Biotransformace xenobiotik

Transkript

1 xenobiotika (zejména s log D 7,4 > 0) podléhají biochemickým reakcím biotransformace cílem zrychlení vylučování xenobiotik prostřednictvím zvýšení hydrofility (rozpustnosti ve vodě) výsledek biotransformace snížení až vymizení toxicity objevení nebo zvýšení toxicity ( aktivované reaktivní metabolity) metabolismus (ř. = přeměna) všechny osudy chemikálie v organismu (některé metabolity se zapojují do katabolismu) 1

2 Lokalizace biotransformačních pochodů hlavní biotransformační orgán játra (hepatocty) enterohepatální cyklus vliv poškození jater další biotransformační místa: plazma, plíce, ledviny, střevní stěna, svaly, slezina buňka endoplasmatické retikulum mitochondrie cytosol Zrnité (zer) a hladké (her) endoplasmatické retikulum v hepatocytu 2

3 I. fáze biotransformace chemická změna xenobiotika oxidačně-redukčními procesy zvýšení hydrofility zavedením / odkrytím polárních skupin, 2, S 1. xidační reakce dominující enzymové systémy (oxidoreduktasy) mikrosomální cytochrom P-450 (zavedení kyslíku) FAD-dependentní monooxygenasy (substráty s, S, P) nemikrosomální (alkoholdehydrogenasa, aminooxidasa aj.) Katalytické cykly flavin monooxygenasy a cytochromu P450 3

4 Reakce Strukturální změna 1. Katalyzované mikrosomálním systémem alifatická hydroxylace RC 3 RC 2 aromatická hydroxylace R R tvorba arenoxidů -dealkylace (heteroatomu) -dealkylace (heteroatomu) S-dealkylace (heteroatomu) -oxidace R C C C C R R R RC 2 Rʼ R 2 + RʼC 2 RC 2 Rʼ R + RʼC 2 RSC 2 Rʼ RS + RʼC 2 R 2 R R 1 R 1 R 2 R 2 R 3 R 3 Reakce Strukturální změna S-oxidace R 1 S R 1 S R 2 R 2 oxidativní deaminace RCC 3 2 R CC oxidativni desulfurace R 1 C S R 1 C R 2 R 2 oxidativní dehalogenace R X R= + X 4

5 Reakce Strukturální změna 2. Katalyzované nemikrosomálními systémy dehydrogenace RC 2 RC RC RC oxidace purinů monooxidace + R 3 R 3 R 3 + aminooxidace RC 2 2 RC Redukční reakce Reakce Strukturální změna azoredukce R=R 1 R R 1 R 2 + R 1 2 nitroredukce R 2 R R R 2 redukce karbonylu R 1 R 1 C R 2 R 2 redukce sulfoxidů (-oxidů) R 1 S R 1 S R 2 R 2 redukce disulfidů R S S R 1 R S + S R 1 redukční dehalogenace CCl 4 [CCl 3 ] + Cl 5

6 3. ydrolytické reakce Reakce hydrolýza esterů Strukturální změna R CRʼ + 2 R C + Rʼ hydrolýza amidů R CRʼ + 2 R C + Rʼ 2 hydrolytická dehalogenace RCX RC= + 2 X II. fáze biotransformace produkty I. fáze dále podléhají reakcím s endogenními (tělu vlastními) sloučeninami konjugace (spojení) s molekulami s polárními skupinami účelem je další zvýšení hydrofility molekuly produkty II. fáze polárnější a méně toxičtější než produkty I. fáze v některých případech může II. fáze předcházet I. fázi C 2 II. fáze acetylace C C C 3 isoniazid I. fáze hydrolýza C + C C 3 6

