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33. Toxicología

Editora del capítulo: Ellen K. Silbergeld


Índice del contenido

Tablas y Figuras

Introducción
Ellen K. Silbergeld, editora del capítulo

Principios Generales de Toxicología

Definiciones y Conceptos
Bo Holmberg, Johan Hogberg y Gunnar Johanson

toxicocinética
Dušan Djuríc

Órgano diana y efectos críticos
Marek Jakubowski

Efectos de la edad, el sexo y otros factores
Spomenka Telišman

Determinantes genéticos de la respuesta tóxica
Daniel W. Nebert y Ross A. McKinnon

Mecanismos de Toxicidad

Introducción y conceptos
Philip G Watanabe

Lesión celular y muerte celular
Benjamin F. Trump e Irene K. Berezesky

Toxicología genética
R. Rita Misra y Michael P. Waalkes

Inmunotoxicología
Joseph G. Vos y Henk van Loveren

Toxicología de órganos diana
Ellen K. Silbergeld

Métodos de prueba de toxicología

Biomarcadores
philippe grandjean

Evaluación de toxicidad genética
David M. DeMarini y James Huff

Pruebas de toxicidad in vitro
Juana Zurlo

Estructura Actividad Relaciones
Ellen K. Silbergeld

Toxicología regulatoria

Toxicología en la regulación de la salud y la seguridad
Ellen K. Silbergeld

Principios de identificación de peligros: el enfoque japonés
Masayuki Ikeda

El enfoque de los Estados Unidos para la evaluación de riesgos de sustancias tóxicas para la reproducción y agentes neurotóxicos
Ellen K. Silbergeld

Enfoques para la identificación de peligros - IARC
Harri Vainio y Julian Wilbourn

Apéndice - Evaluaciones generales de carcinogenicidad en humanos: IARC Monografías Volúmenes 1-69 (836)

Evaluación del riesgo de carcinógenos: otros enfoques
Cees A. van der Heijden

Mesas 

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  1. Ejemplos de órganos críticos y efectos críticos
  2. Efectos básicos de las posibles interacciones múltiples de los metales
  3. Aductos de hemoglobina en trabajadores expuestos a anilina y acetanilida
  4. Trastornos hereditarios, propensos al cáncer y defectos en la reparación del ADN
  5. Ejemplos de productos químicos que presentan genotoxicidad en células humanas
  6. Clasificación de las pruebas para marcadores inmunes
  7. Ejemplos de biomarcadores de exposición
  8. Ventajas y desventajas de los métodos para identificar los riesgos de cáncer en humanos
  9. Comparación de sistemas in vitro para estudios de hepatotoxicidad
  10. Comparación de SAR y datos de prueba: análisis de OCDE/NTP
  11. Regulación de sustancias químicas por leyes, Japón
  12. Artículos de prueba bajo la Ley de Control de Sustancias Químicas, Japón
  13. Sustancias químicas y la Ley de Control de Sustancias Químicas
  14. Incidentes importantes de neurotoxicidad seleccionados
  15. Ejemplos de pruebas especializadas para medir la neurotoxicidad
  16. Criterios de valoración en toxicología reproductiva
  17. Comparación de procedimientos de extrapolación de dosis bajas
  18. Modelos citados con frecuencia en la caracterización del riesgo carcinógeno

Figuras

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Lunes, diciembre 20 2010 19: 16

Definiciones y Conceptos

Exposición, dosis y respuesta

Toxicidad es la capacidad intrínseca de un agente químico para afectar negativamente a un organismo.

Xenobióticos es un término para “sustancias extrañas”, es decir, extrañas al organismo. Su opuesto son los compuestos endógenos. Los xenobióticos incluyen fármacos, productos químicos industriales, venenos naturales y contaminantes ambientales.

Peligro es el potencial para que la toxicidad se realice en un entorno o situación específica.

Riesgo es la probabilidad de que ocurra un efecto adverso específico. A menudo se expresa como el porcentaje de casos en una población determinada y durante un período de tiempo específico. Una estimación de riesgo puede basarse en casos reales o una proyección de casos futuros, basada en extrapolaciones.

Clasificación de toxicidad y clasificación de toxicidad puede ser utilizado para propósitos regulatorios. La calificación de toxicidad es una clasificación arbitraria de dosis o niveles de exposición que causan efectos tóxicos. La clasificación puede ser "supertóxica", "altamente tóxica", "moderadamente tóxica", etc. Las clasificaciones más comunes se refieren a la toxicidad aguda. La clasificación de toxicidad se refiere a la agrupación de productos químicos en categorías generales según su efecto tóxico más importante. Dichas categorías pueden incluir alergénicos, neurotóxicos, cancerígenos, etc. Esta clasificación puede tener valor administrativo como advertencia y como información.

El relación dosis-efecto es la relación entre la dosis y el efecto a nivel individual. Un aumento en la dosis puede aumentar la intensidad de un efecto, o puede resultar en un efecto más severo. Puede obtenerse una curva dosis-efecto a nivel del organismo completo, la célula o la molécula diana. Algunos efectos tóxicos, como la muerte o el cáncer, no se clasifican, pero son efectos de "todo o nada".

El relación dosis-respuesta es la relación entre la dosis y el porcentaje de individuos que muestran un efecto específico. Con el aumento de la dosis, normalmente se verá afectado un mayor número de individuos de la población expuesta.

Es esencial en toxicología establecer relaciones dosis-efecto y dosis-respuesta. En los estudios médicos (epidemiológicos), un criterio que se utiliza a menudo para aceptar una relación causal entre un agente y una enfermedad es que el efecto o la respuesta sean proporcionales a la dosis.

Se pueden trazar varias curvas dosis-respuesta para una sustancia química, una para cada tipo de efecto. La curva dosis-respuesta para la mayoría de los efectos tóxicos (cuando se estudia en grandes poblaciones) tiene forma sigmoidea. Por lo general, hay un rango de dosis bajas en el que no se detecta respuesta; a medida que aumenta la dosis, la respuesta sigue una curva ascendente que generalmente alcanzará una meseta con una respuesta del 100%. La curva dosis-respuesta refleja las variaciones entre los individuos de una población. La pendiente de la curva varía de químico a químico y entre diferentes tipos de efectos. Para algunas sustancias químicas con efectos específicos (carcinógenos, iniciadores, mutágenos), la curva dosis-respuesta puede ser lineal desde la dosis cero dentro de un cierto rango de dosis. Esto significa que no existe un umbral y que incluso las dosis pequeñas representan un riesgo. Por encima de ese rango de dosis, el riesgo puede aumentar a una tasa mayor que la lineal.

La variación en la exposición durante el día y la duración total de la exposición durante la vida de una persona pueden ser tan importantes para el resultado (respuesta) como el nivel de dosis medio o promedio o incluso integrado. Las exposiciones pico altas pueden ser más dañinas que un nivel de exposición más uniforme. Este es el caso de algunos disolventes orgánicos. Por otro lado, para algunos carcinógenos se ha demostrado experimentalmente que el fraccionamiento de una dosis única en varias exposiciones con la misma dosis total puede ser más eficaz en la producción de tumores.

A dosificar a menudo se expresa como la cantidad de un xenobiótico que ingresa a un organismo (en unidades como mg/kg de peso corporal). La dosis puede expresarse de diferentes formas (más o menos informativas): dosis de exposición, que es la concentración en el aire de contaminante inhalado durante un determinado período de tiempo (en higiene laboral suele ser de ocho horas), o la retenido or dosis absorbida (en higiene industrial también llamado el carga corporal), que es la cantidad presente en el cuerpo en un momento determinado durante o después de la exposición. Él dosis tisular es la cantidad de sustancia en un tejido específico y la dosis objetivo es la cantidad de sustancia (generalmente un metabolito) unida a la molécula crítica. La dosis objetivo se puede expresar como mg de enlace químico por mg de una macromolécula específica en el tejido. Para aplicar este concepto, se necesita información sobre el mecanismo de acción tóxica a nivel molecular. La dosis objetivo se asocia más exactamente con el efecto tóxico. La dosis de exposición o la carga corporal pueden estar más fácilmente disponibles, pero están relacionados con el efecto de manera menos precisa.

En el concepto de dosis se suele incluir un aspecto temporal, aunque no siempre se exprese. La dosis teórica según la ley de Haber es D = ct, donde D es dosis, c es la concentración del xenobiótico en el aire y t la duración de la exposición a la sustancia química. Si este concepto se utiliza a nivel molecular o de órgano diana, se puede utilizar la cantidad por mg de tejido o molécula durante un tiempo determinado. El aspecto del tiempo suele ser más importante para comprender las exposiciones repetidas y los efectos crónicos que para las exposiciones únicas y los efectos agudos.

Efectos aditivos ocurren como resultado de la exposición a una combinación de sustancias químicas, donde las toxicidades individuales simplemente se suman entre sí (1+1= 2). Cuando los productos químicos actúan a través del mismo mecanismo, se supone que sus efectos son aditivos, aunque no siempre es así en la realidad. La interacción entre productos químicos puede resultar en una inhibición (antagonismo), con un efecto menor que el esperado de la suma de los efectos de los productos químicos individuales (1+1 2). Alternativamente, una combinación de sustancias químicas puede producir un efecto más pronunciado de lo que se esperaría por adición (aumento de la respuesta entre los individuos o un aumento en la frecuencia de la respuesta en una población), esto se denomina sinergismo (1+1 >2).

Tiempo de latencia es el tiempo entre la primera exposición y la aparición de un efecto o respuesta detectable. El término se utiliza a menudo para los efectos cancerígenos, en los que los tumores pueden aparecer mucho tiempo después del inicio de la exposición y, a veces, mucho después de que cesa la exposición.

A umbral de dosis es un nivel de dosis por debajo del cual no se produce ningún efecto observable. Se cree que existen umbrales para ciertos efectos, como los efectos tóxicos agudos; pero no para otros, como los efectos cancerígenos (por iniciadores formadores de aductos de ADN). Sin embargo, la mera ausencia de una respuesta en una población determinada no debe tomarse como prueba de la existencia de un umbral. La ausencia de respuesta podría deberse a simples fenómenos estadísticos: un efecto adverso que ocurre con baja frecuencia puede no ser detectable en una población pequeña.

LD50 (dosis efectiva) es la dosis que causa un 50% de letalidad en una población animal. el dl50 se da a menudo en la literatura más antigua como una medida de la toxicidad aguda de los productos químicos. Cuanto mayor sea la LD50, menor es la toxicidad aguda. Un químico altamente tóxico (con un bajo LD50) se ha dicho intenso. No existe una correlación necesaria entre la toxicidad aguda y crónica. disfunción eréctil50 (dosis efectiva) es la dosis que causa un efecto específico distinto de la letalidad en el 50% de los animales.

NOEL (NOAEL) significa el nivel sin efectos (adversos) observados, o la dosis más alta que no causa un efecto tóxico. Para establecer un NOEL se requieren múltiples dosis, una gran población e información adicional para garantizar que la ausencia de una respuesta no sea simplemente un fenómeno estadístico. LOÉL es la dosis efectiva más baja observada en una curva de dosis-respuesta, o la dosis más baja que causa un efecto.

