1. Allgemeine Grundlagen

Was macht der Körper mit dem Fremdstoff?

LADME

• Liberation (Freisetzung)

• Absorption (Resorption, Aufnahme)

• Distribution (Verteilung)

• Metabolismus (Verstoffwechslung)

• Excretion (Ausscheidung)

Was macht der Fremdstoff mit dem Körper

• Wirkmechanismus

von physikochemischen Eigenschaften einer Substanz

kaum Resorption

Ausnahmen: zB. Tetrodotoxin

kaum Resorption

• kurze Verweildauer

Ausmaß der Resorption abhängig vom Anteil des Toxins in nichtionisierter Form

Henderson-Hasselbalch Gleichung: pH = pKa + Log (A-/HA)

• schwache Säuren = im Magen resorbiert

• Mageninhalt erleichtert (Kohlensäure) oder verzögert (Protein) die Resorption

überwiegender Teil der Resorption

• passiv und aktiv

• große Oberfläche - Bürstensaum,…

• auch in späteren Darmabschnitten noch Resorption

Resorbierte toxische Stoffe

• gelangen direkt ins lymphatische System

• oder über Portalvene (Pfortader) in den Blutkreislauf

• Portalvene in die Leber ➡️ wasserlösliche, (meist) unschädliche Metabolite gebildet (Ausscheidung über Niere)

• Lipophile Metabolite durchlaufen enterohepatischen Kreislauf

ausgeprägtes Zirkulieren > spätere Wirkeintritt, längere Verweildauer

Umwandlung einer Substanz während erster Passage durch die Leber

• schnelle Metabolisierung ➡️ Abnahme der Bioverfügbarkeit

• Wirkstoff gelangt nicht in den Blutkreislauf

= CYP-Enzyme

• an der zytoplasmatischen Seite des ER der Entero-/Hepatozyten

• CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP3A4, CYP2E1 u.a.

• ein Enzym metabolisiert viele Fremdstoffe (bei Enzymdefekt ➡️ kumulative Intoxikation möglich)

• ein Fremdstoff wird durch mehrere Enzyme zu verschiedenen Produkten metabolisiert (bei Enzymdefekt ➡️ Abbau trotzdem möglich)

sind eine Gruppe von Enzymen, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel von Substanzen im Körper spielen. Sie sind für den **Abbau** und die **Verstoffwechselung** vieler Medikamente, Nährstoffe und körpereigener Substanzen verantwortlich. Diese Enzyme kommen hauptsächlich in der Leber vor, aber auch im Darm und anderen Geweben.

Hier sind die wichtigsten Funktionen und Aufgaben von CYP-Enzymen:

• Metabolisierung von Medikamenten

• Entgiftung von Fremdstoffen (Xenobiotika)

• Biosynthese und Abbau körpereigener Substanzen

• Wirkung auf die Arzneimittelwirkung und -dosis

• Enzymhemmung und Enzyminduktion

- **Enzymhemmung**: Einige Substanzen (wie Grapefruitsaft) können CYP-Enzyme hemmen. Das führt dazu, dass bestimmte Medikamente langsamer abgebaut werden, was die Konzentration des Medikaments im Blut erhöht und möglicherweise toxische Wirkungen hervorruft.

- **Enzyminduktion**: Andere Substanzen (wie Rauchen oder Johanniskraut) können CYP-Enzyme **induzieren** (d. h. ihre Aktivität erhöhen). Dadurch werden Medikamente schneller abgebaut, was ihre Wirksamkeit verringern kann.

• Genetische Unterschiede (Pharmakogenetik)

Phase I

• Funktionalisierungsreaktionen

• oft Aktivierung krebserregender Stoffe

Phase II

• Konjugationsreaktionen

• meist Entgiftung

Funktionalisierungsreaktionen

• d.h. chemische Gruppen wie Hydroxyl-, Carboxyl- oder Aminogruppen werden in Moleküle eingefügt oder freigelegt durch:

  • Oxidation (Monooxygenasen, Dehydrogenasen, Peroxidasen)

  • Reduktion (durch CYP P450-Enzyme)

  • Hydrolyse (Esterasen, Hydrolasen)

  • Desaminierung (Dehydrasen, Oxidasen, Dehydrogenasen)

