Moderní jedy: dávky, účinky, následky – Indikátor

Všechno je jed a nic není bez jedu; pouze jedna dávka činí jed neviditelným. Paracelsus Když jsem byl na základní škole, naše konverzace na hřišti často nabíraly fatalistický tón. Možná to bylo v době studené války, ale dobře si pamatuji, jak jsme si s přáteli povídali o chemii a smrti: „Když dýcháš moc zhluboka, můžeš zemřít!“, „Když vypiješ moc vody, zemřeš!“

Dnes se lidé nezajímají ani tak o smrtelné množství těchto relativně neškodných látek, ale o úrovně škodlivých znečišťujících látek v našich potravinách, vodě a vzduchu. Navzdory nedostatečnému vzdělání jsme však s mými vrstevníky nebyli tak daleko od pravdy. Tehdy jsme nevěděli nic o toxinech, ale v podstatě jsme opakovali myšlenky Paracelsa, lékaře ze 16. století. Ne nadarmo je považován za otce toxikologie, protože to byl Paracelsus, kdo formuloval první a hlavní dogma této vědy – myšlenku, že toxicita látky závisí na dávkování: „Všechno je jed a nic není bez jedu; „Jedna dávka sama o sobě činí jed neviditelným.“ Jinými slovy, i taková zdánlivě zcela neškodná látka, jako je voda, může být při nadměrné konzumaci neméně nebezpečná než známé jedy, jako je arsen.

Paracelsova revoluční myšlenka odráží vztah mezi dávkou a reakcí: ve většině případů platí, že čím vyšší dávka, tím silnější je negativní (toxická) reakce. Tento jasný koncept vytvořil tematickou platformu, na které je postavena moderní regulační toxikologie. Zmíněné spojení je navíc mnohem zajímavější, než se na první pohled zdá, protože jak v dávkování, tak v reakcích je mnoho nuancí.

Když se chemická látka, toxická nebo neškodná, dostane do kontaktu s tělem, má na něj určitý vliv. Akční dávka neboli expoziční dávka je množství látky, které má účinek na organismus. Tuto veličinu lze měřit různými přímými nebo nepřímými metodami. U běžných chemikálií, které člověk bere záměrně (jako jsou léky), existuje přímá cesta expozice, nejčastěji orální nebo injekční. U tohoto typu účinku se dávka obvykle určuje na základě hmotnosti (v gramech nebo miligramech) podávané látky. Například běžná tableta aspirinu, jednoho z nejběžnějších léků, obsahuje 325 mg účinné látky, kyseliny acetylsalicylové. Tato tableta obsahuje i řadu inertních chemikálií (plniv), ale dávkování je dáno množstvím účinné látky. Dávkování pro injekční léky je vyjádřeno stejným způsobem. Například epinefrinový injektor, hojně využívaný lidmi trpícími různými potravinovými alergiemi, umožňuje podání dávky 0,3 mg epinefrinu, přestože roztok obsahuje i další látky.

V uvedených příkladech je cesta expozice přímá a dávka se dá snadno určit, ale co by se mělo dělat v případech, kdy je expozice nepřímá a neúmyslná? To se může stát, pokud člověk například snědl rybu, která čerpala kontaminovanou vodu žábrami, nebo pokud je pasivní kuřák. V takových případech je obtížné přesně měřit množství spotřebované látky. Proto je snazší určit nikoli expoziční dávku, ale koncentraci látky v prostředí (ve vodě, která prochází žábrami ryby, nebo ve vzduchu, který zvíře nebo člověk dýchá).

Bez ohledu na přímý nebo nepřímý zdroj expozice může být reakce zvířete (včetně člověka) na expozici chemické látce diskrétní nebo nepřetržitá. Smrt organismu je extrémní případ diskrétní reakce, ve které jsou možné pouze dva stavy: život nebo smrt. Jakkoli je fakt smrti smutný, poskytuje toxikologům velmi cenný výzkumný materiál. V jiných případech však může dojít k významné rozmanitosti reakcí na účinky toxinu. Klasickým příkladem nepřetržité reakce je kognitivní porucha, která je důsledkem účinků alkoholu na mozek. Reakce na alkohol není reakcí vše nebo nic; zvyšuje se se zvyšující se dávkou. Totéž lze říci o jiných typech poruch vyvolaných toxiny, jako je genová exprese nebo proteinová aktivita.

