Dictaat Toxicologie
Door Erik Meijer
Introductie
Toxicologie is de studie van de nadelige effecten van chemische stoffen in levende organismen. De
toxiciteit van een stof wordt bepaald door drie hoofdfactoren namelijk dosering, chemie en
biologie. Er zijn verschillende velden in de toxicologie. Bij de mechanistische toxicologie wordt er
gekeken naar het mechanisme achter de toxiciteit van moleculen. Als tweede is er de beschrijvende
toxicologie waarbij er wordt gekeken naar de concentraties waarbij stoffen toxisch zijn. Als derde is
er de regulatoire toxicologie waarbij er aan de hand van wetenschappelijke kennis regulaties
worden opgesteld omtrent moleculen. Deze drie velden vormen samen de risicobeoordeling van
medicijnen. Bij medicijnen moet er altijd een afweging gemaakt worden tussen de farmacologische
effecten en de toxische effecten. Het is voor medicijnen ook van belang of het acuut (op korte
termijn) of chronisch (op lange termijn) wordt toegediend. Een belangrijke oorzaak voor het falen
van medicijnen in het ontwikkelingsproces zijn de bijwerkingen.
De kans dat een medicijn succesvol op de markt komt na het ondergaan van alle
onderzoekstrajecten is slechts zo’n 15%. Er zijn meerdere redenen voor dit lage slagingspercentage.
Allereerst is het begrip van humane pathofysiologie gebrekkig. In muizen weet men goed wat er
gebeurt met medicijnen, echter in de mens is dit toch anders en wordt nog niet altijd goed
begrepen. Een tweede reden is de effectiviteit van het medicijn. Wanneer een medicijn geen of een
laag significant effect heeft op het klinische ziekteproces dan kan besloten worden om de
ontwikkeling stop te zetten. Als derde is er de toxiciteit. Op het moment is namelijk de veiligheid op
lange termijn nog vrij onvoorspelbaar en dit leidt in sommige gevallen tot het stopzetten van de
ontwikkeling van medicijnen. De vierde reden is dat de biobeschikbaarheid en stabiliteit van het
medicijn soms slecht voorspelt kunnen worden. De laatste reden is het metabolisme van het
medicijn. De interacties tussen medicijnen en metabolieten zijn slecht te voorspellen. Er wordt veel
onderzoek gedaan naar deze problemen om betere voorspellingen te kunnen maken van het gedrag
van geneesmiddelen in het lichaam.
De mechanismen achter toxiciteit kunnen onderverdeeld worden in verschillende groepen.
Allereerst is er on-target toxiciteit. Dit is de toxiciteit die wordt veroorzaakt door modulatie van het
primaire farmacologische doelwit, zoals een receptor of een enzym. Dit hoeft niet persé in het
doelweefsel van het medicijn te zijn, maar kan ook in een ander weefsel in het lichaam plaatsvinden.
Het tweede type is de off-target toxiciteit. Dit zijn bijwerkingen als gevolg van interactie van het
geneesmiddel met andere targets dan het therapeutische target. De derde categorie is
hypersensitiviteit. Hierbij is er overgevoeligheid voor een medicijn door ongewenste reacties van
het normale immuunsysteem. Als vierde klasse is er bioactivatie. Hierbij leidt de omzetting van een
geneesmiddel tot toxische metabolieten. Als laatste is er idiosyncratische toxiciteit. Dit is een vorm
van toxiciteit die maar zeer zelden voorkomt (minder dan 1:10,000 mensen). Deze categorie schaart
eigenlijk alle uitzonderingen op de andere vier categorieën onder zich. Een vorm van
idiosyncratische toxiciteit treedt bijvoorbeeld op wanneer een individu een bepaald enzym niet
heeft waardoor een toxisch geneesmiddel of metaboliet niet afgebroken kan worden.
