Hodnocení toxických
vlastností:
Vyhodnocení
ekotoxikologických
testů
Důležité otázky při každém hodnocení dat:
• Jak dobře je studie provedena?
• Jsou aplikovány a dodrženy standardní metodiky?
• Je použitý test vhodný?
• Jsou výsledné parametry stanoveny za
relevantních podmínek?
• Je interpretace dat správná?
1
VZTAH DÁVKA-ODPOVĚĎ
Odpověď na stres
• Prahová – žádná biologická odpověď při
nízké dávce, pak se odpověď projeví se
vzrůstající dávkou
• Bezprahová – bez biologické odpovědi
pouze na nulové koncentraci
• Hormeze – počáteční biologická
odpověď na toxikant je pozitivní, při
vzrůstu koncentrace se stává negativní,
nebo naopak
VZTAH DÁVKA - ODPOVĚD
„Všechny látky jsou jedy a závisí pouze na dávce, kdy látka přestává
být jedem a stává se léčivem.“
Paracelsus
Toxicita látky nezávisí pouze na toxických vlastnostech látky, ale hlavně na
její koncentraci/dávce.
Odpověď na stres
prahová
Aproximací prahové dávky bývá hodnota NOAEL/NOAEC (No Observed Adverse Effect Level)
(resp. NOEL, NOEC)
~ dávka, pod níž není možné v exponované populaci detekovat škodlivý účinek
toxické látky
(tato dávka platí pro všechny jedince v dané populaci)
~ tzn. dávka pod kterou nedojde k žádnému úmrtí zvířete, k žádným
patologickým změnám, k žádným biochemickým změnám …
Prahová dávka
Odpověď na stres
bezprahová
~ neexistuje práh účinku, protože již jedna molekula toxické látky může
teoreticky způsobit negativní efekt
~ používá se u genotoxických karcinogenů - jedna molekula genotoxického
karcinogenu může teoreticky způsobit poškození DNA vedoucí k nádoru
Odpověď na stres
hormeze
~ nízké a vysoké dávky kontaminantu mají na organismus rozdílný vliv
~ alkohol, vitamíny, stopové prvky
2
Křivka dávka – odpověď:
základní nástroj pro hodnocení toxických vlastností
látek
Definice:
Graf ukazující biologickou odpověď, např.
enzymu, proteinu, populace či společenstva
na rozmezí koncentrací (dávek) polutantu
Např.: Křivka mortality - závislost kumulativní
mortality na vzrůstající koncentraci
2a
Křivka dávka – odpověď pro
látky s prahovým účinkem
Křivky dávka-odpověď jsou založeny na
normálním (Gaussově) rozložení hodnot
Křivky dávka-odpověď jsou založeny na
normálním (Gaussově) rozložení hodnot
Příklad – rozložení inteligence ve společnosti
~ individuální účinná
dávka (IED) –
minimální dávka
vedoucí ke smrti
jedince
~ geneticky určená pro
každého jedince
• založeno na konceptu individuální tolerance
Křivky dávka-odpověď jsou založeny na
normálním (Gaussově) rozložení hodnot
! Populační odpověď na toxické látky je zpravidla skloněná nalevo !