7 Typ konjugace/endogenní reaktant Typ substrátu C glukuronidace kyselina D-glukuronová fenoly, alkoholy, karboxylové kyseliny, hydoxylaminy, sulfosloučeniny sulfátová konjugace 2 fenoly, alkoholy, aromatické aminy adenosin-5-fosfosulfát P - S - glutathionová konjugace glutathion (Gly-Cis-Glu) 2 S epoxidy, arenoxidy, nitroskupiny, hydroxylaminy Typ konjugace/endogenní reaktant Typ substátu methylace 2 katecholaminy, fenoly, aminy, histamin S + C 2 adenosinmethionin acetylace C 3 C aminy acetylkoenzym A peptidová konjugace karboxylové kyseliny S 3 glycin, glutamin, taurin 2 7

8 Enterohepatální cyklus glukuronidy vylučované do žluči mohou být ve střevu dekonjugovány a znovu absorbovány nutné cyklus přerušit například methylrtuť, thallné sloučeniny, nitrosloučeniny, akrylamid, bisfenol A 8

9 Faktory ovlivňující biotransformaci rozdíly v biotransformaci rozdílná toxicita interdindividuální mezidruhové vnější faktory 9

10 Interindividuální rozdíly stupeň vývoje organismu (věk) u savců se jaterní enzymy aktivují až po narození ve stáří klesá enzymová aktivita snížení tvorby glukuronidů u dětí větší absorpce v gastrointestinálním traktu, např. kademnaté ionty 20 více než u dospělých pohlaví organismu samci hlodavců biotransformují rychleji než samice, např. chloroform poškozuje játra jen myším samcům u člověka neprokázáno (jen pokles biotransformace v těhotenství) zdravotní a fyzický stav jaterní onemocnění značný vliv na průběh biotransformace choroby ledvin ovlivňují vylučování močí vzájemné ovlivnění lék xenobiotikum (indukce / inhibice enzymů) genetické dispozice (genetický polymorfismus) Koncentrace antituberkulotika isoniazidu v plasmě po 6 hodinách od podání 9,8 mg/kg (pro 267 pokusných jedinců) 10

11 Mezidruhové rozdíly rozdíly v genetické informaci předmět studia srovnávací toxikologie specifické účinky (herbicidy aj.) studium toxických účinků výběr vhodného modelu (člověk metabolicky příbuznější vepři domácímu než potkanovi) rozdíly v I. i II. fázi biotransformace např. hydroxylace anilinu: masožravci vykazují ortho-hydroxylaci hlodavci vykazují para-hydroxylaci rozdíly se týkají i biologického poločasu xenobiotika genetická rozdílnost v rámci jednoho druhu (lidská rasa) interindividuální rozdíly Vnější faktory složení potravy (dieta) např. nízkoproteinová dieta u potkanů brání aktivaci kancerogenního dimethylnitrosaminu dále: cukry, tuky, vitaminy, biogenní prvky kouření (indukce enzymů) fyzikální jevy z okolního prostředí teplota, vlhkost, přirozené radiační záření střídání světla a tmy aktivita monooxygenas vykazuje 24 hodinové i měsíční cykly stres 11

12 současné působení více chemikálií obvykle značně nespecifické kompetitivní (soutěživá) inhibice enzymů (methanol ethanol) indukce syntézy mikrosomálních enzymů (fenobarbital, dioxiny) výsledkem aditivita, např. kombinace toxicita Aditivita (2 + 2 = 4) 5 4 organofosfátů 3 2 synergismus toxicita směsi 1 vyšší než součet toxicit xenobiotikum A (samotné) xenobiotikum B (samotné) směs A + B obou látek, např. tetrachlormethan toxicita Synergismus (1 + 1 = 5) 5 4 v kombinaci s alkoholem xenobiotikum A (samotné) xenobiotikum B (samotné) směs A + B antagonismus toxicita směsi menší než součet toxicit obou látek potenciace toxicita látky se zvýší současně podanou látkou bez nebo s malým toxickým účinkem, např. zvýšení hepatotoxicity tetrachormethanu současným podáním toxicita toxicita Antagonismus (4 + 2 = 1) xenobiotikum A (samotné) xenobiotikum B (samotné) Potenciace (0 + 2 = 5) směs A + B netoxického isopropanolu xenobiotikum A (samotné) xenobiotikum B (samotné) směs A + B 12