Wanneer een medicijn of zijn metabolieten toxische effecten heeft is er sprake van een molecular
initiation event (MIE). De effecten die veroorzaakt worden zijn te categoriseren onder acute
effecten, zoals acuut orgaanfalen, medium termijneffecten, zoals imuunreacties en ontstekingen, en
lange termijneffecten, zoals kanker, allergie en veroudering.
,Een MIE begint bij chemische blootstelling aan een molecuul. Hierdoor vindt er een vindt er een
verstoring plaats in de homeostase van cellen. Deze verstoring kan in zowel signalering als in
metabolisme zijn. De cel zal proberen om deze verstoring op te lossen door antioxidanten aan te
maken. Wanneer echter de concentratie hoog genoeg is komt de cel bij een breekpunt aan. De cel is
niet in staat om homeostase te herstellen en hierdoor besluit de cel om zichzelf uit te schakelen
door middel van apoptose. Hoe meer dode cellen, hoe meer schade er is aan het weefsel en hoe
hoger de orgaan toxiciteit.
,De drie factoren die de frequentie en ernst van bijwerkingen bepalen zijn de farmacokinetiek,
scheikunde en biologie. De farmacokinetiek beschrijft de concentratie van een medicijn in het
lichaam. Vervolgens gaat dit medicijn interacties aan met allerlei moleculen, zoals receptoren en
enzymen. Dit wordt bepaald door de scheikunde van het medicijn en het doelwit. Vervolgens
veroorzaakt de interactie een bepaald effect. Deze effect wordt bepaald door de biologie. Er zijn een
aantal termen die het causale verband tussen blootstelling en effect weergeven. De eerste is No
Observable Effect Level (NOEL). Dit is de grensconcentratie waarbij er geen waarneembaar effect is
van het medicijn. De tweede is No Observable Adverse Effect Level (NOAEL). Dit is de
grensconcentratie waarbij het medicijn geen waarneembaar nadelig effect heeft. De derde is de
Lethal Dose 50% (LD50). Dit is de dosering van het medicijn waarbij 50% van de testorganismen
sterft. Deze concentratie wordt tegenwoordig niet meer bepaald, omdat het dierenleed te groot is.
De vierde term is Toxic Dose 50% (TD50). Dit is de toegediende dosis waarbij 50% van de
testorganismen toxiciteit vertoont. De laatste term is Toxic Concentration 50% (TC50). Dit is de
medicijnconcentratie waarbij 50% van het systeem van het testorganisme toxiciteit ondergaat.
Om deze termen te kunnen bepalen worden er dosis-
responsgrafieken gemaakt. De respons is een alles of niets variabele.
Dit kunnen effecten zijn als dood, tumorinductie, verlaging van
lichaamstemperatuur, leverbeschadiging, etc. Alle proefdieren of
proefpersonen ontvangen dezelfde lage dosis. Elk individu waarbij een
respons wordt waargenomen verlaat het experiment. De
overgebleven groep krijgt een hogere dosis toegediend en dit wordt
herhaalt tot er geen individuen meer
over zijn. Vervolgens kan een grafiek
zoals hiernaast gemaakt worden.
Meestal wordt de aanname gemaakt
dat individuen die reageren op een lage
dosis ook zullen reageren op een hogere dosis. Met deze aanname
kan een cumulatieve dosis-responsgrafiek gemaakt worden. Deze
grafiek is representatief voor hoeveel mensen bij een bepaalde dosis
zullen reageren. Zie voorbeeld hiernaast. In veel gevallen zijn er
individuen die pas bij hoge concentraties een
effect ondervinden. Om deze reden wordt de
cumulatieve dosis-responsgrafiek ook wel op een semi-logschaal geplot. De
dosis waarbij er geen effect wordt gemeten is de NOEL. De NOAEL is gelijk
aan of groter dan de NOEL. Zie afbeelding hiernaast.
