ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΤΟΞΙΚΟΛΟΓΙΑΣ

Παρουσίαση με θέμα: "ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΤΟΞΙΚΟΛΟΓΙΑΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΤΟΞΙΚΟΛΟΓΙΑΣ
Ιωάννης Νιώπας, BPharm, BChem, BBA, PhD Αναπληρωτής Καθηγητής Φαρμακευτικής

2 Αντικείμενο και Σκοπός της Τοξικολογίας
Η Τοξικολογία αποτελεί την επιστήμη που αντικείμενό της έχει τις επιβλαβείς δράσεις που εξασκούν ουσίες διαφόρου δομής και προέλευσης (xenobiotics) στους οργανισμούς και ιδιαίτερα στον άνθρωπο. Μετά το 1900 συνεχίζει να αναπτύσσεται και να εμπλουτίζεται με σύγχρονες γνώσεις και μεθόδους για την καταγραφή των τοξικών επιδράσεων, την ανίχνευση (ταυτοποίηση και ποσοτικό προσδιορισμό) των δηλητηρίων και τη θεραπεία των δηλητηριάσεων.

3 Αντικείμενο και Σκοπός της Τοξικολογίας
Η Τοξικολογία μελετά τους μηχανισμούς δράσης τοξικών ουσιών που προκαλούν οξείες ή χρόνιες δηλητηριάσεις καθώς και την ανίχνευση, ταυτοποίηση και αποτίμηση των κινδύνων που απορρέουν από τη χρήση διαφόρων ουσιών που μπορεί να προκαλέσουν τοξικότητα. Η Κλινική Τοξικολογία ασχολείται με την καταγραφή των συμπτωμάτων από την τοξική δράση διαφόρων ουσιών και την ανάπτυξη αντιδότων και θεραπευτικών σχημάτων οξέων και χρόνιων δηλητηριάσεων.

4 Ιστορική Εξέλιξη Διάφορα δηλητήρια φυτικής ή ζωικής προέλευσης χρησιμοποιήθηκαν για το κυνήγι, πολέμους, δολοφονίες, αυτοκτονίες. Πάπυρος Ebers (1500 π.χ.): Περιλαμβάνει πληροφορίες για διάφορα δηλητήρια, π.χ. ακόνιτο, όπιο, βαρέα μέταλλα (μόλυβδος, χαλκός). Ακόμη για τη δακτυλίτιδα, αλκαλοειδή Atropa, κ.ά. Ιπποκράτης (400 π.χ.): Ταξινόμησε τα δηλητήρια και έθεσε τις βάσεις της Κλινικής Τοξικολογίας.

5 Ιστορική Εξέλιξη Θεόφραστος ( π.χ.): Μαθητής του Αριστοτέλη, αναφέρεται σε δηλητηριώδη φυτά στο έργο του De Historica Plantarum. Διοσκουρίδης: Ταξινόμησε τα δηλητήρια ανάλογα με την προέλευσή τους (φυτικής, ζωικής, ορυκτής προέλευσης). Σωκράτης: Δολοφονήθηκε με το κώνειο. Μιθριδάτης: Επινόησε τα αντίδοτα (Μιθριδατισμός).

6 Ιστορική Εξέλιξη Παράκελσος ( ): Αρχίζει η Επιστημονική αναζήτηση και τελειώνει ο μυστικισμός από τα χρόνια του Αριστοτέλη. Υποστήριξε ότι η δηλητηριώδης δράση οφείλεται στην παρουσία μιας χημικής ουσίας που δρα τοξικά. Εδραίωσε την επιστημονική σκέψη και τον πειραματισμό για την εξέταση των τοξικών επιδράσεων και διαχώρισε τις τοξικές από τις θεραπευτικές ιδιότητες των χημικών ουσιών. Υποστήριξε ότι οι τοξικές ουσίες παρουσιάζουν εξειδικευμένη δράση, γεγονός που αργότερα οδήγησε στην επινόηση του θεραπευτικού δείκτη και τις δοσο-εξαρτώμενες δράσεις των τοξικών ουσιών.

7 Ιστορική Εξέλιξη Orfila: Ισπανός γιατρός στη Γαλλία. Ο πρώτος τοξικολόγος που χρησιμοποίησε τα δείγματα αυτοψίας και τη χημική ανάλυση ως αποδεικτικά στοιχεία για τη διάγνωση δηλητηριάσεων. Θεωρείται ο θεμελιωτής της Ιατροδικαστικής Τοξικολογίας. Claude Bernard: Μελέτησε το κουράριο και συνέβαλε στην ανάπτυξη της Τοξικολογίας και της Φαρμακολογίας.

8 Σύγχρονη Τοξικολογία Αναπτύχθηκε τα τελευταία 100 χρόνια. Άνθισε στη διάρκεια του 2ου παγκόσμιου πολέμου με τη σύνθεση διαφόρων φαρμάκων, εντομοκτόνων, πολεμικών αερίων και βιομηχανικών ουσιών. Οι Curie και Becquerel ανακάλυψαν τις ραδιενεργές ουσίες (τοξικές). Η ανακάλυψη των βιταμινών οδήγησε στην ανάπτυξη μεθόδων για τον ποσοτικό τους προσδιορισμό (για αποφυγή τοξικότητας λόγω υπερδοσολογίας).

9 Σύγχρονη Τοξικολογία Μετά το 1920 άρχισε η εντατική μελέτη των ενώσεων αρσενικού (κατά της σύφιλης) οι οποίες προκαλούν οξείες και χρόνιες δηλητηριάσεις. Η ανακάλυψη του διχλωροδιφαινυλοτριχλωροαιθανίου, (DDT - εντομοκτόνο) προώθησε την τοξικολογία των παρασιτοκτόνων φαρμάκων. Η ανακάλυψη των σουλφοναμιδίων (προκάλεσαν θανάτους από νεφρική ανεπάρκεια) επέβαλε τους τοξικολογικούς ελέγχους στις φαρμακευτικές ουσίες και οδήγησε στην ίδρυση του FDA (1938).

