Bezpečnostní inženýrství - Toxikologie - Hlavní zdroj: Kolská Z., Toxikologie, PřF UJEP, 2007 M. Jahoda
Obecná toxikologie 2 Základní pojmy Toxikologie věda, která se zabývá studiem nepříznivých účinků chemických, fyzikálních a biologických agens na živé organismy a ekosystémy včetně 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 3 Z historie Paracelsus (Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim) Všechny substance jsou jedy, neexistuje žádná, která by jím nemohla být. Pouze dávka odlišuje jed od látky neškodné, nebo léku. 1493-1541 lékař alchymista položil základy farmakologie, toxikologie a moderní terapie, objevil vztah dávka-účinek
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 rostlinného původu). 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 kvantitativní výpovědi. 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
Obecná toxikologie 6 Faktory ovlivňující toxický účinek 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). Toxické látky Chemické (jedy) Fyzikální (prachové částice pod 5 m, vlákna) Biologické (patogeny)
Toxické látky 7 Jednotky velikosti účinku Hmotnostní (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 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)
Toxické látky 8 Dávka Látka LD 50 (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 (LD 50 ) 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 Letální dávka (smrtelná) odhaduje se výpočtem koeficientu LD 50 - což je výpočet dávky, která způsobí akutní uhynutí 50 % experimentálních zvířat (myší nebo potkanů).
Projevy toxického účinku 9 Akutní otrava může nastat při vlastní expozici, bezprostředně po ní nebo se zpožděním vniknutí nadkritické dávky do organismu v krátké době, projevuje se okamžitým účinkem látka vniká do organismu v podkritických dávkách, je ukládána v některém orgánu a jednorázově vyplavena do krve v nadkritickém množství Průběh prudký, představují bezprostřední ohrožení zdraví nebo života 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 po přerušení 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 mimořádně nízká citlivost na vysoké dávky)
Mechanismy toxického účinku 12 Obecně cizorodá látka působí tak, že se naváže na určité místo v organismu zvané receptor a tím ovlivní nějakou důležitou životní funkci. 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, CHCl 3, CCl 4, benzen, toluen )
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 Imunitní systém slouží k tomu, aby byl schopen rozpoznat v organismu cizorodou látku a aby se ji pokusil z organismu vytěsnit. Je-li nějaká látka rozpoznána jako cizí antigen, imunitní systém vyprovokuje tvorbu protilátek, které vytvoří s antigenem komplex (protilátka-antigen) a tím je antigen inaktivován. 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
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, heteroaromatické nitrosloučeniny 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
Toxokinetika 16 Zabývá se rychlostí a mechanismem účinku toxickou látku na živý organismus za různých podmínek. Zkoumá osud toxické látky v organismu po celou dobu setrvání v organismu po jednotlivých krocích. Popisuje průběh absorpce toxické látky (vniknutí do organismu), distribuce (rozvod toxické látky do organismu), biotransformace (přeměna toxické látky) a exkreci (vyloučení toxické látky nebo jejích metabolitu z organismu). Místo expozice 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 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 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 Odezva plic na toxické látky Podráždění kyselé mlhy (např. HCl) Otok fosgen (COCl 2 ) Rozedma plic 1 kouření Fibróza 2 oxid křemičitý (silikóza) Karcinom azbest 1 úbytek plicní tkáně 2 náhrada plicní tkáně vazivem
Absorpce toxické látky 18 Absorpce kůží některé chemické látky se mohou velmi rychle vstřebat - např. nervové plyny, CCl 4, 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 (látky žíravé a dráždivé), nebo jsou ze zažívacího traktu absorbovány do krve a to podél celého zažívacího traktu, kdekoli na cestě: ústní dutina konečník hnací silou absorpce je lipofilita látky (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
Biotransformace 21 vetšina toxických látek podléhá po vstupu do organismu chemickým přeměnám, biotransformací, metabolickým přemenám některé biotransformace vedou ke vzniku méne toxických látek detoxikace jiné vedou ke vzniku toxictejších látek bioaktivace nebo metabolická aktivace Biotransformační reakce Reakce I. fáze oxidace - nejvýznamnější redukce hydrolýza Reakce II. fáze slučování (konjugace) s kyselinou glukuronovou, glutathionem, nebo kyselinou sírovou (sulfátová konjugace) methylace acetylace