Er wordt in de toxicologie onderscheid gemaakt tussen gevaar (Hazard) en
risico (Risk). Een stof heeft een bepaald gevaar, maar vormt pas een risico
wanneer het organisme of een specifiek orgaan hieraan wordt blootgesteld
(exposure).
Bij het ontwikkelen van geneesmiddelen vormen de niet-specifieke interacties vaak de grootste
problemen als het gaat om bijwerkingen. Specificiteit van een medicijn is dus erg belangrijk. Je moet
jezelf dus altijd afvragen of het medicijn bindt aan het verwachte doelwit, welke andere receptoren
worden beïnvloed, welke andere enzymen worden beïnvloed, en wat het effect is van off target
binding. Er zijn drie categorieën die selectiviteit weergeven namelijk selective (alleen interactie met
het beoogde target), medium (interactie met weinig targets) en promiscuous (interactie met
meerdere targets).
, Om de biologische effecten van een geneesmiddel te bepalen, wordt er gebruik gemaakt van in
silico assays (computermodellen), in vitro assays (samples onderzocht in een lab) en in vivo assays
(in levende organismen). Voordat een nieuw geneesmiddel in een fase I klinische trial mag worden
gebruikt, zijn verschillende pre-klinische toxiciteitsstudies vereist. Het onderzoek dat moet worden
uitgevoerd, is beschreven in een internationale richtlijn die ontwikkeld is tijdens de Internationale
Conferentie over Harmonisatie (ICH) van technische eisen voor de registratie van geneesmiddelen
voor menselijk gebruik. De richtlijnen voor pre-klinische studies staan in ICH-onderwerp M3. De
richtlijnen worden gebruikt in Japan (PMDA), de EU (EMU) en de VS (FDA). Er moet onderzoek
gedaan worden naar de toxiciteit van een eenmalige toediening, naar de toxiciteit met herhaalde
dosis, naar ontwikkeling en reproductietoxiciteit, genotoxiciteit, carcinogeniteit, lokale
weefseltolerantie, neurotoxicologie, farmacologie en eventuele speciale aanvullende onderzoeken
zoals immunotoxicologie. Het aantal in vivo studies dat moet worden uitgevoerd in proefdieren is
men steeds meer aan het terugdringen.
Cardiotoxiciteit
Het hart staat bloot aan allerlei stress van zowel binnenuit als buitenaf. De extrensieke stress die het
hart ondervindt kan worden veroorzaakt door medicijnen, natuurlijke producten en gifstoffen uit de
omgeving. De intrinsieke stress kan worden veroorzaakt door toxische metabolieten die bij de
stofwisseling plaatsvinden of door een onbalans in secundaire neurohormonen, zoals een
overproductie van ontstekingshormonen die veroorzaakt wordt door een hoge bloeddruk. Deze
blootstelling aan die stress kan leiden tot verstoringen in de biochemie, celstructuur en celfunctie,
en mogelijk zelfs hartfalen. Dit is te zien aan
veranderingen in het hartritme, of door hypertrofie
(vergroting van het hart), of uiteindelijk zelfs een
hartaanval. Het hart is een grote spier waarvan de
onderdelen op de afbeelding hiernaast te zien zijn.
