Toxikokinetika osud xenobiotika v živém organismu jak organismus působí na xenobiotikum (řec. = uvést v pohyb, rozpohybovat) fáze ADME = absorption, distribution, metabolism, excretion (vstup) absorpce a distribuce metabolismus (biotransformace) a exkrece Toxikokinetika orálně inhalačně dermálně gastrointestinální trakt plíce kůže intravenózně subkutánně intramuskulárně játra portální krev krev a lymfa žluč extracelulární kapalina tuk ledviny plíce orgány stolice moč exspirace tkáně / kosti Biotransformace 1
aby xenobiotikum vyvolalo účinek musí dosáhnout místa účinku: buňka, organela, receptor vstup (podání) xenobiotika intravaskulární absorpce odpadá intravenosní (i.v.) rychlost nástupu účinku intraarteriální (i.a.) extravaskulární musí dojít k absorpci inhalační (inh.) intramuskulární (i.m.) rektální subkutánní (sc.) perorální (or., po.) transdermální (derm.) absorpce proces jímž se nezměněné xenobiotikum dostává z místa podání do distribuce (krev, systémový oběh) při různých cestách vstupu různé kvantitativní ale i kvalitativní účinky (např. proteinové šípové jedy) presystémová eliminace (first-pass efect) rozhodující charakteristiky organismu velikost absorpční plochy prokrvenost místa kontaktu počet překonávaných bariér rozhodující charakteristiky xenobiotika velikost (geometrie) molekuly stupeň disociace (pk a ) hydrofobnost (rozdělovací koeficient oktanol-voda, log P) 2
Velikost molekul xenobiotika rozsah molárních hmotností 0 600 g mol 1 výjimečně více, např. trombolytické enzymy 50 000 g mol 1 H 2 O M r = 18,0153 Li 2 CO 3 M r = 73,891 penicilin G M r = 334,39 Disociace molekul xenobiotika ve vodných roztocích jsou silné i slabé elektrolyty ionizovány a disociovány H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH R-NH 2 + H 3 O + R-NH 3+ + H 2 O R-COOH + H 2 O H 3 O + + R-COO karboxylová skupina pk a = 3,0 O OH OH hydroxyskupina pk a = 13,4 kyselina salicylová disociační konstanta HB + H 2 O H 3 O + + B log K log[h O ] log K 3 a log[h O ] log[b ] log[hb] ph pk a 3 a [H3O ][B ] Ka [HB] log[b ] log[hb] [B ] log [HB] 3
vliv ph prostředí na stupeň disociace benzoová kyselina (pk a = 4), resp. anilin (pk b = 9,37) ph benzoová % anilin % kyselina neion. neion. COOH 1 99.9 2 99 0,1 3 90 1 4 50 10 COO NH 3 + NH 2 5 10 50 6 1 90 7 0,1 99 kolik procent z podané dávky xenobiotika s hodnotou pk a = 3,5 bude v žaludku (při ph 2,5) v disociované formě ph pk [B ] log ph pk [HB] [B ] 10 [HB] [B ] 10 [HB] a [B ] log [HB] ph pk a 2,5 3,5 a 0,1 10 % 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 HB B 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 ph 4
distribuce slabé kyseliny (pk a = 3) v jednotlivých tělních tekutinách ŽALUDEK ph ~ 3.0 PLASMA ph ~ 7.4 MOČ ph ~ 5.0 (0,004 ) RCOOH (0,004 ) RCOOH (0,004 ) RCOOH RCOO (0,004 ) RCOO (99,5 %) RCOO (0,4 %) Rozdělovací koeficient xenobiotika charakterizuje schopnost látky rozpouštět se v tucích [xenobioti kum] n P [xenobioti kum] oktanol v oda sloučenina log P glycin 3,21 EDTA 1,93 sarin 0,45 acetylsalicylová kys. 1,02 benzoová kys. 1,88 DDT 6,76 5
zdánlivý rozdělovací koeficient D pravdivější, je funkcí ph (např. log D 7,4 ) karboxylová skupina pk a = 3,0 O OH OH kyselina salicylová log P = 1,78 hydroxy skupina pk a = 13,4 Prostup biologickou membránou místem specifického toxického účinku je buňka / organela xenobiotikum musí překonat buněčnou membránu obaluje a chrání buňku (organely) představuje bariéru mezi krví a vnitřkem buňky 6
