1CZYM JEST TOKSYKOLOGIA?
1.1. GENEZA I POCHODZENIE TRUCIZN
Na początku każdej książki dotyczącej toksykologii można zazwyczaj znaleźć jedynie ogólną informację, że trucizny towarzyszyły ludziom od zarania dziejów. Takie stwierdzenie powoduje często pominięcie bardzo ważnych kwestii - jaka jest geneza trucizn i skąd mogą pochodzić? Po co i jak powstały? Aby odpowiedzieć na te pytania, należy się najpierw zastanowić, jakie czynniki złożyły się na pojawienie się pierwszych trucizn na Ziemi oraz co stanowiło pierwszą truciznę? Odpowiedzi na te pytania należy szukać na początkowym etapie życia naszej planety. Trucizny powstały bowiem jako metabolity procesów życiowych. Współcześnie przyjmuje się, że wczesne bakterie fotosyntetyczne produkowały znaczące ilości tlenu cząsteczkowego (O2), który był wówczas bezużyteczny. Właściwości tlenu cząsteczkowego doprowadziły do masowego wymierania organizmów jednokomórkowych. Zjawisko to było na tyle istotne, że zapisało się w kartach historii jako tzw. katastrofa tlenowa, za którą uznaje się duże przemiany środowiska Ziemi w okresie paleoproterozoiku (ok. 2,4-2,0 mld lat temu). Należy podkreślić, że wspomniane zjawisko stanowiło w owym czasie wielki kryzys ekologiczny, ponieważ dla jedynych organizmów, jakimi były bakterie beztlenowe, tlen był trucizną i spowodował prawdopodobnie jedno z pierwszych masowych wymierań. Jednak kres życia dla bakterii beztlenowych dał także nowe możliwości dla innego rodzaju organizmów żywych, korzystających z możliwości energetycznych zawartych coraz powszechniej w materii organicznej, tj. wykorzystujących oddychanie tlenowe. Jak widać, historia lubi być przewrotna - tlen, który niegdyś był silną trucizną, dzisiaj jest substancją niezbędną do życia dla większości organizmów.
Co jednak z truciznami? Czego wynikiem było powstawanie tego typu substancji? Prawdopodobnie geneza trucizn stanowi wynik pewnego rodzaju sprzężenia zwrotnego układu drapieżnik-ofiara. Jest to tzw. zjawisko koewolucji, tj. współzależnej ewolucji (co najmniej dwóch) gatunków, z których w każdym zachodzi stopniowe dostosowanie do pozostałych. Przykładem mogą być bakterie, które wydzielają różnorodne trucizny, głównie w celu walki o zasoby oraz adaptacji środowiska do własnych celów. Również w świecie roślin istnieje szeroki wachlarz rozmaitych trucizn (np. atropina, toksalbuminy), które służą głównie do obrony (obecne w różnych częściach roślin, np. w nasionach, owocach, liściach) przed pasożytami oraz przed niszczeniem - zjadaniem. Podobnie królestwo zwierząt bogate jest w zróżnicowane trucizny (np. jady węży, skorpionów, pająków, ryb, a nawet ssaków), produkowane głównie jako obrona przed drapieżnikami oraz stosowane do polowania przez drapieżniki. Również w królestwie fungi (grzyby) rozwinęły się wyrafinowane trucizny (np. ?-amanityna, muskaryna) - przede wszystkim w celu obrony. Można więc dojść do wniosku, że wytworzenie trucizn przez świat organizmów żywych dawał im dwa główne zyski - pomoc w polowaniu lub zdobywaniu pokarmu oraz narzędzie odstraszające. Warto w tym miejscu również zwrócić uwagę na zjawisko, jakim jest mimikra (w najogólniejszym znaczeniu) - przystosowanie ochronne zwierząt polegające na upodobnianiu się zwierząt bezbronnych do zwierząt zdolnych do obrony lub upodobnianiu się do siebie różnych gatunków zwierząt zdolnych do obrony poprzez przybranie ich kształtu, barwy, zachowania. Dowodem na to zjawisko w kontekście toksykologii jest dość popularny przykład modelowego układu mimikry na przykładzie dwóch węży - jadowity wąż koralowy (Micrurus fulvius) oraz niejadowity Lancetogłów mleczny (Lampropeltis triangulum), które mają bardzo podobny wygląd.
Wspomniane przykłady trucizn wytwarzanych przez organizmy żywe stanowią dowód na koewolucję układu drapieżnik-ofiara. Jednakże oprócz trucizn produkowanych przez istoty żywe nie należy zapominać o truciznach mineralnych (pochodzenia mineralnego), wytworach "matki Ziemi". Wydawać by się mogło, że współcześnie - z uwagi na urbanizację i rozwój chemii w życiu codziennym - problematyka trucizn mineralnych jest mało istotna dla przeciętnego człowieka. Jednakże obecne problemy z wodą skażoną nieorganicznymi formami chemicznymi arsenu w Bangladeszu wskazują na to, że nie należy bagatelizować tego typu trucizn.
O ile na wcześniejsze typy trucizn ludzie nie mieli większego wpływu, o tyle trucizny syntetyczne są dziełem tylko i wyłącznie nas samych. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że to nie dynamiczny rozwój wiedzy chemicznej, ale nieodpowiedzialne działania człowieka są przyczyną zatruć związanych z truciznami syntetycznymi.
Jak widać, trucizny mogą mieć różne pochodzenie, przedstawiono to w formie schematu na rycinie 1.1.
Rycina 1.1.
Podział trucizn ze względu na ich pochodzenie.
1.2. ZARYS HISTORII TOKSYKOLOGII
W historii ludzkości można wyróżnić trzy najważniejsze okresy, w których pojawia się motyw trucizn, są to: cywilizacje starożytne - w szczególności Egipt, Grecja i Rzym (ok. IV w. p.n.e.-I w. n.e.), Europa w okresie renesansu (XVI-XVII w.) i koniec milenium (XX-XXI w.).
1.2.1. Starożytność (ok. IV w. p.n.e.-I w. n.e.)
Niewątpliwie jednym z najciekawszych przykładów zastosowania trucizny w starożytności było opisane przez Platona (prawdopodobnie w 399 r. p.n.e.) skazanie Sokratesa na karę śmierci za bezbożność i deprawowanie młodzieży, poprzez wypicie, tzw. trucizny państwa. W literaturze dość często można natrafić na informację, że wspomniana trucizna była ekstraktem (wyciągiem) z cykuty (szalej jadowity, Cicuta virosa). Jednakże śmierć Sokratesa opisana przez Platona (łagodny przebieg paraliżu rozpoczynającego się od stóp) nie pokrywa się z objawami znanymi współcześnie (brak opisu gwałtownych epizodów wymiotów i konwulsji), dlatego bardziej prawdopodobne, że zastosowano szczwół plamisty (Conium maculatum). Ponadto ostatnio można spotkać opinie, że "trucizna państwa" mogła stanowić mieszaninę substancji (np. cykuta + opium + wino), dzięki czemu opis objawów Sokratesa był łagodniejszy niż w przypadku podania czystego wyciągu. Problematyka zastosowanej trucizny może również leżeć w nazwach - w starożytności obie wspomniane rośliny określano łacińskim terminem cicuta.
Interesującą postacią zapisaną na kartach starożytnej historii toksykologii był Mitrydates VI, król Pontu, znany inaczej jako "Eupator" (Wielki). Jego obsesją było poszukiwanie uniwersalnego antidotum o właściwościach uzdrawiających po podaniu jakiekolwiek trucizny. Na jego cześć owa odtrutka została nazwana mithridatum. Co więcej, obsesja Mitrydatesa była również związana z obawą o własne życie - odczuwał lęk przed zatruciem zbrodniczym, dlatego codziennie na kolacje spożywał mieszaninę składającą się z małych dawek trucizn dostępnych w owych czasach (głównie jady zwierzęce i wyciągi z roślin). Legenda głosi, że jego próba samobójcza przez zażycie trucizny była nieskuteczna z uwagi na wysoką odporność, jaką nabył. Oprócz testowania trucizn na własnym organizmie znany był również z eksperymentów z użyciem różnych substancji chemicznych na więźniach poddawanych torturom (szczególnie spektakularnym przykładem było wlewanie do gardła roztopionego złota), a także wykorzystywania trucizn w walkach z Rzymianami (np. delibal/miel fou - miód doprowadzający do obłędu, pochodzący z okolic występowania rododendronów i tojadu mocnego).
