Jako typický příklad rozdílné biotransformace je často uváděno suxamethonium, krátkodobě působící myorelaxancium. Tato toxická látka je v organismu rychle metabolizována účinkem plasmové cholinesterázy (butyrylcholinesterázy), proto její farmakologický účinek rychle odeznívá. U jedinců s tzv. atypickou butyrylcholinesterázou, geneticky podmíněnou anomálií, při níž je enzymová aktivita silně redukována, je odbourávání suxamethonia mnohem pomalejší a může se tak projevit jeho toxický účinek.

5.4 Exkrece

Exkrecí rozumíme vylučování chemické látky z organismu, na němž se podílí řada orgánů. Exkrece plícemi je významná pro některé plyny (CO2, HCN, H2S) a snadno těkavé látky (ethylen, CS2, chlorované uhlovodíky, apod.). Nejdůležitějším orgánem pro exkreci chemických látek jsou ledviny. Exkrece ledvinami je realizována glomerulární filtrací, při níž přechází látky z krve do moče a tzv. tubulární sekrecí, na níž se podílí specializované transportní systémy lokalizované v proximálních tubulech ledvin.
Exkrece stolicí je dalším důležitým mechanismem vylučování látek z organismu. Děje se tak dvěmi mechanismy. Jedním mechanismem je vazba chemických látek na nestrávené složky potravy a druhým mechanismem je vylučování žlučí. V játrech se kumuluje velké množství látek a játra jsou také jedním z míst, kde dochází k jejich metabolizaci. Z jater jsou toxické látky a jejich metabolity vylučovány do žluče a spolu s ní pak do stolice. 1) Dalšími, méně významnými způsoby exkrece xenobiotik jsou exkrece potem, slinami, slzami a mateřským mlékem.4)

6.Klinické projevy intoxikace

Způsob, jakým se projeví nepříznivé (toxické) účinky chemické látky na organismus, bývá označován jako klinické projevy intoxikace nebo klinický obraz intoxikace. Klinické příznaky se mohou rozvíjet rychle u akutní otravy při jednorázové či opakované expozici vysokými dávkami chemické látky nebo se mohou rozvíjet pomalu u chronické otravy, kdy je organismus vystaven dlouhodobé nebo opakované expozici malých dávek chemické látky. Pokud se látka v organismu nekumuluje a její exkrece nebo detoxikace je rychlejší než její přísun, nemůže dojít k nahromadění takového množství chemické látky v organismu, aby byl tento jejím toxickým účinkem ohrožen. Pokud se ale látka neodbourává a je vylučována pomaleji než je její přísun do organismu nebo pokud se hromadí v určitých orgánech nebo částech organismu (např. lipofilní látky v tukových zásobách), může dosáhnout koncentrace, která bude mít toxický účinek.
Při chronické intoxikaci se začínají projevovat toxické účinky chemické látky nebo jejich metabolitů tak, že postupně narůstá jejich koncentrace v tkáních, kde se kumulují a kde působí toxicky. Není tomu však tak ve všech případech. Z míst kumulace se mohou chemické látky také redistribuovat do jiných míst organismu a tam působit toxicky. Chronická intoxikace může být také výsledkem kumulace dvou či více chemických látek nebo jejich metabolitů a výsledný toxický účinek proto může být důsledkem sumace toxických účinků více látek. Poněvadž u řady chemických látek existuje výrazná orgánová toxicita, může se projevit jejich účinek zejména v těchto místech organismu, i když tomu tak nemusí být vždy.
Mezi nejběžnější toxické projevy patří účinek na gastrointestinální trakt, kardiovaskulární systém, dýchací systém, játra a ledviny, imunitní systém a nervový systém. Orgánová toxicita nemusí být vždy omezena pouze na jeden orgán. Podobně jako může být cílem toxického působení chemické látky orgán, může jím být i biologický systém.

6.1 Účinek na gastrointestinální trakt (GIT)

Gastrointestinální problémy spojené s bolestmi břicha, zvracením a průjmem jsou doprovodným zjevem mnoha intoxikací a to i takových, kdy GIT není místem specifického účinku těchto jedů. Protože však organismus velmi vysilují a dochází při nich k velkým ztrátám tekutin a minerálů, představují vážný problém zejména pro děti a starší osoby.
Existují však některé toxiny, které působí specificky právě v těchto místech organismu, např. některé bakteriální toxiny jako shigelatoxin, choleratoxin, stafylokokový enterotoxin apod., některé toxiny vyšších hub nebo toxiny zodpovědné za alimentární otravy po konzumaci mořských ryb, měkkýšů nebo korýšů (pectenotoxiny, yessotoxiny, kyselina okadaová apod.). Gastrotoxicita látky bývá velmi často pouze prvotním a většinou život neohrožujícím příznakem toxického účinku jedů, které později začnou působit na jiných místech organismu, které jsou pro jejich toxický a zejména letální účinek rozhodující.

