TOKSİKOKİNETİK Toksikokinetik, vücudun alınan bir yabancı maddeyi nasıl ve ne ölçüde etkilediği sorusunun cevabı ile ilgilenir. Toksikokinetikte en önemli parametre ksenobiyotiğin zamanla kan düzeyinin değişmesidir ki bu vücuttaki emilim, dağılım ve eliminasyon hızı ile belirlenir. Emilim, dağılım ve atılım sürecinde ksenobiyotikler biyolojik membranlardan geçer. Dolayısıyla membran geçiş özellikleri; metabolize olabilmeleri için de enzimatik biyotransformasyon özellikleri toksikokinetik parametrelerin belirleyici faktörleridir. Toksikokinetik dört basamaktan oluşmaktadır, I. Absorbsiyon Maddenin vücuda girişi II. Dağılım Maddenin girdiği yerden vücudun diğer bölgelerine geçmesi III. Biyotransformasyon Vücudun maddeyi yeni kimyasal maddelere (metabolit) dönüştürmesi IV. Eliminasyon Madde veya metabolitlerin vücudu terk etmesi Toksikokinetik Faz : A Absorbsiyon D Dağılım M Metabolizma=Biyotransformasyon E Atılım-itrah 1. ABSORBSİYON Ksenobiyotiklerin vücut membranlarından geçerek kan dolaşımını girmesidir. ADME’nin A’sı ve D’si membran geçme olayıdır. Toksik maddelerin etkisini gösterebilmesi için belirli bir konsantrasyonda membranlardan geçip, etki yerine ulaşması gerekir. Bu konsantrasyon, alınan toksik maddenin miktarına ve absorbsiyon hızına bağlı olarak değişir. Toksik maddelerin absorbsiyonunu etkileyen faktörler Veriliş (maruz kalma) yolu Maddenin dozu Maddenin kimyasal ve fiziksel özellikleri 1 Toksik Maddenin Absorbsiyonu Etkileyen Kimyasal ve Fiziksel Özellikleri • Molekül büyüklüğü • Lipid çözünürlüğü (Lipofilite) • İyonizasyon derecesi Molekül büyüklüğü Molekülü büyük olan maddelerin absorbsiyon hızı küçük moleküllü maddelere göre daha yavaştır. Membrandaki su porları yaklaşık 4 A° büyüklüğünde olduğundan ancak molekül ağırlığı 100-200 Dalton olan maddelerin geçişine izin verir. İstisna olarak; Membran kapilleri ve böbrek glomerülleri büyük çaplı porlara sahip olduğundan (40 A°) molekül ağırlığı yaklaşık 50 000 olan maddelerin de geçişine izin verir. Lipid çözünürlüğü (Lipofilite) Maddenin yağda çözünme eğiliminin ölçüsü; lipid /su partisyon katsayısı, yani lipofilitesidir. Maddenin lipid/su partisyon katsayısı ne kadar büyükse; lipid membrandan absorbsiyonu o kadar fazla olur. Küçük, suda çözünür moleküller normal intraselüler su akışını sağlayan su porları (içi su dolu kanallar) aracılığı ile hücre membranını geçerler. Suda çözünür, büyük moleküller membranın lipid kısmından yavaş bir şekilde geçerler. Genellikle fazla iyonize olan maddelerin yağda çözünürlüğü azalır. Bu nedenle membrandan zor geçerler. İyonizasyon derecesi Maddelerin çoğu zayıf asid veya zayıf baz niteliğindedir Zayıf asid veya zayıf bazların sulu ortamda iyonize olma oranları, ortamın pH’sı ve maddenin pKa değeri ile ilgilidir. Bu oran Handerson-Hasselbach denklemi ile saptanır. Ne kadar noniyonize ise, lipid çözünürlüğü o kadar fazladır ve membranları kolaylıkla geçer. İyonize madde ise, zor geçer (lipidde az çözünür). Bu ilişkiyi inceleyen pH partisyon teorisi vardır. Bir madde hangi ortamda ne kadar noniyonize formda ise en fazla oradan emilir. Buna göre; asidik maddeler asit ortamda, bazik maddeler bazik ortamda noniyonik olurlar ve fazla emilirler. Sonuç olarak, küçük moleküllü, lipit çözünürlüğü fazla non-iyonize formdaki maddeler vücut membranlarından etki yerlerine ulaşabilir. 2 İyon Tuzağı Pasif difüzyona uygun bir membranla ayrılmış olan iki ayrı vücut kompartmanında dağılan bir maddenin her bir kompartman içinde denge halindeki konsantrasyonu; eğer kompartmanlar arası pH farkı mevcutsa eşit değildir. Çünkü madde iyonize olduğu kompartmanda daha fazla birikir. Yani asidik maddeler bazik ortamda, bazik maddeler ise asidik ortamda konsantre olurlar. Buna iyon tuzağı nedir. İyon tuzağı fenomeninin toksikolojik açıdan önemi örnekler ile açıklanabilir. Örnek: Asidik bir ilaç içildiğinde idrar alkalilendirilirse ilacın atılımı artar. Böylece iyonize form artar. Geri emilim azalır. (İyon tuzağı) Bunun tersi de geçerlidir. Asitler asit ortamda noniyonizedir, bazlar bazik ortamda noniyonizedir. Örnek: Bebeğe geçmesini istemediğimiz bir ilaç varsa, bazik ilaç sütte daha fazla bulunur. Süte geçmesini istemediğimiz ilaç asidik olmalıdır. (Süte geçiş özel bir durumdur. İyon tuzağı burada istenen bir olaydır) Membrandan Geçiş Şekilleri I. BASİT DİFÜZYON: Membranlardan geçişlerin % 90’ı bu şekilde olur. Filtrasyon ve osmoz da buna dahildir. Kuralları; Yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona geçiştir Enerji gerektirmez Difüzyonun kuralları tamamen pH partisyon teorisine dayanır Her iki kompartmanda konsantrasyon eşitleninceye kadar devam eder Kanlanma ve yüzey genişse geçiş kolay olur (Kanlanma az olduğu için, adipoz dokuda difüzyon hemen durur, eşitlenir.) Fick Difüzyon Kanununa uygun bir şekilde olur. Difüzyon hızı, belirli bir