Transport przez błony komórkowe
advertisement
Warunkiem niezbędnym do zadziałania toksycznego ksenobiotyku jest jego wchłonięcie do żywego ustroju (organizmu), z wyjątkiem substancji o działaniu miejscowym (np. żrące kwasy lub zasady). Wchłoniecie ksenobiotyku następuje początkowo do krwioobiegu, a następnie musi się on przedostać w dostatecznym stężeniu do odpowiednich tkanek i narządów. Niezależnie od drogi podania, substancje chemiczne ulegają w organizmie bardzo wielu różnorodnym procesom. Całość procesów, określających los substancji obcych w organizmie nazywany jest metabolizmem ksenobiotyków (błędne jest odnoszenie tego pojęcia tylko i wyłącznie do biotransformacji ksenobiotyków). Głównymi procesami metabolizmu ksenobiotyków w organizmie są: wchłanianie (absorpcja), rozmieszczenie (dystrybucja), przemiany biochemiczne (biotransformacja), wydalanie. Z punktu widzenia toksykologa można wyróżnić podstawowe drogi wnikania ksenobiotyków do organizmu ludzkiego: poprzez skórę (droga dermalna), drogami układu oddechowego (droga wziewna), doustnie (droga pokarmowa), drogę pozajelitową (peranteralną) (dożylna, dootrzewnowa, domięśniowa, doskórna, podskórna, dordzeniowa), przez jamy ciała (dospojówkowa, donosowi, doodbytnicza, pochwowa). Mozaikowy model dynamiczny, w którym lipidy i białka są zorganizowane w strukturze mozaikowej (podstawą błony jest podwójna warstwa lipidowa, w której w różnym stopniu są zanurzone białka strukturalne i powierzchniowe. Transport przez błony komórkowe Każda komórka jest otoczona półprzepuszczalną błoną, przez którą przenikają, z różną szybkością, jony i cząsteczki. Grubość błony waha się zazwyczaj w zakresie 7‐10 nm. Model błony elementarnej został stworzony w 1959 roku przez Robinsona. Zakładał on powszechność występowania regularnego układu trójwarstwowego: białko ‐ lipidy ‐ białko we wszystkich strukturach laminarnych komórek. Grubość każdej z warstw miała wynosić około 2,5‐3,0 nm. Błona elementarna jest zbudowana z dwucząsteczkowej warstwy lipidowej, otoczonej z obu stron warstwą białek. Lipidy błony składają się głównie z: lecytyny, kefaliny, cholesterolu oraz kwasów tłuszczowych. Lipidy zwrócone są do siebie hydrofobowymi łańcuchami węglowodorowymi, a grupami polarnymi (fosfatydylowa i aminowa) do otaczającej ją fazy wodnej, gdzie oddziałują z polarnymi cząsteczkami białek, jonami nieorganicznymi i wodą. W środowisku wodnym lipidy tworzą micele, ugrupowane w postaci cylindrycznych kolumn. Powstają w ten sposób hydrofilowe kanały (pory) o średnicy 0,7‐1,0 nm, przez które woda oraz rozpuszczone w niej substancje przenikają do środka komórek. Białka błony (MW 5 000‐250 000 Da) rozgałęziają się i uwypuklają do warstwy lipidowej lub przenikają na jej drugą stronę. Białka strukturalne są dużymi cząsteczkami o budowie kulistej, z wbudowanymi najczęściej przez całą grubość lipidowej warstwy podwójnej, zorientowane grupami polarnymi i zjonizowane ku środowisku wewnątrz‐ i zewnątrzkomórkowemu. Białka powierzchniowe są związane oddziaływaniami elektrostatycznymi lub hydrofobowymi z zewnętrznymi powierzchniami białek strukturalnych. 1 Transport ksenobiotyków przez błony komórkowe (błony biologiczne) może odbywać się przez: Większość substancji przechodzi przez błony za pomocą dyfuzji biernej. Zachodzi ona bez nakładu energii wytwarzanej przez komórkę i odbywa się zgodnie z różnicą (gradientem) stężeń lub potencjałów na obu powierzchniach błony komórkowej. Dyfuzja elektrolitów organicznych jest podyktowana pewną, chociaż minimalną rozpuszczalnością w fazie lipidowej i dobrą w fazie wodnej. Przenikanie zależy od lipofilności i maleje ze stopniem jonizacji związku. Ilościowo proces dyfuzji opisuje prawo Ficka: szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do powierzchni błony i różnicy stężeń po obu jej stronach, a odwrotnie proporcjonalna do grubości błony: V Wiele ksenobiotyków występuje w formie zjonizowanej jak i niezjonizowanej (w zależności od wartości pH środowiska). Wielkość dyfuzji zależy od lipofilowości fazy niezjonizowanej substancji. Forma zjonizowana, ze względu na słabą rozpuszczalność w lipidach najczęściej nie przenika przez błony w oparciu o dyfuzje bierną. Absorpcja konwekcyjna (transport przez pory) umożliwia przenikanie przez błony substancji hydrofilowych do masy cząsteczkowej około 200 Da. Substancje są transportowane wraz z wodą przez pory błon o średnicach 0,7‐1,0 nm (ładunek błon może być dodatni, ujemny lub obojętny). Szybkość przenikania przez błony określa równanie: V n r 2 A(c1 c2 ) d V – szybkość przenikania przez błony, A – powierzchnia błony, n – liczba porów, r – promień