A factor de seguridad es un número arbitrario formal con el que se divide el NOEL o LOEL derivado de experimentos con animales para obtener una dosis permisible tentativa para humanos. Esto se usa a menudo en el área de toxicología alimentaria, pero también se puede usar en toxicología ocupacional. También se puede usar un factor de seguridad para la extrapolación de datos de poblaciones pequeñas a poblaciones más grandes. Los factores de seguridad van desde 100 al 103. Por lo general, un factor de seguridad de dos puede ser suficiente para proteger de un efecto menos grave (como la irritación) y se puede usar un factor de hasta 1,000 para efectos muy graves (como el cáncer). El termino factor de seguridad podría ser mejor reemplazado por el término Protección factor o incluso, factor de incertidumbre. El uso de este último término refleja incertidumbres científicas, como si los datos exactos de dosis-respuesta se pueden traducir de animales a humanos para el químico, efecto tóxico o situación de exposición en particular.

Extrapolaciones son estimaciones cualitativas o cuantitativas teóricas de la toxicidad (extrapolaciones de riesgo) derivadas de la traducción de datos de una especie a otra o de un conjunto de datos de respuesta a la dosis (típicamente en el rango de dosis alta) a regiones de respuesta a la dosis donde no existen datos. Por lo general, se deben hacer extrapolaciones para predecir respuestas tóxicas fuera del rango de observación. El modelado matemático se utiliza para extrapolaciones basadas en la comprensión del comportamiento del químico en el organismo (modelado toxicocinético) o en la comprensión de las probabilidades estadísticas de que ocurran eventos biológicos específicos (modelos basados ​​en la biología o el mecanismo). Algunas agencias nacionales han desarrollado sofisticados modelos de extrapolación como un método formalizado para predecir riesgos con fines regulatorios. (Consulte la discusión sobre la evaluación de riesgos más adelante en el capítulo).

Efectos sistémicos son efectos tóxicos en tejidos distantes de la vía de absorción.

El organo objetivo es el órgano primario o más sensible afectado después de la exposición. El mismo químico que ingresa al cuerpo por diferentes vías de exposición, dosis, tasa de dosis, sexo y especie puede afectar diferentes órganos diana. La interacción entre productos químicos, o entre productos químicos y otros factores, también puede afectar a diferentes órganos diana.

Efectos agudos ocurren después de una exposición limitada y poco tiempo (horas, días) después de la exposición y pueden ser reversibles o irreversibles.

Efectos crónicos ocurren después de una exposición prolongada (meses, años, décadas) y/o persisten después de que ha cesado la exposición.

Agudo exposición es una exposición de corta duración, mientras que exposición crónica es una exposición a largo plazo (a veces de por vida).

Tolerancia a una sustancia química puede ocurrir cuando las exposiciones repetidas dan como resultado una respuesta más baja de lo que se hubiera esperado sin un tratamiento previo.

Captación y Disposición

Procesos de transporte

Difusión. Para entrar en el organismo y llegar a un sitio donde se produce el daño, una sustancia extraña tiene que atravesar varias barreras, incluidas las células y sus membranas. La mayoría de las sustancias tóxicas atraviesan las membranas de forma pasiva por difusión. Esto puede ocurrir para moléculas pequeñas solubles en agua al pasar a través de canales acuosos o, para moléculas solubles en grasa, por disolución y difusión a través de la parte lipídica de la membrana. El etanol, una molécula pequeña que es tanto soluble en agua como en grasa, se difunde rápidamente a través de las membranas celulares.

Difusión de ácidos y bases débiles.. Los ácidos y bases débiles pueden atravesar fácilmente las membranas en su forma liposoluble no ionizada, mientras que las formas ionizadas son demasiado polares para pasar. El grado de ionización de estas sustancias depende del pH. Si existe un gradiente de pH a través de una membrana, se acumularán en un lado. La excreción urinaria de ácidos y bases débiles depende en gran medida del pH urinario. El pH fetal o embrionario es algo más alto que el pH materno, lo que provoca una ligera acumulación de ácidos débiles en el feto o el embrión.

Difusión facilitada. Los portadores de la membrana pueden facilitar el paso de una sustancia. La difusión facilitada es similar a los procesos enzimáticos en que está mediada por proteínas, es altamente selectiva y saturable. Otras sustancias pueden inhibir el transporte facilitado de xenobióticos.

Transporte activo. Algunas sustancias se transportan activamente a través de las membranas celulares. Este transporte está mediado por proteínas transportadoras en un proceso análogo al de las enzimas. El transporte activo es similar a la difusión facilitada, pero puede ocurrir contra un gradiente de concentración. Requiere aporte de energía y un inhibidor metabólico puede bloquear el proceso. La mayoría de los contaminantes ambientales no se transportan activamente. Una excepción es la secreción tubular activa y la reabsorción de metabolitos ácidos en los riñones.

Fagocitosis es un proceso en el que células especializadas, como los macrófagos, engullen partículas para su posterior digestión. Este proceso de transporte es importante, por ejemplo, para la eliminación de partículas en los alvéolos.

Flujo a granel. Las sustancias también se transportan en el cuerpo junto con el movimiento del aire en el sistema respiratorio durante la respiración y los movimientos de la sangre, la linfa o la orina.

Filtración. Debido a la presión hidrostática u osmótica, el agua fluye a granel a través de los poros del endotelio. Cualquier soluto que sea lo suficientemente pequeño se filtrará junto con el agua. La filtración se produce hasta cierto punto en el lecho capilar de todos los tejidos, pero es particularmente importante en la formación de la orina primaria en los glomérulos renales.

Absorción

La absorción es la captación de una sustancia del medio ambiente en el organismo. El término generalmente incluye no solo la entrada al tejido de barrera sino también el transporte posterior a la sangre circulante.

Absorción pulmonar. Los pulmones son la vía principal de depósito y absorción de pequeñas partículas, gases, vapores y aerosoles transportados por el aire. Para los gases y vapores altamente solubles en agua, una parte significativa de la captación se produce en la nariz y el árbol respiratorio, pero para las sustancias menos solubles se produce principalmente en los alvéolos pulmonares. Los alvéolos tienen una superficie muy grande (alrededor de 100 m2 Inhumanos). Además, la barrera de difusión es extremadamente pequeña, con solo dos capas de células delgadas y una distancia del orden de micrómetros desde el aire alveolar hasta la circulación sanguínea sistémica. Esto hace que los pulmones sean muy eficientes no solo en el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, sino también de otros gases y vapores. En general, la difusión a través de la pared alveolar es tan rápida que no limita la captación. En cambio, la tasa de absorción depende del flujo (ventilación pulmonar, gasto cardíaco) y la solubilidad (sangre: coeficiente de partición de aire). Otro factor importante es la eliminación metabólica. La importancia relativa de estos factores para la absorción pulmonar varía mucho para diferentes sustancias. La actividad física da como resultado un aumento de la ventilación pulmonar y el gasto cardíaco, y una disminución del flujo sanguíneo hepático (y, por lo tanto, de la tasa de biotransformación). Para muchas sustancias inhaladas esto conduce a un marcado aumento en la absorción pulmonar.

Absorción percutánea. La piel es una barrera muy eficaz. Además de su papel termorregulador, está diseñado para proteger al organismo de los microorganismos, la radiación ultravioleta y otros agentes nocivos, así como de la pérdida excesiva de agua. La distancia de difusión en la dermis es del orden de décimas de milímetro. Además, la capa de queratina tiene una resistencia a la difusión muy alta para la mayoría de las sustancias. Sin embargo, puede ocurrir una absorción dérmica significativa que resulte en toxicidad para algunas sustancias—sustancias liposolubles altamente tóxicas como los insecticidas organofosforados y los solventes orgánicos, por ejemplo. Es probable que ocurra una absorción significativa después de la exposición a sustancias líquidas. La absorción percutánea de vapor puede ser importante para solventes con muy baja presión de vapor y alta afinidad por el agua y la piel.

Absorción gastrointestinal ocurre después de la ingestión accidental o intencional. Las partículas más grandes originalmente inhaladas y depositadas en las vías respiratorias pueden tragarse después del transporte mucociliar a la faringe. Prácticamente todas las sustancias solubles se absorben eficientemente en el tracto gastrointestinal. El bajo pH del intestino puede facilitar la absorción, por ejemplo, de metales.

Otras rutas. En las pruebas de toxicidad y otros experimentos, a menudo se usan vías especiales de administración por conveniencia, aunque son raras y, por lo general, no son relevantes en el entorno laboral. Estas rutas incluyen inyecciones intravenosas (IV), subcutáneas (sc), intraperitoneales (ip) e intramusculares (im). En general, las sustancias se absorben a un ritmo mayor y más completo por estas vías, especialmente después de la inyección IV. Esto conduce a picos de concentración de corta duración pero altos que pueden aumentar la toxicidad de una dosis.

Distribución

La distribución de una sustancia dentro del organismo es un proceso dinámico que depende de las tasas de absorción y eliminación, así como del flujo sanguíneo a los diferentes tejidos y sus afinidades por la sustancia. Las moléculas pequeñas, sin carga, solubles en agua, los cationes univalentes y la mayoría de los aniones se difunden fácilmente y eventualmente alcanzarán una distribución relativamente uniforme en el cuerpo.

Volumen de distribucion es la cantidad de una sustancia en el cuerpo en un momento dado, dividida por la concentración en sangre, plasma o suero en ese momento. El valor no tiene significado como volumen físico, ya que muchas sustancias no están uniformemente distribuidas en el organismo. Un volumen de distribución inferior a un l/kg de peso corporal indica una distribución preferencial en la sangre (o suero o plasma), mientras que un valor superior a uno indica una preferencia por los tejidos periféricos como el tejido adiposo por las sustancias liposolubles.

Acumulación es la acumulación de una sustancia en un tejido u órgano a niveles más altos que en la sangre o el plasma. También puede referirse a una acumulación gradual con el tiempo en el organismo. Muchos xenobióticos son altamente liposolubles y tienden a acumularse en el tejido adiposo, mientras que otros tienen especial afinidad por el hueso. Por ejemplo, el calcio en los huesos puede intercambiarse por cationes de plomo, estroncio, bario y radio, y los grupos hidroxilo en los huesos pueden intercambiarse por fluoruro.

Barreras. Los vasos sanguíneos del cerebro, los testículos y la placenta tienen características anatómicas especiales que inhiben el paso de moléculas grandes como las proteínas. Estas características, a menudo denominadas barreras sangre-cerebro, sangre-testículos y sangre-placenta, pueden dar la falsa impresión de que impiden el paso de cualquier sustancia. Estas barreras tienen poca o ninguna importancia para los xenobióticos que pueden difundirse a través de las membranas celulares.

Unión de sangre. Las sustancias pueden estar unidas a los glóbulos rojos oa los componentes del plasma, o estar sueltas en la sangre. El monóxido de carbono, el arsénico, el mercurio orgánico y el cromo hexavalente tienen una alta afinidad por los glóbulos rojos, mientras que el mercurio inorgánico y el cromo trivalente muestran preferencia por las proteínas plasmáticas. Varias otras sustancias también se unen a las proteínas plasmáticas. Solo la fracción no unida está disponible para filtración o difusión en los órganos de eliminación. Por lo tanto, la unión a la sangre puede aumentar el tiempo de residencia en el organismo pero disminuir la absorción por los órganos diana.

Eliminación

Eliminación es la desaparición de una sustancia en el organismo. La eliminación puede implicar la excreción del organismo o la transformación en otras sustancias no captadas por un método de medición específico. La velocidad de desaparición puede expresarse mediante la constante de velocidad de eliminación, el tiempo medio biológico o el aclaramiento.

Curva de concentración-tiempo. La curva de concentración en sangre (o plasma) frente al tiempo es una forma conveniente de describir la absorción y disposición de un xenobiótico.

Área bajo la curva (AUC) es la integral de la concentración en sangre (plasma) a lo largo del tiempo. Cuando la saturación metabólica y otros procesos no lineales están ausentes, el AUC es proporcional a la cantidad de sustancia absorbida.