6.2 Účinek na kardiovaskulární systém

Kardiovaskulární systém je místem specifického působení některých alkaloidů a tzv. srdečních glykosidů jako digitalis či andromedotoxin, který je obsažen např. v azalkách a rododendronech a z nich se s nektarem sbíraným včelami dostává až do jejich medu, který se tak stává jedovatý. Kardiotoxický účinek mají také mnohé peptidové toxiny hadů, např. kardiotoxin z kobřího jedu, kardiotoxiny mořských sasanek, toxické peptidy homolic apod. Jako kardiotoxiny fungují všechny látky, které narušují srdeční rytmus nebo nějakým způsobem zasahují do elektrické aktivity srdce.
Kardiotoxický účinek vykazuje také řada léků, jako např. chemoterapeutikum 5-fluorouracil, anthracyklinová antibiotika apod.

6.3 Účinek na dýchací systém

Dýchací systém bývá nejčastěji poškozen chemickými látkami s dusivým účinkem, jako jsou např. fosgen, difosgen či chlorpikrin, které patří do kategorie vojensky využitelných látek. Z jiných látek je to např. perfluorisobuten, látka vznikající při pyrolýze teflonu a jiných syntetických hmot na bázi perfluorethylenu. Tyto látky silně dráždí horní cesty dýchací, vyvolávají prudký kašel a způsobují plicní edém. Mnohé látky tohoto typu vyvolávají smrtelné intoxikace. Nepřímý účinek na dýchací systém vykazují všechny látky, které vyřazují z činnosti dýchací svalstvo (mezižeberní svaly, bránici) a způsobí periferní zástavu dechu (organofosfátové a karbamátové inhibitory cholinesteráz, svalová relaxancia) nebo tlumí dýchací centrum v mozku (morfin a jeho deriváty).

6.4 Účinek na játra a ledviny

Oba orgány bývají častým místem toxického účinku řady chemických látek. Hepatotoxicky účinný je např. terachlormethan nebo některé toxiny sinic, jako např. cylindrospermopsin, lyngbyatoxin a další.
Nefrotoxické jsou např. anorganické sloučeniny olova, uranu a některých dalších kovů. Velmi často jsou postiženy oba orgány, jako např. u tetrachlormethanu, a toxický účinek se projeví i v jiných orgánech. Hepatotoxický účinek má řada léčiv, např. fenytoin a acetaminofen, které vyvolávají hepatocelulární nekrózu nebo steroidy a tertracykliny.

6.5 Účinek na krev a krvetvorbu

Toxický účinek chemických látek na krevní oběh může mít řadu projevů.Toxicky působí všechny látky, zasahující do mechanismu srážení krve, ať už ve smyslu jejího snížení (warfarin, mnohé toxické proteiny hadích jedů apod.) nebo zvýšení (antithrombinové toxiny hadích jedů, choleratoxin). Toxicky působí látky zasahující do funkce hemoglobinu jako přenašeče kyslíku ve tkáních (kyanovodík, kyanidy), látky blokující krvetvorbu (lindan) apod.

6.6 Účinek na imunitní systém

Látkám, které působí specificky na imunitní systém, říkáme imunotoxiny. Takovými imunotoxiny jsou např. některé rostlinné proteiny jako např. ricin ze semen skočce obecného nebo abrin z amerického keře Abrus praecatorius. Jako imunotoxiny fungují mnohá alkylační nebo arylační činidla, např. sirné či dusíkaté yperity. Tyto látky alkylují proteiny a mění jejich imunologické vlastnosti natolik, že organismus je začíná vnímat jako cizorodé a začíná proti ním vytvářet protilátky. Imunotoxický účinek vykazují i látky, využívané zejména jako tzv. imunosupresiva (např. cyklosporin A) ke snížení imunitní odpovědi při transplantacích . Nežádoucí imunotoxický účinek mají téměř všechna léčiva používaná v chemoterapii rakoviny.

