Toksikologia

Toksikologia (kreik. toksikon 'nuolimyrkky'; logos, 'oppi') on oppi vieraiden aineiden haitallisesta vaikutuksesta eläviin organismeihin. Sen olennainen osa ei ole "myrkkyoppi", sillä yleisesti myrkyllisinä pidettyjen aineiden (kuten liuottimien, torjunta-aineiden ja raskasmetallien) lisäksi käytännössä kaikilla muillakin aineilla on haitallisia vaikutuksia käytöstä ja annoksesta riippuen. Tällaisia aineita ovat esimerkiksi lääkkeet, vitamiinit, kivennäisaineet ja jopa ravintoaineet. Toksikologia tutkii siis kaikkien aineiden haitallisia ominaisuuksia. Laajemman tulkinnan mukaan myös eräät fysikaaliset tekijät kuten ultraviolettivalo, ionisoiva säteily ja sähkömagneettiset kentät luetaan toksikologian tutkimusalueisiin.

Jaottelu

Toksikologia voidaan jakaa osiin usealla eri tavalla. Yleinen käytäntö on jakaa se yleiseen toksikologiaan, jonka tärkeimpiä osa-alueita ovat työtoksikologia, ympäristötoksikologia ja kliininen toksikologia, sekä ekotoksikologiaan, joka keskittyy tutkimaan vieraiden aineiden haittavaikutuksia ekosysteemiin.

Välittömien tavoitteidensa perusteella toksikologia voidaan jakaa seuraavasti:

• Deskriptiivinen toksikologia eli kuvaileva toksikologia keskittyy toksisuuden kuvaamiseen ja testaamiseen sekä in vitro että eläinkokeiden avulla. Sitä käyttää muun muassa lääketeollisuus pyrkiessään varmistamaan, että valmistettava tuote on tarkoitukseensa nähden turvallinen.
• Mekanistinen toksikologia pyrkii selvittämään toksisuuden mekanismeja ja olosuhteiden vaikutusta näihin. Tutkimus on suureksi osaksi yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa tehtävää perustutkimusta, joka hyödyntää useita muita tieteenaloja, esimerkiksi biokemiaa, fysiologiaa, genetiikkaa, farmakologiaa ja useita biologian aloja.
• Regulatorinen toksikologia eli säännöstelevä toksikologia arvioi kahden edellisen antamien tietojen pohjalta riskejä, joita verrataan suhteessa kyseisen aineen käyttötarkoitukseen ja siitä saatavaan hyötyyn - esimerkiksi välttämättömille syöpälääkkeille sallitaan varsin huomattavakin myrkyllisyys, elintarvikeväri sen sijaan ei saa aiheuttaa minkäänlaisia haittoja terveydelle. Riskin arviointiin osallistuvat viranomaiset ja toksikologian asiantuntijat. Säännöstelevään toksikologiaan kuuluu myös erilaisten standardien laatiminen esimerkiksi juomaveden, ilman tai elintarvikkeiden toksisten aineiden enimmäispitoisuuksille.

Historia

Varhaishistoria keskiajalle saakka

Toksikologia on eräs vanhimmista tieteenaloista. Myrkyllisten kasvien ja eläinten tunnistaminen ja välttäminen on ollut kautta aikojen välttämätöntä ihmisten hengissä säilymiselle. Jo noin 1500 vuotta eaa. peräisin olevassa egyptiläisessä Ebersin papyruksessa (vanhin säilynyt farmakopoea eli lääkekirja) kuvattiin esimerkiksi myrkkykatkon ja oopiumin ominaisuuksia. Myös useat klassilliset myrkyt kuten arsenikki tunnettiin jo niihin aikoihin. Myrkkyjen vaikutuksia on kuvattu myös Hippokrateen, Aristoteleen ja Theofrastoksen kirjoituksissa 400–250 eaa. Varhaisimman yrityksen luokitella myrkkyjä teki kreikkalainen lääkäri Dioscorides noin vuonna 50. Hänen jaottelunsa kasvi-, eläin- ja mineraalimyrkkyihin sekä kasvien jaottelu käyttötarkoituksen mukaan säilyi standardina seuraavat 1600 vuotta. Tuolloin akuutit myrkytykset olivat arkipäivää; esimerkiksi roomalaisten lyijyä sisältävistä tina-astioista liuennut lyijy sekä viineihin lisätyt lyijysuolat aiheuttivat nykyisten luututkimusten valossa runsaasti lyijymyrkytyksiä. Siihen liittyvää enkefalopatiaa sairastivat oletettavasti ainakin Rooman keisari Nero sekä hänen edeltäjänsä keisari Claudius.