• oft Aktivierung zu toxischem Stoff (zB. Epoxid)

Konjugationsreaktionen

• d.h. Phase 1 Metabolite werden mit wasserlöslichen Stoffen verbunden wie

  • Glucuronsäure (Glucuronyltransferasen)

  • Acyl- und Acetylresten (N-Acetyltransferasen(

  • Schwefelsäure bzw. Sulfat (Sulfotransferasen)

  • Methylgruppen (Methyltransferasen)

  • Glutathion (Glutathion-S-Transferase)

• entstandene wasserlösliche Verbindungen werden über die Niere ausgeschieden

• genetischen Polymorphismen

  • rasche und lange Metabolisierer

  • Problem bei Übertragung von Tierversuchen auf den Menschen

genetisch bedingte Alkoholempfindlichkeit

• Alkohol-/Aldehyddehydrogenase

Aktivierung des Cytochrom P 450 Monooxygenase Systems durch Enzyminduktoren

• raschere Metabolisierung (Inaktivierung)

• Bildung vermehrt toxischer Metabolite

• Tabakrauch

• Alkohol

• Johanisskraut

• Polychlorierte Biphenyle

• Chlorierte Kohlenwasserstoffe (DDT)

• Dioxine

• diverse Arzneimittel

Hemmung des Cytochrom P 450 Monooxygenase Systems durch Enzyminhibitoren

• relativ schnell (2-3 Tage)

• Grapefruitsaft (hemmt CYP 3A4 vorallem in den Enterozyten)

• diverse Arzneistoffe

• Bindung an Plasmaproteine

• Gewebsverteilung

• Plasmaspiegel

• nur gebundene (Toxin)moleküle können Kapillarmembranen durchdringen!!!

• ev. Verdrängung aus der Plasmaeiweißbindung

  • im Plasma an Albumin und saure Glykoproteine (meist reversibel) gebunden

  • Gleichgewicht: freier und gebundener Form

  • sinkt die freie Konzentration ab, wird sofort Substanz aus der Plasmabindung nachgeliefert/freigesetzt

  • werden Substanzen zusammen aufgenommen, die stark an Plasmaproteine (>95%) binden, kann die Substanz mit der stärkeren Affinität eine andere aus der Bindung verdrängen ➡️ erhöhte freie Wirkstoffkonzentration

lipophile Substanzen

• leichter in Gewebe mit hohem fettanteil gespeichert

• ev. angereichert im Depotfett

• können leicht Blut-Hirn-Schrank und Plazentarschranke durchdringen ➡️ Wirkung auf ZNS und Embryo/Fötus

jene Zeit, die vergeht bis die Plasmakonzentration eines Stoffes auf die Hälfte des Ausgangswertes abgenommen hat

• schlecht/langsam inaktiviert bzw. ausgeschieden bzw. gespeichert

• ➡️ Akkumulierung (Anreicherung, chon. tox.)

jene Zeit, die vergeht bis die Konzentration eines Stoffes in einem Organismus durch Metabolisierung und Ausscheidung auf die Hälfte des Ausgangswertes abgenommen hat

• toxische Stoffe in Depots stehen in Gleichgewicht mit freien Toxinen im Plasma

• Plasmaproteine, meist Albumin

• Leber

• Niere

• Intrazelluläre Bindungsproteine (zb. Metallothionein)

• Fett

• Knochen: Freisetzung durch Ionenaustausch möglich

• Niere

• Leber

• Lunge

• GIT

• Milch, Schweiß, Speichel, Tränen, Haare

• polare Xenobiotika und hydrophile Metaboliten (Sulfatierung, Glucuronierung, Hydroxylierung, Ionisation)

• langsamere Ausscheidung bei: Niereninsuffizienz

Elimination durch

• passive glomeruläre Filtration

• passive tubuläre Diffusion

• aktive tubuläre Sekretion

• enterohepatischer Kreislauf

• Verlängerung der Halbwertszeit

• Hochmolekulare Konjugate über Galle

• verlangsamt bei Leberinsuffizienz und Neugeborenen

• Gase und flüchtige Stoffe

Tendenz von chemischen Verbindungen, pathogenen oder kanzerogenen Stoffen und Pharmaka, innerhalb eines gewissen Konzentrationsbereichs bevorzugt in bestimmten Organen oder Geweben (Gewebstropismus) pharmakologische oder toxische Effekte zu bewirken

