Grundlagen

Was ist Toxikologie

Lehre von den schädlichen Wirkungen chemischer Stoffe (Fremdstoffe) auf lebende Organismen.

Es dient zur Erkennung und Untersuchungen von möglichen Schadwirkungen durch chemische Stoffe und Lebewesen und das Risiko einer Gesundheitsgefährdung von

Mensch und Tier durch chemische Stoffe abzuschätzen, um Gefahren abzuwenden.

Paracelsus:”Die Dosis macht das Gift!”

Fremdstoff

Fremdstoffe (Xenobiotika) sind chemische Stoffe, die im Zielorganismus keine erkennbare physiologische Funktion haben und/oder natürlicherweise gar nicht oder in geringer Konzentration vorkommen.

1) Fremdstoffe können natürlich sein (Asbest,Chitin)

2) Fremdstoffe können untoxisch (Chitin) oder toxisch sein (Asbest)

3) Nicht Fremdstoffe können auch toxisch sein (konz. HCl auf Haut)

4) Auch fehlen von Nicht Fremdstoffen (Cu,HCl) kann toxisch/tödlich sein

Toxikokinetik

Verteilung Stoff im Körper

- Durchblutung der Organe und Gewebe

- Größe des Moleküls/Ions

- pH - Wert im Gewebe

- Polarität / Hydrophilie

- Molekül- / Ionen - Größe

- aktiver Transport

- spezifische Barrieren (z.B Blut - Hirn - oder Blut - Plazenta - Schranke)

- Proteinbindung

Wie werden die Stoffe (Metaboliten) aus dem Körper ausgeschieden?

- Leber => Gallesflüssigkeit => Darm

- Niere

- Abatmen => Methanol: 30-60% abgeatmet

- Schweiß

- weitere Körperflüssigkeiten wie Tränenflüssigkeit, Sperma, Blut

=> Dioxine können über Muttermilch abgeben werden

Leber

Über die Gallenflüssigkeit werden Stoffe durch Diffusion oder aktiven

Transport ausgeschieden (Phase 2 Metaboliten aus Leber).

Lipophile Verbindungen vornehmlich durch Galle ausgeschieden.

Stoffe der Galle unterliegen dem „Enterohepatischen Kreislauf“.

Enterohepatioscher Kreislauf

Phase 2 - Metaboliten („Konjugate“) werden in den Darm ausgeschieden und dort

enzymisch wieder gespalten.

Der dekonjugierte Fremdstoff ist kleiner und lipophiler. Er wird rückresorbiert und gelangt

wieder in die Leber. Dort wird er erneut konjugiert und gelangt wieder in die Galle…

Bsp:

Grünknollenblätterpilz enthält Amanitin => schädigt Leberzellen, weitergeleitet zur Galle,

da noch giftig wieder zur Leber etc.

Niere

Die Niere scheidet polare, hydrophilic Substanzen aus, die entweder filtriert oder

aktiv in der Harn ausgeschieden werden.

Wertvolle polare Stoffe (Glucose, Aminosäuren, Natriumion etc.) werden aus dem

Primärharn zurückresorbiert.

Toxikodynamik

Unspezifische WW

Reaktive Verbindungen reagieren mit Zellbestandteilen und können Zellen soweit schädigen,

dass sie sterben oder wichtige Funktionen verloren gehen oder die Verbindungen lösen Mutationen aus

Reaktive Verbindungen reagieren mit Zellbestandteilen

Folgen:

• Schädigung der DNA (Mutagenese, Kanzerogenese)

• Schädigung von Proteinen (Enzyminaktivierung, Schädigung der Zellarchitektur,

der Mitochiondrien etc.)

• Schädigung von Lipiden (Membranschäden, Schädigung der Mitochondrien etc.)

Enzyme

Wechselwirkungen mit speziellen Enzymen der

• Reizweiterleitung (Acetylcholinesterase)

• DNA-Synthese (DNA-Polymerase, Topoisomerase..)

• RNA-Synthese (RNA-Polymerase…)

• Proteinbiosynthese (Ribosom…)

• Energiegewinnung

• Und viele mehr

Organtoxizität

Hepatoxizität

Die Leber ist die Chemifabrik des Körpers und erfüllt wichtige Aufgaben:

• Intermediärstoffwechsel (Hauptnährstoffe)

• Speicherfunktion

• Fremdstoffmetabolismus

• Exkretion (Galle) usw.

