Đại cương về độc chất học thú ý

Đại cương về Độc chất học thú y I.Giới thiệu Sử dụng các chất độc đã tồn tại từ khi có con người. Trong các cuộc đi săn và tranh giành giữa các bộ tộc, con người đã biết sử dụng mũi tên độc để giành chiến thắng và ta có thể cho rằng sử dụng độc chất ra đời sau khi con người biết sử dụng mũi tên. Cũng như vậy, đối với sức khỏe của loài người, độc chất cũng đã nhiều tuổi như vi sinh vật gây bệnh. Những loài cây có mạch có thể chúa nhiều loại chất độc đối với côn trùng và các động vật khác. Cây cối cũng đã biết sử dụng chất độc như một vũ khí tự vệ! Ngày nay hàng chục nghìn loại chất độc được phát hiện có ảnh hưởng đến sức khỏe của người và động vật trong khi số lượng các chát có thể giải độc mà chúng ta biết lại chẳng đáng là bao. Hãy tưởng tượng là ta chỉ có hơn 20 loại kháng sinh để chống lại các bệnh truyền nhiễm! Trong y học, chẩn đoán và quản lý nhiễm độc bao gồm những nguyên tắc cơ bản sau: - Xem xét các biểu hiện của nhiễm độc: toxidromes - Sử dụng các phương pháp chẩn đoán: diagnostic tools - Ít tốn kém: financial restraints Trong thú y, việc chẩn đoán và quản lý nhiễm độc có những trở ngại sau: - Đs dạng về đối tượng (nhiều loại động vật) với các biểu hiện khác nhau - Có trường hợp đối tượng bị nhiễm độc do bị cố tình gây hại (ví dụ do mâu thuẫn hay hiềm thù giữa các chủ gia súc). Trường hợp này cũng gặp ở người nhưng ít hơn. - Số lượng đối tượng phải chẩn đoán và điều trị cao (nhiều khi cả một đàn lớn, một trang trại, một khu vực...) - Phải đảm bảo yêu cầu duy trì nguồn thực phẩm an toàn để cung cấp cho người. Các khó khăn trên đồi hỏi các bác sĩ thú y phải nắm vững những kiến thức về độc chất học và các môn học liên quan và luôn luôn tuân thủ nguyên tắc: Điều trị con bệnh chứ không phải chất độc (treat the patient, not the poison). II.Một số khái niệm trong nghiên cứu độc chất 1. Độc chất học là khoa học nghiên cứu về những chất độc và ảnh hưởng của chúng đến các chức năng sinh lý bình thường của cơ thể.Các kiến thức liên quan chặt chẽ nhất đến độc chất học nằm trong các lĩnh vực nghiên cứu về: dược học, toán học, hóa học, sinh thái học, động vật học, thực vật học. 2. LD50 (lethal dose 50): Là liều chất độc gây chết một nửa số động vật quan sát và thường được dùng để cân nhắc về mức độ gây độc tương đối của một chất độc. Nhiều LD50 được ghi nhận khi quan sát trên chuột thí nghiệm. 3. LC50 (lethal concentration 50): Nồng độ của chất độc gây chết một nứa số động vật quan sát. LC50 thường được sử dụng để đánh giá mức độ độc của các chất trong không khí và nước. 4. Tính độc (toxicity) là khái niệm phản ánh đặc tính gây độc. Trong thực tế ta thường dùng các đơn vị như mg/kg (số mg chất độc có thể gây triệu chứng đối với 1kg khối lượng cơ thể). Không nên nhầm lẫn giữa tính gây độc với cơ chế gây độc (toxicosis). 