6.7 Účinek na nervový systém

Nervový systém je místem účinku velkého množství chemických látek, které označujeme jako neurotoxiny. Mezi nejznámější patří některé organofosforové sloučeniny ze skupiny tzv. nervových plynů (sarin = O-isopropyl-methylfluorofosfonát), insekticidně účinné organofosfáty a bicyklické fosfáty, velké množství rostlinných a živočišných toxinů, těžké kovy apod. Mechanismus účinku neurotoxicky účinných látek je neobyčejně pestrý. Některé neurotoxiny působí spíše na periferní nervový systém, jiné na centrální nervový systém (CNS), některé na obojí. Převážná většina z nich působí na nervových synapsích nebo nervově-svalových spojích (nervosvalových ploténkách) a může např. blokovat uvolňování neuromediátorů, inhibovat zpětné vychytávání neuromediátorů nebo jejich metabolitů, apod. Některá insekticida mohou měnit elektrické nebo neurochemické vlastnosti neuronů. 1)

7.Metody experimentální toxikologie

Testování účinků xenobiotik na lidský organismus je vždy založeno na nepřímých metodách. Jedná se buďto o experimenty na laboratorních zvířatech nebo o testy in vitro, využívající rostliny či mikroorganismy nebo jejich izolované části (izolované orgány), tkáňové kultury, izolované buňky apod. Význam in vitro modelů pro testování stále roste s množstvím nových sloučenin a nutnosti jejich testování. Testy toxicity (TT) jsou dnes nedílnou součástí vývoje léků a hygienických norem v potravinářském průmyslu.
Výhodou in vitro testů je rychlejší získávání výsledků, podstatně nižší cena než v případě testování pokusných zvířat a možnost použití lidských buněk. Dalším argumentem pro in vitro testy a omezení testů na zvířatech je etické hledisko.
Naopak jejich nevýhodou je omezený pohled z hlediska toxicity orgánově specifických sloučenin. Proto je při testování nové sloučeniny nutné vyhodnotit celou řadu cytologických parametrů případně správně vytipovat vhodný orgán, jehož buňky mají být použity
Při práci s laboratorními zvířaty je třeba se řídit etickými zásadami pro práci s laboratorními zvířaty a každý takový experiment podléhá schválení Etickou komisí daného pracoviště.

7.1 Pojmy

Toxicitou se míní nepříznivý účinek na testovací systém vyvolaný účinkem dané látky nebo směsí látek. Je ovlivněna řadou faktorů jako např. koncentrací dané sloučeniny, dobou jejího působení, přísun živin testovanému organismu, teplota osvětlení..
Testem toxicity se potom nazývá soubor experimentů při nichž je testovací organismus exponován známé dávce toxické látky za definovaných podmínek a vyhodnocují se změny vyvolané touto expozicí v porovnání s kontrolními jedinci.

7.2 Typy testů

Pro volbu testu jsou velmi důležité fyzikálně – chemické vlastnosti zkoumané látky. Nejsou – li o látce známa žádná toxikologická data, je třeba provést základní testy toxicity.
Podle doby expozice se testy toxicity rozdělují na:
akutní, kde se doba expozice pohybuje v rozmezí 4 – 24 hodin
subchronické, trvající několik týdnů až čtyři měsíce
chronické, u kterých je doba expozice testovacího organismu od půl roku po několik let.
Pro toxikologické veličiny se používají speciální testy, které se orientují na jednotlivé charakteristické změny a reakce testovacích systémů a organismů: neurotoxický test, reprodukční test, test na teratogenitu, na mutagenitu, karcinogenitu, test vlivu látek na imunitní systém, kůži, oči, ….
Podle způsobu podávání látky rozlišujeme tři hlavní skupiny testů toxicity:
orální (látka je podávána spolu s potravou a tekutinami)
inhalační ( látka se dostává do organismu dýchacím systémem)
přímá distribuce do krve

7.2.1 Akutní testy toxicity

Tyto testy jsou nejčastěji používané a provádí se jako první. Nejčastější testovací organismy jsou myši a krysy, vzhledem k jejich relativně nízké ceně a krátké generační době. Proto je většina toxikologických dat vztažena k těmto testovacím organismům.Testovací zvířata musí být v dobrém zdravotním stavu a jejich selekce od ostatních jedinců se provádí jeden týden po narození. Podmínkou je kontrolní skupina stejného počtu jedinců téhož druhu. Aby byly výsledky reprodukovatelné je třeba zachovat stejné podmínky ( výživa, teplota, osvětlení…) v obou skupinách. Po provedení akutního TT (asi 24 hodin) jsou získaná data vztažena ke kontrolní skupině a vyhodnotí se LD50 a LCT50.
LCT50 udává koncentraci látky způsobující úhyn 50% jedinců během dvou dnů p expozici. LD50 (dosis letalis media) je taková koncentrace podávané látky při jejímž podání uhynulo 50% testovaných organismů za 24 hodin.
Nezpůsobí – li 24 hodinový akutní TT pozorované změny, odstaví se testovaná zvířata a pozoruje se jejich fyziologický stav.
Velmi populární organismy pro testy akutní toxicity jsou nitěnky Tubifex tubifex. Slouží hlavně jako indikátor čistoty vod. Jejich snadný chov, velmi nízká cena a vysoká citlivost je předurčuje právě pro tyto testy.

