Toksikologia

Ympäristötoksikologian tehtävänä on lisätä ymmärrystä ympäristön kemiallisten, fysikaalisten ja biologisten altisteiden vaikutuksista elävään organismiin. Organismit altistuvat jatkuvasti erilaisille kemikaaleille ilman, veden, maaperän ja ruoan kautta. Ympäristötoksikologia pyrkii selvittämään, mitkä kemikaalit ovat ympäristön ja biologian kannalta haitallisia, kuinka suuri altistus aiheuttaa haittoja ja millaisia haittoja kukin altiste aiheuttaa.[9] Ympäristötoksikologialle on tyypillistä keskittyminen ihmisiin ja terveysvaikutukset ihmisissä, mutta se ei rajoitu niihin.

Ekotoksikologiaa pidetään ympäristötoksikologian tieteenhaarana, ja niillä onkin paljon yhteistä. Se eroaa ympäristötoksikologiasta kuitenkin siinä mielessä, että tutkimus kohdistuu yksilöiden sijasta kokonaisiin yhteisöihin ja ekosysteemeihin. [10]

Vaarallista vesiympäristölle -piktogrammi

Vesitoksikologia on tutkimusta haitta-aineiden toksisista vaikutuksista vesieliöihin.[11] Vesitoksikologian juuret ovat limnologiassa ja saastuneiden vesien biologisessa tutkimuksessa. Jo vuonna 1887 ymmärrettiin, että tiettyjen lajistojen läsnäolosta tai poissaolosta voidaan tehdä johtopäätöksiä saastuneisuudesta huomattavan paljon paremmin kuin kemiallisilla tai fysikaalisilla tutkimusmenetelmillä. Vesitoksikologiassa tutkitaan haitta-ainepitoisuuksien vaikutuksia vesieliöihin, esimerkiksi kaloihin. Tutkimuksen kohteena ovat akuutin toksisuuden lisäksi pitkäaikaiset vaikutukset kasvuun, lisääntymiseen, käyttäytymiseen, kudosjäämiin ja biokemiaan. Haitta-aineet voivat olla tyypillisesti esimerkiksi torjunta-aineita.[12]

Kliininen toksikologia tutkii pääasiassa terapeuttisiin tarkoituksiin käytettyjen aineiden (esimerkiksi lääkkeet ja luontaistuotteet) toksisia vaikutuksia. Väljemmän määritelmän mukaan kliiniseen toksikologiaan kuuluvat myös aineet, joita ei käytetä terapeuttisessa tarkoituksessa, kuten alkoholi ja huumeet. Kliinisen toksikologian saatetaan lukea myös teollisuuden päästöt ja torjunta-aineet. Ihmiselimistön vasteet edellä luetelluille aineille voivat olla esimerkiksi kemikaaliallergioita, yliherkkyyksiä, elimistön systeemisiä reaktioita tai mutageenisia, teratogeenisia tai karsinogeenisia vaikutuksia.[13]

Hallinnollinen toksikologia hyödyntää toksikologisen tutkimuksen tuottamaa tietoa päätöksenteossa. Se vaikuttaa osaltaan teollisten kemikaalien tuotantoon, testaustapoihin ja jakeluun. Lisäksi sillä on vaikutuksensa GLP-menettelyihin ja standardien laatimiseen juomaveden, ilman ja elintarvikkeiden toksisten aineiden enimmäispitoisuuksille. Hallinnollinen toksikologia nojautuu vahvasti periaatteeseen, että muita organismeja voidaan käyttää tarkkoina malleina, kun tehdään ennusteita toksisista vaikutuksista ihmiseen. Edellytyksenä kuitenkin on se, että testauksia tulee tehdä monipuolisesti eri malliorganismeilla ja että kunkin mallin heikkoudet ja vahvuudet tunnetaan.[14]

Työtoksikologiassa tutkitaan työympäristön altisteiden vaikutusta työntekijöihin. Tutkimuksen kohteena ovat kemialliset, fysikaaliset ja biologiset altisteet. Kokeellinen työtoksikologia tutkii työperäisten altisteiden vaikutuksia ja vaikutusmekanismeja koe-eläinmallien avulla ja ennustaa ihmiselle koituvia haittoja. Nykyaikaisessa prosessiteollisuudessa, rakennustuotannossa sekä useilla metalliteollisuuden aloilla käytetään lukuisia raskasmetalleja ja orgaanisia yhdisteitä raaka-aineina, katalyytteinä ja reaktantteina.[15]

Toksikologia voidaan jakaa yllä mainittujen suuntausten lisäksi seuraaviin:[16]

• Toksikogenomiikka
• Kemiantoksikologia
• Forensinen toksikologia
• Lääketieteen toksikologia

Pääartikkeli: Eläinkokeet

Eläinkokeet ovat perinteisesti kuuluneet toksikologiaan.

