Ksenobiotyki. Czym są i czy stanowią zagrożenie dla organizmu

Powietrze, woda, gleba czy żywność to różne drogi, przez które ksenobiotyki mogą przedostać się do organizmu. Co zaliczamy do ksenobiotyków i jaki mają wpływ na nasze zdrowie? Jaka jest zależność między tym, co jemy, a ksenobiotykami?

Ksenobiotyki – co stoi za tą nazwą?

W ciągu życia organizm ludzki narażony jest na różne związki chemiczne, które są dla niego obce. Substancje te nie są naturalnymi metabolitami organizmu i nazwano je ksenobiotykami. Do tej grupy można zaliczyć między innymi pestycydy, leki, środki owadobójcze czy czynniki zanieczyszczające środowisko [1].

Metabolizm ksenobiotyków

Gdyby nie metabolizm, wiele ksenobiotyków osiągałoby toksyczne lub śmiertelne stężenia w organizmie [1]. Wyróżnia się cztery fazy przemian, które przechodzą ksenobiotyki. Jest to wchłanianie, rozmieszczenie (dystrybucja), biotransformacja (przemiany biochemiczne) i wydalenie. Znaczna część ksenobiotyków jest metabolizowana dzięki aktywności enzymów cytochromu P450 (CYP). Metabolizm pozwala na usunięcie z organizmu niepożądanych substancji. Mimo to może on również przyczyniać się do powstania szkodliwych metabolitów. Przykładem jest aflatoksyna B1, której przemiany skutkują wytworzeniem związków o działaniu mutagennym [2].

Ksenobiotyki a mikrobiota jelitowa

Wątroba jest głównym miejscem w organizmie, w którym zachodzą przemiany biochemiczne ksenobiotyków. Przewód pokarmowy i inne tkanki również odgrywają pewną rolę w tych reakcjach [3].

Związek między mikrobiotą jelitową i ksenobiotykami jest dwustronny. Ksenobiotyki wpływają na mikrobiotę, ale mikrobiota także może wpływać na ich przemiany. Badanie na myszach wykazało, że ustna ekspozycja na benzopiren skutkowała umiarkowanym stanem zapalnym w błonie śluzowej jelita krętego i jelita grubego. Ponadto zauważono zmiany w składzie mikrobioty jelitowej. Z drugiej strony, mikroorganizmy obecne w jelicie mogą przyczyniać się do wydalania ksenobiotyków z kałem lub ich przemian do mniej toksycznych postaci [4].

Przykłady ksenobiotyków

Mikotoksyny

Mikotoksyny to toksyczne związki produkowane przez grzyby pleśniowe. Szacuje się, że do 25% uprawianych roślin na świecie może być skażonych mikotoksynami. Natomiast ponad 4-5 miliardów osób może być przewlekle narażonych na spożywanie tych zanieczyszczeń. Najwyższe poziomy skażenia żywności mikotoksynami wykazywane są najczęściej w krajach o niskich dochodach. Ze względu na zachodzące zmiany klimatyczne, staje się to narastającym zagrożeniem również w krajach rozwiniętych. Opisywane toksyny wykazują działanie mutagenne, rakotwórcze, teratogenne oraz immunotoksyczne [5]. Aflatoksyna zanieczyszczająca zboża i orzechy ziemne przyczynia się do rozwoju zwłóknienia wątroby, marskości wątroby oraz raka wątroby [2]. 

Heterocykliczne aminy aromatyczne

Heterocykliczne aminy aromatyczne (HCA) to związki, które wśród ksenobiotyków wykazują największy wpływ na rozwój raka jelita grubego. HCA powstają w wysokich temperaturach na skutek rekcji między substancjami zawartymi w mięsie. Ich działanie mutagenne wzrasta wraz z temperaturą oraz poziomem zarumienienia produktów spożywczych poddawanych obróbce termicznej. Z tego względu smażenie czy grillowanie prowadzi do tworzenia większej ilości HCA niż gotowanie, gotowanie na parze czy duszenie [4].

