Tài liệu Giáo trình độc chất học đại cương chương 1

1 PHẦN A: ĐỘC CHẤT HỌC ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG I MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐỘC CHẤT HỌC Nội dung chương 1 nhằm giới thiệu một số khái niệm cơ bản trong độc chất học như: Độc chất học, chất độc, độc tính, độc lực, ngộ độc, các nguồn gây độc, cách phân loại chất độc, phân loại ngộ độc... Các kiến thức về các quá trình động học, cơ chế gây ngộ độc và các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng của chất độc cũng được đề cập đến trong chương này. 1. Một số kháI niệm 1.1. Độc chất học a. Định nghĩa và đối tượng của độc chất học Độc chất học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các chất độc, bao gồm việc phát hiện ra các chất độc, đặc tính lý hoá học của chúng và những ảnh hưởng sinh học cũng như biện pháp xử lý những hậu quả do chúng gây ra. Độc chất học - toxicology có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp: toxikon - chất độc, logos - khoa học. Từ xa xưa, đối tượng của độc chất học chỉ là một số ít chất độc được sử dụng để đầu độc người và súc vật. Ngày nay, độc chất học hiện đại nghiên cứu tính chất lý hóa của các chất độc có nguồn gốc thực vật, khoáng và tổng hợp, cơ chế gây độc, mối tương tác giữa chất độc và cơ thể. Độc chất học Thú y là môn khoa học nghiên cứu về các chất độc và tác động của chúng đối với cơ thể động vật. Độc chất học thú y là một phần đặc biệt của độc chất học, là môn học thực nghiệm lâm sàng. Đối tượng của môn học là nghiên cứu về tính chất, tác dụng, ý nghĩa của chất độc, nguyên nhân gây ngộ độc, sinh bệnh học, triệu chứng, chẩn đoán và điều trị ngộ độc. b. Sự liên quan của độc chất học thú y với các môn học khác Là môn học thực nghiệm lâm sàng, độc chất học thú y có liên quan đến hàng loạt các môn học: - Môn hóa học và dược lý học cung cấp những hiểu biết cơ bản về tính chất hóa học, động học, cơ chế tác dụng của các chất độc có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ. - Môn thực vật, vi sinh vật và động vật giúp nghiên cứu các độc tố thực vật, động vật, nấm và côn trùng. Độc chất học đặc biệt có quan hệ gần gũi với các môn học: - Sinh lý bệnh: nghiên cứu về sinh bệnh học, về tiến triển của bệnh do ngộ độc. - Hoá sinh: cơ thể bị ngộ độc gây ra nhiều biến đổi các chỉ tiêu hóa học, hàm lượng và chất lượng men, hàm lượng các hormon giữ vai trò quan trọng trong trao đổi chất. Xác định những biến đổi này bằng các phương pháp nghiên cứu hoá sinh là rất cần thiết để phân tích tiến triển của quá trình ngộ độc. 1 2 - Bệnh lý học: cung cấp phương pháp mổ khám và phân tích các bệnh tích đại thể, vi thể giúp chẩn đoán ngộ độc. - Dịch tễ học: giúp phân biệt bệnh do ngộ độc với các bệnh truyền nhiễm, ký sinh trùng. - Vệ sinh thú y và thức ăn gia súc liên quan đến phương pháp phòng ngộ độc. c. Các lĩnh vực nghiên cứu của độc chất học Các lĩnh vực nghiên cứu của độc chất học liên quan đến nhân y và thú y gồm: - Độc chất học mô tả: Đánh giá nguy cơ do phơi nhiễm với chất độc hoặc môi trường thông qua các kết quả thu được từ các xét nghiệm độc tính. - Độc chất học cơ chế: Giải thích cơ chế gây độc, từ đó có thể dự đoán nguy cơ và cơ sở khoa học để điều trị ngộ độc. - Độc chất học lâm sàng: Nghiên cứu các bệnh do ngộ độc, nhiễm độc, cách chẩn đoán và điều trị ngộ độc, nhiễm độc. - Độc chất học phân tích: Nghiên cứu các phương pháp phát hiện và thử nghiệm chất độc và các chất chuyển hoá của chúng trong vật phẩm sinh học và môi trường. Đây là một ngành của hoá phân tích. - Độc chất học môi trường: Nghiên cứu sự chuyển vận của chất độc và các chất chuyển hoá của chúng trong môi trường, trong chuỗi thực phẩm và tác dụng độc của các chất này trên cá thể và trên quần thể. - Độc chất học công nghiệp: Nghiên cứu về ảnh hưởng độc hại của môi trường lao động công nghiệp đối với người và súc vật. - Độc chất học pháp y: Các xét nghiệm độc chất và khám lâm sàng các trường hợp ngộ độc, nhiễm độc mang tính pháp lý. 1.2. Chất độc a. Khái niệm chất độc Chất độc (poison) là những chất vô cơ hay hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên hay do tổng hợp, khi nhiễm vào cơ thể và đạt đến nồng độ nhất định có thể gây hiệu quả dộc hại cho cơ thể sống. Gary D. Osweiler lại đưa ra định nghĩa về chất độc như sau: chất độc là những chất rắn, lỏng hoặc khí, khi nhiễm vào cơ thể theo đừơng uống hoặc các đường khác sẽ gây ảnh hưởng đến các quá trình sống của các tế bào của các cơ quan, tổ chức. Các tác động này phụ thuộc vào bản chất và độc lực của các chất độc. Khái niệm khác của chất độc là độc tố (toxin) được dùng để chỉ các chất độc được sản sinh (có nguồn gốc) từ các quá trình sinh học của cơ thể và được gọi là độc tố sinh học (biotoxin). Trong quá trình nghiên cứu về chất độc cần lưu ý một số điểm sau: - Chất độc là một khái niệm mang tính định lượng. Mọi chất đều độc ở một liều nào đó và cũng vô hại với liều rất thấp. Giới hạn giữa 2 liều đó là phạm vi các tác dụng sinh học. Theo Paracelsus (1493 - 1541): “tất cả mọi chất đều là chất độc, không có chất nào không phải là chất độc. Liều lượng thích hợp sẽ phân biệt được một chất độc và một thuốc”. Aspinrin (acid acetyl salicylic) là thuốc hạ sốt chống viêm được dùng trong điều trị từ nhiều 2 3 năm nay, nhưng có thể gây chết người với liều 0,2 - 0,5 g/Kg. Sắt, đồng, magne, kẽm là những nguyên tố vi lượng cần thiết trong thành phần thức ăn chăn nuôi, nhưng nếu quá liều thì có thể gây ngộ độc. - Về mặt sinh học, một chất có thể độc với loài này nhưng lại không độc với loài khác. Carbon tetraclorid gây độc mạnh cho gan trên nhiều loài, nhưng ít hại hơn đối với gà. Một số loài thỏ có thể ăn lá cà độc dược có chứa belladon. - Một chất có thể không độc khi dùng một mình, nhưng lại rất độc khi dùng phối hợp với chất khác. Piperonyl butoxid rất ít độc với loài có vú và côn trùng khi dùng một mình, nhưng có thể làm tăng độc tính rất mạnh của các chất dùng cùng do nó có tác dụng ức chế các enzym chuyển hoá chất lạ (xenobiotic - metabolizing enzymes) của cơ thể. - Độc tính của một chất độc có thể thay đổi khi xâm nhập vào cơ thể qua các đường khác nhau như: qua đường uống, đường hô hấp, qua da, qua đường tiêm... b. Khái niệm độc tính và độc lực - Khái niệm độc tính: được dùng để miêu tả tính chất gây độc của chất độc đối với cơ thể sống. - Khái niệm độc lực: là lượng chất độc trong những điều kiện nhất định gây ảnh hưởng độc hại hoặc những biến đổi sinh học có hại cho cơ thể. Khi nghiên cứu về độc lực, cần quan tâm đến mối quan hệ giữa liều lượng chất gây độc và đáp ứng của cơ thể bị ngộ độc. Theo quy định quốc tế, liều