Genellikle zararlı olduğunu bildiğimiz metallerin ve metal bazlı bileşiklerin insan organizması ile etkileşimleri son derece karmaşıktır. Dünya çapında insan ve doğa için, zehirli etkilerinden korunulması çeşitli düzenleyici kuruluşların temel hedefidir.

İnsan ve doğa için metallerin risk değerlendirme çalışmaları, araştırmaların önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bunun için birçok güvenilir yöntem kullanılmakla birlikte, ana sorular hâlen aydınlatılmamıştır. Kimyasal maddenin vücuda alınma yöntemi, ne kadarının toksik olduğu, alınma süresi, alınma hızı gibi faktörler belirsizliğini korumaktadır.

Yeni bulunanlarla birlikte sayıları hızla artan elementler; metaller, metaloidler (yarı metaller) ve ametaller (metal olmayanlar) olarak basitçe sınıflandırılır ve periyodik tabloda gösterilir.

Metallerin, Metaloidlerin ve Ağır Metallerin Özellikleri

Metallerin Basit Özellikleri

• Oda sıcaklığında cıva dışında katı hâldedirler.

• Tel ve levha hâline getirilebilirler.

• Görünümleri parlaktır.

• Elektriği ve ısıyı iyi iletirler.

• Sıcaklık yükseldikçe elektrik iletkenlikleri azalma gösterir.

• Sadece ametallerle bileşik oluşturabilirler, vb.

Metaloidlerin Özellikleri

• Doğada katı hâlde bulunurlar.

• Tel ve levha hâline getirilemezler.

• Görünümleri parlak ya da mattır.

• Elektrik ve ısıyı zayıf iletirler.

• Sıcaklık yükseldikçe elektrik iletkenlikleri artar.

• Hem kendileri hem metaller hem de ametaller ile bileşik oluşturabilirler.

Ağır Metal Tanımı ve Toksikolojik Etkileri

“Ağır metal” terimi, son yıllarda yaygın bir şekilde kullanılan bir terimdir. Genellikle kontaminasyon ve potansiyel toksisite ya da eko-toksisite ile ilişkilendirilen metaller ya da yarı-metaller (metaloidler) olarak tanımlanır. Gerçekte ağır metal tanımı, yoğunluğu 5 g/cm3'ten daha büyük olan metaller olarak ifade edilir. Tıpta ise ağır metal tanımı, elementlerin atomik ağırlıklarına bakılmaksızın tüm toksik özellik taşıyan metaller olarak tanımlanır.

Altmıştan fazla element ağır metallere örnek olarak verilebilse de, en sık rastlanan ve en çok tanınanlar; Cıva ($\text{Hg}$), Mangan ($\text{Mn}$), Demir ($\text{Fe}$), Kobalt ($\text{Co}$), Nikel ($\text{Ni}$), Bakır ($\text{Cu}$), Çinko ($\text{Zn}$), Kadmiyum ($\text{Cd}$), Arsenik ($\text{As}$), Kalay ($\text{Sn}$ - metinde "Krom" geçse de $\text{Sn}$ yaygın bir ağır metaldir), Kurşun ($\text{Pb}$), Gümüş ($\text{Ag}$) ve Selenyum ($\text{Se}$)'dur.

Sınıflandırma ve Konsantrasyon

Ağır metallerin bazılarının biyokimyasal süreçlere katıldığını görmekteyiz. Bu özelliklerine göre ağır metaller yaşamsal (esansiyel) ve yaşamsal olmayan (non-esansiyel) olarak sınıflandırılırlar. Esansiyel olanlar canlı formlarında enzimatik bir tepkimede kofaktör olarak rol oynarlar. Ancak belirli bir konsantrasyondan ($\text{1-10 ppm}$) sonra toksik olarak etki gösterirler ($\text{Fe, Cu, Zn, Ni}$ ve $\text{Se}$). Buna karşın esansiyel olmayan ağır metaller ($\text{Hg, Cd}$ ve $\text{Pb}$), düşük konsantrasyonlarda bile toksiktirler. Örneğin cıva ve kadmiyum, $\text{0,001-0,1 ppm}$ gibi çok düşük konsantrasyonlarda bile toksik olabilmektedirler.

Toksisite Mekanizmaları

Ağır metaller insan vücuduna ağız, solunum ve deri yolu ile alınabilmektedir. Alındıkları yol, birikim yaptıkları dokunun türünü etkilemekle beraber, toksik etkilerinin yarattığı sonuçları da yönlendirmektedir.

Ağır metaller için problem bu noktada başlamaktadır: Bunlar vücudumuzda metabolize olmamaları ya da az metabolize olarak yavaş atılmaları nedeniyle zamanla organizmada birikmekte ve toksik dozlara ulaşmaktadır. Ağır metallerin vücutta oluşturacağı etkiler; ağır metalin derişimine bağlı olmanın yanı sıra metal iyonunun yapısına, çözünürlük değerine, kimyasal yapısına, redoks ve kompleks oluşturma yeteneğine, vücuda alınış şekline ve çevrede bulunma sıklığına bağlıdır.