porów, (c1 – c2) – różnica stężeń po obu stronach błony, ‐ lepkość, d – grubość błony. Transport aktywny substancji odbywa się wbrew gradientowi stężeń lub potencjałów. Niezbędna do tego celu energia jest najczęściej wyzwalana z rozpadu ATP pod wpływem enzymu ATPazy. Transport aktywny może być aktywowany lub inhibitowany przez aktywatory lub inhibitory mitochondrialnego łańcucha transportu elektronów lub substancji rozprzęgających proces fosforyzacji oksydacyjnej. Szczególnie ważne znaczenie fizjologiczne ma transport aktywny jonów nieorganicznych (sodowych i potasowych) przez błony, nazywany pompą sodowo‐ potasową oraz wydzielanie jonów wodorowych w błonie śluzowej żołądka i kanalikach nerkowych. W ten sposób są transportowane jony wapnia i żelaza. D A(c1 c2 ) d V – szybkość dyfuzji biernej, D – współczynnik dyfuzji, zależny od właściwości substancji (masa cząsteczkowa, konfiguracja przestrzenna, współczynnik podziału olej‐woda, stopień jonizacji) i właściwości błony, A – wielkość powierzchni błony (dyfuzyjność), d – grubość błony, c1 – c2 – różnica stężeń po obu stronach błony biologicznej. Pewne substancje przenikają szybciej przez błony niż to wynika z prawa Ficka tworząc kompleksy ze znajdującymi się na powierzchni błon białkowymi nośnikami. Jest to tak zwany transport ułatwiony (transport przenośnikowy). Związek niezjonizowany lub jon wiążą się z nośnikiem po jednej stronie błony i w postaci kompleksu przechodzą przez błonę, po czym odłączają się po drugiej stronie błony. Transport ten cechuje: •swoistość (dany związek lub grupa tworzy kompleksy z nośnikiem), • wysycenie (przy dużych stężeniach ksenobiotyków mechanizm transportu jest wysycany i nie ma możliwości zwiększenia jego szybkości), •hamowanie kompetycyjne (substancja o zwiększonym powinowactwie do nośnika hamuje transport innego związku chemicznego) Swoistą odmianą dyfuzji biernej jest transport par jonowych. Silnie zjonizowane aniony (np. kwasy sulfonowe) lub kationy (np. 4o zasady amoniowe) mogą tworzyć z jonami organicznymi, środowiska lub błony, o przeciwnym znaku kompleksy cząstek obojętnych elektrostatycznie, które przechodzą przez błony na zasadzie dyfuzji biernej zgodnej z prawem Ficka. W toksykologii szczególną rolę odgrywa transport aktywny zachodzący przy wydalaniu niektórych trucizn z organizmu. Specjalne systemy transportu dla słabych kwasów i słabych zasad występują w kanalikach nerkowych, hepatocytach i splocie naczyniowym komory mózgu. 2 Makrocząsteczki rozproszone lub zawieszone w środowisku, są pobierane poprzez komórki podczas endocytozy (w przypadku cząstek stałych proces jest nazywany fagocytozą, pobieranie makrocząstek rozpuszczonych w środowisku, np. białek nosi nazwę pinocytozy). Strawione elementy przenikają do cytoplazmy. Endosomy, które nie ulegają strawieniu, zostają wydalone z komórek w procesie egzocytozy. Za pomocą tego mechanizmu są transportowane: tłuszcze, glicerol, białka, witaminy A, D, E i K, skrobia, cholesterol, ferrytyna oraz jaja pasożytów, wirusy, bakterie i fagi. Substancje białkowe które mogą przyspieszać proces pinocytozy są nazywane induktorami pinocytozy. Przenikanie przez skórę Absorpcja ksenobiotyków przez skórę posiada szczególne znaczenie w zatruciach zawodowych, zwłaszcza w pracy z chemicznymi środkami ochrony roślin, a także w niektórych gałęziach przemysłu (głównie w kontakcie z rozpuszczalnikami). Przenikalność skóry jest zróżnicowana w zależności od rodzaju substancji. W porównaniu z innymi drogami transport przez skórę zachodzi stosunkowo wolno. Schemat przebiegu pinocytozy: cząsteczki z roztworu (A) zostają związane z receptorami na powierzchni błony (B), błona ulega wpukleniu (C) i zamyka się (D), odcina się od błony zewnętrznej (E) i ulega strawieniu Skóra składa się z trzech warstw: zewnętrznej, ochronnej, zwanej naskórkiem (łac. epidermis), warstwy środkowej, unaczynionej, zwanej skórą właściwą (łac. dermis), wewnętrznej warstwy podskórnej, składającej się z tkanki tłuszczowej i tkanki łącznej (łac. hypodermis). w obrębie skóry występują wytwory skóry, takie jak cebulki włosowe, gruczoły łojowe i potowe. Zrogowaciała zewnętrzna warstwa naskórka (łac. stratum corneum) (zbudowana z warstw suchych, płaskich keratynocytów. nie jest unaczyniona, nie odbywają się przemiany metaboliczne). Proces wnikania substancji chemicznych do organizmu poprzez warstwę rogową stratum corneum polega na pasywnym wnikaniu ksenobiotyków przez szereg warstw komórek. Zakłada się, że substancje polarne przenikają do wnętrza komórki przez włókna (mikrofilamenty) białkowe, podczas gdy substancje niepolarne przez matryce (obszary) lipidowe