UNI SCI RECETOX Základy toxikologie -neorgánová toxicita Jiří Novák Hf evropský sociální fond v ČR EVROPSKÁ UNIE MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost > Molekulární toxikologie: - Třídy toxických látek - Vlastnosti cílových molekul - Typy interakcí toxických látek s cílovou molekulou > Neorgánová toxikologie - Interakce s proteiny - Vyčerpání ATP - Ovlivnění redoxních potenciálů - Interakce s membránami (narušení struktury, vlastností, potenciálů. - Interakce s DNA (genotoxicita, mutageneze, karcinogeneze,...) - Reakce buňky na poškození > Vývojová toxicita - základní principy - kritická období vývoje - příklady látek I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Molekulární toxikologie • Mechanizmy působení na molekulární úrovni - Ovlivnění průběhu biochemických reakcí - Ovlivnění průběhu biologických procesů - poškození buněčné struktury ^^^^B I Centrum pro výzkum toxických látek I v prostředí Třídy toxických látek podle mechanizmu účinku o x o (©) Třída I- nepolární narkotická toxicita (bazálni, minimální toxicita) - nereaktivní nepolární (~Kow) - většina hydrofobních látek se nespecificky koncentruje v lipidickém prostředí membrán a narušuje jejich strukturu a funkci (přenos signálů, gradienty); (nejedná se o farmakologickou narkózu) - projevuje se v relativně vysokých koncentracích; toxicita je predikovatelná na základě logKow pro danou látku (toluen) Třída II- polární narkotická toxicita - nereaktivní lehce polární - vyšší toxicita způsobena přítomností chemické skupiny fungující jako donor vodíku, která dělá molekulu polárnější, interakce s membránovými proteiny (fenol) Třída III- reaktivní chemikálie - reaktivní - reagují nespecificky s buněčnými makromolekulami - mají často elektrofilní povahu (např. epoxidy reagují s SH- skupinami cysteinu v proteinech; těžké kovy) —< Třída IV- specifické toxikanty - reaktivní - reagují specificky s cílovými molekulami (organofosfáty inhibují acetylcholinesterázu v synapsi) O O o Q. O O O o Q. Typy působení toxických látek toxikant Přenos na místo účinku -> - Narušení vlastností prostředí v org. Interakce s cílovou molekulou Narušení buněčných funkcí; poškození tkáně Nedostatečná reparace > Látky narušující prostředí organizmu - Chemikálie měnící koncentraci H+ (kyseliny a jejich produkty; rozpojovače dýchacího řetězce v mitochondriích) - Rozpouštědla a detergenty měnící vlastnosti biomembrán (LD50 vody 90 g/kg) - Fyzické poškození, zabrání místa (ethylen glykol —> k. šťavelová+ Ca2+ —> poškození ledvinových kanálků ostrými krystaly šťavelanu vápenatého) > Látky interagující s cílovou molekulou I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Cílové molekuly „receptor" Jedná se většinou o biologické makromolekuly: DNA, Droteiny membránové ipidy nacházející se v dosahu reaktivních molekul nebo místa jejich vzniku (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vlastnosti cíle: Reaktivita Dostupnost Významná funkce ^1 r Cílová molekula Následek: Nefunkčnost Zničení Vytvoření neoantigenu The Target Molecule as determinant of the effect The Effect regulation (signaling (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Dysregulation of gene expression Inappropriate • Cell division • Apoptosls —> tissue Involution, teratogenesIs • Protein synthesis —> e.g.. peroxisome proliferation -> neoplasia, teratogenesis r Dys regulation of ongoing cell function E.g., Inappropriate neuromuscular activity • Tremor, convulsion, spasm, cardiac arrythmla • Narcosis, paralysis, paresthesia Impaired internal maintenance Impaired • ATP synthesis • Ca-_ regulation • Protein synthesis • Ml c rotu bul ar function • Membrane function ^ ^ injuryrdeath Impaired external maintenance Impaired function of Integrated systems e.g., hemostasis —> bleeding Typy interakcí konečných toxikantů s cílovými molekulami Nekovalentní typ vazeb: - Iontová, - vodíkové můstky Příklady účinků: Vazba na specifický receptor interkalace do šroubovice DNA Narušení fluidity membrány (a) Secondary Structure p pleated sheet O H u Examples of amino acid subunits o ft u O ft u O ft u ^_ft-AV V ft .VY b «Y\ ft ft ^vi* ti^ft ottft Q ft '. ft ft '. ft '. Oc^ocHoc^o^ j° \*X\uz MV./C \ N-H- 0 =C H-C-R N-H —v-— 0=C N-H N-H ' wO = Cs \ N-H H-C-R H-C-R I ft a helix 0=C N-H j-.-r i.:1 r' i :■. E :-j -. .i 11. i ■ i-j u.:i:i,,'ľ t: a: Pwraoi Benjamin Cumminus. tH 0=C °=Cxn,N-H (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Antagonist Receplůr binding site itianm MMVUVV» ■i um Receptor transducing element Signal transduction chain Apúplast membrane Cylůplasm X Cellular c'li?;;';: TftENOS in Písni Sctmct Intercalation of a planar ligand y^Ěr in the double helix. Typy interakcí konečných toxikantů s cílovými molekulami Kovalentní vazba- pevné spojení s cílovou molekulou-změna její funkce Příklady typů toxických látek: Neutrální volné radikály elektrofily (např. těžké kovy+) vazba na -SH skupiny v proteinech—► narušení | sekundární a terciární struktury M2++ protein-cys-SH —> protein-cys-S-M-S-cys-protein 9-Nitro-octadecenDfc acid Acrolein nukleofily Vazba na kovové součásti proteinů např. vazba na Fe v hemoglobinu (CO) nebo na cytochrom C oxidázu (kyanid) (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Typy interakcí konečných toxikantů s cílovými molekulami Odejmutí vodíku neutrální volné radikály (zlomy v DNA, peroxidace lipidů) R R * X-H + Elektronový přenos Dusitan oxiduje Fe II v hemoglobinu na Fe III —> methemoglobin; Nebezpečné pro kojence, kteří nemají rozvinuty opravné mechanismy Enzymatická reakce Ricin hydrolyticky štěpí ribozómy Botulin štěpí proteiny zodpovědné za uvolnění neurotransmiterů hadí jedy obsahují hydrolázy (©) Centrum pro výzkum botulin toxických látek v prostředí Neorgánová toxikologie (buněčná) ©Cory Thoman 4 illuslrationsOI.com/l0S9245 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí I - Interakce s proteiny Narušení Struktury: reaktivní látky; těžké kovy Narušení funkce: - enzymatická aktivita • Kompetitivní inhibice- zabrání akt. místa pro substrát • Nekompetitivní inhibice-změna struktury aktivního místa - receptor - Extracelulární (velké nebo polární ligandy) - Intracelulární (nepolární ligandy) • Aktivace (i bez přítomnosti přirozeného aktivátoru, estrogenový receptor+DDT) • Inhibice (zrušení funkce přirozeného aktivátoru) Competitive inhibitor interferes with active site of enzyme so substrate cannot bind (a) Competitive inhibition Noncompetitive inhibitor changes shape of enzyme so it cannot bind to substrate [b] Noncompetitive inhibition (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí II - Vyčerpání ATP • ATP - adenosin trifosfát- univerzální zdroj energie v buňce - Udržování membránových gradientů (Ca+, Na+/K+ATPáza,...) - Biosyntéza (fosforylace, adenylace) - Přenos signálů (cAMP, fosforylace,...) - Stavební součást nukleových kyselin DNA, RNA - svalová