Chyba najbardziej spektakularnym przykładem samobójstwa przy użyciu trucizny w starożytności była śmierć Kleopatry (Kleopatry VII). Jak można wyczytać z papirusów, królowa starożytnego Egiptu w obawie o swój los postanowiła godnie umrzeć, popełniając samobójstwo przy użyciu jadu kobry. Istnieje wiele spekulacji na temat przebiegu tego samobójstwa. Szekspir opisuje, że Kleopatra została ukąszona w usta, inne źródła podają, że w łono lub miejsce pod prawą piersią. Z kolei Kasjusz, przepisując zeznania lekarza Kleopatry (Olymposa), wskazuje na żyły na ramieniu. Niezależnie od wersji zdarzeń bardzo prawdopodobne jest, że był to jad kobry królewskiej (Ophiophagus hannah) - śmiercionośny i szybki w działaniu. Warto wspomnieć, że istnieje również hipoteza, zgodnie z którą przyczyną śmierci Kleopatry był tlenek węgla(II) (CO) - główny składnik czadu, który powstał na skutek niecałkowitego spalania węgla (przy braku dostatecznej ilości tlenu) podczas rytuałów odprawianych przez jej służące.
Fascynujące (a wręcz paradoksalne) pod względem toksykologii było również Cesarstwo Rzymskie. Stosowanie trucizn było tam tak powszechne, że ogromną popularnością cieszyła się funkcja praegustatora - czyli osoby kosztującej potraw. W zasadzie nie wiadomo, do jakiego stopnia rola takich "koneserów/testerów dań" była skuteczna, gdyż duża część trucizn nie działa natychmiastowo. Ponieważ praktyki stosowania trucizn były bardzo powszechne, zostały ogłoszone prawa (81 r. p.n.e.), które zakazywały ich używanie - Lex Cornelia De sicariis et veneficiis. W myśl tego prawa karano wszystkich, którzy dopuścili się stosowania trucizn do osiągania swoich celów. Trucizny wykorzystywano wówczas nie tylko jako narzędzia do eliminacji przeciwników ale także w celach samobójczych, uważano, że takie rozwiązanie było aktem odwagi i honorowym sposobem na śmierć w niepomyślnych okolicznościach. Ponadto użycie trucizny (w szczególności opium) do zakończenia nędznego życia schorowanych starców uważano za bardzo wskazane. Oprócz świadomego stosowania trucizn w starożytnym Rzymie należy pamiętać również o jego upadku, co było związane z nieświadomym stosowaniem bardzo interesującego metalu - ołowiu, który przyczynił się do powszechnego występowania ołowicy. Metal ten w czystej postaci charakteryzuje się relatywnie niską temperaturą topnienia (ok. 327°C), dzięki czemu stosowany był praktycznie wszędzie, gdzie tylko to było możliwe (odlewy). Również do budowy słynnych akweduktów, które można podziwiać do dzisiaj, doprowadzających wodę pitną. Metal ten był również składnikiem, z którego wykonywano większość naczyń, w tym kielichy do wina.
1.2.2. Europa nowożytna (XVI-XVII w.)
Niewątpliwie najsłynniejsze nazwisko związane z truciznami w Europie nowożytnej (Włochy w okresie renesansu) to Borgiowie. Mroczna era panowania Borgiów rozpoczęła się w 1455 r., kiedy Rodrigo Borgia (kardynał hiszpańskiego pochodzenia) został wybrany na papieża Rzymu i przyjął imię Aleksander VI. Już w czasach, gdy był kardynałem, pozostawał w związku z rzymską szlachcianką - Venozzą Cattanei, z którą miał czworo dzieci (Lukrecję, Cezara, Juana i Jofrégo). Dwoje z nich - Lukrecja i Cezar - zapisali się trwale na kartach historii jako bezprecedensowi truciciele. Cezar dopuścił się nawet zamordowania własnego brata - Juana, którego z zazdrości otruł w 1497 r. podczas wspólnej kolacji. Z kolei Lukrecję można określić jako "mistrzynię trucicielstwa" z uwagi na rzekomo stosowany pierścień zawierający truciznę. Fascynującym tematem jest również sama trucizna stosowana przez Borgiów - tzw. Cantarella, której głównym składnikiem był arszenik - tlenek arsenu(III), As2O3. Trucizna ta była idealna jak na owe czasy, ponieważ charakteryzowała się brakiem smaku i pozostawała niewykrywalna aż do 1836 r., kiedy James Marsh opracował metodę analityczną umożliwiającą identyfikację arsenu w sekcyjnych materiałach biologicznych. Niektórzy toksykolodzy uznają to przełomowe odkrycie za kres ery masowego trucicielstwa arszenikiem.
Należy jednak wrócić jeszcze do ważnej postaci tej ery, którą był szwajcarski lekarz i przyrodnik Phillippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (1493/1494-1541), znany w toksykologii jako Paracelsus. Była to postać wybitna, która zapisała się na kartach historii toksykologii jako pierwsza osoba, która zdefiniowała truciznę - "wszystko jest trucizną i nic nią nie jest, bo wszystko zależy od dawki" (Sola dosis facit venenum).
1.2.3. Koniec milenium (XIX-XX w.)
O ile każda epoka charakteryzowała się specyficznymi truciznami, o tyle okres milenium niewątpliwie wpisuje się z jednej strony w najintensywniejszy rozwój toksykologii jako dyscypliny naukowej, z drugiej zaś stanowi najbardziej przerażający okres w jej historii.
Za twórcę "współczesnej" toksykologii uznaje się hiszpańskiego lekarza Mathieu Orfila, który opublikował Traktat o truciznach (Traité Des Poisons), dając naukowe podwaliny toksykologii. Warto w tym miejscu wspomnieć, że w tym samym czasie na Uniwersytecie Jagiellońskim działał w zakresie toksykologii prof. Józef Markowski, który napisał Rozprawę o toksykologii wydaną w języku polskim.
Rozwój toksykologii niestety miał swoje mroczne oblicze, zapoczątkowane podczas I wojny światowej, gdy po raz pierwszy użyto broni chemicznej - iperytu (gazu musztardowego) i chloru. Prace nad bronią chemiczną były prowadzone głównie w Niemczech i przyczyniły się do powstania wielu innych trucizn, m.in. związków fosforoorganicznych. W trakcie badań nad nimi okazało się, że mogą być również stosowane jako insektycydy. Z końcem I wojny światowej opracowano bardzo popularny w późniejszym okresie środek owadobójczy - DDT (dichlorodifenylotrichloroetan). Syntezę DDT opracował w 1874 r. austriacki chemik Othmar Zeidler, z kolei właściwości owadobójcze tej substancji odkrył Szwajcar Paul Müller, za co w 1948 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. DDT okazał się również niezwykle skuteczny w walce z malarią (Sri Lanka - 1946 r.). Niemniej jednak z uwagi na jego bardzo dużą trwałość w środowisku (okres połowicznego rozpadu w glebie to 2-15 lat) i powinowactwo do tkanki tłuszczowej (kumulacji) w tkance tłuszczowej został wycofany.
Chociaż w okresie II wojny światowej nie stosowano broni chemicznej, nie można zapomnieć o obozach zagłady (głównie - Majdanek i Auschwitz-Birkenau), w których niemieccy faszyści w specjalnych komorach gazowych, stosując cyklon B (cyjanomrówczanu metylu), wymordowali ok. milion ludności, głównie pochodzenia żydowskiego.
Okres po II wojnie światowej ma dwa oblicza. Z jednej strony intensywna chemizacja rolnictwa i przemysłu chemicznego spowodowały rozwój toksykologii i chemii, z drugiej zaś zwiększeniu uległy zanieczyszczenia przemysłowe.
Tragicznie na kartach historii zapisało się kilka spektakularnych epidemii zatruć, można do nich zaliczyć w szczególności te, do których doszło w Japonii:
- choroba Itai-Itai, czyli masowe zatrucia kadmem, które rozpoczęło się od 1910 r. na skutek uwalniania znaczących ilości tego pierwiastka w wyniku działań górniczych;
- choroba z Minamaty, czyli masowe zatrucia związkami rtęcioorganicznymi w latach 50. XX w. na skutek biotransformacji nieorganicznych związków rtęci(II), które jako odpady były bezprawnie wyrzucone przez Chisso Corporation do zatoki, nad którą leży miasto Minamata;
- katastrofa elektrowni atomowej w Fukushimie - seria wypadków jądrowych, do których doszło w 2011 r. na skutek tsunami.
1.2.4. Współczesność (XXI w.)
Obecnie główne zagrożenia substancjami toksycznymi dla przeciętnego człowieka wiążą się z rozwojem urbanizacji, a głównie z zanieczyszczeniem powietrza. Współcześnie człowiek styka się z ogromną ilością substancji obecnymi w lekach, używkach, produktach kosmetycznych, produktach żywnościowych, truciznach przemysłowych (i innych), co sprawia, że narażenie na czynniki chemiczne jest dziś o wiele większe niż kiedykolwiek wcześniej.