w błonie komórkowej. Uwodnienie stratum corneum powoduje, że substancje polarne łatwiej przenikają. Elektrolity wnikają do organizmu głównie w postaci niejonowej, a więc przenikalność przez skórę zależy od pH działającego roztworu. Możliwe sposoby przenikania substancji chemicznych przez skórę: dyfuzja przez naskórek do skóry właściwej (transport transepidermalny), wnikanie przez kanaliki potowe (transport transfolikularny), wzdłuż torebek włosowych, w których tkwią cebulki włosowe (transport transfolikularny). Wstępne potraktowanie skóry takimi rozpuszczalnikami jak: sulfotlenek dimetylowy (DMSO), metanol, etanol, heksan, aceton, mieszanina chloroformu i metanolu, powoduje znaczny wzrost przepuszczalności skóry. Efekt ten polega na usunięciu lipidów z naskórka, co powoduje zmiany jego struktury. Przenikanie przez skórę jest procesem zależnym od czasu, a przenikanie przez stratum corneum jest reakcją limitującą szybkość całego procesu. Wynika stąd, że czas ekspozycji na ksenobiotyk jest w tym przypadku czynnikiem najistotniejszym. Kinetyka przenikania przez skórę przypomina kinetykę wchłaniania przez układ żołądkowo‐jelitowy, z tym że ten drugi proces jest szybszy. 3 Wchłanianie w drogach oddechowych Układ oddechowy składa się z trzech regionów: Jama nosowo‐gardłowa jest wyścielona nabłonkiem rzęskowym, w którym są rozmieszczone liczne gruczoły śluzowe. Zadaniem tej części układu oddechowego jest usuwanie dużych, wdychanych z powietrzem, cząstek oraz ogrzewanie i nawilżanie (nasycenie parą wodną) wdychanego powietrza. Region tchawicy i oskrzeli składa się z tchawicy, oskrzeli i oskrzelików. Są to rozgałęziające się coraz węższe kanały, łączące jamę nosowo‐gardłową z obszarem płuc. Wyścielone są dwoma rodzajami komórek: nabłonkiem rzęskowym (migawkowym), w którym występują kielichowate komórki wydzielające śluz, czyli gruczoły śluzowe. Wydzielany przez nie śluz skleja zanieczyszczenia powietrza w większe konglomeraty, które dzięki ruchom rzęsek ku górze są przemieszczane z głębszych obszarów układu oddechowego do jamy ustnej, skąd mogą być usunięte ze śliną lub połknięte. Kanaliki regionu tchawicy i oskrzeli (oskrzeliki) rozgałęziają się, jednocześnie drogi przepływu powietrza stają się coraz węższe, lecz ich całkowita powierzchnia staje się coraz większa. Obszar płuc składa się z: oskrzelików oddechowych (małe naczynia rurkowate długości około 1 mm i szerokości około 0,5 mm, na których końcu znajdują się pęcherzyki płucne), przewodów pęcherzykowatych (małe naczynia rurkowate łączące dwa pęcherzyki płucne), splotów pęcherzyków płucnych (gron pęcherzyków płucnych). Schemat budowy płuc człowieka 1. tchawica 2. odgałęzienie tętnicy płucnej 3. drobna żyłka płucna 4. przewód pęcherzykowy 5. pęcherzyki płucne 6. wcięcie sercowe (wpustowe) 7. oskrzeliki 8. oskrzela III‐rzędowe 9. oskrzela II‐rzędowe 10. oskrzele główne 11. krtań Pęcherzyk płucny można opisać jako małą banieczkę (około 150‐350 µm średnicy), w której następuje wymiana gazowa pomiędzy otoczeniem a krwią. Całkowita powierzchnia pęcherzyków płucnych płuc człowieka wynosi około 35 m2 przy wydechu i około 100 m2 przy głębokim wdechu. W obszarze pęcherzyków płucnych na uwagę zasługują trzy kategorie obecnych tam komórek: komórki nabłonka oddechowego wyściełające wielowarstwowy pęcherzyk płucny, komórki produkujące surfaktanty, swobodnie poruszające się makrofagi fagocytowe. Struktura systemu oddechowego ssaków: a ‐ tchawica, b ‐ oskrzela, c – pęcherzyk płucny, d – rozmieszczenie naczyń krwionośnych wokół pęcherzyka, e – komórki i przestrzenie powietrzne w pęcherzyku, f – położenie komórek pęcherzyka płucnego i naczynia włosowatego Włosowate (kapilarne) naczynia krwionośne są w bezpośrednim kontakcie z komórkami wyścielającymi pęcherzyki płucne, tak więc zarówno gazy, jak i substancje rozpuszczone mogą łatwo pomiędzy nimi dyfundować. 4 Wchłanianie toksyn do organizmu drogą oddechową Otaczające powietrze Pęcherzyki płucne Krew, układ limfatyczny Tchawica, oskrzela Ważną rolę odgrywa częstość oddechu i szybkość przepływu krwi. Szybszy oddech powoduje szybsze wchłanianie związków lotnych i gazów do organizmu. Efekt ten wykorzystywano do wykrywania niebezpiecznych gazów w kopalniach przez obserwację zachowania kanarków (wcześniej traciły przytomność niż górnicy). Wdychane ksenobiotyki mogą wykazywać swoje szkodliwe działanie poprzez: niszczenie tkanki układu oddechowego, przez wniknięcie do układu krwionośnego i spowodowanie zatrucia całego organizmu. Gazy łatwo rozpuszczalne w wodzie są w pewnym stopniu usuwane w regionie nosowo‐gardłowym, tchawicy i oskrzelach. Usunięcie ich