5. Cơ chế gây độc hay cơ chế ảnh hưởng (toxicosis): các triệu chứng lâm sàng khi bị nhiễm độc, các phản ứng sinh lý của cơ thể khi nhiễm chất. III.Các loại chất độc Độc chất học thú y Chất độc ảnh hưởng đến sức khỏe của ngưới và vật nuôi rất phong phú về chủng loại như: các kim loại (đặc biệt là kim loại nặng), nấm độc, các chất độc có nguồn gốc từ thức ăn, thuốc, thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ, chất độc sinh học (chất độc có nguồn gốc thực vật, chất độc có nguồn gốc động vật như côn trùng gây độc hay nọc rắn), chất độc của vi khuẩn. Các yếu tố cần xem xét - Liều lượng: liều quá cao của bất cứ thứ gì đều trở thành độc. Sự đánh giá liều lượng có thể gây độc dựa trên mối quan hệ giữ liều lượng và mức độ phản ứng (thường được biểu diễn bằng đồ thị). Căn cứ vào hình dạng của đồ thị có thể đánh giá được mức độ độc của một chất. - Sự hiện diện của chất độc chưa chắc đã đủ để kết luận là có gây độc. Ví dụ ta phát hiện thấy một loài cây độc trên đồng cỏ nhưng phải có bằng chứng chứng tỏ rằng đàn gia súc của ta ăn loại cây độc đó. - Những con vật khác nhau trong cùng một đàn có thể ăn những loại thức ăn khác nhau. - Đặc tính gây độc phụ thuộc vào cá thể và loài. - Những dấu hiệu nhiễm độc phải có liên quan đến chất độc nghi vấn. Nghiên cứu cơ chế nhiễm độc - Biễn đổi quá trình trao đổi chất của cơ thể sau khi bị chất độc thâm nhập. - Mô tả con đường xâm nhập và lan truyền chất độc trong các cơ quan cũng như quá trình loại thải chất độc khỏi cơ thể. - Nồng độ của chất độc tại một cơ quan nào đó phụ thuộc vào các yếu tố: liều lượng, đặc tính lý hóa của chất độc, quá trình hấp thu của cơ thể, phân bố của đọc chất, ái lực đối với cơ quan đó, tốc độ trao đổi, tốc độ thải trừ. - Những ảnh hưởng sau khi nhiễm độc phụ thuộc vào: loại chất độc và các yếu tố cũng như đặc điểm sinh lý của cơ thể. Các yếu tố về thuộc về cơ thể bao gồm: tuổi, loại cơ quan bị nhiễm độc, các cơ quan chức năng (gan và thận), tinh sthaams của màng, độ pH của mô, loài, giải phẫu - sinh lý hệ tiêu hóa. - Quan sát mối quan hệ giữa thời gian và mức độ gây độc: + Nhiễm độc bậc 0 (zero-order) thường thấy với các loại chất như ethanol, methanol, ethylen glycol, aspirin vơi các đặc điểm: Phụ thuộc vào liều lượng và có trạng thái bão hào, tỷ lệ thải trừ không phụ thuộc vào nồng độ của hóa chất gây độc trong huyết thanh, tốc độ thải trừ là hằng số, đồ thị biểu diễn có dạng tuyến tính. + Nhiễm độc bậc nhất (First-order) với hầu hết các loại thuốc, tỷ lệ thải trừ phụ thuộc vào nồng độ của chất độc trong cơ thể, tỷ lệ thải trừ tính theo phần trăm là hằng số, thời gian bán thải trừ phụ thuộc vào liều lượng của thuốc. Đường biểu diễn logarith nồng độ có dạng tuyến tính. IV.Con đường và cơ chế nhiễm độc 1.Các con đường xâm nhập Phần lớn các chất độc xâm nhập qua đương tiêu hóa hay qua da Tốc độ xâm nhập của chất độc vào cơ thể phụ thuộc vào đường xâm nhập theo thứ tự : đường máu > đường hô hấp > màng phúc mạc > trong cơ > đường miệng > biểu bì da. Sự khác nhau về tốc độ xâm nhập được quyết định bởi các yếu tố như đặc tính lý hóa và sự phức tạp của các lớp cấu tạo của cơ quan. Phòng tránh không cho chất độc xâm nhập được coi là biện pháp tối ưu nhất. Các phương pháp hạn chế bao gồm rửa dạ dày-ruột, dùng than hoạt tính, gây nôn, rửa da vùng tiếp xúc với chất độc... 2.Cơ chế hấp thu nhờ khuyếch tán thụ động Khuyếch tán bị động phụ thuộc vào các yếu tố: - Khả năng thấm qua màng tế bào của chất độc - Màng tế bào có cấu trúc ngăn cản không cho hầu hết các cấu trúc có kích thước lớn đi qua. - Màng tế bào chứa lớp lipid kép với nhiều khe và các protein nằm bên ngoài và xuyên qua màng. Đặc