 Normálnímu rozložení se přiblížíme logaritmickou transformací dávky toxikantu
Křivky dávka-odpověď jsou založeny na
normálním (Gaussově) rozložení hodnot
dose Log(dose)
Křivky dávka-odpověď jsou založeny na
normálním (Gaussově) rozložení hodnot
Zisk typické křivky dávka – odpověď pro prahový účinek:
Kumulativní
křivka
Log [X]
Frekvenceodpovědi(např.smrt)
Mortalita(%)
Log [X]
2b
Křivka dávka – odpověď pro
látky s bezprahovým účinkem
~ naměřené hodnoty efektu lineárně
extrapolujeme do nuly …
Log(dávka)
Efekt
extrapolace
3
Experimentální design pro
testy toxicity
(látky s prahovým účinkem)
0
20
40
60
80
100
0 500 1000
Koncentrace
účinek(%)
Ideální křivka dávka – odpověď:
~ naměřené efekty pokrývají celou škálu účinků od
minimálních po maximální možné
Lineární měřítko – těžko
čitelné
logaritmus koncentrace
Účinek(%)
Ideální křivka dávka – odpověď:
~ naměřené efekty pokrývají celou škálu účinků od
minimálních po maximální možné
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Logaritmické měřítko
Křivka – sigmoidní tvar
Krok 1 – Skríningový test
• Exponovat 5 – 10 organismů desítkové koncentrační řadě po 24 - 96 h
• Cílem určit rozmezí kde se nachází 50 % letální koncentrace (LC50)
Provádí se, pokud nemáme podkladová data
(pro úsporu materiálu při hledání lineární části odpovědi)
Experimentální design: Správné
testování toxicity (letální účinky)
100%30% 100%
# mrtvých žádný žádný několik všichni všichni
0 0
Koncen. 10-3 10-2 10-1 100 101
Krok 2 – Definitivní test
• Z předchozích výsledků – stanovit rozmezí testu:
 dolní = 10-2 = 0.01 mg/L
horní = 100 = 1.0 mg/L
• Použít 10 – 30 organismů  náhodně rozdělit mezi testovacími
nádobami
• Provést test s využitím logaritmického měřítka koncentrací, protože
organismy zpravidla odpovídají logaritmicky na toxikanty
• Obvykle použít alespoň 5 koncentrací + kontrola
Kontrola – ověřuje toxicitu pozadí, ředící vody, media, zdravotní stav
organismů, vliv stresu testovacího prostředí (testovací nádoby,
osvětlení, teplota, atd.)
!!Validita testu!! např.úhyn >10% kontrolních organismů  neplatný test!
Příklad uspořádání definitivního testu
Pokus. zásah Ředění Koncentrace
(mg/L)
1 10-2 0.01
2 10-1.5 0.032
3 10-1 0.1
4 10-0.5 0.32
5 100 1.0
Kontrola 0.0
Kontrola 0,01 mg/L 0,032 mg/L 0,1 mg/L 0,32 mg/L 1 mg/L
Exponováno 20 jedinců/koncentraci
Odpověď po 24 hodinách, jedinců
0 0 1 6 13 17
Odpověď po 96 hodinách, jedinců
0 0 4 9 15 20
Výsledek testu
Koncentrace Kontrola 0.01 mg/L 0.032 mg/L 0.1 mg/L 0.32 mg/L 1 mg/L
Účinek
24 h
0% 0% 5% 30% 65% 85%
Účinek
96 h
0% 0% 20% 35% 75% 100%
0
20
40
60
80
100
120
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Mortalita(%)
koncentrace (mg/l)
24 h
48 h
0
20
40
60
80
100
120
0.01 0.1 1
Mortalita(%)
log koncentrace (mg/l)
24 h
48 h
4
Hodnocení ekotoxikologických
účinků
(látky s prahovým účinkem)
Ideální křivka dávka – odpověď
Logaritmické měřítko
Křivka – sigmoidní tvar
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Odhad
EC50
Letální účinky
LC
Ne toxické
NOEC
LOEC
logaritmus koncentrace
Účinek(%)
Sledované parametry testů toxicity
krátkodobé studie:
• LC50 (letální koncentrace pro 50% testovaných organismů)
• EC50 (účinná koncentrace pro 50% testovaných organismů)
dlouhodobé studie :
• NOEC (no observed effect concentration)
• LOEC (lowest observed effect concentration)
• MATC (maximal acceptable toxicant concentration)
další možné :
• EC10 (10 % effects concentration)
• ECx ( x % effects concentration)
a) Parametry které mohou být
vypočítány z křivky dávka-odpověď
• LD50 – účinná dávka, která způsobí 50% mortalitu testovacích organismů
• LC50 – 50% letální koncentrace - účinná koncentrace, která způsobí 50%
mortalitu testovacích organismů
• EC50 - účinná koncentrace, která způsobí účinek (snížená reprodukce, růst atd.)
u 50% testovacích organismů, či která způsobí 50 % maximálního účinku, 50%
odpověď v testovací populaci (mg/L, ml/L…)
• IC50 – inhibiční koncentrace,
která sníží normální odpověď o 50%
• Další zahrnující jinou percentuální
změnu (10%, 20%, atd.)