práce, neurotransmise - Buněčné dělení H2N OH OH (©> Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vyčerpání ATP osmotický šok —► buněčná smrt absorpce vody vzestup vnitrob. vápníku —► depolarizace membrán nekrotické změny (©) buněčná smrt Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vyčerpání ATP - Mitochondrie energetická centrála buňky-membránová struktura ve které dochází k oxidatívni fosforylaci tj. syntéze ATP - hlavního zdroje energie v buňce základního zdroje energie ke vzniku ATP dochází na vnitřní membráně, která udržuje silný elektrický gradient mitochondrie přirozeně produkuje značné množství ROS- výkonné detoxikační mechanizmy mechanizmy působení mitochondriálních jedů: - Narušení elektrického gradientu na membráně (salicyláty,...) - Inhibice elektronového transportního řetězce (kyanid, HS, paraquat,...) - Inhibice přísunu vodíku a kyslíku do elektronového transportního řetězce - Narušení syntézy ATP z ADP (DDT,...) - Narušení mitochondriální DNA a/nebo syntézy proteinů (některá antivirotika, chronicky konzumovaný ethanol) inner membrane outer membrane cristae riboso me$ Outer membrane (©) Elizabeth Murales Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Intermembrane space III - Změny redoxního potenciálu- Oxidatívni stres • Nerovnováha mezi vznikem oxidujících forem molekul a schopností organizmu je eliminovat a/nebo reparovat vzniklá poškození (antioxidační kapacita) Oxidanty x antioxidanty • Změny redoxní rovnováhy vedou ke vzniku vyšších hladin reaktivních molekul (peroxidy, radikály), které mohou narušovat stavební prvky buňky (proteiny, lipidy, DNA) • Nejčastějšími zprostředkovateli tohoto typu efektu jsou reaktivní formy kyslíku (ROS-reactive oxygen species; 02~, H202, HO) • Antioxidanty: - enzymatické (např. Superoxid dismutáza, glutation peroxidáza, kataláza) - neenzymatické (např. vitamíny E,C, ß karoten, glutation,... (©> Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Detoxikace superoxidového radikálu r peroxidace lipidů- reparace tokoferolem (vit E) a askorbátem (vit C) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Změny redoxního potenciálu- Oxidatívni stres • určitá míra oxidativního stresu pravděpodobně hraje roli v prevenci stárnutí (mitohormeze) • anoxické prostředí je naopak spojováno s některými typy karcinogeneze • vlastností ROS využívá imunitní systém pro ničení patogenů. Mohou sloužit i pro přenos signálu a regulaci genové exprese Přirozené zdroje ROS v organizmu • respirační řetězec v mitochondriích • cytochromy P450 • imunitní odpověď (zánět) Další zdroje ROS • redoxní cyklátory (např. chinony) • Fentonova reakce (Fe2+) • ionizující záření (reakce s vodou v buňkách) i Oxidatívni stres přímá produkce ROS - Aktivace xenobitik (CCI4, benzen) - Redoxní cyklování (paraquat) - prechodné kovy- Fentonova reakce (Fe2+, Cu2+) - Inhibice mitochondriálního elektronového transportu nepřímá produkce ROS - Aktivace cytochromů P450 (CYP) - Zvýšení cytoplasm. hladiny Ca2+ Aktivace enzymů produkujících ROS Důsledky zvýšení ROS - Narušení struktury a funkce proteinů - Poškození DNA - Vyčerpání energetických rezerv buňky - Peroxidace lipidů Fs2+ + H202 <-> Feí+ +OH-+OR-OH- + H202 H20 + H02' H02 +H202 ^H20 + 02 +OHm (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí chinonový redoxní cyklus A prototype representative of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs). eg B (a) P Protein -adducts DNA -adducts Restored |7\ A Mutant DNA Bay region L region Benzo ( a)pyrene Epoxide hydrolase 4- ^ P450 (+)B( a)P7,8_dihydrodiol 9,10- epoxide (BPDE) Epoxide hydrolase (+)B( a)P7,8 -oxide (-) B( a)P7t8-dihydrodiol P45Q oxidation *=? reduction Dihydrodiol dehydrogenase J (a) P4.5-dihydrodiol B[ a)P4,5 - oxide Ortho -quinone Catechol ROS IV - Narušení struktury membrán Biomembrána základní stavební prvek buňky (plazmatická membrána, mitochondrie, ER), komplex fosfolipidové d voj vrstvy s vázanými proteiny s dalšími molekulami (lipo-, glyko-proteiny, steroly,...) Klíčová role v metabolizmu buňky (syntéza ATP, přenos signálu, udržování gradientů,...) Základní toxicita (narkóza)-narušení fluidity, změna vlastností proteinových struktur Lipidní peroxidace, způsobena oxidativním stresem, má charakter řetězové reakce a může se šířit celou membránou, narušuje fluiditu, může dojít k poškození membránových struktur (kanály, receptory) (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí sacharidy vazba integrálni bílkoviny pomocí vázaného lipidu MIMOBUNĚČNÝ PROSTOR CYTOSOL vazba integrální bílkoviny pomocí hydrofabní části integrální protein vazba periferní vazba periferní bílkoviny bílkoviny prostřednictvím elektrostatickými bílkoviny integrální interakcemi FUFA #1 transportní kanál - integráln bílkovina H Fořty dcid radical Peroxyl forty a c id Feroxidízed fatty add 2nd fatty acid radical O oo Narušení membránových potenciálů - Specifické toxické účinky zprostředkovány většinou interakcí s proteiny (viz dále) - Změny gradientů na membráně narušují • semipermeabilitu • přenos signálu (neurony, svaly) • oxidatívni fosforylaci v mitochondriích • působení na aktivitu: - kanálů - ionoforů I Centrum pro výzkum toxických látek I v prostředí Zvýšení intracelulární hladiny Ca2+ - Narušení produkce ATP - Narušení funkce mikrofilament - Aktivace hydrolytických enzymů Hypoxic Neuron V - Interakce s DNA - genetická toxikologie DNA- komplexní molekula klíčová pro život, obsahuje velké množství potenciálních cílů pro genotoxiny (terminologie není úplně ustálená) • Genotoxicita- toxicita pro genom, přímá interakce s DNA • Genotoxické faktory: fyzikální - chemické; přírodní - antropogenní - Mutageny- látky způsobující mutace - Klastogeny- vyvolávají chromozomální zlomy - Mutageneze- proces narušení informace obsažené v DNA • 1. fáze - průnik k cíli účinku (s/bez aktivace) • 2. fáze - interakce s cílem (kovalentní vazba s DNA, interkalace, narušení dělicího aparátu,...) • 3. fáze - vznik mutantního fenotypu (pokud není mutace letální, nebo nedojde k reparaci) • Negenotoxické faktory: nepůsobí přímo na strukturu DNA, ovlivňují expresi genů nebo navozují podmínky nepříznivé pro udržení integrity DNA Interakce s DNA - genetická toxikologie Mutace - bodové (delece, adice, záměna jedné nebo několika málo bází) • substituce - THE FAT CAT ATE THE RAT - THE FAT HAT ATE THE RAT • adice - THE FAT CAT ATE THE RAT - THE FAT CAT XLW ATE THE RAT • delece - THE FAT CAT ATE THE RAT - THE FAT ATE THE RAT • Posun čtecího rámce - THE FAT CAT ATE THE RAT - THE FAT HCA TAT ETH ERA T í H Insertion S' AUG CGA UUA UAC GGG Met Arg Leu Tyr Gly 5' AUG CGA UUA UUA CGG G Met Arg Leu Leu Arg 3' 3' Deletion 5' AUG CGA UUA UAC GGG AAA Met Arg Leu J Gly Lvs 5' AUG CGA UUA r UAG GGA AA Met Arg Leu Stop 3' 3' Interakce s DNA - genetická toxikologie Interakce s DNA - chemické mutageny > Mutageny s přímým účinkem - nepotřebují aktivaci - většinou silně