Het hart bestaat voornamelijk uit hartspiercellen
gebundeld in cardiomyocyten, waardoor het in
staat is om samen te trekken. De
cardiomyocyten hebben eigenschappen die
ervoor zorgen dat het hart gevoelig is voor
schade. Myocyten bestaan uit myofibrillen die
bestaan uit myosine en actine filamenten. De
filamenten zorgen ervoor dat myofibrillen
kunnen samentrekken. De myocyten werken zo
goed samen dat het hart als een geheel
spierelement kan worden gezien. De myocyten
zitten namelijk in syncytium waarbij ze aan
elkaar verbonden zijn via intercalated disks die
GAP junctions bevatten die de propagatie van
het actiepotentiaal door het hart mogelijk
maken. De myofibrillen vormen zo’n 50% van
Door Erik Meijer
Introductie
Toxicologie is de studie van de nadelige effecten van chemische stoffen in levende organismen. De
toxiciteit van een stof wordt bepaald door drie hoofdfactoren namelijk dosering, chemie en
biologie. Er zijn verschillende velden in de toxicologie. Bij de mechanistische toxicologie wordt er
gekeken naar het mechanisme achter de toxiciteit van moleculen. Als tweede is er de beschrijvende
toxicologie waarbij er wordt gekeken naar de concentraties waarbij stoffen toxisch zijn. Als derde is
er de regulatoire toxicologie waarbij er aan de hand van wetenschappelijke kennis regulaties
worden opgesteld omtrent moleculen. Deze drie velden vormen samen de risicobeoordeling van
medicijnen. Bij medicijnen moet er altijd een afweging gemaakt worden tussen de farmacologische
effecten en de toxische effecten. Het is voor medicijnen ook van belang of het acuut (op korte
termijn) of chronisch (op lange termijn) wordt toegediend. Een belangrijke oorzaak voor het falen
van medicijnen in het ontwikkelingsproces zijn de bijwerkingen.
De kans dat een medicijn succesvol op de markt komt na het ondergaan van alle
onderzoekstrajecten is slechts zo’n 15%. Er zijn meerdere redenen voor dit lage slagingspercentage.
Allereerst is het begrip van humane pathofysiologie gebrekkig. In muizen weet men goed wat er
gebeurt met medicijnen, echter in de mens is dit toch anders en wordt nog niet altijd goed
begrepen. Een tweede reden is de effectiviteit van het medicijn. Wanneer een medicijn geen of een
laag significant effect heeft op het klinische ziekteproces dan kan besloten worden om de
ontwikkeling stop te zetten. Als derde is er de toxiciteit. Op het moment is namelijk de veiligheid op
lange termijn nog vrij onvoorspelbaar en dit leidt in sommige gevallen tot het stopzetten van de
ontwikkeling van medicijnen. De vierde reden is dat de biobeschikbaarheid en stabiliteit van het
medicijn soms slecht voorspelt kunnen worden. De laatste reden is het metabolisme van het
medicijn. De interacties tussen medicijnen en metabolieten zijn slecht te voorspellen. Er wordt veel
onderzoek gedaan naar deze problemen om betere voorspellingen te kunnen maken van het gedrag
van geneesmiddelen in het lichaam.
De mechanismen achter toxiciteit kunnen onderverdeeld worden in verschillende groepen.
Allereerst is er on-target toxiciteit. Dit is de toxiciteit die wordt veroorzaakt door modulatie van het
primaire farmacologische doelwit, zoals een receptor of een enzym. Dit hoeft niet persé in het
doelweefsel van het medicijn te zijn, maar kan ook in een ander weefsel in het lichaam plaatsvinden.
Het tweede type is de off-target toxiciteit. Dit zijn bijwerkingen als gevolg van interactie van het
geneesmiddel met andere targets dan het therapeutische target. De derde categorie is
hypersensitiviteit. Hierbij is er overgevoeligheid voor een medicijn door ongewenste reacties van
het normale immuunsysteem. Als vierde klasse is er bioactivatie. Hierbij leidt de omzetting van een
geneesmiddel tot toxische metabolieten. Als laatste is er idiosyncratische toxiciteit. Dit is een vorm
van toxiciteit die maar zeer zelden voorkomt (minder dan 1:10,000 mensen). Deze categorie schaart
eigenlijk alle uitzonderingen op de andere vier categorieën onder zich. Een vorm van
idiosyncratische toxiciteit treedt bijvoorbeeld op wanneer een individu een bepaald enzym niet
heeft waardoor een toxisch geneesmiddel of metaboliet niet afgebroken kan worden.