EC05, EC20, EC90, …
• Rozmezí EC20 – EC80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Odhad
EC50
• NOEL - No Observed Effect
Level. Nejvyšší testovaná dávka
látky, která nezpůsobila statisticky
významný účinek v porovnání s
kontrolou.
• LOEL
b) Parametry které se neodvozují z
křivky dávka-odpověď
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 1 10 100 1000 10000
NOEC
LOEC
• NOEC - No Observed Effect Concentration. Nejvyšší testovaná koncentrace
látky, která nezpůsobila statisticky významný účinek v porovnání s kontrolou.
• LOEC - Lowest Observed Effect Concentration. Nejnižší testovaná
koncentrace látky, která způsobila statisticky významný účinek v porovnání s
kontrolou. Nejbližší vyšší koncentrace než NOEC.
Testované koncentrace
!Kvalita výsledků je určena správným
výběrem testovaných koncentrací!
a) Koncentrační řada pro stanovení EC50/LC50:
• Testované koncentrace by měly pokrývat rozmezí od koncentrací
nevykazujících žádný účinek až po 100% letální koncentraci
• Dobře vybraná koncentrační řada pro stanovení EC50/LC50 má jednu
koncentraci blízko EC50, a nejméně dvě koncentrace s částečným účinkem pod
a nad EC50 – rozložené symetricky.
• Koncentrační řada by měla být v geometrickém měřítku. Ředící krok
(koeficient) obvykle 2 až 10
• Příklady koncentračních řad:
–1:10, 1:100, 1:1000, 1:10000, 1:100000
(látky s mírným sklonem odpovědi (některé pesticidy); koeficient ředění 10)
–1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32
(příkřejší odpověď, koeficient 2)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
Testované koncentrace
!Kvalita výsledků je určena správným
výběrem testovaných koncentrací!
b) Koncentrační řada pro stanovení NOEC/LOEC:
• Dobře vybraná koncentrační řada pro stanovení LOEC/NOEC má několik
koncentrací v oblasti nízkých odpovědí, nad a pod očekávanou LOEC a
relativně nižší ředící koeficient (≤ 2)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
4a
Stanovení NOEC/LOEC
hodnot
(látky s prahovým účinkem)
Stanovení NOEC/LOEC
hodnot
• Odpovědi organismů na působení
testovaných koncentrací toxické látky jsou
porovnávány s kontrolou
• Hledáme nejvyšší koncentraci, která
nezpůsobuje toxickou odpověď (NOEC) či
první koncentraci, která již způsobí toxickou
odpověď (LOEC)
~ využití statistických testů
• ANOVA (Analýza rozptylu) + post-hoc test
• Kruskal-Wallisův test + post-hoc test
Stanovení NOEC/LOEC
hodnot
20 mg/L
20 mg/L
20 mg/L
20 mg/L
20 mg/L
10 mg/L
10 mg/L
10 mg/L
10 mg/L
10 mg/L
5 mg/L
5 mg/L
5 mg/L
5 mg/L
5 mg/L
Kontrola
Kontrola
Kontrola
Kontrola
Kontrola
Stanovení NOEC/LOEC
hodnot
Příklad určení NOEC/LOEC
Porovnáváme 3 testované koncentrace s kontrolou
Přežívající
dafnie v
kontrole
20 20 20 20 20
Přežívající
dafnie v
koncentraci
5 mg/L
19 20 20 20 20
Přežívající
dafnie v
koncentraci
10 mg/L
19 20 20 19 19
Přežívající
dafnie v
koncentraci
20 m/L
18 19 19 19 19
Stanovení NOEC/LOEC
~ využití statistických testů
• ANOVA
! Pro její správné použití je nutné splnit dva předpoklady!