• bei Erhöhung: neue Effekte in weiteren Organen/Geweben

• Anreicherung des Stoffes in dem betreffenden Gewebe

• Bevorzugte metabolische Aktivierung

• fehlende Inaktivierung

• Anwesenheit bestimmter Rezeptoren

• hohe Zellteilungsaktivität (Proliferation)

• fehlende Reparatur des biochemischen Schadens

• Lebernekrose, Hepatitis, Cholestase: bestimmte Arzneistoffe

• Fettleber: Ethanol, Tetrazykline

• Nekrose + Fettleber: Aflatoxine, Pyrrolizidinalkaloide, Lösungsmittel

• Kanzerogenese: Aflatoxine, Pyrrolizidinalkaloide, u.a.

nierentoxisch

• Schwermetalle

• Antibiotika

• halogenierte Kohlenwasserstoffe

• Mykotoxine

• Analgetika

• Herbizide

• Pestizide

• Atemwegsobstruktion (Asthma)

• Ödem

• Fibrose (kollagenes Gewebe - Silikose, Asbestose)

• Krebs (Tabakrauch)

• ZNS und peripheres NS

• strukturelle und funktionelle Veränderungen

Hämotoxine

• Veränderung des Blut-, Blutgerinnungs oder -bildungssystems

• eingeschränkte Transport- und Stoffwechselfunktion

• Hypochrome Anämie

• Aplastische Anämie

• Megaloblastische Anämie

• Makrozytäre Anämie

• Perniziöse Anämie

• Hämolytische Anämie

• Methämoglobinämie

• Agranulocytose

• Thrombozytopenie

• Blutgerinnungsstörungen

Hämatotoxizität

• Bleivergiftung

• Fe-, Cu-, Vit-C-Mangel

Hämatotoxizität

• Pestizide

• Chloramphenicol

• Benzol

Hämatotoxizität

• Folsäure- und Vit. B12 Mangel

• Makrozytäre Anämie

Hämatotoxizität

• Vit- B12 Mangel

• Schädigung der Mukose

Hämatotoxizität

• Favismus

Hämatotoxizität

• Nitrite

• freie Radikale

• aromatische Amine

Hämatotoxizität

• Unverträglichkeit bestimmter Medikamente

Hämatotoxizität

• Bleivergiftung

Hämatotoxizität

• Vitamin K Mangel

• Cumarine

• Blei

• Cadmium

• Säuren

• Laugen

• Dioxin

• etc.

• Immunsuppression

  • beeinträchtigt Lebens- und Teilungsfähigkeit von Immunzellen

  • Alkylantien, Organophosphate, Schwermetalle, Antibiotika, Ethanol

• Autoimmunität

• Allergie

  • Typ 1: Anaphylaxie

  • Typ 2: cytotoxisch

  • Typ 3: Arthus

  • Typ 4: verzögerte Hypersensitivität

  • Sensibilisierung, Antigen-Antikörper-Reaktion

  • KEINE Dosis-Wirkungskurve

• Pseudoallergie

  • allergieähnliche pathologische Reaktion

  • MIT Dosis-Wirkungskurve

  • keine Sensibilisierung, keine Antigen-Antikörper-Reaktion

• Urticaria

• Rhinitis

• Heuschnupfen

• Atemnot

• Bronchial-Asthma

• Nesselsucht

• Quincke-Ödem (angioneurotisches Ödem)

• Tachykardie

• Herzklopfen

• anaphylaktischer Schock

• fortpflanzungsgefährdende Wirkung

  • Reproduktionszyklus

  • Fruchtbarkeit/Sexualfunktion

  • embryonale/fetale Entwicklung

• Teratogen

biologische, chemische oder physikalische Einflussfaktoren, die Fehlbildungen hervorrufen

Organogenese (zw. 3 und 8. SSW) = kritischte Zeit

• Schädigung oder Veränderung des Erbguts in der Zelle

• durch biologische, chemische (Substanzen) oder physikalische (Strahlung, Temperatur) Noxen