zaman ünitesinde absorbe olan toksik madde miktarıdır. Birinci derece (1) kinetiğine uyar. Filtrasyon; membrandaki porlardan süzme olayıdır. Aslında bu da difüzyon olayıdır. Glomerüler filtrasyon bir difüzyon olayı gibi kabul edilebilir. Osmoz; suyun geçişini ifade eder. Bir taraftan diğer tarafa suyun geçişidir. Sadece su için kullanılır. (ilaç ya da ksenobiyotik için kullanılmaz) 3 II. ÖZEL TAŞIMA: En önemli örneği aktif transporttur. Birçok ksenobiyotik bu şekilde hücre içine alınır. Kuralları; * Difüzyonun tam tersine düşük konsantrasyondan yüksek konsantrasyona doğru geçiş vardır * ATP bağımlıdır * Taşıyıcılara gereksinim vardır (membranda yer alan) * Doygunluk söz konusudur (taşıyıcıların taşıma kapasitesi doygunluğa ulaşır, kapasite dolar, konsantrasyon ne olursa olsun doygunluğa ulaşabilir. Doygunlukta ‘0’ derece kinetiğine uyar. Barbitürat, salisilat zehirlenmelerinde aktif transportla atılım olduğu için 0 derece kinetiği olursa klinisyen yanılabilir. İlacın kan düzeyleri yanıltmamalıdır. Aktif transportta taşıyıcılara afinite nedeniyle yarışmalı taşınım olur. Siyanür gibi ATP tüketen bir zehirlenmede tüm aktif transport sistemi durur. Alüminyum, fosfata aşırı derecede bağlanır. Ancak bir yandan da ATP’yi tüketir. Aktif transport olaylarını bozar. Kolaylaştırılmış Difüzyon; aktif transportun alt kademesidir. Difüzyon gibi yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru geçiş olur, taşıyıcılar vardır, ATP gerektirmez. Kolaylaştırılmış difüzyon basit difüzyondan daha hızlı olur ve daha büyük moleküllerin geçişini sağlar. Şeker ve aminoasidlerin taşınması da bu yolla olur. III. BİYOMEKANİK GEÇİŞ: 1000 daltondan yüksek molekül ağırlığı olan büyük moleküllerin geçişlerinde önemlidir. (örn; botulinum toksini) Enerji ve membranda özel veziküller olmasını gerektirirler. Vücutta her yerdeki membranlarda vezikül yoktur. (örn; beyinde) Fagositoz (katı maddelerin hücre içine alımı), endositoz (Hücre içine alım), ekzositoz (hücre dışına atım), pinositoz (sıvı maddelerin hücre içine alımı) bu şekilde olur. (internalizasyon) Gastrointestinal Yolla Absorbsiyon Zehirlenmeler en çok ağız yoluyla alınan toksik maddelerle olduğu için GI absorbsiyon önem taşımaktadır. pH partisyon hipotezine göre; zayıf asidik yapıda olan ksenobiyotiklerin emilim hızının barsaklara göre (pH:6,6-7,5) göre mideden (pH:1-2) daha hızlı olması beklenir. Zayıf bazik maddelerin ise mideye barsaklardan absorbsiyonu daha fazladır. Ancak yüzey alanı, permeabilite, kan akımı ve geçiş süresi gibi faktörler nedeniyle asidik, bazik ve nötral yapıdaki tüm ksenobiyotiklerin barsaklardan emilimi daha hızlıdır. 4 Toksik maddelerin gastrointestinal kanaldan absorbe olma hız ve derecesinin belirlenmesinde fiziksel özellikler önemli rol oynar. Katı şekildeki toksik maddeler sindirim kanalında önce desentegrasyona uğrarlar. Yani ufak granül ve partiküller haline geçerler sonra bu tanecikler mide ve barsak sıvısında çözünerek (dissolüsyon) absorbe olurlar. Gastrointestinal Absorbsiyonu Etkileyen Faktörler ; 1. Ksenobiyotiğin tüm fizikokimyasal özellikleri: (pKa, iyonizasyon v.b.) 2. Maddenin stabilitesi: Asitte parçalanma, çeşitli pH’lara ve sekresyonlara dayanıklılığı. 3. Ksenobiyotiğin farmasötik şekli: Dissolüse olmuyorsa (çözünemiyorsa) absorbsiyon zor olur. (tablet, sıvı v.b.) 4. GİS kanalının boşalma zamanı: Gastrik boşalma zamanı, mide içeriğinin yarıya inmesi için geçen süredir. Normalde erişkinlerde bu süre 1 saattir. Gastrik boşalmayı geciktiren durumlar; diyabet, ülserasyon, gebelik, yaşlılık, yağlı diyet, vizkoz içecekler, ağır egzersiz, antikolinerjik ilaçlar, çok sıcak besinler, hızlandıran durumlar arasında ise soğuk içecekler, hafif egzersiz, sağ yana yatma, Gİ kanal hastalıkları sayılabilir. Oral alımda; I. Enterohepatik Siklus II. İlk geçişte eliminasyon absorbsiyonu aniden değiştirebilir. Hepatik İlk Geçişte Eliminasyon: İlaçların sistemik dolaşıma yani vena cava inferiora ulaşabilen miktarı biyoyararlanım olarak adlandırılır. Oral uygulamadan sonra sistemik dolaşıma geçebilen ilaç miktarı sadece absorbsiyon özellikleri ile belirlenmez. İntestinal mukoza hücreleri ve karaciğerde biyotransformasyon, safra ile eliminasyon sistemik dolaşıma geçen miktarı etkileyen diğer parametrelerdir. Ksenobiyotiklerin hepatik mekanizmalar ile sistemik dolaşıma geçen miktarının azalması olayına “hepatik ilk geçişte eliminasyon” denir. Bu tip ilaçlarda, parenteral dozdan çok daha yüksek dozda oral doz gerekmektedir. Örnek ; - ASA - Lidokain -Nifedipin - Kortizon - Meperidin - Propranolol - İmipramin - Verapamil -Beta blokörler -Organik nitratlar Enterosit İlk Geçişte Eliminasyon: Ksenobiyotikler bazen karaciğere gelmeden, barsakta enterositlerdeki enzimlerle detoksifiye olur. Bunun sonucu vena porta’ daki ilaç miktarı düşer. İlk kez siklosporinlerle fark edilmiştir. Bazı