Medio tiempo biológico (o vida media) es el tiempo necesario después del final de la exposición para reducir la cantidad en el organismo a la mitad. Como suele ser difícil evaluar la cantidad total de una sustancia, se utilizan medidas como la concentración en sangre (plasma). El tiempo medio debe usarse con precaución, ya que puede cambiar, por ejemplo, con la dosis y la duración de la exposición. Además, muchas sustancias tienen curvas de descomposición complejas con varios semitiempos.

Biodisponibilidad es la fracción de una dosis administrada que ingresa a la circulación sistémica. En ausencia de aclaramiento presistémico, o metabolismo de primer paso, la fracción es uno. En la exposición oral, la eliminación presistémica puede deberse al metabolismo dentro del contenido gastrointestinal, la pared intestinal o el hígado. El metabolismo de primer paso reducirá la absorción sistémica de la sustancia y, en cambio, aumentará la absorción de metabolitos. Esto puede conducir a un patrón de toxicidad diferente.

Outlet es el volumen de sangre (plasma) por unidad de tiempo completamente eliminado de una sustancia. Para distinguirlo del aclaramiento renal, por ejemplo, a menudo se agrega el prefijo total, metabólico o sanguíneo (plasma).

Aclaramiento intrínseco es la capacidad de las enzimas endógenas para transformar una sustancia, y también se expresa en volumen por unidad de tiempo. Si el aclaramiento intrínseco en un órgano es mucho más bajo que el flujo sanguíneo, se dice que el metabolismo tiene una capacidad limitada. Por el contrario, si el aclaramiento intrínseco es mucho mayor que el flujo sanguíneo, el metabolismo está limitado por el flujo.

Excreción

La excreción es la salida del organismo de una sustancia y sus productos de biotransformación.

Excreción en orina y bilis. Los riñones son los órganos excretores más importantes. Algunas sustancias, especialmente los ácidos de alto peso molecular, se excretan con la bilis. Una fracción de las sustancias excretadas por vía biliar puede reabsorberse en los intestinos. Este proceso, circulación enterohepática, es común para las sustancias conjugadas después de la hidrólisis intestinal del conjugado.

Otras vías de excreción. Algunas sustancias, como los disolventes orgánicos y los productos de descomposición, como la acetona, son lo suficientemente volátiles como para excretar una fracción considerable por exhalación después de la inhalación. Las moléculas pequeñas solubles en agua, así como las solubles en grasa, se secretan fácilmente al feto a través de la placenta y a la leche en los mamíferos. Para la madre, la lactancia puede ser una vía de excreción cuantitativamente importante para las sustancias químicas liposolubles persistentes. La descendencia puede estar expuesta secundariamente a través de la madre durante el embarazo así como durante la lactancia. Los compuestos solubles en agua pueden excretarse hasta cierto punto en el sudor y la saliva. Estas rutas son generalmente de menor importancia. Sin embargo, como se produce y traga un gran volumen de saliva, la excreción de saliva puede contribuir a la reabsorción del compuesto. Algunos metales, como el mercurio, se excretan uniéndose permanentemente a los grupos sulfhidrilo de la queratina del cabello.

Modelos toxicocinéticos

Los modelos matemáticos son herramientas importantes para comprender y describir la absorción y disposición de sustancias extrañas. La mayoría de los modelos son compartimentales, es decir, el organismo está representado por uno o más compartimentos. Un compartimento es un volumen teóricamente físico y químico en el que se supone que la sustancia se distribuye de forma homogénea e instantánea. Los modelos simples pueden expresarse como una suma de términos exponenciales, mientras que los más complicados requieren procedimientos numéricos en una computadora para su solución. Los modelos se pueden subdividir en dos categorías, descriptivos y fisiológicos.

In descriptivo modelos, el ajuste a los datos medidos se realiza cambiando los valores numéricos de los parámetros del modelo o incluso la propia estructura del modelo. La estructura del modelo normalmente tiene poco que ver con la estructura del organismo. Las ventajas del enfoque descriptivo son que se hacen pocas suposiciones y que no hay necesidad de datos adicionales. Una desventaja de los modelos descriptivos es su utilidad limitada para las extrapolaciones.

Modelos fisiológicos se construyen a partir de datos fisiológicos, anatómicos y otros datos independientes. Luego, el modelo se refina y se valida comparándolo con datos experimentales. Una ventaja de los modelos fisiológicos es que se pueden utilizar con fines de extrapolación. Por ejemplo, la influencia de la actividad física en la captación y eliminación de sustancias inhaladas puede predecirse a partir de ajustes fisiológicos conocidos en la ventilación y el gasto cardíaco. Una desventaja de los modelos fisiológicos es que requieren una gran cantidad de datos independientes.

Biotransformación

Biotransformación es un proceso que conduce a una conversión metabólica de compuestos extraños (xenobióticos) en el cuerpo. El proceso a menudo se denomina metabolismo de xenobióticos. Como regla general, el metabolismo convierte los xenobióticos solubles en lípidos en metabolitos grandes solubles en agua que pueden excretarse de manera efectiva.

El hígado es el sitio principal de biotransformación. Todos los xenobióticos tomados del intestino son transportados al hígado por un solo vaso sanguíneo (Vena porta). Si se ingiere en pequeñas cantidades, una sustancia extraña puede metabolizarse por completo en el hígado antes de llegar a la circulación general y a otros órganos (efecto de primer paso). Los xenobióticos inhalados se distribuyen a través de la circulación general al hígado. En ese caso, solo una fracción de la dosis se metaboliza en el hígado antes de llegar a otros órganos.

Las células del hígado contienen varias enzimas que oxidan los xenobióticos. Esta oxidación generalmente activa el compuesto: se vuelve más reactivo que la molécula original. En la mayoría de los casos, el metabolito oxidado es metabolizado por otras enzimas en una segunda fase. Estas enzimas conjugan el metabolito con un sustrato endógeno, de modo que la molécula se vuelve más grande y más polar. Esto facilita la excreción.

Las enzimas que metabolizan los xenobióticos también están presentes en otros órganos como los pulmones y los riñones. En estos órganos pueden jugar papeles específicos y cualitativamente importantes en el metabolismo de ciertos xenobióticos. Los metabolitos formados en un órgano pueden metabolizarse más en un segundo órgano. Las bacterias en el intestino también pueden participar en la biotransformación.

Los metabolitos de los xenobióticos pueden excretarse por los riñones o por la bilis. También se pueden exhalar a través de los pulmones o unirse a moléculas endógenas en el cuerpo.

La relación entre biotransformación y toxicidad es compleja. La biotransformación puede verse como un proceso necesario para la supervivencia. Protege al organismo contra la toxicidad evitando la acumulación de sustancias nocivas en el organismo. Sin embargo, en la biotransformación se pueden formar metabolitos intermediarios reactivos, y estos son potencialmente dañinos. Esto se llama activación metabólica. Por lo tanto, la biotransformación también puede inducir toxicidad. Los metabolitos intermediarios oxidados que no están conjugados pueden unirse y dañar las estructuras celulares. Si, por ejemplo, un metabolito xenobiótico se une al ADN, se puede inducir una mutación (ver “Toxicología genética”). Si el sistema de biotransformación está sobrecargado, puede ocurrir una destrucción masiva de proteínas esenciales o membranas lipídicas. Esto puede provocar la muerte celular (consulte “Lesión celular y muerte celular”).

Metabolismo es una palabra que a menudo se usa indistintamente con biotransformación. Denota reacciones químicas de descomposición o síntesis catalizadas por enzimas en el cuerpo. Los nutrientes de los alimentos, los compuestos endógenos y los xenobióticos se metabolizan en el cuerpo.

Activación metabólica significa que un compuesto menos reactivo se convierte en una molécula más reactiva. Esto suele ocurrir durante las reacciones de la Fase 1.

Inactivación metabólica significa que una molécula activa o tóxica se convierte en un metabolito menos activo. Esto suele ocurrir durante las reacciones de fase 2. En ciertos casos, un metabolito inactivado puede reactivarse, por ejemplo, mediante escisión enzimática.

Reacción de fase 1 se refiere al primer paso en el metabolismo xenobiótico. Por lo general, significa que el compuesto está oxidado. La oxidación generalmente hace que el compuesto sea más soluble en agua y facilita otras reacciones.

Enzimas del citocromo P450 son un grupo de enzimas que oxidan preferentemente xenobióticos en reacciones de Fase 1. Las diferentes enzimas están especializadas para el manejo de grupos específicos de xenobióticos con ciertas características. Las moléculas endógenas también son sustratos. Las enzimas del citocromo P450 son inducidas por xenobióticos de una manera específica. La obtención de datos de inducción sobre el citocromo P450 puede brindar información sobre la naturaleza de las exposiciones previas (consulte “Determinantes genéticos de la respuesta tóxica”).

Reacción de fase 2 se refiere al segundo paso en el metabolismo xenobiótico. Por lo general, significa que el compuesto oxidado está conjugado con (acoplado a) una molécula endógena. Esta reacción aumenta aún más la solubilidad en agua. Muchos metabolitos conjugados se excretan activamente a través de los riñones.

Transferasas son un grupo de enzimas que catalizan reacciones de fase 2. Conjugan xenobióticos con compuestos endógenos como glutatión, aminoácidos, ácido glucurónico o sulfato.

El glutatión es una molécula endógena, un tripéptido, que se conjuga con xenobióticos en reacciones de fase 2. Está presente en todas las células (y en las células del hígado en altas concentraciones) y generalmente protege de los xenobióticos activados. Cuando se agota el glutatión, pueden ocurrir reacciones tóxicas entre los metabolitos xenobióticos activados y las proteínas, los lípidos o el ADN.

Inducción significa que las enzimas involucradas en la biotransformación aumentan (en actividad o cantidad) como respuesta a la exposición a xenobióticos. En algunos casos, en unos pocos días, la actividad enzimática puede aumentar varias veces. La inducción a menudo se equilibra para que las reacciones de la Fase 1 y la Fase 2 aumenten simultáneamente. Esto puede conducir a una biotransformación más rápida y puede explicar la tolerancia. Por el contrario, la inducción desequilibrada puede aumentar la toxicidad.

Inhibición de biotransformación puede ocurrir si dos xenobióticos son metabolizados por la misma enzima. Los dos sustratos tienen que competir y normalmente se prefiere uno de los sustratos. En ese caso, el segundo sustrato no se metaboliza o solo se metaboliza lentamente. Al igual que con la inducción, la inhibición puede aumentar y disminuir la toxicidad.

activación de oxígeno puede ser desencadenada por metabolitos de ciertos xenobióticos. Pueden autooxidarse bajo la producción de especies de oxígeno activado. Estas especies derivadas del oxígeno, que incluyen superóxido, peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo, pueden dañar el ADN, los lípidos y las proteínas de las células. La activación del oxígeno también está involucrada en los procesos inflamatorios.

Variabilidad genética entre individuos se ve en muchos genes que codifican enzimas de Fase 1 y Fase 2. La variabilidad genética puede explicar por qué ciertos individuos son más susceptibles a los efectos tóxicos de los xenobióticos que otros.

 

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Lunes, diciembre 20 2010 19: 18

toxicocinética

El organismo humano representa un sistema biológico complejo en varios niveles de organización, desde el nivel celular-molecular hasta los tejidos y órganos. El organismo es un sistema abierto que intercambia materia y energía con el medio ambiente a través de numerosas reacciones bioquímicas en un equilibrio dinámico. El medio ambiente puede estar contaminado o contaminado con varios tóxicos.

