Környezetszennyező gyógyszerek ökotoxicitás predikciójának nehézségei . 30

Mivel, ahogy azt már említettük, a gyógyszerek ökotoxikológiai hatására vonatkozóan csupán a molekulák <1%-nál áll rendelkezésre kísérletes adat, igen nagy jelentősége van a toxicitás fizikai-kémiai jellemzők alapján, QSAR-összefüggések segítségével történő becslésének. E megközelítését elméletben lehetővé teszi, hogy a megfelelő fizikai-kémiai paraméterek (pl. megoszlási hányados, pKa) értékeinek ismeretében a különböző vegyületek biológiai hatásmódját és karakterisztikus effektív koncentrációit (pl. EC₅₀) prediktálják.

Ezen prediktív elemzések a szerves vegyületeket négy alapvető hatásmódú osztályba sorolják: az aspecfikus hatású i) apoláros és ii) poláros narkotikumok csoportjába, iii) a reaktív vegyületek és végül iv) a specifikusan ható kemikáliák csoportjába. Az első osztály tagjai biológiai hatásukat tejesen aspecifikus módon fejtik ki, így toxicitásuk szinte kizárólag a szerves és a vizes fázis közötti megoszlási hányadosuktól (logKo/w) függ. Ez egyúttal azt is jelenti, hogy QSAR-elemzés segítségével valamennyi vegyület alap toxicitása („baseline toxicity”) meghatározható a megoszlási hányados ismeretében (101). A poláros narkózist előidéző vegyületek hatása szintén aspecifikus, azonban toxicitásuk valamivel (kb. 5-10-szer) jelentősebb, mint az a megoszlási hányadosuk alapján becsülhető, ami feltehetően a bennük található poláros funkciós csoportok jelenlétével magyarázható (102). A reaktív vegyületek toxicitása szintén meghaladja a becsült „baseline” toxicitást (kb. 10-10⁴-szer), aminek oka, hogy e komponensek nem szelektív módon reakciókba lépnek a sejtben található biomolekulákkal (pl. egy adott funkciócsoporttal). Ugyanakkor molekuláris szinten az ide tartozó anyagok e reakciói molekuláris szempontból igen változatosak lehetnek. Végezetül a specifikusan ható molekulák azok, amelyek hatásukat valamilyen receptoron fehérjén keresztül fejtik ki s hatásuk szintén kb. 10-10⁴-szerese a „baseline” toxicitásnak (55).

E látszólag egyszerű besorolás számtalan tisztázásra szoruló kérdést vet fel. Például milyen molekuláris szintű mechanizmusok eredményezik a narkotikus hatást?

Általánosan elfogadott, hogy a folyamat a szennyezőanyagok plazmamembránban való

akkumulációja révén, a membránműködés megzavarásán keresztül zajlik (103).

Azonban még így is számtalan lehetséges mód képzelhető el: pl. megváltozhat a membrán fluiditása, morfológiája, a lipid komponensek egymással, ill. fehérjékkel való interakciója (104). Sőt Franks és Lieb „baseline” toxicitást mutató komponensek esetében is leírt specifikus, receptorokon keresztül megvalósuló hatásokat (105).

Emellett a QSAR-összefüggések megbízhatósága függhet az alkalmazott organizmustól és végponttól. Rudzok és munkatársai pl. 17 xenobiotikumot, köztük a diklofenákot vizsgálva gyenge korrelációt tapasztalt a molekulák megoszlási hányadosa és citotoxikus hatása között a Tetrahymenán, míg a HepG2 sejteken egyátalán nem sikerült korrelációt kimutatni (106). Az ugyancsak gyógyszerhatóanyag propranolol egy 5 módszerből álló tesztpanelben 4 assay-ben a megoszlási hányadosa alapján becsült toxicitással megegyező erősségű hatást mutatott, azonban az 5. tesztben a vártnál jóval erőteljesebb, specifikus hatásmódra utaló toxicitást fejtett ki (107). Ugyanezen tesztekben az ösztradiol, az ibuprofén és a szulfametoxazol toxikus hatása viszont mindenhol megfelelt a QSAR alapján prediktált intenzitásnak. Ráadásul a gyógyszerek biológiai aktivitásukat sok esetben nem kizárólag egy molekuláris célpontra hatva fejtik ki. Például a metoprolol szelektív 1-adrenerg receptor antagonista és a propranolol nem szeletív -blokkoló esetében is leírtak adrenoreceptor független hatásmechanizmusokat is (108; 109). E példákból is látszik, hogy a gyógyszerek ökotoxicitásának reális megítélése pusztán a fizikai-kémiai jellemzőkre alapozva számos nehézségbe ütközik. Nem kerülhetők meg tehát teljes egészében az in vitro és in vivo kísérletek útján szerzett adatok.

Ráadásul a környezeti szennyező gyógyszerhatóanyagok ökotoxikológiai kockázatelemzését rendkívül megnehezíti, hogy a gyógyszerek nem egyedileg, hanem egy komplex keverék tagjaiként vannak jelen a vízi környezetben. Ezáltal egymás hatását módosíthatják: szinergista kölcsönhatások révén fokozhatják vagy antagonista kölcsönhatás révén csökkenthetik. A kialakuló interakciók lehetnek akár fizikai-kémiai természetűek, amivel pl. egymás oldódását, biológiailag hozzáférhető koncentrációját, vagy farmakokinetikáját befolyásolják, de lehetnek biokémiai jellegűek is, pl.

kompetíció a receptorért, enzimért. A keverékek együttes hatásának becslésére használt leggyakoribb matematikai modelleket az alábbi fejezet foglalja össze.