13 Vylučování xenobiotik xenobiotikum (metabolity) vylučováno z jednotlivých tkání a orgánů (eliminace) z celého organismu (exkrece) exkrece ledviny moč (hlavní vylučovací cesta) játra žluč střevo stolice plíce vydechování jiné cesty tělní sekrety (pot, sliny, slzy, mateřské mléko aj.) xenobiotikum má (obvykle) svoji hlavní vylučovací cestu, závisí na fyzikálně-chemických parametrech látky: M r < 350 do moči M r > 450 do žluči biotransformačních mechanismech (např. enterohepatální oběh) kumulaci látky v organismu Vylučování xenobiotik biologické poločasy hodiny lehko vylučitelné organické látky (benzen, styren) desítky hodin obtížněji vylučitelné organické látky (trichlorethylen) stovky hodin ionty kovů (rtuť) tisíce hodiny ionty kovů (olovo, kadmium, arsen), lipofilní organické látky 13

14 Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik ledvinami nejdůležitější cesta exkrece rychlost ovlivněna činností ledvin i krevního oběhu při poruše ledvin změna rychlosti exkrece zvýšení diuresy medikamentózně nebo příjmem tekutin zrychlení exkrece některé konjugáty se mohou rozpadat v močovém měchýři a xenobiotikum se může znovu absorbovat do krve Vylučování xenobiotik 14

15 Vylučování xenobiotik glomerulární filtrace průtok krve ledvinami asi 1200 ml/min exkrece volných molekul xenobiotika a metabolitů do M r ~ ne vázané na plasmatické bílkoviny (albumin, M r ~ ) hnací silou hydrostatický a koloidně-osmotický tlak Vylučování xenobiotik tubulární sekrece a resorpce (snižuje exkreci) tubuly tvořeny semipermeabilní lipoidní membránou umožňuje vylučování / resorpci xenobiotik vázaných na proteiny 15

16 Vylučování xenobiotik pk b = 7,0 ovlivnění vyučování p moči fyziologická moč p = 6,3 6,6, mezní hodnoty 4,5 až 7,5 medikamentózní podání 4 Cl nebo ac 3 pk b = 6,5 pk b = 7,5 Vylučování amfetaminu (pk b = 4,2) ledvinami Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik játry druhá nejvýznamnější cesta exkrece (průtok asi 1300 ml/min krve) látka vyloučena do žluče (0,8 ml/min) a s ní do tenkého střeva enterohepatální cyklus druhy eliminace lipofilní látky prostou difusí (koncentrační gradient) hydrofilní látky (konjugáty) s M r > 450 aktivním transportem závisí na zdravotním stavu jater 16

17 Vylučování xenobiotik lipofilní xenobiotikum hydrofilní xenobiotikum Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik plícemi mezi krví a vzduchem je lipoidní bariéra s velkým počtem pórů pro nepolární látky s vysokou tenzí par (ether, chloroform, ethanol) benzen až 40 % vylučováno touto cestou k vylučování může dojít i po ukončení exposice ovlivněno plochou plic, rychlostí dýchání (fyzická zátěž) 17

18 Vylučování xenobiotik Vylučování xenobiotik ostatními cestami podružný význam vylučování slinnými, potními, mazovými nebo slznými žlázami výjimkou vylučování do mateřského mléka snadno lipofilní látky (DDT, polychlorované bifenyly, nikotin, morfin, acetylsalicylová kyselina, kofein) koncentrace látek rovny až koncentraci v krvi Toxikokinetické modely sledování toxikokinetiky v živém organismu vzhledem ke složitosti systému přesné sledování nemožné nepřímo monitorováním koncentrace ve snadno dostupných prostředích (krev/plazma, moč, stolice) modelování umožňuje odhadovat rychlost a velikost absorpce xenobiotika předvídat vliv změny dávky a cesty vstupu xenobiotika snížení následků působení xenobiotika (léčba) modely jako rozhodující uvažují průnik biologickými bariérami (difusí) kompartmentové modely průnik, transport, biotransformaci fyziologické modely 18

