Toksikoloogia

Biomarkerid

Biomarkerid on organismi bioloogilised muutused, mille kutsuvad esile toksilised ained. Biomarkeri vastus võib esineda nii molekulaarsel, rakulisel kui ka organismi tasemel; seda võib mõõta numbriliselt või kirjeldada muutuseid organismi käitumises. Kokkuvõtvalt ongi tegemist väga laia ja väga laialdaselt kasutatava mõistega, mis sobib kirjeldama kõikvõimalikke muutusi, mis organismis keskkonnareostuse tulemusena võivad toimuda.

Biomarkereid saab jagada nende spetsiifilisuse põhjal. Spetsiifilised biomakerid on organismi muutused, mida põhjustab vaid mingi kindel aine. Spetsiifilised biomarkerid on väärtuslikud, sest annavad uurijatele konkreetset informatsiooni organismile mõjuva aine kohta ja biomarkeritega töötades otsitakse just niisuguseid. Spetsiifiline biomarker on näiteks vere heemi biosüsteesi katalüüsiva ALADi (aminolaevulinic acid dehydratase) ensüümi aktiivsus, sest ALADi süntees inhibeeritakse organismis vaid plii (Pb) sisenemisel. Nii võibki vaid ALADi aktiivsust mõõtes teada saada, kas uuritaval organismil on pliimürgituse oht või mitte. Kuna tegemist on aga spetsiifilise biomarkeriga, siis ei ütle see midagi teiste kahjulike ainete kohta.

Seevastu mittespetsiifilised bimarkerid avalduvad paljude kahjulike ainete mõju tulemusena. Selline on näiteks immuunsüsteem – kahjustuste ilmnemisel on väga keeruline nende konkreetset põhjustajat määrata. Nende kahe äärmuse vahele jäävad poolspetsiifilised biomakerid, mille puhul saab kindlaks teha organismile mõjuvate ainete rühmad – näiteks atsetüülkoliin-esteraasi (AChE) inhibitsiooni puhul on nendeks teatud pestitsiidid.

Muutused kala tüsedusindeksis (CF ehk konditsioonifaktor või Fultoni indeks kirjeldab kala massi ja pikkuse suhet) on klassikaline laialt kasutust leidnud mittespetsiifiline biomarker

Hea biomarker on tundlik toksilise aine bioloogilise kättesaadavuse seisukohast, kuivõrd annab organismis ka kiire bioloogilise vastuse. Seega on hea biomarker mingi organismi muutus, mis reageerib kiiresti juba väikestele toksiliste ainete kogustele. Biomarkerid ilmnevad siiski alati mingisuguse hilinemisega, seega ei ole välistatud, et biomarkeri avaldumisel (nt rakus mikrotuumade tekkimisel) võib olla selle põhjus juba kadunud või kadumas. Samuti on keeruline hinnata, milline toksiline aine just konkreetse muutuse põhjustas, sest organism on keskkonnas pidevalt kokkupuutes eri kemikaalidega ja paljud neist võivad põhjustada bioloogilisi muutuseid. Kui kala maks on laiguline, siis võib see olla põhjustatud väga mitmetest toksilistest ainetest, aga ka nende koosmõjust.

Samas on biomarkereid mõistlik kasutada just igapäevases seires ning olukordades, kus uurimisobjekt on olulisem kui konkreetne toksiline aine. Kui teadlast huvitab mingi liigi käekäik, siis biomarker kirjeldabki just seda – keskendumata küsimusele, milline kemikaal seda käekäiku mõjutab (muidugi saab osade spetsiifiliste biomarkerite puhul eeldada ka seda põhjustanud kemikaali). Toksilise aine kontsentratsiooni keskkonnas saab teada siis, kui minnakse midagi konkreetselt mõõtma – kui aga ei teata, millist ainet mõõta, või ei ole konkreetne aine tähtis, siis annab selguse biomarkerite analüüs. Biomarker näitab, kas mingitel toksilistel ainetel on mõju organismide tervisele, samal ajal kui keskkonnast mõõdetud toksiliste ainete kontsentratsioonid lubavad meil vaid eeldada (tuginedes varasematele kogemustele) mõju elusorganismidele.