Je zajímavé, že ani způsob získávání dávky expozice – přímé nebo nepřímé – ani metoda měření odezvy – diskrétní nebo kontinuální – neovlivňuje obecný princip vztahu mezi dávkou a odezvou. V naprosté většině případů zůstává tvar této interakční křivky stejný bez ohledu na to, jak jsou prezentována data dávka-odpověď.

Kvantitativní hodnocení vztahů mezi dávkou a odezvou Vztah mezi dávkou a odezvou je velmi užitečná metrika, kterou regulační úřady často používají. Standardní přístup k testování nových látek nebo látek používaných v nové kapacitě začíná stanovením tohoto vztahu. Prvním krokem při určování toxicity je obvykle posouzení schopnosti látky produkovat samostatný výsledek – jmenovitě smrt – v populaci laboratorních zvířat, jako jsou myši.

Křivka dávka-odpověď ve skutečnosti popisuje mortalitu, nikoli smrt. Smrt je reakcí individuálního organismu a zde je zřejmé, že organismus může být pouze v jednom ze dvou stavů: může být živý nebo mrtvý. Úmrtnost je reakcí populace organismů. Úmrtnost je ukazatel, který odráží, jaká část populace zemře v důsledku expozice toxinu. Jako grafické znázornění úmrtnosti ve skupině zvířat vystavených stejným dávkám toxické látky používáme křivku diskrétní závislosti. V jednom extrému křivky toxicity přežijí všechna zvířata vystavená nízkým dávkám (úmrtnost je nulová), zatímco v opačném extrému všechna zvířata vystavená vysokým dávkám zemřou (úmrtnost je 100 %). Mezi těmito extrémy úplného přežití a úplné mortality se vztah dávka-odpověď stává zajímavějším. V naprosté většině případů je popsána charakteristickou esovitou, neboli sigmoidální křivkou. Při nízkých dávkách toxické látky nevede postupné zvyšování její koncentrace k výraznému zvýšení úmrtnosti. Při středních dávkách začíná úmrtnost prudce narůstat se zvyšující se koncentrací a při vysokých dávkách se rozdíl v úmrtnosti se zvyšující se dávkou opět stává minimálním.

Důležitým parametrem, který pomáhá objasnit vztah, je inflexní bod křivky. Ve spodní části křivky vede zvyšování dávky nejen ke zvýšení celkového počtu zvířat, která uhynou, ale také ke zvýšení počtu zvířat, která uhynou s každou novou dávkou. Jinými slovy, sklon křivky, jak se pohybuje od jedné koncentrace látky k další, se stále zvyšuje, dokud nedosáhne maxima v inflexním bodě. Další zvyšování dávky účinné látky má nadále za následek zvýšení biologické odpovědi, ale rychlost, jakou se odpověď zvyšuje, začíná s každým dalším zvýšením dávky klesat. Inflexní bod je vždy uprostřed křivky, kde při testu letální toxicity dochází k 50% úmrtnosti, a jak uvidíme později, tento bod má velký význam při toxikologickém testování látek. Přechod od experimentálních dat k praktickému vztahu dávka-odpověď (který by umožnil kvantitativní stanovení bodů zájmu na křivce) se ukazuje být obtížnější, než se na první pohled zdá. Abychom zaplnili mezery mezi relativně malým počtem experimentálně určených bodů a získali souvislou křivku, je nutné najít matematickou rovnici popisující tuto závislost. Jakmile je taková rovnice nalezena, lze ji použít k určení hodnot pro jakýkoli bod na křivce, nejen pro ty, kde jsou k dispozici experimentální data.

V praxi je pro identifikaci závislosti reakce na dávce konkrétní chemické látky nutné překonat značné obtíže spojené s experimentální metodologií. Pokud je například toxická látka nová a nikdy předtím nebyla testována, je výzkumník nucen „střílet naslepo“ a experimentálně stanovit závislost ve velmi širokém rozsahu koncentrací. Často je tento rozsah tak široký, že osa x na souřadnicové síti nevypadá lineárně (tj. 1, 2, 3 atd.), ale spíše logaritmicky (tj. 1, 10, 100 atd.). V tomto případě je velmi pravděpodobné, že během experimentu bude mít jedna nebo více skupin zvířat nulovou mortalitu v důsledku příliš nízkých koncentrací a jedna nebo více experimentálních dávek povede ke 100% mortalitě. Je důležité, že tyto dávky nepomohou vytvořit křivku závislosti. Po jejich vyloučení z analýzy může být počet zbývajících bodů, které lze použít ke konstrukci křivky ve tvaru S, příliš malý, a spolehlivost výsledků tak bude vážně snížena. Naštěstí existují matematické metody, které nám mohou pomoci obejít některé obtíže. Probitová analýza například umožňuje matematické transformace, které mohou změnit esovitou křivku na přímku.