reaktivní elektrofilní molekuly rychle reagující s nukleofilními makromolekulami v dosahu ^ - mutagenita závisí na schopnosti proniknout k DNA - působí většinou orgánově i druhově nespecificky (např. alkylační činidla: nitrosaminy, vinylchlorid,...) I Centrum pro výzkum toxických látek I v prostředí Interakce s DNA - chemické mutageny > M utápěny s nepřímým účinkem - samy o sobě nejsou mutagenní, ale metabolizmem jsou transformovány do aktivní podoby - mutagenita záleží na kapacitách aktivující metabolické dráhy vs detoxikačních procesů - působí hlavně v orgánech s intenzivním aktivačním metabolizmem (např. polycyklické aromatické uhlovodíky vznikající nedokonalým spalováním uhlíku-cigarety, diesel, grilování...) OH OH Benzo[a]pyrene (BaP) (-M7S,BR,9R,tOS)-DE-2 (+)-(7R,8S,9S.10R)-DE-2 írans-(1 OR)-BaP DE-2 dG adduct trans-(10S)-BaP DE-2 dG adduct Interakce s DNA- důsledky genotoxicity • Mutace tělních buněk (somatické mutace) ^ - zmutovaná je jediná buňka - Stárnutí (artróza) - První krok vzniku rakoviny *S3£ • Mutace pohlavních buněk - potenciální přenos mutací na další generace- mutaci nesou všechny buňky v organizmu další generace • Přínosné vlastnosti mutací - rozrůznění genofondu populací organismů - adaptace na změny v prostředí -> evoluce Příklady: Pesticidy -> vznik rezistentního hmyzu Antibiotika -> ATB-rezistentní bakterie (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Interakce s DNA - negenotoxické karcinogény Epigenetické účinky- neinteragují přímo s DNA Většinou působí ve vyšších dávkách a při chronické expozici Mechanizmy účinku: - Cytotoxicita: při regenerativním růstu dojde k zafixování „spontánních" mutací v dělících se buňkách - Receptorový mechanizmus: • aktivátory cytochromů P450 (karcinogény fenobarbitalového typu (CAR), dioxiny (AhR)) • PPARa (receptor aktivovaný peroxizómovými proliferátory)- hraje roli v metabolizmu lipidů, je aktivovaný některými herbicidy, léky na snižování hladiny lipidů, chlorovanými rozpouštědly a plastifikátory - Metylace DNA: míra transkripční aktivity genu je nepřímo úměrná míře metylace odpovídající části DNA - Karcinogenní změny vyvolává hypermetylace tumor-supresorových genů nebo hypometylace onkogenů (©) H D Ad HATb ONMTs Demelhyiasts "i J St ONŕ methyltranslerasř Historie dEacEtylase R NA. votymtrase Iransíription factors actílylaled hisLones cnr&mstln remůdelllng proteine Centrurr toxickýc v prostředí mEthylated DNA deacetylated histones Interakce s DNA - negenotoxické karcinogény Mechanizmy účinku-pokračování - Gap junctions: (GJIC)- mezerovité spoje umožňují mezibuněčnou komunikaci pomocí malých molekul (< 1 kDa) • zprostředkovávají kontaktní inhibici, u rakovinných buněk zpravidla blokovány což vede k neregulovanému růstu - Hormonální mechanizmus účinku: • tkáňově specifické účinky endogenních i xenobiotických látek s hormonálním účinkem • karcinogenní při dlouhodobém zvýšení hladiny hormonální aktivity oproti normálu - Estrogenní účinky -diethylstilbestrol- rakovina pochvy a čípku u dcer exponovaných matek - Snížení hladiny thyroidních hormonů- kompenzační zvýšení hladiny TSH (thyroid stimulating hormone) vede k hyperplasii až neoplasii štítné žlázy (látky v brukvovitých rostlinách, sulfonamidy, PCB) Narmil islls ClůStÚ Oper* Interakce s DNA - Karcinogeneze Mutagens ROS.RNI ft Cytokines Mutalions '•■í- i.ji c instability EpiganaliĽ rtiodilrcatinnE Survival Environmental espoiure Genntnxic damage Sene-scenca