Hepatotoxische Wirkungen relativ häufig und ggf. lebensbedrohlich

Die Angriffsorte hepatotoxischer Stoffe sind sehr vielfältig:

• DNA/RNA-Synthese, Proteinsynthese, Lipidmembranen, Mitochondrien, Gallebildung…

Folgen

• Leberentzündung (Hepatitis)

• Gewebeuntergang (Nekrose), akutes Leberversagen

• verminderte Gallebildung und/oder Abfluss (Cholestase, Ikterus)

• Bindegewebiger Umbau (Fibrose, Zirrhose)

• Pfortaderhochdruck, Aszites

• Stoffwechselentgleisung

• Tumore

Hepatotoxische Stoffe

• Ethanol, Allylalkohol

• Tetrachlormethan

• Vitamin A (Überdosis)

• Aplha- Amanitin (Grüner Knollenblätterpilz)

• Pyrrolizidinalkaloide (viele Pflanzen)

• Aflatoxine (Schimmelpilzgifte)

• N-Nitrosame, aromatische Amine (Kanzerogen)

• Arzneimittel (Cyclophosphoamid, acetaminophen, Valproinsäure, etc.)

LEBER

Lebertoxisch

=> Veno-okklusive Erkrankung der Leber (VOD)

Sinusoidales Obstruktionssyndrom (SOS)

• verminderte Durchblutung der Leber

• Nekrose

• Fibrose

• Zirrhose

Gentoxisch und Kanzerogen

Leberkrebs, z.B sind Lasiocarpin, Monocrotalin, Riddelin in IARC Gruppe 2B

Fettleber/Steatose

=> vermehrte Ablagerung von Triglyzeriden in Heptaozyten

=> Bedingt durch gesteigerte Triglyzeridsynthese oder gestörte Sekretion

bekannte Auslöser:

• Ethanol

• Tetrachlormethan (CCl )

• Valproinsäure

Leberkrebs

=> entwickelt sich häufig aus einer chronischen Leberzirrhose

=> hauptsächlich hepatozulläre Karzinome (HCC; > 90%

=> ca. 9000 Neuerkrankungen pro Jahr in D, damit seltenste Tumorerkrankung

=> weltweit jedoch die fünfthäufigste Krebserkrankung (v.a Afrika, Asien)

bekannte Auslöser:

• Aflatoxin B1

• Dimethylnitrosamin

• Arsenverbindungen

Leberfibrose/-zirrhose

=> bei massiven Zellverlusten oder wiederholter Schädigung

=> extensive Synthese von extrazellulärer Matrix durch Ito-Zellen gegenüber TGF-ß

=> Vermehrung des Bindegewebes und Zerstörung der Leberarchitektur

=> Vorstufe des hepatozellulären Karzinoms (Leberkrebs)

bekannte Auslöser:

• Chronischer Ethanol-Konsum

• Hepatitis B/C-Infektion

Neurotoxizität

Zentrales Nervensystem (ZNS)

-Kopfschmerzen

-Schwindel

-Unruhe

-Ohnmacht …

Peripheres Nervensystem (Arme+Beine)

-Schmerzen

-Gefühlslosigkeit

-Kribbeln

-Krämpfe

ZNS Schädigung

-Blei,Tallium,Mangan

-Ethanol,Methanol

-Cocain,Amphetamin

Peripheres NS Schädigung

-Kohlenstoffdisulfid

-Acrylamid

-Blei

-organische Phosphorsäurester

Pneumotoxizität

• Asbest

• Quarz

• Glaswolle/Mineralfaserwolle

• Dieselruß

Die Toxizität wird hier maßgeblich über die Geometrie (Länge,Breite etc) bestimmt

und weniger durch chem. Zusammensetzung, wobei auch Anhaftung chemischer Noxen

wie Kanzerogene oder radioaktive Stoffe zur Toxizität beitragen können.

Unspezifische Stoffe

Chlor, Brom, Schwefeldioxid, Ozon, Formaldehyd

spezifische pneumotoxische Stoffe

=> nach systemischer Belastung

• Paraguat, Diquat (Herbizide)

• Monocrotalin (ein Pyrrolizidinalkaloid)

• Chemotherapeutika, z.B Bleomycin, BCNU (1,3-Bis-(2-chlorethyl)-1-nitrosoharnstoff

Folgen

• Entzündung (Laryngitis, Bronchitis, Pneumonie)

• Gewebeuntergang (Nekrose)

• Lungenödem

• Asthma, Emphysem (Lungenblähung)

• Pseudokrupp

• bindegewebiger Umbau (Fibrose)

• Asbestose, Silikose

• Tumoren (z.B Mesotheliom bei Asbest)

