Bezpečnostní inženýrství- Toxikologie -

M. JahodaHlavní zdroj: Kolská Z., Toxikologie, PřF UJEP, 2007

Toxikologie• věda, která se zabývá studiem nepříznivých účinků chemických,

fyzikálních a biologických agens na živé organismy a ekosystémyvčetně prevence a léčby těchto nepříznivých účinků(Society of Toxicology)

Toxicita• schopnost látky působit na organismy nepříznivě

Toxická látka• látka schopná působit na organismus nepříznivě

Toxin• jakákoliv substance, která i v malém množství nebo nízké

koncentraci, po jednorázovém, nebo opakovaném podání,způsobí poškození, nebo smrt organismu

Obecná toxikologie 2

Základní pojmy

Obecná toxikologie 3

Z historieParacelsus (Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim)

lékař – alchymistapoložil základy farmakologie, toxikologie a moderní terapie, objevil vztah dávka-účinek

„Všechny substance jsou jedy,

neexistuje žádná, která by jím

nemohla být. Pouze dávka

odlišuje jed od látky neškodné,

nebo léku.“

1493-1541

Obecná toxikologie 4

Rozdělení toxikologie

Obecná toxikologie• zkoumá obecné zákonitosti a vztahy mezi chemickými látkami a

účinkem na živý organismus. (Mechanismy účinku, biotransformace,expozice, interakce látek. Vývoj metod pro studium toxicity.)

Speciální toxikologie• popisuje studuje a hodnotí toxické účinky konkrétních chemických

látek a přípravků (anorganické látky, organické látky, bojové látky,omamné a psychotropní látky, toxiny živočišného a rostlinnéhopůvodu).

Experimentální toxikologie• studium účinků chemických látek v experimentech in vivo a in vitro

Klinická toxikologie• zkoumá účinky chemických látek na člověka

Ekotoxikologie• zkoumá účinek látek na biotické složky prostředí

v živém ve skle

Obecná toxikologie 5

Rozdělení toxikologie

Analytická toxikologie• využívá metody analytické chemie pro průkaz toxických látek v

biotických i abiotických složkách. Kvalitativní i kvantitativnívýpovědi.

Průmyslová toxikologie• sleduje toxické účinky surovin, produktů, meziproduktů i odpadů v

průmyslu. Souvisí s pracovním lékařstvím.

Soudní toxikologie (forenzní) v soudním lékařství

Vojenská toxikologie• bojové chemické látky

Predikční toxikologie• odhad účinku pomocí alternativních metod

Farmakologická toxikologie

Je-li organismus vystaven působení určité látky, její účinek závisí na mnoha faktorech:

1. Na druhu látky.

2. Na dávce nebo koncentraci v prostředí, z něhož látky do organismu vstupuje.

3. Na cestě, kterou do organismu vstupuje (brány vstupu).

4. Na citlivosti jedince.

5. Na vstřebatelnosti látky (např. na rozpustnosti látky ve vodě, tucích či jiných tekutin v organismu).

6

Faktory ovlivňující toxický účinek

• Chemické (jedy)

• Fyzikální (prachové částice pod 5 m, vlákna)

• Biologické (patogeny)

Toxické látky

Obecná toxikologie

Toxické látky 7

Expozice (doba působení)Akutní (jednorázová)

• okamžitá, bezprostřední, do 24 hodin, inhalace do 4 hodin

Opakovaná

• subakutní – podobu 4 týdnů

• subchronická – 1 až 3 měsíce

• chronická – délen ež 3 měsíce

Pozdní (vzdálené, opožděné, delayed)

• efekt nastane po dlouhé latenci (karcinogenní, mutagenní)

Jednotky velikosti účinkuHmotnostní (g, mg/kg; mg.kg-1 apod./ hmotnost jedince)

Moly (mmol, mol/l, mol/kg apod.)

ppm – parts per milion (mg z kg)

ppb – parts per bilion (miliarda) g z kg

procento (%) – setina z celku

promile (‰) – tisícina z celku

Toxické látky 8

Letální dávka (smrtelná)

• odhaduje se výpočtem koeficientu LD50 - což je výpočet dávky, která způsobí akutní uhynutí 50 % experimentálních zvířat (myší nebo potkanů).

