Toksisitas

• Tujuan utama studi toksisitas adalah untuk mengetahui efek toksis zat/senyawa kimia pada makhluk hidup sekaligus mengetahui derajat amannya.

Pengelompokan bahan toksis bisa berdasarkan: - organ targetnya (hati, jantung, ginjal, dll), • penggunaannya (pestisida, solven, aditif

makanan, dll), • sumbernya (toksin tanaman, hewan), • efeknya (kanker, mutasi gen, kerusakan hati,

dll)• berdasarkan fisiknya (gas, debu, cair), • keperluan labelnya (mudah meledak, mudah

terbakar, oksidiser), • kandungan kimianya (aromatik, hidrokarbon,

dll) • tindak mekanisme biologinya (sulfhidril

inhibitor, produser methemoglobin,dll)

Untuk mengetahui toksisitas bahan kimia perlu diketahui :

• efek yang ditimbulkan,

• dosis yang diperlukan,

• informasi tentang bahan kimia tersebut,

• lama pemaparan

• kondisi subyek.

• Faktor penting dalam pemaparan adalah frekuensi pemberian.

• Suatu dosis tunggal bahan toksik akan menimbulkan efek segera, namun bila dosis tadi dibagi dua dan diberikan berulang akan menimbulkan efek yang kurang, bahkan tidak menimbulkan efek bila diberikan dalam dosis 1/10 dalam waktu beberapa hari.

Terjadinya efek yang terpecah-pecah tersebut karena biotransformasi atau eksresi terjadi dalam dosis berikutnya atau kerusakan yang timbul bisa diperbaiki sebagian atau seluruhnya sebelum diberikan dosis berikutnya.

Efek toksik kronik terjadi bila bahan toksik terakumulasi dalam sistem biologis (absorbsi melebihi biotransformasi dan atau ekskresi), atau menghasilkan efek toksik yang tidak dapat pulih kembali atau tidak cukup waktu bagi sistem biologis untuk melakukan pemulihan dari kerusakan dalam interval frekuensi pemaparan.

Efek dari dua bahan toksik yang diberikan secara bersamaan akan menghasilkan respon :

• aditif dari respon individual bahan toksik • lebih besar/ lebih kecil dari efek yang terjadi.

Efek aditif adalah efek gabungan dari dua bahan kimia sama dengan jumlah dari efek masing-masing bahan (misal 2 + 3 = 5).

• Contohnya bila dua insektisida organofosfat diberikan secara bersamaan, terjadi aditif hambatan cholin esterase.

• Efek sinergistik adalah efek gabungan dari dua bahan kimia melampoi jumlah efek masing-masing bahan toksik (misal 2 + 3 = 20).

• Karbon tetraklorida dan etanol adalah hepatotoksik, kalau diberikan secara bersamaan akan menimbulkan kerusakan hati yang parah.

• Efek potensiasi adalah salah satu bahan kimia tidak mempunyai efek toksik, namun bila ditambahkan pada bahan kimia lain, bahan kimia kedua tersebut menjadi jauh lebih toksik (misal 0 + 2 = 10).

• Isopropanol tidak hepatotoksik, namun bila isopropanol diberikan disamping pemberian karbon tetraklorida, efek hepatotoksik dari karbon tetraklorida jauh lebih tinggi dibanding efek hepatotoksik karbontetraklorida sendiri.

• Antagonisme adalah situasi dimana dua bahan kimia diberikan bersamaan, efeknya saling mempengaruhi, atau satu bahan kimia mempengaruhi bahan kimia lainnya. (misal 4 + 6 = 8, 4 + 0 = 1, 4 + (-4) = 0).

• Efek antagonisme merupakan efek yang dikehendaki dalam toksikologi dan merupakan dasar berbagai antidot.

• Perpindahan bahan toksik dari lingkungan (sumbernya) ke dalam organisme melalui tahap penyerapan zat, perpindahan bahan toksik di dalam badan, perubahan bahan toksik di dalam badan dan dikeluarkan melalui ekskresi. Tahapan tersebut dikenal dengan istilah adsorbsi – distribusi – transformasi – ekskresi.

DISPOSITION OF CHEMICALS

The disposition of chemicals entering the body (from C.D. Klaassen, Casarett and Doull’s Toxicology, 5th ed., New York: McGraw-Hill, 1996).

