HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY CIZORODÝCH LÁTEK
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY XENOBIOTIK
,,Přímé" mutageny / genotoxiny; metabolická aktivace promutagenů,
adukty s proteiny a DNA, chromosomální aberace;
oxidativní stres - oxidativní poškození DNA
Mechanismy nádorové promoce ­ (negenotoxické) modulace
intracelulární signální transdukce a změny genové exprese,
oxidativní stres aj.
AhR-dependentní (dioxinová) aktivita
Další receptor-dependentní mechanismy endokrinní disrupce
(např. estrogenita)
Inhibice mitochondriálních funkcí (respirace, syntéza ATP, ale
také apoptóza)
Neurotoxicita, imunotoxicita, poruchy metabolismu
endogenních látek atd.
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY XENOBIOTIK
NA BUNĚČNÉ ÚROVNI (jsou výsledkem
molekulárních procesů v buňce a na povrchu
buňky)
Modulace buněčného cyklu, zvýšená proliferace buněk,
modulace diferenciace, inhibice apoptózy
Disrupce mezibuněčných spojení (gap junctions, adherens
junctions,...)
Cytotoxicita, indukce apoptózy
Přežívání, transformace buněk (komplexní mnohastupňový
proces iniciace, promoční mechanismy ­ de/diferenciace,
angiogeneze, ...)
GENOTOXICITA ­ METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
Hlavní enzymy metabolické aktivace PAHs:
CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1
GENOTOXICITA ­ METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
DETOXIKACE POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH
UHLOVODÍKŮ:
Protektivní úloha GST, UDPGT aj. enzymů 2. fáze biotransformace
GENOTOXICITA ­ METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ
GENOTOXICKGENOTOXICKÉÉ EFEKTYEFEKTY PAHsPAHs
A POSTGENOTOXICKA POSTGENOTOXICKÉÉ SIGNSIGNÁÁLYLY
1. Metabolická aktivace ­ cytochromy P450 (CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1)
+ alternativní dráha (AKR1C9, AKR1A1)
Stabilní adukty
DNA-PAH
Oxidativní stres
Oxidativní
poškození DNA
(oxidace bazí,
apurinová místa)
GENOTOXICKGENOTOXICKÉÉ EFEKTYEFEKTY PAHsPAHs AA
POSTGENOTOXICKPOSTGENOTOXICKÉÉ SIGNSIGNÁÁLYLY
2. DETEKCE POŠKOZENÍ DNA (stabilní adukty DNA s metabolity PAHs)
Metoda 32P-postlabeling:
expozice buněk, izolace DNA,
digesce a značení 32P,
TLC, detekce radiograficky
GENOTOXICKGENOTOXICKÉÉ EFEKTYEFEKTY PAHsPAHs
A POSTGENOTOXICKA POSTGENOTOXICKÉÉ SIGNSIGNÁÁLYLY
3. POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY (sensory poškození, regulátory
DNA ,,repairu" a apoptózy)
SensorySensory genotoxicitygenotoxicity,,
ppřřenos postenos post--genotoxickýcgenotoxickýc
signsignáállůů a regulace:a regulace:
ATM, ATR, H2AX, ChK1,ATM, ATR, H2AX, ChK1,
ChK2, p53ChK2, p53
Roos, Kaina, 2006
HLAVNÍ TYPY POŠKOZENÍ DNA (,,bulky adducts")
Alkylace (methylace)
= O -OCH3
Vznik ,,bulky adducts"
UV záření:
dimerizace
GENOTOXICITA ­ METABOLICKÁ AKTIVACE
BENZIDINU:
ioaktivačními
nzymy mohou
ýt peroxidázy
další enzymy
AKRYLAMID:
-detoxikace
-metabolická
aktivace
-tvorba aduktů
s proteiny
-tvorba aduktů
s DNA
MALONDIALDEHYD - TYPICKÝ PRODUKT
PEROXIDACE LIPIDŮ TVOŘÍ ADUKTY S DNA
OXIDATIVNÍ POŠKOZENÍ DNA
HLAVNÍ TYPY POŠKOZENÍ DNA (,,apurinic sites")
Oxidativní deaminace
Depurinace
(nestabilní
modifikované
nukleotidy)
PRODUKTY OXIDATIVNÍHO POŠKOZENÍ DNA
Biomarker
oxidativního
poškození
DNA
(stanovení
HPLC)
METABOLICKÁ AKTIVACE TETRACHLÓRMETANU
Toxicita CCl4:
- alkylace,
- oxidativní poškození,
- toxický metabolit
(fosgen)
METABOLICKÁ AKTIVACE A DETOXIKACE
BENZENU:
OXIDATIVNÍ STRES
Oxidativní stres je nerovnováha mezi (zvýšenou) produkcí ROS a
oxidovaných metabolitů a limitovanou kapacitou antioxidačních
mechanismů.