Tissue damage Autoimmunity Infection proces vzniku rakoviny 1. Iniciace- mutace klíčových genů v buňce. - 1. Dále se nedělí 2. Je nasměrována k apoptóze - 3. dává vznik populaci iniciovaných buněk 2. Promoce- vypnutí regulačních mechanizmů v klonu iniciovaných buněk Nádorově promoční faktory- endogenní, exogénni, genotoxické, negenotoxické, dediferenciace Často orgánově specifické účinky (např. „vypnutí" apoptózy, inhibice mezib. komunikace,...) Reverzibilní 3. Progrese- vlastní vznik nádorového bujení Intenzivní syntéza DNA vede ke hromadění mutací Ztráta kontroly růstu genotox. i negenotox. Faktory nereverzibilní Normální buňka Iniciovaná buňka Fokální léze Rakovina reparace apoptóza apoptóza Tissua repair response Proliferation Enhanced survival Mutations. Epigenetic modifications Tissue repair re&punsa Angiogenesis Proliferation and survival Immune evasion mutace iniciace proliferace promoce > > > proliferace progrese • Hl A .... VI- Reakce buňky na poškození Indukce ubiquitinu - Slouží k eliminaci poškozených proteinů Indukce proteinů teplotního šoku (heat shock protein; HSP) - Nespecifická odpověď na stres - Slouží jako chaperony - skládání nově produkovaných proteinů do správné terciální a kvartérní struktury Autofagie- eliminace poškozených organel Indukce DNA opravných mechanizmů Damaged base -r T ■ ■_L J Glycosylase AP site 3' OH ^ Long Patch T ■ ^ AP endonuclease ^ 5' dRP Short Patch Polymerase (displac dRP /merase / ing synthesisA i i i i i i i ri V 5' dRP lyase OH P J-1- AMP fenkce ubiquitinu^ (jy^> /CS)*. [target]^ o o 'target ATP (jjT) (eT) proteir i Z eat-shock protein 40 finished protein MACRO AUT CPHAGY Ptiagophore Flap endonucleas^ I I I I I I I T Polymer; I (nondisp Autrj^srjsome " LYSOSOME Jfí"Acidic proteases r>., Ligase i-1-r IJWF-2a Ivýzkum Ligase ^ I I I ľ I I I 11 ........ í 26S pľúttuú ® 0 n © MICROAUTOPHAGY M acn> molecules REACTIONS DNA reparace sxoganous O Metabolisn aamagc Damane nuclflar DNA \ unrepaired mnocriofiurnai DNA unrspatracs Palhclociy cancer senesence V^tX/ v prostředí apoptosis healthy cell rats of ONA damage = rate o? rapatr up 1a &oo,aaa DNA modification events per cell per day diseased cell rats of ONA damage > rata of rep^r Nevratné poškození buňky Senescence - Zastavení buňky G1 fázi- nemnozí se - Změna morfologie - důsledek zkrácení telomer, nahromaděných mutací, oxidativního stresu - Ochranná funkce před vznikem rakoviny ©Clinical Tools, lne Cell cycle arrest. Apoptóza Nekróza necrosis Chrním li 11 dumping ÍQ Swollen orjwnelles I'k>i'ťiik-1) ( miUíťln milri:i Vicencio, et al. 2008. Senescence, Apoptosis or Autophagy? Gerontology 54, DisirUĽ(traiÍDii (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Release of im mi 11 ki Li r contents intlininutiiin APOPTOSIS 3íi M'W ctmvdlmioii Quuniatin lompailiiin anil segregation Conilcnsulkm oŕ cytoplasm Nuoli-ar fragmentation íříí®! Apoptot if b( k\ies PliagiieyKists ApiipiiHiĽ ImuJj Phagocytic cdl Nevratné poškození buňky Nekróza- neřízená destrukce buňky - Patologicky proces - - Buňky nejsou schopné udržovat homeostázu (syntéza makromolekul, produkce energie, urdržování membránových gradientů,...) - Nevratné poškození buněčných struktur - Buněčné membrány ztrácejí semipermeabilitu uvolnění reaktivních molekul z organel (mitochondrie, lysozómy) —► „natrávení" buňky zevnitř - Akumulace vody a lyže buňky —► uvolnění obsahu do okolí —► zánět 4- A(pm inactivation of MET complexes