10 Σύγχρονη Τοξικολογία Μεταξύ 1940 και 1946 ανακαλύφθηκαν διάφορα οργανοφωσφορικά εντομοκτόνα και παρασιτοκτόνα. Στα πλαίσια της Τοξικολογίας και της Φαρμακολογίας αναπτύχθηκαν οι βάσεις της χημικής καρκινογένεσης και της μεταβολικής ενεργοποίησης των χημικών καρκινογόνων Μετά το 2ο παγκόσμιο πόλεμο άρχισε η θέσπιση κανόνων ασφαλείας για την κατανάλωση των τροφίμων και των φαρμάκων και ο έλεγχος τοξικότητας για πολλά προϊόντα. Η καταγραφή ορισμένων επαγγελματικών νόσων οδήγησε στην ανάπτυξη της Επιδημιολογικής Τοξικολογίας.

11 Σύγχρονη Τοξικολογία Τη δεκαετία του 1960, η περίπτωση της θαλιδομίδης προκάλεσε τερατογενέσεις (φωκομελία) στα νεογνά και κατέστησε αναγκαία την τοξικολογική αξιολόγηση των φαρμάκων που επηρεάζουν την εμβρυογένεση (τερατογόνα). Τότε αναπτύχθηκε και η Αναλυτική Τοξικολογία, με την ανάπτυξη αναλυτικών μεθόδων για τον ποιοτικό (ταυτοποίηση) και ποσοτικό προσδιορισμό των τοξικών ουσιών. Bruce Ames: Οι τοξικές ουσίες βρέθηκε ότι προκαλούν μεταλλάξεις μετά από μεταβολική ενεργοποίηση και αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη γνώσεων για τη μεταλλαξιογένεση και την καρκινογένεση.

12 Σύγχρονη Τοξικολογία Δεκαετία 1980: Ρύπανση του “Love Canal” από τοξικά βιομηχανικά απόβλητα, οδήγησε στην ανάπτυξη της Βιομηχανικής και Περιβαλλοντικής Τοξικολογίας που αποσκοπούν στη μελέτη της ρύπανσης του αέρα, του υδάτινου και εδαφικού περιβάλλοντος από τοξικές ουσίες, χημικά απόβλητα και βιομηχανικά λύματα. Σήμερα που η ρύπανση του περιβάλλοντος έχει λάβει τεράστιες διαστάσεις και αυξήθηκε η κατανάλωση των τροφίμων και των φαρμάκων, ο τοξικολογικός έλεγχος είναι απαραίτητος καθώς και η σημασία της Τοξικολογίας.

13 Εξειδικεύσεις Τοξικολογίας (Τομείς)
Περιγραφική Τοξικολογία: Εξετάζει τις δοκιμασίες που απαιτούνται για την αποτίμηση του κινδύνου από τοξικές ουσίες και τη θέσπιση κανόνων ασφάλειας για τη χρήση χημικών ουσιών. Μοριακή Τοξικολογία: Εξετάζει τους μοριακούς μηχανισμούς δράσης των τοξικών ουσιών. Η γνώση των μηχανισμών δράσης είναι πολύτιμη για τη θεραπεία δηλητηριάσεων και την ανάπτυξη μεθόδων αξιολόγησης του κινδύνου από τοξικές ουσίες.

14 Εξειδικεύσεις Τοξικολογίας (Τομείς)
Κλινική Τοξικολογία: Ασχολείται με: 1) Συμπτωματολογία δηλητηριάσεων, 2) τα μέτρα θεραπευτικής αντιμετώπισης, 3) τα αντίδοτα και 4) τις διαδικασίες αποτοξίνωσης. Περιβαλλοντική Τοξικολογία: Μελετά τις επιδράσεις των τοξικών ουσιών στο αέριο, υδάτινο και εδαφικό περιβάλλον. Οικοτοξικολογία: Ασχολείται με την επίδραση τοξικών ουσιών σε διάφορα οικοσυστήματα. Αντικείμενό της αποτελούν η μεταφορά, μεταβολική τύχη και αλληλεπιδράσεις των τοξικών ουσιών με το περιβάλλον.

15 Εξειδικεύσεις Τοξικολογίας (Τομείς)
Αναλυτική Τοξικολογία: Ασχολείται με την ανάπτυξη και εφαρμογή αναλυτικών μεθόδων για τον ταχύ και αξιόπιστο ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό των τοξικών ουσιών σε διάφορα υποστρώματα. Ιατροδικαστική Τοξικολογία: Προέκυψε από την Αναλυτική και Κλινική Τοξικολογία και ασχολείται με τη διάγνωση θανατηφόρων δηλητηριάσεων και τον καθορισμό των συνθηκών κάτω από τις οποίες επήλθε ο θάνατος.

16 Τοξικότητα Δηλητηρίων
Δηλητήριο θεωρείται κάθε ουσία που μπορεί να επιφέρει επιβλαβείς επιδράσεις ή και θάνατο σε έναν ζώντα οργανισμό. Η τοξικότητα μιας ουσίας εξαρτάται από τη δόση που λαμβάνεται και σχεδόν όλες οι ουσίες μπορούν να είναι δηλητήρια σε συγκεκριμένες δόσεις (δοσοεξαρτώμενη τοξικότητα – Παράκελσος). Η LD50 (μέση θανατηφόρος δόση) για τη διοξίνη είναι mg/kg σώματος, ενώ για άλλες ουσίες είναι πολύ μεγαλύτερη, π.χ. g/kg.

17 Τοξικότητα Δηλητηρίων
Η LD50 είναι δείκτης μόνο της οξείας τοξικότητας και δεν έχει χρήση στις χρόνιες τοξικότητες. Μερικές ουσίες σε ποσότητες μικρότερες της LD50 μπορούν να δρουν σαν καρκινογόνα, τερατογόνα ή αλλεργιογόνα. Η τοξική δράση μιας ουσίας εξαρτάται από την ποσότητά της, την οδό εισόδου στον οργανισμό, τη μεταφορά της στον τόπο δράσης (όργανα-στόχοι), τη διάρκεια δράσης και την ευαισθησία του οργανισμού στην ουσία.