Hlavní mechanismy:
- redoxní cyklování (např. naftochinony, adriamycin, paraquat aj.)
- vedlejší produkty respirace a dalších metabolických procesů
(prostaglandin H syntáza, diaminooxidáza, xanthinoxidáza)
- aktivace O2 v cyklu P450 (např. pomalu metabolizované substráty
CYP2B ­ fenobarbital, lindan)
- přímá produkce ROS (t-BuHP, cis-DPP)
- snížení hladiny GSH (dietylmaleát)
- chorobné stavy (reumatoidní choroby, záněty...)
- radiace
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU (ROS)
edukce
itrosloučenin
uperoxid
eroxid
ydroxylový
adikál
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU:
redoxní cyklování chinonů / antioxidační enzymy
PEROXIDACE LIPIDŮ
DŮSLEDKY OXIDATIVNÍHO STRESU
ENDOKRINNÍ DISRUPCE
AKTIVACE AhR A NUKLEÁRNÍCH RECEPTORŮ
Aktivace AhR (indukce CYP1A1/1A2/1B1; modulace bun.
cyklu, imunosuprese, syndromy dioxinové toxicity).
Xenobiotika jako estrogeny / antiestrogeny
Androgeny / antiandrogeny
Peroxisomální proliferátory
Xenobiotika modulující thyroidní funkce
PCB - ENDOKRINNÍ DISRUPTORY
Koplanární PCB: induktory AhR
(,,dioxin-like compounds");
efekty také na thyroidní funkce
(kompetitivní vazba
na thyroid binding protein);
antiestrogenita (efekty na ERdependentní
genovou expresi, indukce
hydroxylace estradiolu
Nekoplanární PCB:
- nízkomolekulární kongenery mají
estrogenní aktivitu;
- prevalentní výšechlorované PCB
jsou antiestrogenní a antiandrogenní;
- vazba na thyroid binding protein;
- vazba na RyR (neurotoxicita)
PCB ­ (ANTI)ESTROGENITA
výšení
metabolismu E2
inaktivace
ormonu
iosyntéza?
ktivace/
uprese ER
METABOLITY POLYCHLOROVANÝCH BIFENYLŮ
(PCB) ­ 2. FÁZE
Methylsulfonyl-PCB ­ také toxicky významné (vazba na GR,
modulace 2. fáze metabolismu estradiolu aj. efekty)
NEUROTOXICITA
Inhibice acetylcholinesteráz (např. karbamáty,
organofosfáty, ...)
Interakce s ryanodyne receptorem (RyR)
Modulace uvolňování dopaminu
Poruchy diferenciace, růstu nervové tkáně, inhibice GJIC
další interakce
NEUROTOXICITA: inhibice AChE
Zpomalení
regenerace
vazebného místa
uvolnění produktu
esterázové reakce)
NEUROTOXICITA: interakce s RyR
a modulace Ca2+
IMUNOTOXICITA
Obecně mohou být po expozici xenobiotiky porušeny
všechny typy humorální a buněčné imunity
Apoptóza vede k supresi krevních buněk (příklad:
benzo[a]pyren je cytotoxický v relativně nízkých
koncentracích)
Suprese funkce a hmotnosti thymu (dioxiny, koplanárními
PCB aj. AhR agonisty)
Poruchy indukce protilátkové odpovědi a další
mechanismy
MECHANISMY IMUNOTOXICITY BENZO[A]PYRENU
(metabolity způspbují apoptózu leukocytů)
Apoptóz
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE:
ZÁKLADNÍ KONCEPT
Mnohastupňový proces vývoje rakoviny, komplexní
interakce genetických, genotoxických a epigenetických
(negenotoxických) faktorů. Základní fáze karcinogeneze:
1) iniciace;
2) promoce;
3) progrese, metastáze
Faktory ovlivňující mutagenitu/genotoxicitu a karcinogenitu
1) genetické predispozice (,,susceptibility");
2) environmentální faktory (chemické kontaminanty, nutričn
vlivy), kombinace 1 + 2;
3) suprese imunologických funkcí;
4) neznámé faktory
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE
GENOTOXICKÉ KARCINOGENY reagují s DNA a
ireversibilně pozměňují genom (bodové mutace, změny v
chromosomální struktuře, zlomy, výměny sesterských
chomatid, klastogeny); interakce chemických látek s
DNA:alkylace, oxidativní poškození nukleotidů, interkalace
INICIACE; mutace DNA repair, onkogenů (ras, myc aj.)
a tumor-supresorových genů (např. p53) - genů
kontrolujících buněčný cyklus a proliferaci (PAHs, nitroPAHs,
NNK aj. nitrososlouč.