1) Hodnoty ve srovnávaných skupinách mají normální (Gaussovo)
rozložení (použití testů normality)
2) Rozptyly hodnot ve srovnávaných skupinách se od sebe statisticky
neliší svým rozptylem (použití box-plotů či Levenova testu)
Stanovení NOEC/LOEC
~ využití statistických testů
• Kruskal-Wallisův test
~ neparametrická obdova ANOVA při nesplnění předpokladů
Stanovení NOEC
~ využití statistických testů
• Následné post-hoc testy
~ pokud ANOVA prokáže významný rozdíl mezi některými z
testovaných skupin, použijeme některý z post-hoc testů na
nalezení těchto skupin (např. Tukeyho, Dunnettův, Williamsův
či LSD test nebo metodu dle Steela a Dwasse v případě
použití Kruskal-Wallisova testu)
Výsledek analýzy rozptylu
C 1 3 10 30 100
Odpověď
*
**
Koncentrace (mg/L)
Jaká hodnota odpovídá NOEC?
A jaká LOEC?
Nevýhody NOEC/LOEC hodnot
• Jejich hodnota je silně závislá na designu
experimentu a na:
– Počtu opakování
– Počtu testovaných koncentrací
– Proceduře výběru koncentrací
– Přirozené variabilitě systému
– Použitých statistických metodách
4b
Stanovení EC50 hodnot
(látky s prahovým účinkem)
Výpočet EC50
• Interpolační metody
a) Dvoudávková metoda a Lineární regrese
b) Probitová transformace křivky dávka-odpověď
c) Nelineární regrese
Pokud je křivka (hlavně její lineární část) detailně proměřená – neměl by
být významný rozdíl ve výsledcích získaných různými postupy
výpočtu (bohužel ne vždy to je možné)
a) Dvoudávková metoda
• Nejjednodušší metoda odhadu
• Pokud je EC50 zhruba známá
• Jedna koncentrace v intervalu (20; 50)
• Druhá koncentrace v intervalu (50; 80)
• Interval (20; 80) je zhruba lineární
pro účinek vs. log koncentrací
)(
5,0
)50log( 12
12
1
150 xx
pp
p
xxEC −
−
−
+==
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
vzrůstající log koncentrací
Odhad EC50
EC0 EC100
Letální účinek
Žádný toxický
účinek
Očekávanáodpověď,%
b) Probitová transformace křivky
dávka-odpověď
• Probitová transformace zlinearizuje (narovná)
kumulativní distribuční křivku a to lze následně využít
pro jednodušší výpočet EC50 (LC50) hodnot
• Založeno na hypotéze že resistence k toxikantům je
normálně rozložena (viz kap. 2 přednášky)
• Výhodou je usnadnění analýzy
• Založeno na směrodatných odchylkách, takže každý
probit je spojen s procenty odpovědi
• Průměrná odpověď je definována jako probit = 5,
všechny probity jsou pozitivní  snažší vizualizace
Kumulativní distribuce
~Převedení křivky dávka-odpověď na přímku (lineární odpověď)
Log Dose
Probitovéjednotky
357
Přímka (snadnější
analýza)
Log Dávka
%Mortality
050100%
LD50
Transformováno na
Probit
b) Probitová transformace
křivky dávka-odpověď
% probit % probit % probit % probit % probit % probit
0,2 2,122 10,0 3,718 30,0 4,476 50,0 5,000 70,0 5,524 90,0 6,282
0,4 2,348 11,0 3,773 31,0 4,504 51,0 5,025 71,0 5,553 91,0 6,341