Látka LD50

(mg/kg)

Cukr 29 700

Ethanol 7 060

Sůl kuchyňská 3 000

Paracetamol (acetaminophen) 1 944

Síran železnatý 1 500

Formaldehyd 800

Amoniak 350

Aspirin 200

Kofein 192

Phenobarbital 150

DDT 100

Arsenic 15

Strychnin 2

Nikotin 1

Dioxin 0,0001

Botulotoxin 0,00001

Letální dávka (LD50)dávka pro 70 kg osobu• Extrémně toxické < 5 mg/kg• Velmi toxické 5 – 50 mg/kg• Toxické 50 – 500 mg/kg• Málo toxické 0.5 – 5 g/kg• Prakticky netoxické 5 – 15 g/kg• Prakticky neškodné >15 g/kg

Dávka

Projevy toxického účinku 9

Akutní otrava

• může nastat při vlastní expozici, bezprostředně po ní nebose zpožděním

• vniknutí nadkritické dávky do organismu v krátké době,projevuje se okamžitým účinkem

• látka vniká do organismu v podkritických dávkách, jeukládána v některém orgánu a jednorázově vyplavena dokrve v nadkritickém množství

Průběh

• prudký, představují bezprostřední ohrožení zdraví neboživota postiženého

Projevy toxického účinku 10

Chronická otrava

• podkritické dávky vnikají do organismu dlouhodobě

• dochází k jejich kumulaci v těle

• účinky se projeví opožděně po překročení určité koncentrace v místě účinku

Průběh

• příznaky otravy nastupují zvolna, stupňují se a přetrvávají i popřerušení či ukončení expozice

• neohrožují zdraví nebo život okamžitě

• vyžadují dlouhodobé léčení, příp. zanechávají trvalé následky

Projevy toxického účinku 11

Chemická alergie

• imunologicky zprostředkovaná tvorba protilátek po předchozím podání toxické látky

• alergická reakce se pak rozvine po opětovném podání i nepatrného množství toxické (anafylaktický šok)

Průběh

• geneticky podmíněné abnormální reakce na chemické látky(mimořádně vysoká citlivost na malé dávky nebo mimořádněnízká citlivost na vysoké dávky)

Mechanismy toxického účinku 12

Rozdělení podle projevu

Přímý toxický účinek

• poškození buněk určitého orgánu, nejčastěji se jedná o játra, ledviny, plíce, ...

• dráždivý účinek – dochází k podráždění nebo poškození sliznice očí, dýchacích cest, zažívacího ústrojí nebo kůže (vyvolávají jej např. kyseliny, louhy, látky s oxidačními účinky, organická rozpouštědla)

• narkotický účinek – způsobují jej látky, které brzdí přenos nervového vzruchu a tím potlačují aktivitu centrální nervové soustavy (např. nižší alkoholy, CHCl3, CCl4, benzen, toluen…)

Obecně cizorodá látka působí tak, že se naváže na určité místo v organismu zvané receptor a tím ovlivní nějakou důležitou životní funkci.

Mechanismy toxického účinku 13

Rozdělení podle projevu

Biochemický toxický účinek• toxická látka interaguje s cílovou molekulou (enzym, receptor, ...)

• ovlivnění biochemického děje

• inhibice enzymu X aktivace enzymu

Příklady

o př. nervově paralytické otravné látky (Sarin, Soman, VX) inhibují enzym acetylcholinesterázu

blokování nervosvalového přenosu, smrt nastává v důsledku zástavy dechu a selhání kardiovaskulárního systému

terapie spočívá v aplikaci specifických antidot (anticholinergikum + reaktivátor)

o ethanol aktivuje alkoholdehydrogenázu

katalyzuje přeměnu primárních a sekundárních alkoholů na jim odpovídající aldehydy či ketony

Mechanismy toxického účinku 14

Rozdělení podle projevu

Imunotoxický účinek• ovlivnění imunitního systému

• toxické látky mohou imunitní reakci :

• potlačit (imunosuprese)

benzen, polycyklické aromatické uhlovodíky, PCB, ozon

• vyvolat nepřiměřenou imunitní reakci (alergická reakce)

např. pyly, prachy, akryláty, kovy, ...