Na przestrzeni lat trucizny są coraz bardziej kontrolowane, a dostęp do nich ograniczony. Jednakże wciąż zdarza się zastosowanie ich przeciwko ludziom. Przykładem może być zbrodnicza działalność angielskiego seryjnego truciciela Graham Young (1947-1990), który popełniał swe zbrodnie przy użyciu talu. Przeciwko ludziom używa się trucizn również do wykonywania wyroków śmierci (tiopental sodu, barbiturany, pankorium i chlorek potasu) oraz stosuje się je jako narzędzia w polityce (szczególnie międzynarodowej). Ostatnio odnotowanym spektakularnym przykładem zatrucia (4 marca 2018 r.) był atak bronią chemiczną (prawdopodobnie środkami paraliżującymi typu nowiczok) na agenta rosyjskiego wywiadu - Siergieja Skripala oraz towarzyszącą mu córkę.
1.3. DYSCYPLINY TOKSYKOLOGII
Z uwagi na interdyscyplinarny charakter toksykologii oraz jej związek z badaniami naukowymi można współcześnie wyszczególnić wiele jej dyscyplin. Te z nich, które mają obecnie największe znaczenie praktyczne, opisano poniżej.
Toksykologia analityczna (analytical toxicology) - dział toksykologii eksperymentalnej zajmujący się zastosowaniem analityki (m.in. chemii analitycznej, diagnostyki laboratoryjnej) w rozwiązywaniu problemów toksykologicznych.
Toksykologia sądowa (sądowo-lekarska) (forensic toxicology) - stanowi najstarszy dział toksykologii, który zajmuje się truciznami i zatruciami z punktu widzenia wymiaru sprawiedliwości oraz organów ścigania - zwłaszcza w zakresie analizy toksykologiczno-chemicznej o charakterze ekspertyzowym oraz badania wpływu substancji odurzających i uzależniających na kierowców, a także badań związanych z dopingiem oraz badań kontrolnych w miejscu pracy.
Toksykologia kliniczna (clinical toxicology) - dziedzina toksykologii zajmująca się zapobieganiem (prewencją), diagnozą i leczeniem ostrych zatruć wśród ludzi; w kręgu zainteresowań toksykologii klinicznej pozostają również problemy lekarskie i społeczne związane z lekomanią, narkomanią, alkoholizmem oraz możliwości ich rozwiązywania.
Toksykologia środowiska (environmental toxicology) - dotyczy skażenia powietrza atmosferycznego, wody i gleby i wpływu tego skażenia na zdrowie człowieka; zadania swoje realizuje, opierając się na normach zawartości zanieczyszczeń chemicznych w różnych elementach środowiska oraz wykorzystując warsztat chemii i analityki środowiskowej oraz ekologii.
Ekotoksykologia (ecotoxicology) - zajmuje się szkodliwym wpływem substancji chemicznych występujących w środowisku na organizmy inne niż człowiek oraz na całe ekosystemy.
Toksykologia żywności (food toxicology) - dyscyplina toksykologii zajmująca się badaniem obecności w żywności substancji szkodliwych pochodzenia naturalnego lub znajdujących się w niej w wyniku produkcji (uprawy, hodowli, procesów technologicznych, przechowywania, zanieczyszczenia środowiska), a także substancjami celowo dodawanymi do żywności.
Toksykologia kosmetyków (cosmetics toxicology/toxicology of cosmetics) - dyscyplina toksykologii zajmująca się badaniem, przewidywaniem i oceną bezpieczeństwa stosowania substancji w produktach kosmetycznych oraz badaniami kontrolnymi opartymi na aktualnych aktach prawnych.
Piśmiennictwo
1. Bloch E.: Hemlock poisoning and the death of Socrates: did Plato tell the truth? Journal of the International Plato Society 2001, 1: 1-8.
2. Bowden P.: Graham Young (1947-90); the St Albans poisoner: his life and times. Criminal Behaviour and Mental Health 1996, 6(S1): 17-24.
3. Gross A.: Samobójstwa słynnych ludzi - Sokrates i cykuta. Archiwum Medycyny Sądowej i Kryminologii 2000, 4, http://www.amsik.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=81.
4. Harada M.: Minamata disease: methylmercury poisoning in Japan caused by environmental pollution. Critical reviews in toxicology 1995, 25(1): 1-24.
5. Holt M., Campbell R.J., Nikitin M.B.: Fukushima nuclear disaster. Congressional Research Service 2012, 7-700, 1-15, https://fas.org/sgp/crs/nuke/R41694.pdf.
6. Levchenko V.F., Kazansky A.B., Sabirov M.A. i wsp.: Early Biosphere: Origin and Evolution. W: The Biosphere. InTech 2012.
7. Lomonte B., Rey-Suárez P., Fernández J. i wsp.: Venoms of Micrurus coral snakes: Evolutionary trends in compositional patterns emerging from proteomic analyses. Toxicon 2016, 122: 7-25.
8. Macinnis P.: Fasolka z Kalabaru - o truciznach i trucicielach prawie wszystko. Wydawnictwo Książkowe Twój Styl, Warszawa 2005.
9. Mark K.C.: Russia-United Kingdom Diplomatic Crisis over Salisbury Nerve Agent Attack: An Analysis. International Journal of Law and Public Administration 2018, 1(1): 58-67.
10. Molenda J.: Historia używek. Bellona, Warszawa 2016.
11. Muńoz Páez A.: Historia trucizny - od cykuty do polonu. Bellona, Warszawa 2015.
12. Timbrell J.: Paradoks trucizn - substancje chemiczne przyjazne i wrogie. WNT, Warszawa 2008.
13. Tsuchiya K.: Causation of Ouch-ouch disease (Itai-Itai Byo) - an introductory review. The Keio Journal of Medicine 1969, 18(4): 195-211.
14. Wiernikowski A., Groszek B.: Toksykologia kliniczna w Krakowie - XXXV lat działalności Kliniki Toksykologii. Przegląd Lekarski, 2001.
15. Winslow R.M.: Oxygen: the poison is in the dose. Transfusion 2013, 53(2): 424-437.
2CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA TOKSYCZNOŚĆ TRUCIZN
Co wpływa na toksyczność trucizn? Pierwszą próbą odpowiedzi na to pytanie były prace rosyjskiego uczonego - Łazariewa, który w 1965 r. zaproponował schemat ukazujący relacje pomiędzy trzema differentia specifica substancji, tj. budową chemiczną, właściwościami fizcznymi i chemicznymi oraz jej (re)aktywnością, a aktywnością biologiczną (ryc. 2.1).
Obecnie wiadomo, że schemat Łazariewa nie jest aktualny, a do najważniejszych dodatkowych czynników wpływających na toksyczność trucizn można zaliczyć w szczególności: postać trucizny (stan skupienia), dawkę podaną lub wchłoniętą, drogę i sposób podania (np. doustna, inhalacyjna, dermalna), częstość podawania (jednorazowo, kilkakrotnie, wielokrotnie), czas narażenia, czynniki biologiczne, zakres i stopień uszkodzenia oraz czynniki środowiskowe.
Poniżej przedstawiono te zagadnienia z podziałem na odpowiednie podrozdziały. Należy tutaj zwrócić uwagę Czytelnika, że pewne czynniki przenikają się tematycznie w obrębie kilku rozdziałów, ponieważ złożoność podjętej tematyki uniemożliwia inne podejście.
Rycina 2.1.
Schemat zaproponowany przez Łazariewa (1965 r.) przedstawiający relacje między budową chemiczną substancji, jej właściwościami fizycznymi i chemicznymi oraz (re)aktywnością, a aktywnością biologiczną.
2.1. BUDOWA CHEMICZNA
2.1.1. Informacje wstępne
Relacje łączące budowę chemiczną substancji z ich działaniem biologicznym (zarówno pozytywnym - farmakologia, jak i negatywnym - toksykologia) były przedmiotem licznych badań na przestrzeni ostatnich kilku wieków. Należy jednak zwrócić uwagę, że toksyczność trucizn wynikająca z właściwości chemicznych charakteryzuje się znacznie większą swoistością (specyficznością) niż omawiane w dalszej części książki właściwości fizyczne i chemiczne. Niewątpliwie budowa chemiczna substancji determinuje w pewien sposób działanie biologiczne, jednakże rozpatrując budowę chemiczną wybranej substancji, można jedynie tylko czasami przewidzieć toksyczność substancji o podobnej budowie (np. homologów w szeregu danej klasy związków organicznych). Należy jednak wyraźnie podkreślić, że w większości przypadków nie ma możliwości przewidywania toksyczności nowych substancji w analogii do dobrze znanych substancji, ponieważ nawet mała zmiana w budowie może powodować duże zmiany we właściwościach fizycznych i chemicznych (przykładem może być aktualna problematyka nowych narkotyków - tzw. dopalaczy). Istnieją jedynie nieliczne zależności odnoszące się do dużych grup związków chemicznych oraz pewnych pojedynczych związków. Poniżej przedstawiono tylko najważniejsze przykłady, a dla ułatwienia dokonano klasycznego podziału obowiązującego w chemii - na związki nieorganiczne i organiczne. Przedstawione przykłady stanowią albo "sztandarowe" przypadki niezbędne do zrozumienia danego zagadnienia, albo przykłady istotne z punktu widzenia kosmetologa.