toksik maddeler ise (örnek; aflatoksin) 5 enterositlerde aktive olmaktadır. Enterositler karaciğer kadar sitokrom p450 enzimleri taşımaktadırlar. P450 enzimleri daha fazla çalışan kişilerde kanserojen etki artmaktadır (barsak tümörü). Enterohepatik Siklus: Karaciğer tarafından metabolize edilen ksenobiyotiğin bir kısmının safra yoluyla ince barsağa atılması, barsaktan tekrar emilerek karaciğere gelmesi ve döngünün giderek azalan şekilde devam etmesidir. Bu durum ksenobiyotiğin etki süresinin uzamasına neden olur. Bu özellikteki ajanlar ile zehirlenmelerde yinelenen dozda aktif kömür verilmesinin nedeni, barsak lümenine safra ile devamlı olarak atılan ilacın tekrar emilimini engellemektir. Bu ajanlara örnek olarak; digoksin, steroidler, morfin, kloramfenikol, oral kontraseptifler verilebilir. Eğer safra yollarında obstruksiyon varsa bu tür ilaçlar kolaylıkla toksik düzeye ulaşabilirler. Polifarmasi uygulamalarında etkileşmeler çok olur. Örneğin; digoksinde alım düzgün olmazsa zehirlenme kolaylıkla olur. Enterohepatik siklusa giren iki ilaç varsa yarılanma ömürleri ilaçların çok uzar. Akciğerlerden Emilim Solunum yolundan inhale edilen toksik maddeler, irritan yada kostik etkileriyle zararlı lokal etkilere neden olabildiği gibi akciğerlerden absorbe olup önemli sistemik toksik etkilere de yol açabilmektedir. Toksik gazlar, aeresol ve tanecikler akciğerlerden emilirler. Toksik maddelerin inhalasyon yoluyla absorbsiyonunda, madde uygun koşullarda ağız veya burun (nazofarenks) soluk borusuna (trakea) akciğerlerden bronş bronşiyollerden alveollere kadar gelerek buradan kan dolaşımına ve lenflere geçer. Alveolar epitelin çok ince ve yüzey alanının çok geniş olması, yüksek kan perfüzyonuna sahip olması akciğerlerin vücuttaki etkin emilim alanlarından biri olmasını sağlar. Ancak solunum sisteminin koruyucu özelliği toksik maddelerin % 80’ inin akciğerlerden klerensini sağlar. Büyüklüğü 2 m den küçük olan maddeler bronşlara takılmadan alveollere ulaşıp kılcal damarlardan absorbe olur. Daha büyük olan toksik maddeler üst solunum yollarında tutulurlar, bunların absorbsiyonları önemsizdir, ancak buralarda birikerek etki gösterirler. Silikat, asbest ve kömür tozlarının bu şekilde birikimleri ile kronik fibrozis oluşur. Toksik maddelerin solunum yolu ile absorbsiyonu çevre toksikoloji açısından önemlidir. Birçok karsinojen madde bu yolla vücuda girer. 6 Deriden Emilim Deride epidermis bölgesinde bulunan ve keratenize hücrelerden oluşan stratum korneum tabakası epidermik bir bariyer olarak birçok kimyasal maddenin geçişini önlemektedir. Epidermisin zedelenmesi ya da ortadan kalkması, inflamasyonlar ve deri kan akımını arttıran nedenler toksik maddelerin deriden absorbsiyonunu arttırır. Deriden absorbsiyonu fazla olan maddeler organik fosfatlı insektisidler, diğer klorlu insektisidler, iyod, ağır metal tuzları, sinir gazı, metanol v.s dir. Ayrıca nikotin gibi alkoloidler, progesteron gibi hormonlar, vitaminler deriden doğrudan absorbe olabilirler. 2. DAĞILIM Emilim sonucunda kana geçen ksenobiyotiklerin, kapillerden damar dışına geçerek interstisyel (interselüler) sıvıya ve etki yerine dağılmasıdır. Doku perfüzyonu, pH, ksenobiyotiklerin fizikokimyasal özellikleri, protein ve dokulara bağlanma afinitesi ve fizyolojik engeller (kan-beyin engeli, plesantal engel) dağılımı etkileyen faktörlerdir. 1. Kandaki dağılım Plazmada ilaçların ve toksik maddelerin taşınması plazma proteinlerine bağlanması sonucu oluşur. Burada ana protein albumindir. Bundan başka, 1 asit glikoprotein, ımmunglobulinler (Ig) ve lipoproteinler de ksenobiyotikleri bağlar. Proteinlere bağlanmanın genel özellikleri; Geri dönüşlüdür Doygunluğa ulaşabilir Bazı ksenobiyotikler kalıcı bağlanma yaparlar. (kovalent bağ yaparlar, kalıcı bir toksisite oluşur) Albumin daha çok asidik maddeleri bağlar. Şayet yer kalırsa bazik maddeleri de bağlar. 1 asit glikoproteinler ise daha çok bazik ilaçları bağlar. Ancak yer olursa asidik maddeleri de bağlar. Ancak yalnızca proteinlere bağlanmamış serbest moleküller plazmadan etki yerine gidebilir ve toksik etkisini gösterebilir. Plazmadaki bağlı toksik madde ile serbest toksik madde arasında ve plazmadaki serbest toksik madde ile etki yeri arasında bir denge vardır. Serbest moleküller kanda azaldıkça bağlı maddenin bir kısmı serbest hale geçer. 