Hlavní mechanismy toxicity
cizorodých látek
HLAVNÍ MECHANISMY TOXICITY
XENOBIOTIK
 „Přímé“ mutageny / genotoxiny; metabolická aktivace promutagenů,
adukty s 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. Efekty
v plasmatické membráně. Chemicky indukovaná karcinogeneze.
 Další receptor-dependentní mechanismy endokrinní disrupce
(např. estrogenita, antiestrogenita)
 Inhibice mitochondriálních funkcí (respirace, syntéza ATP, ale
také apoptóza – porušení mitochondriální membrány)
Neurotoxicita, imunotoxicita, poruchy metabolismu endogenních
látek atd.
GENOTOXICITA
Genotoxicita = potenciálně škodlivé účinky chemických látek nebo
záření na genetický materiál; důsledkem nemusí být smrt buňky,
ale trvalé genetické změny (mutace, chromosomální aberace aj.).
Příklady hlavních genotoxinů: PAHs (benzo[a]apyren), alkyl-PAHs,
aromatické a heterocyklické aminy, nitro- a nitrososloučeniny,
halogen. deriváty uhlovodíků (CCl4), aldehydy a epoxidy,
azobarviva a akridinová barviva, silná oxidační činidla, některé
těžké a transitní kovy (Cd, Cr) aj.
Typy genotox. poškození: bodové mutace (ox. deaminací cytosinu
vzniká uracyl, analoga bazí, alkylace bazí); chromosomální aberace
(delece, inserce, duplikace, inverze úseku chromosomu,
translokace úseku chromosomu na nehomologní chromosom);
klastogeny = způsobují zlomy chromosomů (UV záření, interkalační
látky); euploidie = změna počtu chromosomových sad, např.
tetraploidie, aneuploidie = změna počtu jednotlivých chromosomů.
Teratogeneze – vznik poškození plodu (vrozené vývojové vady
apod.); způsobují to teratogeny (některá org. rozpouštědla, viry
aj.; mutagenní látky mohou působit jako teratogeny).
1) 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
< <
nejsilnější genotoxin ze skupiny PAHs je dibenzo[a,l]pyren (DB[al]P)
- stérická dostupnost metabolitů (dihydrodiolepoxidů) pro GST event.
další enzymy 2. fáze biotransformace
GENOTOXICITA – METABOLICKÁ AKTIVACE
POLYCYKLICKÝCH AROMATICKÝCH
UHLOVODÍKŮ
detoxikace
metabolická
aktivace
-tvorba aduktů
s proteiny
-tvorba aduktů
s DNA
Akrylamid: detoxikace vs. tvorba aduktů
MALONDIALDEHYD - TYPICKÝ PRODUKT
PEROXIDACE LIPIDŮ TVOŘÍ ADUKTY S DNA
2) HLAVNÍ TYPY POŠKOZENÍ DNA
Alkylace (methylace)
= O -OCH3
Vznik objemných
aduktů
(“bulky adducts“)
UV záření:
dimerizace
Oxidativní poškození
DNA – viz dále
O OCH3
HLAVNÍ TYPY OXID. POŠKOZENÍ DNA
(“apurinic sites“)
Oxidativní deaminace
Depurinace (nestabilní
modifikované nukleotidy)
PRODUKTY OXIDATIVNÍHO POŠKOZENÍ DNA
Biomarker
oxidativního
poškození
DNA
(stanovení
HPLC)
3) POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY
POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY: sensory genotox. poškození, přenos
post-genotoxických signálů a regulátory bun. cyklu, oprav DNA a
apoptózy (H2AX, ATM, ATR, ChK1, ChK2, p53)
(podle Roos, Kaina, 2006)
POSTGENOTOXICKÉ SIGNÁLY
(sensory poškození a regulátory buněčného cyklu)
Příklad odpovědí na dvoušroubovicové zlomy (DSB)
OXIDATIVNÍ STRES
OXIDATIVNÍ STRES
Oxidativní stres je nerovnováha mezi (zvýšenou) produkcí ROS
a oxidovaných metabolitů a limitovanou kapacitou antioxidačních
mechanismů.
Hlavní mechanismy vzniku ROS:
- chorobné stavy (reumatoidní choroby, záněty...)