Mutagenita

• zásah do genetické informace

• působením chemických látek dojde ke změně struktury některé báze nukleových kyselin (DNK, RNK), takto pozměněná báze není schopna vytvořit příslušný pár → dojde ke změně kódované a přenášené genetické informace

Imunitní systém slouží k tomu, aby bylschopen rozpoznat v organismu cizorodoulátku a aby se ji pokusil z organismuvytěsnit. Je-li nějaká látka rozpoznána jakocizí antigen, imunitní systém vyprovokujetvorbu protilátek, které vytvoří s antigenemkomplex (protilátka-antigen) a tím je antigeninaktivován.

Mechanismy toxického účinku 15

Rozdělení podle projevu

Kancerogenita• mutace v genetickém materiálu projevující se zhoubným bujením• poškození opravných mechanismů, které jsou jinak schopny

poškozenou nukleovou kyselinu rozpoznat a opravit, příp. nahradit.• např. azbest, aminoazosloučeniny, vinylchlorid, polyaromatické

sloučeniny, aromatické nitrosloučeniny, heteroaromatickénitrosloučeniny

Teratogenita • schopnost látky poškodit embryo, přestože pro matku je v dané dávce

neškodná• př. léčivo Talidomid, používáno jako sedativum - na dospělé nemělo žádné

vedlejší účinky, děti matek se rodily těžce deformované (zkrácené končetiny, malformace vnitřních orgánu, ...)

• povinné testy všech léčiv na teratogenitu a ke zpřísnění požadavku na testování léčiv, na všech letácích k lékům uváděno, zda jsou či nejsou vhodné k užívání v době těhotenství

• inhalační = vdechnutím

• perorálně = ústy - polknutím

• perkutánně = kůží - vstřebáním kůží

• intravenózně - do žíly

• intramuskulárně - do svalu

• subkutánně - do podkožního vaziva

• intrakutánně - vpíchnutím do kůže

• sublingválně – pod jazyk

Toxokinetika 16

Místo expozice

Zabývá se rychlostí a mechanismem účinku toxickou látku na živý organismus zarůzných podmínek. Zkoumá osud toxické látky v organismu po celou dobusetrvání v organismu po jednotlivých krocích. Popisuje průběh absorpce toxickélátky (vniknutí do organismu), distribuce (rozvod toxické látky do organismu),biotransformace (přeměna toxické látky) a exkreci (vyloučení toxické látky nebojejích metabolitu z organismu).

nejčastěji

invazivně(průnikem)

Absorpce toxické látky 17

Inhalace (plíce)• toxické látky se do organismu dostávají buď jako plyn, pára,

kapičky aerosolu nebo prachové částice dýchacími cestami

Odezva plic na toxické látky

• Podráždění – kyselé mlhy (např. HCl)

• Otok – fosgen (COCl2)

• Rozedma plic1 – kouření

• Fibróza2 – oxid křemičitý (silikóza)

• Karcinom – azbest

• některé látky (dobře rozpustné ve vodě) se zadržují již v horních cestách dýchacích na vlhkém povrchu sliznice, zbytek se dostává dýchacími cestami dále až do plicních sklípků, alveolů a odtud se vstřebávají do krve

1 úbytek plicní tkáně2 náhrada plicní tkáně vazivem

18

Absorpce kůží

• některé chemické látky se mohou velmi rychle vstřebat - např. nervovéplyny, CCl4, insekticidy, ...