Jak každý, kdo studoval euklidovskou geometrii, ví, nejkratší vzdálenost mezi dvěma body je přímka a naopak jakákoli přímka může být sestrojena ze dvou bodů. Proto je pomocí probit analýzy možné přesně odhadnout celou křivku dávka-odpověď s daty pouze ve dvou bodech ležících někde mezi nulou a 100% mortalitou. Navíc, pokud je vztah popsán lineární rovnicí (y = sklon × x + konstantní člen), lze snadno určit hodnotu libovolného bodu dosazením několika čísel do této jednoduché rovnice. Tanec podél křivky Krása lineárního vztahu dávka-odpověď spočívá v tom, že poskytuje mnoho předběžných informací o interakci zvířete s chemickou látkou. Například sklon čáry vypovídá o účinnosti toxické látky, tedy o její schopnosti vyvolat biologickou reakci.

S rostoucím úhlem sklonu se zvyšuje i účinnost. Kromě toho, pokud se zjistí, že účinnosti dvou látek jsou podobné, lze ze vztahu dávka-odpověď určit některé užitečné body, které, když se sníží, poskytnou jediné číslo, pomocí kterého lze porovnat toxicitu různých látek. Nyní se vraťme k inflexnímu bodu. Tento bod v toxikologii a farmakologii je znám jako LD₅₀, což je dávka, při které zemře 50 % populace zvířat. Tento bod lze určit i v případech, kdy jsou zvířata nepřímo vystavena látce (kdy je toxická složka přítomna ve vzduchu u zvířat, která dýchají plícemi, nebo ve vodě u zvířat, která dýchají žábrami), ale pak je označena jako LC.₅₀ (koncentrace látky v prostředí, při které zemře 50 % organismů). Tyto inflexní body poskytují vědcům praktický číselný index, pomocí kterého lze porovnávat toxicitu různých látek. Druhým bodem, který lze identifikovat ze vztahu dávka-odpověď, je prahová koncentrace. Prahová koncentrace je koncentrace, při které je pravděpodobnost nepříznivého účinku (například jeden případ onemocnění z milionu lidí) dostatečně nízká, aby byla považována za přijatelnou. Zajímavé je, že ačkoliv lze prahovou dávku snadno určit ze vztahu dávka-odpověď, za předpokladu, že existuje shoda na přijatelné úrovni nepříznivého účinku, přijatelná pravděpodobnost tohoto nepříznivého účinku není stanovena vědou, ale na úrovni společensko-politické.

Třetím důležitým detailem prahové dávky je, že tato dávka není ani tak empirická jako matematická. Jinými slovy, prahová dávka není omezena rozhodnutími vědce provádějícího testování. Pokud by například potkanům podal nějakou látku v pěti různých koncentracích (0,01, 0,1, 1, 10 a 100 mg na kg tělesné hmotnosti), pak by prahová dávka nemusela být nutně jedna z nich. Přímka, kterou získáme z probitové analýzy dávka-odpověď, popisuje vztah nejen mezi několika body na přímce, ale mezi všemi body, které ji tvoří. U ostatních dvou ukazatelů, NOEC a LOEC, je však situace odlišná. Tyto indikátory byly dříve často používány k popisu chemické bezpečnosti produktu, ale nyní upadly do určité nemilosti. NOEC je nejvyšší naměřená koncentrace na křivce, při které není pozorován žádný zjevný příznivý účinek na organismy, a LOEC je nejnižší naměřená koncentrace, při které je detekován nepříznivý biologický účinek chemické látky. Problém je v tom, že tyto ukazatele jsou ze své podstaty neobjektivní. Zatímco prahová dávka je hodnota odvozená matematicky pomocí všech bodů na křivce dávka-odpověď, hodnoty NOEC a LOEC jsou spojeny pouze s těmi body na křivce, pro které byla získána empirická data. Proto je celkový počet možných hodnot pro tyto body omezen počtem možností dávkování zvolených experimentátorem. Pokud například vědec podal krysám látku v pěti různých koncentracích (0,01, 0,1, 1, 10 a 100 mg/kg tělesné hmotnosti), hodnoty NOEC a LOEC by mohly odpovídat pouze jedné z těchto pěti možností. Výsledky jsou proto velmi závislé na rozmaru experimentátora a jsou velmi omezené, zatímco s matematickými výpočty jsou mnohem přesnější a teoreticky mohou být naprosto cokoliv.