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) to jedne z najczęstszych substancji skażających środowisko i żywność [2]. Ich źródłem w diecie jest obróbka mięsa w wysokich temperaturach. Ponadto można znaleźć je również w mięsie peklowanym i żywności wędzonej. Pośród WWA największe działanie rakotwórcze wykazuje benzopiren [4].

Benzopiren powstaje w wyniku niecałkowitego spalania materiałów organicznych oraz obróbki żywności w wysokiej temperaturze. Ten związek jest również obecny w dymie papierosowym. Przewlekłe narażenie na WWA poprzez spożycie z żywnością, kontakt skórny czy wdychanie niesie ze sobą negatywne konsekwencje. Zaliczamy do nich stan zapalny, działanie rakotwórcze i rozwój schorzeń układu krwionośnego [2].

Bisfenol A (BPA)

Bisfenol A (BPA) to związek chemiczny używany na szeroką skalę do produkcji polimerów syntetycznych. Kwestia, która budzi niepokój to wykazane przechodzenie BPA z opakowań do żywności, która się w nich znajduje. Człowiek spożywający takie produkty jest narażony na przedostanie się bisfenolu A do organizmu.

Wykazano, że ciepło to czynnik, który zwiększa migrację BPA z opakowań do żywności. Człowiek jest narażony na bisfenol A poprzez opakowania do żywności, plastikowe butelki i urządzenia zawierające plastik (telefony komórkowe czy laptopy). Jednak znaczna dawka BPA, która może być dostarczona do organizmu, pochodzi także z papierów termicznych (np. paragony, bilety). Pracownik obsługujący kasę fiskalną przez 10 godzin dziennie może średnio dostarczyć do organizmu 71 μg BPA na dzień.

W XX wieku BPA stosowany był jako syntetyczny estradiol. Obecnie wiadomo, że ekspozycja na wysokie stężenie BPA może wpływać na działanie ligandów receptorów estrogenowych. Dlatego bisfenol A zalicza się do związków endokrynnie czynnych, które zaburzają naturalną czynność hormonów. Ponadto wykazuje on działanie rakotwórcze [6].

Rtęć

Rtęć to metal ciężki, który działa toksycznie na organizm ludzki. Jego wpływ zależy między innymi od postaci i dawki substancji. Źródło rtęci w żywności pochodzi między innymi z ryb. Gatunki, które znajdują się na szczycie łańcucha pokarmowego, tak jak tuńczyk, miecznik czy rekin, mogą gromadzić w swoich tkankach znaczne ilości rtęci [7]. Oprócz ryb, owoce morza to główne spożywcze źródła metylortęci, czyli organicznej postaci tego pierwiastka [8].

Glin

Glin, powszechnie zwany aluminium, to metal, który jest używany na szeroką skalę do produkcji opakowań do żywności. Poza tym jest również dodawany do kosmetyków, antyperspirantów i leków [9]. Główne źródła glinu w codziennej diecie pochodzą z produktów, które naturalnie go zawierają, opakowań żywności oraz dodatków do żywności.

Produkty, które naturalnie zawierają duże ilości glinu to liście herbaty, zioła, kakao i przyprawy. W normalnych warunkach migracja glinu z tworzyw, które mają styczność z żywnością stanowi niewielką część dziennego spożycia tego pierwiastka. Środowisko kwaśne i obecność soli w naczyniach zawierających glin oraz folii aluminiowej może powodować wyższe stężenia glinu w produktach, które mają z nimi kontakt.

Dotyczy to na przykład musu jabłkowego, przecieru pomidorowego czy solonego śledzia. Ponadto przechowywanie gotowych dań w aluminiowych naczyniach w umiarkowanym stopniu może zwiększać stężenie glinu w żywności. Zwłaszcza w posiłkach zawierających pomidory, marynaty i ocet. Spożycie glinu z pokarmami różni się wśród populacji, ale wykazano, że dzieci dostarczają większe ilości tego pierwiastka w przeliczeniu na kilogram masy ciała [10].