18 Οδοί Εισόδου και Τόπος Δράσης
Οι τοξικές ουσίες εισέρχονται από το ΓΕΣ (κύρια το στόμα), δέρμα, πνεύμονες ή παρεντερικά. Η παρεντερική είσοδος προκαλεί ταχύτερη και αποτελεσματικότερη δράση. Η τοξικότητα εξαρτάται επίσης και από το φορέα μεταφοράς της τοξικής ουσίας, π.χ. αν ο φορέας είναι λιπόφιλος ή υδρόφιλος που μπορεί να αυξήσει ή να διευκολύνει την απορρόφηση της τοξικής ουσίας.

19 Διάρκεια και Συχνότητα Έκθεσης
Η τοξικότητα εξαρτάται όχι μόνο από τη διάρκεια έκθεσης αλλά και από τη συχνότητα έκθεσης στην τοξική ουσία. Οξείες δηλητηριάσεις παρατηρούνται μέσα σε 24 ώρες ή και νωρίτερα συνήθως από εφάπαξ χορήγηση της τοξικής ουσίας. Χρόνιες δηλητηριάσεις μπορεί να εμφανισθούν μετά από ημέρες, μήνες ή έτη, μετά την έκθεση του οργανισμού στην τοξική ουσία κάθε ημέρα, εβδομάδα, μήνα ή έτη. Στην χρόνια τοξικότητα παίζει ρόλο η διάρκεια και συχνότητα έκθεσης καθώς και ο βαθμός συσσώρευσης της τοξικής ουσίας από τον οργανισμό.

20 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Αλλεργικές Αντιδράσεις: Ανοσολογικές αντιδράσεις του οργανισμού λόγω προηγούμενης ευαισθητοποίησης στην τοξική ουσία (υπερευαισθησία). Οι δοσο-εξαρτώμενες αλλεργικές αντιδράσεις μπορεί να προκαλέσουν ακόμη και θάνατο. Το ανοσοποιητικό σύστημα διεγείρεται και παράγονται αντισώματα. Η εκ νέου έκθεση του οργανισμού στις ίδιες ουσίες οδηγεί σε αλλεργικές αντιδράσεις υπερευαισθησίας που μπορούν να καταλήξουν και σε αναφυλακτικό σοκ. Οι αλλεργικές αντιδράσεις εκδηλώνονται με δερματίτιδα, εξάνθημα, κνησμό ή ερύθημα ματιών και μερικές φορές με βρογχόσπασμο.

21 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Αντιδράσεις Ιδιοσυγκρασίας: Ανώμαλη αντίδραση του οργανισμού σε μια ουσία που καθορίζεται γενετικά (π.χ. η σουκινυλοχολίνη προκαλεί μυοχαλάρωση και άπνοια για αρκετές ώρες, λόγω άτυπης ψευδοχολινεστεράσης). Άμεσες και Χρόνιες Τοξικές Επιδράσεις: Π.χ. η διαιθυλοστιλβεστρόλη οδηγεί σε αποβολές εμβρύων και ανάπτυξη καρκίνου του μαστού.

22 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Τοπικές και Συστηματικές Τοξικές Δράσεις: Π.χ. ισχυρά οξέα, βάσεις, οξειδωτικά προκαλούν τοπικές δράσεις στα σημεία του σώματος με τα οποία έρχονται σε επαφή. Ο τετρααιθυλιούχος μόλυβδος εκτός από τοπικές δράσεις προκαλεί και συστηματική δράση στο ΚΝΣ και τους νεφρούς. Η τοξική δράση μπορεί να εκδηλώνεται σε ένα ή περισσότερα όργανα, π.χ. ήπαρ, νεφροί, μυελό οστών (όργανα-στόχοι).

23 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Αλληλεπιδράσεις Τοξικών Ουσιών: Όπως και με τις αλληλεπιδράσεις φαρμάκων, οι τοξικές ουσίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με φάρμακα, άλλες τοξικές ουσίες ή τρόφιμα με αποτέλεσμα να επηρεασθεί η απορρόφησή τους, ο βαθμός σύνδεσής τους με τις πρωτεΐνες του πλάσματος, ο μεταβολισμός τους και η απέκκρισή τους (φαρμακοκινητικές αλληλεπιδράσεις), με αποτέλεσμα την αύξηση ή μείωση της τοξικότητάς τους. Υπάρχουν και οι φαρμακοδυναμικές αλληλεπιδράσεις (άθροιση ή μείωση τοξικής δράσης ή συνέργια). Παράδειγμα συνέργιας όσον αφορά την ηπατοτοξικότητα αποτελεί ο συνδυασμός αιθανόλης και τετραχλωράνθρακα. Παραδείγματα εξουδετέρωσης (αποτοξίνωσης) της τοξικής δράσης αποτελούν τα διάφορα αντίδοτα (ειδικά ή γενικά).

24 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Ανοχή στις Τοξικές Ουσίες: Μερικές φορές παρατηρείται μειωμένη ευαισθησία σε μια τοξική ουσία, στην οποία τα άτομα έχουν εκτεθεί για κάποιο χρονικό διάστημα (ανάπτυξη αντοχής ή ανοχής, π.χ. εξαρτησιογόνες ουσίες). Αυτό μπορεί να οφείλεται σε μειωμένη ευαισθησία του ιστού ή του οργάνου, ή σε ανεπαρκές ποσό της τοξικής ουσίας που φθάνει στον τόπο δράσης. Μερικές φορές η αντοχή μπορεί να οφείλεται στην επαγωγή πρωτεϊνών που δεσμεύουν το δηλητήριο (π.χ. οι μεταλλοθειονίνες δεσμεύουν το κάδμιο και το αδρανοποιούν).