điểm: - Là phương thức xâm nhập của nhiều dược phẩm và chất độc - Không cần năng lượng - Không có trạng thái bão hòa - Các chất hòa tan trong lipid có tốc độ xâm nhập nhanh. - Các chất không bị ion hóa, không phân cực trong dịch cơ thể cũng có khả năng xâm nhập nhanh. Tỷ lệ tương đối giữa phần bị ion hóa và không bị ion hóa của chất độc phụ thuộc vào pH của dịch thể và pKa của chất độc. - Có thể dùng cân bằng Henderson-Hasselbalch mô tả mối tương quan của pH và đặc tính hóa lý của một chất với tôc độ ion hóa của chất đó. 3.Cơ chế hấp thu nhờ vận chuyển chủ động - Yêu cầu năng lượng (đòi hỏi phải có ATP - adenosine triphosphate) để vận chuyển các chất ngược với gradient nồng độ hay màng điện hóa. - Cần các protein vận chuyển (protein mang) - Có trạng thái bão hòa - Vận chuyển có chọn lọc 4.Xâm nhập qua đường dạ dày - ruột - Từ dạ dày và ruột, chất độc phải qua được nhiều hệ thống cấu tạo của cơ thể trước khi có mặt trong hệ tuần hoàn. - Niêm mạc dạ dày ruột liên tiếp với lớp ngoài cơ thể. - Các chất không phân cực hòa tan trong lipid dễ xâm nhập qua đường này. - Đối với các chất phân cực: Các chất có tính acid yếu thường được hấp thụ từ dạ dày; những chất có tính bazơ yếu thường được hấp thụ ở ruột non. - Các chất được hấp thu ở dạ dày - ruột trước hết đến gan (gây ảnh hưởng bước đầu). Ở gan có quá trính giải độc và sản sinh các dẫn chất. - Khuyếch tán thụ động là cơ chế đầu tiên của quá trình xâm nhập qua biểu mô thành dạ dày- ruột. - Một vài chất (như sắt, thallium, cholecalciferol, chì) được hấp thu nhờ hệ thống vận chuyển của chính đường tiêu hóa. - Hấp thu chất độc còn phụ thuộc vào tuổi của động vật. Động vật sơ sinh có hàng rào ngăn cản kém hơn nên chất độc dễ xâm nhập hơn theo đường này. - Các loài khác nhau có mức độ nhiễm chất độc khác nhau do độ pH khác nhau (đường tiêu hóa của các loài nhai lại có tính kiềm cao hơn ở dạ dày đơn); thể tích và tính chất nước bọt khác nhau; đặc điểm giải phẩu khác nhau... Dạ dày kép đồng thời là một kho chứa ở đó cũng sảy ra quá trình hòa tan chất độc, kết hợp với protein ảnh hưởng đến thời gian vận chuyển chất độc. Xâm nhập qua da - Là con đường xâm nhập phổ biến trong thú y. - Da cũng là một cấu trúc phòng vệ cho cơ thể nhờ lớp tế bào biểu bì với vô số tế bào và không có cấu trúc mạch. - Khả năng bảo vệ của da sẽ giảm nếu da bị trầy sước, tổn thương, viêm hay tiếp xúc với các dung môi hữu cơ (dung môi hữu cơ là chất mang cho một sô thuốc trừ sâu). - Khuyêch tán bị động là cơ chế ban đầu của quá trình xâm nhiễm qua da. - Chất độc có thể xâm nhập nhanh hơn qua các lỗ chân lông. Xâm nhập qua đường hô hấp - Khuyếch tán bị động là cơ chế có khởi đầu của đường xâm nhập này. - Là cách xâm nhập quan trọng của các khí độc: carbon monoxide (CO), hydrogen sulfide (H2S), nitrogen dioxide (NO2), carbon dioxide (CO2), khí cyanide. - Chất độc xâm nhập tại các nhánh phế quản nhỏ và các phế nang. - Các phế nang có diện tích tiếp xúc lớn với không khí đồng thời tiếp xúc trực tiếp với thành của các mao mạch , ít cấu trúc phòng vệ nên khí độc dễ xâm nhập vào hệ tuần hoàn. - Các yếu tố ảnh hưởng đến xâm nhập của chất độc bao gồm: khả năng hòa tan của khí độc; dạng khí (dạng hơi hay có các phần tử, kích thước các phần tử khí (nếu kích thước >5 micron sẽ tác động mạnh vào các màng nhầy mũi - thanh quản; kích thước từ 2-5 micron có thể xuống đến các nhánh của cây phế quản; các hạt có kích thước < 1micron có thể xuống đến phế nang và xâm nhập qua thành phế nang. IV.Sự phân bố chất độc trong cơ thể Sau khi xâm nhập vào cơ thể, các chất độc phải đến được các cơ quan mới gây được ảnh hưởng có hại. Sự phân bố chất độc phụ thuộc vào các yếu tố: Lượng dịch thể và máu tuần hoàn tại mô, khả năng hòa tan trong lipid, protein kết hợp (cả protein trong các mô và trong huyết tương), ái lực của mô với chất độc, các hàng rào có chức năng ngăn cản chất độc... Ảnh hưởng của dịch thể - Cơ quan càng có lượng dịch thể tuần hoàn lớn (như dòng máu) càng có nguy cơ tiếp xúc với chất độc. - Các cơ quan có nguy cơ nhiễm độc cao: Thận, gan, não, tim. - Cơ xương (skeletal muscles) có dòng máu tuần hoàn mức trung bình. - Mô mỡ, xương có lượng máu tuần hoàn thấp. Protein kết hợp - Lượng protein kết hợp tỷ lệ nghịch với lượng chất độc ở dạng tự do. - Chất độc thường ở dạng trơ khi kết hợp với protein của huyết tương. - Chất độc ở dạng kết hợp không lọc được tại thận. - Chất độc ở dạng kết hợp với protein có thể được thay thế (bị chiếm chỗ) bởi một chất khác. Ái lực của cơ quan với chất độc - Một số chất độc có ái lực với một hay vài loại mô nhất định. - Chất độc có thể tích tụ lại trong các mô. - Chì có thể tập trung trong xương (tương tự như canxi). - Thuốc trừ sâu có xu hướng tích tụ tại mô mỡ nhiều hơn ở các mô khác. V.Các "hàng rào" ngăn chất độc + Hàng rào máu-não bộ: - Có tác dụng ngăn cản với các chất phân cực; - Ngăn cản chất độc xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương; - Các tế bào nằm giữa tế bào thần kinh và mao mạch (các astrocyte) nằm xung quanh và liên kết chặt chẽ với mao mạch. Ví dụ: Ivermectin thường an toàn với các động vật có vú vì nó không thể xâm nhập từ máu vào não bộ để tác động đến các cơ quan thụ cảm acid gama-aminobutyric (γ-aminobutyric acid (GABA) receptors). Ở giống chó Côli, tác dụng ngăn cản này có hiệu quả thấp hơn nên ivermectin có thể gây độc đối với thần kinh trung ương. + Nhau thai: - Nhau thai có một số lớp tế bào nằm giữa hệ thống tuần hoàn của cơ thể mẹ và của bào thai. - Có sự khác nhau về khả năng ngăn chặn chất độc của nhau thai giữa các loài do kiểu bám dính của nhau con vào tử cung mẹ ở các loài có khác nhau. Lượng chất độc phân bố - Thể tích dịch thể trong một cơ thể (môi trường hòa tan chất độc) tương đương với nồng độ chất độc trong huyết tương. - Lượng chất độc phân bố thực tế (volume of distribution, Vd) biểu thị chính xác hơn và được tính bằng bằng lượng chất độc xâm nhập vào cơ thể chia cho nồng độ của chất độc trong huyết tương (Vd=Amount of toxin in the body/concentration in plasma). - Vd thường lớn hơn thể tích nước của cơ thể. - Vd không phải là một thông số sinh lý - Vd có thể được sử dụng trong ước tính loại thải chất độc. - Nếu Vd lớn (>5L/kg) chứng tỏ nồng độ trong huyết tương thấp, chất độc ở dạng kết hợp hay tập trung tại các mô, khả năng tách chất độc ra khỏi các protein kết hợp thấp (như chất từ cây mao địa hoàng, chất hữu cơ chứa clo, thuốc phiện). - Néu Vd < 1L/kg, nồng độ huyết tương cao, chất độc dễ bị tách khỏi