Kun tietämys myrkyistä laajeni, myös niiden hyväksikäyttö lisääntyi. Jo pitkään myrkkyjä oli hyödynnetty metsästyksessä valmistamalla myrkkynuolia, mistä toksikologian nimi juontaakin juurensa. Myrkkyjä käytettiin myös hyväksi haluttaessa päästä eroon epätoivotuista henkilöistä. Sitä varten myös tavoitteena oli kehittää entistä vahvempia myrkkyjä. Tunnetuin myrkyllä teloitettu lienee Sokrates, joka tiettävästi päätti päivänsä kupillisella myrkkykatkouutetta. Myrkyttäminen alkoi Rooman keisarikunnassa saada lähes epidemian luonteen. Sen seurauksena noin vuonna 82 eaa. Sulla julkaisi Lex Cornelian, ensimmäisen myrkyttämisen kieltävän lain. Keskiajalla myrkytykset näyttelivät kuitenkin jälleen merkittävää osaa erityisesti poliittisten riitojen ratkaisukeinona. Italiassa tästä kehittyi suorastaan oma taiteenlajinsa, jossa myrkyttäjien ammattikunnasta tuli tärkeä osa poliittista näyttämöä. Kuuluisa henkilöhahmo tuolta ajalta oli nainen nimeltä Toffana, jonka väitetään olleen vastuussa jopa 600 ihmisen myrkyttämisestä. Hän kaupusteli varta vasten tähän tarkoitukseen valmistettua, yksityiskohtaisin käyttöohjein varustettua kosmetiikkatuotetta (Aqua Toffana), joka sisälsi arseenia.

Keskiajalta moderniin toksikologiaan

Myöhäiskeskiajalla muurattiin nykytoksikologian peruskivi. Paracelsus (1493–1541) oli lääkäri ja alkemisti, joka käytti elohopeayhdisteitä syfiliksen hoitoon. Kun häntä syytettiin ihmisten myrkyttämisestä, hän puolustautui vuonna 1564 ilmestyneessä kirjassaan: Was ist das nit gifft ist: alle ding sind gifft und nichts ohn gifft. Allein die dosis macht das ein ding kein gift ist., kaikki aineet ovat myrkyllisiä; vain annoksesta seuraa, että aine ei ole myrkyllistä. Näin hän ilmaisi erään toksikologian keskeisistä periaatteista, annos-vastesuhteen. Samalla hän hengenheimolaisineen suuntasi biotieteellistä tutkimusta uusille urille karistamalla niistä antiikin magiikan jäänteet.

1600-luvulla syntyi uusi toksikologian ala, työtoksikologia, tiettyihin työympäristöihin kuten hiilikaivoksiin (ongelmana hiilimonoksidin aiheuttamat myrkytykset) ja metalleja prosessoiviin laitoksiin (lyijy ja elohopea riskeinä) liittyvien selkeiden terveysriskien johdosta. Bernardino Ramazzini julkaisi klassisen teoksen työtoksikologiasta vuonna 1700. Toisaalla Percival Pott osoitti vuonna 1775 Englannissa yhteyden nuohoojana työskentelemisen ja kivespussin ihosyövän välillä, mikä oli ensimmäinen raportoitu esimerkki polyaromaattisten hiilivetyjen karsinogeenisesta vaikutuksesta. Sekä Paracelcus että Ramazzini huomauttivat jo savun ja noen myrkyllisyydestä.

Moderni toksikologia

Modernin toksikologian katsotaan syntyneen, kun espanjalainen lääkäri Mathieu Orfila (1787–1853) julkaisi vuonna 1815 ensimmäisen pelkästään toksikologiaa käsittelevän teoksen. Hän kohdisti huomionsa kemikaalien haitallisiin vaikutuksiin sekä niiden terapiaan. Hänen toiminnastaan sai alkunsa myös nykyaikainen oikeustoksikologia, sillä hän käytti ensimmäisenä järjestelmällisesti kemiallista analytiikkaa ruumiinavausmateriaalin tutkimisessa myrkytysten oikeudelliseen todistamiseen.

Orgaaninen kemia kehittyi 1800-luvun lopulla vauhdikkaasti, sillä silloin oli syntetisoitu jo yli 10 000 orgaanista yhdistettä. Myös lääkkeiden teollinen tuotanto laajeni ja farmakologia kehittyi uudeksi, puhtaaksi tieteeksi. Kolmas kokeellisen toksikologian syntyyn myötävaikuttava tekijä oli sisäsiittoisten, tasalaatuisten hiirikantojen kehittäminen. Tarvetta toksikologialle oli, sillä pian havaittiin, että uusien kemikaalien käyttöönottoon liittyi toisinaan merkittäviä terveysriskejä. Esimerkiksi Saksassa ruvettiin vuonna 1916 käyttämään lihan säilöntään nitraatin asemesta nitriittiä kauniimman punaisen värin saamiseksi. Seurauksena oli lukuisia sairaustapauksia ja ainakin yhden pikkulapsen kuolema. Lääkkeistä uudet anesteetit kloroformi ja eetteri aiheuttivat useiden potilaiden kuoleman. 1930-luvulla taas uutta bakteeri-infektioiden hoitoon käytettyä ihmelääkettä sulfanilamidia keksittiin liuottaa etanolin sijasta etyleeniglykoliin, johon se liukeni vielä paremmin. Seurauksena oli oksalaattikiteiden muodostuminen munuaisiin ja useiden potilaiden kuolema akuutin munuaisvaurion takia.