lượng của chất độc được tính bằng milligram (mg) chất độc/1kg khối lượng cơ thể gây ảnh hưởng sinh học nhất định. ở một số loài động vật hoang dã hoặc loài cá, độc lực được thể hiện bằng nồng độ các chất độc trong thức ăn động vật hoặc nước. Nồng độ gây tử vong (LC - Lethal Concentration) là nồng độ chất độc thấp nhất trong 1 kg thức ăn chăn nuôi hoặc trong 1 lít nước (đối với cá) gây chết động vật. Độc lực trong ngộ độc cấp tính được tính theo LC50 nồng độ gây chết 50% động vật. * Một số khái niệm về liều lượng được sử dụng để xác định độc lực của chất độc: - ED50 (Effective Dose): liều có tác dụng với 50% động vật thí nghiệm. - Liều tối đa không gây độc (HNTP - Highest Nontoxic Dose): là liều lượng lớn nhất của thuốc hoặc chất độc không gây những biến đổi bệnh lý cho cơ thể. - Liều thấp nhất có thể gây độc (TDL - Toxic Dose Low): Khi cho gấp đôi liều này sẽ không gây chết động vật. - Liều gây độc (TDH - Toxic Dose High): là liều lượng sẽ tạo ra những biến đổi bệnh lý. Khi cho gấp đôi liều này sẽ gây chết động vật. - Liều chết (LD - Lethal Dose): là liều lượng thấp nhất gây chết động vật. LD có các tỷ lệ khác nhau như: LD1- liều gây chết 1% động vật; LD50: liều gây chết 50% động vật; LD100: liều gây chết 100% động vật. * Độ an toàn của thuốc: được xác định dựa trên các chỉ số: - Chỉ số điều trị (TI - Therapeutic Index): là tỷ số giữa LD50 và ED50. LD50 TI = ED50 3 4 - Tiêu chuẩn an toàn (SSM- Standart Safety Margin) là tỷ số giữa LD1 và ED99: LD1 SSM = ED99 c. Phân loại chất độc Chất độc có thể được phân loại theo nhiều cách: theo nguồn gốc, bản chất lý hoá của chất độc, phương pháp phân tích chất độc, độc lực, tác động của chất độc trên các hệ cơ quan của cơ thể và nguồn lây nhiễm chất độc. * Phân loại theo nguồn gốc chất độc: - Chất độc có nguồn gốc thiên nhiên: động vật, thực vật, vi sinh vật. - Chất độc có nguồn gốc tổng hợp, bán tổng hợp. * Phân loại theo bản chất lý hoá của chất độc: - Các chất độc ở dạng khí, lỏng, chất rắn. - Các chất độc vô cơ: kim loại, á kim, axit, bazơ. - Các hợp chất hữu cơ: các hợp chất chứa carbon, các loại thuốc trừ sâu, aldehyd, các axit hữu cơ, các ester, các hợp chất chứa nitơ, các hợp chất chứa lưu huỳnh, các alcaloid, glycosid. * Phân loại theo phương pháp phân tích chất độc: theo Stas-Otto - Chất độc hoà tan trong nước hay các dung dịch axit, kiềm. - Chất độc hoà tan trong ether. - Chất độc có thể chiết tách được trong các dung môi hữu cơ. * Phân loại chất độc theo độc lực Bảng 1.1. Phân loại chất độc theo độc lực Phân loại Độc lực (LD50) Rất độc (extremely toxic) < 1mg/kg Độc lực cao (highly toxic) 1 - 50 mg/kg Độc lực trung bình (moderately toxic) 50-500 mg/kg Độc lực thấp (slightly toxic) 0,5 - 5 g/kg Không gây độc (practically nontoxic ) 5 - 15g/kg Không có hại (relatively harmless) >15g/kg * Phân loại theo tác động của chất độc trên các hệ cơ quan của cơ thể: - Các chất độc tác động trên hệ thần kinh: cafein, strychnin, cyanid, chì, hexachlorophen, thuốc trừ sâu clo hữu cơ... - Các chất độc tác động trên hệ tiêu hoá: asen, selen, canxi clorua, sulfat đồng, muối thủy ngân vô cơ... 4 5 - Các chất độc tác động trên gan, mật: tetraclorua carbon, phenol, aflatoxin, fumonisin, acetaminophen, toluen, đồng... - Các chất độc tác động trên thận: thuốc kháng sinh nhóm aminoglycosid, oxytetracyclin, sulfonamid, kim loại nặng, ochratoxin... - Các chất độc tác động trên hệ hô hấp: carbon monoxid, kim loại nặng, carbon dioxid, formaldehyd, thuốc trừ sâu phospho hữu cơ, fumonisin... - Các chất độc tác động trên hệ tim, mạch: digitalis, digitoxin, cafein, cocain, monesin, amphetamin... - Các chất độc tác động trên hệ máu: aspirin, benzen, chloramphenicol, chlorpromazin, estrogen, phenylbutazol, T2 mycotoxin (đây là các chất gây thiếu máu). - Các chất độc tác động trên hệ sinh sản: testosteron, zearalenon, dicoumarol, corticosteroid, fumonisin, chì, cadmi, selen... - Các chất độc tác động trên da: acid, base, formaldehyd, iodin, muối thủy ngân, phenol, các chất nhạy cảm quang học... * Phân loại theo tác dụng đặc biệt của chất độc: - Chất độc gây ung thư: + Các chất độc có nguồn gốc thiên nhiên: aflatoxin B1, alcaloid pyrolizidin, aquilid A trong cây dương xỉ, alcanylbenzen trong cây de vàng. + Hợp chất ung thư hình thành khi chế biến thực phẩm: nitrosamin, các chất hydratcarbon đa vòng thơm, các amin dị vòng. + Một số thuốc thú y: diethylstibestrol (DES). - Chất độc gây đột biến: Hầu hết các chất gây ung thư đều có tác dụng gây đột biến. - Chất độc gây quái thai: các hợp chất este phospho hữu cơ, thuốc trừ sâu loại carbamat, thuốc diệt nấm chứa thủy ngân, cloramphenicol. * Phân loại theo nguồn gây độc: - Các chất gây ô nhiễm không khí, nước và thực phẩm - Các chất phụ gia trong thực phẩm - Các hoá chất trong công nghiệp và các dung môi. - Thuốc bảo vệ thực vật, thuốc thú y. - Các nguồn khác. d. Các nguồn chất độc Con người và động vật có thể bị ngộ độc bởi rất nhiều chất độc đến từ nhiều nguồn trong cuộc sống. * Các chất gây ô nhiễm không khí, nước và thực phẩm - Bản chất các chất gây ô nhiễm không khí, nước, thực phẩm và nguồn gây ô nhiễm thường liên quan đến vùng địa dư. - Nguồn chính gây ô nhiễm không khí là do các phương tiện giao thông, các quá trình công nghiệp, các loại nhà máy điện. Các chất gây ô nhiễm không khí thường gặp là: CO, các oxit nitơ, các oxit lưu huỳnh, các hydro carbon. 5 6 - Nước thường bị ô nhiễm bởi các hoá chất, các chất hữu cơ từ cống rãnh, từ nước thải của các nhà máy, từ ruộng đồng có dùng hoá chất bảo vệ thực vật... - Các chất gây ô nhiễm lương thực thực phẩm, thức ăn chăn nuôi có thể tồn tại trong thực phẩm ở dạng thô, dạng đã nấu chín hoặc đã qua chế biến. Có nhiều loại độc: độc tố của vi khuẩn (như ngoại độc tố của Clostridium botulinum), độc tố của nấm (aflatoxin của aspergilus), độc tố của động vật, alcaloid của cây, các tồn dư của thuốc trừ sâu... * Các chất phụ gia trong thực phẩm, thức ăn chăn nuôi Các chất phụ gia được cho vào thực phẩm, thức ăn chăn nuôi với nhiều lý do khác nhau: để bảo quản (kháng khuẩn, kháng nấm hoặc chống oxy hoá); để thay đổi tính chất vật lý, nhất là trong quá trình chế biến; để thay đổi hương vị, thay đổi màu hoặc mùi. Nói chung, các chất này đều an toàn và không có độc tính trường diễn. Tuy nhiên, hiện nay đã có tới hàng trăm, thậm trí hàng nghìn chất phụ gia được sử dụng trên toàn thế giới, và rất nhiều chất trong số đó còn chưa có các biện pháp thích hợp để phát hiện và đánh giá. Ngoài ra còn chưa biết được các tác dụng tương hỗ (tương tác) giữa những chất này hoặc giữa chúng với thực phẩm, thức ăn chăn nuôi. * Các hoá chất trong