7 k1: kimyasal maddenin proteinle bağlanma hızı (assosiasyon hızı) k2: kimyasal maddenin proteinden ayrışma hızı (dissosiasyon hızı) k2 / k1: Dissosiasyon sabiti (Kdiss) Kdiss ne kadar küçükse protein toksik madde bağlanması o kadar dayanıklı demektir. Proteine afinitesi daha fazla olan ksenobiyotiğin diğerini bağlanma yerinden ayırabilmesi için kdiss değeri daha küçük olmalıdır. Bu durumda diğer maddenin serbest fraksiyonu artacağından toksik etkiler oluşturabilir. Bundan başka hipoalbuminemide ilaçların etkinliğinde serbest fraksiyon arttığı için yükselme meydana gelecektir. Bu durum polifarmasi uygulamasında da önemlidir. Örneğin; diyabetik hasta üst solunum yolları enfeksiyonu nedeniyle antibiyotik alınca, oral antidiyabetik albuminden serbestlenir ve hipoglisemik şok meydana gelebilir. Kronik ilaç kullanımında ilave ilaç verilirken dozu azaltılmalıdır. Oral antikoagulanlar, antidiyabetikler, antiepileptikler, lityum, digoksin, metotreksat, furosemid, trisiklik antidepresanlar-imipramin, verapamil gibi ilaçlar terapötik pencereleri çok dar olan ilaçlardır. Örneğin; metotreksat alan bir hastaya aspirin bile vermemek gerekir, çünkü proteinden ayrılıp serbest fraksiyona geçip toksik etki oluşabilir. Albumin, yağ asidlerini de bağlar. Proteine fazlaca bağlanan ilaç verildiğinde yağ asidleri yükselir. Böyle hastalarda kan yağlarını kontrol etmek gerekir. Kanser hastalarında 1 asit glikoproteinler artmaktadır. Buna bağlı olarak bu proteine bağlanan ilaçların etkinliğinde azalma meydana gelmektedir. 2. Dokulardaki dağılım Bazı ksenobiyotikler dokularda hücre içi veya hücre dışı yapılara bağlanarak depo edilirler. Böylece afinitelerinin fazla olduğu dokularda ksenobiyotikler selektif olarak birikir. Bu olaya sekestrasyon denir. Genellikle iyi perfüze olan dokulara (kalp, böbrek, karaciğer...; santral kompartman) ksenobiyotiklerin geçişi az perfüze olan dokulara (kas, yağ, kemik ...; periferik kompartman) göre daha iyi olmaktadır. Flor, kurşun, tetrasiklinler kemikte birikir. Kurşun ve tetrasiklinler için kemik depo görevi yaparken, flor ve stronsiyum kemik dokusunda kronik etkilere sebep olur. Böbrek ve karaciğerde kadmiyumu bağlayan metallothionein proteini bulunur. Karaciğer ve böbrek toksik maddelerin bağlanmasında da önemli bir kapasiteye sahiptir. Paraquat akut zehirlenmelerde başlıca akciğerlerde toplanır. İyot ve iyodürler tiroid bezinde, arsenik keratince zengin dokularda, CO özellikle kandaki hemoglobinde birikir. Lipofilik özelliği fazla olan toksik maddeler örneğin; organik klorlu insektisidler yağ dokusunda depolanırlar. 8 Bu dokularda depolanma toksik maddelerin hedef organdaki konsantrasyonunu düşürmekte ve koruyucu bir mekanizma gibi rol oynamaktadır. Ancak zayıflama ve metabolik değişiklikler gibi yağ mobilizasyonu durumlarında depolardaki toksik maddelerin serbestleşmesi ile zehirlenme belirtileri ortaya çıkabilir. Translokasyon Vücuttaki toksik maddelerin birikim yeri zamanla değişebilir. İlk toplanma yeri bu alandaki kan akımının fazla olması, dokunun toksik maddeye karşı olan yüksek permeabilitesi ve toksik maddenin hemen uygun bir bağlanma bölgesine (protein, doku komponenti veya uygun başka bir biyomolekül) gelmesi ile ilgilidir. Toksik maddelerin ilk birikim yerinden başka bölgelere yeniden dağılması olayına translokasyon denir. Anorganik kurşun birikimi buna en iyi örnektir. İlk absorbsiyonda kurşun hemen eritrositlerde, karaciğer ve böbreklerde toplanır. İki saat içinde karaciğerde % 50’ si toplanır. 1 ay sonra kadar kemik dokusunda (kalsiyumun yerine) birikir. 3. METABOLİZMA (BİYOTRANSFORMASYON) Vücuda giren ksenobiyotiklerin enzimlerin etkisi ile kimyasal değişikliğe uğrayarak yıkım ürünlerine (metabolit) dönüşmesine biyotransformasyon denir. Biyotransformasyon için en önemli organ karaciğer olmakla birlikte akciğer, mide, barsak (mikroflorası ile birlikte), cilt, böbrekler, burun mukozası ve göz de ksenobiyotiklere maruz kalan ve biyotransformasyon yapan organlardır. Biyotransformasyon hızı ve tipi canlının türü, ırkı ve cinsine bağlı olarak değişir. Bu durum toksisiteler arasındaki farklılığı açıklayan bir gerçek olup yaş, cinsiyet ve maruz kalınan diğer kimyasal maddeler de biyotransformasyonu değiştirebilir. Kalp yetmezliği, yaşlılık ve bazı patolojik durumlarda kan perfüzyonu azaldığından, biyotransformasyon oranı düştüğünden, toksik maddelerin detoksikasyonu azalır. Bu nedenle yaşlılar, kalp yetmezliği ve karaciğer fonksiyon yetersizliği olan hastalar toksik maddelere daha duyarlıdır. Metabolizma sonunda ksenobiyotiklerin biyotransformasyonu şu şekillerde sonuçlanabilir, 1. Biyotransformasyon sonucu etkin hale geçen metabolit oluşumu ile: Kortizon (ön ilaç) → Hidrokortizon (etkin metabolit) 2. Hem kendisi hem de metaboliti etkin metabolit oluşumu ile: Aspirin → Salisilik asid 3. Biyotransformasyon sonucu etkisiz metabolit oluşumu ile: Fenitoin → Parahihroksifenitoin 9 4. Biyotransformasyon sonucu toksik metabolit oluşumu ile: Madde Toksik metaboliti Toksik etki Asetaminofen N-asetil benzokinonomin Hepatotoksisite Metil alkol Formaldehit Körlük Asidoz İzoniazid Monoasetilhidrazin Hepatit Lidokain Glisilheksilidid Mental depresyon Kloroform Fosgen Hepatotoksisite Metoksifluran Florür Nefrotoksisite Biyotransformasyon reaksiyonları başlıca iki gruba ayrılır, Faz I Reaksiyonları • Oksidasyon • Redüksiyon • Kopma Faz II Reaksiyonları • Konjugasyon Her zaman bu reaksiyonlar sırayla olmayabilir. Bir ksenobiyotik, değişmeden de vücuttan atılabilir. Faz I reaksiyonlar sonucu daha çok toksifikasyon ve biyoaktivasyon gözlenirken, Faz II reaksiyonlarda daha çok detoksikasyon meydana gelmektedir. FAZ I REAKSİYONLAR 1. Oksidasyon Reaksiyonlar: Ksenobiyotiklerin oksidasyonu, bir substrattan elektronların alınıp, moleküler oksijen veya NAD+ gibi başka bir elektrofilik moleküle transferini içeren biyotransformasyon olayıdır. Toksifikasyon ve biyoaktivasyon açısından en önemli reaksiyonlardır. Oksidasyon olaylarında rol alan enzim sistemleri mikrozomal enzimler, sitozolik enzimler ve ko-oksidasyon enzimleridir. Ancak biyotransformasyon olaylarının % 90 mikrozomal enzimlerle olur. Mikrozomal enzimler aracılıklı oksidasyonda en önemli enzim sistemi sitokrom p450 enzim sistemidir. Bu sistemin karaciğer dışında , insan vücudunda yüzlerce tip izozimi mevcuttur. Ksenobiyotiklerin biyotransformasyonundan sorumlu olan en önemli izozimleri; CYP450 1A1, CYP450 2C9, CYP450 3A4, CYP450 2E1, CYP450 2C10, CYP450 2C19 ve CYP450 2D6’ dir. CYP 3A4 izozimi karaciğerde çok önemlidir. Enterosit ilk geçiş etkiden sorumludur, ayrıca burun mukozasında bol miktarda bulunur. 2C19’da ise genetik mutasyon olma sıklığı çok fazladır. Kişilere göre ilaç etkilerinin farklılıkları bu şekilde ortaya 10 çıkmaktadır. Alkol, sitozolik enzimlerce yıkıma uğrar. Alkol, akut alınırsa CYP450 2E1 inhibisyonu yapar. Kronik alkolizmde ise CYP 2E1 indüklenir. Böylece alkoliklerde ilaçlara karşı tolerans daha fazladır. CYP450 enzim ailesinden başka mikrozomal oksidasyona aracılık eden bir de FMO (flavin mono oksijenaz) enzim sistemi vardır. P450 enzim sistemine benzerler. ER’ da yerleşim gösterirler ve indüklenmezler. Yaygın dağılım gösterirler ve özellikle akciğer ve ciltte fazla miktarlarda bulunurlar. Sitozolik enzimler arasında ise monoamin oksidazlar, alkol ve aldehit dehidrogenazlar sayılabilir. Enzim İndüksiyonu ve Enzim İnhibisyonu Bir enzimin substratı olan bir madde tarafından sentezinin artırılmasına ya da yıkımının yavaşlatılmasına mikrozomal enzim indüksiyonu, enzimin inhibe edilmesine ise enzim inhibisyonu denir. Enzim indüksiyonunun ve enzim inhibisyonunun pratik önemi; Enzim indüksiyonununda; bu enzimler tarafından inaktive edilen ilaç ve maddelerin vücutta yıkımının artması sonucu etkinlikleri azaltır. Enzim inhibisyonunda ise; bir çok ilaç veya maddenin inaktivasyonu önlenerek onların farmakolojik etkileri güçlenir ve plazmadaki düzeyleri toksik düzeye çıkabilir. Eğer kişi toksik bir madde almışsa, toksik maddenin kısa sürede metabolize olup vücuttan atılması için enzim indüksiyonu istenir. Ancak vücutta toksik ürün oluşuyorsa, enzim indüksiyonu asla istenmez. Aksine enzim inhibisyonu istenir. (örn; metanol zehirlenmesinde 11 etil alkol verilerek metanolün metabolizması inhibe edilmeye çalışılır. Böylece, körlük ve ölüme neden olabilen formik asit ve formaldehit oluşumu engellenmeye çalışılır.) Mikrozomal oksidasyon reaksiyonları; 1. Aromatik hidroksilasyon 2. Alifatik hidroksilasyon 3. Dealkilasyon 4. N-oksidasyon 5. Oksidatif deaminasyon 6. S-oksidasyon 7. P-oksidasyon 8. Desülfürasyon 9. Epoksidasyon Mikrozomal olmayan (sitozolik) oksidasyon reaksiyonları; 1. Amin oksidasyonu 2. Alkol ve aldehit dehidrogenasyonları Oksidasyon reaksiyonları esnasında epoksit grubu, elektrofilik ve oldukça tehlikeli ajanlar oluşabilir. Bunlar, organizmanın makromoleküllerine (DNA, RNA, protein, lipid) elektron almak için bağlanırlar. Normal koşullarda vücut bunlarla başa çıkabilir. Ancak fazla miktarda ara ürün epoksit oluşursa tehlikelidir. (Örn; benzen, bromobenzen’e kronik maruziyet gibi, parasetamol zehirlenmesi gibi) Epoksit oluşumu, kalıcı veya geçici toksisiteye neden olabilir. Ko-Oksidasyon Ekstrahepatik oksidasyondur. PG sentetaz ile miyeloperoksidaz gibi peroksidazlar aracılığıyla olan oksidasyondur. Bulunduğu yerler; böbrek, akciğer ve barsaklardır. Prostaglandin Sentetaz yoluyla aktive olan kimyasallar 12 Kimyasal grup Örnek Polisiklik aromatik hidrokarbonlar Benzo(a)piren-7,8-diol Aromatik aminler Benzidin 2-Aminofluren 2-Naftilamin 4-Aminobifenil Aromatik amidler 2-Asetilaminofluren Mikotoksinler Aflatoksin B1 İlaçlar Asetaminofen Dietilstilbestrol Karaciğer, peroksidaz içermez. Analjezik nefropatisinden ko-oksidasyon sorumludur. P450’lerle metabolize olan tüm ilaçlar ekstrahepatik metabolizmaya da uğrarlar. Dumandaki zararlı maddeler, karaciğerde metabolize olmadan önce akciğerlerde peroksidazlarla okside olmaktadırlar. Benzen, karaciğerde okside olarak lösemiye neden olurken, kemik iliğinde de peroksidazlarla oksidasyona girmektedir. 