25 Είδη Τοξικών Ενεργειών
Δοσο-εξαρτώμενη Τοξικότητα: Βασική αρχή της Τοξικολογίας είναι ότι ο βαθμός τοξικότητας εξαρτάται από τη δόση. Πολλές τοξικές ουσίες παρουσιάζουν διαφορετικό βαθμό τοξικότητας στα διάφορα όργανα ή ιστούς. Μεγάλη σημασία έχει η συσσώρευση, η δράση και ο μεταβολισμός μιας τοξικής ουσίας σε ένα συγκεκριμένο όργανο ή ιστό.

26 Μέση Θανατηφόρος Δόση (LD50)
Αποτελεί την εφάπαξ δόση μιας τοξικής ουσίας που προκαλεί θάνατο στο 50% των πειραματόζωων. Αποτελεί την πρώτη πειραματική διαδικασία της τοξικότητας μιας χημικής ουσίας. Για τον προσδιορισμό της χορηγούμε διαφορετικές δόσεις της ουσίας σε ομάδες πειραματόζωων και προσδιορίζεται η θνησιμότητα για κάθε δόση. Προκύπτει μια σιγμοειδής καμπύλη η οποία στον άξονα των Υ έχει τη θνησιμότητα (%) και στον άξονα των Χ τις δόσεις (mg/kg) σε λογαριθμική κλίμακα. Τα όρια της καμπύλης αρχίζουν από μηδέν (0) θνησιμότητα και φθάνουν το 100% σε πολύ υψηλές δόσεις.

27 Προσδιορισμός της DL50

28 Μέση Θανατηφόρος Δόση (LD50)
Η LD50 αποτελεί τον πρώτο δείκτη τοξικότητας μιας ουσίας και γενικά θεωρείται σημαντική στην αντιμετώπιση των δηλητηριάσεων. Δυστυχώς όμως, σπάνια έχει πρακτική κλινική σημασία. Η LD50 δεν οδηγεί πάντοτε σε μια σταθερή τιμή λόγω των διαφορών της ευαισθησίας, ιδιοσυγκρασίας και του μεταβολισμού μεταξύ των πειραματόζωων και του ανθρώπου. Σπάνια είναι δυνατή μια γραμμική συσχέτιση των δεδομένων των πειραματόζωων και του ανθρώπου που να επιτρέπει μια αξιόπιστη προβολή των δεδομένων των πειραματόζωων στον άνθρωπο. Υπάρχει μια ελάχιστη αποτελεσματική δόση για κάθε ουσία πέρα από την οποία αρχίζει να εμφανίζεται η τοξική δράση.

29 Μέση Θανατηφόρος Δόση (LD50)
Η τιμή της LD50 εξαρτάται από: 1) Οδό εισόδου της τοξικής ουσίας (διαφορετική βιοδιαθεσιμότητα), 2) είδος πειραματόζωου, 3) φυλή, 4) φύλο, 5) ηλικία, 6) βάρος, 7) διαλύτη στον οποίο διαλύθηκε η ουσία, 8) μεταβολισμό, 9) ταυτόχρονη λήψη άλλων φαρμάκων και 10) φυσιολογία του πειραματόζωου. Έτσι η LD50 θα πρέπει να εκφράζεται με κάποια όρια. (95% όρια εμπιστοσύνης). Ο προσδιορισμός της LD50 γίνεται σύμφωνα με τις μεθόδους των Litchfield και Wilcoxon, καθώς και των Bliss και Finney που απαιτούν στατιστική επεξεργασία με Η/Υ και σχετικά μεγάλο αριθμό πειραματόζωων (40-50). Σήμερα υπάρχουν μέθοδοι που χρησιμοποιούν λιγότερα πειραματόζωα και δίνουν αξιόπιστα αποτελέσματα.

30 Τοξικότητα και Θεραπευτικός Δείκτης
Για κάθε χημική ουσία (π.χ. φάρμακο) διακρίνουμε διάφορες δόσεις στις οποίες προκαλείται είτε επιθυμητή θεραπευτική δράση, ή τοξικότητα ή θάνατος. Την έννοια του θεραπευτικού δείκτη εισήγαγε ο Paul Ehrlich το 1913. Θεραπευτικός δείκτης ορίζεται ο λόγος της μέσης δόσης της ουσίας που απαιτείται για να προκαλέσει τοξικότητα ή θάνατο στο 50% των πειραματόζωων προς τη μέση δόση που απαιτείται για να επιφέρει το επιθυμητό θεραπευτικό αποτέλεσμα.

31 Τοξικότητα και Θεραπευτικός Δείκτης
Θεραπευτικός Δείκτης: TI = LD50/ ED50 ή ΤD50/ΕD50 Όπου ED50 η μέση αποτελεσματική δόση και ΤD50 η μέση τοξική δόση. Όσο μεγαλύτερος είναι ο θεραπευτικός δείκτης τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος ασφαλείας της τοξικής ή φαρμακευτικής ουσίας.

32 Εκλεκτική Τοξικότητα Υπάρχουν τοξικές ουσίες που προκαλούν γενικευμένη τοξικότητα (σε πολλά όργανα και ιστούς) και άλλες που προκαλούν τοξικότητα σε ένα όργανο ή ιστό. Έτσι, οι τοξικές ουσίες ή τα φάρμακα εμφανίζουν εκλεκτική δράση σε κάποιο συγκεκριμένο όργανο ή ιστό ή οργανισμό (π.χ. αντιβιοτικά). Η εκλεκτική τοξικότητα μπορεί να οφείλεται σε τοξικοκινητικούς λόγους (διαφορές στην απορρόφηση, κατανομή – εκλεκτική συσσώρευση σε ένα όργανο ή ιστό -, μεταβολισμό και απέκκριση) ή στην εξειδικευμένη δράση της στο όργανο-στόχο.

33 Εκλεκτική Τοξικότητα Η εκλεκτική τοξικότητα χημικών ουσιών που παρατηρείται μεταξύ των διαφόρων ειδών συχνά οφείλεται σε διαφορές που παρουσιάζουν τα ζωικά και φυτικά κύτταρα ή μικρόβια.

34 Μηχανισμοί Δράσης Τοξικών Ουσιών
Οι χημικές ουσίες προκαλούν τοξικές δράσεις μέσω μεταβολών που επιφέρουν στη βιοχημεία και φυσιολογία των οργανισμών.