0,6 2,488 12,0 3,825 32,0 4,532 52,0 5,050 72,0 5,583 92,0 6,405
0,8 2,591 13,0 3,874 33,0 4,560 53,0 5,075 73,0 5,613 93,0 6,476
1,0 2,574 14,0 3,920 34,0 4,588 54,0 5,100 74,0 5,643 94,0 6,5S5
1,2 2,743 15,0 3,964 35,0 4,615 55,0 5,126 75,0 5,674 95,0 6,645
1,4 2,803 16,0 4,006 36,0 4,642 56,0 5,151 76,0 5,706 95,5 6,695
1,6 2,856 17,0 4,046 37,0 4,668 57,0 5,176 77,0 5,739 96,0 6,751
1,8 2,903 18,0 4,085 38,0 4,695 58,0 5,202 78,0 5,772 96,5 6,812
2,0 2,946 19,0 4,122 39,0 4,722 59,0 5,228 79,0 5,806 97,0 6,881
2,5 3,040 20,0 4,158 40,0 4,747 60,0 5,253 80,0 5,842 97.5 6,966
3,0 3,123 21,0 4,194 41,0 4,772 61,0 5,278 81,0 5,878 98,0 7,054
3,5 3,188 22,0 4,228 42,0 4,798 62,0 5,305 82,0 5,915 98,2 7,096
4,0 3,249 23,0 4,261 43,0 4,824 63,0 5,332 83,0 5,954 98,4 7,144
4,5 3,305 24,0 4,294 44,0 4,849 64,0 5,358 84,0 5,994 98.6 7,197
5,0 3,355 25,0 4,326 45,0 4,874 65,0 5,385 85,0 6,036 98.8 7,257
6,0 3,445 26,0 4,357 46,0 4,900 66,0 5,412 86,0 6,080 99,0 7,326
7,0 3,524 27,0 4,387 47,0 4,925 67,0 5,440 87,0 6,126 99,2 7,409
8,0 3,595 28,0 4,417 48,0 4,950 68,0 5,468 88,0 6,175 99,4 7,512
9,0 3,659 29,0 4,447 49,0 4,975 69,0 5,496 89,0 6,227 99,6 7,652
99,8 7,878
Tabulka pro probitovou transformaci
Příklad probitové analýzy
Výsledek testu: log-normální distribuce (sigmoidní křivka)
•Transformace dat : Krok 1
~ změna osy “koncentrací” na logaritmické měřítko
Příklad probitové analýzy
Příklad probitové analýzy
•Transformace dat : Krok 2
~ převedení % odpovědi na lineární formu probitovou transformací
Y = a + bX
• Y – transformovaný logit/probit,
• X – log(koncentrace),
• b – sklon regresní přímky,
• a – intercept regresní přímky
Příklad probitové analýzy
•Transformace dat : Krok 3
~ odhad LC50/EC50 hodnoty z přímky lineární regrese
Výpočet EC50 hodnoty:
5 = a + b*log(koncentrace)
log(koncentrace) = (5-a)/b
koncentrace = e^((5-a)/b)
• Stává se čím dál běžnějším způsobem vyhodnocení závislosti
dávka-účinek
• Na hladinách EC50 by se měly nelineární a lineární regrese
víceméně shodovat
• více bodů – lepší nelineární regrese a spolehlivější odvození ECx
hodnot
~ přímé proložení sigmoidální křivkou a matematický popis
nelineárního trendu závislosti dávka-odpověď
c) Nelineární regrese
• model je vyjádřen jako rovnice, která definuje Y(odpověď) jako
funkci X (koncentrace) a jednoho nebo více parametrů
• Velkou výhodou je přesnější odhad nízkých (EC10, EC20) či
vysokých (EC80, EC90) hodnot a modelování celých křivek
• Další výhodou je velmi rychlé stanovení hodnoty EC50, protože ta je
jedním z parametrů modelu a je tudíž primárním výstupem
zmíněných softwarových nástrojů
• narozdíl od lineárních regresních modelů je třeba pro pro správné
proložení hodnot nelineárním modelem použít iterativních algoritmů.
