OBECNÁ TOXIKOLOGIE TOXIKOKINETIKA ADME - SYSTÉM RECEPTOR; RECEPTOROVÁ TEORIE FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÉ VLASTNOSTI XENOBIOTIK)

Transkript

1 OBECNÁ TOXIKOLOGIE VZTAH mezi TOXIKOKINETIKOU a TOXIKODYNAMIKOU Zabývá se obecné principy interakce XENOBIOTIKA s organismem INTERAKCE I. TOXIKOKINETIKA - zabývá se osudem xenobiotika v organismu XENOBIOTIKUM ORGANISMUS - časové hledisko TOXIKOKINETIKA TOXIKODYNAMIKA II. TOXIKODYNAMIKA CO DĚLÁ ORGANISMUS S XENOBIOTIKEM - zabývá se mechanismem působení xenobiotika v organismu resorbce distribuce biotransformace exkrece účinek mechanismus účinku CO DĚLÁ XENOBIOTIKUM S ORGANISMEM - CO dělá xenobiotikum ÚČINEK - JAK to xenobiotikum dělá MECHANISMUS Ú. KONCENTRACE V MÍSTĚ PŮSOBENÍ RECEPTOR; RECEPTOROVÁ TEORIE TOXIKOKINETIKA studuje osud látky v organismu co dělá organismus s léčivem časové hledisko FYZIOLOGICKÝ SUBSTRÁT osud látky v organismu : RECEPTOR je určován BIOTRANSFORMACE Interakce s receptory jiných typů Regulační mechanismy organismu XENOBIOTIKUM INICIACE KOMPLEX XENOBIOTIKUM - RECEPTOR EFEKTOROVÝ SYSTÉM ŘADA REAKCÍ TOXIKOLOGICKÝ EFEKT MANIFESTACE I. II. existující struktury organismu fyzikálně-chemické vlastnosti látky ABSORPCE různé tkáně "depo" systémová cirkulace A B DISTRIBUCE cílová tkáň s receptory ELIMINACE ADME - SYSTÉM Adsorpce Distribuce Metabolismus (biotransformace) Eliminace Adsorpce Distribuce Metabolismus (biotransformace) Dynamické procesy ADME PROCESY KINETIKA & ROVNOVÁHA - proces převodu xenobotika z místa vstupu do systémového krevního oběhu - proces při němţ dochází k rozdělení (rozptýlení) xenobiotika z krevního řečiště do jednoho nebo více kompartmentů, tkání nebo orgánů - přeměna xenobiotika v ţivém organismu na jinou sloučeninu(y) většinou podmíněná biochemickými procesy enzymatického původu FYZIKÁLNĚ-CHEMICKÉ VLASTNOSTI XENOBIOTIK) 1. MOLEKULOVÁ HMOTNOST Mw xenobiotik g.mol -1 s rostoucí Mw roste odpor k přestupu přes membrány 2. POLARITA polárnější látky rychleji eliminovány z organismu 3. STEREOSPECIFITA biotransformační enzymy nejsou racemické 4. ROZPUSTNOST látka je účinná pokud je alespoň částečně rozpustná rozdělovací koeficient = c olej /c voda 5. IONIZACE většina xenobiotik slabé báze nebo slabé kyseliny Ionizovaná forma xenobiotika není schopna procházet lipofilními membránami Neionizovaná forma xenobiotika přechází přes lipofilní membránu Čím je ph vyšší (zásaditější), tím je vyšší ionizace slabých kyselin Čím je ph niţší (kyselejší), tím je vyšší ionizace slabých zásad Eliminace (exkrece) - proces vyloučení xenobiotika a jeho metabolitů z krevného oběhu do vnějšího prostředí 6. VAZBA NA BÍLKOVINY Čím vyšší je afinita látky tím větší je vazba na bílkoviny Čím větší je vazba, tím déle setrvává látka v organismu (prodluţuje se účinek) 1