công nghiệp và các dung môi Trong công nghiệp, rất nhiều hoá chất được sử dụng và chúng tồn tại ở môi trường làm việc với nồng độ cao, có thể gây độc. Bao gồm: - Các chất vô cơ: các kim loại chì, đồng, thuỷ ngân, kẽm, cadmi, khí carbon monoxyd, fluoride. - Các chất hữu cơ: Hydrocarbon mạch thẳng (hexan) hydrocarbon mạch vòng (benzen, toluen, xylen), hydro carbon gắn halogen (dicloromethan, tricloroethylen), cồn (methanol, ethylenglycol), các dẫn xuất nitro (nitrobenzen). Các dung môi thường gặp ở môi trường công nghiệp, trong nghiên cứu và trong cuộc sống hàng ngày. Ngoài tác dụng tại chỗ trên da (tẩy mỡ, kích ứng), nhiều chất gây dộc toàn thân (hệ thần kinh trung ương, tạo máu). Các dung môi thường gặp là: - Hydrocarbon mạch thẳng: hexan... -Hydrocarbon mạch thẳng có halogen: methylen diclorid, cloroform, carbon tetraclorid... - Rượu mạch thẳng: methanol, ethanol... - Hydrocarbon mạch vòng thơm: benzen, toluen... * Hóa chất bảo vệ thực vật Hóa chất bảo vệ thực vật bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ bệnh...Các chất này tuy có độc tính chọn lọc trên cỏ hoặc côn trùng nhưng khi sử dụng vẫn gây ô nhiễm không khí, đất, nước...và từ đó có thể gây độc cho người và súc vật. * Thuốc thú y dùng điều trị gia súc gia cầm Thuốc thú y, nhất là các thuốc có độc tính cao nếu dùng không đúng, quá liều, không đúng chỉ định, sự tương tác giữa các thuốc khi dùng phối hợp… có thể gây ngộ độc thuốc thú y ở vật nuôi. e. Sự vận chuyển của chất độc trong môi trường Các chất hoá học như hoá chất bảo vệ thực vật, các khí thải công nghiệp được giải phóng ra môi trường hiếm khi được lưu lại tại chỗ hoặc giữ nguyên dạng. Nhiều hoá chất sau 6 7 đó bị phân giải bởi vi khuẩn và nấm rồi nhanh chóng bị khử độc, thường bị cắt vụn thành hợp chất có thể nhập vào chu trình carbon, nitơ và oxy. Các chất khác đặc biệt là hữu cơ chứa halogen, là những chất ít nhiều không bị chuyển hoá bởi vi khuẩn và tồn tại trong đất như chất ô nhiễm, lại nhập vào các cây lương thực - thực phẩm... ví dụ DDT và chất chuyển hoá chính của nó DDE có thể tồn tại nhiều năm sau khi đã ngừng phun DDT. - Các chất độc dễ tan trong mỡ sẽ dễ bị cơ thể hấp thu khi phơi nhiễm trong không khí, đất, nước và dần dần được tích luỹ cho đến khi đạt nồng độ gây độc. Sự tích lũy hóa chất bảo vệ thực vật trong chuỗi sinh học thực phẩm được thể hiện như sau: * Hóa chất bảo vệ thực vật tích lũy trong đất: Động vật không xương sống ở đất không xương sống ăn mồi Động vật có xương sống ở đất chim/loài có vú ăn mồi Dư phẩm trong đất Cây mọc từ đất Động vật ăn cỏ người * Hóa chất bảo vệ thực vật tích lũy trong nước: Dư phẩm trong nước sinh vật nổi chim ăn cá, người và động vật. rận nước và lớp giáp xác cá 1.3. Ngộ độc a. Khái niệm ngộ độc Ngộ độc là trạng thái rối loạn những hoạt động sinh lý bình thường của cơ thể do chất độc gây ra. Chất độc ức chế một số phản ứng sinh hoá học, ức chế chức năng của enzym. Từ đó chất độc có thể ức chế hoặc kích thích quá độ lượng các hormon, hệ thần kinh hoặc các chức phận khác của tế bào làm cho cơ thể có những triệu chứng, phản ứng khác thường. b. Phân loại ngộ độc Có nhiều cách phân loại ngộ độc. Trong thú y chủ yếu phân loại theo thời gian xảy ra ngộ độc. Tuỳ thuộc vào từng chất và phản ứng của cơ thể, tác dụng gây độc thường xuất hiện rất sớm. Tuy nhiên, có chất gây tác dụng chậm (chloaramphenicol gây thiếu máu suy tuỷ sau khi đã ngừng dùng thuốc hàng tuần), hoặc rất chậm, 20 - 30 năm sau khi tiếp xúc với hoá chất độc mới thấy xuất hiện ung thư. * Ngộ độc cấp tính: Ngộ độc tính cấp tính là những biểu hiện ngộ độc xẩy ra rất sớm sau một hoặc vài lần cơ thể tiếp xúc với chất độc. Tùy thuộc vào chất gây độc, đường xâm nhiễm chất độc, biểu hiện ngộ độc có thể xảy ra 1- 2 phút hoặc 30 phút đến 60 phút sau khi cơ thể hấp thu chất độc và thường là dưới 24 giờ. Đa số trường hợp ngộ độc cấp tính chuyển sang dạng á cấp tính hoặc mạn tính. * Ngộ độc bán cấp (á cấp tính) Xảy ra sau nhiều ngày, có khi sau 1- 2 tuần. Sau khi điều trị, khỏi nhanh nhưng thường để lại những di chứng thứ cấp với những biểu hiện nặng nề hơn. Ví dụ ngộ độc oxit carbon. Ngộ độc á cấp tính có khi chuyển sang thành dạng mạn tính. * Ngộ độc mạn tính Ngộ độc mạn tính chỉ xuất hiện sau nhiều lần phơi nhiễm với độc chất, có khi là hàng tháng, hàng năm. Vì vậy, những biểu hiện của nhiễm độc thường là những thay đổi 7 8 rất sâu sắc về cấu trúc và chức phận của tế bào, khó điều trị. Ví dụ: tác dụng gây ung thư, gây đột biến gen, gây quái thai, gây độc cho gan, thận, hệ thần kinh dẫn đến suy giảm chức năng không hồi phục. Ngộ độc mạn tính cũng có thể trở thành cấp tính trong những điều kiện nhất định (ngộ độc chì). Cùng một chất lại có thể biểu hiện tác dụng độc khác nhau tuỳ theo nhiễm độc cấp hoặc mạn: nhiều hydrocarbon gắn clor khi nhiễm độc cấp (liều cao) thì gây độc trên thần kinh trung ương, nhưng khi nhiễm độc mạn (liều thấp trong thời gian dài) thì lại có biểu hiện gây ung thư (gan), rất ít tác dụng độc trên thần kinh. * Tác dụng tiềm ẩn: là loại phản ứng không được thể hiện trong nhiều ngày, tháng hay thậm chí hàng năm (ví dụ như tác dụng gây ung thư và gây độc thần kinh của một số chất hữu cơ). Tác dụng tiềm ẩn thường xẩy ra sau khi ngừng phơi nhiễm với chất độc một thời gian dài. 2. động học của chất độc Động học của chất độc (toxicokinetics) chuyên nghiên cứu các quá trình chuyển vận của chất độc (nói chung là các chất lạ-xenobiotics) từ lúc được hấp thu vào cơ thể cho đến khi bị thải trừ hoàn toàn. Các quá trình đó là: Sự hấp thu (Absorption); Sự phân bố (Distribution); Sự chuyển hóa (Metabolism); Sự thải trừ (Excretion, Elimination). 