Biomarker peab vastama järgmistele nõuetele:

• biomarker peab olema kvantitatiivselt mõõdetav, suhteliselt odav ja lihtsalt analüüsitav;
• biomarker peab olema võimalikult tundlik toksiliste ainete suhtes, et teda saaks kasutada varase keskkonnareostuse indikaatorina;
• biomarkeri loodusliku varieeruvuse kohta peab olema kogutud taustainfot, et teha vahet loomulikul kõikumisel ja reostuse signaalil (vt joonis 21);
• biomarkeri väärtust segavad faktorid peavad olema eristatavad;
• peab olema selge, milline on side toksilise aine (doos ja aeg) ning biomarkeri vastuse vahel ja millised (nt rakulised) mehhanismid seda sidet põhjustavad.

Biomarkereid leidub ka taimede seas. Taimed võivad olla tundlikud mingile spetsiifilisele elemendile või ainele. Näiteks seleenile (Se) tundlikud taimed ei tee vahet väävlil (S) ja seleenil ning kaasavad seleeni väävli asemel teatud aminohapete koosseisu. Selline asendamine võib kokkuvõttes viia taimede hukkumiseni. Vastukaaluks esineb ka seleenile vastupidavaid taimeliike, millel toimub samuti aminohapete asendamine seleeniga, kuid nad on võimelised neid aminohappeid seejärel kas biotransformeerima või siis ohututes kudedes talletama. Just neid seleeni sisaldavaid valkusid saabki kasutada biomarkerina.

Joonis 21. Organismi vastus (biomarker) põhjustab kokkupuutel toksiliste ainetega hälbimise normaalsest olukorrast. Varased biomarkerid aitavad keskkonnareostuse jälgi avastada enne, kui toksikant jõuab organismi pöördumatult kahjustada Levinuimad biomarkerid:

• biotransformatsiooni ensüümide aktiivsused (nt EROD test) – kõige tundlikumad biomarkerid. Biotransformatsiooni ensüüme on võimalik laboratoorselt nii aktiveerida kui ka inhibeerida. Näiteks EROD on sünteetiline PAH, lisades seda maksalahusesse on võimalik teha kindlaks maksas olev ensüümiaktiivsuse tase;
• biotransformatsiooni produktid – mitmesugused konjugaadid, mida mõõdetakse vahetult enne, kui neid organismist eritatakse. Näiteks PAHide metaboliidid, mida saab mõõta kalade sapist ja uriinist;
• stressiproteiinid ehk heat-shock proteins – on tunnus sellest, et rakud on stressis või kannatavad kahjulike tingimuste all;
• vere parameetrid – näiteks hematokrit, hormoonide tase veres või transaminaaside tase;
• muutused sigimisvõimes ja hormoonide regulatsioonis – tunnused keskkonnas leiduvate endokriinsüsteemile mõjuvate toksiliste ainete kohta;
• genotoksilised ja tsütotoksilised kõrvalekalded – igasugused kõrvalekalded raku ehituses, eelkõige tuumas. Näiteks mikrotuumade, kaksiktuumaliste ja fragmenteerunud tuumaga rakkude leidumise on põhjustanud geenimutatsioonid (nt PAHide metaboliidid);
• immunoloogilised vastused. Immunoloogia on organismi toimimiseks kriitilise tähtsusega, samas on kehas olemas arvestatavad reservid toksiliste ainete põhjustatud immunoloogiliste puudujääkide korvamiseks;
• parasiteeritus – nõrgestatud organism on vastuvõtlikum haigustele ja parasiitidele;
• füsioloogilised ja morfoloogilised muutused – väärarengud, haiged organid, kasvajad, igasugused kudede kahjustused on pikaajaliste kahjulike mõjude tunnusteks. Ka konditsiooniindeksite (tüsedusindeksite), maksa- ja gonaadiindeksite kõrvalekaldumised;
• muutused organismi käitumises – käitumisilmingud võivad olla tihedalt seotud füsioloogiliste muutustega, näiteks hormoonide tase veres.

Lesta maksa värvus on alles viimastel aastatel kasutusele võetud kui potentsiaalne pool-spetsiifiline (mõjutatud organokloriidide ja PAHide poolt) biomarker, mille testimine alles käib

Loe lisaks:

• Principles of Ecotoxicology, Third Edition (2006), by C.H. Walker, S.P. Hopkin, R.M.Sibly, D.B.Peakall. CRC Press, lk: 315.