2 STRUKTURY NA STRANĚ ORGANISMU BUNĚČNÉ MEMBRÁNY FOSFOLIPIDOVÁ DVOJVRSTVA Fofolipidová dvojvrstva (8 nm); Amfifilní charakter; Vodné prostředí self-assembling Složení: glycerol, mastné kyseliny, H 3 PO 4 další skupina (cholin - lecithin, inositol, serin) HYDROFÓBNÍ STŘED (= LIPOFILNÍ) neprostupný pro polární a nabité částice (Apolární - nabité částice - prostupují dobře) INTEGRÁLNÍ PROTEINY (např. receptory, transportní molekuly) VNĚJŠÍ TĚLESNÉ BARIÉRY BARIÉRY MEZI KRVÍ A TKÁNĚMI PROSTUP BIOLOGICKÝMI MEMBRÁNAMI Předpokladem resorpce léčiv je jejich průnik do buněk (b. organel) Sliznice Kapilární síť PASIVNÍ TRANSPORT AKTIVNÍ TRANSPORT nevyžaduje přísun energie hnací silou koncentrační rozdíl - vyžaduje přísun energie - možný i proti koncentračnímu gradientu TRANSPORT PŘES i DIFUZE ii TRANSPORTNÍ SYSTÉM MEMBRÁNY iii VEZIKULÁRNÍ TRANSPORT A/ TRANSCYTÓZA Různé mechanismy transportu B/ ENDOCYTÓZA C/ EXOCYTÓZA DIFUZE Extracel. prostor B. membrána AKTIVNÍ TRANSPORT Extracel. prostor B. membrána Lipofilní látky jsou schopny přestupovat z extracelulárního prostoru do b. membrány a následně do cytosolu Cytosol Některá léčiva překonávají membránovou bariéru nezávisle na svých fyz.-chem. vlastnostech (lipofilii) Cytosol Směr a rychlost prostupu závisí na poměrech koncentrací ve vodních prostředích TRANSPORTNÍ SYSTÉM Látka musí mít AFINITU (schopnost vazby) FICKůV ZÁKON Čím větší je koncentrační gradient, tím větší je difundované množství léčiva za časovou jednotku Pro hydrofilní látky je b. membrána neprostupná Aktivní transport (spotřeba energie, proti koncentračnímu spádu) Afinitu mají pouze léčiva s podobnými vlastnostmi jako fyziologický substrát transportního systému Lipofilní látka Hydrofilní látka Látka s afinitou k transportnímu systému Látka k s afinitou k transportnímu syst. kompetitivní inhibice Látka bez afinity k transportnímu systému 2

3 VEZIKULÁRNÍ TRANSPORT ENDOCYTÓZA ZPROSTŘEDKOVANÁ RECEPTORY Vytvoření komplexu RX a transport k dalším RX shlukování následované vchlípením a zaškrcením Vezikula cíleně předá svůj obsah b. organelám Afinita k receptoru; nezávisí na gradientu TRANSCYTÓZA i TRANSPORT DO EXTRACEL. PROSTORU ii SPOJENÍ S LYZOSOMY ZA TVORBY FAGOLYZOSOMŮ A TRANSPORTOVANÁ LÁTKA JE ODBOURÁNA Extracel. prostor B. membrána Cytosol CESTY VSTUPU XENOBIOTIK DO ORGANISMU Působení LOKÁLNÍ (místní, topické) Působení CELKOVÉ (systémové) XENOBIOTIKUM vstupuje do organismu různými způsoby, nejčastěji: 1) INHALACE (= vdechování) 2) PERORÁLNÍ (= ústy; per os, p.o.) 3) TRANSDERMÁLNÍ (kůţí) 4) Další cesty mají význam pouze v EXPERIMENTÁLNÍ TOXIKOLOGII Intravenózní (do žíly) Subkutální (pod kůži) Intramuskulární (do svalu) Intraperitoneální (do břišní dutiny) ad. FIRST PASS EFFECT účinek prvního průchodu játry Proces během něhož se léčivo z GIT (!?) dostává do jater (hlavní orgán metabolismu) kde se do různého stupně metabolizuje dříve, než se dostane do krevního oběhu. játra vrátnice ENTERÁLNÍ APLIKACE ENTERÁLNÍ (prostřednictvím GIT) PARENTERÁLNÍ (mimo GIT) ENTERÁLNÍ APLIKACE absorbce