1.2.5.1. A keverékek globális hatásának becslésére alkalmazott modellek

Mivel a környezetben előforduló szennyezőanyag-elegyek összetétele időben és térben jelentősen változhat, sok esetben nem lehetséges a keverékek toxikus hatásának közvetlen mérése. Ha azonban ismertek az egyedi komponensek, jó alternatívát jelenthet az anyagok egyedi toxikus hatása alapján extrapolálni. A keverékek várható toxicitásának predikciójára több koncepció is született, amelyek közül a vízi ökotoxikológia területén főleg két modell terjedt el (103; 110).

A koncentráció addíciós modell az azonos hatásmechanizmusú szerek keverékeinek toxikus hatását írja le. Szűkebb értelemben az azonos hatásmechanizmus azonos molekuláris célpontot jelent. Tágabb értelemben viszont jelentheti, hogy két anyag képes ugyanazt a típusú választ eredményezni, pl. a tesztorganizmus halálát.

Legegyszerűbb esete, ha a komponensek egymás higított változatainak tekinthetőek és ugyanaz a hatás elérhető az egyik anyagnak – részben vagy egészben – a másikra történő kicserélésével. Matematikai formalizálása:

ahol n az elegy összetevőinek száma, ECxi az i-edik komponens önállóan x%-os hatást eredményező koncentrációja, ci pedig ugyanezen komponens elegybeli koncentrációja.

Valamennyi ci/ECxi) hányados az adott komponens keverékbeli relatív toxicitását fejezi ki, ezért toxikus egységnek (TE) is nevezik. Következésképp az elegy komponensei egymással mindaddig szabadon felcserélhetőek az elegy hatásának megváltozása nélkül, amíg a TE-k száma állandó marad (110).

Farmakológiai megalapozottságának köszönhetően, a koncentráció addíciós koncepció a legáltalánosabban elfogadott modell elegyek toxicitásának perdikciójára. Például az apoláris narkózis típusú, teljesen nemspecifikus hatásmóddal rendelkező kemikáliák keverékeinek toxicitását jól prediktálta (55). A vízi szennyező gyógyszerek közül pl. a diklofenák és az ibuprofén ilyen apoláris narkotikus hatásmóddal hatott mind a Daphnia immobilizációs tesztben, mind a Desmodesmus és Lemna alga növekedési tesztekben.

Továbbá a két hatóanyag keverékei által kiváltott toxicitást valamennyi assay típusban megfelelő pontossággal prediktálta a koncentráció addíciós modell (103). Altenburger és munkatársai 50, szintén narkózis típusú hatásmóddal rendelkező szerves vegyület

keverékeinek toxicitását modellezték QSAR segítségével és azt találták, hogy a koncentráció addíciós modell (kb. 10%-os hiba mellett) megfelelő első közelítést adott a keverékek toxicitásának predikciójára (111).

A keverék komponenseinek független hatásán alapuló válasz addíciós koncepció lényegesen kevésbé elterjedt a vízi ökotoxikológiában (112). E modellben az egyes anyagok hatása abban az értelemben független egymástól, hogy a szerek más molekuláris célpontokon, vagy más élettani rendszereken keresztül hatnak az élőlényben. Matematikai formalizálása:

ahol E(c_Mix) az n komponensű elegy hatását fejezi ki 0 és 1 között, c_Mix a keverék teljes koncentrációja, ci az i-edik komponens aktuális koncentrációja, E(ci) pedig az ehhez tartozó egyénileg létrehozott hatás erőssége.

Habár a fenti két koncepció a szennyező anyagok széles körére viszonylag gyors és pontos első közelítést tud adni, bonyolultabb, sok komponenst tartalmazó keverékek esetében a precízebb eredmény érdekében szükség lehet a modellek finomítására vagy alternatív megközelítésekre. Több esetben a koncentráció additív modellhez képesti eltérés viszonylag egyértelmű koncentráció függését írták le. Például a Tetrahymena thermophila viabilitását a Cd, Cu és Zn alacsony összkoncentrációjú kétkomponensű keverékei kevésbé csökkentették, mint azt az additív együttes hatás alapján várták. A magas összkoncentrációjú keverékekben azonban az additív együttes hatás alapján vártnál erősebb toxicitást tapasztaltak (113). Hasonló eredményekről számoltak be az NSAID diklofenák, az antibiotikum triklozán és a nikkel keverékeinek citotoxikus hatásaival kapcsolatban, amit a humán hepatóma HepG2 sejtvonalon vizsgáltak. Míg a diklofenák és a triklozán kétkomponensű keverékeiben érvényesült a koncentráció addíció, addig a nikkel jelenlétében alacsony koncentrációkban antagonista, magas koncentrációkban szinergista kölcsönhatás alakult ki (114). Ugyanakkor találunk olyan példákat is az irodalomban, ahol a megfigyelt kölcsönhatás típusok komplex koncentráció függő mintázatot mutattak, amelyet nem lehetett egyszerű és általános érvényű, extrapolációra alkalmas kvantitatív összefüggéssel jellemezni. Ilyen eredményt írtak le pl. 13 környezeti szempontból releváns gyógyszerhatóanyag (pl. ibuprofén, szulfametoxazol, linkomicin stb.) citotoxikus hatását vizsgálva E. colin, humán

embrionális (HEK293) sejtvonalon, valamint ösztrogénfüggő tumor (OVCAR3) sejtvonalon. A kapott eredmények azt mutatták, hogy bizonyos esetekben az egyes gyógyszerek egymás hatását szinergista módon erősítették, tehát az egyik gyógyszer a másikra nézve kemoszenzitizálta a modell sejteket. E hatások azonban igen komplex koncentrációfüggést mutattak.