chroni dalsze odcinki układu oddechowego, jednak nie zapobiega przeniknięciu tych gazów do krwi. Gazy trudno rozpuszczalne w wodzie, chociaż nieco rozcieńczone przez parę wodną w regionie nosowo‐gardłowym, docierają do pęcherzyków płucnych. Ilość toksyny dostarczonej do płuc w postaci gazowej zależy od stężenia trucizny w powietrzu oraz od minutowej objętości oddychania. Nos, gardło Przewód pokarmowy Na szybkość wchłaniania gazów i par w drogach oddechowych wpływa wiele czynników, z których najważniejsze to: stężenie ksenobiotyków w powietrzu, wentylacja płuc, współczynnik podziału powietrze/woda (krew), rozpuszczalność w wodzie, szybkość biotransformacji i wydalania z ustroju. Minutowa objętość oddychania jest iloczynem objętości wdechu (normalna objętość oddychania), około 500 ml, i liczby oddechów na minutę (około 15). Retencja, czyli ilość (w procentach) zatrzymanego w drogach oddechowych ksenobiotyku, jest różna dla różnych związków i waha się w granicach od ok. 30 do ponad 90%. Retencja może ulegać zmianom w czasie wchłaniania aż do chwili ustalenia się równowagi między stężeniem związków w powietrzu i we krwi. R Przebieg retencji w czasie inhalacji par ksenobiotyku ci ce ci R ‐ retencja, ci ‐ stężenie par w powietrzu wdychanym, ce ‐ stężenie par w powietrzu wydychanym Trucizny mogą także docierać do pęcherzyków płucnych jako aerozole (ciecz‐gaz). Jeśli są one rozpuszczalne w lipidach, przenikają łatwo przez błony pęcherzyków płucnych na drodze dyfuzji pasywnej. Toksyczność pyłów zależy od rozmiarów cząstek: cząstki większe niż 10 µm osadzają się w jamie nosowo‐gardłowej i są usuwane przez kichanie lub przemieszczane są do jamy ustnej, gdzie mogą być albo połknięte, albo usunięte ze śliną. cząstki o rozmiarach 2‐5 µm zostają osadzone w rejonie tchawicy i oskrzeli. Przemieszczają się one ku górze wskutek ruchu rzęsek nabłonka wyściełającego tchawicę i mogą być wydalone z organizmu z plwociną lub połknięte dostają się do układu pokarmowego. cząstki mniejsze niż 1 µm docierają do pęcherzyków płucnych i osadzają się w nich . Stamtąd samodzielnie lub połączone z komórkami fagocytowymi mogą przemieścić się do rejonu tchawicy i oskrzeli, skąd zostaną usunięte wskutek ruchu rzęsek nabłonka. Alternatywnie mogą one przeniknąć przez małe (0,8‐1,0 µm) przestrzenie międzykomórkowe pomiędzy komórkami wyściełającymi pęcherzyki płucne i dotrzeć do układu limfatycznego. 5 Dużą rolę w resorpcji pyłów odgrywa higroskopijność i rozpuszczalność w wodzie, gdyż rozpuszczają się one w wydzielinie pokrywającej powierzchnię dróg oddechowych. Pyły związków trudno rozpuszczalnych w wodzie, a nawet praktycznie nierozpuszczalnych (np. siarczany ołowiu i krzemiany) mogą być resorbowane w drogach oddechowych w wyniku pinocytozy. Zanikanie nierozpuszczalnych pyłów w układzie oddechowym ma charakter wielofazowy. Pierwsza faza jest szybka ‐ okres połowicznego zaniku pyłów wynosi w niej kilka godzin i wiąże się z rzęskowym transportem w kierunku górnych odcinków dróg oddechowych. W odcinkach głębszych proces ten trwa znacznie dłużej ‐ okres połowicznego zaniku nierozpuszczalnych pyłów w pęcherzykach płucnych może trwać nawet kilkaset dni. Do oceny dawki wchłoniętej w drogach oddechowych, na podstawie oznaczeń stężeń w powietrzu, stosuje się następujący wzór: D = R.W.C.T gdzie: D ‐ ilość zatrzymanego w ustroju związku w mg (dawka), R ‐ retencja związku w płucach wyrażona jako ułamek, W ‐ wentylacja płuc w m3/h, C ‐ stężenie związku w powietrzu w mg/m3, T ‐ czas trwania ekspozycji w godzinach. Gaz reaktywny rozpuszczalny w wodzie Przykładem takiego gazu jest formaldehyd, który może indukować nowotwory jamy nosowej u szczurów eksponowanych inhalacyjnie na ten związek w wysokich stężeniach. Wskutek większego niż u innych gatunków przepływu powietrza przez nos szczura, formaldehyd dostaje się do tylnej części małżowin jamy nosowej i kontaktuje się bezpośrednio z powierzchnią dróg oddechowych, a następnie rozpuszcza się w wodzie śluzu. Ponieważ formaldehyd i jego metabolity są reaktywne, zostają one tam zatrzymane w postaci depozytu. Przy odpowiednio wysokim stężeniu formaldehyd działa cytotoksycznie, reaguje z DNA tworząc addukty, co może indukować powstanie nowotworów. Cząstki powstałe przy spalaniu często przenoszą zaadsorbowane na ich powierzchni wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które są rakotwórcze (kancerogenne). Te zaadsorbowane węglowodory mogą rozpuszczać się w płynach pęcherzyków płucnych i dostać się do układu krwionośnego jako związki rozpuszczone. Czynniki warunkujące oddechowym wchłanianie gazów i par w układzie Gazy i pary wchłaniane