19 Toxikokinetické modely Kompartmentové modely xenobiotikum z místa podání do místa účinku překonává bariéry bariéry (difuse biologickými membránami) organismus (resp. distribuční prostor) nahrazen soustavou vzájemně propojených oddílů kompartmenty (angl. oddělení (ve vlaku), přihrádka, součást) jako by xenobiotikum bylo ve formě homogenního roztoku v jedné (nebo více) nádobách Toxikokinetické modely farmakokinetické parametry modelu kapacitní popis schopnosti kompartmentu uskladňovat látku distribuční objem V d [ml, l] kinetické popis rychlosti procesů rychlostní konstanta k [s 1, hod 1 ], poločas procesu t 1/2 [s, hod] clearance Cl [l min 1 ] plocha pod křivkou AUC (z angl. area under curve), udává skutečné množství xenobiotika v krevní plasmě [mg l 1 h] c, mg l t, h 19

20 Toxikokinetické modely Jednokompartmentové modely intravenózní podání c, mg l D = 40 mg V d = 40 l k e = 0,25 h 1 absorpce odpadá eliminace kinetikou 1. řádu D c0 Vd ct c0 exp( ket) ket logct logc0 2, t, h c, mg l D = 40 mg V d = 40 l k e = 0,25 h E t, h Toxikokinetické modely extravaskulární podání (např. orální) absorpce kinetikou prvého řádu z místa podání do distribučního prostoru vedle absorpce probíhají ztrátové c, mg l D = 40 mg V d = 40 l k a = 0,50 h 1 k e = 0,25 h 1 k Z = 0,05 h 1 procesy (presystémová eliminace) k z t, h koncentraci xenobiotika v krvi určuje c, mg l D = 40 mg V d = 40 l k a = 0,50 h 1 k e = 0,25 h 1 k Z = 0,05 h 1 kinetika následných a bočných reakcí Batemanova funkce 0.01 D k 1E-3 c = (exp(- k t) - exp(-( k +k ) t)) a t e a z Vd k a+kz -ke t, h 20

21 Toxikokinetické modely Dvoukompartmentové modely intravenózní podání zahrnuje distribuci krev tkáně c, g ml D = 4 mg A = 6,56 g ml 1 = 0,847 min 1 B = 1.57 g ml 1 = 0,0691 min 1 3 V 1 = 492 ml 2 V 2 = 965 ml 1 průběh koncentrace v 1. kompartmentu c, g ml t, min -fáze -fáze 1. kompartment 2. kompartment c ( t ) A exp( t) B exp( ) 1 t t, min Toxikokinetické modely Fysiologické modely toxikokinetický model pro ethylen (ET) a ethylenoxid (E) 21

22 Toxikokinetické modely Biologická dostupnost (bioavailability) podíl množství podaného xenobiotika, které je obsaženo v krevní plazmě jako nezměněné závisí na cestě vstupu xenobiotika a na rychlosti jeho eliminace dána podílem AUC při sledované a intravenosní aplikaci (dávka) F (dávka) i.v. AUC AUC exam. exam. i.v. c, mg l F = 0.90 D = 40 mg V d = 40 l k a = 0,50 h 1 k e = 0,25 h 1 k Z = 0,05 h t, h Toxikokinetické modely Clearence z angl. to clear = vyčistit objem krve (plasmy) očištěný od xenobiotika za jednotku času [l min 1 ] vyjadřuje míru vylučování xenobiotika ( očištění organismu) 22

23 Toxikokinetické modely podle orgánu, ve kterém exkrece probíhá můžeme rozlišit renální clearanci Cl r hepatickou clearanci Cl h (= biotransformace) intestinální clearanci Cl i (= presystémová eliminace) Cl = Cl r + Cl h + Cl i + toxikokinetické modely jednokompartmentový (intravenosně) Cl D AUC V d k e dvoukompartmentový (intravenosně) Cl D AUC V 1 β 23