2.1. Sự xâm nhập của chất độc Các chất độc trước khi nhập vào cơ thể, phải vượt qua nhiều “hàng rào” bảo vệ của cơ thể (da, niêm mạc, các mô,...), vì vậy sự xâm nhập của chất độc phụ thuộc một phần vào bản chất các hàng rào và một phần vào chính các đặc điểm phân tử của chất độc (độ lớn phân tử, tính hoà tan trong mỡ/nước, pH, mức độ ion hoá,...). a. Chất độc xâm nhập qua màng sinh học * Cấu tạo màng sinh học Các màng sinh học có vai trò làm hàng rào, ngăn cản sự hấp thu các chất độc. Da, niêm mạc đường tiêu hoá, niêm mạc đường hô hấp đều là những hàng rào, khác nhau về độ dày mỏng, nhưng đều có tính chất chung cơ bản sau: - Là những lá mỏng, bản chất là lipoprotein được tạo bởi 2 hàng phân tử chủ yếu là phospholipid và cholesterol mà những cực kỵ nước quay ra 2 phía và được tạo bởi protein. Các cực kỵ nước giữ cho cấu trúc liporotein của màng được toàn vẹn. - Tỷ lệ lipid: protein thay đổi từ 5:1 cho màng myelin đến 1:5 cho cấu trúc bên trong của ty thể. Tỷ lệ này rất ảnh hưởng đến sự xâm nhập của chất độc. Giữa các màng này có các ống dẫn, đường kính thay đổi từ 4Å0 (màng tế bào mao mạch não) đến 45Å0 (màng cầu thận), có thể cho qua các phân tử nhỏ không tan trong lipid, trọng lượng phân tử từ 100 - 200 dalton. Các chất độc không ion hoá dễ khuếch tán qua màng sinh học hơn các chất ion hoá. Các acaloid như strychnin bị ion hoá mạnh ở môi trường acid của dạ dày (súc vật ăn thịt, ăn tạp) nên không biểu hiện tác dụng độc, nhưng khi vào đến môi trường kiềm của ruột, strychnin không bị ion hoá, được hấp thu và gây độc. Số lượng dạng ion hoá và không ion hoá phụ thuộc vào pKa của chất độc và pH của môi trường. pKa là logarit âm của hằng số phân ly acid. Theo phương trình Henderson - Hasselbach: Đối với 1 acid yếu: Dạng không ion hoá Log = pKa - pH Dạng ion hoá 8 9 Đối với 1 base yếu: Dạng ion hoá Log = pKa - pH Dạng không ion hoá Tuy nhiên, còn có những ngoại lệ như pralidoxim (2 - PAM), paraquat, diquat lại vẫn được hấp thu nhiều dưới dạng ion. Thông số thứ 2 có ảnh hưởng đến sự xâm nhập của chất độc vào cơ thể là hệ số phân tán (partition coeffcient) được đo bằng nồng độ chất độc trong pha lipid/nồng độ chất độc trong pha nước. Như vậy, chất độc có hệ số phân tán cao dễ tan trong lipid, có tính ưa mỡ (lipophilịcity) cao và dễ xâm nhập vào cơ thể hơn. * Chất độc xâm nhập qua màng sinh học Chất độc có thể xâm nhập qua màng sinh học bằng các phương thức sau: - Phương thức lọc: Những chất có trọng lượng phân tử thấp (100 – 200 dalton) tan được trong nước nhưng không tan được trong mỡ sẽ qua được các lỗ lọc trên màng tế bào (d = 4 - 45A0) do sự chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh. Đa số các chất độc có trọng lượng phân tử cao nên vận chuyển theo đường này không nhiều. - Phương thức khuếch tán thụ động: Cách vận chuyển này chiếm ưu thế đối với phần lớn các chất độc. Các chất ít bị ion hoá và có nồng độ cao ở bề mặt màng dễ khuếch tán qua màng. Sự khuếch tán của chất độc là acid và base yếu phụ thuộc vào hằng số phân ly pKa của chất độc và pH của môi trường. Ví dụ phenobarbital là một acid yếu có pKa = 7,2; nước tiểu bình thường có pH cũng bằng 7,2 nên phenobarbital bị ion hoá 50%. Khi nâng pH của nước tiểu lên 8, độ ion hoá của thuốc sẽ là 86%, do đó thuốc không thấm được vào tế bào. Vì vậy, trong điều trị nhiễm độc phenobarbital: truyền dung dịch NaHCO3 1,4% để kiềm hoá nước tiểu, đề tăng thải trừ thuốc Đối với chất độc dạng khí, hơi (ví dụ thuốc mê bay hơi), sự khuếch tán từ không khí phế nang vào máu phụ thuộc vào áp lực riêng phần của chất khí gây mê có trong không khí thở vào và độ hoà tan của khí mê trong máu. - Vận chuyển tích cực: Chất độc được chuyển từ bên này sang bên kia màng sinh học nhờ chất vận chuyển (carrier) đặc hiệu có sẵn trong màng sinh học. Nếu chất độc có cấu trúc hoá học tương tự chất nội sinh thì nó sẽ sử dụng chung carrier. Ví dụ: 5 - fluorouracil được vận chuyển bởi hệ vận chuyển pyrimidin, chì được vận chuyển bởi hệ vận chuyển calci. Cơ chế này còn cho phép vận chuyển cả những chất ít tan trong lipid. b. Cách chất độc xâm nhập vào cơ thể Cách chất độc xâm nhập vào cơ thể gọi là đường phơi nhiễm hay đường hấp thu chất độc Chất độc có thể xâm nhập vào cơ thể qua 3 đường cơ bản: qua da, qua đường tiêu hoá và qua đường hô hấp. Đây là những đường hấp thu tự nhiên khi cơ thể tiếp xúc với môi trường. Súc vật có thể bị ngộ độc thuốc thú y theo các đường khác như tiêm, thụt trực tràng. * Chất độc xâm nhập qua da Da là một mô phức tạp, nhiều lớp, chiếm khoảng 10% trọng lượng cơ thể. Da hầu như không thấm với phần lớn các ion và dung dịch nước, tuy nhiên lại thấm với nhiều chất độc ở pha rắn, lỏng hoặc khí. Tuỳ theo từng vùng, lớp biểu bì có độ dầy khác nhau. Chỗ dầy thì nhiều keratin hơn, lớp này tạo nên hàng rào của biểu bì, nhưng đồng thời cũng là nơi dự trữ chất độc. Một số dung môi hữu cơ gây tổn hại lớp lipid (aceton, methanol, ether) sẽ làm tăng tính thấm của da. 9 10 Các chất không gây tổn hại lớp lipid (ether có chuỗi dài, dầu olive) làm giảm tính thấm. Da cũng chứa các enzym chuyển hoá thuốc, chất độc. Hoạt tính chuyển hoá của toàn bộ da bằng khoảng 2 - 6% của gan. * Chất độc xâm nhập qua đường tiêu hoá Là đường chủ yếu hấp thu các chất độc với một số đặc điểm sau: - Có thể hấp thu một lượng lớn chất độc - Bị chuyển hoá một phần khi qua gan lần thứ nhất. - Có pH thay đổi từ acid (1 - 3 ở dạ dày ), tăng dần tới kiềm (6 - 8 ở ruột) nên hấp thu các chất độc có pKa khác nhau. - Có quá trình vận chuyển tích cực dễ hấp thu, nhất là khi chất độc có cấu trúc giống với chất dinh dưỡng của cơ thể. * Chất độc xâm nhập qua đường hô hấp Sự hấp thu qua đường hô hấp có 2 đặc điểm quan trọng: (1) Niêm mạc hấp thu có diện tích rất rộng (ở người là 80 - 100 m2) bằng khoảng 50 lần diện tích da. (2) Khoảng cách giữa diện hấp thu với tuần hoàn chỉ dầy 1 - 2 mm, vì vậy khí độc có thể vào tuần hoàn sau vài giây. Về sự xâm nhập các chất độc qua đường hô hấp, cần lưu ý một số đặc điểm sau: - Trong chu kỳ hô hấp, luôn có một thể tích khí tồn lưu lại trong phổi, vì vậy các khí độc chậm thải trừ và sẽ dễ bị hấp thu trở lại. - Các chất độc hấp thu qua đường hô hấp được phân làm 2 loại: (1) Các chất tuân theo các định luật về chất khí, bao gồm: dung môi, hơi và khí. (2) Các chất không tuân theo định luật trên, bao gồm các dạng hạt, khí dung, mây mù, khói... Rất nhiều yêú tố có thể làm dễ dàng hoặc ngăn cản sự xâm nhập này. Các hạt có đường kính > 5 mm thường lắng đọng trong vùng mũi họng. Các hạt < 2 mm lắng đọng trong các nhánh khí phế quản, ở đó, các niêm mao niêm dịch sẽ đẩy chúng ra với tốc độ 1 mm/phút và thời gian bán thải < 5 giờ. Khoảng 80% thanh thải của phổi là qua đường này. Khi tới thanh môn các bụi thải sẽ được nuốt vào đường tiêu hoá hoặc ho, khạc đẩy ra ngoài. Ngoài ra, hiện tượng thực bào trên đường hô hấp cũng đóng vai trò rất tích cực trong việc thanh thải các chất độc. Các thực bào sẽ đưa chất độc vào bạch mạch và có thể sẽ tích luỹ trong một thời gian dài. Các hạt £ 1 mm có thể vào đến tận phế nang, hình thành các nốt cùng với sự phát triển một màng lưới sợi reticulin. Các chất khí sẽ qua phế nang vào máu, chất nào có độ hoà tan cao sẽ được hấp thu nhiều thời gian để đạt được độ thăng bằng khí: máu ở phế nang thường > 10 phút đối với các khí ít tan. Các khí độc càng dễ tan thì thời gian đạt được cân bằng càng dài, có khi tới 1 giờ. Chưa thấy có sự vận chuyển tích cực ở đường hô hấp, tuy nhiên, thẩm bảo (pinocytosis) có thể có vai trò quan trọng. 2. 