Exkrece 22 = vyloučení toxické látky nebo jejich metabolitů z organismu rychlá eliminace snižuje pravděpodobnost výskytu toxicity látky a snižuje trvání jejího biologického efektu Nejdůležitější cesty Moč malé, ve vodě rozpustné molekuly (velké molekuly neprocházejí ledvinami; lipofilní látky jsou zpětně resorbovány z tubulů) při léčbě intoxikací může být exkrece látek urychlena alkalizací/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 % benzenu eliminováno plícemi) pasivní difúzí z krve do plicních sklípků díky rychlé výměně plynů stálé zachování koncentračního gradient Stolice cizorodá látka se dostává z jater se žlucí do tenkého a tlustého streva a odtud do stolice takto vystupují zejména vysokomolekulární látky, např. tetracyklinová antibiotika (širokospektrá bakteriostatická antibiotika) Pot velmi nepříjemné pokud se takto vylučují látky silně zapáchající jako např. některé thioly nebo kyselina máselná
Studium toxicity 24 Určení toxického účinku - lokální účinek, cílový orgán, systémové účinky, akutní, chronické účinky. Určení toxické dávky - určit dávku, která bude produkovat určitý toxický účinek. 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 he přenos informace problematická 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)
Rozdělení odezvy při konstantní dávce 25 Základní koncept Dávka a odezva může být měřena. Velikost odezvy je závislé na dávce. Všechny toxické interakce dávka-odezva lze sledovat. Se zvyšující se dávkou dochází ke zvýšení počtu postižených a/nebo zvýšení intenzity účinku. Testy na početné populaci. Stejné dávky (obvykle dávka/tělesnou hmotnost). Určení počtu nebo podílu jedinců, kteří mají odezvu. Dávka = (Koncentrace) x (Čas) střední hodnota
Odezva (%) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 Průměrná odezva při různých dávkách 26 Získaný vztah je pro každou látku individuální. Opakování testu s různými dávkami. Nalézt průměrnou odezvu na každou dávku. Graf Odezva proti logaritmu Dávky. průměrná odezva při dané dávce 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Proložit data charakteristickou esovitou křivkou. 2 0 Jednotky dávky Množství na jednotku hmotnosti (mg/kg) Množství na jednotku povrchu kůže (mg/m 2 ) log (Dávka)
Vyjádření akutní toxicity 27 ED f efektivní dávka (malý vratný účinek, podráždění) pro f procent populace. TD f toxická dávka (nesmrtelný nevratný účinek) pro f procent populace. LD f smrtelná dávka pro f procent populace. Perorálně (mg kg -1 ) TD lo Nízká toxická dávka nejnižší účinná dávka LD 10 Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populace LD 50 Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace Inhalačně (ppm [x hod]) TC lo Nízká toxická dávka - nejnižší účinná dávka LC 10 Smrtelná dávka 10 % - dávka, která zapříčiní smrt 10% testované populace LC 50 Smrtelná dávka 50 % - dávka, která zapříčiní smrt 50% testované populace
Diagnóza otrav 28 Kůže 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 = H 2 O 2,...
Diagnóza otrav 29 Dýchací systém perforace (proděravení) nosní přepážky - kokain, Cr, CrO 4 2- krvácení z nosu - KI, KClO 3, benzen,... otupení čichu - Cl 2, CS 2, H 2 S zápach dechu - bývá charakteristický pro některé otravy, např. česnekový zápach - As dýchací poruchy - projevují se u většiny jedů krvácení z plic - halogeny, benzín, éter, CS 2, NH 3 plicní edém - Cl 2, fosgen
Diagnóza otrav 30 Trávicí soustava poruchy chuti - kovová chuť : H 2 S, Br-, KI, As, Pb snížení chuti - Pb 2+, Hg 2+, kofein, morfin, nikotin, chinin česneková chuť - HCI 3, As nasládlá chuť - H 2 S nekróza dásní (Bi - krvácení dásní) různá zbarvení sliznice ústní dutiny (žlutá - HNO 3, černá - Ag, šedé lemy dásní - Pb, Bi, namodralé lemy - Hg) nadměrné slinění je vyvolávána celou řadou látek - H 2 S, B, ClO 3-, Bi, Mn, éter, nitroglycerin, HCCl 3, HCBr 3, HCI 3, HCN, CS 2,... vyschlost v krku - Li+, As, Ba, atropin, fenmetrazin, KClO 3 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 31 Trávicí soustava vyšetření zvratků Velmi důležité je při převozu do nemocnice uchovat vzorek zvratku a předložit je k analýze. bělavé zvratky - Ag, As modrozelené - soli Cu, CrO4 2-, roztoky I - světélkující ve tmě - P zpěněné - OH -, KCN, saponin (rostlinný glykosid) zapáchající - prozrazují zapáchající jed podráždění rektální sliznice - otrava antibiotiky
Diagnóza otrav 32 Urogenitální ústrojí většina jedů působí proteiurii - výskyt bílkovin v moči oligonurie nebo oligurie - snížení vylučování moci 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 33 Nervová soustava poruchy vědomí (narkotika, hypnotika) závratě - Ba, antipyretika, chinin, hypnotika, soli Li, alkoholy poruchy koordinace - CO, H 2 S, Br -, As, Hg, methanol, ethanol, nikotin, kofein, atropin, anilin halucinace - Co, N 2 O, benzin, methanol, ethanol, hypnotika, arkotika, LSD, alkaloidy, jodoform, kafr značná excitace - CO, N 2 O,H 2 S, KClO 3, 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, H 2 S, Br -, I -, benzin, LSD, nitrobenzen
Diagnóza otrav 34 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) hemorrhagická encefalitida - krvácení do mozku, následně zápal mozkových blan - arsenobenzeny
Diagnóza otrav 35 Zrakové ústrojí 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, CS 2, námel ianthinopsie - fialové vidění - atropin snížení barvocitu - rozpoznávání barev - CO, Pb, methanol, ethanol, jodoform, CS 2 nystagmus - mimovolné kmitavé pohyby očí, záškuby, třes očí - As, Pb, I -, methanol, ethanol, éter, HCCl 3, HCI 3, HCN, CS 2 mydriáza - rozšíření zornic - při každé otravě, při níž se postižený dusí - kokain, některé alkaloidy