2.1.2. Zagadnienia związane ze związkami nieorganicznymi
Rozpatrywanie zagadnienia wpływu budowy chemicznej na toksyczność związków nieorganicznych należy rozpocząć od rozważenia toksyczności pierwiastków w odniesieniu do położenia w układzie okresowym. Najlepsze korelacje obserwuje się w przypadku dwóch grup układu okresowego - grupy drugiej (berylowce) oraz grupy siedemnastej (fluorowce). W przypadku berylowców toksyczność wzrasta wraz ze wzrostem masy atomowej, z kolei w przypadku fluorowców obserwuje się zależność odwrotną, tj. toksyczność fluorowców maleje wraz ze wzrostem masy atomowej.
Oprócz położenia pierwiastków w układzie okresowym należy rozważyć zjawisko tzw. specjacji, czyli występowania pierwiastka w różnych postaciach chemicznych. Jego przykładem w kontekście toksykologii może być np. rtęć, która występuje zarówno w postaci: elementarnej (pierwiastkowej) - Hg (rtęć metaliczna), nieorganicznej [np. chlorek rtęci(I) - zwyczajowo kalomel, Hg2Cl2 czy chlorek rtęci(II) - zwyczajowo sublimat, HgCl2], jak i organicznej [np. dimetylortęć, Hg(CH3)2]. Rtęć metaliczna jest toksyczna jedynie inhalacyjnie, ponieważ w postaci elementarnej stanowi pod względem chemicznym metal szlachetny, który podany doustnie nie jest toksyczny. Z kolei chlorek rtęci(I), czyli tzw. kalomel (zawierający wyrafinowany kation ), stanowi w rzeczywistości związek nierozpuszczalny w wodzie, a co za tym idzie - niewykazujący właściwości toksycznych po połknięciu. Odwrotnie jest z chlorkiem rtęci(II), czuli sublimatem, który jest rozpuszczalny w wodzie, a co za tym idzie - jest silnie toksyczny. Podobna sytuacja zachodzi w przypadku dimetylortęci, która z uwagi na swoją lipofilność jest silnie toksyczna dermalnie. Jak widać z przedstawionego przykładu, zjawisko specjacji jest niezwykle ważne przy rozpatrywaniu toksyczności pierwiastków. Przedstawiony przykład ukazuje wpływ tego zjawiska w kontekście odmian chemicznych na toksyczność - ryc. 2.2a). Jednak zjawisko specjacji w odniesieniu do toksyczności może się również odnosić do występowania pierwiastka na różnym stopniu utlenienia. Przykładem, który dobrze to obrazuje, może być arsen, który występując na III stopniu utlenienia - As(III), jest bardziej toksyczny [np. tlenek arsenu(III)/arszenik, As2O3] niż arsen na V stopniu utlenienia - As(V) [np. tlenek arsenu(V), As2O5] (ryc. 2.2b).
Bardzo ważnym zagadnieniem w odniesieniu do toksyczności pierwiastków jest zjawisko alotropii, czyli występowania pierwiastka chemicznego w postaci elementarnej w różnych odmianach o różniących się właściwościach. Zjawisko alotropii jest dość powszechnie, i tak np. fosfor tworzy kilka odmian, z czego najważniejsze to odmiana biała (P4) - silnie toksyczna i czerwona (fosfor bezpostaciowy), która nie jest toksyczna (ryc. 2.2c).
Rycina 2.2.
Toksyczność pierwiastków w kontekście a) - specjacji jako odmian chemicznych na przykładzie rtęci; b) - specjacji stopni utlenienia na przykładzie arsenu; c) - alotropii pierwiastków na przykładzie fosforu.
2.1.3. Zagadnienia związane ze związkami organicznymi
Rozpatrywanie budowy związków organicznych w kontekście ich toksyczności w zasadzie sprowadza się do wybranych przykładów. Należy podkreślić, że tworzenie analogii na podstawie przedstawionych przykładów będzie prowadzić do błędnych konkluzji. Poniżej przedstawiono wpływ budowy chemicznej na toksyczność związków organicznych, biorąc za punkt wyjścia klasyfikację chemiczną oraz zjawisko izomerii.
Najprostszą klasą związków organicznych są węglowodory. Przyjmuje się, że toksyczność węglowodorów alifatycznych rośnie wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu i zwiększeniem stopnia jego rozgałęzienia, z kolei węglowodory nienasycone są bardziej toksyczne od nasyconych, a węglowodory aromatyczne są o wiele bardziej toksyczne niż węglowodory nasycone. Relacje dotyczące budowy chemicznej węglowodorów i ich toksyczności badał już w 1869 r. Richardson, który zauważył, że zwiększenie liczby atomów węgla w związku alifatycznym powoduje wzrost właściwości narkotycznych - ryc. 2.3a).
Wiadomo również, że wzrostowi właściwości narkotycznych sprzyja wprowadzenie fluorowców do związków alifatycznych (ryc. 2.3b), przeprowadzenie związku łańcuchowego w postać cykliczną (cyklizacja) (ryc. 2.3c) i zwiększenie stopnia nienasycenia (ryc. 2.3d). Warto zauważyć, że zwiększenie właściwości narkotycznych poprzez wprowadzenie fluorowców do cząsteczki węglowodorów dotyczy sytuacji, gdy atom fluorowca zostaje wprowadzony zarówno do węglowodoru (ryc. 2.3b), jak i do fragmentu węglowodorowego (łańcucha alifatycznego) innych związków organicznych, przykładem może być kwas trichlorooctowy (TCA), który jest bardziej toksyczny od kwasu octowego. Wyjaśnieniem tej przyczyny jest oczywiście efekt indukcyjny spowodowany obecnością w cząsteczce trzech atomów chloru, co sprawia, że moc TCA jest znacznie większa niż wyjściowego kwasu octowego.
Podobnie jak w chemii organicznej nie jest możliwe ominięcie wpływu skierowującego podstawników do pierścienia benzenowego, tak w toksykologii nie jest możliwe przemilczenie konsekwencji wprowadzenia podstawników do pierścienia benzenowego lub łańcucha alkilowego, gdy chodzi o toksyczność nowo powstałych związków. Przyjmuje się, że zmniejszenie toksyczności lub całkowite zniesienie działania toksycznego następuje w przypadku wprowadzenia do węglowodorów aromatycznych lub alifatycznych grup funkcyjnych powodujących zwiększenie rozpuszczalności w wodzie (nadanie charakteru hydrofilowego), a co za tym idzie - szybsze wydalanie. Z kolei zwiększenie toksyczności/znamienny wzrost szkodliwego działania jest związane z wprowadzeniem do węglowodorów aromatycznych lub alifatycznych grup funkcyjnych powodujących nadanie charakteru lipofilnego/hydrofobowego. Zbiór grup funkcyjnych w zależności od ich działania oraz charakterystyki toksykologicznej przedstawiono w tabeli 2.1.
Rozpatrując wpływ budowy chemicznej na toksyczność związków organicznych, należy rozważyć wpływ wprowadzenia grupy hydroksylowej (-OH) do szkieletu węglowodorowego. Jest to zagadnienie ważne, ponieważ kosmetolodzy często korzystają z różnorodnych alkoholi, fenoli i innych związków organicznych zawierających tę grupę funkcyjną. Zauważono, że wprowadzenie jej do związków alifatycznych osłabia działanie narkotyczne (gliceryna jest pozbawiona właściwości narkotycznych, a propan-1-ol wykazuje takie działanie) (ryc. 2.3a). Z kolei wprowadzenie grupy hydroksylowej do pierścienia aromatycznego zwiększa toksyczność związku (powstaje fenol, który oprócz działania narkotycznego wykazuje działanie drażniące i żrące). Zgoła inaczej jest w przypadku wprowadzenia drugiej grupy hydroksylowej do cząsteczki fenolu w położenie orto- lub para-, co wywołuje działanie methemoglobinotwórcze (nie obserwuje się tego działania w położeniu meta-). Jest to przykład ukazujący wpływ jednego z typów izomerii konstytucyjnej (strukturalnej/położenia).