sliznicemi GIT - SUBLINGVÁLNÍ (= pod jazyk) - silně prokrvená sliznice dutiny ústní - neprochází játry - PERORÁLNÍ (= ústy; per os, p.o.) - ţaludeční sliznicí - (ph > 1-2) absorbce lipofilních nedisociovaných látek (např. ethanol) Enteron = střevo Para = vedle - tenké střevo hlavní místo absorpce (ph = slabě bazické) INHALACE (vstup vdechováním) TRANSDERMÁLNÍ (kůţí) Vstup pro: plyny páry kapalin kapičky aerosolu LIPOFILNÍ XENOBIOTIKUM Plíce silně prokrvené Neprochází játry Nejčastější vstup pro xenobiotika v průmyslu snadný průchod přes buněčné membrány HYDROFILNÍ XENOBIOTIKUM průchod kanálky potních a mazových ţláz VSTUP OČNÍ SLIZNICÍ Faktory ovlivňujíví prostup kůţi: - vlhkost kůţe - teplota - věk Polární aprotická rozpouštědla + Dimethylsulfoxid (DMSO) 3

4 ABSORPCE (resorpce) ABSORPCE (resorpce) PROCES POHYBU LÁTKY Z MÍSTA PODÁNÍ DO SYSTÉMOVÉ CIRKULACE Látka musí opakovaně pronikat přes b. membrány RYCHLOST a ROZSAH ABSORPCE závisí: lipofilitě ionizaci ph velikosti molekul atd. RYCHLOST ABSORPCE = je určována ABSORPČNÍ KONSTANTOU (1. řád většinou) ZMĚNY KONCENTRACE LÁTEK V ČASE (exponenciální funkce) KINETIKA 1. ŘÁDU Fickův zákon RYCHLOST ABSORPCE: mnoţství XENOBIOTIKA resorbované za časovou jednotku = ADSORPČNÍ KONSTANTA k a BIOLOGICKÁ DOSTUPNOST (bioavailability) - stupeň přestupu látky F = < 0,1 > čas, za který je resorbována polovina aktuálně přítomného xenobiotika = RESORPČNÍ POLOČAS t 0,5 DISTRIBUCE PROCES PŘI NĚMŢ DOCHÁZÍ K ROZPTÝLENÍ XEMOBIOTIKA Z KREVNÍHO ŘEČIŠTĚ DO JEDNOHO NEBO VÍCE KOMPARTMENTŮ Pouze do určitých kompartmentů můţe XENOBIOTIKUM proniknout = = DISTRIBUČNÍ PROSTOR Mírou kapacity distribučního prostoru je DISTRIBUČNÍ OBJEM V d [l] ČLOVĚK 75 kg Plazma 4% těl. hm. (3l) Intracelulární v. 8% těl. hm. (6l) Extracelulární v. 17% těl. hm. (12l) CELKOVÁ v. 60% těl. hm. (45l) VAZBA NA BÍLKOVINY (Distribuce) představuje DEPO, které oslabuje intenzitu, zpomaluje eliminaci a prodlužuje účinek Molekuly xenobiotika se mohou v krvi vázat na četné bílkovinné molekuly komplex X-B ALBUMIN -globuliny Kyselé glykoproteiny další vykazují substrátovou specifitu. Vazba je rychlá a reverzibilní: X + B LB Význam: 1/ pouze volné xenobiotikum vyvolává účinek 2/ volné xenobiotikum určuje rychlost eliminace BIOTRANSFORMACE (METABOLISMUS) přeměna xenobiotika v živém organismu na jinou sloučeninu(y) většinou podmíněná biochemickými procesy enzymatického původu Xenobiotika (většinou) podléhají v organismu metabolickým procesům biotransformují se, vzniklé metabolity jsou následně eliminovány BIOTRANSFORMACE (METABOLISMUS) Hlavní orgán m. - játra v. portae ml/min a. hepatica ml/min 30 % srdečního minutového výdaje BIOTRANSFORMACE (obvykle 2 fáze) i) chemické přeměny (oxidace, redukce, hydrolýza atd.) ii) konjugace s endogenními látkami (k. glukuronová atd.) přítomnost velkého množství enzymů CYTOCHROM P 450 Oxidace, hydroxylace atd. PŘI BIOTRANSFORMACI DOCHÁZÍ: 1/ ztráta biologické aktivity bioaktivace Xenobiotikum Metabolit bioinaktivace Konjugát Zvýšení hydrofilie krev žluč 2/ zvýšení polarity (hydrofility) usnadnění eliminace močí bioinaktivace Metabolit bioinaktivace Eliminace 4