2. Sự phân bố chất độc Các dịch trong cơ thể được phân vào 3 gian cơ bản: nước trong huyết tương, nước trong khe gian bào và nước trong tế bào. Huyết tương đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối các chất độc đã được hấp thu. Chất độc sau khi được hấp thu vào máu, một phần sẽ gắn vào protein huyết tương, phần tự do sẽ qua được thành mạch để chuyển vào các mô, vào nơi tác dụng, vào mô 10 11 dự trữ, hoặc bị chuyển hoá rồi thải trừ. Nhiều khi các sản phẩm chuyển hoá lại độc hơn chất mẹ, trở lại vòng tuần hoàn để lại được phân phối lại vào cơ quan và gây độc (Sơ đồ1.1). Sự khác biệt lớn giữa thuốc và chất độc là thuốc có tỷ lệ tan trong nước cao hơn và dễ bị ion hoá hơn, vì vậy dễ bị thải trừ. Còn chất độc hại dễ tan trong lipid không bị ion hoá nên thường gắn mạnh vào mô, gây độc hoặc tích luỹ lâu trong cơ thể. Trong máu, thuốc gắn chủ yếu vào phần albumin của protein huyết tương. Vì các chất độc thường rất ưa mỡ nên lại hay gắn mạnh vào lipoprotein. Sự gắn này cũng xảy ra ở các nơi dự trữ (gan, thận, mô mỡ,...), hoặc vị trí tác dụng (hemoglobin, mô thần kinh,...). Dạng chất độc tự do ở huyết tương, dịch khe luôn được giữ ở trạng thái cân bằng, vì vậy khi nồng độ dạng tự do giảm thì chất độc lại được giải phóng từ kho dự trữ ra. Đây là cơ chế của nhiễm độc mãn tính. Do đặc tính hoá học khác nhau nên mỗi loại chất độc có ái lực đặc biệt với các mô. Ví dụ: flo thường đọng lại ở xương và răng do tạo các hợp chất florophosphat calci: các kim loại nặng, tác dụng với gốc thio (-SH) có nhiều trong tế bào sừng (lông, tóc, móng); chì được giữ lại trong huyết cấu; các chất trừ sâu có halogen (DDT, lindan) gắn nhiều tế bào mỡ. Sự phân bố của cùng một loại chất độc trong ngộ độc cấp tính và mạn tính nhiều khi cũng khác nhau: trong ngộ độc cấp tính chì, thường thấy nó có nhiều ở gan và thận; nhưng trong ngộ độc mạn tính lại thường thấy chì ở tuỷ xương, tóc, huyết cầu. Phơi nhiễm với chất độc Chất độc xâm nhập vào cơ thể Thải trừ Sự phân phối Chuyển hoá thành chất độc Chuyển hoá thành sản phẩm liên hợp Chuyển hoá thành chất ít độc Phân phối lại Tương tác với các phân tử lớn (Protein, DNA, RNA, receptor,...) Luân chuyển và sửa chữa Các tác dụng độc (Di truyền, ung thư, quái thai, miễn dịch,...) 11 12 Sơ đồ 1.1: Sự phân bố chất độc trong cơ thể * Chất độc tích lũy - Khi nhiễm độc liên tục trong nhiều ngày dễ gây tích lũy chất độc. Sự tồn lưu chất độc trong cơ thể lâu ngày khi gây ngộ độc và gây chết được gọi là tích lũy chất độc. - Tích lũy hóa học: là loại tích lũy trước khi biến thành chất không có hại và đào thải ra ngoài một liều thì lại nhiễm thêm một liều khác mới. Điều này giải thích hiện tượng tích lũy của strychnin và asen. 1.3. Sự chuyển hoá chất độc a. Vai trò của sự chuyển hoá chất độc Chất độc được coi là những chất lạ (xenobitics), không thể dung nạp được, phải bị thải trừ. Chất độc thường là những phân tử tan được trong mỡ, không bị ion hoá vì vậy dễ thấm qua màng sinh học, thâm nhập vào trong tế bào và giữ lại trong cơ thể. Muốn thải trừ, những chất này phải được chuyển hoá thành các phân tử có cực, dễ bị ion hoá, do đó sẽ ít tan trong mỡ, khó gắn vào protein, khó thấm vào tế bào, và vì thế, tan trong nước, dễ bị thải trừ (qua thận, phân,...). * Các enzym chính xúc tác quá trình chuyển hoá chất lạ Quá trình chuyển hóa có thể xảy ra ở một số nơi trong cơ thể với sự xúc tác của một số enzym như sau: - Các chất lạ (xenobiotic) thường được chuyển hóa thành các dạng khác nhau nhờ hệ các men oxy hóa có chức năng hỗn hợp (MFOs - micrsomal mixed function oxidase). Lưới nội mô trơn là nơi để MFOs khu trú và hoạt động, đặc biệt là gan, ở đó hoạt động của enzym tăng lên đáng kể trong vòng một vài ngày cơ thể phơi nhiễm với chất độc. Cytocrom P450 giữ vai trò quan trọng trong chuyển hóa nhiều xenobiotics. Hệ MFO hoạt động trrước hết trên các hợp chất thân mỡ không phân cực. MFOs thêm vào các nhóm chức năng có cực và ít thân mỡ hơn. - Men protease, lipase, decarboxylase xúc tác chuyển hóa chất độc tại niêm mạc ruột. - Huyết thanh: esterase - Vi khuẩn ruột: reductase, decarboxylase - Hệ thần kinh trung ương: mono amin oxydase, decarboxylase. b. Các phản ứng chuyển hoá chính Các phản ứng chuyển hóa chất độc dược chia làm 2 giai đoạn (2 pha): * Chuyển hóa giai đoạn 1 Đây là các phản ứng chuyển hóa giai đoạn 1, chuẩn bị xenobiotic cho chuyển hóa giai đoạn 2. - Các phản ứng giai đoạn 1 có thể được kích hoạt nhờ phản ứng enzym. Hệ MFOs được kích hoạt để tăng hoạt tính bằng sự giải phóng trước đó 1 hợp chất ngoại lai y hệt hay tương tự, thường lần lượt tăng quy trình chuyển hóa sinh học của những hợp chất này. Barbiturat, hydro carbon, halogen và steroid nội sinh lẫn tác nhân gây cảm ứng enzym MFOs. - Chuyển hóa giai đoạn 1 có thể bị ức chế (ví dụ bằng pyperonyl, butoxide, được sử dụng để tăng tính độc trong côn trùng). 12 13 Qua phản ứng ở pha này, chất độc ở dạng tan được trong mỡ sẽ trở nên có cực, dễ tan trong nước. Nhưng về mặt tác dụng sinh học, chất độc có thể mất hoạt tính, hoặc chỉ giảm hoạt tính, hoặc đôi khi là tăng hoạt tính, trở nên có hoạt tính. - Các phản ứng chính ở pha này gồm: + Phản ứng oxy hoá: là phản ứng rất thường gặp, được xúc tác bởi các enzym của microsom gan, đặc biệt là hemoprotein, cytocrom P450. + Phản ứng thuỷ phân do các enzym esterase, amidase, protease,... Ngoài gan, huyết thanh và các mô khác (phổi, thận,...) cũng có các enzym này. + Phản ứng khử carboxyl (khử COO): decarboxylase. * Chuyển hóa giai đoạn 2 Là một chuỗi các phản ứng liên hợp có liên quan đến những xenobiotic đã được chuyển hóa ở giai đoạn 1 thành những phân tử có cực, mang nhóm chức hydroxyd, amino, carboxyl hoặc halogen để có thể tham gia dễ dàng các phản ứng liên hợp với các chất chuyển hoá nội sinh như đường, acid amin, glutathion, sulfat,... - Quá trình liên hợp tạo ra một hợp chất ít thân mỡ hơn và tan nhiều trong nước hơn chất ban đầu. - Các sản phẩm của quá trình liên hợp dễ đào thải hơn trong nước tiểu và thường ít độc hơn hợp chất mẹ hoặc các chất chuyển hóa của giai đoạn 1. - Các sản phẩm liên hợp thường là acid glucuronic, acid amin, các acetat, sulfat và glutathione. Các phản ứng liên hợp chính: các phản ứng liên hợp với axit glycuronic, axit sulfuric, axit amin (chủ yếu là glycin), phản ứng acetyl hoá, methyl hoá. Các phản ứng này đòi hỏi năng lượng và cơ chất nội sinh. Một số chất hoàn toàn không bị chuyển hoá, đó là những hợp chất có cực cao (như axit, base mạnh), không thấm qua được lớp mỡ của microsom. Phần lớn được thải trừ nhanh như hexamethonium, methotrexat. Một số hoạt chất không có cực cũng có thể không bị chuyển hoá; barbital, ether, halothan, dieldrin. * Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hoá chất độc - Bệnh gan: gan là cơ quan chuyển hóa quan trọng nhất của cơ thể. Các bệnh làm giảm quá trình chuyển hóa sinh học ở gan là xơ gan, nhiễm độc gan, caxinom và ứ mật (sắp xếp theo mức độ ảnh hưởng) do làm giảm hoạt động của MFOs. - Sự tái sinh các mô gan đã bị tổn thương làm tăng quá trình chuyển hóa sinh học. - Sự định vị chất độc trong các mô cùng với hoạt động MFOs có thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa sinh học. Các tác nhân bị phân chia mạnh trong mô mỡ, xương hay não sẽ không tham gia các quá trình chuyển hóa sinh học. - Tuổi súc vật: súc vật sơ sinh và súc vật già có thể thiếu enzym cần thiết cho quá trình chuyển hóa sinh học. - Thiếu chất dinh dưỡng dẫn đến thiếu các chất hóa học cần thiết cho quá trình tổng hợp các enzym hay các chất liên hợp. ví dụ: thiếu chất khoáng như canxi, đồng, sắt, magie, kẽm, các vitamin E, C, B và các protein. 