w układzie oddechowym można podzielić na 4 różne kategorie: 1) rozpuszczalne w wodzie i reaktywne, 2) rozpuszczalne w wodzie i niereaktywne, 3) nierozpuszczalne w wodzie i reaktywne, 4) nierozpuszczalne w wodzie i niereaktywne. Gaz niereaktywny rozpuszczalny w wodzie Gazy rozpuszczalne w wodzie szybko rozpuszczają się w warstwie śluzu pokrywającego jamę nosową, a część cząsteczek gazu może przenikać do krwi kapilarnej. W czasie wdechu pary dyfundują łatwo, zgodnie z gradientem stężeń z dróg oddechowych do śluzu i krwi kapilarnej. W czasie wydechu stężenie gazu w warstwie śluzu jest wyższe niż w drogach oddechowych, a stężenie gazu wracającego z płuc jest bardzo małe. W tym przypadku dyfuzja gazu zachodzi w kierunku odwrotnym, czyli ze śluzu i krwi do dróg oddechowy a gaz (lub para) są wydychane na zewnątrz ustroju. Przykładem takich związków jest etanol i metanol. W czasie wdechu związki te zostają w całości wypłukane z dróg oddechowych, natomiast w czasie wydechu do 30% par alkoholi ulega desorpcji i wydaleniu (efekt ochronnego nosa). Metanol i etanol reprezentują hydrofilne, niereaktywne pary absorbowane w wyższych partiach dróg oddechów i przenoszone do innych narządów, gdzie działają toksycznie. 6 Gaz reaktywny nierozpuszczalny w wodzie Przykładem takiego gazu jest ozon. Jest to toksyczny gaz drażniący, powstający między innymi w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy tlenem atmosferycznym i spalinami samochodowymi. Ponieważ jest to gaz reaktywny, ok. 50% wdychanego ozonu zostaje zatrzymana przez rozległą zewnętrzną powierzchnię jamy nosowej w czasie wdechu, uszkadzając w tym miejscu tkankę. W wyższych partiach dróg oddechowych stężenie ozonu w tkance nabłonkowej jest małe, gdyż ozon jako gaz reaktywny wiąże się ze składnikami śluzu. Tylko niewiele cząsteczek ozonu ulega wchłonięciu do tkanki nabłonkowej. Gdy ozon przechodzi do dalszych partii dróg oddechowych i wiąże się z oskrzelikami, więcej cząsteczek ozonu wchłania się do tkanki nabłonkowej, ponieważ w tym miejscu warstwa śluzu jest bardzo cienka. Podczas dalszego przechodzenia ozonu w dół dróg oddechowych jego stężenie gwałtownie spada, zanim ozon osiągnie pęcherzyki płucne. Gaz niereaktywny nierozpuszczalny w wodzie Przykładem niereaktywnego związku lipofilowego jest benzen. Wchłanianie par takiego związku zachodzi głównie w pęcherzykach płuc, a wydajność wchłaniania jest funkcją stężenia par w pęcherzykach płuc i współczynnika podziału powietrze/krew. Niektóre pary związków lipofilowych mogą ulec przemianie w płucach do toksycznych metabolitów. Przykładem takiego związku jest butadien, który powoduje powstanie nowotworu w płucach u myszy, ale nie u szczurów. Bezpośrednim sprawcą jest powstający z butadienu jego metabolit ‐ monoepoksyd. Badanie przemiany butadienu do monoepoksydu w warunkach in vitro (skrawki płuca myszy, szczura i człowieka) wykazały najwyższą wydajność przemiany u myszy, co było zgodne z wynikami badań in vivo. Z badań tych wynika też, że człowiek podobnie jak szczur jest mniej wrażliwy na kancerogenne działanie butadienu. Wchłanianie drogą pokarmową Przewód pokarmowy można podzielić na trzy zasadnicze odcinki, w których mogą zachodzić procesy wchłaniania: jama ustna z przełykiem, żołądek jelita. Śluzówka jamy ustnej jest przepuszczalna, na zasadzie dyfuzji, dla związków o optymalnym współczynniku podziału n‐oktanol/woda (np. cyjanki, nikotyna, nitrogliceryna). Sądzi się, że wchłonięty tą drogą związek omijając krążenie wątrobowe, a tym samym metaboliczną aktywność wątroby, może dłużej pozostać w tkankach niezmetabolizowany, a więc w biologicznie czynnej postaci. Z uwagi na krótki kontakt, w jamie ustnej wchłaniają się na ogół niewielkie ilości związków. W poszczególnych odcinkach przewodu pokarmowego procesy wchłaniania zachodzą z różną szybkością i wydajnością. W żołądku związki chemiczne mieszają się z pokarmem, kwasami żołądkowymi, enzymami trawiennymi i bakteriami. Każdy z tych czynników może zmienić toksyczność wprowadzonego związku chemicznego bądź wskutek modyfikacji związku, bądź też przez wpływ na jego absorpcję. Wykazano, że istnieją ilościowe różnice w toksyczności zależne od tego, czy związek chemiczny został podany z pokarmem, czy też wprowadzony do pustego żołądka. Ze względu na to, że pH soku żołądkowego ma wartość około 1, w żołądku wchłaniają się, metodą dyfuzji, substancje o charakterze słabych kwasów, a więc w niewielkim stopniu zdysocjowane, o pKa w granicach 3‐10, oraz o charakterze zasadowym, o pKa niższym od 3. Przykładem substancji stosunkowo dobrze wchłanianych w żołądku są alkohole. Większość ze związków chemicznych wprowadzanych przez usta wnika do krwi z jelit, które – jako bardzo pofałdowane – mają dużą powierzchnię wchłaniania. Związki te następnie wraz z krwią przechodzą bezpośrednio do wątroby. 