Rycina 2.3.
Właściwości narkotyczne węglowodorów w odniesieniu do: a) - zwiększenia liczby grup hydroksylowych; b) - wprowadzenia podstawników w postaci atomów fluorowca; c) - przejścia w formę cykliczną; d) - zmiany stopnia nienasycenia.
Tabela 2.1.
Grupy funkcyjne, których wprowadzenie do węglowodoru aromatycznego lub alifatycznego powoduje zmniejszenie lub zwiększenie toksyczności, oraz ich charakterystyka toksykologiczna
Działanie
Grupa funkcyjna
Charakterystyka toksykologiczna
Wzór/oznaczenie
Nazwa
Grupy funkcyjne powodujące zmniejszenie toksyczności lub całkowite zniesienie działania toksycznego
-COOH
Karboksylowa
Po przyłączeniu do pierścienia benzenowego powstaje bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie kwas benzoesowy (jego sól - benzoesan sodu - jest stosowana jako popularny konserwant)
-SH
Tiolowa (merkaptanowa/sulfhydrylowa*)
Z uwagi na dużą reaktywność tworzy odwracalne układy utlenienia redukcji, np. cysteina-cystyna w glutationie dzięki czemu ma znaczenie w reakcjach sprzęgania (reakcje II fazy)
-SO3H
Sulfonowa
Wpływa na zwiększenie rozpuszczalności i zmniejszenie toksyczności niezależnie od sposobu wiązania; zwiększenie wydalania przez nerki
-COCH3
-COMe
-Ac
Acetylowa
Acetyl
Zmniejsza nadmierną reaktywność amin oraz eliminuje wpływ kwasowości środowiska na kierunek podstawienia amin, przeprowadzając je w pochodne N-acetylowe - przekształcenie grupy aminowej w amidową radykalnie zmniejsza zasadowość atomu azotu i zmniejsza aktywację pierścienia (pełni funkcję grupy ochronnej)
-OCH3
Metoksylowa
Wprowadzenie do np. cząsteczki kwasu benzoesowego w położenie para zmniejsza moc kwasu, a w położeniu meta ułatwia dysocjację
-N=N-
Azowa
Obecna w aromatycznych azozwiązkach, które powstają w reakcjach sprzęgania soli diazoniowych z fenolami, aminami aromatycznymi i innymi pochodnymi węglowodorów aromatycznych względnie podatnymi na substytucję elektrofilową
Grupy funkcyjne powodujące zwiększenie toksyczności/znamienny wzrost szkodliwego działania
-NO
Nitrozowa
Grupy nitrozowe mogą ulegać hydrolizie, wiele związków z grupy nitrozoamin wykazuje silne działanie rakotwórcze
-NO2
Nitrowa
Nie ma znaczenia, czy grupa ta jest związana bezpośrednio z atomem węgla, czy przez atom tlenu w wiązaniu estrowym - jej działanie w przemianach metabolicznych polega głównie na działaniu methemoglobinotwórczym; wprowadzanie kolejnych grup nie wpływa na zwiększenie toksyczności w związkach alifatycznych, jednakże ma to istotne znaczenie w związkach aromatycznych
-NH2
Aminowa
Zwiększa toksyczność zarówno związków alifatycznych, jak i aromatycznych (farby do włosów) - działanie methemoglobinotwórcze; diaminy wykazują silniejsze działanie methemoglobinotwórcze (podobnie jak aminy I-rzędowe) niż aminy II- i III-rzędowe
-CH3
Metylowa
Po wprowadzeniu do pierścienia aromatycznego zwiększa toksyczność związku (np. toluen jest bardziej toksyczny od benzenu)
-OH
Hydroksylowa
Po przyłączeniu do węglowodoru aromatycznego zwiększa toksyczność (powstają fenole)
-CN
Cyjanowa (nitrylowa)
Jest toksyczna tylko wtedy, gdy łatwo ulega uwolnieniu z cząsteczki, np. amigdalina obecna w pestkach brzoskwini łatwo hydrolizuje (proces enzymatycznego rozkładu), dając m.in. silnie toksyczny cyjanowodór (HCN); związki zawierające trwale związane grupy cyjanowe są mało toksyczne, np. kwas cyjanooctowy (CNCH2COOH), acetonitryl (CH3COCN) lub są nietoksyczne (np. witamina B12 (cyjanokobalamina)
-F, -Cl, -Br, -I
Halogenowa/fluorowiec
Swoją obecnością zwiększają toksyczność związku; znane są związki z trwale związanymi fluorowcami, dlatego brak wzrostu toksyczności po ich wprowadzeniu do cząsteczki (np. freony - niegdyś gazy chłodnicze w lodówkach); podstawienie atomem fluoru atomu wodoru w acetylokoenzym A prowadzi do syntezy letalnej
* Z uwagi na powszechność stosowania nazwy "sulfhydrylowa" na określenie grupy -SH (w szczególności w biologii, biochemii i naukach medycznych) pozostawiono taką nazwę w tabeli, jednakże w języku polskim poprawna nazwa to "grupa tiolowa" (od tioli); prawdopodobnie określenie "sulfhydrylowa" stanowi przykład makaronizmu z języka angielskiego (sulfhydryl group).
Oprócz przedstawionych zagadnień bardzo istotny wpływ na toksyczność związków organicznych ma wspomniane zjawisko izomerii. Tradycyjnie w chemii organicznej izomerię można podzielić na dwa rodzaje - izomerię konstytucyjną (położenia) oraz izomerię optyczną. Jeśli chodzi o wpływ izomerii konstytucyjnej, to zauważył go już w 1869 r. Richardson, który doszedł do wniosku, że siła działania narkotycznego jest większa w związkach alifatycznych nierozgałęzionych w porównaniu z rozgałęzionymi (tab. 2.2 [1]).
Tabela 2.2.
Wpływ zjawiska izomerii na toksyczność związków organicznych
Izomeria konstytucyjna
1
Szkieletu węglowego
n-Butanol wykazuje działanie narkotyczne, a izobutanol nie ma takich właściwości
2
Położenia grupy funkcyjnej
Etylobenzen z uwagi na jeden łańcuch boczny (grupa etylowa) ma większe właściwości narkotyczne w porównaniu z 1,2-dimetylobenzenem
Stereoizomeria
3
Diastereoizomeria geometryczna
Kwas maleinowy nie występuje w przyrodzie, stanowi inhibitor enzymów dehydrogenazy bursztynianowej i hydratazy fumaranowej, powoduje m.in. aminoacidurię
Kwas fumarowy stanowi produkt uboczny biotransformacji węglowodanów
4
Enancjomeria
(R)-(+)-Talidomid charakteryzuje się działaniem terapeutycznym, (S)-(-)-talidomid stanowi silny teratogen, działający na DNA płodu oraz wykazujący działanie hamujące angiogenezę (hamuje tworzenie nowych naczyń krwionośnych w kończynach i rozwój już istniejących)
Ponadto wiadomo, że siła działania narkotycznego jest większa w pochodnych benzenu mających jeden łańcuch boczny od podobnego związku, w którym ten łańcuch został podzielony na dwa krótsze (tab. 2.2 [2]).
Osobnym zagadnieniem jest stereoizomeria. Stereoizomery to związki, których atomy są połączone w tej samej kolejności, ale w różnym ułożeniu geometrycznym. Najprostszym przykładem tego typu izomerii jest diastereoizomeria geometryczna cis-trans. Na podstawie wielu obserwacji można przyjąć założenie, że zazwyczaj izomery cis są bardziej czynne biologicznie niż izomery trans. Przykładem mogą być izomery cis/trans kwasu butenodiowego (tab. 2.2 [3]).
Bardzo ważnym zagadnieniem (ale często źle rozumianym w naukach biologicznych) jest tzw. enancjomeria. Enancjomery to stereoizomery, których nie da się na siebie nałożyć (podobnie jak nie da się nałożyć lewej rękawiczki na prawą rękę) - czyli stanowią względem siebie odbicia lustrzane. Enancjomery różnią się kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego - mogą być lewo- lub prawoskrętne. Warto zwrócić uwagę, że bardzo popularnym systemem nomenklatury w biochemii jest tzw. system D (dextrus)/L (levo) (tzw. konfiguracja względna mówiąca o tym, w którą stronę skierowana jest grupa hydroksylowa na najniższym centrum stereogeniczności w projekcji Fischera danego związku), który historycznie wywodzi się od cukrów i aminokwasów. Jednakże określenia D i L nie mają związku z tym, w którą stronę zostaje skręcona płaszczyzna światła spolaryzowanego (D-cukier może być zarówno lewo-, jak i prawoskrętny) - mówiąc inaczej: nie ma to związku z tym, czy dana substancja jest lewo- czy prawoskrętna. System ten jest dość przestarzały, ponieważ opisuje konfigurację tylko jednego centrum stereogeniczności i nie mówi nic o innych, które mogą się znajdować w cząsteczce. Jednakże przez lata przyjęło się (zazwyczaj błędnie), że izomery L są bardziej aktywne biologicznie od izomerów D (m.in. z uwagi na to, że w przyrodzie występują tylko L-aminokwasy).
