Quan niệm hiện nay cho rằng không có tác nhân hóa học nào hoàn toàn là không độc và cũng không có tác nhân hóa học nào hoàn toàn là độc. Quan niệm này dựa trên tiền đề cho rằng bất kỳ một hóa chất nào khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật không gây ra ảnh hưởng có hại nếu liều lượng (nồng độ) của tác nhân hóa học đó thấp hơn mức tối thiểu gây độc. Nói cách khác, tác nhân hóa học chỉ gây ảnh hưởng có hại cho cơ thể sinh vật khi nó xâm nhập vào cơ thể với một liều đủ lớn. Như vậy, một yếu tố quan trọng nhất quyết định sự có hại hoăc sự an toàn của hợp chất là quan hệ giữa liều lượng của hóa chất và ảnh hưởng (đáp ứng) được tạo ra trên cơ thể sinh vật.
1.2.1. Các quan hệ liều lượng - đáp ứng
Từ bức tranh phối cảnh thực tế, người ta thấy 2 loại quan hệ liều lương - đáp ứng:
(1) quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể, nó miêu tả sự đáp ứng của cơ thể (hoặc tổ chức) Đất
(chứa các dư lượng)
Động vật không xương sống Động vật không xương sống ăn thịt Động vật xương sống mặt
đất Chim hoặc thú ăn thịt
Cây cỏ mặt đất Động vật ăn cỏ Chim hoặc thú ăn thịt
của cá thể đối với sự thay đổi liều lựơng hóa chất, hay còn gọi là đáp ứng được "độ hoá"
vì ảnh hưởng được đo là liên tục trên một dãy các liều, (2) quan hệ liều lương - đáp ứng nhảy cách, nó đặc trưng cho sự phân bố các đáp ứng đối với những liều khác nhau trong quần thể các sinh vật cá thể.
a) Các quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể hoặc “độ hóa”.
Các quan hệ liều lượng - đáp ứng cá thể được đặc trưng bởi sự tăng liều liên quan trong sự làm tăng mạnh đáp ứng. Ví dụ, hình 1.2 chỉ ra quan hệ liều lượng - đáp ứng giữa các liếu ăn thường ngày khác nhau của thuốc trừ sâu cơ photpho clopyriphot và đáp ứng ức chế của hai enzim khác nhau trong não và trong gan: axetylcholinesteraza và cacboxy- lesteraza. Ở trong não, mức độ ức chế của cả hai enzim phụ thuộc rõ ràng vào liều liên quan trải ra một khoảng rộng, mặc dù lượng ức chế trên đơn vị liều là khác nhau đối với hai enzim. Từ hình dạng của hai đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng này rõ ràng là ở trong não, cholinesteraza bị ức chế dễ dàng hơn so với cacboxylesteraza. Lưu ý rằng khi ta sử dụng thang log10 cuả liều (hình 1.2B) sẽ cho đường biểu diễn thẳng thích hợp hơn (tiện dùng).
Hình 1.2. Quan hệ liều lượng-đáp ứng giữa các liều khác nhau của clopyriphot và sự ức chế các enzim esteraza trong não b) Các quan hệ liều lượng - đáp ứng nhảy cách hoặc "tất cả hoặc không"
Trái với quan hệ liều lượng - đáp ứng "độ hóa" hoặc thang liên tục xẩy ra trong các cá thể, quan hệ liều lượng - đáp ứng nhảy cách hoặc "tất cả hoặc không" xẩy ra trong quần thể.
Trong thực tế người ta thấy rằng có những sự khác nhau tồn tại giữa các thành viên cá thể của một quần thể các tế bào, các mô hoặc các động vật. Bản chất của những sự khác nhau này hiếm khi thể hiện rõ và chỉ trở nên rõ ràng khi cơ thể được thử thách
100 - 75 - 50 - 25 -
0 2,5 5,0 7,5 10 . . . .