tPAPR (DNA injury) 4>NAD(P)H MET + 4-ATP-Syn NOS (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Nevratné poškození buňky Apoptóza - programovaná buněčná smrt - Normální proces obnovy tkáně - Vyžaduje přísun energie - Může být vyvolán toxickým působením látek - Řízená degradace buněčných struktur - Kondenzace chromozómů, fragmentace DNA - Buňka nelyžuje, rozpadá se na drobné části, které jsou bez zánětu fagocytovány Final stage of apoptosis While blood cell Apopiotic cell Phagocytosis Apoptotic body Phagocytic cel U.S. National Library of Medicine poptoza Fenotypické změny: 1. Snížení objemu buňky a jádra 2. Ztráta adheze ke zbytku tkáně 3. Vytvoření vychlípenin z vnějšího povrchu buňky 4. DNA fragmentace: naštípání chromatinu na malé fragmenty 5. Fagocytace zbytků buňky Faktory indukující apoptózu: 1. Vnitřní faktory: abnormaly v DNA 2. Vnější faktory: nízká koncentrace růstových faktorů, expozice cytokinům např. tumor necrosis factor—TNF Apoptotické signální dráhy 1. Vnitřní (mitochondriální) - reakce na vni 2. Vnější - reakce na vnější stimuly (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Intrinsic apoptosis signafc I Pro-apoptotic Bd-2 proteins I Cytochrome o translocation I Apoptosome (Apaf-1/cyt.c) Caspase 9 Caspase 3, 6, 7 Lamin, CAb.aciin, Adhesion mofecules etc Přirozená obranná reakce na poškození Problém při chronickém trvání Inflammatory Pathway Inducers Sensors Mediators Target tissues TNF, IL-1, IL-6 Mast cell Dendritic cell ~n_R CCL2, GXCLB Tissue da ■ nog a Histamine Bradykinin Eicosanoids Macrophage Souhra induktorů, cytokinů/mediátorů, receptoru a cílové tkáně Aktivace senzorů induktory Senzory -např. toll-like receptory (TLR) - Exprimovány „hlídacími" buňkami - např. makrofágy a dendritickými buňkami - Rozeznají typické molekuly patogenů (LPS, flageliny, dsRNA) a molekuly spojené se stresem a poškozením (ATP, HSP, DNA) - Po aktivaci buňky produkují prozánětlivé mediátory (TNFa, IL-1, IL-6) - Aktivace imunitní odpovědi vedoucí k eliminaci prozánětlivého stimulu (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Proces obnovy poškozených tkání Zánět - eliminace nekrotických buněk Kompenzační proliferace - obnova tkáně množením zbylých funkčních buněk, nebo z kmenových buněk - obnovení funkční kapacity tkáně - zafixovaní mutací v proliferujících buňkách (promoční fáze karcinogeneze) Fibróza - po závažném (dlouhodobém) poškození tkáně - funkční tkáň je nahrazována vazivem (ECM) - nevratná ztráta funkční kapacity tkáně (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Fibróza plicní tkáně Vývojová toxicita Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vývojová toxicita- Thalidomid • lék proti nespavosti a nevolnostem v těhotenství (50.-60. léta) • žádné zjevné toxické efekty během tehdejších klinických studií • výsledek: více než 10-20 000 postižených dětí • hlavní efekt: deformované nebo chybějící končetiny; na základě této aféry došlo ke kompletnímu přepracování legislativy pro schvalování nových léků • mechanizmus účinku: - thalidomid má dva enantiomery (R,S) • Enantiomer R- účinná forma s pozitivními účinky • Enantiomer S- teratogen, na úrovni genové exprese inhibuje angiogenezi- tvorbu nových cév, na což jsou zvlášť citlivé vyvíjející se končetiny (paže 40-44. den vývoje, nohy 43-46. den vývoje) - racemizace in vivo (i při podání jen jednoho enantiomeru jsou v séru detekovány oba dva) • indikace v současnosti- léčení lepry, některých typů rakoviny, AIDS (©> Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vývojová toxicita- Diethylstilbestrol (DES) • Syntetický nesteroidní estrogen užívaný jako perorální kontraceptivum, prevence spontánních potratů (40.