La penetración de moléculas o iones de sustancias tóxicas del entorno laboral o de vida en un sistema biológico tan fuertemente coordinado puede perturbar de forma reversible o irreversible los procesos bioquímicos celulares normales, o incluso lesionar y destruir la célula (ver "Daño celular y muerte celular").

La penetración de un tóxico desde el ambiente hasta los sitios de su efecto tóxico dentro del organismo se puede dividir en tres fases:

  1. La fase de exposición engloba todos los procesos que se producen entre diversos tóxicos y/o la influencia sobre ellos de factores ambientales (luz, temperatura, humedad, etc.). Pueden ocurrir transformaciones químicas, degradación, biodegradación (por microorganismos) así como desintegración de sustancias tóxicas.
  2. La fase toxicocinética abarca la absorción de tóxicos en el organismo y todos los procesos que siguen al transporte por fluidos corporales, distribución y acumulación en tejidos y órganos, biotransformación en metabolitos y eliminación (excreción) de tóxicos y/o metabolitos del organismo.
  3. La fase toxicodinámica se refiere a la interacción de sustancias tóxicas (moléculas, iones, coloides) con sitios de acción específicos sobre o dentro de las células (receptores), lo que finalmente produce un efecto tóxico.

 

Aquí centraremos nuestra atención exclusivamente en los procesos toxicocinéticos dentro del organismo humano después de la exposición a sustancias tóxicas en el medio ambiente.

Las moléculas o iones de los tóxicos presentes en el ambiente penetrarán en el organismo a través de la piel y las mucosas, o de las células epiteliales de las vías respiratorias y gastrointestinales, según el punto de entrada. Eso significa que las moléculas y los iones de los tóxicos deben penetrar a través de las membranas celulares de estos sistemas biológicos, así como a través de un intrincado sistema de endomembranas dentro de la célula.

Todos los procesos toxicocinéticos y toxicodinámicos ocurren a nivel molecular-celular. Numerosos factores influyen en estos procesos y estos se pueden dividir en dos grupos básicos:

  • constitución química y propiedades fisicoquímicas de los tóxicos
  • estructura de la célula, especialmente propiedades y función de las membranas alrededor de la célula y sus orgánulos interiores.

 

Propiedades fisicoquímicas de los tóxicos

En 1854, el toxicólogo ruso EV Pelikan inició estudios sobre la relación entre la estructura química de una sustancia y su actividad biológica: la relación estructura-actividad (SAR). La estructura química determina directamente las propiedades físico-químicas, algunas de las cuales son responsables de la actividad biológica.

Para definir la estructura química se pueden seleccionar numerosos parámetros como descriptores, que se pueden dividir en varios grupos:

1. Físico-químico:

  • general: punto de fusión, punto de ebullición, presión de vapor, constante de disociación (pKa)
  • eléctrico—potencial de ionización, constante dieléctrica, momento dipolar, relación masa:carga, etc.
  • química cuántica: carga atómica, energía de enlace, energía de resonancia, densidad de electrones, reactividad molecular, etc.

 

 2. estérico: volumen molecular, forma y área superficial, forma de la subestructura, reactividad molecular, etc.
 3. Estructural: número de enlaces número de anillos (en compuestos policíclicos), grado de ramificación, etc.

 

Para cada tóxico es necesario seleccionar un conjunto de descriptores relacionados con un mecanismo particular de actividad. Sin embargo, desde el punto de vista toxicocinético, dos parámetros son de importancia general para todos los tóxicos:

  • El coeficiente de partición de Nernst (P) establece la solubilidad de las moléculas tóxicas en el sistema bifásico octanol (aceite)-agua, en correlación con su liposolubilidad o hidrosolubilidad. Este parámetro influirá mucho en la distribución y acumulación de moléculas tóxicas en el organismo.
  • La constante de disociación (pKa) define el grado de ionización (disociación electrolítica) de las moléculas de un tóxico en cationes y aniones cargados a un pH particular. Esta constante representa el pH al que se alcanza el 50% de ionización. Las moléculas pueden ser lipofílicas o hidrofílicas, pero los iones son solubles exclusivamente en el agua de los fluidos y tejidos corporales. Sabiendo pKa es posible calcular el grado de ionización de una sustancia para cada pH mediante la ecuación de Henderson-Hasselbach.

 

En el caso de polvos y aerosoles inhalados, el tamaño, la forma, la superficie y la densidad de las partículas también influyen en su toxicocinética y toxicodinámica.

Estructura y Propiedades de las Membranas

La célula eucariota de los organismos humanos y animales está rodeada por una membrana citoplasmática que regula el transporte de sustancias y mantiene la homeostasis celular. Los orgánulos celulares (núcleo, mitocondrias) también poseen membranas. El citoplasma celular está compartimentado por intrincadas estructuras membranosas, el retículo endoplásmico y el complejo de Golgi (endomembranas). Todas estas membranas son estructuralmente similares, pero varían en el contenido de lípidos y proteínas.

El marco estructural de las membranas es una bicapa de moléculas lipídicas (fosfolípidos, esfingolípidos, colesterol). El esqueleto de una molécula de fosfolípido es el glicerol con dos de sus grupos -OH esterificados por ácidos grasos alifáticos de 16 a 18 átomos de carbono, y el tercer grupo esterificado por un grupo fosfato y un compuesto nitrogenado (colina, etanolamina, serina). En los esfingolípidos, la esfingosina es la base.

La molécula de lípido es anfipática porque consta de una "cabeza" hidrófila polar (amino alcohol, fosfato, glicerol) y una "cola" gemela no polar (ácidos grasos). La bicapa lipídica está dispuesta de manera que las cabezas hidrófilas constituyen la superficie exterior e interior de la membrana y las colas lipófilas se estiran hacia el interior de la membrana, que contiene agua, varios iones y moléculas.

Las proteínas y glicoproteínas se insertan en la bicapa lipídica (proteínas intrínsecas) o se unen a la superficie de la membrana (proteínas extrínsecas). Estas proteínas contribuyen a la integridad estructural de la membrana, pero también pueden funcionar como enzimas, transportadores, paredes de poros o receptores.

La membrana representa una estructura dinámica que se puede desintegrar y reconstruir con una proporción diferente de lípidos y proteínas, según las necesidades funcionales.

La regulación del transporte de sustancias dentro y fuera de la célula representa una de las funciones básicas de las membranas internas y externas.

Algunas moléculas lipofílicas pasan directamente a través de la bicapa lipídica. Las moléculas hidrofílicas y los iones se transportan a través de los poros. Las membranas responden a condiciones cambiantes abriendo o sellando ciertos poros de varios tamaños.

Los siguientes procesos y mecanismos están involucrados en el transporte de sustancias, incluidos los tóxicos, a través de las membranas:

  • difusión a través de la bicapa lipídica
  • difusión a través de los poros
  • transporte por un portador (difusión facilitada).

 

Procesos activos:

  • transporte activo por un transportista
  • endocitosis (pinocitosis).

 

Difusión

Esto representa el movimiento de moléculas e iones a través de la bicapa lipídica o poros desde una región de alta concentración o alto potencial eléctrico a una región de baja concentración o potencial ("cuesta abajo"). La diferencia de concentración o carga eléctrica es la fuerza impulsora que influye en la intensidad del flujo en ambas direcciones. En el estado de equilibrio, la entrada será igual a la salida. La tasa de difusión sigue la ley de Ficke, que establece que es directamente proporcional a la superficie disponible de la membrana, la diferencia en el gradiente de concentración (carga) y el coeficiente de difusión característico, e inversamente proporcional al espesor de la membrana.

Las moléculas lipofílicas pequeñas pasan fácilmente a través de la capa lipídica de la membrana, según el coeficiente de partición de Nernst.

Las moléculas lipofílicas grandes, las moléculas solubles en agua y los iones utilizarán canales de poros acuosos para su paso. El tamaño y la estereoconfiguración influirán en el paso de las moléculas. Para los iones, además del tamaño, el tipo de carga será determinante. Las moléculas de proteína de las paredes de los poros pueden adquirir carga positiva o negativa. Los poros estrechos tienden a ser selectivos: los ligandos con carga negativa permitirán el paso solo de cationes, y los ligandos con carga positiva solo permitirán el paso de aniones. Con el aumento del diámetro de los poros, el flujo hidrodinámico es dominante, lo que permite el paso libre de iones y moléculas, de acuerdo con la ley de Poiseuille. Esta filtración es consecuencia del gradiente osmótico. En algunos casos, los iones pueden penetrar a través de moléculas complejas específicas:ionóforos—que pueden ser producidos por microorganismos con efectos antibióticos (nonactina, valinomicina, gramacidina, etc.).

Difusión facilitada o catalizada

Esto requiere la presencia de un transportador en la membrana, generalmente una molécula de proteína (permeasa). El transportador se une selectivamente a sustancias, asemejándose a un complejo sustrato-enzima. Moléculas similares (incluidos los tóxicos) pueden competir por el transportador específico hasta alcanzar su punto de saturación. Los tóxicos pueden competir por el transportador y cuando están irreversiblemente ligados a él, el transporte se bloquea. La tasa de transporte es característica para cada tipo de transportista. Si el transporte se realiza en ambas direcciones, se denomina intercambio de difusión.

Transporte activo

Para el transporte de algunas sustancias vitales para la célula, se utiliza un tipo especial de transportador, transportando contra el gradiente de concentración o potencial eléctrico ("cuesta arriba"). La portadora es muy estereoespecífica y puede saturarse.

Para el transporte cuesta arriba, se requiere energía. La energía necesaria se obtiene mediante la escisión catalítica de moléculas de ATP en ADP por la enzima adenosina trifosfatasa (ATP-asa).

Los tóxicos pueden interferir con este transporte por inhibición competitiva o no competitiva del transportador o por inhibición de la actividad ATP-asa.

Endocitosis

Endocitosis se define como un mecanismo de transporte en el que la membrana celular rodea el material plegándose para formar una vesícula que lo transporta a través de la célula. Cuando el material es líquido, el proceso se denomina pinocitosis. En algunos casos el material se une a un receptor y este complejo es transportado por una vesícula de membrana. Este tipo de transporte es utilizado especialmente por las células epiteliales del tracto gastrointestinal y las células del hígado y los riñones.

Absorción de sustancias tóxicas

Las personas están expuestas a numerosos tóxicos presentes en el entorno laboral y de vida, que pueden penetrar en el organismo humano a través de tres puertas principales de entrada:

  • a través de las vías respiratorias por inhalación de aire contaminado
  • a través del tracto gastrointestinal por ingestión de alimentos, agua y bebidas contaminadas
  • a través de la piel por penetración dérmica, cutánea.

 

En el caso de la exposición en la industria, la inhalación representa la vía dominante de entrada de tóxicos, seguida de la penetración dérmica. En la agricultura, la exposición a plaguicidas a través de la absorción dérmica es casi igual a los casos de inhalación y penetración dérmica combinadas. La población general está expuesta principalmente por la ingestión de alimentos, agua y bebidas contaminados, luego por inhalación y con menos frecuencia por penetración dérmica.

Absorción a través del tracto respiratorio

La absorción en los pulmones representa la principal vía de absorción de numerosas sustancias tóxicas transportadas por el aire (gases, vapores, humos, nieblas, humos, polvos, aerosoles, etc.).

El tracto respiratorio (TR) representa un sistema ideal de intercambio de gases que posee una membrana con una superficie de 30 m2 (caducidad) a 100m2 (inspiración profunda), detrás de la cual se encuentra una red de unos 2,000 km de capilares. El sistema, desarrollado a través de la evolución, se acomoda en un espacio relativamente pequeño (cavidad torácica) protegido por costillas.