% ức chế
Liều (mg/kg), thang thẳng Cholinesteraza
cacboxylesteraza
A B
LiÒu (mg/kg), thang log
% ức chế
. . . . . . . . . . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 25 -
50 - 75 - 100 -
0
như bởi sự phơi nhiễm hóa chất. Nếu như hóa chất có khả năng gây ra ảnh hưởng thấy được như sự chết sinh vật, hoặc ảnh hưởng mà từ đó các tế bào hoặc các động vật hồi phục trong chu kì thời gian, thì liều hóa chất có thể được chọn để nó có thể gây ra được ảnh hưởng đó và nếu ảnh hưởng đó có thể định lượng được thì thực nghiệm có thể chỉ ra rằng không phải tất cả các thành viên của nhóm đáp ứng với cùng một liều hóa chất một cách định lượng như nhau. Một số động vật chỉ ra sự đáp ứng mạnh, một số khác chỉ ra sự đáp ứng nhỏ (một số bị chết, một số khác còn sống) đối với cùng một liều hóa chất.
Điều này có nghĩa là, ở một liều cho bất kì, một cá thể trong quần thể được phân loại hoặc là “cá thể đáp ứng” hoặc là “cá thể không đáp ứng” mặc dù sự phân biệt này của các quan hệ liều lượng - đáp ứng “cá thể độ hóa” và “quần thể nhảy cách” được dùng, hai loại đáp úng này là đồng nhất khái niệm.Trục tung trong cả hai trường hợp biểu thị sự đáp ứng và trục hoành biểu thị dãy các liều tiếp nhận. Sự đáp ứng nhảy cách được biểu hiện dưới hai dạng:
Đáp ứng tần suất
Thực nghiệm chỉ ra rằng sự khác biệt sinh học trong sự đáp ứng đối với các hóa chất giữa các thành viên của một loài nói chung là nhỏ hơn so với sự khác biệt sinh học giữa các loài. Vì một trong số các tiêu chuẩn thực nghiệm của chúng ta là sự đáp ứng có thể được định lượng mà không quan tâm đến ảnh hưởng được đo, sau đó bằng thực nghiệm khác mỗi động vật trong dãy các thành viên đồng nhất của một loại riêng được tiếp nhận một liều đủ hóa chất để tạo ra đáp ứng đồng nhất. Các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm như thế có thể được vẽ thành đồ thị ở dạng đường cong phân bố hoặc tần suất - đáp ứng (hình 1.3).
Hình 1.3. Đồ thị tần xuất đáp ứng sau khi tiếp nhận tác nhân hoá học đối với quần thể đồng nhất của các chủng sinh vật
Cực đại Cùc tiÓu
T Çn s u Êt c h Õt , %
B B'
A'
10 - 40 - 30 - 50 -
20 -
LiÒu (mg/kg) A
Đồ thị được chỉ ra ở hình 1.3 thường được tham vấn như là đường biểu diễn của đáp ứng nhảy cách vì nó biểu thị dãy các liều đòi hỏi để tạo ra đáp ứng đồng nhất một cách định lượng trong một quần thể lớn của các đối tượng thí nghiệm. Từ đường biểu diễn ta thấy rõ là chỉ một số ít động vật được đáp ứng đối với liều thấp nhất và liều cao nhất. Một số lớn các động vật được đáp ứng đối với các liều nằm giữa hai tột điểm này, và tần suất cực đại của đáp ứng xảy ra ở phần giữa của khoảng liều. Như vậy ta có đường biểu diễn hình chuông được biết như là sự phân bố tần suất chuẩn. Nguyên nhân của sự phân bố chuẩn này la do những sự khác nhau về tính nhạy cảm đối với hóa chất giữa các cá thể, cái mà được gọi là sự khác biệt sinh học đã đề cập đến ở trên. Những động vật đáp ứng ở phía đầu trái của đường biểu diễn được xem như là nhạy cảm cao và những động vật đáp ửng ở phía đầu phải của đường biểu diễn được xem như là nhạy cảm thấp. Đường biểu diễn có hai điểm uốn chính (A, A’, B, B’) ở mỗi bên của tần suất cực đại. Liều nhận được như liều X là liều trung bình, và tổng số tất cả những động vật đáp ứng đối với những liều cao hơn liều trung bình sẽ bằng tổng số tất cả các động vật đáp ứng đối với những liều nhỏ hơn liều trung bình. Theo định nghĩa diện tích dưới đường biểu diễn giới hạn bởi các trục tung và trục hoành từ điểm A đến điểm A’ bao gồm toàn bộ quần thể đáp ứng liều trung bình cộng hoặc trừ một độ lệch chuẩn từ liều trung bình và diện tích dưới đường biểu diễn giới hạn bởi các trục tung và trục hoành từ điểm B đến điểm B’ bao gồm toàn bộ quần thể đáp ứng liều trung bình cộng hoặc trừ 2 độ lệch chuẩn từ liều trung bình. Trong thực tế đường phân bố đáp ứng tần suất (phân bố Gaussian) ít gặp. Sự biến đổi gập ghềnh của đường biểu diễn thường nhận được là đường phù hợp nhất với các dữ kiện thực nghiệm.