5 ENTEROHEPATÁLNÍ CYKLUS ELIMINACE (EXKRECE) Xenobiotikum Konjugace tenké střevo KONJUGOVANÉ XENOBIOTIKUM -glukoridináza proces vyloučení xenobiotika a jeho metabolitů z krevného oběhu do vnějšího prostředí Většina xenobiotik se vylučuje ve formě svých metabolitů (méně často v nezměněné formě) tzv. renální eliminací tj. ledvinami (močí) glukuronová kyselina játra Eliminace žlučí Glukuronidy s Mw > 300 preferují přestup do ţluče Glukuronidy s Mw < 300 preferují přestup do krve a jsou odvedeny do ledvin a eliminovány XENOBIOTIKA PODSTUPUJÍCÍ E-H. CYKLUS SE VYLUČUJÍ POMALU (př. DIGITOXIN) Pasivně glomelurální filtrace (< Da) Aktivně sekreční mechanismus (aktivní transport) Možnost zpětné resorpce Hydrofilní látky se zpětně neresorbují a jsou rychle renálně eliminovány EXKRECE EXKRECE ZMĚNY KONCENTRACE LÁTEK V ČASE (exponenciální funkce) KINETIKA 1. ŘÁDU (výjimečně 0. řád - Ethanol CLEARENCE = objem krve (plazmy) očištěný od látky za časovou jednotku [ objem / čas ] Fickův zákon RYCHLOST ELIMINACE: = mnoţství X. eliminovaného za časovou jednotku = charakterizována ELIMINAČNÍ KONSTANTA k a = KONSTANTA ELIMINAČNÍ KONSTANTA AREA UNDER CURVE: CL = D / AUC k E = CL / V d ELIMINAČNÍ POLOČAS: Doba, za kterou se sníţí koncentrace xenobiotika na polovinu původní hodnoty t 0,5 AUC = F. D / CL F = b. dostupnost D = dávka CL = clearence AREA UNDER CURVE PLOCHA POD KŘIVKOU PŘÍVODNÍ A ELIMINAČNÍ CESTY XENOBIOTIK jednorázové podání F = AUC p.o./auc i.v. AUC = F.D/CL MEK Minimální efektivní koncentrace TK Toxická koncentrace AUC Plocha pod křivkou Intenzita účinku Rozdíl mezi MÚ a MEK Terapeutická šíře Rozdíl mezi TK a MEK 5

6 ČASOVÝ PRŮBĚH KONCENTRACÍ XENOBIOTIKA V PLAZMĚ MÍSTA ZÁSAHU XENOBIOTIK XENOBIOTIKA zasahují specifická místa v organimu - místa pro fyziologické substráty - a tím zasahují do ţivotních funkcí Aktuální koncentrace je výsledkem invaze a paralelně probíhající eliminace CÍLOVÉ STRUKTURY PRO ZÁSAH XENOBIOTIK: BÍLKOVINY RECEPTORY = vazebná místa pro mediátory TRANSPORTÉRY ENZYMY NUKLEOVÉ KYSELINY LIPIDY SACHARIDY MECHANISMUS ÚČINKU Účinek xenobiotika je dán změnou biochemických a fyziologických funkcí organismu 1/ Nespecifický mechanismus účinku - nereceptorový - není dán interakcí se specifickým místem v organismu - A/ Působení na základě svých fyzikálně-chemických vlastností např. narkotický účinek některých centrálních anestetik - B/ Zprostředkované mechanismy účinku např., ovlivnění ph v ţaludku, účinky neresorbovatelných pryskyřic atd. RECEPTOR RECEPTOROVÁ TEORIE RECEPTOR - specializovaná buněčná komponenta, s kterou xenobiotikum interaguje (reaguje) a tím navozuje specifickou odpověď organismu Makromolekulární komponenta (většinou