Anatómica y fisiológicamente el RT se puede dividir en tres compartimentos:

  • la parte superior de RT, o nasofaríngea (NP), comenzando en las fosas nasales y extendiéndose a la faringe y laringe; esta parte sirve como un sistema de aire acondicionado
  • el árbol traqueobronquial (TB), que abarca numerosos tubos de varios tamaños, que llevan aire a los pulmones
  • el compartimento pulmonar (P), que consta de millones de alvéolos (sacos de aire) dispuestos en racimos en forma de uva.

 

Los tóxicos hidrofílicos son fácilmente absorbidos por el epitelio de la región nasofaríngea. Todo el epitelio de las regiones NP y TB está cubierto por una película de agua. Los tóxicos lipofílicos se absorben parcialmente en el NP y el TB, pero principalmente en los alvéolos por difusión a través de las membranas alvéolo-capilares. La tasa de absorción depende de la ventilación pulmonar, el gasto cardíaco (flujo de sangre a través de los pulmones), la solubilidad del tóxico en la sangre y su tasa metabólica.

En los alvéolos se lleva a cabo el intercambio gaseoso. La pared alveolar está formada por un epitelio, un marco intersticial de membrana basal, tejido conectivo y el endotelio capilar. La difusión de tóxicos es muy rápida a través de estas capas, que tienen un espesor de alrededor de 0.8 μm. En los alvéolos, el tóxico se transfiere de la fase de aire a la fase líquida (sangre). La velocidad de absorción (distribución del aire a la sangre) de un tóxico depende de su concentración en el aire alveolar y del coeficiente de partición de Nernst para la sangre (coeficiente de solubilidad).

En la sangre, el tóxico puede disolverse en la fase líquida mediante procesos físicos simples o unirse a las células sanguíneas y/o constituyentes del plasma según afinidad química o por adsorción. El contenido de agua de la sangre es del 75% y, por lo tanto, los gases y vapores hidrofílicos muestran una alta solubilidad en plasma (p. ej., alcoholes). Los tóxicos lipofílicos (p. ej., benceno) normalmente se unen a células o macromoléculas como la albúmina.

Desde el comienzo mismo de la exposición en los pulmones, ocurren dos procesos opuestos: absorción y desorción. El equilibrio entre estos procesos depende de la concentración del tóxico en el aire alveolar y la sangre. Al comienzo de la exposición, la concentración de tóxico en la sangre es 0 y la retención en la sangre es casi del 100%. Con la continuación de la exposición, se alcanza un equilibrio entre la absorción y la desorción. Los tóxicos hidrofílicos alcanzan rápidamente el equilibrio y la tasa de absorción depende de la ventilación pulmonar más que del flujo sanguíneo. Los tóxicos lipofílicos necesitan más tiempo para alcanzar el equilibrio, y aquí el flujo de sangre no saturada gobierna la tasa de absorción.

La deposición de partículas y aerosoles en la RT depende de factores físicos y fisiológicos, así como del tamaño de las partículas. En resumen, cuanto más pequeña sea la partícula, más profundamente penetrará en la RT.

La baja retención relativamente constante de partículas de polvo en los pulmones de personas muy expuestas (por ejemplo, mineros) sugiere la existencia de un sistema muy eficiente para la eliminación de partículas. En la parte superior del RT (traqueobronquial) un manto mucociliar realiza el aclaramiento. En la parte pulmonar actúan tres mecanismos diferentes: (1) manto mucociliar, (2) fagocitosis y (3) penetración directa de partículas a través de la pared alveolar.

Las primeras 17 de las 23 ramificaciones del árbol traqueobronquial poseen células epiteliales ciliadas. Con sus caricias estos cilios mueven constantemente un manto mucoso hacia la boca. Las partículas depositadas sobre este manto mucociliar serán deglutidas en la boca (ingestión). Un manto mucoso también cubre la superficie del epitelio alveolar, moviéndose hacia el manto mucociliar. Además, las células móviles especializadas (fagocitos) engullen partículas y microorganismos en los alvéolos y migran en dos direcciones posibles:

  • hacia el manto mucociliar, que los transporta a la boca
  • a través de los espacios intercelulares de la pared alveolar al sistema linfático de los pulmones; también las partículas pueden penetrar directamente por esta vía.

 

Absorción a través del tracto gastrointestinal

Los tóxicos pueden ingerirse en caso de ingestión accidental, ingesta de alimentos y bebidas contaminados o ingestión de partículas eliminadas del RT.

Todo el canal alimentario, desde el esófago hasta el ano, se construye básicamente de la misma manera. Una capa mucosa (epitelio) está sostenida por tejido conectivo y luego por una red de capilares y músculo liso. El epitelio superficial del estómago está muy arrugado para aumentar el área de superficie de absorción/secreción. El área intestinal contiene numerosas pequeñas proyecciones (vellosidades), que pueden absorber material “bombeando”. El área activa de absorción en los intestinos es de unos 100 m2.

En el tracto gastrointestinal (GIT) todos los procesos de absorción son muy activos:

  •  transporte transcelular por difusión a través de la capa lipídica y/o poros de las membranas celulares, así como filtración de poros
  •  difusión paracelular a través de uniones entre células
  •  difusión facilitada y transporte activo
  •  endocitosis y el mecanismo de bombeo de las vellosidades.

 

Algunos iones de metales tóxicos utilizan sistemas de transporte especializados para elementos esenciales: el talio, el cobalto y el manganeso utilizan el sistema del hierro, mientras que el plomo parece utilizar el sistema del calcio.

Muchos factores influyen en la tasa de absorción de sustancias tóxicas en varias partes del TGI:

  • propiedades fisicoquímicas de los tóxicos, especialmente el coeficiente de partición de Nernst y la constante de disociación; para las partículas, el tamaño de las partículas es importante: cuanto más pequeño es el tamaño, mayor es la solubilidad
  • cantidad de alimento presente en el TGI (efecto diluyente)
  • tiempo de residencia en cada parte del GIT (desde unos pocos minutos en la boca hasta una hora en el estómago y muchas horas en los intestinos)
  • el área de absorción y la capacidad de absorción del epitelio
  • pH local, que gobierna la absorción de sustancias tóxicas disociadas; en el pH ácido del estómago, los compuestos ácidos no disociados se absorberán más rápidamente
  • peristaltismo (movimiento de los intestinos por los músculos) y flujo sanguíneo local
  • las secreciones gástricas e intestinales transforman los tóxicos en productos más o menos solubles; la bilis es un agente emulsionante que produce complejos más solubles (hidrotrofia)
  • exposición combinada a otros tóxicos, que pueden producir efectos sinérgicos o antagónicos en los procesos de absorción
  • presencia de agentes complejantes/quelantes
  • la acción de la microflora de la RT (alrededor de 1.5 kg), alrededor de 60 especies bacterianas diferentes que pueden realizar la biotransformación de tóxicos.

 

También es necesario mencionar la circulación enterohepática. Los tóxicos y/o metabolitos polares (glucurónidos y otros conjugados) se excretan con la bilis hacia el duodeno. Aquí, las enzimas de la microflora realizan la hidrólisis y los productos liberados pueden ser reabsorbidos y transportados por la vena porta al hígado. Este mecanismo es muy peligroso en el caso de sustancias hepatotóxicas, ya que permite su acumulación temporal en el hígado.

En el caso de tóxicos biotransformados en el hígado a metabolitos menos tóxicos o no tóxicos, la ingestión puede representar una puerta de entrada menos peligrosa. Después de la absorción en el GIT, estos tóxicos serán transportados por la vena porta al hígado, y allí pueden ser parcialmente detoxificados por biotransformación.

Absorción a través de la piel (dérmica, percutánea)

La piel (1.8 m2 de superficie en un adulto humano) junto con las membranas mucosas de los orificios corporales, cubre la superficie del cuerpo. Representa una barrera contra los agentes físicos, químicos y biológicos, manteniendo la integridad y homeostasis del cuerpo y realizando muchas otras tareas fisiológicas.

Básicamente la piel consta de tres capas: epidermis, piel verdadera (dermis) y tejido subcutáneo (hipodermis). Desde el punto de vista toxicológico, la epidermis es aquí de gran interés. Está construido de muchas capas de células. Una superficie córnea de células muertas aplanadas (estrato córneo) es la capa superior, debajo de la cual se encuentra una capa continua de células vivas (estrato córneo compacto), seguida de una membrana lipídica típica, y luego por el estrato lúcido, el estrato gramulosum y el estrato mucoso La membrana lipídica representa una barrera protectora, pero en las partes pilosas de la piel, tanto los folículos pilosos como los canales de las glándulas sudoríparas penetran a través de ella. Por lo tanto, la absorción dérmica puede ocurrir por los siguientes mecanismos:

  • absorción transepidérmica por difusión a través de la membrana lipídica (barrera), mayoritariamente por sustancias lipofílicas (disolventes orgánicos, pesticidas, etc.) y en pequeña medida por algunas sustancias hidrofílicas a través de los poros
  • absorción transfolicular alrededor del tallo del cabello hacia el folículo piloso, sin pasar por la barrera de la membrana; esta absorción se produce sólo en las zonas pilosas de la piel
  • Absorción a través de los conductos de las glándulas sudoríparas, que tienen un área transversal de aproximadamente 0.1 a 1% del área total de la piel (la absorción relativa está en esta proporción)
  • absorción a través de la piel cuando se daña mecánicamente, térmicamente, químicamente o por enfermedades de la piel; aquí las capas de la piel, incluida la barrera lipídica, se rompen y se abre el camino para que entren sustancias tóxicas y agentes nocivos.

 

La tasa de absorción a través de la piel dependerá de muchos factores:

  • concentración de tóxico, tipo de vehículo (medio), presencia de otras sustancias
  • contenido de agua de la piel, pH, temperatura, flujo sanguíneo local, transpiración, superficie de piel contaminada, grosor de la piel
  • características anatómicas y fisiológicas de la piel debidas al sexo, la edad, las variaciones individuales, las diferencias que se producen en las diversas etnias y razas, etc.

Transporte de Tóxicos por Sangre y Linfa

Después de la absorción por cualquiera de estas puertas de entrada, los tóxicos llegarán a la sangre, la linfa u otros fluidos corporales. La sangre representa el principal vehículo para el transporte de sustancias tóxicas y sus metabolitos.

La sangre es un órgano circulante fluido que transporta el oxígeno necesario y las sustancias vitales a las células y elimina los productos de desecho del metabolismo. La sangre también contiene componentes celulares, hormonas y otras moléculas involucradas en muchas funciones fisiológicas. La sangre fluye dentro de un sistema circulatorio de vasos sanguíneos relativamente bien cerrado y de alta presión, impulsada por la actividad del corazón. Debido a la alta presión, se produce una fuga de líquido. El sistema linfático representa el sistema de drenaje, en forma de una malla fina de pequeños capilares linfáticos de paredes delgadas que se ramifican a través de los tejidos y órganos blandos.

La sangre es una mezcla de una fase líquida (plasma, 55%) y células sanguíneas sólidas (45%). El plasma contiene proteínas (albúminas, globulinas, fibrinógeno), ácidos orgánicos (láctico, glutámico, cítrico) y muchas otras sustancias (lípidos, lipoproteínas, glicoproteínas, enzimas, sales, xenobióticos, etc.). Los elementos de las células sanguíneas incluyen eritrocitos (Er), leucocitos, reticulocitos, monocitos y plaquetas.