Toksikologinen tutkimus on perinteisesti ollut deskriptiivistä, toksisia vaikutuksia kuvailevaa ja kokeellista. Toksisten vaikutusten kuvaamisessa on käytetty paljon eläinkokeita. Toksikologiset eläinkokeet ovat suurelta osin tuoteturvallisuutta mittaavia testejä. Niitä teettävät farmasian yritykset ja kemianteollisuus testatakseen tuotteitaan. Vuonna 2005 EU arvioi Euroopassa käytettävän noin miljoona eläintä vuosittain toksikologisiin testeihin, mikä on noin 10 prosenttia kaikista eläinkokeista.[17] On arvioitu, että jokaista testattua kemikaalia kohden tarvitaan 5 000 eläintä, pestisidin testaamiseen 12 000 eläintä.[18][19]

Pääartikkeli: In vitro -menetelmät

REACH-lainsäädäntö suosii yhä lisääntyvää in vitro -menetelmien käyttöä.

Uudempaa toksikologista tutkimusperinnettä edustaa mekanistinen lähestymistapa, jonka avulla pyritään selvittämään toksisuuden mekanismeja ja olosuhteiden vaikutusta näihin. Tutkimus on suureksi osaksi yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa tehtävää perustutkimusta. Toksisuusmekanismien selvittämisessä käytetään paljon in vitro -menetelmiä. Testattavien kemikaalien määrä kasvaa jatkuvasti esimerkiksi Euroopan unionin REACH-lainsäädännön vaatimusten myötä. Haittavaikutusten mittaamiseen käytetään nykyisin enenevässä määrin in vitro -menetelmiä, joilla pyritään vähentämään testaamiseen tarvittavien eläinkokeiden määrää. Erilaisten in vitro -menetelmien pääasiallinen tehtävä on selvittää myrkyllisyyden solutason mekanismeja, joiden ymmärtäminen on tärkeää sekä myrkyllisyyden estämisen että säätelyn kannalta.^lähde?

Pääartikkeli: Laskennallinen toksikologia

Laskennallinen toksikologia on uusi, nopeasti kehittyvä tieteenala. Se yhdistelee informaatiota eri lähteistä ja kehittää matemaattisia ja laskennallisia malleja, joiden avulla voidaan ymmärtää ja ennustaa kemikaalien haitallisia vaikutuksia. Poikkitieteellisellä lähestymistavalla laskennallinen toksikologia tutkii kemiallisten aineiden ja biologisten organismien välisiä vuorovaikutuksia. Laskennallisuus kattaa kaikentasoiset organismit, kuten populaatiot, yksilöt, solut ja molekyylit. Alalla on useita sovelluksia kemikaalin vaaranarvioinnista lääkemetaboliittien monitorointiin.[20] Laskennallista toksikologiaa kehitetään esimerkiksi Kansallisessa laskennallisen toksikologian keskuksessa (NCCT), joka kuuluu Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (EPA) alaisuuteen.[21]

Nykyään toksikologian pääasiallinen tavoite on ennaltaehkäistä vieraiden aineiden haitallisia terveysvaikutuksia. Toksikologista osaamista hyödynnetään kliinisessä toksikologiassa akuuttien myrkytysten hoidossa, joiden tärkeimmät aiheuttajat ovat alkoholi ja lääkkeet. Myrkytystapauksia osataan hoitaa nykyisin jo melko tehokkaasti.[22] Kansalaisille tarjotaan maksutonta puhelinneuvontaa Myrkytystietokeskuksen toimesta. Tämä nopeuttaa asiointia myrkytystapauksissa, jossa nopea tiedonsaanti on ensiarvoisen tärkeää.

Kemiallisten tuotteiden määrä kasvaa koko ajan, samoin tarve tuntea niihin liittyviä riskejä. Toksikologia tarjoaa työkaluja kemikaalien vaarallisuuden mittaamiseen. Vaara on aineelle tyypillinen ominaisuus, eikä itsessään kerro riskistä. Toksikologian keinoin voidaan selvittää kullekin aineelle tyypillinen ominaistoksisuus, joka kuvaa aineen aiheuttamaa vaaraa. Tällä tarkoitetaan esimerkiksi aineen osoittamista maksamyrkylliseksi, syöpävaaralliseksi, hermostoon vaikuttavaksi tai paikallisesti ärsyttäväksi. Jotta vaara muuttuisi aidoksi riskiksi, tarvitaan altistus. Jos aineelle ei altistuta, se ei aiheuta riskiä, olipa se kuinka myrkyllinen hyvänsä. Kemikaaliriskin kannalta on tärkeää tuntea vaarallisuuden ja altistumisen lisäksi aineen annos-vastesuhde. Tällä tarkoitetaan sitä, kuinka suuri annos aiheuttaa haittaa ja millä tavalla haitta lisääntyy tai pahenee annoksen suurentuessa. Tätä suuretta voidaan mitata esimerkiksi LD₅₀-, EC₅₀-, tai IC₅₀-arvoilla. Lopullinen riskin merkittävyys joudutaan määrittämään usein joko väestötutkimuksista, myrkytystapauksista saadun tiedon tai eläinkokeiden perusteella.[23] Riskin arviointiin osallistuvat viranomaiset ja toksikologian asiantuntijat.