• po absorpcí kůží se látka velmi rychle dostává do krevního oběhu a s krví do celého těla

• účinek je buď lokální (lokální podráždění pokožky), nebo systémový (pokud se látka vstřebá do celého těla)

Absorpce je ovlivněna

teplotou

vlhkostí kůže

celistvostí kůže

dobou působení

koncentrací látky

rozpustností (ve vodě/tuku)

velikostí molekul

Absorpce toxické látky

19

Absorpce trávicím systémem (cesta perorální - požitím)

• většinou s potravou, absorpce může nastat kdekoli v trávicím systému - v dutině ústní, v žaludku, v tenkém nebo tlustém střevu nebo v konečníku

• buď působí toxická látka přímo -podráždění zažívacího traktu (látkyžíravé a dráždivé), nebo jsou zezažívacího traktu absorbovány dokrve a to podél celého zažívacíhotraktu, kdekoli na cestě:ústní dutina – konečník

• hnací silou absorpce je lipofilitalátky (rozpustnost v tucích)

Absorpce toxické látky

20

Vstřikem

Přímo do krve říznutí, jehly, rozbité sklo, ...

propíchnutí kůže, nebo zranění

• Nebezpečí intoxikace na pracovišti primárně spojená s krevními patogeny

obzvláště nebezpečné v odvětví zdravotní péče

Prevence: ochranné pomůcky

Absorpce toxické látky

• vetšina toxických látek podléhá po vstupu do organismu chemickýmpřeměnám, biotransformací, metabolickým přemenám

• některé biotransformace vedou ke vzniku méne toxických látek

detoxikace

• jiné vedou ke vzniku toxictejších látek

bioaktivace nebo metabolická aktivace

Biotransformace 21

Biotransformační reakceReakce I. fáze

• oxidace - nejvýznamnější

• redukce

• hydrolýza

Reakce II. fáze

• slučování (konjugace) s kyselinou glukuronovou , glutathionem, nebo kyselinou sírovou (sulfátová konjugace)

• methylace

• acetylace

• rychlá eliminace snižuje pravděpodobnost výskytu toxicity látky a snižuje trvání jejího biologického efektu

Exkrece 22

= vyloučení toxické látky nebo jejich metabolitů z organismu

Nejdůležitější cesty

Moč

• malé, ve vodě rozpustné molekuly (velké molekuly – neprocházejíledvinami; lipofilní látky – jsou zpětně resorbovány z tubulů)

• při léčbě intoxikací může být exkrece látek urychlenaalkalizací/okyselením moči (fyziologické pH moči je 5-6,5)

• exkrece močí ovlivněna i vazbou na plazmatické bílkoviny

• podmínkou je rozpustnost ve vodě

Exkrece 23

Nejdůležitější cesty

Plíce

• důležitá cesta exkrece pro těkavé a plynné látky (př. až 60 % benzenueliminováno plícemi)

• pasivní difúzí z krve do plicních sklípků

• díky rychlé výměně plynů – stálé zachování koncentračního gradientu

Stolice

• cizorodá látka se dostává z jater se žlučí do tenkého a tlustého střevaa odtud do stolice

• takto vystupují zejména vysokomolekulární látky, např. tetracyklinová antibiotika (širokospektrá bakteriostatická antibiotika)

Pot

• velmi nepříjemné, silně zapáchající jako např. některé thioly nebokyselina máselná

• Určení toxického účinku - lokální účinek, cílový orgán, systémovéúčinky, akutní, chronické účinky.

• Určení toxické dávky - určit dávku, která bude produkovat určitýtoxický účinek.

Studium toxicity 24

Problémy při studiu toxicity

Neexistuje etický způsob, jak získat lidské dobrovolníky, a proto je nutné použít „model" na zvířatech: krysy, kočky, psi, králíci, atd. Ze získaných toxických dávek pak následně odhadovat působení na lidi

Někdy je přenos informace problematický

• alergie nebo imunita

• potřeba statistické studie

• organismus má specifickou odezvu nepoužitelnou pro lidi

• odezva na dávku

• reakční doba, skryté chování, akutní X chronické

• obtíže při měření požadovaných veličin (např. olovo v játrech)

• Testy na početné populaci.