bílkovina) Receptory zajišťují specifickou vazbu s látkou (ligand), přičemţ po jejím navázání navodí biologické pochody (transdukce signálu), které nakonec vyústí v sledovaný efekt 2/ Specifický mechanismus účinku Interakce se specificky uspořádanými místy organismu (receptor příp. další struktury) Přirozené aktivátory receptorů řada endogenních látek: hormony neurotransmitery autakoidy růstové faktory atd. RECEPTOR RECEPTOROVÁ TEORIE LOKALIZACE RECEPTORŮ - buněčná membrána - extracelulárně - intracelulární přenašeč - membrány subcelulárních struktur R + X RX RECEPTOR XENOBIOTIKUM Vazba RF je reverzibilní KOMPLEX XENOBIOTIKUM-RECEPTOR EFEKT po splnění úlohy se R a X oddělí a receptor je znovu k dispozici fyziologickému substrátu nebo XENOBIOTIKU (shodnému nebo jinému) AGONISTÉ versus ANTAGONISTÉ ANT AGONISTÉ ÚČINNÁ LÁTKA NEÚČINNÁ LÁTKA - látka, která aktivuje receptor podobně jako endogenní substrát - látka, která inhibuje účinku endogenních látek (příp. účinku agonistů) - působí jako specifické (fyziologické) mediátory - působí ve velmi nízkých koncentracích - vykazují stereoselektivitu - saturabilitu (zvýšení koncentrace substrátu nad jistou hladinu již nezvýší účinek) - lze je blokovat ANTAGONISTY ANTAGONISTÉ - působí jako specifické blokátory receptorů - blokace působení fyziol. substrátu ANTAGONISMUS = PROTICHŮDNÉ PŮSOBENÍ 6

7 RECEPTOROVÁ KONCEPCE SPECIFICKÝ (RECEPTOROVÝ) ÚČINEK Kaţdé xenobiotikum má ve vztahu k receptoru dvě základní vlastnosti: A/ AFINITA vazebnost - schopnost vazby na receptor B/ VNITŘNÍ AKTIVITA schopnost vyvolat účinek (schopnost aktivovat receptor) molekula (droga, substrát) receptor komplex droga - receptor R- receptor F xenobiotikum RF komplex receptor-léčivo Příklad komplexu droga - receptor Receptor: Cyklofilin A Princip zámku a klíče KOMPETITIVNÍ ANTAGONISMUS Soutěţ 2 substrátů o 1 recepční místo ANT Droga: Cyklosporin A Mechanismus účinku => konformační změna vyvolá biochemickou reakci: komplex cyklosporin A - cyklofilin A blokuje produkci interleukinu-2, který je růstovým faktorem T-lymfocytů (T-lymfocyty (bílé krvinky) jsou odpovědné za imunitu organismu) Podmínka reversibilní vazba obou na receptor Afinita a koncentrace rozhoduje, která z látek obsadí receptor Změnou koncentrace lze ovlivnit obsazení receptoru (efekt versus blokáda) kaţdá látka můţe být vytěsněna vysokou koncentrací druhé Vyuţití v terapii intoxikací otrava antidotum + vnitřní aktivita ANT NEKOMPETITIVNÍ ANTAGONISMUS KOMPETITIVNÍ DUALISMUS 2 substráty působí na 2 různá recepční místa (různé receptory) Účinek nekompetitivního antagonisty nelze odstranit vysokými koncentracemi agonisty Efekt R1 F1 R2 F2 A - agonista B nekompetitivní antagonista R - receptor + vnitřní aktivita ANT 2 substráty s afinitou a různou vnitřní aktivitou působí na 1 recepční místo Kompetitivní dualista má v podstatě dvojí účinek: 1/ působí jako agonista aktivuje receptor 2/ působí jako antagonista blokuje receptor pro působení jiného agonisty IREVERSIBILNÍ ANATGONISMUS Antagonista obsazuje receptor ireversibilně a (dlouhodobě) A - agonista B - kompetitivní dualista R - receptor + vnitřní aktivita ANT 7