proein và thay thế (rượu, salicylate, theophylline). VI.Bài tiết (thải) chất độc Chất độc có thể được thải ra ngoài cơ thể theo các con đường: Nước tiểu, phân, mật, không khí thở ra, sữa, nước bọt. - Bài tiết chất độc bao gồm quá trình trao đổi và thải chất độc. - Tốc độ thải trừ: thể tích máu hay huyết tương không còn chất độc tính trên một đơn vị thời gian. - Thải trừ chất độc toàn thân: Thể tích máu hay huyết tương không còn chưad chất độc trong một đơn vị thời gian và được thực hiện bởi tất cả các quá trình đào thải chất độc của cơ thể. - Con đường thải trừ quan trọng nhất là nước tiểu và phân. - pH và lưu lượng máu tuần hoàn có thể làm thay đổi thời gian tồn tại của chất độc. - Các biện pháp hỗ trợ và dùng thuốc giải độc có thể giúp làm tăng quá trình đào thải chất độc. Đào thải theo nước tiểu - Quá trình lọc: Các phân tử chất độc không kết hợp với protein và có kích thước nhỏ hơn 60.000 được lọc tại thận. - Thẩm thấu tại các ống thận - Độ pH nước tiểu: các chất axit yếu sẽ có mặt trong nước tiểu có tính kiềm và ngược lại. - Tại các ống thận cũng có các axit và bazơ hữu cơ ảnh hưởng đến sự hiện diện của chất độc trong nước tiểu. Đào thải theo phân - Đóng vai trò quan trọng với các chất xâm nhập theo đường tiêu hóa. - Quá trình đào thải theo phân có tác dụng càng lớn trong trường hợp chất độc không bị hấp thu nhiều ở đường tiêu hóa. - Cơ thể không thể hấp thu 100% lượng chất độc xâm nhập đồng thời dưới tác dụng của các loại dịch như dịch mật, nước bọt, dịch dạ dày, dịch ruột, dịch tụy nên tỷ lệ chất độc xâm nhập sẽ giảm. - Sự thải độc này có thể được tăng cường nếu có mặt của các chất giải độc, than hoạt tính... Dịch mật - Thẩm thấu là cơ chế đầu tiên - Con đường thải trừ đối với các chất độc có phân tử lượng lớn như ivermectin. - Vòng tuần hoàn ruột-gan: Một số chất đi vào dịch mật và quay lại đường tiêu hóa; các vi khuẩn trong dạ dày-ruột tác dụng đến chất độc, chất độc được tái hấp thu tại niêm mạc dạ dày-ruột... Thải theo sữa - Chất độc theo sữa có thể gây hại cho trẻ và gia súc non. - Là vấn đề cần được quan tâm để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. + Ví dụ: nồng độ cho phép của aflatoxin trong sữa <0.05ppb + Sữa được vắt và chế biến tại cùng trang trại được kiểm tra thú y chặt chẽ sẽ hạn chế nhiễm độc cho người. + Kiểm tra vệ sinh đồng cỏ rất quan trọng trong chăn nuôi động vật cho sữa phòng nhiễm độc sữa. - pH của sữa thấp hơn của huyết tương nên sữa có thể giữ các ion. - Lipid trong sữa sẽ tạo điều kiện cho các chất độc hòa tan trong nó có mặt trong sữa (ví dụ DDT, PCB - polychlorinated biphenyl, PBB - polybrominated biphenyl). Thải trừ theo đường hô hấp - Phổ biến với các chất khí - Tốc độ và mức độ thải trừ tỷ lệ nghịch với khả năng hòa tan của chất khí trong máu. Động học của quá trình thải trừ - Có thể dùng các công thức toán học để mô tả các quá trình thải chất độc. - Ít có ý nghĩa đối với các trường hợp nhiễm độc cấp. - Hay được sử dụng trong nhiễm độc mãn tính. TRAO ĐỔI CHẤT ĐỘC (biến đổi sinh học chất độc trong cơ thể) • Mục đích của quá trình này là làm tăng tính hòa tan của chất độc trong nước để tăng cường quá trình thải độc. • Gan là cơ quan đầu tiên tham gia vào quá trình này vì hấu hết các tế bào của gan