V tabulce I jsou uvedeny nejčastěji používané testovací organismy.

Prokaryota Pseudomonas sp.,
Phosphobacter phosphoreus
Enterobacter cloacae
Alcaligenes sp.
E. coli
Eukaryota jednobuněčná kvasinky, prvoci, sinice
vícebuněčná Bezobratlí - červi
rostliny
obratlovci - ryby, ptáci
králíci, myši, krysy, opice,

7.2.2 Subchronické a chronické testy toxicity

Při subchronickém testu toxicity je podávána zkoumaná látka po dobu tří až pěti měsíců. Tento test vždy předchází testům chronickým, které nejsou kratší než jeden rok. Jedná se o látky, kterým je člověk dlouhodobě vystaven jako například složky kosmetických přípravků, populanty ovzduší a léky. Látka se podává orálně s potravou nebo tekutinami. Méně časté je intravenosní podávání látky. Při tomto druhu TT se chovají tři skupiny testovacích zvířat a jedna skupina kontrolní. Každá skupina čítá 10 až 20 samců u krys nebo 3 až 5 psů a stejný počet samic. každá skupina je exponována odlišné koncentraci látky. Zvířata jsou krmena v periodě 6 až 12 hodin a každý den pozorována a vážena. U každé skupiny se v jistých periodách odebírá krev a moč pro analýzu. Zvířata uhynulá během testu se zváží a je provedeno histologické vyšetření poškozených orgánů.

7.2.3 Test na teratogenitu látek

Mnoho látek způsobuje špatný vývoj a následné poškození plodu. Je- li toxická látka podávána březí samici v době, kdy u plodu dochází k diferenciaci orgánu, může dojít k jeho poškození. V těchto testech jsou často používáni králíci, krysy a myši, pro jejich snadné oplodnění. test má tři části :
oplodnění samice speciální inseminační technikou
ověření oplodnění a expozice toxické látce
zjištění defektů plodu
Jako model lze použít embryonální buňky in vitro, které jsou velmi citlivé k vlivům toxických látek.

7.2.4 Test na zjištění vlivu látek na reprodukci

U těchto testů se sledují tři hlavní znaky:
vliv látek na plodnost u samců a samic
vývoj plodu zahrnující teratogenní a mutagenní účinky
způsob přijetí mláděte samicí a její schopnost laktace, vývoj mláděte a jeho sexuální zrání
Tyto testy jsou často multigenerační, tj. sleduje se účinek toxické látky ve více generacích.

7.2.5 Testy na poškození oka a kůže

Pokožka vytváří přirozenou bariéru v organismu. Některé chemické látky mohou způsobovat lokální poškození očí a kůže. Předmětem zájmu jsou interakce složek kosmetických, mycích přípravků a detergentů s těmito orgány. Chemické sloučeniny mohou způsobovat podráždění, poleptání, fotoalergii očí a kůže, z nichž některá jsou nevratná. Druh a intenzita poškození závisí na genetických dispozicích jedince, koncentraci a vlastnostech chemické látky.
V testu na primární poškození kůže se jako modelové organismy používají králíci (albín) a bílé myši, kterým se dermálně podává testovací látka. Testovací doba se pohybuje od 3 dnů do 2 let. Na povrch těla se po odstranění chlupů upevní gáza s testovací látkou. Způsob expozice zvířat toxické látce závisí na době testu (1 den – 3 roky). Liší se velikostí testovacího povrchu pokožky, periodou výměny látky a počtem zvířat ve skupinách. Vyhodnocuje se rozsah a druh poškození pokožky. Při dlouhodobých testech se sleduje také stav vnitřních orgánů a krve.3) Tyto testy jsou jednou z podmínek pro schválení nezávadnosti látky před jejím uvedením na trh. Také jsou důvodem vzájemné nevraživosti mezi farmaceutickými firmami a ochránci zvířat.

Literatura

1. http://www.zsf.jcu.cz/stru/katedry/radio/radio_6.html (Prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc.)
2. http://www.upce.cz/~uozp/students/prednasky/toxikologie5r/slides5/index.html (Ing. Tomáš Brunclík – Interakce toxické látky s organismem)
3. Knejzlík Z.Ruml T.:Chem.listy 93,607-615(1999)
4. WENKE, M. Farmakologie.Praha:Avicenum, 1986.580s.ISBN 735 21 – 08/23