• permanente vererbbare Veränderung der in der DNA gespeicherten Erbinformation

• durch chemische Einwirkungen

• Punktmutation

• Frameshift-Mutation

• Chromosomenbrüche

• Genommutation

kanzeröse Tumoren: benign oder malign

Carcinom: entwickelt sich aus Epithel

Sarkom: aus Meosthel

Kanzerogenese:

• Initiation (irreversible DNA-Schädigung, keine Schwelle)

• Promotion (reversibel, fördert selektive Proliferation)

• Progression (krebsartige Entartung der Zelle)

• primäre Karzinogene

  • Alkylantien wie Epoxide, Nitrosamide

• Prokanzerogene (sekundäre Karzinogene)

  • benötigen metabolische Aktivierung

  • Aflatoxine, Benzpyren

• Syn-Kanzerogen

  • Kombination verstärkt Kanzerogenese additiv oder überadditiv

  • Tabakrauch

• Promotoren

  • fördern die Ausbildung von Krebs

  • haben Schwelle (chlorierte KW)

  • führen selbst nicht zur Initiation

• Cytotoxisch, hormon modifizierend, immunsuppressiv, feste Stoffe

• Kokanzerogene

  • verstärkt Wirkung von Initiator

• 35% Ernährung

• 33% Rauchen

• 15% Hormone, Bewegungsmangel

• 7% Umweltfaktoren

• 5% Strahlung, Genetik, Medikamente

• 5% Infektionen

Endokrin aktive Substanzen

• Stoffe, die auf die normale Hormonaktivität Einfluss nehmen oder sie stören

• senken Hormonproduktion

• ändern Hormonsekretion

• Nachahmung von Hormonen

• Beschleunigen Hormonmetabolismus

• bei Beeinträchtigung: endokriner Disruptor

• Vorhandensein einer schädlichen Wirkung

• Vorhandensein endokriner Aktivität

• plausibler ursächlicher Zusammenhang zwischen beiden

• Reinheitsprüfung (auf Neben- und Abbauprodukte)

• Stabilitätsprüfung (Lichtempfindlichkeit, Hydrolyse)

• Abbau und Verurteilung in Boden, Wasser, etc.

• Anreicherung in Pflanzen, Tieren

• In vitro Test

• In vivo Tests

• diverse Mutagenitäts-/Gentoxizitätstest:

  • Ames-Test

  • Comet- oder SCGE Assay

  • umu-Test

  • Chromosomenabberationstest

  • Mikronukleus-Test

  • USD

  • TK-, HPRT- und XPRT-Tests

  • Postlabelling

In Vitro

• Salmonella tryphimurium (Histidin)

• E. coli Stäme (Tryptophan)

sind durch Mutationen nicht mehr in der Lage bestimmte AS zu synthetisieren und sterben ab

werden AS zugesetzt ➡️ Mutation wird rückgängig gemacht (Reversionstest)

• schnell, billig, einfach

• Leberextrakt S9-mix vorher zugesetzt

In vitro

SCGE Assay, Single Cell Gel Electrophoresis Assay

• Messung von primärer DNA-Schädigung in höheren Zellen

• Elektrophorese

  • negativ geladene DNA wandert zum Pluspol

  • Bruchstücke trennen sich nach Größe auf

  • chromosomale DNA ist zu groß

  • nur geschädigte, bruchstückhafte DNA

  • UV-Mikroskop

• 3 R

• Akute Toxizität

• Subakute Toxizität

• Subchronische Toxizität

• Chronische Toxizität

• Kanzerogenität

• Teratogenität

• Reproduktionstoxizität

• Spezielle Tests

• Metabolismus und Toxikokinetik

In vivo

• Refine (verbessern)

• Reduce (reduzieren)

• Replace (ersetzen)

• Einzeldosis oral, inhalativ, demal

• verschiedene Konzentrationen

• Beobachtungszeitraum 14 Tage

• Nager

• wiederholte tägliche Gabe über kurze Zeit (28 Tage)

• 4 verschiedene Dosen

• Gruppengröße basiert auf statistischer Ermittlung

• klinische, labormedizinische und pathologische Beurteilung

• 3 verschiedene Dosen

• 90 Tage

• Dauer je nach erwarteter Exposition

• bis 2 Jahre

• in vivo

• Nachweis einer tumorpromovierenden Wirkung

• Vorbehandlung mit Initiator = gentoxische Substanz

• dann Promotor in regelmäßigem Abstand über Monate/Jahre

• Exposition im 1. Trimester (Organogenese)