• Stejné dávky (obvykle dávka/tělesnou hmotnost).

• Určení počtu nebo podílu jedinců, kteří mají odezvu.

Rozdělení odezvy při konstantní dávce 25

Základní koncept

• Dávka a odezva může být měřena.• Velikost odezvy je závislá na dávce.• Všechny toxické interakce dávka-odezva lze sledovat.• Se zvyšující se dávkou dochází ke zvýšení počtu postižených

a/nebo zvýšení intenzity účinku.

Dávka = (Koncentrace) x (Čas)

střední hodnota

1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

log (Dávka)

Od

ezva

(%)

průměrná odezvapři dané dávce

1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20• Opakování testu s různými dávkami.

• Nalézt průměrnou odezvu na každou dávku.

• Graf Odezva proti logaritmu Dávky.

• Proložit data charakteristickou esovitou křivkou.

Průměrná odezva při různých dávkách 26

Získaný vztah je pro každou látku individuální.

Jednotky dávky

• Množství na jednotku hmotnosti (mg/kg)

• Množství na jednotku povrchu kůže (mg/m2)

EDf – efektivní dávka (malý vratný účinek, podráždění) pro f procent populace.

TDf – toxická dávka (nesmrtelný nevratnýúčinek) pro f procent populace.

LDf – smrtelná dávka pro f procent populace.

Vyjádření akutní toxicity 27

TDlo – Nízká toxická dávka – nejnižší účinná dávkaLD10 – Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populaceLD50 – Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace

TClo – Nízká toxická dávka - nejnižší účinná dávkaLC10 – Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populaceLC50 – Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace

Perorálně (mg kg-1)

Inhalačně (ppm [x hod])

• překrvení a červené zabarvení kůže

• pocit horka v kůži

• cyanoza - modrofialové zabarvení kůže způsobené nedostatečným okysličením (při oběhovém selhání)

• melanodermie = hyperpigmentace - patologické zabarvení kůže (zhnědnutí, zešedivení, bronzový nádech)

• krvácení do kůže (zejména sloučeniny P a Ba)

• edémy

• nadměrná perspirace (pocení)

• kožní poruchy - zejména při poleptání - lokální otrava

• precitlivělost a fotosenzibilita kůže (citlivost na světlo)

• změna barvy vlasů (neplést s barevnými přelivy)

zelená barva = otrava Cu, modrá = Co, rudá = anilinové barvy

bílá = chlor, zlatá = H2O2, ...

Diagnóza otrav 28

Kůže

• perforace (proděravení) nosní přepážky - kokain, Cr, CrO42-

• krvácení z nosu - KI, KClO3, benzen, ...

• otupení čichu - Cl2, CS2, H2S

• zápach dechu - bývá charakteristický pro některé otravy, např. česnekový zápach - As

• dýchací poruchy - projevují se u většiny jedů

• krvácení z plic - halogeny, benzín, éter, CS2, NH3

• plicní edém - Cl2, fosgen

Diagnóza otrav 29

Dýchací systém

• poruchy chuti - kovová chuť : H2S, Br-, KI, As, Pb

• snížení chuti - Pb2+, Hg2+, kofein, morfin, nikotin, chinin

• česneková chuť - HCI3, As

• nasládlá chuť - H2S

• nekróza dásní (Bi - krvácení dásní)

• různá zbarvení sliznice ústní dutiny (žlutá - HNO3, černá - Ag, šedé lemy dásní - Pb, Bi, namodralé lemy - Hg)

• nadměrné slinění je vyvolávána celou řadou látek - H2S, B, ClO3-, Bi,

Mn, éter, nitroglycerin, HCCl3, HCBr3, HCI3, HCN, CS2, ...