Vücutta oluşturdukları toksik etkinin temel nedeni, hücre içi metabolik süreçlerde oluşturdukları bozukluklardır. Söz konusu bu bozukluklar; DNA hasarı, oksidatif stresin artışına bağlı olarak oksidatif protein yıkımı, mitokondri hasarı ve apoptozisin indüklenmesi, vb.dir. Ağır metallerin yol açtığı sağlık problemleri arasında otoimmün hastalıklar (ülseratif kolit, Crohn hastalığı, romatizma vb.), organik hastalıklar (böbrek hastalığı, alerji, egzama, astım vb.) ve nörolojik bozukluklar (depresyon, migren, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı vb.) sayılabilir.

Deri ve Metaller

Vücudun homeostazı için kusursuz tasarlanmış, interaktif, yarı geçirgen bir membran olan derinin metaller ve metaloidler ile endojen ve eksojenik etkileşimlerini anlatmaya çalışacağız.

Metaller ile deri arasındaki ilişki başlangıçta bunların deri tarafından emilimi ve toksisiteleri üzerine odaklanmıştır. Ancak son yıllarda metallerin immünoloji ve immünotoksisiteleri üzerine araştırmalar artmaktadır. Bu çalışmalar, metallerin deriden emilimi ile birlikte savunma sistemi üzerine etkilerinin de son derece önemli olduğunu göstermektedir. Günümüzde metaller, deri ve vücutta duyarlılık artışında, kontakt dermatitte (temas egzaması) ve sistemik alerjide nedensel ajanlar olarak gösterilmektedir.

Antik çağdan beri, az sayıda metal bileşiğinin tedavi amaçlı kullanıldığını görmekteyiz (Romatizmada altın, frengide kurşun ve cıva kullanımı gibi). Toksikoloji biliminin gelişimi ile birlikte bu toksik metaller günümüzde artık kullanılmamaktadır.

Toksikolojik çalışmalar başlangıçta mesleki nedenlerle temas edilen berilyum, cıva, kurşun, kadmiyum, krom ve nikel üzerine odaklanmıştır. Bugüne kadar, deri için toksik olup olmadıkları bilinmeyen metaller nispeten küçük bir sayı teşkil etmektedir.

Metallerin Karsinojen Etkileri ve Deri Geçiş Mekanizmaları

Uluslararası İş Güvenliği ve Sağlığı Enstitüsü tarafından karsinojen olduğu tespit edilen yedi metal bildirilmiştir: Arsenik, berilyum, kadmiyum, krom, paladyum, nikel ve toryum (thorium) gibi.

Eski Doğu Bloğu'nda yer alan Sovyetler Birliği, Polonya ve Çekoslovakya gibi ülkelerde metallerle ilgili önemli toksikolojik, farmakodinamik ve immünolojik araştırmalar yapıldığını görmekteyiz. Ancak bu çalışmalar, dil engelleri ya da bilginin güvenlik sınıflandırması nedeniyle erişilebilir değildi. Bu ülkelerde metallerin araştırılmaları; berilyum, sezyum, manganez, molibden, rubidyum, vanadyum, tungsten, platin ve platin grup metaller olan rutenyum, rodyum, paladyum, iridyum ve osmiyum üzerine odaklanmıştı.

Deriden Geçiş Mekanizmaları

Deriden elektrolit olmayan elementlerin pasif difüzyon ile geçişleri sistematik olarak incelenmiş ve matematiksel tanımlar ile difüzyonun Fick Yasaları ile açıklanmaya çalışılmıştır.

Özellikle son yıllarda deri yoluyla (transdermal) ilaçların kullanımındaki gelişmeler, molekül ve elementlerin deriden geçişleri üzerine bilgilerimizi daha da artırdı. Metallerin kovalent bağlar ile organik bileşiklere bağlı formlarının deri geçişi, diğer organik bileşiklerin deri geçişine benzer. Ancak metallerin tuzları, yani iyonik formları ya da suda çözünebilir tuz formlarının deri penetrasyonları tartışmalıdır.

Metal tuzlarının deriden geçişleri ile ilgili matematiksel bir model olmamakla birlikte, deriden stratum corneum'dan geçişleri incelenmiş ve bu son çalışmalarda deriden geçiş katsayıları ($\text{Kp}$) 10−4 ile 10−5 $\text{cm/saat}$ olarak bulunmuştur (suyun stratum corneum'dan geçiş katsayısı 10−3 $\text{cm/saat}$'tir).

Elektrolit olmayan metallerin deri hücre duvarındaki yağ içeriğinden hücre içerisine geçişinde; metallerin boyutu, polaritesi ve hidrojene bağlanma yetenekleri rol oynamaktadır.

Metal iyonları, epidermisi geçişinde hücre içini kullanmadan hücreler arası ya da deri ekleri olan ter ve yağ bezlerini kullanabilmektedir.

Epidermiste, hücrelerde elektropozitif metaller ile ilişkiye giren ve bu metallerin hücre içerisinde depolanmasına neden olabilen bazı proteinlerin olabileceği düşünülmektedir. Bu durum nikel ve kromda gösterilmiştir. Kadmiyum, çinko ve bakır ile kompleksler oluşturan ve onları hareketsizleştiren (immobilize eden) metallotiyoneinler de gösterilmiştir.

Metal içerikli yapıların deriden geçişlerinde ve deri tarafından emiliminde; bunların oksidasyon durumu, iyonik özellikleri, yarıçapları, elektropozitifliği, redoks potansiyelleri, hidrasyon durumu, polariteleri ve $\text{pH}$ rol oynamaktadır.

Deri tarafından absorbe edilen ya da deriden geçen bu metaller, derinin kan ve lenf dolaşımı ile vücuda geçmektedir.