35 Αντιδράσεις Τοξικών Ουσιών-Υποδοχέων (Στερεοεκλεκτικότητα)
Πολλές τοξικές ουσίες ή φάρμακα δρουν μέσω υποδοχέων σε ιστούς-στόχους. Η αντίδραση με τον υποδοχέα συνήθως είναι αντιστρεπτή και περιγράφεται από την εξίσωση: R + T → [R.T]. Η αντίδραση αυτή χαρακτηρίζεται από κάποια συγγένεια : Kd = [T][R]/[RT]. Η τοξική ουσία μπορεί να είναι ενδογενής ή εξωγενής που διεγείρει ή αναστέλλει μια φυσιολογική λειτουργία του οργανισμού. Συχνά οι τοξικές ουσίες δρουν ως αναστολείς και παρεμποδίζουν τη λειτουργία ενζύμων. Πολλές φορές οι αντιδράσεις τοξικών ουσιών και υποδοχέων είναι στερεοεκλεκτικές.

36 Αναστολή Λειτουργίας Κυτταρικών Μεμβρανών
Η διατήρηση του ηλεκτροχημικού δυναμικού και γενικά η δομική και λειτουργική σταθερότητα των κυτταρικών μεμβρανών αποτελούν βασικά στοιχεία στη φυσιολογία των ιστών. Μερικές χημικές ουσίες μπορούν να επηρεάσουν την κατάσταση πόλωσης των κυτταρικών μεμβρανών. Συχνά επηρεάζουν τη ροή ιόντων αναστέλλοντας τους διαύλους τους (π.χ. η τετραδοτοξίνη δρα αναστέλλοντας την μεταφορά ιόντων Na+ και προκαλεί νευροτοξική δράση επηρεάζοντας την επαναπόλωση των μεμβρανών). Ορισμένοι οργανικοί διαλύτες επηρεάζουν τη ρευστότητα της κυτταρικής μεμβράνης.

37 Αναστολή Παραγωγής Κυτταρικής Ενέργειας
Πολλές τοξικές ουσίες αναστέλλουν την οξείδωση των υδατανθράκων που οδηγεί στην παραγωγή ATP. Η παροχή οξυγόνου στους ιστούς επηρεάζεται από τα κυανιούχα, τα οξειδωτικά δηλητήρια και τα αζίδια. Οι νιτροφαινόλες προκαλούν εξάντληση των ενεργειακών αποθεμάτων (ATP) (αποσύζευξη οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και αναπνευστικής αλυσίδας).

38 Σύνδεση με Βιομόρια Διάφορες τοξικές ουσίες συνδέονται με τα ενεργά κέντρα των ενζύμων που είναι πολύ ζωτικά για το μεταβολισμό του κυττάρου. Π.χ. το HCN συνδέεται με το σίδηρο του ενζύμου οξειδάση του κυτοχρώματος C, αναστέλλοντας έτσι το τελικό στάδιο στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Το CO συνδέεται ισχυρά με την αιμοσφαιρίνη και σχηματίζει ανθρακυλαιμοσφαιρίνη και μειώνοντας έτσι την μεταφορά οξυγόνου στους ιστούς. Πολλά βαρέα μέταλλα (Pb, Hg, Cd, As) συνδέονται με τις ομάδες –SH διαφόρων ενζύμων. Διάφορες τοξικές ουσίες σχηματίζουν ελεύθερες ρίζες με αποτέλεσμα τη νέκρωση των ιστών (λιπιδική υπεροξείδωση).

39 Σύνδεση με Βιομόρια Μερικές τοξικές ουσίες δρουν ως ηλεκτρονιόφιλα και αντιδρούν με διάφορες πυρηνόφιλες ομάδες (-SH, -OH, -NH2) διαφόρων ενζύμων ή πρωτεϊνών και της γλουταθειόνης (GSH), με αποτέλεσμα την καταστολή της δράσης πολλών ζωτικών ενζύμων ή την εξάντληση των αποθεμάτων της GSH και οξειδωτικό stress. Μερικές τοξικές ουσίες εισέρχονται στον ενδοκυττάριο χώρο, συσσωρεύονται στον πυρήνα και αντιδρούν ομοιοπολικά με πυρηνόφιλες θέσεις στο DNA. Π.χ. αλκυλίωση του οξυγόνου της 6-θέσης της γουανίνης οδηγεί σε μεταλλαξιογένεση και καρκινογένεση (νιτροζαμίνες).

40 Διαταραχές της Ομοιόστασης του Ασβεστίου
Κατά τη νέκρωση των κυττάρων παρατηρείται είσοδος ιόντων ασβεστίου στο κύτταρο. Διαταραχή της ομοιόστασης του ενδοκυττάριου Ca++ μπορεί να προέλθει από διάφορες τοξικές ουσίες που δρουν στο επίπεδο της κυτταρικής μεμβράνης και των μηχανισμών μεταφοράς ασβεστίου (νιτροφαινόλες, κινόνες, υπεροξείδια, διοξάνιο, μερικά μεταλλικά ιόντα). Αύξηση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης του Ca++ οδηγεί σε ενεργοποίηση μη λυσσοσωμικών ενζύμων ή διεγείρει ενδονουκλεάσες που προκαλούν διάσπαση του DNA και συμπύκνωση της χρωματίνης.

41 Εκλεκτική Καταστροφή Κυττάρων στους Ιστούς
Μεγάλες δόσεις μαγγανίου προκαλούν εκφυλισμό των ντοπαμινεργικών νευρώνων στα βασικά γάγγλια του εγκεφάλου. Επίσης συσσώρευση μεγάλης ποσότητας ραδιενεργού ιωδίου στο θυρεοειδή αδένα επιφέρει εκφυλισμό των κυττάρων του θυρεοειδή.