• vyschlost v krku - Li+, As, Ba, atropin, fenmetrazin, KClO3

• parestezie - porušení vnímání pocitu v ústní dutině - kafr, kokain, methanol, HCN

• polykací potíže - při velkém poleptání nebo při obrnách dýchacího svalstva účinkem křečových jedů

Diagnóza otrav 30

Trávicí soustava

Velmi důležité je při převozu do nemocnice uchovat vzorek zvratků a předložit je k analýze.

• bělavé zvratky - Ag, As

• modrozelené - soli Cu, CrO42-, roztoky I-

• světélkující ve tmě - P

• zpěněné - OH-, KCN, saponin (rostlinný glykosid)

• zapáchající - prozrazují zapáchající jed

• podráždění rektální sliznice - otrava antibiotiky

Diagnóza otrav 31

Trávicí soustava – vyšetření zvratků

• většina jedů působí proteiurii - výskyt bílkovin v moči

• oligonurie nebo oligurie - snížení vylučování moči

• anurie - zástava vylučování moči při těžkém poškození ledvin, např. težké kovy - Au, Hg, Pb, Bi, As

• podráždění cest močových - při vylučování dráždivých jedů, např. AsH3, As, Sb, Hg, methanol, formaldehyd, kyselina štavelová, anilin

• polyurie - nadměrné vylučování moči, např. CO nebo kyseliny

• hemoglobinurie nebo hematurie - výskyt krve v moči

Diagnóza otrav 32

Urogenitální ústrojí

• poruchy vědomí (narkotika, hypnotika)

• závratě - Ba, antipyretika, chinin, hypnotika, soli Li, alkoholy

• poruchy koordinace - CO, H2S, Br-, As, Hg, methanol, ethanol, nikotin, kofein, atropin, anilin

• halucinace - Co, N2O, benzin, methanol, ethanol, hypnotika, arkotika, LSD, alkaloidy, jodoform, kafr

• značná excitace - CO, N2O,H2S, KClO3, Br-, As, Pb, Hg, Sb, Bi, methanol, ethanol, HCN, benzen, alkaloidy

• nespavost - vetšina otrav (mimo anestetik - látky způsobující znecitlivení, omezují vnímání bolesti)

• poruchy inteligence - CO, As, Pb, Hg, H2S, Br-, I-, benzin, LSD, nitrobenzen

Diagnóza otrav 33

Nervová soustava

• úzkost až deprese - efedrin, průmyslové rozpouštědlo zneužívaná k čichání (toluen)

• křeče - strychnin, kurare

• zlepšení paměti - strychnin a křečové jedy

• třes - I-, Br-, Li+, Hg - jeden z typických příznaku, Ba

• obrny - Hg, As, Pb

• bolest hlavy - téměř u každé otravy s výjimkou opiátu (látky tišící bolest) a sedativ (látky tlumící zvýšenou dráždivost centrální nervové soustavy)

• hemoragická encefalitida - krvácení do mozku, následně zápal mozkových blan - arsenobenzeny

Diagnóza otrav 34

Nervová soustava

• poruchy zraku až slepota - methanol, Sb, P, Ba, fenol, nitrobenzen, atropin, nikotin, hadí jedy

• atrofie zrakového nervu (zakrnování) - methanol, CO, jodoform, tabák

• chromatopsie - barevné vidění

xanthopsie - žluté vidění - CO, Cr, Pb, As, dinitrobenzen

cyanopsie - modré vidění - amylalkohol-pentanol, jodoform

chloropsie - zelené vidění - Pb, strychnin, chinin, LSD

erythropsie - červené vidění - pentanol, atropin, CS2, námel

ianthinopsie - fialové vidění - atropin

• snížení barvocitu - rozpoznávání barev - CO, Pb, methanol, ethanol, jodoform, CS2

• nystagmus - mimovolné kmitavé pohyby očí, záškuby, třes očí - As, Pb, I-, methanol, ethanol, éter, HCCl3, HCI3, HCN, CS2

• mydriáza - rozšíření zornic - při každé otravě, při níž se postižený dusí -kokain, některé alkaloidy

Diagnóza otrav 35

Zrakové ústrojí