Mutagenese

Mutagenität :

• Permanente Veränderung der DNA-Sequenz in einer Zelle, die auf die Tochterzellen übertragen werden

• irreversibler Schaden am Erbmaterial

• einzelne Gene bzw. Genabschnitte, Chromosomen oder das Genom betroffen

=> Jede Mutation ist ein gentoxisches Ereignis, umgekehrt resultiert aber nicht jeder gentoxische Schaden ist eine Mutation

Mutagenität

Körperzellen:

• Betrifft eine Mutation Körperzellen (somatische Mutation), sind nur die Zelle sowie ihre Tochterzellen (durch Proliferation replizierte Zellen) betroffen

=> Folgen: Tod der Zelle, Funktionsverlust einzelner oder vieler Proteine, Krebs

Keimzellen:

• Sind Keimzellen von Mutation betroffen, ist der betreffende Organismus selbst i.d.R. nicht beeinträchtigt, sehr wohl aber die Nachkommen

=> Folgen: Teratogene Effekte wie Missbildungen bis hin zum Tod des Embryos, Krebs sowie Funktionsverlust einzelner oder vieler Proteine

DNA Modifikationen

Mutation durch chemische Modifikationen der DNA-Basen

• Veränderung der ursprünglichen Abfolge der DNA Basen

• Veränderung des codierten Proteins

Unbedeutende Mutationen (silent mutations)

Betroffender DNA-Bereich codiert nicht für ein Protein bzw. die AS-Sequenz des codierten Proteins wird nicht verändert

Loss-of-function-Mutationen (missence oder nonsense)

Funktion eines Proteins durch die Mutation aufgehoben oder verringert

Gain-of-function-Mutationen

Funktionalität eines Proteins durch die Mutation erhöht (kann positive oder negative Auswirkungen haben)

DNA Reperatur

Modifizierte DNA-Basen können repariert werden, z.B durch:

1.) O -Methylguanin-DNA_Methyltransferase (MGMT)

=> repariert O -Methylguanin wieder zu Guanin

2.) Basenexzisionsreperatur (BER)

=> repariert oxidierte, alkylierte oder deaminierte DNA-Basen

3.) Nukleotidexzisionsreperatur (NER)

=> repariert große,sperrige DNA-Addukte wie Aflatoxin- oder Acetaminofluoren-Addukte

Genotoxizität

Genotoxizität:

• Schädigung der Erbinformation (DNA) durch chemische Stoffe und physikalische Faktoren

• Veränderung ist prinzipiell reversibel => Reperatur von DNA Schäden

Indirekte Gentoxizität

• Inhibierung von DNA-interagierenden Topoisomerasen, Polymerasen und Reperaturenzymen

• Inhibierung des Aufbaus oder Abbaus der Mitosespindel

• Induktion oder Inhibierung fremdstoffmetabolisierende Enzyme

=> die gentoxische Substanzen entgiften oder Vorläuferverbindungen zu gentoxischen Substanzen aktivieren

• Epigenetische Veränderungen

=> Cytosin-Methylierung der DNA und Histon-Modifikationen

Hierdurch keine Veränderung der DNA-Basenfolge, jedoch Beeinflussung der Aktivität von Genen (Induktion und Repression)

Studien

DNA Adductomics, P-Postlabelling, Massenspektrometrie

(Bestimmung von kovalenten DNA-Addukten)

Comet-Assay (DNA-Strangbrüche)

Ames-Test (Mutagenität in Bakterien, Rückwärtsmutation)

HPRT-Test (Mutagenität in Säugerzellen, Vorwärtsmutation)

Mouse-Lyphoma Assay (Vorwärtsmutation)

Mikrokerntest (Säugerzellen, Chromosomenschäden)

Schwesterchromatidaustausch (SCE, Chromosomenschäden)ä

Karzinogenese

Krebsursachen

-> komplexes mehrstufiges Geschehen

-> verantwortlich sind endogene und exogene Faktoren

Endogene Faktoren

• Genetische Prädisposition

• Zellstoffwechsel

• Hormone

• Lebensalter

Exogene Faktoren

• Chemikalien

• Ernährung

• Life-Style-Faktoren

• Physikalische Faktoren

• Viren und Bakterien

p53

• sehr wichtiges Tumorsuppressor-Protein

• Transkriptionsfaktor => „Wächter des Genoms“

• aktiviert durch DNA-Schädigung, Onkogene und Hypoxie

• streng reguliert über posttranskriptionale Modifikationen (z.B Phosphorylierung)

• kurze Halbwertszeit, geringer physiologischer Spiegel (HDM2/MDM2)

Untersuchungsmethoden

Human-Daten

• Epidemiologie

• Interventionsstudien (nur „ungiftige“ Stoffe)

• Humanstudien mit unvermeidbare Expositionen (durch Arbeit: Bergbau, Chemiker…)

• Vergiftungsfälle/Unfälle

• Arzneimittelforschung (klinische Phasen)

Studien

• Applikation von Fremdstoffen

• Messung von Biomakern (z.B Hämoglobinaddukte im Blut, Metabolite im Urin etc.