Když jakákoli vládní agentura vypracuje standardy chemické bezpečnosti, dávka považovaná za bezpečnou je téměř vždy nižší než skutečná prahová koncentrace vypočítaná z rovnice dávka-odpověď. Děje se tak z čistě praktických důvodů, protože toxikologické testování se obvykle provádí na laboratorních hlodavcích (myši a krysy) a výsledky se extrapolují na člověka. Hlodavci mohou být na některé chemikálie více či méně citliví než lidé, takže maximální přípustná úroveň kontaminace je z bezpečnostních důvodů řádově snížena oproti experimentální. Kromě faktoru možných rozdílů v reakci mezi biologickými druhy se zohledňuje i zvýšené riziko expozice konkrétní látce u zvláště citlivých skupin osob (děti, senioři a osoby s narušeným imunitním systémem). Výjimky Ale platí S-křivka ve všech případech? Vezměte si například vitamín A. Tato látka je směsí složek, včetně retinolu, retinalu a dalších strukturálně podobných karotenoidů. Nedostatek vitaminu A ve stravě může způsobit problémy se zrakem, zejména za špatných světelných podmínek. Vitamín A je však látka rozpustná v tucích, která se z těla nevylučuje tak rychle jako vitamíny rozpustné ve vodě, např. vitamín C. Při nadměrné konzumaci vitamínu A tedy hrozí otrava. Neustále zvýšené hladiny vitaminu A jsou pro tělo škodlivé, zejména pro vývoj orgánů plodu.

V případě této látky nebude křivka dávka-odpověď sigmoidální. Je to spíše mísa, kde jsou negativní účinky vidět jak při nízkých, tak vysokých dávkách. V tomto případě bude účinek dávkování dvojí: při vysokých koncentracích vitaminu A převažuje negativní účinek a čím nižší je jeho koncentrace, tím lépe. V nízkých koncentracích však vitamin A působí jako mikroživina, jejíž nedostatek tělu také škodí a v tomto případě je potřeba jeho koncentraci zvýšit. Ve skutečnosti nelze takový nedostatek považovat za skutečně toxický účinek, ale existují příklady jiných látek, které v nízkých i vysokých koncentracích působí na organismus negativně. Skvělým příkladem takové látky je 17-beta-estradiol. Ve vysokých koncentracích má tato látka karcinogenní účinek a je velmi toxická. Ale jak se dávka snižuje, závislost se začíná blížit klasické sigmoidní křivce. Podlimitní dávky nezvyšují riziko vzniku rakoviny. V koncentracích hluboko pod prahovou hodnotou však tento pohlavní hormon působí jako buněčný signál a ovlivňuje mimo jiné embryonální vývoj obratlovců.

Ačkoli je estradiol nezbytný pro vývoj mužů i žen, jeho příliš mnoho v určitých obdobích může být toxické, včetně toho, že u mužského plodu se vyvine řada ženských vlastností. To je důvodem neobvyklé morfologie reprodukčních orgánů u některých zvířat, například vývoj ženských folikulů v tkáni samčích varlat. (K účinkům různých chemikálií na vývoj plodu se vrátíme v dalších kapitolách.) Náš pohled na toxické látky je určován myšlenkami Paracelsa. U naprosté většiny toxinů jde pravděpodobně skutečně o záležitost související s dávkou. Tento první zákon toxikologie vyvolal obrovské množství výzkumu a legislativy týkající se bezpečnosti. Ve světě moderních jedů je mnoho typů interakcí mezi molekulou a organismem určováno tímto jednoduchým, ale elegantním principem. Přihlaste se k odběru Indicator.Ru na sociálních sítích: Facebook, VKontakte, Twitter, Telegram.