13 14 Loài, giống gia súc khác nhau, hoạt động của enzym ở giai đoạn 1 và 2 khác nhau (ví dụ, hoạt động của enzym N - dimethylation ở chuột lang yếu hơn so với các động vật khác). - Tính biệt có thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa sinh học. ở con đực, hoạt lực của MFO thường cao hơn, liên quan đến steroid nội sinh như testosterol. - Đường phơi nhiễm với chất độc có thể có ảnh hưởng đến tác dụng gây độc. Chất độc nhiễm qua đường miệng sẽ qua gan trước khi vào hệ cơ quan khác làm tăng khả năng chuyển hóa sinh học. - Nhiệt độ cơ thể giảm làm giảm hoạt tính của các enzym microsom. - Sự biến đổi của các cytocrom P450 và glutathione khử (GSH) theo ngày và đêm liên quan đến quá trình biến đổi sinh học. - Chất gây cảm ứng enzym chuyển hoá: có tác dụng làm tăng sinh các enzym ở microsom gan, làm tăng hoạt tính các enzym này. 1.4. Sự đào thải chất độc Chất độc thường được thải trừ khi đã qua chuyển hoá. a. Đào thải chất độc qua thận Đây là đường thải trừ quan trọng nhất của các chất tan trong nước, có trọng lượng phân tử nhỏ hơn 300. * Quá trình thải trừ Lọc thụ động qua cầu thận: hoạt chất dạng tự do, không gắn vào protein huyết tương được lọc ở đây. Bài tiết tích cực qua ống thận: quá trình này xảy ra chủ yếu ở ống lượn gần, do phải có chất vận chuyển nên tại đây có sự canh tranh để thải trừ. Tái hấp thu ở ống thận: là quá trinh khuếch tán thụ động qua ống thận, quá trình này xảy ra ở ống lượn gần và ống lượn xa. Các chất tan trong lipid, không bị ion hóa ở pH nước tiểu tuy đã thải trừ trong nước tiểu ban đầu lại được tái hấp thu vào máu. * ý nghĩa lâm sàng Làm tăng thải trừ để điều trị nhiễm độc: kiềm hoá nước tiểu, làm tăng độ ion hoá của phenobarbital, tăng thải trừ khi bị nhiễm độc phenobarbital. b. Đào thải chất độc qua mật Sau khi chuyển hoá ở gan, các chất chuyển hoá có trọng lượng phân tử lớn hơn 300 sẽ thải trừ qua mật để theo phân ra ngoài. Phần lớn sau khi bị chuyển hoá thêm ở ruột sẽ được tái hấp thu vào máu để thải trừ qua thận. Một số chất sau khi thải trừ qua mật xuống ruột lại được tái hấp thu về gan theo đường tĩnh mạch gánh để lại vào vòng tuần hoàn, được gọi là chất có chu kỳ ruột - gan. Những chất này tích luỹ trong cơ thể, làm kéo dài tác dụng (morphin, tetracylin, digitalis trợ tim...). c. Đào thải chất độc qua phổi Các chất độc thể hơi, có tính chất bay hơi thải trừ qua phổi, bao gồm: (1) Các chất bay hơi như rượu, tinh dầu (eucalyptol, menthol). (2)Các chất khí: halothan. Ether etylic. 14 15 d. Đào thải chất độc qua sữa Các chất tan mạnh trong lipid (các alcaloid, barbiturat, các chất chống viêm phi steroid, tetracycilin..), có trọng lượng phân tử dưới 200 thường dễ dàng thải trừ qua sữa. Vì sữa có pH hơi acid hơn huyết tương nên các chất là acid yếu có nồng độ thấp hơn và các chất là base yếu có thể nồng độ trong sữa hơi cao hơn huyết tương. 3. Cơ chế tác dụng của chất độc Nội dung phần 3 bao gồm: (1) Cơ sở phân tử của tổn thương tế bào do ngộ độc, nhiễm độc: Các chất độc (xenobiotics) khi qua chuyển hóa tạo thành các chất ưa điện tử (Electrophile), gốc tự do (Free radical), chất ái nhân (Nucleophile), chất phản ứng oxy hóa khử (Redox). Cơ chế tác dụng của chất độc được giải thích dựa trên tác hại của các chất chuyển hoá này. (2) Cơ chế gây độc đặc trưng trên cơ quan, tổ chức được giải thích đối với từng cơ quan, hệ cơ quan của cơ thể. 3.1. Cơ sở phân tử của tổn thương tế bào do ngộ độc, nhiễm độc Tổn thương tế bào là cơ sở của hầu hết các tác dụng độc hại. Tác dụng gây độc của chất độc là kết quả của sự rối loạn chức năng một số quá trình sinh học trong cơ thể. Sự phức tạp của đáp ứng độc hại in vivo có thể được giải thích do tương tác của các tế bào trong các mô, ảnh hưởng lẫn nhau giữa các cơ quan và đối với toàn bộ cơ thể. Khi cơ thể bị ngộ độc, các quá trình sinh học trong cơ thể có thể bị ngừng trệ hoặc vượt quá giới hạn sinh lý bình thường và ảnh hưởng đến các hệ cơ quan chịu sự điều khiển của chúng. Đáp ứng tế bào đối với các hoá chất độc xảy ra thông qua 2 cơ chế: ảnh hưởng đến cấu trúc và ảnh hưởng đến chuyển hoá trong tế bào. - ảnh hưởng đến cấu trúc: Tính toàn vẹn của màng tế bào bị thay đổi sẽ ảnh hưởng đến sự vận chuyển các thể dịch và chất điện phân, đến sự điều chỉnh thể tích tế bào. - ảnh hưởng đến chuyển hoá: (1) Làm giảm năng lượng sẵn có cho quá trình vận chuyển tích cực, tổng hợp các cao phân tử và duy trì cân bằng thẩm thấu (bơm kali – natri) (2) Làm xáo trộn điều khiển axit nucleic, gây biến tính protein cấu trúc dẫn đến ngừng trệ tổng hợp protein. Quá trình tăng trưởng bị ảnh hưởng (hiện tượng tăng sinh hay ung thư) do DNA bị phá huỷ, không được sao chép đúng hoặc vượt quá khả năng điều khiển sự ổn định nội môi (3) Gây tích lũy các chất béo và các sắc tố bất thường. Một số xenobiotics (acid mạnh, base mạnh, nicotine, aminoglycoside, ethylene oxide, methyliscyanate, kim loại nặng, HCN, CO) là chất độc trực tiếp, trong khi độc tính của các chất khác lại phụ thuộc phần lớn vào các chất chuyển hóa của chúng. Quá trình chuyển hóa sinh học các xenobiotics thành những sản phẩm có hại được gọi là sự hoạt hóa. Đối với một số xenobiotics, sau chuyển hóa sinh học, tính chất lý, hóa học bị thay đổi dẫn đến tác dụng độc hại làm thay đổi cấu trúc hoặc vi môi trường của quá trình sinh học. Ví dụ : acid oxalic được hình thành từ ethylen glycol có thể gây nhiễm acid và giảm canxi huyết cũng như tắc ống thận do kết tủa canxi oxalat. Một số chất độc phản ứng với enzym hoặc thụ thể. Ví dụ: hợp chất phospho hữu cơ parathion được chuyển hóa thành chất ức chế men cholinesterase. Tuy nhiên, hay gặp nhất là các các trường hợp xenobiotics khi qua chuyển hóa tạo thành các phân tử khác nhau