Wanneer een medicijn of zijn metabolieten toxische effecten heeft is er sprake van een molecular
initiation event (MIE). De effecten die veroorzaakt worden zijn te categoriseren onder acute
effecten, zoals acuut orgaanfalen, medium termijneffecten, zoals imuunreacties en ontstekingen, en
lange termijneffecten, zoals kanker, allergie en veroudering.
,Een MIE begint bij chemische blootstelling aan een molecuul. Hierdoor vindt er een vindt er een
verstoring plaats in de homeostase van cellen. Deze verstoring kan in zowel signalering als in
metabolisme zijn. De cel zal proberen om deze verstoring op te lossen door antioxidanten aan te
maken. Wanneer echter de concentratie hoog genoeg is komt de cel bij een breekpunt aan. De cel is
niet in staat om homeostase te herstellen en hierdoor besluit de cel om zichzelf uit te schakelen
door middel van apoptose. Hoe meer dode cellen, hoe meer schade er is aan het weefsel en hoe
hoger de orgaan toxiciteit.
,De drie factoren die de frequentie en ernst van bijwerkingen bepalen zijn de farmacokinetiek,
scheikunde en biologie. De farmacokinetiek beschrijft de concentratie van een medicijn in het
lichaam. Vervolgens gaat dit medicijn interacties aan met allerlei moleculen, zoals receptoren en
enzymen. Dit wordt bepaald door de scheikunde van het medicijn en het doelwit. Vervolgens
veroorzaakt de interactie een bepaald effect. Deze effect wordt bepaald door de biologie. Er zijn een
aantal termen die het causale verband tussen blootstelling en effect weergeven. De eerste is No
Observable Effect Level (NOEL). Dit is de grensconcentratie waarbij er geen waarneembaar effect is
van het medicijn. De tweede is No Observable Adverse Effect Level (NOAEL). Dit is de
grensconcentratie waarbij het medicijn geen waarneembaar nadelig effect heeft. De derde is de
Lethal Dose 50% (LD50). Dit is de dosering van het medicijn waarbij 50% van de testorganismen
sterft. Deze concentratie wordt tegenwoordig niet meer bepaald, omdat het dierenleed te groot is.
De vierde term is Toxic Dose 50% (TD50). Dit is de toegediende dosis waarbij 50% van de
testorganismen toxiciteit vertoont. De laatste term is Toxic Concentration 50% (TC50). Dit is de
medicijnconcentratie waarbij 50% van het systeem van het testorganisme toxiciteit ondergaat.
Om deze termen te kunnen bepalen worden er dosis-
responsgrafieken gemaakt. De respons is een alles of niets variabele.
Dit kunnen effecten zijn als dood, tumorinductie, verlaging van
lichaamstemperatuur, leverbeschadiging, etc. Alle proefdieren of
proefpersonen ontvangen dezelfde lage dosis. Elk individu waarbij een
respons wordt waargenomen verlaat het experiment. De
overgebleven groep krijgt een hogere dosis toegediend en dit wordt
herhaalt tot er geen individuen meer
over zijn. Vervolgens kan een grafiek
zoals hiernaast gemaakt worden.
Meestal wordt de aanname gemaakt
dat individuen die reageren op een lage
dosis ook zullen reageren op een hogere dosis. Met deze aanname
kan een cumulatieve dosis-responsgrafiek gemaakt worden. Deze
grafiek is representatief voor hoeveel mensen bij een bepaalde dosis
zullen reageren. Zie voorbeeld hiernaast. In veel gevallen zijn er
individuen die pas bij hoge concentraties een
effect ondervinden. Om deze reden wordt de
cumulatieve dosis-responsgrafiek ook wel op een semi-logschaal geplot. De
dosis waarbij er geen effect wordt gemeten is de NOEL. De NOAEL is gelijk
aan of groter dan de NOEL. Zie afbeelding hiernaast.