Toksikologisen tutkimuksen painopiste on siirtynyt muutosten kuvailusta altisteiden vaikutusmekanismien ymmärtämiseen. Samalla se on tullut osaksi muiden tieteiden, kuten fysiologian ja biokemian perustutkimusta.[24] Toksikologian avulla on alettu ymmärtää esimerkiksi ”hormonihäirikköjen” merkitystä ihmisen terveydelle. Ihmisen hormonitoimintaa häiritsevillä ympäristökemikaaleilla voi olla laajan mittakaavan vaikutuksia lisääntymisterveyteen ja immuunijärjestelmän toimintaan.[25]

Toksikologista näkökulmaa on tuotu perustutkimuksen muodossa myös suomalaiseen sisäilmatutkimukseen. Tällä alalla on ansioitunut mikrobiologian emeritaprofessori Mirja Salkinoja-Salonen.[26] Hän on tutkinut ryhmineen myrkyllisten mikrobien merkitystä suomalaisissa sisäilmaongelma- ja kosteusvauriokohteissa, joissa on kärsitty rakennukseen liittyvistä terveysongelmista.[27]

Eläinkokeet ovat tehneet maailman turvallisemmaksi, mutta ne eivät ole aukottomia. Sekä vääriä positiivisia että vääriä negatiivisia tuloksia pääsee syntymään. Mielenkiintoinen esimerkki väärästä positiivisesta eläinkoetuloksesta on aspiriini. Nykyisin aspiriini ei läpäisisi lähes mitään eläinkoetta, eikä siten päätyisi markkinoille. Se on osoittautunut eläinkokeissa silmiä, ihoa ja keuhkoja ärsyttäväksi aineeksi. Lisäksi se on aiheuttanut monitulkintaisia tuloksia genotoksisuustesteissä sekä karsinogeenisia yhteisvaikutuksia eräiden muiden aineiden kanssa. Näiden lisäksi aspiriini on johtanut alkioiden epämuodostumiin käytännössä kaikilla testatuilla lajeilla. Siitä huolimatta mikään mainituista haitoista ei toteudu ihmisessä. Tämä tulkinta perustuu yli 23 000 tieteelliseen julkaisuun aspiriinista sekä yli triljoonaan käytettyyn tablettiin.[28]

Eläinkokeissa syntyy toisaalta myös vääriä negatiivisia tuloksia: potilailla ja vapaaehtoisilla testatuista, eläinkokeet läpäisseistä lääkkeistä 10–30 prosenttia joudutaan keskeyttämään toksisten vaikutusten vuoksi.[29] Eläinkokeitten lisäksi solumalleilla ja laskennallisella toksikologialla on omat rajoitteensa. Olisi siksi tärkeää arvioida arvioida luotettavuutta kokonaisvaltaisesti.[30]

Yksi ongelmallisimmista kemikaalien pitkäaikaisvaikutuksista on karsinogeenisuus; muille toksisille aineille on kohtalaisen yksinkertaista asettaa hallinnollinen kynnysarvo, jota pienemmälle pitoisuudelle altistuminen on yleensä haitatonta (tosiasiassa täsmällistä kynnysarvoa ei ole toksisuudessa, vaan toksisuus lähestyy asymptoottisesti nollaa). Karsinogeeneille hallinnollisenkin kynnysarvon asettaminen on vahvasti kiistanalaista, samoin karsinogeenisuuden ekstrapolointi eläinkokeista ihmiseen.[31][23]

Toksikologian uusia haasteita ovat myös vierasaineseosten yhteisvaikutukset. Vaikka jo Paracelsus oivalsi selvästi annos-vasteperiaatteen, annoksen ja myrkyllisyyden suhteesta on todettu lukuisia epätavallisia esimerkkejä ja sellaisten määrä tulee todennäköisesti kasvamaan. Esimerkiksi eräillä tunnetuilla myrkyillä saattaa pieninä annoksina olla terveydelle suotuisa, suojaava vaikutus (ilmiötä kutsutaan nimellä hormeesi).[32] Toisaalta on näyttöä siitä, että elimistöä vapailta happiradikaaleilta suojaavat antioksidantit voivatkin paradoksaalisesti joissakin tilanteissa suurina annoksina aiheuttaa itse oksidatiivisia vaurioita.^lähde? Lääkkeet ovat luonnollisesti esimerkki siitä, että jollakin annoksella ne ovat hyödyllisiä ja parantavia, liian suurina annoksina myrkyllisiä.