Podwyższone stężenie glinu wykazano także w suplementach diety na bazie mikroalg jak spirulina czy chlorella. Prawdopodobnie wynika to z nieodpowiedniej lokalizacji stawów hodowlanych oraz stosowania metod chemicznych podczas zbiorów biomasy. Wchłanianie glinu z przewodu pokarmowego jest niewielkie, a większość wchłoniętej części jest usuwana wraz z moczem. Jednakże ekspozycja na glin ze środowiska znacznie wzrosła w ciągu ostatnich lat. Ponadto osoby chorujące na niewydolność nerek mogą być bardziej podatne na toksyczne działanie glinu [11].

Żywność, która redukuje szkodliwy wpływ ksenobiotyków

Wiele produktów i związków chemicznych obecnych w żywności wykazuje działanie obniżające negatywne skutki narażenia na ksenobiotyki. Zaliczamy do nich między innymi:

Soję

Spożywanie soi może obniżać aktywność enzymów z rodziny CYP1, które są wzbudzane przez WWA. W konsekwencji takie działanie może przyczyniać się do zmniejszenia ryzyka rozwoju niektórych typów nowotworów [12].

Polifenole

Polifenole to związki pochodzenia roślinnego, które mogą wpływać na zmianę aktywności cytochromu P450, który odgrywa rolę w metabolizmie ksenobiotyków. Jest to możliwe przez bezpośrednie interakcje z enzymami lub oddziaływanie na ekspresję genów CYP. Cytochromy biorą udział w utlenianiu i aktywowaniu czynników rakotwórczych pochodzących ze środowiska zewnętrznego. W tym przypadku obniżenie aktywności CYP wiąże się z działaniem prozdrowotnym [13].

Flawonoidy

Flawonoidy to związki organiczne obecne w roślinach. Niektóre flawonoidy wykazują zdolność obniżania ekspresji i aktywności CYP.

W konsekwencji zredukowana zostaje produkcja metabolitów o działaniu mutagennym. Wykazano, że sylimaryna i kwercetyna osłabiają toksyczne działanie benzopirenu. Jest to możliwe dzięki ograniczeniu ekspresji i aktywności CYP oraz zwiększeniu aktywności enzymu odpowiedzialnego za detoksykację i wydalanie ksenobiotyków [2].

Mikroplastik a żywność

Małe cząsteczki plastiku zwane mikroplastikiem są obecne w środowisku wodnym i lądowym. Wykryto je również w wodzie mineralnej znajdującej się zarówno w plastikowym, jak i szklanym opakowaniu. Wykazano, że ryby i owoce morza także mogą zawierać mikroplastik. Znajduje się on głównie w żołądku i jelitach tych organizmów, a te narządy są zazwyczaj usuwane podczas patroszenia, więc konsumenci nie są na nie narażeni. Nie dotyczy to jednak owoców morza i niektórych gatunków małych ryb.

Dla przykładu małże spożywane są wraz z przewodem pokarmowym. Występowanie mikroplastiku zanotowano również w badanym miodzie, piwie oraz soli stołowej. Tylko mikroplastik o wielkości poniżej 150 μm może przenikać przez nabłonek jelita, powodując ogólnoustrojowe narażenie na ten materiał. Wchłanianie tych cząstek jest ograniczone i tylko najmniejsze frakcje o rozmiarze poniżej 1.5 μm mogą przedostawać się w głąb narządów [14].

Podsumowanie

Ksenobiotyki to związki obce dla organizmu, które nie są jego naturalnymi metabolitami. Człowiek narażony jest na nie poprzez spożywaną żywność i wodę, powietrze czy zanieczyszczenia środowiska. Dzięki metabolizmowi organizm jest w stanie przekształcać te związki i wydalać je, co zapobiega zatruciu.

Mikrobiota jelitowa również bierze udział w przemianach ksenobiotyków. Jednak związki te mogą negatywnie wpływać na skład mikrobioty jelitowej. Do najpopularniejszych ksenobiotyków zalicza się mikotoksyny, HCA, WWA, rtęć, glin czy BPA. Wiele z tych substancji wykazuje działanie rakotwórcze i mutagenne. Istnieją jednak produkty obniżające negatywny wpływ ksenobiotyków na organizm. Udowodnione działanie ochronne mają soja, polifenole oraz flawonoidy.