2. Redüksiyon Reaksiyonları: Ksenobiyotikler redüktazlar ile indirgenebilir. Redüksiyon elektronlerın bir substrata transferini içermektedir. Belirli metal ve aldehit, keton, disülfid, sülfoksit, N-oksit, alken, azo ve nitro grubu içeren bileşikler indirgenmiş formda bulunan flavinli ve nikotinamidli koenzimler ve glutatyon gibi ajanlar tarafından invivo enzimatik ve nonenzimatik olarak redüklenebilir. 3. Hidroliz Reaksiyonları (kopma): Birçok ksenobiyotik ester tipi bağlar içerir ve hidrolize maruz kalır. Bu reaksiyonlar esterazlarca olur ve türler arasında faklılıklar gösterirler. Esterazlar, detoksifikasyon açısından çok yararlı reaksiyonlara neden olurlar. Esterazların türler arasında çalışma hızları farklı olduğundan selektif toksisite olayları gelişir. Yani, bazı maddeler bazı türler için toksik etki gösterirken, bazı türler için zararsızdır. Örn; atropin 13 tavşanda atropinaz isimli esteraz tarafından hızla hidrolize edilir. Böylece toksifikasyon görülmez. Ancak insan için aynı şey söylenemez. Esterazlar, aril esterazlar, karboksilesterazlar, asetilesterazlar ve kolinesterazlar olmak üzere 4 grupta toplanabilir. FAZ II REAKSİYONLARI Konjugasyon reaksiyonları da denir. Bazı endojen maddelerin ya doğrudan ksenobiyotiğin kendisine veya Faz I reaksiyonları sonucu ortaya çıkan herhangi bir metabolitine kovalent bağlarla bağlanarak geçirdiği reaksiyonların tümüne konjugasyon, oluşan ürüne de konjugat denir. Faz II reaksiyonları genellikle daha polar, suda çözünür bileşikler meydana getirir. Bu reaksiyonlar genellikle detoksifikasyona yöneliktir. 1. Glukronidasyon: Konjugasyonun en yaygın ve önemli tipidir. Bu reaksiyonu karaciğer ve diğer doku endoplazmik retikulmundaki uridin difosfo glukronil transferaz (UDPGT) ve UDP glukuronik asit katalize eder. 2. Sülfatasyon: Bu reaksiyon karaciğer, böbrek ve barsağın sitozolünde bulunan sülfotransferazlar tarafından katalizlenir. 3. Asetilasyon: N-asetil transferaz enzimi aracılığıyla bir aromatik amin veya hidrazin grubu içeren ksenobiyotik sırasıyla aromatik amid veya hidrazide çevrilir. Koenzim, asetil-CoA’ dır. Orta Doğulularda sık görülen N- asetiltransferazlardaki nokta mutasyonları, antitüberküloz izoniazid gibi ilaçların yavaş asetillenmelerine neden olur. Yavaş asetilleyicilerde, aromatik aminlere bağlı mesane ve kolon kanseri görülme sıklığı daha fazladır. Türk ırkının ise % 62 yavaş asetilleyicidir. 4. Metilasyon: Metil transferaz enzimi tarafından ksenobiyotik S, O ve N-metilasyona uğrarken S-adenozil metiyonin koenzim olarak rol oynar. 5. Aminoasit Konjugasyonu: Aminoasit konjugatları ve koenzim A (KoA) tarafından katalizlenir. Konjugasyonu yapan aminoasit türe ve ksenobiyotiğe göre değişir. 6. Glutatyon Konjugasyonu: Bu önemli konjugasyon glutatyon-S-transferazlar ve kofaktörü glutatyon tarafından gerçekleştirilir. Glutatyon konjugatları sırasıyla enzimatik yarılma ve 14 asetilasyona uğrayarak ksenobiyotiğin N-asetil sistein (merkaptürik asit) türevleri oluşturulur. Bu türevler suda kolay çözünerek atılabilen maddelerdir. Glutatyon, vücudu tüm elektrofilik, halojenli yapılar, epoksitlere karşı korur. Milimolar düzeyde karaciğerde, nanomolar düzeyde karaciğer dışı dokularda bulunur. Glutatyonu glutatyon yapan sisteindir. (Tiyol grubu = SH grubu). Glutatyon havuzu boşaldığında sistein verilince glutatyon oluşur. İlaç Ve Ksenobiyotik Etkisinin Genetik Faktörlere Bağlı Değişimi Genetik faktörlere bağlı olarak ortaya çıkabilen ilaç toksisitesi ve ksenobiyotik detoksifikasyonunda rol alan enzim sistemlerinin yaklaşık yarısının etnik ve bireysel farklılık göstermesi (genetik polimorfizm) farmakogenetik alanındaki çalışmaların önemini arttırmıştır. İlaca karşı alınan cevap bazı hastalıkların tedavisini sağlarken, bazılarında genetik predispozisyon nedeniyle istenmeyen reaksiyonlara hatta kanser dahil olmak üzere bazı hastalıklara neden olabilmektedir. Enzim aktivitesindeki bireysel farklılık advers ilaç reaksiyonuna, ilacın indüklediği hastalıklara ve kimyasallarla indüklenen kanserlere yol açabilir. Sitokrom p450 enzim ailesinden CYP2D6 ve CYP2C19 polimorfizmi ve Faz II reaksiyon enzimlerinden ise asetilasyon, glutatyon ve metilasyon polimorfizmleri önemlidir. CYP450 2D6 enzim ekliği olan yavaş oksitleyicilerde, -adrenoreseptör antagonistleri, antiaritmikler, opiat ve antidepresan etkili ilaçların metabolizması yavaştır. Bu durumun yaratabileceği klinik ve farmakokinetik sonuçlar; ilacın akümülasyonu, toksik metabolit şekillenmesi, terapötik etkide düşüş, ilaç etkileşmesi ve artmış farmakolojik cevap şeklinde ortaya çıkacaktır. Yavaş oksitleyicilerde metabolizması farklılık gösteren ilaç örnekleri: Kardiyovasküler İlaçlar; Propafenon, enkainid, flekainid, spartein, meksiletin, timolol, metoprolol, propranolol, bufuralol, indoramin, debrisokin. Psikotropik İlaçlar; Haloperidol, perfenazin, klozapin, nortriptilin, amitriptilin, klomipramin, desimipramin, imipramin. Diğerleri; Kodein, dekstrometorfan, fenformin, metoksiamfetamin. 