Токсикокинетика Василюк Василий Богданович Токсикология фундаментальная наука,

Токсикокинетика Василюк Василий Богданович

Токсикология фундаментальная наука, изучающая токсичность химических веществ и токсические процессы, развивающиеся в биосистемах. Токсичность имманентное свойство всех веществ, которое характеризует его способность наносить вред организму (биологической системе) немеханическим путем. 2

РАЗДЕЛЫ ТОКСИКОЛОГИИ ТОКСИКОЛОГИЯ ТОКСИКОМЕТРИЯ сколько? ТОКСИКОКИНЕТИКА как? ТОКСИКОДИНАМИКА почему? ТОКСИКОЛОГИЯ: -профилактическая -клиническая 3

Токсикокинетика– раздел токсикологии, в рамках которого изучаются закономерности резорбции ксенобиотиков в организм, их распределения, биотрансформации и экскреции. Токсикокинетические характеристики веществ изучаются экспериментально на лабораторных животных и уточняются в условиях клиники. Возможности науки по изучению токсикокинетики веществ возрастают по мере расширения знаний об организме и совершенствования методов химико-аналитического определения ксенобиотиков в биосредах. 4

резорбция распределение биотрансформация экскреция Резорбция - это процесс проникновения вещества из внешней среды в кровяное или лимфатическое русло организма. Распределение - транспорт вещества кровью и поступление его в ткани, его кумуляция и депонирование. Элиминация - совокупность процессов, приводящих к снижению содержания токсиканта в организме. Она включает процессы биотрансформации ксенобиотика и его экскреции (выведения). 5

6

Процессы переноса веществ в организме Растворение – накопление вещества в жидкой фазе (растворителе). Конвекция – механическое перемешивание среды, приводящее к выравниванию концентрации растворенного ксенобиотика. Диффузия – перемещение вещества по градиенту концентрации в следствие хаотического движения молекул (1 мкм – 10 -2 с, 1 мм-100 с). Фильтрация – движение вещества с растворителем через поры мембран под действием гидростатического давления. Осмос – перемещение растворителя через мембрану, непроницаемую для растворенного вещества, под действием осмотического давления в сторону большей концентрации вещества. Активный транспорт – движение вещества против градиента концентрации с затратой энергии клетки. Цитоз – транспорт высокомолекулярных соединений (белков) через мембраны: эндоцитоз, экзоцитоз, трансцитоз, синцитоз. 7

Токсикокинетика вещества определяется: - свойствами токсиканта - свойствами организма Свойства веществ, определяющие их токсикокинетику агрегатное состояние коэффициент распределения в системе «масло/вода» размер молекулы наличие заряда в молекуле величина константы диссоциации солей, слабых кислот и оснований. химические свойства 8

Организм – сложная система компартментов (отделов: кровь (4%), ткани, внеклеточная (13%), внутриклеточная жидкость (41%) с различными свойствами, отделенные друг от друга биологическими барьерами. В организме человека ~6 x 1014 клеток (600 триллионов) Все биологические барьеры организма более или менее сложная совокупность биологических мембран толщина ~ 10 нм 9

Схема движения веществ в основных компартментах организма 10

Свойства компартментов - соотношение воды и жира в клетках, тканях и органах. Биологические структуры могут содержать либо мало (мышечная ткань), либо много жира (биологические мембраны, жировая ткань, мозг); - наличие молекул, активно связывающих токсикант. Например в костях имеются структуры, активно связывающие не только кальций, но и другие двухвалентные металлы (свинец, стронций и т. д. ).