Đáp ứng tích lũy
Trong độc học đồ thị đáp ứng tần suất ít được sử dụng. Thường người ta xây dựng đồ thị dữ kiện ở dạng đường biểu diễn biểu thị mối liên quan giữa liều lượng của hóa chất với phần trăm tích lũy của động vật để chỉ sự đáp ứng (như chết). Những đồ thị như vậy nói chung được biết như là các đồ thị liều lượng - đáp ứng. Các dữ kiện để xây dựng nó có thể nhận được bằng thực nghiệm như sau: các nhóm của những chủng đồng nhất, chẳng hạn chuột, cho nhiễm dung dịch hóa chất bằng một con đường riêng nào đó (tiêm, uống…) và bằng thực nghiệm chọn một liều như thế nào để cho động vật không chết tất cả và cũng không sống tất cả. Liều lượng khởi đầu có thể là liều lượng nhỏ để không có ảnh hưởng nào biểu hiện ở động vật. Những nhóm động vật tiếp theo, liều lượng có thể tăng lên bằng nhân với một hệ số chẳng hạn là 2 hoặc trên cơ sở logarit cho đến khi đạt được một liều đủ cao của hóa chất để tất cả động vật trong nhóm chết do nhiễm hóa chất.
Đường biểu diễn nhận được có dạng hình chữ S (hình 1.4). Đường biểu diễn dạng chữ S được phân bố chuẩn như một đầu ở gần đáp ứng 0% khi liều được giảm và ở đầu kia ở gần đáp ứng 100% khi liều được tăng (về lý thuyết đường biểu thị không khi nào đi qua 0% và 100%) các khúc đoạn của đường biểu diễn được biểu thị như sau:
Hình 1.4. Đồ thị quan hệ liều lượng - đáp ứng
Khúc đoạn I: Đây là phần biểu diễn không có độ dốc và nó được biểu thị bởi những liều chất độc không gây ra sự chết của quần thể sinh vật thí nghiệm. Liều ngưỡng (liều ảnh hưởng của cực tiểu của chất độc) nằm ở đây.
Khúc đoạn II: Khúc đoạn này biểu thị các liều chất độc mà chỉ ảnh hưởng đến những thành viên nhạy cảm nhất của quần thể bị nhiễm. Theo đó, các ảnh hưởng này được gây ra ở các liều thấp và chỉ một số ít phần trăm sinh vật chịu ảnh hưởng.
Khúc đoạn III: Phần này của đường biểu diễn bao gồm những liều mà ở đó hầu hết các nhóm sinh vật chịu sự đáp ứng tới mức nào đó đối với chất độc vì hầu hết các nhóm sinh vật bị nhiễm đáp ứng đối với chất độc trong khoảng này của liều, nên khúc đoạn III có độ dốc lớn và tương đối thẳng trong số các khúc đoạn.
Khúc đoạn IV: Phần này của đường biểu diễn bao gồm những liều chất độc chỉ độc đối với sinh vật chịu đựng nhất trong quần thể. Theo đó, các liều cao của chất độc được đòi hỏi để ảnh hưởng đến những sinh vật này.
Khúc đoạn V: Khúc đoạn V không có độ dốc và biểu thị những liều mà ở đó 100%
các sinh vật bị nhiễm chất độc chịu ảnh hưởng.
Đường biểu diễn dạng S có một phần tương đối thẳng giứa 16% và 84% . Các giá trị này biểu thị các giới hạn một độ lệch chuẩn (ĐLC) từ giá trị trung bình (50%) trong quần thể với sự phân bố chuẩn hoặc sự phân bố GAUSSIAN. Tuy nhiên, người ta không miêu tả đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng từ kiểu đồ thị này do khó khăn thực tế.