- vedlejší produkty respirace a dalších metabolických procesů
(prostaglandin H syntáza, diaminooxidáza, xanthinoxidáza)
- radiace
- metabolismus ciz.látek - aktivace O2 v cyklu P450 (např.
pomalu metabolizované substráty fenobarbital, lindan CYP2B);
redoxní cyklování chinonů aj.; v experimentálních studiích
přímá produkce ROS (terc-BuHP), snížení hladiny GSH
(dietylmaleát)
REAKTIVNÍ FORMY KYSLÍKU:
redoxní cyklování chinonů / antioxidační enzymy
PEROXIDACE LIPIDŮ
vznik peroxidů lipidů
(PUFA = nenasycené
mastné kyseliny v
membr. fosfolipidech)
detoxikace aldehydů
(AKR aj. reduktázami)
detoxikace org. hydroperoxidů
(GPx)
DŮSLEDKY OXIDATIVNÍHO STRESU
(různé role ox. stresu v chemické karcinogenezi)
ENDOKRINNÍ DISRUPCE
MECHANISMY ENDOKRINNÍ DISRUPCE
biosyntéza steroidních hormonů (např. inhibice CYP19 –
aromatázy snižuje hladinu estrogenů);
transport steroidních a thyroidních hormonů (kompetice vazby
hormonů na transportní bílkoviny snižuje hladinu hormonů v
cílových tkáních);
aktivace nebo suprese nukleárních receptorů (AR, ER, TR aj.
vede k nežádoucím změnám v receptor-závislé genové expresi)
katabolismus (inaktivace) hormonů probíhá za účasti
biotransformačních enzymů (např. hydroxylace steroidů
enzymy CYP)
AKTIVACE AhR A NUKLEÁRNÍCH RECEPTORŮ
Aktivace AhR (indukce CYP1A1/1A2/1B1 = ovlivnění
katabolismu steroidních hormonů; aberantní aktivace AhR =
vývojové defekty; interakce s ER aj. nukleárními receptory).
 Aktivace / suprese ER = xenobiotika jako estrogeny /
antiestrogeny
 Aktivace / suprese AR = androgeny / antiandrogeny
 Xenobiotika modulující thyroidní funkce (aktivace nebo
suprese TR = např. neurodevelopmentální defekty; kompetice
xenobiotik s proteiny transportu T4)
 Aktivace PPARg – obesogeny (tributyltin, bisfenol A,
alkylftaláty) – několik mechanismů, např. disrupce metabolismu
lipidů a ukládání tuku (PPARg zvyšuje biosyntézu lipidů);
diferenciace preadipocytů na adipocyty; v mozku deregulace
apetitu – “central balance of energy“ (např. receptory
neurotransmiterů)
PCB jako endokrinní disruptory (příklad působení
cizorodých látek více mechanismy)
Koplanární PCB: induktory AhR (“dioxin-like
compounds“);
efekty také na thyroidní funkce (kompetitivní
vazba na thyroid-binding protein);
antiestrogenita (suprese ER-dependentní
genové exprese;
indukce hydroxylace (inaktivace) estradiolu
Nekoplanární PCB:
nízkomolekulární kongenery mají
estrogenní aktivitu (aktivace ER);
prevalentní výšechlorované PCB jsou
antiestrogenní a antiandrogenní (ER, AR);
vazba na thyroid-binding protein;
vazba na RyR (disrupce Ca2+ signálování
= neurotoxicita)
VLIV CIZORODÝCH LÁTEK NA
METABOLISMUS A HOMEOSTÁZI
LIPIDŮ
Xenobiotika ovlivňují syntézu a metabolismus lipidů:
role syntézy ceramidu a DAG v signální transdukci
(ovšem neplatí obecně!)
PC-PLC a
SMsyntáza
versus
SMáza
Mechanismy účinku ceramidu:
aktivuje enzymy signální transdukce
Další efekty xenobiotik: produkce mediátorů
zánětlivých procesů a toxických lipidových
metabolitů (kyselina arachidonová jako
substrát pro enzymy CYP, LOX a COX)
REGULACE EXPRESE TRANSKRIPČNÍMI FAKTORY
NF-kB (ovlivněny řadou xenobiotik)
GENOVÁ EXPRESE
COX-2, PLA2,
iNOS, cytokinů
(TNFa aj.),
chemokinů
PROZÁNĚTLIVÉ
PROCESY
NEUROTOXICITA
 Inhibice acetylcholinesteráz (např. karbamáty, organofosfáty, ..)
 Modulace uvolňování dopaminu; efekty na další signálování pomocí
neurotransmiterů (efekty na cholinergní receptory apod.)