Prostup biologickou membránou 1. pasivní difuze přenos látek lipofilní povahy (M r 500) vlivem koncentračního gradientu (Fickovy zákony) buněčnou stěnou kinetika 1. řádu 2 k ln p t 1/2 k p penetrační konstanta biologické membrány = nevodné prostředí korelace účinku s log P 2. filtrace hydrofilní látky (M r ~ 100 200) mohou procházet póry v buněčné stěně některých buněk neprochází větší (organické) ionty nebo látky vázané na plasmatické bílkoviny Prostup biologickou membránou 3. pasivní / aktivní přenašečový transport membránové proteiny (proteinové pumpy) přenašeč žlučových kyseliny přenašeč glukoronidů velké hydro- i lipofilní molekuly, anorganické i organické ionty aktivní transport i proti koncentračnímu gradientu (spotřeba energie) 7
Prostup biologickou membránou 4. transcytosa pinocytosa vstřebávání kapiček média, včetně rozpuštěné látky fagocytosa vstřebávání celých částic Inhalační vstup xenobiotik nejdůležitější cesta, trvá po celou dobu života plicní sklípky: 140 m 2 denně 10 30 m 3 vzduchu retence ovlivněna vlastnostmi látky (těkavost) vstřebané množství [g] inhalované xenobiotikum m inh = Rc ex V min t R retence <0, 1> c ex koncentrace ve vnějším prostředí [g l 1 ] V min ventilace plic [l min 1 ] t délka expozice [min] plíce plicní sklípky xenobiotikum v plazmě krevní kapilára 8
Inhalační vstup xenobiotik plyny a páry rozdělovací koeficient vzduch-krev po 30 minutách ustavení retenční rovnováhy aerosoly, prach částice ~ 5 μm usazování částice < 0,1 μm mohou být i vstřebány nejrychlejší a nejúčinnější vstup xenobiotik ihned se dostávají do distribuce (inhalace par rtuti více než 50 %) Vlákna azbestu v plicích potkana Transdermální vstup xenobiotik plocha kůže asi 2 m 2 kvalita pokožky na různých místech těla různá pokožka ~ 10 m škára podkožní vazivo a tuk 9
Transdermální vstup xenobiotik vliv stavu pokožky poranění (až intravenosní expozice!) vlhkost, stáří plyny a páry zanedbatelné množství (nepostačuje k vyvolání účinku) kapaliny (významné při profesionální expozici) lipofilní látky absorpce přes membrány hydrofilní látky absorpce zanedbatelná směsi zvýšení penetrace Perorální vstup xenobiotik pozřené xenobiotikum zbytek organismu játra portální žíla ledviny dolní dutá žíla moč střevo žaludek krevní kapilára xenobiotikum v plazmě játra 10
Perorální vstup xenobiotik 1. vstřebávání v žaludku mohou se vstřebávat (ale ne příliš významně) elektroneutrální hydrofilní i lipofilní látky (malá M r ) ionty (aktivní transport) jednomocné (desítky %) dvojmocné (jednotky %) vícemocné (desetiny %) ph žaludeční šťávy ovlivňuje vstřebávání jen slabé kyseliny Perorální vstup xenobiotik 2. vstřebávání v tenkém střevu hlavní část vstřebávání (velká plocha 40 m 2 ) vstřebávání závisí na složení potravy nerozpustné látky se nevstřebávají vstřebané látky přecházejí rovnou do jater, kde probíhá hlavní část biotransformace first-pass efect presystémová eliminace, zapříčiňuje rozdíly v toxicitě xenobiotik podaných orálně a jinou cestou enterohepatální cyklus obecně vstup s velkou kapacitou, ale omezenou absorpcí (lze ji snížit odstraněním / zrychlením průchodu látky) 11