• Funktionstests (Blutdruck, Puls, Atmung etc)

• Verhaltenstests (Wachheit, Aufnahmefähigkeit, Gedächtnis, motorische Fähigkeiten etc.)

Tierstudien

• Wisschenschaftliche Studien (Universität, Forschungsinstitutuionen)

• Regulatorische Studien (Industrie; für Zulassungszwecke)

Eckpunkte• akute Toxizität (LD50)

• Toxikokinetik: Aufnahme, Verteilung, Mteabolismus, Ausscheidung

• subakute Toxizität (30Tage)

• subchronische Toxizität (90Tage)

• chronische Toxizität (1Jahr, oft zsm mit Kanzerogenität)

• Kanzerogenität (1,5-2Jahre)

• Teratogenität/Reproduktionstoxizität („Reprotox“) => Segementstudien, Mehrgenereationenstudie

• Immuntoxizität und Neurotoxizität (oft zusammen mit chronischer Tox)

• mechanische Untersuchungen (transgender Tiere, „knock-out“)

Epidemiologie

Grundbegriffe

Merkmal: Ist ein Individuum Träger eines Merkmals? Meist ist ein Merkmal eine Krankheit, Eigenschaft oder Effekt

Faktor: Faktor, der auf eine Beziehung (Korrelation) zum Merkmal hin untersucht wird. Meist eine Exposition.

In einer zu prüfenden Hypothese testet man Merkmal gegen Faktor:

Hypothese: Kaffeetrinker sind schlanker

Prävalenz: Ist ein Individuum (einer bestimmten Population) jetzt (=zu einem bestimmten Zeitpunkt) Träger eines Merkmals?

Inzidenz(rate): Wieviele Träger eines Merkmals sind in einem bestimmten Zeitraum NEU hinzugekommen?

Mortalität(srate): Wie Inzidenz, Merkmal: Tod

Kohortenstudie

• Prospektiv (in die Zukunft gerichtet):

• Es werden nur gesunde Probanden nach Expositionsstatus ausgewählt (z.B 500 gesunde Raucher und 500 gesunde Nicht-Raucher)

• Verglichen wird die Erkrankungshäufigkeit zu einem Zeitpunkt in der Zukunft (Inzidenz)

• Berechnung: Relatives Risiko (RR)

Fall Kontroll Studie

retrospektiv

• Auswahl der Gruppen nach Vorliegen der Erkrankung

= Fälle und Gesunde (z.B 500 Gesunde und 500 Erkrankte)

• Danach wird die Exposition gegen den Faktor ermittelt und gesunde

und kranke nach der Exposition eingeteilt

• Berechnung: Odds-Ratio (OR)

Confounder

Confounder sind Störfaktoren (Drittvariablen).

Confounder ist selbst ein Risikofaktor für die zu untersuchende Erkrankung und gleichzeitig mit der zu untersuchenden Exposition, also dem eigentlichen Risikofaktor, korreliert.

Bsp: Speisenröhrenkrebs bei Rauchern? => Alkoholkonsum kritisch!

Risiko

Wahrscheinlichkeit, dass bei einer bestimmten Exposition gegenüber einer Substanz eine schädigenden Wirkung in einer Spezies oder der Umwelt auftritt

Abschätzung des Risikos durch:

• Identifizierung einer Gefährdung (hazard)

• Informationen zur Dosis-Wirkung

• Information zur Exposition

Risikobewertung

Ziel ist Verringerung oder Ausschaltung des gesundheitlichen Risikos

für Menschen und Umwelt, die gegenüber einem Stoff exponiert sind.

Beispiele, bei denen eine Risikobewertung vorgeschrieben ist:

• Lebensmittelinhaltsstoffe, -zusatzstoffe oder -kontaminanten

• Nahrungsergänzungsmittel

• Pflanzenschutzmittel(rückstände)

• Biozide

• Arzneimittel

• Arbeitsstoffe

• …