Los tóxicos se absorben como moléculas e iones. Algunos tóxicos al pH de la sangre forman partículas coloides como una tercera forma en este líquido. Las moléculas, iones y coloides de los tóxicos tienen varias posibilidades de transporte en la sangre:

  •  estar unido física o químicamente a los elementos de la sangre, principalmente Er
  •  para ser físicamente disuelto en plasma en un estado libre
  •  para unirse a uno o más tipos de proteínas plasmáticas, formar complejos con los ácidos orgánicos o unirse a otras fracciones de plasma.

 

La mayoría de los tóxicos en la sangre existen parcialmente en estado libre en el plasma y parcialmente unidos a los eritrocitos y constituyentes del plasma. La distribución depende de la afinidad de los tóxicos por estos constituyentes. Todas las fracciones están en equilibrio dinámico.

Algunos tóxicos son transportados por los elementos de la sangre, principalmente por los eritrocitos, muy raramente por los leucocitos. Los tóxicos se pueden adsorber en la superficie de Er o se pueden unir a los ligandos del estroma. Si penetran en Er, pueden unirse al hemo (p. ej., monóxido de carbono y selenio) o a la globina (Sb111, Poco210). Algunos tóxicos transportados por Er son arsénico, cesio, torio, radón, plomo y sodio. El cromo hexavalente se une exclusivamente al Er y el cromo trivalente a las proteínas del plasma. Para el zinc, se produce competencia entre el Er y el plasma. Aproximadamente el 96% del plomo es transportado por Er. El mercurio orgánico se une principalmente a Er y el mercurio inorgánico se transporta principalmente a través de la albúmina plasmática. Er transporta pequeñas fracciones de berilio, cobre, telurio y uranio.

La mayoría de los tóxicos son transportados por plasma o proteínas plasmáticas. Muchos electrolitos están presentes como iones en equilibrio con moléculas no disociadas libres o unidas a las fracciones de plasma. Esta fracción iónica de sustancias tóxicas es muy difusible y penetra a través de las paredes de los capilares hacia los tejidos y órganos. Los gases y vapores se pueden disolver en el plasma.

Las proteínas plasmáticas poseen una superficie total de aproximadamente 600 a 800 km2 ofrecido para la absorción de tóxicos. Las moléculas de albúmina poseen alrededor de 109 ligandos catiónicos y 120 aniónicos a disposición de los iones. Muchos iones son transportados parcialmente por la albúmina (p. ej., cobre, zinc y cadmio), al igual que compuestos como dinitro y ortocresoles, nitro y derivados halogenados de hidrocarburos aromáticos y fenoles.

Las moléculas de globulina (alfa y beta) transportan pequeñas moléculas de sustancias tóxicas, así como algunos iones metálicos (cobre, zinc y hierro) y partículas coloides. El fibrinógeno muestra afinidad por ciertas moléculas pequeñas. Muchos tipos de enlaces pueden estar involucrados en la unión de tóxicos a proteínas plasmáticas: fuerzas de Van der Waals, atracción de cargas, asociación entre grupos polares y no polares, puentes de hidrógeno, enlaces covalentes.

Las lipoproteínas plasmáticas transportan tóxicos lipofílicos como los PCB. Las otras fracciones de plasma también sirven como vehículo de transporte. La afinidad de los tóxicos por las proteínas plasmáticas sugiere su afinidad por las proteínas en los tejidos y órganos durante la distribución.

Los ácidos orgánicos (láctico, glutamínico, cítrico) forman complejos con algunos tóxicos. Las tierras alcalinas y las tierras raras, así como algunos elementos pesados ​​en forma de cationes, también forman complejos con oxiácidos y aminoácidos orgánicos. Todos estos complejos suelen ser difusibles y se distribuyen fácilmente en tejidos y órganos.

Los agentes quelantes fisiológicos del plasma, como la transferrina y la metalotioneína, compiten con los ácidos orgánicos y los aminoácidos por los cationes para formar quelatos estables.

Los iones libres difusibles, algunos complejos y algunas moléculas libres se eliminan fácilmente de la sangre a los tejidos y órganos. La fracción libre de iones y moléculas está en equilibrio dinámico con la fracción unida. La concentración de un tóxico en la sangre determinará la velocidad de su distribución en los tejidos y órganos, o su movilización desde ellos hacia la sangre.

Distribución de Tóxicos en el Organismo

El organismo humano se puede dividir en los siguientes compartimientos. (1) órganos internos, (2) piel y músculos, (3) tejido adiposo, (4) tejido conectivo y huesos. Esta clasificación se basa principalmente en el grado de perfusión vascular (sangre) en orden decreciente. Por ejemplo, los órganos internos (incluido el cerebro), que representan solo el 12 % del peso corporal total, reciben alrededor del 75 % del volumen total de sangre. Por otro lado, los tejidos conectivos y los huesos (15% del peso corporal total) reciben solo el uno por ciento del volumen total de sangre.

Los órganos internos bien perfundidos generalmente logran la mayor concentración de tóxicos en el menor tiempo, así como un equilibrio entre la sangre y este compartimento. La absorción de sustancias tóxicas por los tejidos menos perfundidos es mucho más lenta, pero la retención es mayor y la duración de la permanencia es mucho más prolongada (acumulación) debido a la baja perfusión.

Tres componentes son de gran importancia para la distribución intracelular de tóxicos: contenido de agua, lípidos y proteínas en las células de varios tejidos y órganos. El orden de compartimentos mencionado anteriormente también sigue de cerca un contenido decreciente de agua en sus celdas. Los tóxicos hidrofílicos se distribuirán más rápidamente a los fluidos corporales y las células con alto contenido de agua, y los tóxicos lipofílicos a las células con mayor contenido de lípidos (tejido graso).

El organismo posee algunas barreras que dificultan la penetración de algunos grupos de tóxicos, en su mayoría hidrofílicos, a ciertos órganos y tejidos, tales como:

  • la barrera hematoencefálica (barrera cerebroespinal), que restringe la penetración de moléculas grandes y sustancias tóxicas hidrofílicas en el cerebro y el SNC; esta barrera consiste en una capa estrechamente unida de células endoteliales; por lo tanto, los tóxicos lipofílicos pueden penetrar a través de él.
  • la barrera placentaria, que tiene un efecto similar sobre la penetración de sustancias tóxicas en el feto desde la sangre de la madre
  • la barrera histo-hematológica en las paredes de los capilares, que es permeable para moléculas de tamaño pequeño e intermedio, y para algunas moléculas más grandes, así como para iones.

 

Como se señaló anteriormente, solo las formas libres de tóxicos en el plasma (moléculas, iones, coloides) están disponibles para penetrar a través de las paredes capilares que participan en la distribución. Esta fracción libre está en equilibrio dinámico con la fracción ligada. La concentración de sustancias tóxicas en la sangre se encuentra en un equilibrio dinámico con su concentración en los órganos y tejidos, lo que determina la retención (acumulación) o la movilización a partir de ellos.

La condición del organismo, el estado funcional de los órganos (especialmente la regulación neuro-humoral), el equilibrio hormonal y otros factores juegan un papel en la distribución.

La retención de sustancias tóxicas en un compartimento particular generalmente es temporal y puede ocurrir una redistribución a otros tejidos. La retención y la acumulación se basan en la diferencia entre las tasas de absorción y eliminación. La duración de la retención en un compartimento se expresa mediante la vida media biológica. Este es el intervalo de tiempo en el que el 50% del tóxico se elimina del tejido u órgano y se redistribuye, transloca o elimina del organismo.

Los procesos de biotransformación ocurren durante la distribución y retención en varios órganos y tejidos. La biotransformación produce metabolitos más polares, más hidrofílicos, que se eliminan más fácilmente. Una baja tasa de biotransformación de un tóxico lipofílico generalmente provocará su acumulación en un compartimento.

Los tóxicos se pueden dividir en cuatro grupos principales según su afinidad, retención predominante y acumulación en un compartimento particular:

  1. Los tóxicos solubles en los fluidos corporales se distribuyen uniformemente según el contenido de agua de los compartimentos. Muchos cationes monovalentes (p. ej., litio, sodio, potasio, rubidio) y algunos aniones (p. ej., cloro, bromo) se distribuyen de acuerdo con este patrón.
  2. Los tóxicos lipofílicos muestran una alta afinidad por los órganos ricos en lípidos (SNC) y tejidos (grasos, adiposos).
  3. Los tóxicos que forman partículas coloides son luego atrapados por células especializadas del sistema reticuloendotelial (RES) de órganos y tejidos. Los cationes trivalentes y tetravalentes (lantano, cesio, hafnio) se distribuyen en los RES de tejidos y órganos.
  4. Los tóxicos que muestran una alta afinidad por los huesos y el tejido conjuntivo (elementos osteotrópicos, buscadores de huesos) incluyen cationes divalentes (p. ej., calcio, bario, estroncio, radón, berilio, aluminio, cadmio, plomo).

 

Acumulación en tejidos ricos en lípidos

El “hombre estándar” de 70 kg de peso corporal contiene alrededor del 15 % del peso corporal en forma de tejido adiposo, que aumenta con la obesidad hasta el 50 %. Sin embargo, esta fracción lipídica no se distribuye uniformemente. El cerebro (SNC) es un órgano rico en lípidos y los nervios periféricos están envueltos con una vaina de mielina rica en lípidos y células de Schwann. Todos estos tejidos ofrecen posibilidades de acumulación de tóxicos lipofílicos.

En este compartimento se distribuirán numerosos tóxicos no electrolitos y no polares con un coeficiente de partición de Nernst adecuado, así como numerosos disolventes orgánicos (alcoholes, aldehídos, cetonas, etc.), hidrocarburos clorados (incluidos los insecticidas organoclorados como el DDT), algunos gases inertes (radón), etc.

El tejido adiposo acumulará tóxicos debido a su baja vascularización y menor tasa de biotransformación. Aquí la acumulación de sustancias tóxicas puede representar una especie de "neutralización" temporal debido a la falta de objetivos para el efecto tóxico. Sin embargo, el peligro potencial para el organismo siempre está presente debido a la posibilidad de movilización de sustancias tóxicas desde este compartimento hacia la circulación.

La deposición de tóxicos en el cerebro (SNC) o tejido rico en lípidos de la vaina de mielina del sistema nervioso periférico es muy peligrosa. Los neurotóxicos se depositan aquí directamente junto a sus objetivos. Los tóxicos retenidos en el tejido rico en lípidos de las glándulas endocrinas pueden producir alteraciones hormonales. A pesar de la barrera hematoencefálica, numerosos neurotóxicos de naturaleza lipofílica llegan al cerebro (SNC): anestésicos, disolventes orgánicos, pesticidas, tetraetilo de plomo, organomercuriales, etc.

Retención en el sistema reticuloendotelial

En cada tejido y órgano, un determinado porcentaje de células se especializa en la actividad fagocítica, absorbiendo microorganismos, partículas, partículas coloidales, etc. Este sistema se denomina sistema reticuloendotelial (RES), que comprende células fijas y células móviles (fagocitos). Estas células están presentes en forma no activa. Un aumento de los microbios y partículas mencionados anteriormente activará las células hasta un punto de saturación.

Los tóxicos en forma de coloides serán capturados por los RES de órganos y tejidos. La distribución depende del tamaño de partícula del coloide. Para partículas de mayor tamaño, se favorecerá la retención en el hígado. Con partículas coloides más pequeñas, se producirá una distribución más o menos uniforme entre el bazo, la médula ósea y el hígado. La eliminación de coloides del RES es muy lenta, aunque las partículas pequeñas se eliminan relativamente más rápido.