Intravaskulární vstup xenobiotik obvykle intravenosní (žilní) podání odpadá absorpce, xenobiotikum jde přímo do distribuce bez průchodu játry (100 % xenobiotika distribuováno), neuplatní se presystémová eliminace (např. bisfenol A, THC, chlorpromazin, morfin, nikotin) časový průběh koncentrace xenobiotika v krvi v závislosti na způsobu podání biologický poločas xenobiotika t 1/2 [min., hod., dny] určen rychlostí vstřebávání, metabolismu a vylučování ukazuje na kumulaci xenobiotika v těle 12
formy xenobiotika v plasmě volné vázané na biomolekuly (albumin 4,6 g/100 ml plasmy, globuliny, transferrin, ceruloplasmin, glykoproteiny, - a -lipoproteiny) přeměněné na metabolity (volné vázané) ovlivnění distribuce xenobiotik rychlost distribuce xenobiotika (metabolitů) do tkáně ovlivňují prokrvenost tkáně 13
průchodnost stěn krevních kapilár kapilární řečiště velká plocha, pomalý tok buňky kapilár tvoří bariéru, propojeny těsnými spoji (zonulae occludens Z) různý typ tkáně srdeční sval: transcytóza pankreas: hydrofóbní póry (prochází i proteiny, inzulin) mozek: hematoencefalická bariéra játra: okénka až 100 nm bariéra plazma-nervové buňky (hematoencefalická) méně prostupná zejména pro hydrofilní látky zánět může zvýšit permeaci (penicilín) ph mozkomíšního moku 7,35 zonulae occludens, fosfolipidová dvojvrstva, transportéry a iontové kanály, enzymatická bariéra, odtoková (efflux) pumpa 14
placentární bariéra řada buněčných vrstev oddělující matku a plod ochrana plodu + jeho výživa a odstraňování metabolitů prochází zejména lipofilní látky (DDT, kofein) ph krve matky 7,44, ph krve plodu 7,3 zvyšování koncentrace slabých bází v plodu bariéra krev-varlata podmínky vstupu xenobiotika do tkání (ph, lipofilita, přenašečový transport) ionizace salicylové kyseliny (pk a = 3,0) intracelulární prostor (ph = 6,8) [B ]/[HB] = 6 300 plazma (ph = 7,4) [B ]/[HB] = 25 100 v plazmě 4 vyšší koncentrace ionizované formy afinita xenobiotika k vazbám na biomolekuly plasmy, k vazbám na tkáně (kumulace xenobiotik) vede k prodloužení biologického poločasu játra a ledviny (místa eliminace xenobiotik), velká kapacita pro kumulaci cytoplasmatický protein ligandin v játrech (organické kyseliny) metallothionein v ledvinách (kadmium, olovo, rtuť) pigment melanin v oku (fenothiaziny, chlorchinon 100 víc než v játrech) 15
tuková tkáň váže lipofilní xenobiotika (vysoké log P) individuální na množství tuku (obezita) malá perfuse krví (3 ml/min na 100 g) pomalá redistribuce kostní tkáň akumuluje kovy (olovo až 90 % z množství v organismu, stroncium), fluoridy (kostní fluorosa), tetracykliny, cis-platinu (osteosarkom) Distribuční objem V d definován jako objem kapaliny ve které by se musela rozpustit podaná dávka xenobiotika, aby dosáhla stejné koncentrace jako v plasmě zdánlivý distribuční objem (může být větší než celkový tělesný objem vody) velikost závisí na charakteru xenobiotika pro intravenózní vstup lze vypočítat přímo z dávky V dávka d koncentrace v plazmě [mg] [l] 1 [mg.l ] podle charakteru xenobiotika lipofilní xenobiotika velký V d disociovaná, hydrofilní xenobiotika malý V d 16
látka Vd litr heparin 4 isoniazid 42 ethanol 46 paracetamol 70 morfin 140 digoxin 490 chlorpromazin 1400 17