Fisk akut toxicitetssyndrom
| Fisk akut toxicitetssyndrom | |
|---|---|
| Specialitet | Veterinärmedicin |
Fisks akuta toxicitetssyndrom ( FATS ) är en uppsättning vanliga kemiska och funktionella reaktioner hos fisk som är ett resultat av en kortvarig, akut exponering för en dödlig koncentration av ett giftämne , en kemikalie eller ett material som kan ge en ogynnsam effekt i en levande organism. Per definition kännetecknas verkningssätt av FATS eftersom kombinationen av vanliga svar som representerar varje fisks akuta toxicitetssyndrom karakteriserar en negativ biologisk effekt. Därför framkallar giftämnen som har samma verkningssätt liknande uppsättningar av reaktioner i organismen och kan klassificeras av samma fisk akuta toxicitetssyndrom.
Bakgrund
Under 1970-talet ökade den storskaliga produktionen av kemikalier dramatiskt, vilket initierade ny lagstiftning för att lugna allmänhetens oro för potentiella skadliga effekter. Efter implementeringen av Toxic Substances Control Act 1977 krävde US Environmental Protection Agency ( USEPA ) att kemikalier, nya och befintliga, skulle bedömas med avseende på risker för människors hälsa och ekologiska system. Eftersom tusentals nya kemikalier registreras per år är det viktigt att använda en screeningteknik som förutsäger kemikaliers toxicitet på ett konsekvent och effektivt sätt. Som ett resultat av detta fokuserade forskare inom området toxikologi på utvecklingen av QSAR-modeller som ett sätt att bedöma toxiska effekter av kemikalier i fisk.
Inom toxikologi är metoden kvantitativ struktur-aktivitetsrelation (QSAR) en metod för att förutsäga toxicitet baserat på egenskaperna och strukturen hos ett giftämne. Denna metod har utvecklats under antagandet att en grupp kemikalier, med liknande strukturella komponenter, kommer att resultera i liknande toxiska effekter på grund av att de har samma aktivitet eller verkningssätt . Med andra ord är toxiciteten hos en kemikalie direkt relaterad till kemikaliens struktur. Därför används QSAR för att skapa prediktiva datorprogram och modeller för att korrelera struktur och aktivitet hos kemikalier. Sammantaget är målet att hjälpa till med toxikologi genom att tillhandahålla databaser och prediktiva modeller för att klassificera giftiga ämnen efter verkningssätt samt uppskatta akut toxicitet för en kemikalie. För att använda QSAR-metoden måste forskare upprätta en pool av variabler som ska beaktas i denna modelleringsprocessen. QSAR-modeller är differentierade efter grupper av kemikalier som kännetecknas av ett gemensamt verkningssätt. Det finns dock begränsade data tillgängliga om definierade samband mellan toxiska reaktioner och kemikalier med kända verkningsmekanismer. Följaktligen har toxikologer fokuserat på utvecklingen av FATS för att definiera dessa svar för att bättre förutsäga verkningssätt. Detta tillvägagångssätt fokuserar på att gruppera kemiska och funktionella reaktioner på ett sätt så att enskilda kemikalier med kända verkningssätt kan separeras i specifika FATS. Sammantaget hjälper FATS QSAR-modeller genom att tillhandahålla ett systematiskt sätt att definiera och förutsäga handlingssätt.
Bestämning
1987 började McKim och kollegor en serie experiment för att karakterisera FATS. Dessa experiment involverade helfisk in vivo- analyser. Djuren som användes i dessa experiment var regnbåge ( Oncorhynchus mykiss tidigare känd som Salmo gairdneri ). Fisken opererades före exponeringen för att implantera respiratoriska och kardiovaskulära övervakningsanordningar och immobilisera dem. Under experimentet hölls fiskarna i en andningsmetabolismkammare av plexiglas, som var fylld med Lake Superior-vatten. Vattentemperaturen bibehölls under experimentens varaktighet och andra vattenkvalitetsparametrar (pH, total hårdhet, alkalinitet och surhet) registrerades en gång.