Acumulación en huesos

Alrededor de 60 elementos pueden identificarse como elementos osteotrópicos o buscadores de huesos.

Los elementos osteotrópicos se pueden dividir en tres grupos:

  1. Elementos que representan o sustituyen a los constituyentes fisiológicos del hueso. Veinte de estos elementos están presentes en mayores cantidades. Los otros aparecen en pequeñas cantidades. En condiciones de exposición crónica, los metales tóxicos como el plomo, el aluminio y el mercurio también pueden entrar en la matriz mineral de las células óseas.
  2. Las tierras alcalinas y otros elementos que forman cationes con un diámetro iónico similar al del calcio son intercambiables con él en el mineral óseo. Además, algunos aniones son intercambiables con aniones (fosfato, hidroxilo) del mineral óseo.
  3. Los elementos que forman microcoloides (tierras raras) pueden adsorberse en la superficie del mineral óseo.

 

El esqueleto de un hombre estándar representa del 10 al 15% del peso corporal total, lo que representa un gran depósito de almacenamiento potencial para los tóxicos osteotrópicos. El hueso es un tejido altamente especializado que consiste en un 54% en volumen de minerales y un 38% de matriz orgánica. La matriz mineral del hueso es hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2 , en el que la relación de Ca a P es de aproximadamente 1.5 a uno. El área superficial del mineral disponible para la adsorción es de unos 100 m2 por gramo de hueso.

La actividad metabólica de los huesos del esqueleto se puede dividir en dos categorías:

  • hueso metabólico activo, en el que los procesos de reabsorción y formación de hueso nuevo, o remodelación del hueso existente, son muy extensos
  • hueso estable con una baja tasa de remodelación o crecimiento.

 

En el feto, el hueso metabólico del lactante y del niño pequeño (ver “esqueleto disponible”) representa casi el 100% del esqueleto. Con la edad este porcentaje de hueso metabólico disminuye. La incorporación de tóxicos durante la exposición aparece en el hueso metabólico y en compartimentos de rotación más lenta.

La incorporación de sustancias tóxicas al hueso se produce de dos formas:

  1. Para los iones, se produce un intercambio de iones con cationes de calcio fisiológicamente presentes o aniones (fosfato, hidroxilo).
  2. Para los tóxicos que forman partículas coloides, se produce la adsorción en la superficie del mineral.

 

Reacciones de intercambio iónico

El mineral óseo, la hidroxiapatita, representa un complejo sistema de intercambio iónico. Los cationes de calcio pueden intercambiarse por varios cationes. Los aniones presentes en el hueso también pueden ser intercambiados por aniones: fosfato con citratos y carbonatos, hidroxilo con flúor. Los iones que no son intercambiables pueden ser adsorbidos en la superficie del mineral. Cuando se incorporan iones tóxicos en el mineral, una nueva capa de mineral puede cubrir la superficie del mineral, enterrando el tóxico en la estructura ósea. El intercambio de iones es un proceso reversible, dependiendo de la concentración de iones, el pH y el volumen de líquido. Así, por ejemplo, un aumento de calcio en la dieta puede disminuir la deposición de iones tóxicos en la red de minerales. Se ha mencionado que con la edad disminuye el porcentaje de hueso metabólico, aunque continúa el intercambio iónico. Con el envejecimiento, se produce una reabsorción de minerales óseos, en la que en realidad disminuye la densidad ósea. En este punto, pueden liberarse sustancias tóxicas en los huesos (p. ej., plomo).

Alrededor del 30 % de los iones incorporados en los minerales óseos se unen débilmente y pueden intercambiarse, capturarse con agentes quelantes naturales y excretarse, con una vida media biológica de 15 días. El otro 70% está más firmemente ligado. La movilización y excreción de esta fracción muestra una vida media biológica de 2.5 años y más dependiendo del tipo de hueso (procesos de remodelación).

Los agentes quelantes (Ca-EDTA, penicilamina, BAL, etc.) pueden movilizar cantidades considerables de algunos metales pesados, y su excreción en la orina aumenta considerablemente.

adsorción de coloides

Las partículas coloides se adsorben como una película sobre la superficie del mineral (100 m2 por g) por fuerzas de Van der Waals o quimisorción. Esta capa de coloides en las superficies minerales se cubre con la siguiente capa de minerales formados y los tóxicos están más enterrados en la estructura ósea. La tasa de movilización y eliminación depende de los procesos de remodelación.

Acumulación en cabello y uñas.

El cabello y las uñas contienen queratina, con grupos sulfhidrilos capaces de quelar cationes metálicos como el mercurio y el plomo.

Distribución del tóxico dentro de la célula.

Recientemente ha cobrado importancia la distribución de sustancias tóxicas, especialmente algunos metales pesados, dentro de las células de tejidos y órganos. Con técnicas de ultracentrifugación, se pueden separar varias fracciones de la célula para determinar su contenido de iones metálicos y otros tóxicos.

Los estudios en animales han revelado que después de la penetración en la célula, algunos iones metálicos se unen a una proteína específica, la metalotioneína. Esta proteína de bajo peso molecular está presente en las células del hígado, riñón y otros órganos y tejidos. Sus grupos sulfhidrilo pueden unir seis iones por molécula. La mayor presencia de iones metálicos induce la biosíntesis de esta proteína. Los iones de cadmio son el inductor más potente. La metalotioneína también sirve para mantener la homeostasis de los iones vitales de cobre y zinc. La metalotioneína puede unir zinc, cobre, cadmio, mercurio, bismuto, oro, cobalto y otros cationes.

Biotransformación y Eliminación de Tóxicos

Durante la retención en las células de varios tejidos y órganos, los tóxicos están expuestos a enzimas que pueden biotransformarlos (metabolizarlos), produciendo metabolitos. Existen muchas vías para la eliminación de tóxicos y/o metabolitos: por el aire exhalado por los pulmones, por la orina por los riñones, por la bilis por el TGI, por el sudor por la piel, por la saliva por las mucosas de la boca, por la leche por las glándulas mamarias, y por el cabello y las uñas a través del crecimiento normal y la renovación celular.

La eliminación de un tóxico absorbido depende de la puerta de entrada. En los pulmones el proceso de absorción/desorción comienza inmediatamente y los tóxicos son parcialmente eliminados por el aire exhalado. La eliminación de los tóxicos absorbidos por otras vías de entrada se prolonga y comienza después del transporte por la sangre, y finalmente se completa después de la distribución y la biotransformación. Durante la absorción existe un equilibrio entre las concentraciones de un tóxico en la sangre y en los tejidos y órganos. La excreción disminuye la concentración sanguínea del tóxico y puede inducir la movilización de un tóxico de los tejidos a la sangre.

Muchos factores pueden influir en la tasa de eliminación de sustancias tóxicas y sus metabolitos del cuerpo:

  • propiedades fisicoquímicas de los tóxicos, especialmente el coeficiente de partición de Nernst (P), la constante de disociación (pKa), polaridad, estructura molecular, forma y peso
  • nivel de exposición y tiempo de eliminación posterior a la exposición
  • portal de entrada
  • distribución en los compartimentos del cuerpo, que difieren en la tasa de intercambio con la sangre y la perfusión sanguínea
  • tasa de biotransformación de tóxicos lipofílicos a metabolitos más hidrofílicos
  • estado de salud general del organismo y, en especial, de los órganos excretores (pulmones, riñones, TGI, piel, etc.)
  • presencia de otros tóxicos que pueden interferir con la eliminación.

 

Aquí distinguimos dos grupos de compartimentos: (1) el sistema de cambio rápido— en estos compartimentos, la concentración tisular del tóxico es similar a la de la sangre; y (2) el sistema de intercambio lento, donde la concentración tisular del tóxico es más alta que en la sangre debido a la unión y la acumulación: el tejido adiposo, el esqueleto y los riñones pueden retener temporalmente algunos tóxicos, por ejemplo, arsénico y zinc.

Un tóxico puede ser excretado simultáneamente por dos o más rutas de excreción. Sin embargo, por lo general una ruta es dominante.

Los científicos están desarrollando modelos matemáticos que describen la excreción de un tóxico en particular. Estos modelos se basan en el movimiento de uno o ambos compartimentos (sistemas de intercambio), biotransformación, etc.

Eliminación por el aire exhalado a través de los pulmones

La eliminación a través de los pulmones (desorción) es típica de sustancias tóxicas con alta volatilidad (p. ej., disolventes orgánicos). Los gases y vapores con baja solubilidad en sangre se eliminarán rápidamente de esta forma, mientras que los tóxicos con alta solubilidad en sangre se eliminarán por otras vías.

Los disolventes orgánicos absorbidos por el TGI o la piel son excretados parcialmente por el aire espirado en cada paso de sangre por los pulmones, si tienen suficiente presión de vapor. La prueba de alcoholemia utilizada para los conductores ebrios sospechosos se basa en este hecho. La concentración de CO en el aire exhalado está en equilibrio con el contenido de CO-Hb en sangre. El gas radiactivo radón aparece en el aire exhalado debido a la descomposición del radio acumulado en el esqueleto.

La eliminación de un tóxico por el aire exhalado en relación con el período de tiempo posterior a la exposición suele expresarse mediante una curva de tres fases. La primera fase representa la eliminación del tóxico de la sangre, mostrando una vida media corta. La segunda fase, más lenta, representa la eliminación por intercambio de sangre con tejidos y órganos (sistema de intercambio rápido). La tercera fase, muy lenta, se debe al intercambio de sangre con tejido graso y esqueleto. Si no se acumula un tóxico en dichos compartimentos, la curva será bifásica. En algunos casos también es posible una curva de cuatro fases.

La determinación de gases y vapores en el aire exhalado en el período posterior a la exposición se utiliza a veces para evaluar la exposición de los trabajadores.

excreción renal

El riñón es un órgano especializado en la excreción de numerosos tóxicos hidrosolubles y metabolitos, manteniendo la homeostasis del organismo. Cada riñón posee alrededor de un millón de nefronas capaces de realizar la excreción. La excreción renal representa un evento muy complejo que abarca tres mecanismos diferentes:

  • filtración glomerular por cápsula de Bowman
  • transporte activo en el túbulo proximal
  • transporte pasivo en el túbulo distal.

 

La excreción de un tóxico a través de los riñones a la orina depende del coeficiente de partición de Nernst, la constante de disociación y el pH de la orina, el tamaño y la forma molecular, la tasa de metabolismo a metabolitos más hidrofílicos, así como el estado de salud de los riñones.

La cinética de la excreción renal de una sustancia tóxica o su metabolito puede expresarse mediante una curva de excreción de dos, tres o cuatro fases, según la distribución de la sustancia tóxica particular en varios compartimentos corporales que difieren en la velocidad de intercambio con la sangre.

Saliva

Algunas drogas e iones metálicos pueden excretarse a través de la mucosa de la boca por medio de la saliva, por ejemplo, plomo ("línea de plomo"), mercurio, arsénico, cobre, así como bromuros, yoduros, alcohol etílico, alcaloides, etc. Luego, los tóxicos se tragan y llegan al TGI, donde pueden ser reabsorbidos o eliminados por las heces.

Sudar

Muchos no electrolitos pueden eliminarse parcialmente a través de la piel a través del sudor: alcohol etílico, acetona, fenoles, disulfuro de carbono e hidrocarburos clorados.

Leche

Muchos metales, solventes orgánicos y algunos pesticidas organoclorados (DDT) se secretan a través de la glándula mamaria en la leche materna. Esta vía puede representar un peligro para los lactantes.

Cabello

El análisis del cabello se puede utilizar como indicador de la homeostasis de algunas sustancias fisiológicas. También la exposición a algunos tóxicos, especialmente metales pesados, puede evaluarse mediante este tipo de bioensayo.