V naprosté většině případů se používá kritérium minima součtu
čtverců odchylek (reziduí). K tomu lze využít modelovacích softwarů
(Statistica, GraphPad, SigmaPlot, JMP, R-software)
c) Nelineární regrese
• Nejběžnějším modelem je Hillův model (log-logistický model se 4
parametry) :
y … odpověd na toxikant (osa y), EC50
x … koncentrace toxické látky (osa x)
h … sklon křivky v lineární části (tzv. Hill slope)
c … spodní limit, d … horní limit
• Existují ale i modely jiné a často i více vhodné, které se mohou lišit v
předpovězených hodnotách ECx (např. Weibull I, Weibull II či loglogistický
model s 5 parametry
• V některých případech je vhodné vybrat model jiný podle uvážení či
s využitím statistických nástrojů zjistit, který model proloží data lépe
(např. AIC – Akaikovo informační kritérium)
c) Nelineární regrese
𝑦𝑦 = 𝑐𝑐 + (𝑑𝑑 − 𝑐𝑐)
𝑥𝑥ℎ
𝐸𝐸𝐸𝐸50
ℎ
+ 𝑥𝑥ℎ
Využití LC50
1. Aplikační faktor
– LC50 x n = ___ = povolená dávka
– Dobrá pokud nemáme lepší informaci (chronické
testy)
2. Zhodnocení rizika  nižší LC50 = toxičtější
3. Vede k chronickému testování
• LC50 z akutního testu neposkytuje ekologicky
relevantní výsledek  potřeba testování na více
ekosystémové úrovni
5
Využití křivek dávka-odpověď
pro hodnocení rizik toxických
látek
(látky s prahovým účinkem)
5a) Srovnání více toxikantů
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0,1 1 10 100 1000 10000
Látka s odpovědí, kterou zobrazuje červená křivka
je toxičtější než ta se žlutou křivkou
! Je třeba látky srovnávat nejen podle EC50 hodnot, ale i podle celé křivky!
(potenciál vs. účinnost toxické látky)
5a) Srovnání více toxikantů
! Důležitý je např. sklon křivky - toxikant s mírným sklonem může být
nebezpečný při nízkých koncentracích i když EC50 je vysoká !
5b) Stanovení bezpečných hladin
toxikantů v prostředí
MATC
• Maximum Allowable Toxicant
Concentration
• maximální povolitelná koncentrace
toxikantu
– geometrický průměr NOEC a LOEC
– často nazývaná “chronická hodnota”
PNEC
~„predicted no effect concentration“ (PNEC)
= předpokládaná koncentrace nezpůsobující
žádný účinek
 Identifikace nebezpečnosti: identifikace
škodlivých účinků
5b) Stanovení bezpečných hladin toxikantů v prostředí
• PNEC: PEC < PNEC: zajišťuje komplexní ochranu
prostředí
• PEC = predicted environmental concentration =
očekávaná environmentální koncentrace
• Výpočet PNEC:
vynásobení NOEC nebo EC50 přepočtovým faktorem
(faktorem nejistoty - UF) za využití statistických
extrapolačních technik
• Přepočtové faktory jsou používány ke zohlednění nejistot
5b) Stanovení bezpečných hladin toxikantů v prostředí
• Nejistoty:
– intra- a inter-laboratorní variabilita v toxikologických
datech
– intra- a inter-druhové rozdíly (biologická variabilita)
– extrapolace z krátkodobých na dlouhodobé testy
– extrapolace z laboratorních dat na situaci v prostředí
(synergistické, aditivní a antagonistické účinky,
interace organismů atd...)
5b) Stanovení bezpečných hladin toxikantů v prostředí
Rámcová směrnice EU o vodách:
Assessment factors to derive a PNEC aquatic
Assessment factor
At least one short-term L(E)C50 from each of three trophic
levels of the base-set (fish, Daphnia and algae)
1000
One long-term NOEC (either fish or Daphnia) 100
Two long-term NOECs from species representing two
trophic levels (fish and/or Daphnia and/or algae)
50
Long-term NOECs from at least three species (normally
fish, Daphnia and algae) representing three trophic levels
10 (
Field data or model ecosystems Reviewed on a case by case
basis
Species sensitivity distribution (SSD method) 5-1, to be fully justified on a
casa by case basis
Faktory nejistoty =
bezpečnostní faktory
5b) Stanovení bezpečných hladin toxikantů v prostředí
NOAEL koncept
• Identifikace škodlivého účinku, který se objevuje při nejnižší dávce
• stanovení NOAEL nebo LOAEL pro tento účinek (pro látky s
prahovým účinkem se shoduje s hodnotami NOEL a LOEC)
• podělení NOAEL nebo LOAEL bezpečnostními faktory
• ADI (acceptable daily intake): odhadované maximální množství látky,
vztažené na tělesnou hmotnost, jemuž může být subjekt vystaven po
celý život bez patrného zdravotního rizika (TDI - tolerable daily intake)
• RfD (reference dose): odhad denní expozice, která je bez patrných
zdravotních následků i v případě, že probíhá celoživotně
5c) Stanovení bezpečných dávek
toxikantů pro člověka
NOAEL (NOAEC)
No Observed Adverse Effect Level (Concentration)
NOAEL
Dávka
Odpověď
Důležité pro nastavení expozičních
limitů:
USA – Threshold Limit Value
UK – Maximum Exposure Limit
Pod ní může být pozorován účinek, ale
není považován za nebezpečný.
