Introduction to toxicology

Toxicology

 * The name from the Greek toxon (arrow) or toxicon (a poisonous substance into which Hecate dipped arrowheads) and logos (science, debate).
 * It uses the knowledge of biological sciences (molecular biology, genetics, botany, zoology, microbiology, medical sciences) and chemical sciences (analytical, inorganic, organic chemistry, biochemistry).
 * It is not just the sum of knowledge about poisons and their effects.
 * It deals with the interaction of chemicals and living organism.
 * Most substances undergo transformations after they enter the organism - biotransformations.
 * Toxicology has a descriptive, experimental and theoretical side.
 * Toxicology is related to pharmacology, which studies the beneficial and adverse effects of drugs.

Definition of poison

 * Paracelsus (1492-1541): All compounds are poisons. There's no compound that isn't poison. The difference between the drug and the poison is the dose.
 * Riedel, Vondracek (1954): By poison, we understand a substance that enters the body in small amounts (several micrograms to tens of grams), produces morbid changes that can also lead to the demise of the organism.
 * Merhold (1962): Poison is a substance that damages the body in small doses. The line between a small and a large dose is not precisely determined.


 * Dose - the amount of substance that reaches the body is absorbed.
 * So we consider poisons only those substances that are capable of producing an adverse effect - poisoning already in small doses.
 * Antidote - a substance that reverses the effect of the poison on the body.

Basic terms
Toxicity - the ability of a substance to harm a living organism. It depends on the physico-chemical properties of the substance, the way the substance enters the body, the metabolism of the substance, the frequency of administration, the dose, etc.

Xenobiotics - an extraneous substance alien to the organism or environment is not a product or intermediate in physiological metabolism.

Poison - toxic substance. Whether the substance is poison depends on the dose and conditions of action. The poison results in a toxic effect on the living organism.

Ecotoxicity - a property of a substance that has an immediate or delayed adverse effect on the environment by being bioaccumulated or acting toxically on biotic systems. Bioaccumulation represents an increase in the concentration of foreign substances in tissues of organisms due to exposure from the environment or food intake.

Polutant - a substance contaminating, polluting environments, especially as a product of human activity.

Contaminant - a substance whose presence causes deviation from the natural composition of the surrounding environment. A contaminant is not classified as a polutant unless it damages its surroundings.

Hazardous to the environment - a substance that is capable of producing a toxic effect in the environment. It can be dangerous already in small concentrations, resistant to various forms of decay. It accumulates in both abiotic and biotic components of the environment.

Environmentally persistent substance - is characterised by the duration of the substance in the environment. It is expressed using half-life (T1/2), the time at which the concentration of the substance falls to half its original value.

Bioindicator - organism (microorganism, protozoa, fungus, plant, lower or higher animal) used to assess the toxicity of substances or the action of external conditions.

Biotest - a process in which the test system (organism, population) is exposed to different concentrations of the test substance under well-defined conditions.

PEC (Predicted Environmental Concentration) - predicted concentration of the substance in the environment.

PNEC (Predicted No Effect Concentration) - the highest predicted concentration of a substance with no harmful effects.

PEC/PNEC < 1.0 - the risk from the presence of the substance in the environment is low.

Risk - the likelihood of its toxicity occurring with a defined exposure to a substance. The size of the risk takes values from 0 to 1.0.

Zero risk means there will never be any damage to the organism.

Risk = 1.0 means that damage to the organism will occur in all cases.

The risk assessment shall include:


 * an evaluation of the hazards of the substance;
 * an evaluation of the relationship between the dose of the substance and the biological response;
 * evaluated exposures;
 * risk characterization.

Risk management - risks can not only be estimated but also managed, thus limiting their impact on the environment (e.g. avoiding or limiting contact with a toxic substance - use of protective equipment for humans, decontamination of the environment, rapid dissemination of accurate risk reports).