42 Τοξικότητα λόγω Μεταλλάξεων στα Σωματικά Κύτταρα
Τις περισσότερες φορές οι τοξικές ουσίες που αντιδρούν με το DNA προκαλούν καταστροφή του κυττάρου. Ορισμένες φορές προκαλούν γενετικές αλλοιώσεις (μεταλλάξεις) που οδηγούν σε καρκινογένεση (γενοτοξικά καρκινογόνα). Αρκετές μεταλλάξεις διορθώνονται μέσω του συστήματος επιδιορθώσεως του DNA, ορισμένες όμως κληρονομούνται και οδηγούν σταδιακά στην ανάπτυξη νεοπλασμάτων.

43 Τοξικότητα λόγω Μεταλλάξεων στα Σωματικά Κύτταρα
Υποστηρίζεται ότι τα καρκινογόνα διεγείρουν (ενεργοποιούν) τα πρωτοογκογονίδια ή προκαλούν μεταλλάξεις σε ογκοκατασταλτικά γονίδια, με αποτέλεσμα την έναρξη καρκινογένεσης (θεωρούνται τα πρώτα στάδια της ανάπτυξης νεοπλασίας). Μερικές ουσίες δεν προκαλούν μεταλλάξεις όμως διεγείρουν τη νεοπλασία μετά το στάδιο της έναρξης. Οι ουσίες αυτές δρουν ως προαγωγείς της νεοπλασίας (αναστέλλουν τη διαφοροποίηση των κυττάρων) ή ως μιτογόνα (διεγείρουν τον κυτταρικό κύκλο) ή αλληλεπιδρούν με τους υποδοχείς των αναπτυξιακών παραγόντων.

44 Έλεγχος Τοξικότητας σε Πειραματόζωα
Προσδιορισμός LD50 Αποτελεί δοκιμασία οξείας τοξικότητας σε πειραματόζωα (ποντίκια, αρουραίοι, ή κουνέλια και σκύλοι), με διάφορους οδούς χορήγησης της τοξικής ουσίας. Δίδονται διάφορες δόσεις και προσδιορίζεται η LD50 (mg/kg). Επίσης καταγράφεται η γενικότερη εικόνα των πειραματόζωων (συμπεριφορά, λήθαργος διούρηση, λήψη τροφής). Επιπλέον συμπληρώνεται με ιστοπαθολογική εξέταση των νεκροτομικών ευρημάτων.

45 Έλεγχος Τοξικότητας σε Πειραματόζωα
Όλα τα παραπάνω αποσκοπούν: 1) Στον προσδιορισμό της LD50, 2) χαρακτηρισμό οργάνων στα οποία εκδηλώνεται η οξεία τοξικότητα, 3) αναστρεψιμότητα ή μη της τοξικότητας, 4) προσδιορισμό φάσματος δόσεων που προκαλούν τοξικότητα. Η τοξική ουσία μπορεί να εφαρμοσθεί και στο δέρμα (παραμένει για 24 ώρες) και εξετάζεται η περιοχή του δέρματος για τυχόν τοξικότητα ή μπορεί να δοθεί υπό μορφή αερολύματος ή συστήματος λεπτής σκόνης υπό διασπορά.

46 Τοξικές Επιδράσεις στο Δέρμα και τους Οφθαλμούς
Δέρμα: Εφαρμόζεται συνήθως στο δέρμα κουνελιών. Καθαρίζεται η περιοχή του δέρματος από το τρίχωμα και εφαρμόζεται ποσότητα 0.5 ml υγρού ή 0.5 g στερεού με τη βοήθεια γάζας για τουλάχιστον 4 ώρες (Draize test). Ο βαθμός τοξικότητας εκτιμάται από την έκταση του ερυθήματος, οιδήματος, διάβρωσης ή γενικά της κακοποίησης του δέρματος που προκλήθηκε. Οφθαλμοί: Η τοξική ουσία εφαρμόζεται υπό μορφή σταγόνων (0.1 ml) στους οφθαλμούς κονίκλου και εξετάζεται η κατάσταση των οφθαλμών σε διάφορα χρονικά διαστήματα μετά τη χορήγηση της τοξικής ουσίας.

47 Δοκιμασία Υπερευαισθησίας
Χρησιμοποιούνται ινδικά χοιρίδια. Η ουσία χορηγείται είτε τοπικά στο δέρμα ή ενδοδερμικά με ή χωρίς ανοσοενισχυτικό για να αυξήσει την υπερευαισθησία. Η δοκιμασία διαρκεί 2-4 εβδομάδες και γίνεται ενδοδερμική χορήγηση κατ΄ επανάληψη. Μετά από 2-3 εβδομάδες από τη χορήγηση της τελευταίας δόσης, εξετάζεται το δέρμα για το βαθμό του ερυθήματος που παρουσιάζει.

48 Δοκιμασία για Υποξεία Τοξικότητα μετά από Επανειλημμένη Χορήγηση
Οι δοκιμασίες αυτές αποσκοπούν στον καθορισμό των δόσεων που προκαλούν όχι οξεία αλλά υποξεία τοξικότητα, χορηγώντας κατ’ επανάληψη την ουσία. Το συνηθέστερο πρωτόκολλο είναι το παρακάτω: Χορήγηση 3-4 διαφορετικών δόσεων της χημικής ουσίας σε πειραματόζωα (αρουραίοι) μέσω της τροφής. Μετά από 2 εβδομάδες ακολουθεί κλινικοεργαστηριακή και ιστοπαθολογική εξέταση των πειραματόζωων για την εξακρίβωση της τοξικότητας.

49 Δοκιμασία για Υποχρόνια Τοξικότητα
Υποχρόνια τοξικότητα είναι αυτή που παρατηρείται σε λίγους μήνες από τη χορήγηση τοξικής ουσίας σε πειραματόζωα (συνήθως διαρκεί 90 ημέρες). Σκοπεύει στον καθορισμό δόσεων, την καταγραφή συμπτωμάτων και το χαρακτηρισμό οργάνων και ιστών που επηρεάζονται από την επανειλημμένη χορήγηση της τοξικής ουσίας (συνήθως σκύλοι). Χορηγούνται 3 διαφορετικές δόσεις, μια υψηλή που οδηγεί σε θάνατο το 10% των πειραματόζωων, μια ενδιάμεση και μια που δεν προκαλεί τοξικότητα. Τα πειραματόζωα εξετάζονται περιοδικά για τυχόν τοξικότητα (απώλεια βάρους, μεταβολές καρδιοαγγειακής λειτουργίας και συμπεριφοράς-κινητικότητας).