Liều (mg/kg), thang thẳng
Trong một quần thể được phân bố thông thường (chuẩn), giá trị trung bình 1 ĐLC biểu thị 68.3% quần thể, giá trị trung bình 2 ĐLC biểu thị 95,5% quần thể và giá trị trung bình 3 ĐLC bằng 99,7% quần thể. Vì hiện tượng liều lượng - đáp ứng nhảy cách thường được phân bố chuẩn, người ta có thể chuyển đổi đáp ứng phần trăm thành các đơn vị độ lệch từ giá trị trung bình hay là độ lệch tương đương chuẩn. Như vậy, độ lêch tương đương chuẩn đối với đáp ứng 50% là 0, độ lệch tương đương chuẩn +1 tương đương với 84% đáp ứng và độ lệch -1 tương đương với 16% đáp ứng. Để tránh các số âm người ta đề nghị các đơn vị của độ lệch tương đương chuẩn phải được chuyển đổi bằng thêm 5 vào giá trị và các đơn vị chuyển đổi này được gọi là các đơn vị con số. Trong sự chuyển đổi này, đáp ứng 50% trở thành con số 5, còn +1 độ lệch trở thành con số 6 và -1 độ lệch là con số 4, +2 độ lệch là con số 7 và -2 độ lệch là con số 3.
Đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng được xác định tốt có thể sử dụng để tính liều LD50 (LC50). LD50 là liều chất gây ra sự chết 50% động vật thí nghiệm, thường được biểu thị bằng miligam chất độc trên kilogam thể trọng của động vật thí nghiệm (mg/kg).
LC50 là nồng độ chất gây ra sự chết 50% động vật thí nghiệm, thường được biểu thị bằng mg chất/lit nước. Để xác định liều LD50 (LC50) từ đồ thị người ta kẻ đường nằm ngang từ điểm chết 50% trên trục tung tới gặp đường biểu diễn và từ điểm cắt này kéo đường thẳng đứng tới trục hoành là liều LD50 (LC50). Bằng phương pháp tương tự như vậy ta cũng có thông tin với liều chết khác: 95% hoặc 5%, 90% hoặc 10%. Tuy nhiên, để có sự xác định chính xác liều LC50 thì đường biểu diễn phải được tuyến tính hóa hoặc qua sự chuyển đổi thích hợp các dữ kiện gồm chuyển các liều (các nồng độ) thành thang logarit và phần trăm đáp ứng thành các đơn vị con số (hình 1.5).
Hình 1.5. Quan hệ liều lượng-đáp ứng biểu thị trên thang log liều-con số LiÒu (mg/kg) thang log
LD5
. . . . . . . . . . . . .
98 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3,0 - 2
4,0 - 7,0 -
6,0 -
5,0 - Chết (đơn vị con số)
LD50 Khoảng tin
cËy 95%
3,4
% chÕt
Zero phần trăm và 100% đáp ứng không thể chuyển thành các đơn vị con số, như vậy các sự kiện trong các khúc đoạn I và V không được sử dụng. Khoảng tin cậy 95% cũng được xác định đối với sự tuyến tính hóa quan hệ liều lượng-đáp ứng. Như được miêu tả trên hình 1.5, mức độ lớn nhất của độ tin cậy (nghĩa là khoảng tin cậy 95% nhỏ nhất) biểu hiện ở mức 50% đáp ứng, điều này nói lên vì sao các giá trị LD50 được ưu tiên so với một sự đo lường nào khác (chẳng hạn LD5). Mức độ tin cậy cao này ở LD50 biểu hiện khi các dữ kiện nhiều, phong phú hiển hiện giứa 51% và 99% đáp ứng cũng như giữa 1% và 49% đáp ứng.
Thông tin bổ sung quan trọng có thể có được dẫn ra từ đường biểu diễn liều lượng - đáp ứng là độ dốc của đường biểu diễn thẳng nói lên kiểu tác dụng độc (hình 1.6).
Trong trường hợp chỉ ra ở đây, các liều LD50 của hai hóa chất A và B là đồng nhất, mặc dầu sự đáp ứng đối với A biểu hiện độ độc lớn hơn so với B. Độ dốc có thể biểu thị cho tốc độ hấp thu cao của hóa chất A và chứng tỏ sự tăng nhanh đáp ứng trên một khoảng liều tương đối hẹp. Ngược lại, đường biểu diễn đáp ứng đối với B bằng hơn biểu thị cho tốc độ hấp thu chậm hơn hoặc có thế là sự đào thải nhanh hơn hoặc tốc độ khử độc nhanh hơn. Mặc dù thực tế các liều LD50 đối với A và B cả hai là như nhau (10 mg/ 1 kg), độ dốc của A thoạt nhìn ta nghĩ tới độ độc lớn hơn độ độc của B. Tuy nhiên, trong độc học chúng ta thường quan tâm nhiều đến các ảnh hưởng độc của những liều thấp của hóa chất (nghĩa là những liều nhỏ hơn liều LD50).