7 Jelita są odcinkiem przewodu pokarmowego najlepiej przystosowanym do wchłaniania, które odbywa się w wyniku biernej dyfuzji, transportu przenośnikowego oraz pinocytozy w układzie kosmków jelitowych. Wchłanianiu w jelitach sprzyja olbrzymia powierzchnia czynna błony śluzowej, którą u człowieka ocenia się na 200‐ 300 m2, a także zmienność odczynu treści jelit od słabo kwaśnego w jelicie cienkim, do słabo alkalicznego w końcowych odcinkach. Wchłanianie toksyn do organizmu drogą pokarmową Pokarm Żółć Wątroba Przewód pokarmowy Żyła wrotna Krew, układ limfatyczny Wydalanie Zawarte w błonie śluzowej białka przenośnikowe specyficzne dla pierwiastków potrzebnych ustrojowi, np. apoferrytyna przenosząca żelazo, mogą także przenosić pierwiastki o podobnych właściwościach fizykochemicznych, jak: kobalt, nikiel, czy mangan. Także enzymy trawienne (np. hydrolazy) ułatwiają dalszy transport substancji. Cząstki o średnicy kilku nanometrów mogą być absorbowane z układu żołądkowo‐jelitowego w procesie pinocytozy i dotrzeć do układu krążenia za pośrednictwem układu limfatycznego. Makrofagi w ściankach jelit mogą wchłaniać metodą fagocytozy duże cząsteczki, jak barwniki azowe czy polistyren. Rozpuszczalne w lipidach kwasy i zasady organiczne są absorbowane jedynie w formie niezjonizowanej wskutek dyfuzji pasywnej. Równowaga po obu stronach błony komórkowej ustala się jedynie pomiędzy niezjonizowanymi formami. Opisuje ją równanie Hendersona‐Hasselbacha: ‐dla kwasów pK a pH log niezjonizowane zjonizowane pK a pH log zjonizowane niezjonizowane ‐ dla zasad gdzie: pKa‐ stała dysocjacji kwasowej Ksenobiotyki wchłaniane z jelit przed dotarciem do krwiobiegu trafiają do wątroby, w której są poddawane działaniu różnorodnych czynników biochemicznych, zmniejszających lub zwiększających toksyczność substancji. Ponadto wiele substancji wchłoniętych z jelit jest ponownie wprowadzanych do przewodu pokarmowego z żółcią (krążenie wątrobowo‐jelitowe). W jelitach, podobnie jak w wątrobie, mogą zachodzić procesy biotransformacji, ale na dużo mniejszą skalę. Dotyczy to przemian mikrosomalnych oraz pozamikrosomalnych, i to zarówno reakcji fazy pierwszej (utlenianie, redukcja), jak i drugiej (sprzęganie). Ponadto jelita zawierają bogatą florę bakteryjną, która może brać udział w reakcjach przemian ksenobiotyków. Mechanizmy ograniczające wchłanianie w jelitach: wydalanie do światła jelit substancji odpadowych, bardzo szybkie obumieranie i złuszczanie błony śluzowej jelit (czas życia komórek wynosi 2‐3 dni), wysycenie białek przenośnikowych, co ogranicza szybkość transportu przez błony, a w przypadku wchłaniania metali ‐ możliwość biosyntezy białek indukcyjnych wiążących je w trwałe kompleksy trudno przenikające przez błony komórkowe. Zaabsorbowane związki chemiczne są wprowadzane bezpośrednio do wątroby poprzez żyłę wrotną. Mogą także wniknąć do układu krwionośnego przy udziale układu limfatycznego, omijając wątrobę. 8 Część doustnie przyjętego związku chemicznego, jaka dociera do układu krążenia organizmu, określa równanie: BA Dystrybucja i wiązanie tkankowe ksenobiotyków Dystrybucja obejmuje zarówno rozmieszczenie substancji obcych między poszczególnymi tkankami i narządami, jak i przenikanie przez bariery wewnątrzustrojowe, nieswoiste wiązanie z białkami osocza i narządów oraz wybiórcze odkładanie się w tkankach (kumulacja). AUC p.o. AUCi.v. gdzie: BA oznacza biodostępność (bioprzyswajalność; ang. bioavailability), a AUC ‐ powierzchnię pod wykresem zależności stężenia ksenobiotyku w osoczu od czasu dla przedziału czasu od zera do nieskończoności Stężenie kokainy w osoczu krwi po podaniu dożylnym (A), doustnym (B), przez układ oddechowy (C). Losy ksenobiotyków w organizmie: X – ksenobiotyk, M ‐ metabolit, R – receptor, B – białko osocza, B' – białko narządów. Ogólnie biorąc w metabolizmie ksenobiotyków biorą udział: – procesy transportu (wchłanianie, dystrybucja, wydalanie), w których substancje przechodzą przez błony biologiczne, – procesy biotransformacji, w których w przemianach enzymatycznych lub nieenzymatycznych ksenobiotyki ulegają przekształceniu do jednego lub kilku metabolitów. Istotną rolę w transporcie substancji obcych w organizmie odgrywa układ krwionośny, za pomocą którego trucizny są przenoszone z miejsca wchłaniania, rozprowadzone do poszczególnych tkanek i narządów, a w końcu usunięte z organizmu w procesie wydalania. Stężenie substancji obcych w poszczególnych