De giftiga ämnen som användes i dessa experiment valdes för att de hade ett känt verkningssätt . Det enda undantaget från detta var narkotikan. McKim et al. och Bradbury et al. använde föreningar kända för att vara narkotika, och med en diskriminerande funktionsanalys Bradbury et al. och kollegor identifierade två separata narkossyndrom, I och II, som motsvarar opolära respektive polära narkotika. Genom att använda föreningar med kända verkningssätt kan dessa forskare utveckla uppsättningar av andnings-kardiovaskulära reaktioner som är unika för ett visst verkningssätt.
användes två narkotika, trikainmetansulfonat och 1-oktanol , och två frikopplare för oxidativ fosforylering , pentaklorfenol och 2,4-dinitrofenol . Under det andra experimentet utvärderades acetylkolinesterashämmare och luftvägsirriterande ämnen. Acetylkolinesterashämmarna var ett organofosfat, Malathion och ett karbamat , Carbaryl . De luftvägsirriterande ämnena var akrolein och bensaldehyd . I del tre av experimentserien utvärderades polära narkotika fenol , 2,4-dimetylfenol, anilin , 2-kloranilin och 4-kloranilin . I det sista experimentet analyserades krampanfall i centrala nervsystemet. Dessa inkluderade en acetylkolinesterashämmare, Chlorpyrifos ; två pyretroida insekticider, fenvalerat och cypermetrin ; två cyklodieninsekticider, Endrin och Endosulfan ; och en rodenticid , Strychnine . Exponeringens varaktighet berodde på experimentet, men intervallet var från 24 till 48 timmar. Exponering resulterade därför i akut toxicitet . Regnbåge exponerades för en 24- till 48-timmars dödlig koncentration av giftämnet. De respiratoriska och kardiovaskulära reaktionerna som övervakades under exponeringen var hosthastighet, ventilationshastighet, ventilationsvolym, total syreförbrukning, syreanvändning, hjärtfrekvens, arteriellt blodtryck, arteriellt blodsyre, arteriellt blodkoldioxid, arteriellt blod pH, hematokrit, hemoglobin, elektrokardiogram, plasmajoner (kalcium, magnesium, kalium, natrium och klorid) och osmolalitet. Fördosvärden erhölls före exponeringen. Svaren mättes med två timmars intervall under exponeringen, förutom blodparametrar, som mättes var fjärde till åttonde timme, och blodjoner, som mättes strax före döden.
Med hjälp av resultaten från experimentet karakteriserades sedan varje giftämne av en uppsättning andnings-kardiovaskulära svar. Statistiska analyser användes för att fastställa signifikanta skillnader i svar mellan toxiska ämnen med olika verkningssätt. Slutligen, eftersom varje giftämne hade ett känt verkningssätt, karakteriserade uppsättningen av reaktioner verkningssättet.
Typer
Ospecifik
Narkos
- Narkos Narkos hänvisar till den allmänna minskningen av biologisk aktivitet från exponering för ett ospecifikt verkande toxiskt ämne. Giftiga ämnen som framkallar narkos är kända som narkotika eller bedövningsmedel. Alkohol är ett exempel på narkotika och kan resultera i berusning, en form av narkos. Med hjälp av FATS-metoden kan forskare förutsäga toxicitet genom att bedöma reaktioner som framkallas av narkotika.
Narkotika är en mångfald av kemikalier inklusive: inerta gaser, alifatiska och aromatiska kolväten, klorerade kolväten, alkoholer, etrar, ketoner, aldehyder, svaga syror och baser samt alifatiska nitroföreningar. Även om narkos kan induceras av ett brett spektrum av kemiska medel, finns det några kemikalier som inte anses vara narkotika. Detta inkluderar kemikalier som: bildar irreversibla bindningar genom elektrofil reaktion; aktiveras metaboliskt av elektrofiler ; bildar Schiff-baser med aminogrupper; och vilken typ av Michael-acceptor som helst . I allmänhet är narkotika icke-reaktiva.
Många organiska kemikalier i tillräckligt höga koncentrationer inducerar narkotiska symtom. De flesta giftämnen kan alltså betraktas som narkotika. Baslinjetoxicitet, eller lägsta toxicitet, används ofta för att hänvisa till narkos eftersom detta verkningssätt anses vara den minimala effekten. QSAR-modeller används ofta för att förutsäga minimi- eller baslinjetoxicitet för kemikalier som verkar genom ospecifika mekanismer.