Toisen maailmansodan aikoihin tehtiin useita merkittäviä keksintöjä kuten mullistavat hyönteismyrkyt organofosfaatit sekä DDT, joka oli löydetty jo 1800-luvulla mutta jonka insektisidiset ominaisuudet paljastuivat vasta myöhemmin. Sillä pelastettiin todennäköisesti miljoonia ihmishenkiä hävittämällä Italiasta 1940-luvulla malaria sekä täin levittämä pilkkukuume. Vasta vuonna 1962 ekologi Rachel Carson osoitti kirjassaan "Silent Spring" (suom. "Äänetön kevät") DDT:n ja muiden hitaasti luonnossa hajoavien torjunta-aineiden vaarat ekosysteemille. Tämä toimi ratkaisevana sysäyksenä ekotoksikologian synnylle.

1960-luvulta tähän päivään toksikologisen tutkimuksen kasvu on ollut lähes eksponentiaalista. Tähän johtivat esimerkiksi talidomidikatastrofi 1960-luvun alussa, joka synnytti entistä tiukemmat vaatimukset lääkkeiden turvallisuuden tutkimiseksi, sekä useat kemikaalionnettomuudet sen jälkeen. Osaltaan kasvua selittää myös orgaanisen kemian tuotteiden räjähdysmäinen lisääntyminen.

Toksikologia nykyään

Nykyään toksikologian pääasiallinen tavoite on ehkäistä vieraiden aineiden haitallisia terveysvaikutuksia ennalta. Painopiste on siirtynyt muutosten kuvailusta niiden vaikutusmekanismien ymmärtämiseen. Samalla se on tullut osaksi myös muita tieteitä kuten fysiologiaa ja biokemiaa palvelevaa perustutkimusta. Uusien molekyylibiologisten menetelmien käyttöönotto on avaamassa uusia mahdollisuuksia: esimerkiksi geenilastujen ja proteomiikan käyttö saattaa mahdollistaa sen, että aineiden geenitason haittavaikutukset pystytään havaitsemaan jo testauksen alkuvaiheessa. Uudet menetelmät voivat myös auttaa kemikaalien luokittelussa, ja mahdollisesti ennustaa, ketkä ovat perimänsä puolesta erityisen herkkiä tietyille vierasaineille. Näiden in vitro -menetelmien käytöllä pyritään myös vähentämään testaamiseen tarvittavien eläinkokeiden määrää. Toisaalta testattavien kemikaalien määrä kasvaa jatkuvasti esimerkiksi Euroopan unionin vaatimusten myötä, eikä toksisuuden koko kirjoa monimutkaisessa elimistössä voida loppuun asti tutkia eristetyillä soluilla. Erilaisten in vitro -menetelmien pääasiallinen tehtävä onkin selvittää myrkyllisyyden solutason mekanismeja, joiden ymmärtäminen onkin usein tärkeää sekä myrkyllisyyden estämisen että säätelyn kannalta. Lopullinen riskinarviointia palveleva toksisuuden aste joudutaan määrittämään joko väestötutkimuksista tai myrkytyksistä saadun tiedon tai eläinkokeiden perusteella.

Nykyään akuutit myrkytykset pystytään hoitamaan melko tehokkaasti. Myrkytyskuolemien tärkeimmät aiheuttajat ovat alkoholi ja lääkkeet.

Uusia haasteita ovatkin vierasaineiden pitkäaikaisvaikutusten selvittäminen sekä eri vierasaineiden seosten yhteisvaikutukset. 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.

Vaikka jo Paracelsus oivalsi selvästi annos-vasteajattelun periaatteen, 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 (tätä ilmiötä kutsutaan nimellä hormeesi). Toisaalta on näyttöä siitä, että elimistöä vapailta happiradikaaleilta suojaavat antioksidantit voivatkin paradoksaalisesti joissakin tilanteissa suurina annoksina aiheuttaa itse oksidatiivisia vaurioita. Lääkkeet ovat luonnollisesti esimerkki siitä, että jollakin annoksella ne ovat hyödyllisiä ja parantavia, liian suurina annoksina myrkyllisiä.

Katso myös

• Luettelo toksikologian julkaisuista
• Riskinarviointi
• Suomen toksikologiyhdistys
• Ympäristöterveys

Kirjallisuutta

• Koulu M, Mervaala E, Tuomisto J (toim.): Farmakologia ja toksikologia, 8. painos. Kustannus Oy Medicina, Kuopio 2012. ISBN 978-951-97316-4-3
• Klaassen C (toim.): Casarett and Doull's Toxicology: The basic science of poisons, 8. painos. McGraw-Hill, New York 2013. ISBN 978-0-07-176923-5.
• Marquardt H, Schäfer SG, McClellan R, Welsch F: Toxicology. Academic Press, San Diego, CA 1999. ISBN 0-12-473270-4.

Aiheesta muualla

• Toksisten aineiden ja vaarallisten kemikaalien tietokanta (englanniksi)