Zagadnieniem budzącym wiele wątpliwości, którego popularność wzrasta w ostatnich latach jest mikroplastik. Jego obecność wykazano w środowisku wodnym i lądowym, a także w zamieszkujących je organizmach żywych.

Literatura:

1. Croom, E. (2012). Metabolism of xenobiotics of human environments. In Progress in Molecular Biology and Translational Science (Vol. 112). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-415813-9.00003-9
2. Wu, J.-C., Lai, C.-S., Tsai, M.-L., Ho, C.-T., Wang, Y.-J., & Pan, M.-H. (2017). Chemopreventive effect of natural dietary compounds on xenobiotic-induced toxicity. Journal of Food and Drug Analysis, 25(1), 176–186. https://doi.org/10.1016/j.jfda.2016.10.019
3. Carmody, R. N., & Turnbaugh, P. J. (2014). Host-microbial interactions in the metabolism of therapeutic and diet-derived xenobiotics. In Journal of Clinical Investigation (Vol. 124, Issue 10). https://doi.org/10.1172/JCI72335
4. Nogacka, A. M., Gómez-Martín, M., Suárez, A., González-Bernardo, O., de los Reyes-Gavilán, C. G., & González, S. (2019). Xenobiotics Formed during Food Processing: Their Relation with the Intestinal Microbiota and Colorectal Cancer. International Journal of Molecular Sciences, 20(8). https://doi.org/10.3390/ijms20082051
5. Crudo, F., Varga, E., Aichinger, G., Galaverna, G., Marko, D., Dall’Asta, C., & Dellafiora, L. (2019). Co-occurrence and combinatory effects of alternaria mycotoxins and other xenobiotics of food origin: Current scenario and future perspectives. Toxins, 11(11). https://doi.org/10.3390/toxins11110640
6. Jalal, N., Surendranath, A. R., Pathak, J. L., Yu, S., & Chung, C. Y. (2018). Bisphenol A (BPA) the mighty and the mutagenic. In Toxicology Reports (Vol. 5). https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2017.12.013
7. Bernhoft, R. A. (2012). Mercury toxicity and treatment: A review of the literature. In Journal of Environmental and Public Health (Vol. 2012). https://doi.org/10.1155/2012/460508
8. McCormick, A., Robertson, M. D., Brasso, R., & Midway, S. R. (2020). Mercury concentrations in store-bought shrimp. Food Science and Nutrition, 8(7). https://doi.org/10.1002/fsn3.1659
9. Ertl, K., & Goessler, W. (2018). Aluminium in foodstuff and the influence of aluminium foil used for food preparation or short time storage. Food Additives and Contaminants: Part B Surveillance, 11(2). https://doi.org/10.1080/19393210.2018.1442881
10. European Food Safety Authority. (2008). Safety of aluminium from dietary intake. EFSA Journal, 754.
11. Rzymski, P., Budzulak, J., Niedzielski, P., Klimaszyk, P., Proch, J., Kozak, L., & Poniedziałek, B. (2019). Essential and toxic elements in commercial microalgal food supplements. Journal of Applied Phycology, 31(6). https://doi.org/10.1007/s10811-018-1681-1
12. Ronis, M. J. J. (2016). Effects of soy containing diet and isoflavones on cytochrome P450 enzyme expression and activity. In Drug Metabolism Reviews (Vol. 48, Issue 3). https://doi.org/10.1080/03602532.2016.1206562
13. Korobkova, E. A. (2015). Effect of Natural Polyphenols on CYP Metabolism: Implications for Diseases. In Chemical Research in Toxicology (Vol. 28, Issue 7). https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.5b00121
14. Panel, E., & Chain, F. (2016). Presence of microplastics and nanoplastics in food , with particular focus on seafood EFSA Panel on Contaminants in the Food Chain ( CONTAM ). EFSA Journal, 14(6).