50 Δοκιμασία για Υποχρόνια Τοξικότητα
Ακόμη αξιολογούνται τα νεκροτομικά ευρήματα από τα πειραματόζωα που απεβίωσαν πριν από το τέλος της δοκιμασίας των 90 ημερών Η κλινικοεργαστηριακή εξέταση αίματος, ούρων, δοκιμασίες ήπατος (προσδιορισμός διαφόρων ενζύμων) παρέχουν πληροφορίες για την τοξικότητα. Στο τέλος της δοκιμασίας εξετάζονται ιστοπαθολογικά όλα τα πειραματόζωα και λαμβάνονται πληροφορίες για το βαθμό τοξικότητας. Οι δοκιμασίες της οξείας και υποχρόνιας τοξικότητας πρέπει να ολοκληρώνονται πριν από την έναρξη των κλινικών φάσεων στην ανάπτυξη φαρμάκων για ανθρώπους.

51 Έλεγχος για Χρόνια Τοξικότητα
Το ίδιο όπως και προηγουμένως για την υποχρόνια τοξικότητα, αλλά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (λίγους μήνες – 2 έτη). Το χρονικό διάστημα εξαρτάται από τον προσδοκώμενο χρόνο χορήγησης ή χρήσης της ουσίας στον άνθρωπο. Κυρίως η αξιολόγηση της χρόνιας τοξικότητας έχει μεγάλη σημασία για τον προσδιορισμό της τοξικότητας που προκαλείται από συσσώρευση χημικών ουσιών σε πειραματόζωα.

52 Δοκιμασία Τοξικότητας κατά την Εμβρυογένεση και Ανάπτυξη
Διάφορες τοξικές ουσίες επηρεάζουν την εμβρυογένεση και την ανάπτυξη του οργανισμού (από τη γέννηση μέχρι και την εφηβεία). Άλλες ουσίες προκαλούν τοξικές ενέργειες στα γεννητικά κύτταρα. Υπάρχουν 4 in vivo δοκιμασίες σε πειραματόζωα για τη δοκιμασία αυτή (χρησιμοποιούνται αρουραίοι).

53 Δοκιμασία Τοξικότητας κατά την Εμβρυογένεση και Ανάπτυξη
Χορηγούνται 2-3 διαφορετικές δόσεις της ουσίας (20 πειραματόζωα ανά δόση). Τα αρσενικά πειραματόζωα εκτίθενται στη χημική ουσία για 60 ημέρες, ενώ τα θηλυκά για 14 ημέρες πριν από τη διασταύρωση (γονιμοποίηση). Στη συνέχεια προσδιορίζεται ο αριθμός των πειραματόζωων που γονιμοποιήθηκαν, ο αριθμός των απογόνων και η θνησιμότητα, το βάρος και γενικά η ανάπτυξη και επιβίωση, η φυσική κατάσταση των απογόνων στις 3 πρώτες εβδομάδες.

54 Δοκιμασία Τοξικότητας κατά την Εμβρυογένεση και Ανάπτυξη
Για την αξιολόγηση μιας χημικής ουσίας για τερατογόνο δράση οι ουσίες χορηγούνται κατά την περίοδο της οργανογένεσης (αμέσως μετά τη γονιμοποίηση). Χρησιμοποιούνται κουνέλια ή αρουραίοι (20 σε κάθε ομάδα). Χορηγούνται 1-3 διαφορετικές δόσεις (από 6η έως 15η ημέρα στους αρουραίους και από 6η έως 18η ημέρα στα κουνέλια). Κατόπιν απομακρύνονται τα έμβρυα (21η ημέρα για αρουραίους και 31η ημέρα για τα κουνέλια) και εξετάζεται η θνησιμότητα και οι πιθανές ανωμαλίες κατά την ανάπτυξη.

55 Δοκιμασία Τοξικότητας κατά την Εμβρυογένεση και Ανάπτυξη
Εξέταση ουσιών πριν και αμέσως μετά τον τοκετό: Χορηγείται η ουσία την 15η ημέρα της κυήσεως και πέραν του τοκετού σε αρουραίους και προσδιορίζεται η επίδραση της στο βάρος, την επιβίωση και ανάπτυξη των νεογνών για 3 εβδομάδες. Για την τοξικότητα στην αναπαραγωγή σε μεγάλο αριθμό πειραματόζωων από πειραματόζωα 1ης γενεάς (F0) και απογόνους 1ης (F1) και δεύτερης (F2) θυγατρικής γενεάς: Προσδιορίζονται: 1) Ο αριθμός των διασταυρώσεων και των πειραματόζωων που γονιμοποιήθηκαν, 2) ο αριθμός των πειραματόζωων που επιβίωσαν, 3) ο αριθμός των νεογνών που επιβίωσαν αμέσως μετά τον τοκετό, 4) τα ιστοπαθολογικά χαρακτηριστικά με έμφαση στο αναπαραγωγικό σύστημα των προγόνων (F0) και των απογόνων δύο γενεών (F1, F2).

56 Δοκιμασία Τοξικότητας κατά την Εμβρυογένεση και Ανάπτυξη
Ακόμη εκτός των in vivo δοκιμασιών αναπτύχθηκαν και in vitro δοκιμασίες για την αξιολόγηση της τοξικότητας στην αναπαραγωγή, όπως καλλιέργειες εμβρύων και καταγράφονται οι μεταβολές που προκαλούν οι χημικές ουσίες στη διαφοροποίηση και ανάπτυξη των εμβρύων.