Er wordt in de toxicologie onderscheid gemaakt tussen gevaar (Hazard) en
risico (Risk). Een stof heeft een bepaald gevaar, maar vormt pas een risico
wanneer het organisme of een specifiek orgaan hieraan wordt blootgesteld
(exposure).
Bij het ontwikkelen van geneesmiddelen vormen de niet-specifieke interacties vaak de grootste
problemen als het gaat om bijwerkingen. Specificiteit van een medicijn is dus erg belangrijk. Je moet
jezelf dus altijd afvragen of het medicijn bindt aan het verwachte doelwit, welke andere receptoren
worden beïnvloed, welke andere enzymen worden beïnvloed, en wat het effect is van off target
binding. Er zijn drie categorieën die selectiviteit weergeven namelijk selective (alleen interactie met
het beoogde target), medium (interactie met weinig targets) en promiscuous (interactie met
meerdere targets).
, Om de biologische effecten van een geneesmiddel te bepalen, wordt er gebruik gemaakt van in
silico assays (computermodellen), in vitro assays (samples onderzocht in een lab) en in vivo assays
(in levende organismen). Voordat een nieuw geneesmiddel in een fase I klinische trial mag worden
gebruikt, zijn verschillende pre-klinische toxiciteitsstudies vereist. Het onderzoek dat moet worden
uitgevoerd, is beschreven in een internationale richtlijn die ontwikkeld is tijdens de Internationale
Conferentie over Harmonisatie (ICH) van technische eisen voor de registratie van geneesmiddelen
voor menselijk gebruik. De richtlijnen voor pre-klinische studies staan in ICH-onderwerp M3. De
richtlijnen worden gebruikt in Japan (PMDA), de EU (EMU) en de VS (FDA). Er moet onderzoek
gedaan worden naar de toxiciteit van een eenmalige toediening, naar de toxiciteit met herhaalde
dosis, naar ontwikkeling en reproductietoxiciteit, genotoxiciteit, carcinogeniteit, lokale
weefseltolerantie, neurotoxicologie, farmacologie en eventuele speciale aanvullende onderzoeken
zoals immunotoxicologie. Het aantal in vivo studies dat moet worden uitgevoerd in proefdieren is
men steeds meer aan het terugdringen.
Cardiotoxiciteit
Het hart staat bloot aan allerlei stress van zowel binnenuit als buitenaf. De extrensieke stress die het
hart ondervindt kan worden veroorzaakt door medicijnen, natuurlijke producten en gifstoffen uit de
omgeving. De intrinsieke stress kan worden veroorzaakt door toxische metabolieten die bij de
stofwisseling plaatsvinden of door een onbalans in secundaire neurohormonen, zoals een
overproductie van ontstekingshormonen die veroorzaakt wordt door een hoge bloeddruk. Deze
blootstelling aan die stress kan leiden tot verstoringen in de biochemie, celstructuur en celfunctie,
en mogelijk zelfs hartfalen. Dit is te zien aan
veranderingen in het hartritme, of door hypertrofie
(vergroting van het hart), of uiteindelijk zelfs een
hartaanval. Het hart is een grote spier waarvan de
onderdelen op de afbeelding hiernaast te zien zijn.
Het hart bestaat voornamelijk uit hartspiercellen
gebundeld in cardiomyocyten, waardoor het in
staat is om samen te trekken. De
cardiomyocyten hebben eigenschappen die
ervoor zorgen dat het hart gevoelig is voor
schade. Myocyten bestaan uit myofibrillen die
bestaan uit myosine en actine filamenten. De
filamenten zorgen ervoor dat myofibrillen
kunnen samentrekken. De myocyten werken zo
goed samen dat het hart als een geheel
spierelement kan worden gezien. De myocyten
zitten namelijk in syncytium waarbij ze aan
elkaar verbonden zijn via intercalated disks die
GAP junctions bevatten die de propagatie van
het actiepotentiaal door het hart mogelijk
maken. De myofibrillen vormen zo’n 50% van