Основные свойства барьеров их толщина и суммарная площадь наличие и размеры пор наличие или отсутствие механизмов активного или облегченного транспорта химических веществ. Орган Кожа Полость рта Желудок Тонкий кишечник Толстый кишечник Прямая кишка Полость носа Легкие Площадь, (м 2) 1, 2 – 2 0, 02 0, 1 - 0, 2 100 0, 5 - 1, 0 0, 04 - 0, 07 0, 01 70 - 140 12

Характеристика биологических барьеров 13

Резорбция - это процесс проникновения вещества из внешней среды в кровяное или лимфатическое русло организма. В резорбции токсикантов, в основном, участвуют: Легкие – ингаляционное воздействие; Кожа – трансдермальное воздействие; Желудочно-кишечный тракт – энтеральное воздействие. 14

ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ ЯДОВ В ОРГАНИЗМ 1. ЧЕРЕЗ ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНЫЙ ТРАКТ: - алиментарный; - сублингвальный; - ректальный. 2. ЧЕРЕЗ КОЖУ : - через неповрежденную кожу (перкутанный); - через раневую поверхность. 3. ИНГАЛЯЦИОННЫЙ. 4. ПАРЕНТЕРАЛЬНЫЙ: - внутривенный, внутримышечный, внутрикожный. 15

Ингаляционное поступление Трахеобронхиальное дерево – система дихотомически делящихся трубок Проводящая зона Z = 0 -16 (трахея, бронхиолы, терминальные бронхиолы) Транзиторная и респираторная зоны Z = 17 -23 (дыхательные бронхиолы, альвеолярные ходы, альвеолярные мешочки, альвеолы) В легких человека 600 -800 миллионов альвеол 16

Особенности строения альвеолярно-капиллярной мембраны Площадь мембраны – 70 - 140 м 2 Толщина мембраны – 0, 6 -0, 8 мкм альвеолоциты I типа - 9%, 95% площади, газообмен; альвеолоциты II типа – 15%, синтез сурфактанта, стволовые клетки; эндотелиоциты – 33%, газообмен, метаболизм биологически активных веществ; макрофаги – 6% клетки интерстиция – 37%17

Легкие – основной путь поступления в организм газов (паров) и аэрозолей. 1. Факторы, определяющие легочную резорбцию инертных в химическом отношении газов (конвекция, растворение, диффузия) - градиент концентрации «альвеолярный воздухкровь» - растворимость в крови (Кр= Скр/ Са. в. CCl 4=0, 6; CHCl 3=0, 8; C 2 H 5 OH=150) - интенсивность дыхания - интенсивность кровотока 2. Факторы, определяющие легочную резорбцию аэрозолей (конвекция, седиментация, растворение, диффузия, фагоцитоз) - концентрация аэрозоля - размер частиц - интенсивность дыхания 18

Процесс проникновения и распространения газов в организме 19

Резорбция через кожу Кожа – самый большой жизненно важный орган: масса: 15% от массы тела; площадь: 1, 5 – 2 м 2; толщина: 0, 8 – 4 мм, рогового слоя: 100 мкм Пути поступления: - трансэпидермально - трасфолликулярно - трансгландулярно Факторы, влияющие на резорбцию: - липофильность - агрегатное состояние - дисперсность аэрозоля - площадь - анатомическая область - интенсивность кровотока Усиливают резорбцию: механические повреждения, мацерация, раздражение, 20 органические растворители

Резорбция через желудочно-кишечный тракт Факторы, влияющие на скорость резорбции • различия р. Н содержимого отделов ЖКТ • неодинаковая площадь всасывающей поверхности • количество и качество пищи, принятой вместе (до, после) с токсикантом 21

Характеристика слизистых оболочек Область Тип эпителия Полость рта Многослойный плоскоклеточный Однослойный цилиндрический ворсинчатый Однослойный цилиндрический складчатый Однослойный цилиндрический; однослойный плоскоклеточный; многослойный плоскоклеточный Желудок Тонкая кишка Толстая кишка Прямая кишка Площадь поверхности (м 2) 0, 02 0, 1 - 0, 2 100 0, 5 - 1, 0 Время контакта с веществом произвольное минуты - часы 0, 04 - 0, 07 22

Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры ПРОХОЖДЕНИЕ ЧЕРЕЗ: МЕХАНИЗМЫ ВЕЩЕСТВА Липидные мембраны Свободная диффузия в Жирорастворимые соответствии с градиентом ксенобиотики концентрации Гидрофильные молекулы Затрудненная диффузия в малых размеров; ионы, Ионные каналы ("поры" 0, 3 соответствии с градиентом - 0, 4 нм) селективно проникающие концентрации через ионные каналы Транспортные белки; пермеазы; транслоказы Активный транспорт против Некоторые субстраты, градиента концентрации с сахара, органические потреблением АТФ; кислоты и основания каталитическая диффузия Инвагинация мембран Фагоцитоз; пиноцитоз; эндоцитоз рецепторных молекул Межклеточные поры Ионы; большие молекулы, Затрудненная диффузия, нерастворимых в липидах избирательная фильтрация веществ Коннексоны Контролируемая фильтрация Большие молекулы, частицы, капли диаметром до 20 нм Ионы; аминокислоты; сахара; нуклеотиды (размеры до 2 нм) 23

резорбция распределение биотрансформация Распределение - транспорт вещества кровью и поступление его в ткани, его кумуляция и депонирование. экскреция 24

Транспорт веществ кровью осуществляется: - в свободной форме - в связанной форме (альбумины, гликопротеиды, липопротеиды) - адсорбированными на мембранах эритроцитов Две фазы распределения I. Динамическое распределение (определяется интенсивностью кровотока) II. Статическое распределение (определяется свойствами токсиканта и органа) 25

резорбция распределение биотрансформация экскреция Элиминация - совокупность процессов, приводящих к снижению содержания токсиканта в организме. Она включает процессы биотрансформации ксенобиотика и его экскреции (выведения). 26

Элиминация - совокупность процессов, приводящих к снижению содержания токсиканта в организме. Она включает процессы: биотрансформации ксенобиотика и его экскреции (выведения). Органы экскреции: Почки; Легкие (для газов и летучих соединений); Печень; Слизистая оболочка ЖКТ; Кожа и ее придатки. 27

Почечная экскреция Почки – важнейший орган выделения, через который выводятся продукты обмена веществ, многие ксенобиотики и продукты их метаболизма. В почках человека 3 -4 миллиона нефронов Нефроны: корковые и юкстамедулярные Нефрон состоит из: - клубочка, - проксимального извитого канальца, - петли Генле, 28 - дистального извитого канальца

В основе почечной экскреции лежат три процесса: 1. Клубочковая фильтрация (первичная моча) 2. Канальцевая реабсорбция 3. Канальцевая секреция Фильтрация: все растворенные в плазме вещества (кроме белков) Реабсорбция: - активная реабсорбция электролитов, воды, глюкозы, аминокислот, витаминов, мочевой кислоты и др. - пассивная обратная диффузия всех липофильных веществ, неионизированных молекул кислот и оснований Секреция: - органические кислоты и основания 29

Метаболизм ксенобиотиковнаправленный на поддержание гомеостаза организма ферментативный процесс превращения исходного токсиканта в форму (водорастворимую), удобную для скорейшей экскреции. Выделяют 2 фазы метаболизма ксенобиотиков: (цитозоль, гладкий ЭПР) I. Фаза окислительной, восстановительной, гидролитической трансформации молекулы II. Фаза синтетических превращений (конъюгации) (фаза истинной детоксикации) 30

Локализация этапов метаболических превращений ксенобиотиков в организме 31

Основные ферменты первой фазы метаболизма ксенобиотиков микросомальные цитохром Р-450 зависимые оксидазы смешанной функции (ОСМ) микросомальные флавинсодержащие монооксигеназы смешанной функции (ФМО) гидропероксидазы цитозольные алкоголь и альдегидрогеназы флавопротеинредуктазы эпоксидгидролазы Основные ферменты второй фазы метаболизма ксенобиотиков УДФ-глюкуронозил трансфераза сульфотрансфераза ацетил-КОА-амин-N-ацетилтрансфераза глутатион-S-трансфераза цистеинконъюгирующие лиазы 32