trong cơ thể, đó là: - Electrophile: chất ái điện tử (ưa điện tử) 15 16 - Free radical: gốc tự do - Nucleophile: chất ái nhân (ưa nhân) - Redox – active reactant: chất phản ứng oxy hóa khử. a. Sự hình thành chất ưa điện tử Các hợp chất lạ (xenobiotics) qua chuyển hoá sinh học, dưới tác động của các men micrsom oxyhóa có chức năng hỗn hợp (MFOs - micrsomal mixed function oxidase) sẽ chuyển thành dạng trung gian ưa điện tử (electrophyle). Electrophile là các phân tử chứa một nguyên tử thiếu electron có thể phản ứng bằng cách dùng chung điện tử với nguyên tử giầu điện tử. MFOs là một hệ enzyme không đặc hiệu, có vai trò chủ yếu trong chuyển hoá giai đoạn 1 (oxy hoá các chất độc ưa mỡ) chuẩn bị cho quá trình liên kết và bài tiết các xenobiotic trong lưới nội tương. Các chất trung gian ưa điện tử mới được tạo thành qua chuyển hóa sẽ liên kết đồng hoá trị với các cao phân tử quan trọng trong tế bào (lipid, protein, DNA) và làm chúng bị biến tính. Liên kết đồng hoá trị của chất độc với các cao phân tử liên quan đến tổn thương tế bào và quá trình gây ung thư (carcinogenesis), mặc dù vai trò của liên kết đồng hoá trị trong những trường hợp này còn chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Các electrophiles đồng thời cũng liên kết với glutathione khử (GSH). Sự liên kết này được coi là cơ chế phòng vệ trong tế bào. b. Sự hình thành các gốc tự do * Gốc tự do và sự hình thành gốc tự do Trong cấu trúc nguyên tử và phân tử, các điện tử luôn ở dạng cặp đôi và các cặp đôi này luôn vận chuyển tại một vùng quỹ đạo xác định, xung quanh hạt nhân gọi là quỹ đạo phân tử. Một điện tử trong mỗi cặp điện tử có số năng lượng quay (spin quantum number) + 1/2 và điện tử còn lại có số năng lượng quay là - 1/2. Gốc tự do là dạng xuất hiện không phụ thuộc, độc lập theo đúng nghĩa “tự do”, là một nguyên tử hoặc một mảnh phân tử chứa một hoặc nhiều hơn điện tử không cặp đôi chỉ có một mình quay trên quỹ đạo Bảng 1.2. Một số ví dụ về gốc tự do Tên gốc tự do Nguyên tử hydro Công thức gốc H * Trichloromethyl CCl3* ý nghĩa Gốc tự do đơn giản nhất - Gốc có carbon ở trung tâm (điện tử không cặp đôi kết hợp với carbon), CCl3* được hình thành trong quá trình chuyển hóa của dung môi carbon tetraclorid trong gan và gây tác động độc hại cho dung môi - Gốc có carbon ở trung tâm thường được sử dụng phản ứng nhanh với O2 để tạo gốc peroxyl theo phản ứng sau: CCl3* + O2 * CCl3O2 Gốc có oxy ở trung tâm, phản ứng rất hạn chế Superoxyd O2 Hydroxyl OH* Gốc có oxy ở trung tâm, phản ứng mạnh, có hoạt tính rất mạnh, tấn công mọi phân tử trong cơ thể người. Peroxyl Alkoxyl RO2* RO* Gốc có oxy ở trung tâm, được hình thành trong quá trình phá vỡ peroxyd hữu cơ, kể cả các con đường khác. Oxyd của nitơ NO* Oxyd nitric (NO*) được hình thành trong cơ thể từ amin L-arginin 16 17 NO2* Nitơ dioxyd (NO2*) được hình thành khi cho NO* phản ứng với O2 và xuất hiện trong không khí bị ô nhiễm hoặc khói của các chất hữu cơ bị đốt cháy (khói thuốc lá). (dấu hình * chỉ loại gốc tự do) Gốc tự do đơn giản nhất là nguyên tử của nguyên tố hydro với 1 proton và 1 điện tử đơn. Ví dụ: paraquat, doxorubincin và nitrofurantoin có thể nhận một điện tử từ men khử để tạo thành gốc tự do (free radical). Những gốc này có thể chuyển một điện tử cho oxy phân tử tạo thành ion gốc tự do O2- (superoxide anion radical) và phục hồi xenobiotic mẹ để tiếp tục tạo thành các gốc tự do mới. * Hoạt động của gốc tự do và tính độc hại của nó Một số hóa chất độc (ví dụ paraquat herbicides) khi bị oxy hoá bởi MFOs thành các gốc tự do cùng với sự chuyển electron cho oxy, tạo thành gốc superoxid-02-. Gốc superoxid (gốc đa oxy) phản ứng với lipid chưa no (polyunstatared), quy nạp 1 chuỗi phản ứng tự xúc tác, tạo thành các gốc lipid tự do và sau đó peroxid hoá lipid. GSH (glutation khử) có thể bị giảm hoạt tính, từ đó thúc đẩy quá trình phá huỷ oxy và dẫn đến kết quả là tế bào bị chết. Các tác nhân làm giảm hoạt tính GSH lại làm tăng độ nhạy cảm của tế bào đối với quá trình peroxid hoá lipid. Sau khi hình thành các gốc tự do, xuất hiện một số tác dụng độc hại như phá hủy tổ chức, hoặc là một trong những nguyên nhân gây ung thư. Gốc lipid phản ứng với oxy tạo thành gốc peroxid. Các phân tử lipid tự phản ứng với các gốc tự do trở thành các gốc lipid tự do và tạo ra chuỗi phản ứng phá huỷ (còn gọi là chuỗi peroxid hóa màng tế bào). Quá trình peroxid hóa lipid phá huỷ các màng tế bào và nội bào quan, làm giảm sự toàn vẹn cấu trúc và giảm khả năng kiểm soát sự hấp thụ chọn lọc và vận chuyển chủ động qua màng tế bào. Sơ đồ 1.2. Sự hình thành các gốc tự do do hoá chất độc và tác hại của chúng Hoá chất độc hoặc sản phẩm chuyển hoá độc hại Ức chế chuyển hoá năng lượng làm yếu ATP Tích luỹ natri và canxi trong dịch bào tương Na+/K+ ATPase giảm Nước tràn vào Mg+/Ca+ ATPase giảm phospholipase hoạt hóa canxi 17 18 Hoá chất và các sản phẩm chuyển hoá độc hại làm triệt tiêu gradien H+ trong ty thể dẫn đến ức chế quá trình phosphoryl oxy hoá làm hạn chế sử dụng oxy và làm giảm quá trình tạo ATP, tỷ lệ ADP/ATP tăng, đồng thời tạo ra nhiều gốc phospho vô cơ, gây biến dạng, đứt nát màng ty thể. Do màng ty thể bị tổn thương nên vào bên trong tế bào nhiều, K+ thoát ra ngoài và Ca++ đi vào thì Mg++ cũng thoát ra ngoài, do đó ảnh hưởng đến sự hoạt hoá ATP ase. Những biến đổi của ty thể (trung tâm cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của tế bào) làm cho năng lượng dự trữ trong tế bào giảm đi rõ rệt, quá trình đường phân yếm khí tăng lên, tích tụ nhiều axit lactic gây giảm pH của bào tương làm ảnh hưởng tới nhân, màng tế bào và các bào quan khác. Màng tế bào là màng không thấm do đặc tính duy trì sự cân bằng bên trong của các ion và H2O thông qua bơm Natri trên màng tế bào. Bơm này vận chuyển ion Na+ và ion K+ vào tế bào, hoạt động này tiêu tốn ATP. ATP giảm làm hoạt động của bơm Natri suy yếu. Kết quả là các ion Na+ vào tế bào nhiều và K+ thoát ra ngoài, mỗi lần di chuyển theo một gradient H+ . Trong tế bào, tỷ lệ Na+/K+ tăng, tế bào cũng mất ion và tích tụ Ca++, tỷ lệ Ca++/ Mg++ tăng. Sức kháng màng tế bào yếu, bơm Natri mất tác dụng, nước thấm vào tế bào, tế bào trương phồng lên. Lysosome cũng bị trương lên, tính thấm màng tăng, các enzym thoát ra vào dịch tế bào tham gia quá trình huỷ tế bào. Sự mất cân bằng canxi gây hoạt hoá phospholipase, màng tế bào tự tiêu huỷ, mất chức năng làm hàng rào, tế bào sưng và bị tổn thương không phục hồi dẫn đến hoại tử tế bào (Sơ đồ 1.3.). - Các nhóm thiol protein (ví dụ, glutathionic) trong tế bào cũng có thể bị các gốc tự do làm giảm hoạt tính và các tế bào cao phân tử bị tổn thương