Dose

Pla

sma

Co

nce

ntr

atio

n

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

2

4

6

8

10

12

TOXIC RANGE

THERAPEUTIC RANGE

SUB-THERAPEUTIC

• Setelah bahan toksik masuk kedalam badan, bahan toksik tersebut beredar keseluruh tubuh mengikuti aliran darah, sistem getah bening dan aliran intraseluler sitoplasma. Sebelum mencapai reseptor (organ target), bahan toksik bisa diadsorpsi oleh komponen tubuh, seperti protein plasma dan jaringan tubuh. Dengan demikian, waktu tinggal bahan tersebut di dalam tubuh menjadi lebih lama.

• Ikatan bahan toksik dengan protein plasma berarti bahwa transpot bahan toksik ke reseptor menjadi lebih cepat. Adsorpsi bahan toksik pada jaringan tertentu dapat pula mengakibatkan jumlah molekul yang mencapai reseptor menjadi lebih kecil.

Bioavailability

Dose

Destroyed in gut

Notabsorbed

Destroyed by gut wall

Destroyedby liver

tosystemiccirculation

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10

Plasma concentration

Time (hours)

i.v. route

oral route

Bioavailability

(AUC)o

(AUC)iv

PrinciplePrinciple

For chemicals taken by routes other than the i.v. route, the extent of absorption and the

bioavailability must be understood in order to determine whether a certain exposure dose will induce toxic effects or not. It will also explain why the same dose may cause toxicity by one

route but not the other.

• Plasma 3.5 liters. (heparin, plasma expanders)

• Extracellular fluid 14 liters.

(tubocurarine, charged polar compounds)

• Total body water 40 liters. (ethanol)

• Transcellular small. CSF, eye, fetus (must pass tight junctions)

Distribution into body compartments

Distribution

• Rapid process relative to absorption and elimination

• Extent depends on - blood flow

- size, M.W. of molecule- lipid solubility and

ionization - plasma protein binding - tissue binding

Distribution

• Initial and later phases:

initial determined by blood flow

later determined by tissue affinity

• Examples of tissues that store chemicals:

fat for highly lipid soluble compounds

bone for lead

Distribution

• Blood Brain Barrier – characteristics:

1. No pores in endothelial membrane

2. Transporter in endothelial cells

3. Glial cells surround endothelial cells

4. Less protein concentration in interstitial fluid

• Passage across Placenta

100-fold increase in free pharmacologically active concentration at site of action.

NON-TOXIC TOXIC

Alter plasma binding of chemicals

1000 molecules

% bound

molecules free

99.9 90.0

100 1

Chemicals appear to distribute in the body as if it were a single compartment. The magnitude of

the chemical’s distribution is given by the apparent volume of distribution (Vd).

Amount of drug in bodyConcentration in Plasma

Vd =

PRINCIPLEPRINCIPLE

Volume of Distribution

Volume into which a drug appears to distribute with a concentration equal to its plasma concentration

Drug L/Kg L/70 kg

Sulfisoxazole 0.16 11.2

Phenytoin 0.63 44.1

Phenobarbital 0.55 38.5

Diazepam 2.4 168

Digoxin 7 490

Examples of apparent Vd’s for some drugs

KID N EYf iltra tion

secretion(reab sorp tion )

LIVERm etabolism

excretion

LU N GSexhalation

OTH ER Sm other's m ilk

sw eat, sa liva etc .

Elim inationof chem icals from the body

• Organ ekskresi yang merupakan jalan pembuangan sisa hasil pertukaran zat dalam tubuh. Zat kimia yang beredar dalam darah biasanya cepat dibuang melalui air seni dengan cara ultrafiltrasi dalam ginjal. Contohnya zat antibiotika. Dalam darah, sebagian zat antibiotika dialirkan ke ginjal untuk dibuang melalui air seni. Contoh lain, trikloretilen yang masuk tubuh melalui jalur inhalasi, mengalami transformasi pada ginjal dan bentuk metabolitnya ( trikloretanol dan asam triklorasetat) dibuang melalui air seni.

• Selain ginjal, jalur ekskresi lain adalah hati – empedu – feses. Hati dan ginjal merupakan sistem ekskresi untuk asam dan basa organik dan beberapa logam berat.

• Beberapa zat toksik yang mudah menguap dan masuk ke paru-paru, secara keseluruhan atau sebagian meninggalkan tubuh melalui jalur yang sama. Contohnya adalah karbonmonoksida dan bermacam bahan pelarut.