tkankach w dużym stopniu zależy od przepływu krwi. Ksenobiotyki mogą być wiązane we krwi przez krwinki lub przez białka osocza. Wraz z krwią są one przenoszone do wszystkich tkanek i narządów, przy czym szybkość ich zaniku we krwi zależy w dużej mierze od stopnia związania. Substancje słabiej związane, dobrze rozpuszczalne w wodzie, są szybko rozprowadzane do tkanek. Substancja, jeżeli jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i stosunkowo źle w tłuszczach (np. niższe alkohole), będzie się rozmieszczała w tkankach proporcjonalnie do zawartości wody całkowitej, dlatego wprowadzając ją do krwiobiegu w znanej dawce, można z góry przewidzieć jej początkowe stężenie we krwi i w tkankach. Często stosuje się pojęcie tzw. pozornej objętości dystrybucji (Vd), która jest ilorazem dawki podanej (D) i początkowego stężenia we krwi (C): Vd Związki chemiczne wchodzą i wychodzą z układu krążenia poprzez rozgałęzienia włosowatych naczyń krwionośnych. Ścianki naczyń włosowatych składają się z pojedynczej warstwy płaskich komórek nabłonkowych z porami o średnicy do 0,003 µm pomiędzy nimi. Cząsteczki rozpuszczalnych w wodzie związków o masie cząsteczkowej dochodzącej do 60000 Da wnikają do krwiobiegu poprzez te pory. Szybkość dyfuzji maleje gwałtownie wraz ze wzrostem rozmiarów cząsteczki. Dwie przeciwne sobie siły określają kierunek przepływu wody i substancji rozpuszczonych pomiędzy cytoplazmą i płynem międzykomórkowym: ciśnienie hydrostatyczne i ciśnienie osmotyczne. Różnica pomiędzy tymi potencjałami występującymi po dwóch stronach błony naczynia włosowatego określa, czy substancje rozpuszczone wnikają do naczyń włosowatych, czy też opuszczają je. Substancja zawarta we krwi może się odkładać w tkance tłuszczowej i proces ten jest odwracalny. Znając objętości interesujących nas obszarów (wodnego i tłuszczowego) oraz współczynnik podziału n‐oktanol/woda, można oszacować ich udział w rozmieszczeniu substancji. Mała szybkość zaniku substancji lipofilowych z tkanki powoduje, że pozostają one w tej tkance przez długi czas, zwłaszcza jeśli wysokiemu współczynnikowi podziału tłuszcz/osocze towarzyszy niewielka szybkość biotransformacji (np. DDT, chlordan). D C 9 Magazynowanie związków chemicznych w organizmie Sukcesywnie podawany związek chemiczny będzie magazynowany w organizmie, jeśli procesy jego eliminacji lub biotransformacji będą wolniejsze niż szybkość podawania (akumulacja alkoholu we krwi po dłuższym okresie jego spożywania). Niektóre związki chemiczne są magazynowane w specyficznych tkankach. Takie magazynowanie efektywnie usuwa trucizny z układu krążenia i w ten sposób formalnie zmniejsza ich toksyczne działanie. Wielokrotne dawki toksyny wprowadzone do organizmu mogą się systematycznie odkładać w tkance bez widocznych objawów zatrucia, aż do momentu wysycenia receptorów tkankowych. Po podaniu następnej, niewielkiej dawki pojawią się gwałtownie objawy zatrucia. W niektórych przypadkach zmagazynowane już związki chemiczne mogą zostać wyparte przez inne związki wykazujące większe powinowactwo do tych samych receptorów. Biotransformacja ksenobiotyków Organizm dysponuje komórkowymi systemami enzymatycznymi zdolnymi do biotransformacji lipofilowych związków chemicznych w polarne metabolity, łatwiej rozpuszczalne w wodzie. Takie reakcje zachodzą w komórkach wielu tkanek i narządów, między innymi w płucach, jelicie, nerkach, ale przede wszystkim w wątrobie. Większość wątrobowych enzymów uczestniczących w procesie biotransformacji ksenobiotyków jest enzymami wewnątrzkomórkowymi. Ponadto wątroba dysponuje humoralnymi systemami enzymatycznymi, syntetyzując i wydzielając do krwi krążącej enzymy metabolizujące ksenobiotyki w osoczu, np. esterazy. Wydalanie substancji z ustroju Szczególną rolę w procesie biotransformacji ksenobiotyków przez wątrobę odgrywają enzymy związane z błonami siateczki śródplazmatycznej gładkiej hepatocytów. W tych reakcjach wyróżnia się dwie fazy: w fazie I do struktury chemicznej lipofilowych ksenobiotyków zostają wprowadzone grupy polarne lub odłączone grupy alkilowe. Odbywa się to w wyniku różnorodnych reakcji chemicznych, wśród których istotny udział mają procesy hydroksylacji, utleniania, redukcji lub hydrolizy. Substancje obce mogą być wydalane z ustroju różnymi drogami. Z punktu widzenia toksykologii najważniejszymi są drogi oddechowe (z powietrzem wydychanym), układ moczowy (z moczem) i przewód pokarmowy (z kałem). Niewielkie ilości wydalone z potem lub śliną nie mają większego znaczenia, wydalanie z mlekiem matki może być istotne z uwagi na wchłanianie trucizny przez niemowlęta. w fazie II powstały metabolit lub