4. ATILIM – İTRAH (ELİMİNASYON) Atılım, kimyasal yapısı değişmiş veya değişmemiş ksenobiyotiğin çeşitli yollardan organizmayı terk etmesidir. Atılım ve ksenobiyotik etkisinin sona erdirilmesi açısından önemli olan, değişmemiş ilacın atılımıdır. 15 Böbrek en önemli atılım yoludur. Bunun yanında akciğerler ve safra ile itrah da diğer atılım yolları arasında sayılır. Renal Atılım Böbreklerden ksenobiyotiklerin atılımı glomerüler filtrasyon, tubüler sekresyon ve tubüler reabsorbsiyon ile olur. İdrar pH’ sı değiştirilerek bazı ilaçların renal tubullerde iyonize forma dönüşmesi ve böylece renal tubuler reabsorbsiyonunun azaltılması, itrahının artması sağlanır. Genel olarak yüksek idrar pH’ sında zayıf asitler, düşük idrar pH’ sında zayıf bazlar daha kolay atılır. Akut zehirlenmelerde idrarın pH’ sı toksik maddenin özelliğine bağlı olarak asitleştirilir veya bazikleştirilir. Glomerüler filtrasyon: Glomerüler membranı plazma protein moleküllerinden daha küçük molekülleri geçirir. Ksenobiyotiğin sadece serbest fraksiyonu glomerüler filtrasyona uğrar, albumine bağlı ilaç fraksiyonu ise glomerüler filtrasyona uğramaz. Kinetik olarak pasif difüzyon olayıdır. Glomerül epiteli bol miktarda hücreler arası por içerir. Böbrek korteksinde 1 milyon dolayında glomerül bulunur. Her iki böbrek glomerüllerinden dakikada 1300 ml kan (kalp debisinin 1/5’ine karşılık gelir) geçer. Plazmadaki albumin molekülünden (MA 68000) daha ufak moleküller, Bowman kapsülü içine ve oradanda proksimal tübüllere geçer. Glomerüler filtrasyon hızı: 125-130 ml/dak. (dakikada 125-130 ml sıvı süzülür) 24 satte 190 lt. (130x60x24). Oysa, 24 saatte 1.5 lt. idrar çıkar. Çünkü, glomerüllerden süzülen sıvının %99 kadarı, ultrafiltrat tübüllerden geçerken, en fazlası proksimal tübüllerde olmak üzere, nefronun çeşitli segmentlerinden (henle kıvrımı ve distal tübül) ve toplayıcı kanallardan geri emilir (reabsorbsiyon). Geri emilme oranı, glukoz için %100, ilaçlar için çok daha az, çünkü ilaçların çoğunun kendileri lipofilik olsalar bile, ultrafiltratta lipofilik olmayan metabolitleri bulunur. Tübüler salgılanma (Sekresyon): Bir aktif transport olayıdır ve proksimal tubulus hücreleri içinde olur. Salgılamaya plazmadaki bağlı fraksiyon da katıldığından kapasitesi fazladır. Tubulus hücrelerinde asidik ve bazik ilaçlara ve toksik maddelere özgü iki ayrı taşıyıcı molekülleri vardır. Ksenobiyotiklerin taşıyıcıya bağlanmaları, plazmadaki albumine bağlanmaları gibi, nonselektif şekilde olur. Bu yüzden, anyonik ilaçlar kendi aralarında ‘anyonik taşıyıcıya’ karşı, katyonik ilaçlar kendi aralarında ‘katyonik taşıyıcıya’ karşı yarışırlar. Böylece, bir katyonik ilaç diğer bir katyonik ilacın, bir anyonik ilaç diğer bir anyonik ilacın taşıyıcıya 16 bağlanmasını inhibe edebilir. Ancak, taşıyıcıları farklı olduğundan, bir anyonik ilaç, bir katyonik ilacın salgılanmasını azaltmaz. Anyonik ilaçlardan probenesid, taşıyıcıya sıkı şekilde bağlanır, bunun özel bir önemi vardır. Probenesid, penisilinler ve diğer asidik ilaçların itrahını önemli ölçüde yavaşlatır. Plazma düzeylerini artırır ve yarılanma ömrünü uzatır. Probenesid, anyonik taşıyıcıyı bloke ettiğinden, bu taşıyıcının lümenden, doğal bir metabolit olan ürik asidi geri taşımasını (ürik asid reabs.) inhibe eder. Bu sebeple, hiperürisemili hastalarda ürik asit itrahını artırmak için kullanılır. Ayrıca, aktif transport mekanizmasında taşıyıcı olarak rol oynayan p-glikoprotein adlı molekülde, kinidin, digoksin, kolşisin ve bazı kanser ilaçlarının salgılanma ile itrahını sağlar. Tübüler reabsorbsiyon: Esas olarak bir geri alım yani itrahı azaltan bir olaydır. Genellikle pasif difüzyon yolu ile olur ancak çok az sayıda madde aktif transport ile böbrek tubuluslerinden reabsorbe olur. Liposolübl ve asid nitelikte bazı maddeler, idrarın pH’ sının asidik olmasından dolayı non iyonize durumda bulunurlar. Bu yüzden glomerüler filtrasyondan sonra reabsorbe olurlar. Barbitüratlar gibi asid yapıdaki toksik maddelerle zehirlenmelerde, idrarın pH’ sının artırılması sağlanarak reabsorbsiyonu önlenir. Klerens Kavramı-Renal Klerens Klerens, geniş anlamda, birim zaman zarfında (dakikada) belirli bir maddeden tamamen temizlenen sanal plazma hacmidir. İlaçların eliminasyon hızının bir göstergesidir ve eliminasyon yapan organın çalışmasına bağlıdır. Maddenin karaciğerde inaktive edilerek kandan elimine edilmesi ile ilgili klerense hepatik klerens adı verilir. Renal klerens, metabolize edilmemiş (değişmemiş, aktif) maddenin böbreklerden itrahı yoluyla bir dakikada o ilaçtan temizlenen sanal plazma hacmidir. Total klerens, vücuttaki tüm itrah ve metabolizma organlarından eliminasyon sonucu, birim zaman zarfında maddeden tamamiyle temizlenen plazma hacmidir. Ksenobiyotikler, genellikle hem böbreklerden itrah edilerek ve hem de karaciğerde metabolizma ve safraya itrah suretiyle elimine edilirler. Çeşitli yollardan eliminasyon sonucu ilaç veya toksik maddenin plazmadaki konsantrasyonunun yarıya inmesi için geçen süreye eliminasyon yarılanma ömrü (t1/2) denir. Başlangıç konsantrasyonundan bağımsızdır. Genel olarak eliminasyon yarı ömrünün 10 katına eşit bir sürede ilaç veya toksik maddenin vücuttan tamamen atıldığı kabul edilir. 