Verkningsmekanismer
Narkos är ett reversibelt tillstånd som anses ospecifikt eftersom en enda verkningsmekanism ännu inte har fastställts. Även om mekanismerna för narkos förblir oklara, tyder nuvarande teorier på att narkos är förknippat med förändrad struktur och funktion hos cellmembran. The Critical-Volume Hypothesis teoretiserar att symtom på narkos beror på att det giftiga medlet löses upp i lipidkomponenten i ett cellmembran. Detta resulterar i en ökad volym av cellmembran och följaktligen förändrad membranstruktur och funktion. Proteinbindningsteorin antyder att ett narkotikum binder till receptorer på den hydrofoba regionen av cellulära membranproteiner. I båda teorierna är cellmembranen måltavla av narkotika vilket resulterar i nedsatt funktionalitet, narkos.
Symtom
Allmänna reaktioner på narkotika inkluderar: letargi, medvetslöshet och övergripande depression i andnings- och kardiovaskulär aktivitet. Narkos kan leda till dödsfall genom ospecifika, ihållande symtom. I de sista faserna av narkos observerade McKim och kollegor vävnadshypoxi, generaliserad förlust av andnings-kardiovaskulär funktion och slutligen andningsförlamning. Till exempel uppvisade regnbåge som exponerats för två narkotika, MS-222 och 1-oktanol, en mängd olika andnings- och kardiovaskulära reaktioner. De narkotiska symtomen inkluderade: förlust av reaktion på yttre stimuli, förlust av jämvikt, minskning av andningsfrekvens och märgkollaps.
Narkos I och narkos II
Studier har föreslagit att det finns två distinkta verkningssätt för narkos: narkos I och narkos II. Narkos I induceras av opolära föreningar medan narkos II avser polära föreningar. Om polära och opolära narkotika inducerade samma effekter, bör baseline-narkosmodeller kunna exakt förutsäga toxicitet för båda grupperna av kemikalier. Emellertid har polära föreningar uppvisat större toxicitet än vad som förutspåtts av baslinjetoxicitetsmodeller. Denna skillnad i toxicitet mellan opolära och polära narkotika stödjer teorin att två separata verkningsmekanismer finns för de olika narkossätten.
Baserat på QSAR-metoden kan skillnader i den kemiska strukturen användas för att förutsäga giftiga ämnens aktivitet. Polariteten hos giftiga ämnen kan användas för att differentiera narkotiska verkningssätt i de två grupperna: narkos I och narkos II. Vid narkos I inducerade opolära kemikalier generaliserad depression av andnings-kardiovaskulära svar. I narkos II resulterar polära kemikalier först i ökad aktivitet. Det unika svaret av narcosis II stöds av forskning utförd på regnbåge. När den exponerades för polardroger uppvisade regnbåge först ökad muskelaktivitet följt av inkoordination och okänslighet för yttre stimuli.
Generellt kännetecknas narkos II av större toxicitet än narkos I. Baseline-narkosmodeller bör därför användas för att förutsäga toxiciteten hos icke-polära narkotika. Dessutom är narkos I en generaliserad depression av biologisk aktivitet. Däremot inkluderar narkos II-symtom stimulering av respiratoriska-kardiovaskulära svar följt av generaliserad depression av aktivitet.
Specifik
- Frikopplare av oxidativ fosforylering*AChE-hämmare
- Irriterande
- CNS-anfallsmedel
- Andningsblockerare*Dioxiner
Ett toxiskt ämne som uppvisar ett specifikt verkningssätt binder till ett ställe på en viss biologisk molekyl och förändrar eller hämmar därigenom en biologisk process. I jämförelse, ett giftigt ämne som uppvisar ospecifik verkan, även kallat narkotika, undertrycker helt enkelt den biologiska aktiviteten på okända sätt. Forskare är fortfarande osäkra på vilken plats ett eller flera narkotiska medel binder till och vilka biokemiska svar som blir resultatet. Specifik verkan är unik i jämförelse med icke-specifik genom att relativt lägre mängder giftigt ämne behövs för att framkalla ett svar. Eftersom lägre koncentrationer av giftiga ämnen behövs för att framkalla ett svar, ses vanligtvis specifika verkningssätt före ospecifika verkningssätt. Men i slutändan, med tillräckligt höga koncentrationer, är de flesta giftämnen narkotiska (visar icke-specifika verkningssätt).