Elimination by the Kidney

• Excretion - major1) glomerular filtrationglomerular structure, size constraints, protein binding 2) tubular reabsorption/secretion- acidification/alkalinization,- active transport,

competitive/saturable, organic acids/bases -protein binding

• Metabolism - minor

Nephron Structure

The structure of the nephron (from A.C. Guyton, Textbook of Medical Physiology, Philadelphia, W.B. Saunders Co.; 1991

Elimination by the Liver

• Metabolism - major

1) Phase I and II reactions2) Function: change a lipid soluble to

more water soluble molecule to excrete in kidney

3) Possibility of active metabolites with same or different properties as parent molecule

• Biliary Secretion – active transport, 4 categories

The enterohepatic shunt

Portal circulation

Liver

gall bladder

Gut

Bile

duct

Drug

Biotransformation;glucuronide produced

Bile formation

Hydrolysis bybeta glucuronidase

EXCRETION BY OTHER ROUTES• LUNG - For gases and volatile liquids by diffusion.

Excretion rate depends on partial pressure of gas and blood:air partition coefficient.

• MOTHER’S MILK a) By simple diffusion mostly. Milk has high lipid content and is more acidic than plasma (traps alkaline fat soluble substances). b) Important for 2 reasons: transfer to baby, transfer from animals to humans.

• OTHER SECRETIONS – sweat, saliva, etc.. minor contribution

• Pada hewan menyusui, sekresi susu kadang-kadang dianggap sebagai jalan ekskresi. Contohnya adalah pestisida klorhidrokarbon seperti DDT, aflatoksin B1 (aflatoksin M1).

PrinciplePrinciple

Elimination of chemicals from the body usually follows first

order kinetics with a characteristic half-life (t1/2) and fractional rate constant (Kel).

First Order Elimination

• Clearance: volume of plasma cleared of chemical per unit time.Clearance = Rate of elimination/plasma conc.

• Half-life of elimination: time for plasma conc. to decrease by half.

Useful in estimating: - time to reach steady state concentration.

- time for plasma conc. to fall after exposure stopped.

Rate of elimination = Kel x Amount in bodyRate of elimination = CL x Plasma Concentration

Therefore,Kel x Amount = CL x Concentration

Kel = CL/Vd

0.693/t1/2 = CL/Vd

t1/2 = 0.693 x Vd/CL

PrinciplePrinciple

The half-life of elimination of a chemical (and

its residence in the body) depends on its

clearance and its volume of distribution

t1/2 is proportional to Vd

t1/2 is inversely proportional to CL

t1/2 = 0.693 x Vd/CL

Multiple dosing

• On continuous steady administration of a chemical, plasma concentration will rise fast at first then more slowly and reach a plateau, where:

rate of administration = rate of elimination ie. steady state is reached.

• Therefore, at steady state:Dose (Rate of Administration) = clearance x plasma

conc.or

steady state conc. = Dose/clearance

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25 30

Time

pla

sma

con

c

Cumulation

Toxic level

Single dose

Pharmacokinetic parameters

• Vol of distribution V = DOSE / Co

• Plasma clearance Cl = Kel .Vd

• plasma half-life (t1/2) t1/2 = 0.693 / Kel or directly from graph

• Bioavailability (AUC)x / (AUC)iv

Concentration due to a single dose

Concentration due to repeated doses

The time to reach steady state is ~4 t1/2’s

But Conc. x dt = small area under the curve. For total amount eliminated (which is total given or the

dose if i.v.), add all the small areas = AUC. Dose = CL x AUC and Dose x F = CL x AUC

dX/dt = CL x Conc.

dX = CL x Conc. x dt

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10

Pla

sma

con

cen

trat

ion

Time (hours)

Bioavailability (AUC)o

(AUC)iv=

i.v. route

oral route

Daily Dose (mg/kg)

Pla

sma

Dru

gC

on

cen

trat

ion

(m

g/L

)

0 5 10 150

10

20

30

40

50

60

Variability in Pharmacokinetics

PRINCIPLEPRINCIPLE

The absorption, distribution and elimination of a chemical are

qualitatively similar in all individuals. However, for several reasons, the quantitative aspects

may differ considerably. Each person must be considered

individually and treated accordingly.