• Kaiserschnitt

  • Anzahl toter, resorbierter, lebender gesunder, lebender missgebildeter Föten

• Einfluss auf Fruchtbarkeit (% Trächtigkeit nach Paarung)

• Viabilität (% überlebender Jungen 4 Tagen nach Geburt und nach 21 Tagen Laktation)

• Neurotoxizität

• Wirkungsverstärkung

• Verhalten

• Immunotoxizität

in Vorversuchen Bestimmung des Konzentrationsbereichs

1. Konzentration/Dosis ohne Symptome (Wirkschwelle, NOAEL)

2. schwache Wirkung erkennbar

3. eindeutig toxische Wirkung (maximal tolerierbare Dosis MTD)

4. Kontrollgruppe oder Gruppe, in der Reversibilität der Wirkung untersucht wird

Nagetiere

• subakut und subchronisch: 5-10 Tiere/Gruppe/Geschlecht

• chronisch: 20 T/G/G

• Kanzerogenität: 50 T/G/G

Nicht-Nager:

• 3-4 T/G/G

• LD50

• LC50

• LD0

• ED50

• TD50

• MTD

• TMD

• EMD

• letale Dosis

• 50% Response

• bestimmt die Dosis-Wirkungskurve

• letale Konzentration

• 50% Response

• niedrigste letale Dosis

• effektive Dosis

• 50% Response

• toxische Wirkung

maximal tolerierte Dosis

Tages-Maximal-Dosis

Einzel-Maximal-Dosis

no effect level

lowest efect level

no observed effect level

lowest observed effect level

no adverse effect level

no observed adverse effect level

lowest observed adverse effect level

• maximale Arbeitsplatzkonzentration

• höchstzulässige Konzentration eines Stoffes (Gas, Dampf oder Schwebstoff) am Arbeitsplatz

• bei täglich 8 stündiger bzw. wöchentlich 40 stündiger Arbeitszeit

• ohne einen gesundheitlichen Schaden hervorzurufen

• technische Richtkonzentration

• für kanzerogene Stoffe

• suggested no-adverse-response level

• Grenze für Trinkwasser Kontaminanten

• für Kombinationswirkung kanzerogener Stoffe

• Wahrscheinlichkeit für eine normierte Teilmenge der Bevölkerung an Krebs zu erkranken wenn auf Lebenszeit 1μg Schadstoff/m3 Atemluft aufgenommen wird

• Hazard

• Möglichkeit, einer unerwünschten Wirkung

• unter den gegebenen Umständen nicht eintreten muss oder wird

• = Verdacht

• risk

• Häufigkeit des Auftretens einer spezifischen unerwünschten Wirkung bei einer klar definierten Exposition oder Dosis bei einer definierten Spezies

• = Zahlenwert

1. ausreichende Angabe zur Häufigkeit (Inzidenz) der unerwünschten Wirkung bei der betreffenden Spezies

2. ausreichende Angabe zur individuellen Exposition (Dosis und Dauer) bei der betreffenden Spezies

• Konzentration

• Wirkstärke

• EMpfindlichkeit des Organismus

R = W x A

Risiko = Wahrscheinlichkeit x Ausmaß/Schwere des Schadens

• Nullrisiko gibt es nicht

• Individualrisiko von 1: 10.000 = geringes Risiko

1. Feststellung eines Gefährdungspotentials (qualitativ)

   • toxisch ja/nein

   • in vitro und in vivo Tests

2. Charakterisierung der Gefahr

   • qualitativ und quantitativ

   • Dosis-Wirkungs.Kurve

   • Wirkschwelle

   • Wirkmechanismus

3. Feststellung der Exposition

   • Menge, Dauer, Route der Aufnahme

4. Bestimmung/Charakterisierung eines Risikos

• qualitativ und quantitativ

Grenz- und Richtwerte

• Grenzwert: gesetzlich vorgeschrieben

• Richtwerte: Empfehlungen

• Minimierungsprinzip ALARA (as low as reasonably achievable)

• REACH (Registrierung, Evaluierung, Autorisierung und Verwendungseinschränlung von Chemikalien