LOAEL (LOAEC): Lowest Observed Adverse
Effect Level/Concentration.
~ Nejnižší testovaná dávka/koncentrace látky,
která způsobila škodlivý účinek.
5c) Stanovení bezpečných dávek toxikantů pro člověka
~ Nejvyšší testovaná dávka/koncentrace látky, která nezpůsobila škodlivý
účinek.
ADI z NOAEL
• ADI (nebo RfD) je vypočtena z NOAEL podělením faktory nejistoty
(uncertainty factors UFs) nebo bezpečnostními faktory (safety factors
SFs)
5c) Stanovení bezpečných dávek toxikantů pro člověka
Faktory nejistoty - Uncertainty factors
UFmezidruhové rozdíly = 10
UFvnitrodruhové rozdíly = 10
5c) Stanovení bezpečných dávek toxikantů pro člověka
Další možné UF
• UFLOAEL-NOAEL - 3 nebo 10
UFsubchronické-chronické - 3 nebo 10
UF nedostatek relevantních informací - více než 10
• MF – modifikační faktor (expertní stanovisko) – více než 10
RfD = NOAEL (or LOAEL) / UF1 UF2 UF3 MF
5c) Stanovení bezpečných dávek toxikantů pro člověka
3.5 3.8 4.1 4.5 4.8 5.1 5.5 5.8 6.1
log(NOEC or ECx)
0
5
10
15
20
25
30
35
Numberoforganisms
log(NOEC or EC50)
Početdruhů
3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 6.4
log(NOEC or ECx)log(NOEC or EC50)
Taxony
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Fractionoforganisms
PAF
HCp
Procentodruhů
5d) SSD – Species Sensitivity Distribution
HCp (Hazard Concentration for p-percent
of species) = koncentrace, která
negativně ovlivní p-procent druhů
organismů
PAF (Potentially Affected Fraction) =
frakce (nebo procento) organismů,
která bude negativně ovlivněna
působením určité koncentrace dané
toxické látky
6
Hormeze
Hormeze
• Vztah mezi expozicí kontaminantu a odpovědí organismu
může být komplikovanější než se dříve věřilo
• Vysoké a nízké dávky kontaminantu mohou mít na
organismus rozdílný vliv (hormeze neznamená, že účinky
nízkých dávek jsou prospěšné, jenom to že jsou odlišné!!)
• Zapracování konceptu hormeze do ekotoxikologie a
hodnocení ekologických rizik je v současnosti limitováno
nedostatečnou znalostí mechanismu hormeze
počáteční biologická odpověď na
nižších koncentracích toxikantu
vykazuje opačný trend než při
vzrůstu koncentrací
Hormese
• nízké dávky protektivní účinek, vysoké toxický účinek, nebo naopak
• teorie o stimulaci obranných mechanismů nízkými dávkami radiace vs. negativní
účinek nízkých dávek protinádorových léků
• U a inversní U tvar křivky dávka účinek
Teoretická křivka hormeze I
Teoretická křivka hormeze II
Teoretická křivka hormeze
Calabrese and Baldwin (2003)
Calabrese and Baldwin (2003)
7
Regulační souvislosti
• Obecně používán prahový model pro ne-karcinogeny, a
lineární bezprahový model pro karcinogeny (včetně
radiace; EPA, FDA, a NRC).
• Přechod na model hormeze by pravděpodobně zmírnil
některé limity pro polutanty ve vzduchu, vodě,
potravinách a půdě.
• To by mohlo vést ke zmírnění nákladů na dodržování
environmentálních limitů a na remediační projekty.
• Tato změna ale není moc pravděpodobná, i když se
ukazuje, že mnoho toxikantů vykazuje prahové nebo
hormezní působení v nízkých dávkách
8
Modely vztahu čas-odpověď