Det finns en mängd FATS med specifika verkan som har studerats och dokumenterats. Dessa inkluderar acetylkolinesteras (AChE)-hämmare, irriterande ämnen i luftvägarna , andningsblockerare, dioxin , anfallsmedel i centrala nervsystemet och frikopplare av oxidativ fosforylering. Acetylkolinesteras , ett enzym som bryter ned acetylkolin, en viktig signalsubstans , har visat sig hämmas av särskilda toxiska ämnen som organofosfater och karbamater. Luftvägsirriterande ämnen binder till andningsvävnadsmembran, som är de första vävnadsmembranen som är tillgängliga för exponering. Andningsblockerare är kända för att påverka elektrontransportkedjan i cellernas mitokondrier . Kramper från centrala nervsystemet är förknippade med effekter som partiella eller hela kroppen anfall och hosta. Dioxin anses ha ett annat verkningssätt än de andra, men har inte studerats med FATS-metoden.
Frikopplare av oxidativ fosforylering
Frikopplare av oxidativ fosforylering är specifikt verkande giftiga ämnen. Oxidativ fosforylering är en kopplingsreaktion där ATP syntetiseras från fosfatgrupper med hjälp av energi som erhålls från oxidations-reduktionsreaktionerna i den mitokondriella elektrontransportkedjan. ATP-produktion är mycket viktig eftersom det i huvudsak är energivalutan i biologiska system. Under normala omständigheter producerar oxidations-reduktionsreaktioner i den mitokondriella elektrontransportkedjan energi. Denna energi används för att transportera protoner över det inre mitokondriella membranet, från mitokondriematrisen in i det inre membranutrymmet. Detta skapar en pH- gradient där förhållandena är sura (dvs. högre koncentrationer av protoner) i det inre membranutrymmet, och mer basiska (dvs. låga koncentrationer av protoner) i mitokondriematrisen. På grund av denna gradient passerar protoner genom ATPase , ett protein inbäddat i det inre mitokondriella membranet, ner i koncentrationsgradienten, in i den mitokondriella matrisen som driver produktionen av ATP.
Frikopplare av oxidativ fosforylering stör produktionen av ATP. De gör det genom att binda till protonerna i det inre membranutrymmet och skjuta in dem i mitokondriella matrisen. Därför bryts den kemiska gradienten som driver ATP-syntesen ner och energiproduktionen saktar ner. Syreförbrukningen ökar för att motverka effekterna av låg ATP-produktion. Mjölksyrakoncentrationerna ökar också när vävnader övergår till anaerob metabolism som förgiftar mitokondrierna.
Kardiovaskulära-respiratoriska svar associerade med exponering för frikopplare av oxidativ fosforylering, som bestämts av FATS-experimentet, är följande. Sammantaget ökade ämnesomsättningen så snabba och kontinuerliga ökningar av ventilationsvolym och syreförbrukning observerades. Ändringar i ventilationshastighet eller syreanvändning observerades dock inte. Detta innebär att fisken ökade vattenflödet över sina gälar, men syreavlägsnandet från vattnet hölls i en konstant hastighet. Syreförbrukningen ökade dock i den mitokondriella elektrontransportkedjan, i ett försök att reproducera protongradienten och stimulera ATP-produktion. Giftmedlet fortsatte dock att bryta ner protongradienten, vilket oundvikligen ledde till dödlighet.
Ansökningar
Som tidigare nämnts har FATS använts för att etablera modeller som förutsäger kemikaliers toxicitet. Till exempel används FATS-data för att utveckla för kvantitativa struktur-aktivitetsrelationer ( QSAR). QSAR-modeller utvecklade med hjälp av FATS-data används sedan för att etablera datorbaserade system som förutsäger toxicitet. Till exempel använde Russom och kollegor Fathead Minnow (Pimephales promelas) 96-timmars akuta toxicitetstestdata, FATS-data och QSARs för att skapa ett datorbaserat expertsystem som förutsäger kemisk toxicitet baserat på kemiska strukturer och egenskaper. Dessa modeller och system är användbara för att screena kemikalier för att prioritera mer giftiga ämnen för ytterligare toxicitetstester. Detta är särskilt användbart för industrikemikalier med okänd toxicitet. Detta på grund av mängden industrikemikalier med okänd toxicitet, för vilka individuella toxicitetstester inte är realistiska. Dessutom är modeller och datorsystem som förutsäger toxicitet också kostnadseffektiva i jämförelse med att köra toxicitetstester på alla okända kemikalier. Sammanfattningsvis är prediktiva screeningtekniker härledda från FATS-data praktiska och kostnadseffektiva.