Obecnie w chemii i innych dyscyplinach zalecane jest stosowanie nomenklatury R (rectus)/S (sinister) uwzględniającej tzw. konfigurację absolutną, do której stosuje się reguły Cahna-Ingolda-Preloga (ustalanie ważności podstawników przy centrum asymetrii na podstawie liczb atomowych podstawników). Jednakże należy pamiętać, że jest to jedynie przypisanie konfiguracji cząsteczce, a w rzeczywistości oznaczenia R i S nie mają związku z tym, czy dany związek jest lewo- czy prawoskrętny. Niezależnie jednak od przyjętych nomenklatur można przyjąć, że enancjomery lewoskrętne są bardziej aktywne biologicznie od prawoskrętnych.
Bardzo istotnym pojęciem w odniesieniu do enancjomerów jest mieszanina racemiczna (racemat) - równomolowa mieszanina formy lewo- i prawoskrętnej. O ile skuteczność stosowania leków zależy od zastosowanego odpowiedniego enancjomeru (np. obecność R-ibuprofenu w mieszaninie racemicznej zmniejsza szybkość działania S-ibuprofenu), o tyle zastosowanie mieszaniny racemicznej może nie tyle pomniejszyć efektywność i szybkość działania danego leku, ile spowodować poważne efekty toksyczne. Bardzo ważnym przykładem zapisanym na kartach historii toksykologii leków było zastosowanie talidomidu w postaci racematu - leku o działaniu przeciwwymiotnym, przeciwbólowym, usypiającym i hipnotycznym stosowanym w ciąży (tab. 2.2 [4]).
2.2. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE I CHEMICZNE
Właściwości fizyczne i chemiczne substancji decydują w pewnym stopniu o jej toksyczności. Przed przystąpieniem do omówienia tego zagadnienia warto zwrócić uwagę na dość powszechny błąd - terminu "właściwości" nie należy zastępować słowem "własności", ponieważ ma ono zupełnie inne znaczenie. Ponadto nie ma właściwości fizykochemicznych, a właściwości fizyczne i chemiczne, które należy prawidłowo definiować. Właściwości fizyczne substancji to cechy charakteryzujące substancję pod względem wyglądu, stanu skupienia, parametrów mechanicznych (np. barwa, gęstość, stan skupienia, twardość, lotność, temperatury: topnienia, wrzenia, sublimacji itp.). Z kolei właściwości chemiczne to cechy charakteryzujące daną substancję pod względem możliwości brania przez nią udziału w reakcjach chemicznych (np. trwałość/bierność, reaktywność, palność itp.).
2.2.1. Rozpuszczalność i współczynnik podziału
Pojęcie rozpuszczalności w chemii dotyczy zazwyczaj dwóch sytuacji:
- maksymalnej liczby gramów substancji, jaką można rozpuścić w danych warunkach eksperymentalnych (temperatura, ciśnienie) w 100 g rozpuszczalnika;
- rozpuszczalności molowej (istotnej w zagadnieniach związanych z iloczynem rozpuszczalności).
Tymczasem w toksykologii rozpuszczalność należy traktować bardziej jako lipofilność (hydrofobowość) lub hydrofilność (lipofobowość), co decyduje istotnie o losach ksenobiotyków w ustroju. Rozpatrując wpływ rozpuszczalności na toksyczność, należy brać pod uwagę nie tylko budowę chemiczną danej substancji, ale również czynniki fizjologiczne (np. wartość pH i jego wartość). Przykładem mogą być sole nieorganiczne baru - siarczan(VI) baru (BaSO4) oraz węglan baru (BaCO3). Skoro siarczan(VI) baru nie rozpuszcza się w wodzie i był kiedyś stosowany jako kontrast w prześwietleniach żołądka, to wynikałoby z tego, że również BaCO3 będzie bezpieczny po podaniu doustnym. Jednakże z uwagi na to, że w żołądku obecny jest kwas żołądkowy [główny składnik to kwasy solny - kwas słabszy od kwasu siarkowego(VI), ale mocniejszy od kwasu węglowego], to przereaguje on z węglanem baru w myśl równania reakcji: BaCO3 + 2 HCl ? BaCl2 + H2O + CO2(?).
Z punktu widzenia możliwych dróg wchłaniania do ustroju, dystrybucji w poszczególnych tkankach i narządach oraz dróg wydalania bardzo ważne jest określenie tego, jak substancja ulega rozmieszczeniu (podziałowi) pomiędzy dwie różne fazy. Do tego celu służy tzw. współczynnik podziału (R) (partition coefficient), który stanowi stosunek (iloraz) stężeń danej substancji w dwóch niemieszających się ze sobą fazach (dwufazowy układ heterogeniczny) w chwili ustalenia się stanu równowagi (termodynamicznej). Najczęściej wartość współczynnika podziału podaje się jako logarytm dziesiętny, tj. log (R). Eksperymentalnie współczynniki podziału wyznacza się poprzez określenie stężeń danej substancji w dwóch fazach po ustaleniu się stanu równowagi. Badania te pozwalają na dokonanie wstępnej charakterystyki toksykologicznej badanej substancji. Z uwagi na fizjologię, anatomię i metabolizm ustroju badania wykonuje się w układach modelowych, tj. stosuje się wodę jako odpowiednik krwi, olej (zwierzęcy, roślinny lub mineralny; najczęściej n-oktanol) jako odpowiednik tkanki tłuszczowej i powietrze jako odpowiednik wydychanego powietrza. Badania prowadzi się w temperaturze 37°C w celu odniesienia wyników do temperatury ciała człowieka (36,6°C).
Najczęściej wyznaczane w toksykologii współczynniki podziału to:
- olej : woda (model układu - tkanka tłuszczowa : krew);
- woda : powietrze (model układu - krew : wydychane powietrze);
- olej : powietrze (model układu - tkanka tłuszczowa : wydychane powietrze).
W tabeli 2.3 przedstawiono wybrane przykłady współczynników podziału.
Duża wartość współczynnika podziału olej : woda może wskazywać na to, że:
- substancja dobrze się wchłania dermalnie;
- substancja kumuluje się w tkance tłuszczowej, co może powodować zwolnienie metabolizmu (mniejsze ukrwienie tkanki tłuszczowej) i spowolnienie wydalania;
- rośnie siła działania narkotycznego (mechanizm działania ma związek z przenikaniem narkotyku przez błony biologiczne).
Tabela 2.3.
Najczęściej wyznaczane w toksykologii współczynniki podziału - przykłady jako log (R) (temperatura 37°C)
Współczynnik podziału
Przykład, log(R)
Olej : woda
Kokaina
2,30
Metanol
-0,74
Woda : powietrze
Alkohol benzylowy
4,86
Limonen
-0,11
Olej : powietrze
Benzaldehyd
4,44
?-Terpineol
6,58
Z kolei duże wartości współczynników podziału woda : powietrze oraz olej : powietrze determinują wchłanianie się badanej substancji w postaci gazowej przez skórę. Odwrotnie jest, jeśli - przykładowo substancja ma niską wartość współczynnika podziału woda : powietrze, można wówczas przypuszczać, że jedną z dróg wydalania tej substancji jest układ oddechowy.
2.2.2. Stopień rozdrobnienia
Jednym z czynników przyspieszających szybkość reakcji chemicznej jest stopień rozdrobnienia, głównie z uwagi na to, że rozdrobnienie substancji zwiększa powierzchnię kontaktu reagentów. Podobnie w toksykologii - wzrost rozdrobnienia substancji (zmniejszenie rozmiaru) powoduje wzrost powierzchni np. cząstek stałych, co z kolei implikuje wzrost toksyczności. Należy zauważyć, że zagadnienie to jest bardzo istotne, ponieważ odgrywa ważną rolę w procesie absorpcji (wchłaniania) trucizn. Na podstawie wyników wielu badań można powiązać stopień rozdrobnienia (rozmiar) cząstek pyłu ze stopniem zatrzymania w odpowiednim odcinku dróg oddechowych (tab. 2.4).
Tabela 2.4.