WHO World Health Organisation – Světová zdravotnická organizace

EPA Environmental Protection Agency – Úřad pro ochranu životního prostředí v USA

'''Expozice působení – proces, při kterém organismus přichází do styku s látkou a při kterém lze předpokládat vstup látky do organismu.

Účinek – je odpovědí organismu na expozici látkou. Toxické účinky závisí na koncentraci a dávce látky, způsobu kontaktu s organismem, na metabolitech látky, na místě účinku.

Účinek akutní – bezprostřední po jednorázové dávce toxické látky

Účinek chronický – po dlouhodobém styku s látkou

LD50 – letální dávka, při níž uhyne 50 % sledovaných jedinců. Látka je tím toxičtější, čím je nižší její číselná hodnota. Uvádí se druh testovaného zvířete (myš, potkan, pes) a způsob podání látky (zažívacím, dýchacím ústrojím, na kůži apod.).

ED – efektivní dávka, udává, jaké procento jedinců testovaného souboru reaguje po expozici testovanou látkou.

ED50 – efektivní dávka, při které reaguje 50 % jedinců souboru

ED0 – efektivní dávka, při které nereaguje žádný jedinec testovaného souboru

Dělení toxických látek podle mechanismu působení

 * Přímý toxický – xenobiotikum působí přímo na orgán (játra, ledviny, plíce), tkáň, buňky, které poškozuje. Např. kyselina šťavelová krystalizuje v podobě šťavelanu vápenatého v tubulech ledvin. Silné kyseliny a zásady poškozují ty části organismů se kterými přišly do styku. Lipofilní látky (alkany, ethery) mohou reverzibilně narušit buněčnou membránu např. nervových buněk.
 * Orgánová toxicita – xenobiotikum působí na určitý orgán. Dochází k poškození až odumření buněk určitého orgánu:
 * játra – poškození hepatotoxické;
 * ledviny – poškození nefrotoxické;
 * plíce – poškození pneumotoxické;
 * nervová soustava – poškození neurotoxické.
 * Mutagenní účinek – působení xenobiotika na změnu struktury některé báze nukleové kyseliny (DNA a RNA). DNA uchovává genetickou informaci organismu, je tvořena dvojitými šroubovicemi – helixy. Báze, adenin – thymin a guanin – cytosin jsou k sobě poutány vodíkovými můstky. Porušení chemického složení a tím struktury DNA způsobují oxidační látky nebo alkylační činidla. Při alkylaci jednotlivých bází DNA jde o tvorbu methylderivátu stejné báze. Dochází ke změně kódované nebo přenášené genetické informace. Při mutaci jde také o změnu sekvence bází na DNA, jde o změnu pořadí nukleosidů v nukleových kyselinách. Mutace je změna genetické informace, která vede ke změně vlastností následující generace.
 * Karcinogenní účinky – změny v buňce vedou ke zhoubnému bujení tkáně, vzniká tumor (nádor). Změny jsou vyvolány:
 * poškozením opravných mechanismů schopných opravit nebo nahradit poškozenou DNA;
 * jinými mechanismy působením chemické látky, která může s vysokou pravděpodobností vyvolat vznik zhoubných nádorů.
 * Teratogenní účinky – poškození plodu (embrya), které vede ke tvorbě defektního jedince, který je životaschopný.
 * Imunotoxické účinky – reakce imunitního systému na vstup látky do organismu. Je-li látka rozpoznána jako cizí, vyvolá v imunitním systému tvorbu protilátky. Imunitní odpovědí jsou různé reakce organismu od kožního podráždění, kopřivky, dýchacích potíží až po anafylaktický šok. Xenobiotika imunitní proces buď potlačí (imunosupresi vyvolává např. benzen, polycyklické aromáty, PCB, ozon), nebo zvýší (alergická reakce). Alergická reakce je vyvolána, pokud dojde k opětovné expozici organismu cizorodou látkou. S cizorodou látkou reagují již vytvořené protilátky.

Související články

 * Kontaminace kovy
 * Průmyslové látky
 * Ekotoxikologie