8 ALOSTERICKÝ ANTAGONISMUS FUNKČNÍ ANTAGONISMUS Alosterický antagonista se váţe mimo vlastní oblast receptoru. Tato vazba vyvolá takovou změnu receptoru, která sníţí jeho afinitu vůči agonistovi. ALOSTERICKÝ SYNERGISMUS Alosterický synergista se váţe mimo vlastní oblast receptoru. Tato vazba vyvolá takovou změnu receptoru, která zvýší jeho afinitu vůči agonistovi. + vnitřní aktivita ANT Dva agonisté na dvou různých receptorech ovlivňují tutéţ funkci, ale protichůdně Funkční antagonismus je realizován prostřednictvím různých dějů, která nemají stejná maxima, ale jen opačný směr nelze výslednou reakci zcela predikovat (tak jako u kompetitivního antagonismu) CHEMICKÝ ANTAGONISMUS Látka sniţuje koncentraci agonisty jeho chem. přeměnou např. tvorbou komplexů + vnitřní aktivita ANT ETHYLALKOHOL psychotropní účinky ETHYLALKOHOL psychotropní účinky Nespecifický mechanismus účinku Sedativně-hypnotická látka Resorpce z GIT: žaludek tenké střevo - v nezměněné podobě Množství ethanolu v krvi: Distribuce: Metabolismus: Požitý EtOH [g] / Hmotnost. F = [ ] EtOH v krvi F - muži = 0.68; - ženy = 0.55 OH do všech orgánů v játrech O O OH Fyziologická hladina Nefyziologická hladina Podnapilost Mírný stupeň opilosti Střední stupeň opilosti Těžký stupeň opilosti 3.0 a více - Akutní otrava AKUTNÍ INTOXIKACE EtOH: 3 stádia udržení vitálních funkcí excitační narkotické komatózní k. oběh, dech, termoregulace AKUTNÍ INTOXIKACE EtOH: 3 stádia udržení vitálních funkcí excitační narkotické komatózní k. oběh, dech, termoregulace Infúze glukózy s přiměřeným množstvím inzulínu = Terapie chronického alkoholismu Dlouhodobý proces = Terapie akutní intoxikace EtOH Alkoholismus Orgánové, psychické a osobnostní změny Gastritida, cirhóza jater, polyneuritida, kardiopatie Apomorfin navození podmíněného zvracecího reflexu Disulfiram ANTABUS AAR (aversní antabusová reakce) inhibice metabolismu ETOH (stádium CH 3 CH=O) Akamprosát snižuje touhu po alkoholu anticraving effect NIKOTIN NÁSLEDKY KOUŘENÍ TABÁKU Alkaloid obsažený v tabáku Agonista ACH-receptorů (Ganglia S a P, příčně pruhovaná svalovina) Vegetativní ganglia zvýšená sekrece žaludečních šťáv zvýšená střevní činnost defekační efekt ovlivnění krevního tlaku odstranění pocitu hladu (glykogen + MK) tichý stres metabolismus antidiuretický efekt zvýšená dechová frekvence zvyšuje se citlivost (tlak, teplo, bolest) podráždění centra pro zvracení svalová kocovina (nervosvalová ploténka) Sušené a fermentované listy Nicotiana tabacum kouření, šňupání a žvýkání spalování tabáku inhalace > 4000 sloučenin 8 s od první inhalace nikotin detekovatelný v mozku Abstinenční příznaky: nervozita snížená schopnost koncentrace zvýšení tělesné hmotnosti 8