NEGENOTOXICKÉ KARCINOGENY modulují signální
transdukci na postranslační úrovni - pozměněna proliferace
a diferenciace, inhibována apoptóza především působ
ve fázi PROMOCE karcinogeneze (dioxiny, PCB, OCP,
azbest, křemenný prach, keramická vlákna, kovové ionty,
např. Co, Mn, Ni, Cr, Be)
KOKARCINOGENY - samy nejsou nutně karcinogenní,
potencují aktivitu karcinogenu
SUSCEPTIBILITA
polymorfismus CYP1A1, CYP1A2, CYP1B1, CYP2E1, GSTM1,
NQO1, NAT aj. genů biotransformačních enzymů;
DNA repair; mutace v tumor-supresorových genech;
otázka etnik, pohlaví, věku;
komplexní vlivy spolu s nutričními návyky (včetně mikronutrientů,
vitamínu, PUFA aj.).
ENVIRONMENTÁLNÍ EXPOZICE
kouření;
chemické zatížení vzduchu (prach, PAHs, volatilní karcinogeny);
kontaminovaná potrava (pesticidy, persistetní látky, napúř. PCB,
dioxiny);
pracovní prostředí (PAHs, chemické výroby, cytostatika aj.)
PREKLINICKÉ EFEKTY
chromos. aberace, genové mutace, aktivace onkogenů, inaktivace
tumor. supresor. genů, komponenty bun. cyklu
olek.
ologické
etody,
pidemiolog.
udie
anovení
nterní"
ávky
otinin, PCB,
OH-pyren),
anovení
molekulární"
ávky (DNA- a protein.
dukty s PAHs,
xidativní
oškození)
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÁ PROMOCE
(Hannahan, Weinberg, 2000)
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÉ PROMOCE
Mitogenní efekt, zvýšení buněčné proliferace, vyvázání
z kontaktní inhibice růstu, role onkogenů (mutanty ras, myc, cat,..)
a inaktivace tumorových supresorů
- interference s transdukčními signály, které kontrolují normální
buněčný růst a diferenciaci (aktivace EGFR/ErbB2-ras-ERK,
aktivace proteinkinázy C např. produkcí DAG po expozici
forbolestery), produkce ROS, aberantní produkce růstových
faktorů atd.
- aktivace ER- nebo AR-dependentní buněčné proliferace
Inhibice apoptózy (nefunkční tumorové supresory, např. p53) =
další mechanismus přežívání buněk
Inhibice mezibuněčné komunikace (GJIC), disrupce adherence
buněk , angiogeneze
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
,,klasické" epigenetické mechanismy (methylace DNA nebo
acetylace/deacetylace histonů) ­ de/diferenciace
genová instabilita
strukturní a funkční změny cytoplasmatické membrány, efekty na
intercelulární komunikaci (např. inhibice GJIC, disrupce
adherence) - vyvázání se z homeostatické kontroly okolních
buněk, angiogeneze, procesy související s progresí a metastázem
PŘÍKLAD AKTIVACE BUN. PROLIFERACE
(aktivací signální transdukce)
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
orbol-
myristátacetát
PMA, TPA
modelový
umor. promoter)
ktivace PKC-
RK:
hyperfosforylace
x, inhibice GJIC
mitogenní efekty
DŮSLEDKY OXIDATIVNÍHO STRESU
DŮSLEDKY AKTIVACE PPAR
erovnoměrná
ndukce CYP4A
vedl. produkt: H2O2)
dalších enzymů
např. CAT)
ependentních
a PPARalfa
DŮSLEDKY AKTIVACE PPAR
DISRUPCE MEZIBUNĚČNÝCH SPOJENÍ VEDE
K NÁDOROVÉ PROMOCI, INVAZIVITĚ A
METASTÁZÍM
INTERCELULÁRNÍ SPOJENÍ GJIC
Základní stavební
jednotkou jsou
proteiny konexiny
(connexin 32, 43 atd.),
které tvoří hexamery
(konexony);
konexony sousedních
buněk mohou tvořit
společný kanál,
kterým procházejí
signální molekuly
(cAMP, Ca2+ atd.)
INHIBICE GJICINHIBICE GJIC
((scrapescrape--loadingloading // dyedye transfertransfer assayassay; prostup; prostup
fluoreskujfluoreskujííccíí luciferovluciferovéé žžlutiluti monovrstvoumonovrstvou
bunbuněěk)k)
kontrola expozice TPA (produkce DAG, aktivace PKC
a ERK1/2, hyperfosforylace konexinu)
DISRUPCE ADHERENTNDISRUPCE ADHERENTNÍÍCH SPOJENCH SPOJENÍÍ
(ADHERENS JUNCTIONS)(ADHERENS JUNCTIONS)
iosensor density kontrola bun. akumulace
signálování kateninu/cadherinu
DISRUPCE ADHERENTNDISRUPCE ADHERENTNÍÍCH SPOJENCH SPOJENÍÍ
(ADHERENS JUNCTIONS)(ADHERENS JUNCTIONS)