17 Eliminasyon yarılanma ömrü klerens ile ters orantılıdır. Bir ilaç veya toksik madde ne kadar büyük bir sanal dağılım hacmine (Vd) sahipse (ya da klerensi ne kadar küçükse) vücutta kalış süresi o kadar uzun olur. ( Sanal Dağılım Hacmi (Vd): Toksik maddelerin vücutta plazma konsantrasyonlarına eşit konsantrasyonda dağıldıkları varsayılan sıvı hacmine sanal dağılım hacmi denir. Sadece plazmada dağılırsa; Vd büyük olur. Vücutta dokulara bağlanırsa; Vd büyük olur. Plazma proteinlerine fazla bağlanırsa; Vd küçük olur. ) İki ayrı ilaç veya toksik maddenin klerensinin aynı olması, bunların eşit hızda elimine edilecekleri anlamına gelmez. Eğer Vd’leri farklı ise (çoğu zaman böyledir) Vd’si büyük olan daha düşük hızda elimine edilir ve eliminasyon yarılanma ömrü daha uzundur. İlaçlar mutad tedavi dozlarında verildiklerinde, eliminasyon mekanizmaları ilaçların çoğu için doymamış durumdadır ve 1. Derece kinetiğine uyarlar. İlacın eliminasyon hızı, plazmadaki konsantrasyonu ile orantılı olarak artar. Birçok ilaç için, ancak aşırı dozda verilince, eliminasyon mekanizmaları doygunluğa erişir, eliminasyon hızı sabit hale gelir, yani sıfır derece kinetiğine uymaya başlar. Konsantrasyondaki artmaya ayak uyduramaz. Dozun artması sonucu, ilaç eliminasyonunun uyduğu kinetik şeklinin, bu şekilde değişmesine, nonlineer kinetik (doza bağımlı kinetik) adı verilir. Nonlineer kinetik, akut zehirlenmelerin oluşumunda rol oynar. İlacın eliminasyon yarılanma ömrünün (dolayısıyla vücutta kalma süresinin) alınan dozla kıyaslanamayacak kadar uzun olmasına yol açar. Örnek; Aspirin ağızdan 300 mg. dozunda verildiğinde, t ½ ‘si 3 saat iken, 10 gr. dozda verildiğinde 19 saat olur. Bir ilaç, tedavide kullanılan doz aralığında nonlineer kinetik gösteriyorsa, dozunun ayarlanması güçlük gösterir. Bu ilaçların dozunun artırılması, dikkatli bir şekilde, klinik cevaba veya plazma düzeyi izlenerek yapılmalıdır. Safra Yoluyla Atılım Ksenobiyotikler ve bunların metabolizma ürünleri (özellikle konjugasyon ürünleri) karaciğer hücreleri tarafından safra kanalları içine salgılanırlar, böylece ince barsak içine atılırlar ve feçesle dışarı atılırlar. Safra içinde barsağa gelen madde, buradan tekrar absorbe edilebilir ve enterohepatik dolaşıma katılabilir. Bu itrah yolu, ilaçların çoğu için, genellikle böbrekten itrah kadar etkin bir eliminasyona olanak vermez. Safra yolunun mekanik olarak tıkalı olması ve kolestatik sarılık gibi hepatobiliyer hastalık durumlarında bu yoldan atılan maddeler vücutta yüksek oranda birikebilir. Akciğerlerden Atılım 18 Vücut sıcaklığında gaz olan maddeler kandan alveollere difüzlenerek akciğerlerden elimine olurlar. Kan-hava arasındaki bu geçiş pasif difüzyonla olur ve kanda yeteri derecede uçucu olan bir bileşik kandan alveol havasına geçerek atılır. Akciğerler, fazla kanlanan organlar olduğundan ve alveol çeperi çok geniş bir yüzey oluşturduğundan bu yol ile itrah çok hızlı gerçekleşmektedir. Solunum yolu ile atılan ksenobiyotiklere anestezik gazlar, pestisit fuminantlar (uygulama esnasında gaz oluşturan bileşikler), etileter, benzen örnek olarak verilebilir. Diğer Atılım Yolları Genelde minör atılım yolları olarak tanımlanan bu yollar tükrük, gözyaşı, ter, süt, deridir. Tükrük bezleri; iyodürler, bromürler, lityum gibi inorganik iyonlar, kandaki organik ilaçların serbest fraksiyonu, tükrük bezlerinden salya içine pasif difüzyonla geçebilirler. Bazı ilaçların kan düzeyini izlemek için salyadaki ilaç konsantrasyonu ölçülebilir. Emziren kadında, ilaçlar meme bezleri içindeki süte genellikle pasif difüzyon suretiyle geçerler. Süt içinde itrah edilen miktar, genellikle anneye verilen dozun en fazla % 1-2’ si kadardır. Alkol, diazepam (ve diğer benzodiazepinler), barbitüratlar, meprobamat, antihistaminik ilaçlar sütle bebekte sedasyon yapabilecek miktarda geçebilir. Göz yaşında iyodürlü toksik maddeler elimine olurlar. İyodür, bromür, arsenik gibi mineral toksik maddeler,kafur ve esanslarların atılımı ter bezleri ile olmaktadır. KAYNAKLAR 1. Nevin Vural, A.Ü. Eczacılık Fakültesi Yayınları, 2005 2. Gönül Şahin, Toksikoloji Ders Notları 3. İsmet Dökmeci, Toksikoloji, Zehirlenme Tanı ve Tedavileri, Nobel Tıp Kitabevi, 2001 4. Sibel Özyazgan, Toksikokinetik, İ.Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Sürekli Tıp Eğitimi Etkinlikleri, 2002 5. Ayşe Gelal, Türkiye Klinikleri Farmakoloji, Toksikoloji Özel Sayısı, Ksenobiyotiklerin Emilim, Dağılım ve Eliminasyonları, 2003 19