СХЕМА МЕТАБОЛИЗМА АЛКОГОЛЯ В ПЕЧЕНИ ( скорость метаболизма 4 -12 г/ч) Р 450 -II-EI Жирные кислоты Метаболизируется 10 -15%этанола Н 2 О СО 2 Этанол Ацетальдегид (токсичный) Алк. ДГ 2 (окисляется 85 -90% этанола) Ацетат Алд. ДГ Алк. ДГ –алкогольдегидрогеназа Алд. ДГ- альдегидрогеназа Алд. ДГ 2 – окисляет большую часть алкоголя. У 50% азиатов фермент неактивен

Механизм токсического действия этанола Жирные кислоты Р 450 -II-EI Метаболизируется 10 -15%этанола Ацетальдегид (токсичный) Этанол Алк. ДГ 2 (окисляется 85 -90% этанола) Наркотический эффект Н 2 О СО 2 Ацетат Алд. ДГ Поражение органов и систем

Наркотический эффект этанола Мембранотоксическое действие Синаптотропное действие

Неэлектролиты (неполярные ксенобиотики), накапливаются в липидном бислое биомембран такие как: предельные углеводороды, керосин и др. ), спирты (этанол, метанол, этиленгликоль), Галогенированные углеводороды (дихлорэтан, фреон) непредельные углеводороды (ацетон) При этом изменяются свойства мембран (Н. В. Лазарев): - удельный объем (толщина), - вязкость (текучесть), - проницаемость мембран для ионов. Это приводит к модификации физиологических функций мембран. На уровне организма такое действие неэлектролитов на нервную систему проявляется наркотическим действием. 36

СИНАПТОТРОПНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭТАНОЛА →ГАМК – рецепторы Оглушение, судороги, кома →НМДА-рецепторы Судороги, цитотоксическое действие, гипергликемия →Холинорецепторы Когнитивные нарушения →Адрено- и дофаминовые рецепторы Нарушения ритма сердца, нарушения Обмена веществ, психопатологические симптомы →Серотониновые рецепторы Когнитивные нарушения, формирование мотивации →Эндорфинергические рецепторы Эйфория, оглушение, кома →Na+-K+ АТФ-аза Нарушения ритма сердца

Факторы, влияющие на интенсивность биотрансформации ксенобиотиков Естественные факторы: вид организма, пол, возраст, состояние питания. Экзогенные факторы: - повреждение структур, метаболизирующих ксенобиотики (гепатэктомия, адреналэктомия, кастрация); - химические вещества, способные вызывать индукцию (усиление) метаболизма или ингибирование метаболизма; Биологические последствия биотрансформации ослабление или полная потеря биологической активности (токсичности); изменение биологической активности (исходное вещество и продукты его метаболизма в равной степени токсичны, но действуют на различные биомишени); усиление токсичности или появление новых свойств 38 (токсификация, биоактивация, летальный синтез).

этиленгликоль алкоголь дегидрогеназа гликолевый альдегид гликолевая кислота Витамин В 6 Глицин (нетоксичный метаболит) глиоксиловая кислота щавелевая кислота Витамин В 1 -гидрокси- -кетоадипинат (нетоксичный метаболит)

метанол алкоголь дегидрогеназа Er формальдегид (метандиол) дегидрогеназа Mth альдегид печени дегидрогеназа . . . каталазнопероксидазная система муравьиная к-та 10 -формилтетрагидрофолиевая к-та синтетаза . . .

Количественные характеристики токсикокинетики Токсикокинетические характеристики веществ изучаются экспериментально на лабораторных животных и уточняются в условиях клиники. С 0 Константа элиминации Kel= tg a = dc/dt Период полуэлиминации T 1/2 = ln 2/Kel = 0, 693/Kel Объем распределения VD = D/C 0 Площадь под кривой ППК Квота резорбции (биодоступность) QR = ППКn /ППКв/в Общий клиренс 41 Cl = D/ППК