-70. léta) • DES je prokázaný endokrinní disruptor; nejvážnější postižení vyvolává u dcer matek užívajících DES během těhotenství („DES dcery") - 40x větší pravděpodobnost rozvoje vzácného typu rakoviny děložního čípku a pochvy - potenciálně vyšší pravděpodobnost rozvoje rakoviny prsu - Větší riziko sterility potratů, mimoděložních těhotenství, předčasných • „DES synové"- anomálie ve vývoji pohlavního ústrojí (varlata, nadvarlata); vliv na plodnost neprokázán • Matky užívající DES mají vyšší pravděpodobnost rakoviny prsu • Některé studie ukazují, že důsledky expozice DES jsou "čw/fyr pozorovatelné ještě v další generaci (DES-vnoučata) porodů (©> Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vývojová toxicita Vývojová toxicita Období vývoje - prevratné změny v organizmu —^zvýšená citlivost k působení toxických látek • sled presne regulovaných a synchronizovaných změn exprese genů, diferenciace, apoptózy... • během vývoje - období zvýšené citlivosti ke konkrétním toxickým látkám (thalidomid) i látky jinak netoxické mohou v tomto období vyvolávat významné, často nevratné, změny v organizmu • vývojová toxicita je závislá na dávce účinného faktoru -prahový efekt - mateřský organizmus- ochrana plodu (fyzická bariéra, detoxikace, placentami bariéra) • placentami bariéra- rozhraní oddělující organizmus matky a plodu - většina polárních látek neprojde (živiny jsou přes bariéru transportovány) - nepolární látky procházejí poměrně volně • aktivace látek může probíhat v organizmu matky i potomka Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Vývojová toxicita změny I. typu- trvalé poškození ohrožující život, významné malformace - větší pravděpodobnost resorpce nebo potratu - vyšší procento malformací změny II. typu- dočasný efekt bez ohrožení života, bez malformací - snížená porodní váha - vyšší novorozenecká úmrtnost - Domalejší růst po narození, nižší reprodukční opacita teratogeny- látky způsobující malformaci plodu (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Toxic Windows: Stages of Embryogenesis O 2 '^__p ^ ■ * as n O — u ± '- ? "y U "ÖJ u u u ••otIt Continued Growth C 4— O tu c t , Functional Maturation N " 1 r Histogenesis_> £ I, , Organogenesis , Birth 1 ' '_i -1-1-1-1-1-1-1-1-i-r 1G 20 30 40 50 60 70 80 90 280 Days Expected Incidence of Malformation of Different Organs and Systems 0) .2 50 H ra 4-J 40 H + ts 20 H E £ 10 H rrj Brief Exposure to Teratogen 35% Brain Defects 33% Eye 24% Heart 18% Skeletal 6% Urological 0% late Urogenital 8 10 11 12 13 14 15 16 Days of Gestation in the Rat Vývojová toxicita-příklady faktorů Metabolické vlivy mateřského organizmu > hypertermie > diabetes > nedostatek k. listové Návykové látky: > cigaretový dým > kokain > etanol Vliv prostředí: > rtuť-organická > olovo > pesticidy (atrazin) FETAL ALCOHOL SYNDROME Atrazine (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí mirm ear abnormalities indistinct philüum fincfogn.i1liia epicanthal folate snort palpebral Fissures flaltnldíace andstortrwsc thin uuperlip Léčiva: > léky proti vysokému tlaku (ACE inhibitory) > diethylstilbestrol > thalidomide > antracykliny > retinoidy > steroidy Infekce: > syfilis > toxoplazmóza > herpes > zarděnky