ksenobiotyk, mający już ugrupowanie polarne, sprzęga się ze związkami bardzo dobrze rozpuszczalnymi w wodzie, np. kwasem glukuronowym, kwasem siarkowym czy glutationem. Wydalanie z powietrzem wydychanym Wydalanie z moczem Ten sposób wydalania ma istotne znaczenie w przypadku substancji lotnych. Przyjmuje się, że wydalanie z powietrzem wydychanym jest zależne od współczynnika podziału substancji w układzie powietrze/osocze, który dla uproszczenia zastępowany jest układem powietrze/woda. Substancje obce wydalane są z moczem głównie w postaci metabolitów, a tylko nieliczne (np. kwas ftalowy) w niezmienionej postaci. Proces wydalania jest bardzo złożony i składa się z trzech procesów cząstkowych: sączenia kłębuszkowego, biernej dyfuzji kanalikowej, czynnego transportu kanalikowego. W praktyce ilości wydalane tą drogą są zwykle małe dla substancji mającej współczynnik podziału rzędu 10‐4‐10‐3. Substancje o wyższym współczynniku podziału (np. nitrobenzen 2,7.10‐3) wydalane są w znaczących ilościach. Współczynnik podziału z zakresu 0,1‐1 powoduje, że szybkość wydalania tą drogą jest duża. Szybkość wydalania substancji obcych przez płuca na ogół nie rośnie liniowo ze wzrostem współczynnika podziału z uwagi na zachodzące procesy biotransformacji. Procesy te zachodzą w trzech różnych odcinkach nefronu. Sączenie kłębuszkowe odbywa się w torebkach kłębuszka nerkowego, transport czynny ‐ w bliższych odcinkach kanalików, dyfuzja bierna ‐ w dalszych odcinkach kanalików. 10 Mechanizmy wydalania nerkowego, a szczególnie aktywnego transportu są słabo rozwinięte u noworodków i niemowląt, co z równoczesnym niedorozwojem mechanizmów biotransformacji, zwłaszcza sprzęgania, jest przyczyną ich dużej wrażliwości na zatrucia zarówno lekami, jak i substancjami występującymi w środowisku. W biernym transporcie kanalikowym istotną rolę odgrywa rozpuszczalność danego związku w tłuszczach, sprzyjająca resorpcji zwrotnej, a także postać chemiczna, w jaką przeprowadzony jest związek w procesie II fazy metabolizmu. W efekcie wydajność wydalania z moczem substancji o charakterze kwasów sulfonowych, aminoarylowych, hipurowych czy glukuronidów jest duża, co w połączeniu z ich małą aktywnością biologiczną przyspiesza procesy detoksykacyjne organizmu. W celu określenia szybkości usuwania substancji z krwi przez nerki stosuje się pojęcie klirensu, rozumiane jako wypadkowa szybkość wszystkich procesów wydalania i resorpcji zwrotnej zachodzących w nerkach; określa się ją objętością krwi „oczyszczonej" z danej substancji, wyrażoną w mililitrach na minutę. Bariera krew‐mózg Jest zbudowana z komórek śródbłonka wyściełających ściany naczyń krwionośnych. W mózgu komórki te są bardzo ściśle połączone przez obwódki zamykające. Wokół naczyń układają się inne komórki: astrocyty i pericyty, które osłaniają włośniczki i prawdopodobnie umożliwiają komunikację międzykomórkową, oraz mikroglej, mogący uczestniczyć w naprawie uszkodzeń. Bariera krew‐mózg blokuje dostęp do mózgu wielu substancjom, nie tylko szkodliwym ale także lekom. Wydalanie z kałem Związki toksyczne zawarte we krwi wnikają do wątroby, gdzie są absorbowane z zatokowych naczyń włosowatych do komórek miąższu wątroby. Po metabolizacji przechodzą do żółci lub też powracają do krwi i są wydalane przez nerki. Z żółcią do światła przewodu pokarmowego wydalane są związki polarne (sole żółciowe, glukuronidy, bilirubina) oraz związane substancje toksyczne występujące we krwi jako kompleksy o masie cząsteczkowej większej od 300. Wydalanie z żółcią związków organicznych zwiększa się wraz ze wzrostem ich masy cząsteczkowej oraz zawartością grup hydrofilowych i lipidowych. Substancje wydalane z żółcią do dwunastnicy mogą ulegać resorpcji zwrotnej w jelitach na tej samej zasadzie, na jakiej wchłaniają się inne substancje. Kanadyjscy uczeni z Sunnybrook Health Sciences Centre opracowali przełomową metodę dostarczania leków do ośrodkowego układu nerwowego BBC News, 10/11/2015 Metoda wydaje się genialna w swej prostocie. Do krwiobiegu pacjenta wstrzykiwane są miniaturowe bąbelki wypełnione gazem. Wraz z prądem krwi docierają one także do naczyń krwionośnych mózgu. Wówczas do głowy pacjenta przykładana jest głowica emitująca fale ultradźwiękowe o tak dobranej częstotliwości i sile, że wprawiane przez nie w drgania pęcherzyki gazowe zachowują się jak mikroskopijne wiertła udarowe i przebijają się przez barierę krew‐mózg, tworząc z niej otwory, przez które do mózgu może przedostać się podany jednocześnie dożylnie lek, np. chemioterapeutyk. Po krótkim czasie otwory same się zamykają i bariera krew‐mózg odzyskuje swoją normalną szczelność. 11