Związek pomiędzy stopniem rozdrobnienia cząsteczek a stopniem zatrzymania w danym odcinku dróg oddechowych
Stopień rozdrobnienia (rozmiar cząstek stałych) [?m]
Stopień zatrzymania [%]
Miejsce osadzania w odcinku dróg oddechowych
0,0-1,2
Minimalny
Dolne drogi oddechowe
Tchawica, oskrzela
2,0-2,5
Do 50
2,5-5,0
> 50
5 ?
83
Górne drogi oddechowe
Jama nosowa, gardło, krtań
2.2.3. Rozkład substancji
Rozkład (dekompozycja) substancji chemicznych podczas przechowywania może być związany ze zmianami toksykodynamicznymi (zob. toksykokinetyka, omówiona w rozdz. 6) danej substancji. Dotyczy to zwykle trucizn organicznych i pochodzenia naturalnego (zwierzęcego, roślinnego) i jest związane głównie z przechowywaniem kilku substancji (mieszanin).
Powstające produkty rozkładu mogą tworzyć nowe połączenia o trudnej do przewidzenia budowie i aktywności biologicznej, co może prowadzić do zmian:
- korzystnych, np. rozkład cyjanku potasu pod wpływem wilgoci i tlenku węgla(IV) z powietrza, prowadzący do gazowego cyjanowodoru oraz węglanu potasu;
- niekorzystnych, np. procesy rozkładu leków pod wpływem światła - mogą wówczas powstawać substancje mogące obniżać działanie terapeutyczne lub powodować działanie toksyczne (np. chloroform pod wpływem światła przechodzi w bardziej toksyczny fosgen).
2.2.4. Cechy organoleptyczne
Cechy organoleptyczne można zdefiniować jako zespół cech obejmujących smak, zapach, wygląd (barwę i konsystencję) substancji, które można wyodrębnić i ocenić za pomocą zmysłów człowieka. Z toksykologicznego punktu widzenia cechy organoleptyczne stanowią bardzo ważne cechy substancji, ponieważ umożliwiają ostrzeganie i tym samym ograniczenie kontaktu z substancją. W tabeli 2.5 przedstawiono przykłady substancji toksycznych o cechach organoleptycznych.
Brak cech organoleptycznych danej substancji sprawia, że staje się ona trucizną doskonałą, co z kolei jest przyczyną wielu zatruć; do substancji takich można zaliczyć w szczególności tlenek arsenu(III), As2O3 (arszenik) - substancję białą, bezwonną i bez smaku oraz tlenek węgla(II), CO - bezbarwny i bezwonny gaz (tzw. cichy zabójca).
Tabela 2.5.
Przykłady substancji toksycznych mających cechy organoleptyczne
Cecha organoleptyczna
Substancja toksyczna
Opis cechy
Smak
Strychnina (nasiona Kulczyby wronie oko)
Bardzo gorzki smak
Octan ołowiu(II), (CH3COO)2Pb (cukier ołowiany)
Słodki smak podobny do cukru
Zapach
Cyjanowodór, HCN
Zapach gorzkich migdałów
Siarkowodór, H2S
Zapach zgniłych jaj
Hydrazyna, N2H4
Charakterystyczny zapach rozkładającej się padliny, lekko amoniakalny
Iperyt siarkowy, S(CH2CH2Cl)2 (gaz musztardowy)
Zapach czosnku
Barwa
Brom, Br2
Krwistoczerwona ciecz
Chlor, Cl2
Zielonożółty gaz
2,4,6-trinitrotoluen (trotyl)
Żółte igły
2.3. CZYNNIKI BIOLOGICZNE
Oprócz czynników związanych z samą substancją toksyczną, tj. budowy chemicznej oraz jej właściwości fizycznych i chemicznych, bardzo ważnym zagadnieniem są czynniki biologiczne. Wprowadzenie substancji toksycznej do żywego organizmu powoduje jego reakcję w postaci obrazu zatrucia jako wyniku wspólnego oddziaływania trucizny z organizmem. Poniżej omówiono najważniejsze czynniki biologiczne mające znaczenie w toksykologii.
2.3.1. Przynależność gatunkowa
Gatunkowe zróżnicowanie wrażliwości zwierząt na substancje toksyczne przejawia się głównie w różnicach w biotransformacji. Oprócz odmienności w metabolizmie substancji toksycznych wiele innych czynników ma istotne znaczenie w różnicach gatunkowych, w szczególności:
- stopień złożoności i zróżnicowania układu nerwowego;
- poziom rozwoju regulacyjnych mechanizmów funkcji fizjologicznych;
- długość życia;
- rodzaj obiektu biologicznego;
- budowa skóry i inne.
Zagadnienie przynależności gatunkowej jest bardzo ważne w toksykologii, ponieważ dane uzyskane z eksperymentów na zwierzętach różnych gatunków są zazwyczaj ekstrapolowane na człowieka.
Gatunkowe różnice wrażliwości na substancje toksyczne dotyczące zwierząt laboratoryjnych i w odniesieniu do człowieka były często przedmiotem badań i zostały dość dobrze poznane, np.:
- króliki są znacznie mniej wrażliwe na działanie substancji toksycznych niż koty;
- u psów - inaczej niż u człowieka - nie następuje acetylacja;
- kot domowy nie metabolizuje paracetamolu (p-acetyloaminofenolu);
- żaby są ok. 22-krotnie mniej wrażliwe na fosfoorganiczne środki owadobójcze niż myszy laboratoryjne;
- opium wywołuje wizje i stan przygnębienia u ludzi rasy białej i Chińczyków, z kolei u Japończyków substancja ta wywołuje ataki szału.
2.3.2. Płeć
Zagadnienie wpływu płci na ujawnienie i charakter efektu toksycznego jest złożone. Różnica w toksyczności związana z płcią dotyczy głównie przemian pod wpływem enzymów mikrosomalnych kontrolowanych przez hormony płciowe. Na przestrzeni lat temat ten był przedmiotem licznych badań, których wyniki były często sprzeczne lub nie pokrywały się ze sobą. Biorąc pod uwagę współcześnie prowadzone badania naukowe z wykorzystaniem zwierząt laboratoryjnych, można przyjąć, że samice zwierząt doświadczalnych są bardziej wrażliwe na działanie substancji toksycznych. Potwierdzeniem takiego założenia jest to, że testosteron skraca czas snu u szczurów po podaniu heksobarbitalu (środek znieczulający do krótkich operacji), natomiast estradiol przedłuża sen. Jeśli chodzi o ludzi, to w pewnych badaniach zauważono, że młode dziewczęta są bardziej wrażliwe na benzen działający na szpik kostny. Dlatego można przyjąć, że płeć może mieć istotny wpływ na aktywność biologiczną trucizn.
2.3.3. Wiek
Niewątpliwie wiek ma istotny wpływ na przebieg zatruć, ale należy również pamiętać, że ma również wpływ na wchłanianie trucizn drogą pokarmową, inhalacyjną i dermalną. Kluczowe znaczenie ma to, że niektóre etapy rozwoju człowieka (a także zwierząt), tj. wczesne i późne okresy życia, odbiegają od ustabilizowanej homeostazy wieku dojrzałego.
We wczesnych etapach życia człowieka - noworodki (0-1 mies.) i niemowlęta (2-12 mies.) odnotowuje się znaczne różnice w przebiegu zatrucia. U noworodków zaobserwowano brak aktywności enzymów mikrosomalnych lub była ona niewielka, co z jednej strony powoduje większe narażenie na działanie trucizn niż u osób dorosłych, a z drugiej bywa korzystne, ponieważ przy niektórych zatruciach nie tworzą się metabolity bardziej toksyczne od samej substancji toksycznej.
W przypadku osób starszych (seniorzy) zagrożenie truciznami wzrasta głównie z uwagi na zmieniony metabolizm i wolniejsze wydalanie z organizmu (wzrost kumulacji trucizn lub ich metabolitów).
2.3.4. Indywidualna zmienność wrażliwości na trucizny
Indywidualna zmienność wrażliwości na substancje toksyczne charakteryzuje się dość dużą złożonością. Zazwyczaj w toksykologii i farmakologii traktuje się to zagadnienie jako tzw. zło konieczne, a w celu zmniejszenia wpływu tego zjawiska na rozpatrywanie toksyczności substancji stosuje się metody statystyczne. Indywidualna wrażliwość na substancje toksyczne, granice jej zmienności i wybór kryteriów oceny tych granic są słabo poznane. Co więcej, obecnie przyczyny i mechanizmy indywidualnej zmienności nie są przedmiotem licznych badań. Jednakże współcześnie jednym z wiodących trendów w medycynie jest tzw. medycyna personalizowana, charakteryzująca się całkiem nowym podejściem do procesu diagnostyczno-terapeutycznego. Idea tego działu medycyny w kontekście toksykologii opiera się na dokładnej znajomości molekularnych podstaw patogenezy chorób, co z kolei umożliwia zastosowanie terapii celowanej, ukierunkowanej na zablokowanie kluczowego mechanizmu w rozwoju zatrucia. Niewątpliwie rozwój medycyny personalizowanej przyczyni się do lepszego zbadania indywidualnej zmienności wrażliwości na substancje toksyczne.