Interakce s ryanodyne receptorem (RyR) – deregulace Ca2+
koncentrací = modulace Ca2+-dependentní enzymů
Poruchy diferenciace a růstu nervové tkáně (inhibice GJIC,
další interakce, např. s TR)
NEUROTOXICITA: inhibice acetylcholinesterázy
(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
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE – základní koncept:
Mnohastupňový proces vývoje rakoviny, komplexní interakce
genetických, genotoxických a epigenetických (negenotoxických)
faktorů. Základní fáze karcinogeneze:
1) iniciace (akumulace mutací v určitých skupinách genů);
2) promoce (epigenetické změny – změny genové exprese,
především změněný statut metylace DNA a acetylace histonů;
ovlivnění přenosu signálů regulujících bun. cyklus, proliferaci,
diferenciaci a apoptózu; inhibice mezibuněčných spojení GJIC, AJ)
3) progrese, metastáze (další změny genové exprese, genetická
instabilita a chromosomová instabilita)
Faktory ovlivňující mutagenitu/genotoxicitu a karcinogenitu:
1) genetické predispozice („susceptibility“);
2) environmentální faktory (chemické kontaminanty, nutriční vlivy),
kombinace 1 + 2;
3) suprese imunologických funkcí;
4) neznámé faktory
Cizorodé látky mohou ovlivňovat všechny uvedené procesy
CHEMICKÁ KARCINOGENEZE
Vznik mutací - genetická instabilita prakticky ve všech fázích
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, např. PCB,
dioxiny);
pracovní prostředí (PAHs, chemické výroby, cytostatika aj.)
PREKLINICKÉ EFEKTY
chromos. aberace, genové mutace, aktivace onkogenů, inaktivace
tumor. supresor. genů, komponenty bun. cyklu
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 zahrnuje mutace genů DNA repair, onkogenů
(ras, myc aj.) a tumor-supresorových genů (např. p53) genů
kontrolujících buněčný cyklus a proliferaci (PAHs,
nitro-PAHs, NNK aj. nitrososloučeniny)
NEGENOTOXICKÉ KARCINOGENY modulují signální
transdukci a gen. expresi - pozměněna proliferace a
diferenciace, inhibována apoptóza a mezibuněčná
komunikace; především působí 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 aktivaci chemických karcinogenů
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
aktivace nebo suprese transkripčních faktorů (AhR, NF-kB,..),
„klasické“ epigenetické mechanismy (de/methylace DNA nebo
acetylace/deacetylace histonů);
 aktivace intracelulární signální transdukce (ERK1/2, ...);
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 metastázemi
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÉ PROMOCE
 Mitogenní efekt, zvýšení buněčné proliferace, vyvázání
z kontaktní inhibice růstu (role onkogenů - mutanty ras, myc, b-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, přechod z epiteliálního na mesenchymální
fenotyp buňky
Přežívání a transformace buněk = komplexní mnohastupňový proces
iniciace a promočních mechanismů – de/diferenciace, angiogeneze,
...); výsledek změn v genové expresi, na povrchu buňky, intracel.
signalizace aj.
ZÁKLADNÍ MECHANISMY NÁDOROVÁ
PROMOCE
(Hannahan, Weinberg, 2000)
PŘÍKLAD AKTIVACE BUN. PROLIFERACE
(aktivací signální transdukce)
velmi časté
mutace =
chronická
aktivace
proliferačních
drah
MECHANISMY NEGENOTOXICKÝCH PROCESŮ
Forbol-myristátacetát = PMA, TPA (modelový tumorový promoter)
chemická aktivace proteinkináz C a ERK1/2:
- hyperfosforylace Cx, inhibice GJIC
- mitogenní efekty
DISRUPCE MEZIBUNĚČNÝCH SPOJENÍ –
VEDE K NÁDOROVÉ PROMOCI,
INVAZIVITĚ A METASTÁZÍM
INTERCELULÁRNÍ SPOJENÍ GJIC
(“gap junction intercellular communication“)
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 GJIC
(scrape-loading / dye transfer assay; prostup
fluoreskující luciferové žluti monovrstvou buněk)
kontrola expozice TPA (aktivace PKC a ERK1/2,
hyperfosforylace konexinu)
DISRUPCE ADHERENTNÍCH SPOJENÍ
(ADHERENS JUNCTIONS)
biosensor density kontrola bun. proliferace
signálování beta- kateninu –
vývoj tkání, nádor. promoce
Disrupce adherentních spojů (“adherens
junctions“) vede ke změně fenotypu buňky
Markery EMT:
E-kadherin
N-kadherin
Vimentin
CHEMOPROTEKTIVNÍ LÁTKY
 snižují riziko karcinogeneze různými mechanismy účinku
(inhibice enzymů, antioxidační efekty)
 přírodní (směsi i individuální chemické látky) nebo syntetického
původu
 příklady chemoprotektivních sloučenin:
dietární flavonoidy / glykosidy flavonoidů (antioxidanty,
antiestrogeny, modulátory CYP enzymů aj.)
INDUKTORY / INHIBITORY 1. A 2. FÁZE
BIOTRANSFORMACE
XRE ARE
MECHANISMY PROTEKTIVNÍCH VLASTNOSTÍ
RESVERATROLU
aktivační vlastnosti RESprotizánětlivá aktivita RES