  • EU Ziel: 30.000 Substanzen, > 1 t/a

Wirkschwelle

• ermittelt durch Dosis-Wirkungskurve

• nicht vorhanden für gentoschische Kanzerogene und Allergene

  • Reversibilität der Wirkung

  • Bestimmung des LOAEL und NOAEL

• Stärker einer Wirkung abhängig von der Konzentration am Angriffsort

• Quantifizierung der Wirkkonzentration

  • Dosis = mg Stoff/kg Körpergewicht

• Dosis-Wirkungskurven

• Konzentrationsgifte

• Summationsgifte

• graphische Beschreibung

• Zusammenhang der Dosis und Wirkung

• gehorchen einer Dosis-Wirkungs-Beziehung

• reversible Wirkung durch Wechselwirkung der Substanz mit Rezeptoren

• Dosis-Zeit-Beziehung

• irreversible Veränderung am Rezeptor

• jene Konzentration

  • über der ein toxischer Effekt erstmals auftritt

  • unter der kein toxischer Effekt beobachtet wird

ADI (acceptable daily intake) = TDI (tolerable daily intake) = DTA (duldbare tägliche Aufnahme)

• Menge an Zusatzstoff (ADI) bzw. nicht akkumulierender Kontaminante (TDI), der täglich ein Lebenlang ohne Risiko aufgenommen werden kann

• Vorraussetzung: Wirkschwelle (NOEL)

ADI = NOEL/Sicherheitsfaktor (mg/kg KG/Tag)

10 - 1000, meist 100

• Faktor 10 wegen Speziesunterschied

• Faktor 10 wegen individueller Variation

• Faktor 10 bei großer Gefahr oder Mangel an gesicherten Daten

• WHO: Substanzmenge pro kg KG, die mit einer Mahlzeit oder an einem Tag ohne erkennbares Risiko aufgenommen werden kann

• nur für Stoffe, die akut toxisch sind: einmalig oder kurzzeitige Exposition ruft gesundheitliche Schädigung hervor

ARfD= NOAEL/100

Wirkung: chronisch

Aufnahme: täglich, lebenslang

Basiernd auf Studien:

• chronische Toxizitätsstudien

• NOAELs aus anderen Studien

• LOEL wenn NOEL nicht ermittelbar

Sicherheitsfaktor: 100, bei LOEL 1000

Wirkung: akut

Aufnahme: einmalig

Basiernd auf Studien: akute und subakute Toxizitätsstudien

Sicherheitsfaktor: 100

MRL = ADI x kg KG / A in mg/kg NM

MRL: maximum residue level

A: Anteil des Nahrungsmittels am durchschnittlichen Verzehr

• Festsetzung eines Schwellenwertes

  • wöchentlich (TWI)

  • monatlich (TMI)

• je nach den Aufnahmegewohnheiten und den pharmakokinetischen und dynamischen Eigenschaften der Substanz

• wenn keine Wirkschwelle vorhanden ist

• statistsich-mathematische Analyse vorliegender Dosis-Wirkungs-Daten

• Dosis/Konzentration (BMD) wird geschätzt, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit zu einem Effekt (BMR) führt

• Vertrauensbereich (BMDL)

• wenn keine Wirkschwelle vorhanden ist

• margin of exposure

• für gentoxische oder kanzerogene Substanzen

• Abstand zwischen einer

  • kanzerogenen dosis die noch keine erkennbare Wirkung auslöst und

  • Exposititon des Menschen

• Substanzen bei denen keine toxikologischen Daten verfügbar sind

• anhand chemisch ähnlicher Stoffe beurteilt

  • Grenzwert sehr niedrig gehalten

Primäre Gift-Elimination

• Resorption vermeiden

  • Magen entleeren (Erbrechen, Spülung)

  • Aktivkohle

  • Laxans

Sekundäre Gift-Elimination

• Elimination beschleunigen

  • Forcierte Diurese

  • Dialyse

  • Hämoperfusion

  • Hyperventilation

Antidot

• Dekorporierungsantidot

  • bindet direkt an Gift, neutralisiert es

• Funktionelles Antidot

  • bindet nicht direkt, wirkt entgegengesetzt und schwächt dadurch die Wirkung ab