có khả năng trao đổi chất cao. Tác động giải độc của gan phụ thuộc vào từng cá thể, loài, trạng thái sinh lý của cơ thể. • Kết quả của quá trình trao đổi có thể dẫn đến: Giảm độc tính (như đối với ivermectin) hoặc làm tăng tính độc do tạo ra dẫn chất gây độc mạnh hơn (như paraoxon được tạo ra khi nhiễm độc parathion; aflatoxin B1 apoxit từ aflatoxin B1). • Quá trình trao đổi bao gồm hai giai đoạn (hai pha): Giai đoạn I làm phá vỡ các liên kết hóa học hay tách các nhóm hoạt tính để tạo ví trí thích hợp trong phân tử chất độc. Giai đoạn II diễn ra quá trình kết hợp, tăng tính hòa tan và có khả năng thải trừ. Giai đoạn I - Quá trình tác động thông qua P450 P450 là nhóm các enzyme trên màng ty thể P450 được chứa trong các microsome (các túi có nguồn gốc ribosome hay các từ màng tế bào... sau khi ly tâm) Những quá trình sau sau thường diễn ra thông qua P450: oxidation, reduction, hydroxylation, dealkylation, epoxidation, déulfuration, sulfoxidation. - Tác động không thông qua P450 Giai đoạn II - Diễn ra các phản ứng tổng hợp - Cần cung cấp năng lượng - Các quá trình hóa học: glucoronidation, sulfation, glutathione conjugation, acetylation, amino acid conjugation, methylation. "Bắt" ion Sau khi chất độc được hấp thu đến trạng thái bão hòa trong huyết tương sẽ diễn sự can bằng chất độc tại các mô có ái lực với nó. Trong cơ thể có nhiều laọi màng ngăn cách giữa các xoang chứa dịch. Các dịch thể trong các xoang khác nhau có pH khác nhau. Các vị trí có thể sảy ra quá trình thiết lập cân bằng tại màng: Tuyến sữa, phổi, ống thận. Biểu mô tuyến sữa có hàng rào lipid ngăn cách huyết tương (pH=7,4) với sữa (pH=6,5-6,8) Sự chênh lệch này tạo điều kiện để kháng sinh đến tuyến vú để phát huy tác dụng. Mức ion hóa sẽ ảnh hưởng đến nồng độ tương đối của các chất trong sữa. VII.Đơn vị tính trong nghiên cứu độc chất Đơn vị ppm và ppb • Hai đơn vị thươngd dùng khi tính toán nồng độc chất độc là đơn vị ppm (parts per million) và ppb (parts per billion). • ppm và ppb được dùng trong các báo cáo, tài liệu phân tích độc chất. • Các nhân viên phân tích và tính toán có thể quy đổi (hay suy luận) từ nồng độ ppm và ppb ra các số liệu có ý nghĩa trong chẩn đoán lâm sàng. • Một ppm được hiểu là một phần của chất cần phân tích trên một triệu phần của mẫu phân tích (mẫu phân tích có thể là thức ăn, nước uống, mẫu đất). • Có thể quy đổi 1ppm = 1mg/kg = 1µg/g • Từ đó ta có thể ghi nhớ 1mg/kg = 1ppm • Như vậy, có mới liên hệ trực tiếp giữa đơn vị ppm và nồng độ phần trăm. 1 ppm = 1 mg/kg 1 ppm = 0.000001 1 ppm = 0.0001% • Từ nồng độ phần trăm chuyển sang ppm ta chỉ cần dịch dấu phẩn về phía PHẢI 4 chữ số. • Từ ppm chuyển về nồng độ phần trăm chỉ cần dịch dấu phẩy về phía TRÁI 4 chữ số. (ppm luôn luôn lớn hơn nồng độ %) • Nồng độ ppb có mối liên hệ với nồng độ % tương tự như ppm. • 1 ppb là một phần chất cần phân tích trên một tỷ phần mẫu phân tích. • 1 ppb = 1µg/kg Quy đổi % • Tỷ lệ phần trăm có thể được tính theo khối lượng %(weight/weight) hay %(w/w) : số gam chất cần phân tích trong 100 gam mẫu phân tích: %(w/w) = (số gam chất phân tích / số gam mẫu) X 100 • Phần trăm khối lượng/thể tích %(weight/volume) hay %(w/v). %(w/v) = (số gam chất cần phân tích / 100 ml mẫu phân tích) X 100