Ở phần thấp phía bên trái của đồ thị, chúng ta nhận thấy ở liều một nửa của liều LD50 (5 mg/1 kg), hóa chất A gây chết ít hơn 1% số động vật thí nghiệm, trong khi đó hóa chất B gây chết trên 20%. Đường biểu diễn liều lượng-đáp ứng cũng còn được sử dụng để xác định liều ngưỡng. Liều ngưỡng được định nghĩa là liều nhỏ nhất của hóa chất mà thấp hơn liều đó không có những ảnh hưởng có hại xảy ra.
Hình 1.6. Quan hệ liều lượng-đáp ứng của hai hoá chất A và B có LD50 như nhau nhưng độ dốc đường biểu diễn khác nhau.
LiÒu (mg/kg) thang log
Chết (đơn vị con số)
% chÕt
. . . . .
7 6 5 4 3 . . . . . 1 2 5 10 20 50
B A
10 - 50 - 20 -
1 - 70 - 98 - 99 -
Liều ngưỡng thường được xác định bằng thực nghiệm là liều nhỏ hơn liều thấp nhất mà ở đó ảnh hưởng đo được nhưng cao hơn liều lớn nhất mà ở đó ảnh hưởng không xác định được. Một cách khái quát liều ngưỡng được xác đình là điểm cắt của khúc đoạn I và II ( hình 1.4) hoặc liều LD5 (hình 1.5).
c. Các quan hệ liều lượng-đáp ứng khác thường.
Các chất dinh dưỡng thiết yếu.
Mặc dù những mô tả đã nêu về quan hệ trực tiếp giữa liều hóa chất và sự đáp ứng bất kỳ xảy ra là đúng cho tất cả các chất thường gặp không có ở trong hệ thống sinh học, gọi là chất ngoại sinh. Khái niệm này không bao gồm các chất thường có mặt trong cơ thể sinh vật (chất nội sinh). Ngoài thức ăn, nước uống, muối khoáng, nhiều chất khác như các nguyên tố đa lượng cũng như vi lượng cần thiết như crom, coban, selen,…, các vitamin được đòi hỏi cho các chức năng sinh lý thông thường và sự sống. Khi thiếu các chất này hoặc thừa các chất này con người sẽ phát triển những ảnh hưởng không mong muốn. Đường biểu diễn quan hệ liều lượng - đáp ứng được “độ hóa” của những chất nội sinh này có dạng chữ U trên toàn bộ khoảng liều (hình 1.7a). Từ đồ thị ta thấy ở các liều rất thấp có mức độ ảnh hưởng có hại cao, ảnh hưởng này giảm với liều tăng lên. Vùng này của quan hệ liều lượng - đáp ứng đối với các chất dinh dưỡng thiết yếu được xem là liên quan với sự thiếu. Khi liều được tăng lên tới điểm mà ở đây sự thiếu không còn tồn tại, đáp ứng có hại không còn xác định được và cơ thể ở trong trạng thái nội cân bằng (cân bằng tự nhiên, bình thường). Tuy nhiên, khi liều được tăng lên đến mức cao không bình thường, đáp ứng có hại (thường khác biệt về chất đối với những gì được quan sát thấy ở các liều thiếu) xuất hiện và tăng lên ở mức độ lớn với sự tăng lên của liều.
Hình 1.7. Quan hệ liều lượng-đáp ứng được "độ hóa" đối với các chất dinh dưỡng thiết yếu: a. như vitamin hoặc nguyên tố vi lượng, b. của canxi
Đáp ứng
ThiÕu Thõa
ChÕt
Ng-ỡng đáp ứng có hại a
Vùng nội cân bằng
LiÒu Canxi huyết thanh (mg/100ml)
Liều
§éc B×nh th-êng
. . . . . . . . . 6 8 10 12 14
Bệnh thừa canxi Bệnh thiếu
canxi
Đáp ứng
ChÕt
b