nặng nề hơn. c/ Sự bảo vệ chống lại các gốc tự do nhờ các tác nhân chống oxyhoá - antioxidant (1) Men SOD - Superoxid dismutase: xúc tác quá trình khử anion superoxid O2- thành hydrogen peroxid H2O2 . Men MnSOD có tâm hoạt động là mangan có thể loại trừ được anion superoxid O2- sinh ra ở ngay ty thể. Men SOD liên kết với đồng và kẽm (CuZnSOD) có tâm hoạt động là Cu, có hoạt tính cao và có nhiều trong bào tương (cystosol), loại bỏ gốc anion superoxid O2- thoát ra ngoài bào tương. Nhờ hai enzym này nên gốc anion superoxid O2không đến được màng tế bào. 18 19 (2) Men catalase được tập trung nhiều trong peroxisome của tế bào và xúc tác phản ứng biến hydro peroxid thành nước và oxy. Hydroperoxyd H2O2cũng là một chất có hoạt tính cao nên độc hại. Hệ enzym catalase và glutathion peroxydase (GSHPX) có thể loại trừ nó: H2O2 catalase 2H2O + 3O2 Catalase vận chuyển H2O2 thành 2 chất hoàn toàn vô hại là nước và oxy tam bội. Nhưng catalase chỉ thể hiện tác dụng xúc tác khi nồng độ H2O2 lớn hơn 10-8 mol/l. Dưới nồng độ đó, catalase không có tác dụng. (3) Men glutathion peroxidase GSHPX, 1 enzym chứa selen xúc tác phản ứng biến hydroperoxid thành nước và rượu. Hoạt độ GSHPX phụ thuộc nồng độ Se trong huyết thanh. Khi H2O2 có nồng độ lớn hơn 10-8 mol/l, enzym catalase bị bất hoạt do một cơ chế chưa rõ. Khi nồng độ H2O2 giảm xuống dưới trị số nói trên, GSHPX được hoạt hóa, và xúc tác cho phản ứng khử H2O2 bằng glutathion: H2O2 + 2GSH GSHPX GSSG + 2 H2O Glutathion dạng oxy hóa GSSG lại chuyển về dạng khử nhờ enzym glutathion reductase. Giống như các enzym SOD, catalase và GSHP X có ở nội bào, ở ty thể vì H2O2 cũng là một sản phẩm của hô hấp tế bào như O2 -. Hai men này hầu như không có mặt ở dịch ngoại bào. Cần lưu ý là superoxyd. H2O2 thường xuyên sinh ra do sự phân hủy peroxyd, đồng thời thường xuyên mất đi do tác dụng của catalase và GSHP X , nên tồn tại ở một nồng độ cân bằng nào đó. Nồng độ cân bằng này luôn nhỏ hơn 10-8 mol/l. Superoxyd O2- và peroxyd hydro H2O2 cũng tồn tại trong tế bào ở nồng độ cân bằng của chúng, tuy là rất nhỏ, nhưng sẽ phản ứng với nhau. Đây là một phản ứng rất quan trọng, vì sản sinh ra 2 sản phẩm: 1O2 (oxy đơn bội) rất nguy hại và - OH (gốc hydroxyl) lại còn nguy hại hơn nhiều. Chính gốc - OH là sản phẩm nguy hại nhất do hô hấp tế bào sinh ra: O2- + H2O2 = -OH + OH- + 1O2 Phản ứng này được gọi là phản ứng Haber Weiss, có thể tiến hành không cần xúc tác. Các ion sắt, đồng làm xúc tác phản ứng này, làm tốc độ của nó tăng lên rất nhiều. Phản ứng trên nếu có xúc tác được gọi là phản ứng Fenton. (4) Vitamin E đóng vai trò là một chất chống oxy hoá sinh học, trong đó alpha tocopherol là quan trọng hơn cả, có nhóm hydroxyl trên vòng benzen có vai trò làm giảm gốc tự do, ngăn cản các phản ứng oxy hóa chất béo, ngăn cản sự hủy hoại màng tế bào và sự chết của tế bào. c. Sự hình thành nucleophile Sự hình thành nucleophile là một cơ chế không phổ biến (ít gặp, ví dụ: sự tạo thành cyanid từ amygdalin dưới tác dụng của men bacterial b - glucosidase trong bệnh gut ở người). Carbon monoxide là chất chuyển hóa độc hại của dihalomethane do khử halogen oxy hóa. Một số chất trung gian chuyển hóa nuleophile được tạo thành trong gan nhờ quá trình hydroxylation như hydroxylamin có thể tạo methaemoglobin. 19 20 d. Sự hình thành chất phản ứng oxy hóa khử Trong quá trình khử nitrat thành nitrit ví dụ: methaemoglobin tạo thành khi nitrat chuyển thành nitrit và gây độc Một số xenobiotics không tương tác hoặc không chỉ tương tác với các tế bào đích nội sinh để gây độc, chúng làm thay đổi vi môi trường sinh học. Gồm có: (1) Các tác nhân làm thay đổi nồng độ ion trong pha nước (aqueos biophase), như acid và các chất chuyển hóa thành acid, như methanol và ethylene glycol, như 1,4-dinitrophenol và pentachlorophenol phân ly các proton phenolic trong khu vực khuôn (matrix) của ty lạp thể làm triệt tiêu proton gradient, do đó trì hoãn tổng hợp ATP; (2) Các dung môi và chất tẩy làm thay đổi pha lipid trong màng tế bào và phá hủy chức năng màng; (3) Các xenobiotics khác gây độc bằng cách chiếm chỗ: ví dụ một số hóa chất như ethylene glycol hình thành chất kết tủa ở trong ống thận. Bằng cách chiếm vị trí liên kết bilirubin với albumin, hợp chất như sulfonamid gây bệnh vàng nhân não (kernicterus) ở trẻ sơ sinh. Carbon dioxid chiếm chỗ oxygen trong phế nang gây ngạt thở. 3.2. Cơ chế gây độc đặc trưng trên cơ quan, tổ chức a. Cơ chế gây tổn thương hóa học Cơ chế gây tổn thương hoá học trực tiếp trên các mô làm thay đổi các chức năng điều khiển sự ổn định nội môi phụ thuộc màng của tế bào. Sự phá hủy này thường xảy ra khi màng tế bào tiếp xúc với những chất ăn mòn mạnh như axit, bazơ, các hợp chất gây đông vón protein hoặc có tác dụng phá huỷ lipid màng tế bào. Sự tàn phá do hóa chất thường xảy ra tức thì (có nghĩa là không có giai đoạn tiềm ẩn), tại chỗ và không đặc hiệu. Những vùng nhạy cảm nhất với tổn thương hoá học là da, mắt, đường hô hấp trên và xoang miệng. Các chất hay gây tổn thương hoá học trực tiếp là axit, bazơ, phenol, aldehid, cồn, sản phẩm cất của dầu và một số muối kim loại nặng. b. Cơ chế gây hoại tử tế bào biểu mô Độc tố sinh học có thể gây hoại tử biểu mô trên khắp cơ thể. Hoại tử biểu mô thường xảy ra ở các tế bào có hoạt tính chuyển hoá và khả năng sao chép mạnh, đó là tế bào của ống thận, túi mật, tuỷ xương và biểu mô ruột. Chất độc thường ảnh hưởng đến các enzyme chủ chốt hoặc các quá trình chuyển hoá trung gian trong các tế bào nói trên. Cơ chế gây thiếu hụt năng lượng (giảm hoặc ngừng quá trình sản sinh adnosin triphosphate (ATP)) làm giảm khả năng vận chuyển chủ động và điều chỉnh các chất điện phân và nước của tế bào. Giảm tổng hợp các enzyme hoặc các protein cấu trúc. Các chất độc gây thiếu máu cục bộ (giảm dòng chảy của máu) sẽ gây ra thiếu oxy mô bào, dẫn đến tình trạng thiếu hụt năng lượng và sự phá huỷ các tế bào. c. Cơ chế tác động thông qua ức chế hoặc cạnh tranh enzyme Thông thường, các enzyme xúc tác các phản ứng của tế bào trong điều kiện nhiệt độ và nồng độ nhất định. Do tương tác hoá học trực tiếp với chất độc, các enzyme có thể bị ức chế hoặc thay đổi hoạt tính. Quá trình ức chế hay cạnh tranh enzyme bao gồm cả sự thay đổi cấu trúc không gian bậc 3, 4 của các enzyme. Sự tương tác enzyme - chất độc mạnh hay yếu ảnh hưởng đến mức độ và thời gian ngộ độc. ức chế cạnh tranh là khái niệm nói về ảnh hưởng của chất độc đến hoạt tính của enzyme. ức chế đạt tối đa khi chất cạnh tranh có cấu trúc tương tự enzyme. Phức hợp enzyme - chất ức chế có tính thuận nghịch và phân tử chất ức chế không bị thay đổi trong phản ứng. 20