2.3.5. Stan zdrowia, stany fizjologiczne
Stan zdrowia oraz stany fizjologiczne mają bardzo istotne znaczenie dla obrazu zatrucia. Choroba jako dynamiczna reakcja ustroju na działanie czynnika chorobotwórczego wyraża się zaburzeniem naturalnego współdziałania narządów i tkanek, co prowadzi do zmian czynnościowych i organicznych w ustroju. Należy pamiętać o tym, że choroby zmieniają nie tylko procesy fizjologiczne w organizmie, ale mogą też powodować zmiany anatomiczne. W związku z tym stany chorobowe mają bardzo istotny wpływ na przebieg zatrucia (tab. 2.6).
Tabela 2.6.
Przykłady chorób i stanów chorobowych mających istotny wpływ na przebieg zatrucia
Choroba/stan chorobowy
Możliwy wpływ na przebieg zatrucia
Biegunka
Możliwość skrócenia czasu wchłaniania trucizn w przypadku podania doustnego
Zaparcia, ciężkie zmiany błony śluzowej jelit
Możliwa resorpcja zwrotna
Choroby dróg oddechowych
Możliwość wchłaniania inhalacyjnego pyłów i lotnych trucizn
Choroby skóry
Możliwe ułatwienie absorpcji dermalnej cieczy oraz gazów
Choroby wątroby
Możliwe zakłócenie procesów detoksykacji, np. zmniejszenie tworzenia się glukuronianów, siarczanów(VI), zakłócenie procesów oksydacyjnych
Choroby nerek
Złe ukrwienie nie sprzyja wydalaniu trucizn, a tym samym przedłuża działanie trucizn
Innymi równie istotnymi czynnikami związanymi z obrazem zatrucia są stany fizjologiczne ustroju. Ważnym przykładem może być okres miesiączkowania u kobiet, w którym obniżona jest tolerancja na zatrucia lekami w dawkach terapeutycznych. Podobnie okres ciąży jest bardzo istotny zarówno dla matki, jak i dziecka (szczególnie pierwszy trymestr ciąży). Należy wyraźnie podkreślić, że bariera łożyskowa nie jest zdolna zatrzymać większości substancji toksycznych, dlatego nawet małe dawki leków mogą działać teratogennie.
Innym przykładem stanu fizjologicznego może być sam wysiłek fizyczny, gdy na skutek zwiększonej wentylacji płuc i przyspieszonego krążenia ilość trucizny zresorbowanej z powietrza w jednostce czasu ulega zwiększeniu. Jeśli wysiłkowi towarzyszy duża potliwość, to może dojść do zwiększonej resorpcji substancji toksycznych przez skórę.
Oprócz przedstawionych przykładów stanów fizjologicznych może też czasami wystąpić zjawisko tzw. idiosynkrazji. Można je określić jako indywidualną wzmożoną wrażliwość manifestującą się nietypowymi objawami w postaci zmian skórnych, napadów dusznicy i innych. Prawdopodobnie nadwrażliwość tego typu powodowana jest brakiem równowagi układu nerwowego i gruczołów wydzielania wewnętrznego, a objawy mogą być widoczne przy kontakcie z bardzo niewielką (subtoksyczną) dawką trucizny.
2.3.6. Dieta
Wydawać by się mogło, że nie ma dość istotnego związku z obrazem zatrucia, jednakże jej udział jest tu kluczowy z uwagi na uwarunkowania klimatyczne, regionalne, przekonania religijne oraz trendy żywieniowe. Zazwyczaj największe znaczenie mają niedobory odpowiednich składników odżywczych lub interakcje z żywnością. Należy zauważyć, że niedobory dietetyczne mogą spowodować zarówno większą, jak i mniejszą podatność na działanie substancji toksycznych. Przykładem może być niedobór białka w diecie, który w konsekwencji może wpłynąć na zmniejszenie aktywności enzymów niezbędnych w procesach biotransformacji substancji toksycznych oraz na brak lub zmniejszenie stężenia białek we krwi, co z kolei spowodować może zwiększenie stężenia niezwiązanej substancji toksycznej we krwi.
2.3.7. Rytmy biologiczne
Biorytmy to zmiany aktywności (wahania) wewnętrznego środowiska organizmu, które charakteryzują się odrębnymi okresami czasowymi i częstotliwością. W toksykologii w zasadzie rozpatrywane są dwa rodzaje tego typu czynników - biorytmy dobowe i sezonowe.
Jeśli chodzi o biorytmy dobowe, to są to biorytmy zachodzące z dobową regularnością. Należy zwrócić uwagę, że nie jest to zagadnienie częste w toksykologii, ale dokonując przeglądu literatury, można zestawić ważne obserwacje na podstawie doświadczeń z udziałem zwierząt:
- ciśnienie krwi jest najniższe o godz. 9:00, a najwyższe o godz. 18:00;
- zawartość hemoglobiny we krwi jest maksymalna w godz. 11:00-13:00, minimalna w godz. 16:00-18:00;
- maksymalną zawartość cukru we krwi stwierdza się o godz. 9:00, a najwyższą o godz. 18:00.
Innym istotnym zagadnieniem są również biorytmy sezonowe, a więc wpływ pory roku na toksyczność substancji. Jest to ważne szczególnie w badaniach toksykologicznych z wykorzystaniem zwierząt, ponieważ prowadzenie eksperymentów w różnych porach roku może przynieść zupełnie różne efekty.
2.4. CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE
Wydawać by się mogło, że czynniki środowiskowe na tle budowy chemicznej, właściwości fizycznych i chemicznych oraz czynników biologicznych mają znikome znaczenie w przebiegu zatrucia, jednakże w wielu przypadkach może się okazać, że są one bardzo istotne. Główne czynniki środowiskowe mające istotne znaczenie w przebiegu zatruć to czynniki fizyczne, takie jak: temperatura środowiska, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność, hałas, drgania, światło, promieniowanie jonizujące oraz czynniki chemiczne w postaci zanieczyszczeń środowiskowych. Analizując przebieg zatruć, należy brać pod uwagę wahania wymienionych czynników, które mogą prowadzić do osłabienia odporności. Rozpatrywanie wpływu pojedynczych czynników na przebieg zatrucia raczej nie ma sensu, ponieważ zazwyczaj dochodzi do wpływu dwóch lub więcej takich elementów. Z punktu widzenia toksykologii kosmetyków bardzo istotny będzie wpływ światła oraz promieniowania jonizującego. Przykłady związane z tymi zagadnieniami zostaną omówione w dalszej części książki.
Piśmiennictwo
1. Barczyński M., Bogusz J. (red.): Medyczny słownik encyklopedyczny. Oficyna Wydawnicza FOGRA, Kraków 1993.
2. Dutkiewicz T.: Chemia toksykologiczna. PZWL, Warszawa 1974.
3. Gołubiew A., Lublina E., Tołokoncew N. i wsp.: Toksykologia ilościowa. PZWL, Warszawa 1978.
4. Hansch L., Elkins D.: Partition coefficients and their uses. Chemical Reviews 1971, 71(6): 525-616.
5. Hassa R., Mrzigod J., Nowakowski J. (red.): Podręczny słownik chemiczny. Videograf II, Katowice 2004.
6. Jurowski K., Madej K., Piekoszewski W.: Zarys toksykologii żywności. Krakowska Wyższa Szkoła Promocji Zdrowia, Kraków 2016.
7. Klaassen C.D., Casarett L.J., Doull J. (red.): Casarett and Doull's toxicology: The basic science of poisons. McGraw-Hill Education, Nowy Jork 2013.
8. Mastalerz P.: Chemia organiczna. PWN, Warszawa 1986.
9. McMurry J.: Chemia organiczna. PWN, Warszawa 2005.
10. Murray R., Granner, D., Rodwell, V.: Biochemia Harpera - ilustrowana. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2006.
11. Piotrowski K. (red.): Podstawy toksykologii - compendium dla studentów szkół wyższych. WNT, Warszawa 2006.
12. Richardson, B.: Physiological research on alcohols. Med. Times and Gazzette (II), 1869: 703-706.
13. Sangster J.: Octanol-Water Partition Coefficients: Fundamentals and Physical Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester-New York-Weinheim-Brisbane-Singapore-Toronto 1997.
14. Seńczuk W. (red.): Toksykologia współczesna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2005.
15. Timbrell J.: Paradoks trucizn - substancje chemiczne przyjazne i wrogie. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.