57 Δοκιμασία για Μεταλλαξιογένεση
Μερικές ουσίες προκαλούν αλλοιώσεις (μεταλλάξεις) του γενετικού υλικού (DNA) και μερικές μεταλλάξεις μεταβιβάζονται κατά την κυτταρική διαίρεση στους απογόνους. Μεταλλάξεις μπορούν να συμβούν στα γεννητικά κύτταρα (γαμέτες και ωάρια) με σοβαρές συνέπειες στους απογόνους ή στα σωματικά κύτταρα που μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη νεοπλασίας. Αν οι μεταλλάξεις συμβούν κατά τη διάρκεια της σύλληψης μπορεί να οδηγήσουν σε αποβολή του εμβρύου ή ανώμαλη ανάπτυξη κατά την εμβρυογένεση.

58 Δοκιμασία για Μεταλλαξιογένεση
Δοκιμασίες αξιολόγησης της ικανότητας των τοξικών ουσιών να προκαλούν μεταλλάξεις: 1) Η καρυωτική ανάλυση του γενετικού υλικού με το μικροσκόπιο μπορεί να ανιχνεύσει σοβαρές μεταλλάξεις και αλλοιώσεις χρωμοσωμάτων. 2) Δοκιμασία σε τρωκτικά: Χορηγείται μια εφάπαξ δόση της χημικής ουσίας σε ένα αρσενικό πειραματόζωο το οποίο στη συνέχεια διασταυρώνεται με δύο θηλυκά για 8 εβδομάδες. Τα θηλυκά πειραματόζωα θανατώνονται και προσδιορίζεται ο αριθμός των ζώντων εμβρύων που προκύπτουν.

59 Δοκιμασία για Μεταλλαξιογένεση
Ames’ Test: Είναι η πιο δημοφιλής δοκιμασία μεταλλαξιογένεσης. Με τη δοκιμασία αυτή προσδιορίζεται αν η χημική ουσία ή οι μεταβολίτες της προκαλούν μεταλλάξεις σε ένα στέλεχος της Salmonella typhimurium από το οποίο λείπει το ένζυμο φωσφοριβοσυλο-ATP συνθετάση, το οποίο απαιτείται για τη σύνθεση ιστιδίνης.

60 Δοκιμασία για Μεταλλαξιογένεση
Το στέλεχος αυτό δεν μπορεί να αναπτυχθεί σε θρεπτικό υλικό χωρίς ιστιδίνη. Όμως μετά από μετάλλαξη (από τοξικές ουσίες ή τους μεταβολίτες τους) μπορεί να σχηματίσει αποικίες. Στη δοκιμασία αυτή χρησιμοποιούνται εκχυλίσματα μικροσωματιακού κλάσματος ηπατοκυττάρων (περιέχουν ένζυμα μεταβολισμού και μετατρέπουν τα αδρανή μεταλλαξιογόνα σε ενεργούς μεταβολίτες). Θα πρέπει να τονισθεί ότι ο τοξικολογικός έλεγχος χημικών ουσιών είναι χρονοβόρος και ιδιαίτερα δαπανηρός.

61 Αποτίμηση Κινδύνου από τη Χρήση Τοξικών Ουσιών
Από πρακτική άποψη ο κρίσιμος παράγοντας για την εμφάνιση της τοξικότητας δεν αποτελεί η ίδια η τοξικότητα της ουσίας, αλλά ο κίνδυνος που σχετίζεται με τη χρήση της ουσίας. Ως κίνδυνος ορίζεται η πιθανότητα για πρόκληση επιβλαβών επιδράσεων από κάποια ουσία σε συγκεκριμένες συνθήκες. Αντίθετα, ως ασφάλεια ορίζεται η πιθανότητα ότι η ουσία δε θα προκαλέσει επιβλαβείς επιδράσεις. Έτσι, πολύ τοξικές ουσίες μπορεί να μην προκαλούν τοξικές ενέργειες όταν δε χρησιμοποιούνται ή όταν χρησιμοποιούνται κάτω από συνθήκες ασφαλείας. Ο βαθμός επικινδυνότητας εξαρτάται από τις συνθήκες υπό τις οποίες χρησιμοποιείται μια τοξική ουσία.

62 Αποτίμηση Κινδύνου από τη Χρήση Τοξικών Ουσιών
Κατά τη διαδικασία αξιολόγησης του κινδύνου λαμβάνονται υπόψη: 1) Η ικανότητα της ουσίας να προκαλέσει τοξικότητα με βάση επιδημιολογικά δεδομένα. 2) Η πρόγνωση των τοξικών επιδράσεων που μπορεί να προκαλέσει με βάση τα αποτελέσματα από πειραματόζωα. 3) Ο βαθμός έκθεσης στην τοξική ουσία. 4) Ο χαρακτηρισμός του κινδύνου για επιβλαβείς δράσεις. Η αποτίμηση του κινδύνου σε πειραματόζωα μπορεί να καθορίσει τα «ασφαλή επίπεδα» χρήσης μιας τοξικής ουσίας καθώς και εκείνα που προκαλούν τοξικότητα. Οι πληροφορίες αυτές είναι απαραίτητες για τη θέσπιση κανόνων ασφαλούς χρήσης των χημικών ουσιών καθώς και για την ενημέρωση του κοινού. Υπάρχουν διάφορα μαθηματικά μοντέλα για τον προσδιορισμό της επικινδυνότητας μιας χημικής ουσίας.

63 Αποτίμηση Κινδύνου από τη Χρήση Τοξικών Ουσιών
Υπάρχουν ασάφειες και αβεβαιότητες για το βαθμό επικινδυνότητας των χημικών ουσιών στον άνθρωπο, αφού οι δοκιμασίες της in vivo τοξικότητας γίνονται σε πειραματόζωα και τα αποτελέσματα εφαρμόζονται στον άνθρωπο κατά προσέγγιση και με κάθε επιφύλαξη. Σε ορισμένες περιπτώσεις προσδιορίζεται ο αποδεκτός βαθμός επικινδυνότητας μιας ουσίας ο οποίος καθορίζεται από το λόγο κόστους/ωφέλειας (ουσίες που συμβάλλουν στην οικονομική ανάπτυξη, βιοτικό επίπεδο ή ποιότητα ζωής).