La eliminación de sustancias tóxicas del cuerpo puede incrementarse mediante:

  • translocación mecánica a través de lavado gástrico, transfusión de sangre o diálisis
  • crear condiciones fisiológicas que movilicen sustancias tóxicas mediante la dieta, cambio del equilibrio hormonal, mejora de la función renal mediante la aplicación de diuréticos
  • administración de agentes complejantes (citratos, oxalatos, salicilatos, fosfatos) o agentes quelantes (Ca-EDTA, BAL, ATA, DMSA, penicilamina); este método está indicado sólo en personas bajo estricto control médico. La aplicación de agentes quelantes se usa a menudo para la eliminación de metales pesados ​​del cuerpo de los trabajadores expuestos en el curso de su tratamiento médico. Este método también se utiliza para evaluar la carga corporal total y el nivel de exposición anterior.

 

Determinaciones de exposición

La determinación de sustancias tóxicas y metabolitos en sangre, aire exhalado, orina, sudor, heces y cabello se utiliza cada vez más para evaluar la exposición humana (pruebas de exposición) y/o evaluar el grado de intoxicación. Por lo tanto, recientemente se han establecido límites de exposición biológica (Valores Biológicos MAC, Índices de Exposición Biológica—BEI). Estos bioensayos muestran la "exposición interna" del organismo, es decir, la exposición total del cuerpo en los entornos de trabajo y de vida por todas las puertas de entrada (consulte "Métodos de prueba de toxicología: biomarcadores").

Efectos combinados debido a la exposición múltiple

Las personas en el entorno de trabajo y/o vivienda suelen estar expuestas simultánea o consecutivamente a diversos agentes físicos y químicos. También es necesario tener en cuenta que algunas personas usan medicamentos, fuman, consumen alcohol y alimentos que contienen aditivos, etc. Eso significa que generalmente se está produciendo una exposición múltiple. Los agentes físicos y químicos pueden interactuar en cada paso de los procesos toxicocinéticos y/o toxicodinámicos, produciendo tres posibles efectos:

  1. Independiente. Cada agente produce un efecto diferente debido a un mecanismo de acción diferente,
  2. sinérgico. El efecto combinado es mayor que el de cada agente individual. Aquí diferenciamos dos tipos: (a) aditivos, donde el efecto combinado es igual a la suma de los efectos producidos por cada agente por separado y (b) potenciadores, donde el efecto combinado es mayor que el aditivo.
  3. Antagonista. El efecto combinado es menor que el aditivo.

 

Sin embargo, los estudios sobre efectos combinados son raros. Este tipo de estudio es muy complejo debido a la combinación de varios factores y agentes.

Podemos concluir que cuando el organismo humano está expuesto a dos o más tóxicos simultánea o consecutivamente, es necesario considerar la posibilidad de algunos efectos combinados, que pueden aumentar o disminuir la velocidad de los procesos toxicocinéticos.

 

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Lunes, diciembre 20 2010 19: 21

Órgano diana y efectos críticos

El objetivo prioritario de la toxicología ocupacional y ambiental es mejorar la prevención o limitación sustancial de los efectos en la salud de la exposición a agentes peligrosos en los ambientes generales y ocupacionales. Con este fin se han desarrollado sistemas para la evaluación cuantitativa del riesgo relacionado con una determinada exposición (ver la sección “Toxicología reglamentaria”).

Los efectos de una sustancia química en determinados sistemas y órganos están relacionados con la magnitud de la exposición y si la exposición es aguda o crónica. En vista de la diversidad de efectos tóxicos incluso dentro de un sistema u órgano, se ha propuesto una filosofía uniforme sobre el órgano crítico y el efecto crítico con el fin de evaluar el riesgo y desarrollar límites de concentración recomendados para la salud de sustancias tóxicas en diferentes medios ambientales. .

Desde el punto de vista de la medicina preventiva, es de particular importancia identificar los efectos adversos tempranos, con base en la suposición general de que prevenir o limitar los efectos tempranos puede prevenir que se desarrollen efectos más severos para la salud.

Este enfoque se ha aplicado a los metales pesados. Aunque los metales pesados, como el plomo, el cadmio y el mercurio, pertenecen a un grupo específico de sustancias tóxicas en las que el efecto crónico de la actividad depende de su acumulación en los órganos, las definiciones que se presentan a continuación fueron publicadas por el Task Group on Metal Toxicity (Nordberg 1976).

Se ha adoptado la definición de órgano crítico propuesta por el Task Group on Metal Toxicity con una ligera modificación: la palabra metal ha sido reemplazada por la expresión sustancia potencialmente toxica (Duffus 1993).

El hecho de que un órgano o sistema determinado se considere crítico depende no solo de la toxicomecánica del agente peligroso, sino también de la vía de absorción y de la población expuesta.

  • Concentración crítica para una célula.: la concentración a la que se producen cambios funcionales adversos, reversibles o irreversibles, en la célula.
  • Concentración de órganos críticos: la concentración media en el órgano en el momento en que el tipo de células más sensibles del órgano alcanza la concentración crítica.
  • órgano crítico: ese órgano particular que primero alcanza la concentración crítica de metal bajo circunstancias específicas de exposición y para una población dada.
  • Efecto crítico: punto definido en la relación entre dosis y efecto en el individuo, es decir, el punto en el que se produce un efecto adverso en la función celular del órgano crítico. A un nivel de exposición inferior al que da una concentración crítica de metal en el órgano crítico, pueden ocurrir algunos efectos que no perjudican la función celular per se, pero que son detectables por medio de pruebas bioquímicas y de otro tipo. Tales efectos se definen como efectos subcríticos.

 

A veces se desconoce el significado biológico del efecto subcrítico; puede significar biomarcador de exposición, índice de adaptación o un precursor de efecto crítico (consulte “Métodos de prueba de toxicología: biomarcadores”). La última posibilidad puede ser particularmente significativa en vista de las actividades profilácticas.

La Tabla 1 muestra ejemplos de órganos críticos y efectos para diferentes productos químicos. En la exposición ambiental crónica al cadmio, donde la vía de absorción es de menor importancia (las concentraciones de cadmio en el aire oscilan entre 10 y 20 μg/m3 en la urbana y de 1 a 2 μg/m3 en las zonas rurales), el órgano crítico es el riñón. En el entorno laboral donde el TLV alcanza los 50 μg/m3 y la inhalación constituye la principal vía de exposición, dos órganos, pulmón y riñón, se consideran críticos.

Tabla 1. Ejemplos de órganos críticos y efectos críticos

Sustancia Órgano crítico en exposición crónica Efecto crítico
Cadmio Livianos sin umbral:
Cáncer de pulmón (riesgo unitario 4.6 x 10-3)
  Riñón Límite:
Aumento de la excreción de proteínas de bajo peso molecular (β2 -METRO, RBP) en la orina
  Livianos Enfisema ligeros cambios de función
Lidera Adultos
sistema hematopoyético
Aumento de la excreción de ácido delta-aminolevulínico en la orina (ALA-U); aumento de la concentración de protoporfirina eritrocítica libre (FEP) en los eritrocitos
  Sistema nervioso periférico Enlentecimiento de las velocidades de conducción de las fibras nerviosas más lentas
Mercurio (elemental) Los niños jóvenes
Sistema nervioso central
Disminución del coeficiente intelectual y otros efectos sutiles; temblor mercurial (dedos, labios, párpados)
Mercurio (mercúrico) Riñón Proteinuria
Magnesio Adultos
Sistema nervioso central
Deterioro de las funciones psicomotoras
  Niños
Livianos
Síntomas respiratorios
  Sistema nervioso central Deterioro de las funciones psicomotoras
tolueno Membranas mucosas Irritación
Cloruro de vinilo Hígado Cáncer
(riesgo unitario de angiosarcoma 1 x 10-6 )
Acetato de etilo Membrana mucosa Irritación

 

Para el plomo, los órganos críticos en adultos son los sistemas hematopoyético y nervioso periférico, donde los efectos críticos (p. ej., concentración elevada de protoporfirina eritrocítica libre (FEP), aumento de la excreción de ácido delta-aminolevulínico en la orina o alteración de la conducción nerviosa periférica) se manifiestan cuando el nivel de plomo en sangre (un índice de absorción de plomo en el sistema) se acerca a 200 a 300 μg/l. En los niños pequeños el órgano crítico es el sistema nervioso central (SNC), y se ha encontrado que los síntomas de disfunción detectados con el uso de una batería de pruebas psicológicas aparecen en las poblaciones examinadas incluso en concentraciones en el rango de alrededor de 100 μg/l Pb en sangre.

Se han formulado otras definiciones que pueden reflejar mejor el significado de la noción. Según la OMS (1989), el efecto crítico ha sido definido como “el primer efecto adverso que aparece cuando se alcanza la concentración o dosis umbral (crítica) en el órgano crítico. Los efectos adversos, como el cáncer, sin un umbral de concentración definido, a menudo se consideran críticos. La decisión sobre si un efecto es crítico es una cuestión de juicio experto”. En las directrices del Programa Internacional sobre Seguridad Química (IPCS) para desarrollar Documentos de Criterios de Salud Ambiental, el efecto crítico se describe como “el efecto adverso que se considera más apropiado para determinar la ingesta tolerable”. La última definición ha sido formulada directamente con el propósito de evaluar los límites de exposición basados ​​en la salud en el ambiente general. En este contexto, lo más esencial parece ser determinar qué efecto puede considerarse como un efecto adverso. Siguiendo la terminología actual, el efecto adverso es el “cambio en la morfología, fisiología, crecimiento, desarrollo o vida útil de un organismo que da como resultado el deterioro de la capacidad para compensar el estrés adicional o el aumento de la susceptibilidad a los efectos nocivos de otras influencias ambientales. La decisión sobre si algún efecto es o no adverso requiere el juicio de expertos”.

La Figura 1 muestra curvas hipotéticas de dosis-respuesta para diferentes efectos. En caso de exposición al plomo, A puede representar un efecto subcrítico (inhibición de la ALA-deshidratasa de los eritrocitos), B el efecto crítico (aumento de la protoporfirina de zinc en los eritrocitos o aumento de la excreción de ácido delta-aminolevulínico, C el efecto clínico (anemia) y D el efecto fatal (muerte). Para la exposición al plomo, existe abundante evidencia que ilustra cómo los efectos particulares de la exposición dependen de la concentración de plomo en la sangre (equivalente práctico de la dosis), ya sea en forma de relación dosis-respuesta o en relación con diferentes variables (sexo, edad, etc.). .). La determinación de los efectos críticos y la relación dosis-respuesta para tales efectos en humanos permite predecir la frecuencia de un efecto dado para una dosis dada o su contrapartida (concentración en material biológico) en una determinada población.

Figura 1. Curvas hipotéticas de dosis-respuesta para varios efectos

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Los efectos críticos pueden ser de dos tipos: los que se considera que tienen un umbral y aquellos para los que puede haber algún riesgo en cualquier nivel de exposición (sin umbral, carcinógenos genotóxicos y mutágenos germinales). Siempre que sea posible, se deben utilizar datos humanos apropiados como base para la evaluación de riesgos. Para determinar los efectos de umbral para la población en general, se deben hacer suposiciones sobre el nivel de exposición (ingesta tolerable, biomarcadores de exposición) de modo que la frecuencia del efecto crítico en la población expuesta a un agente peligroso determinado corresponda a la frecuencia de ese efecto en la población general. En la exposición al plomo, la concentración máxima recomendada de plomo en sangre para la población general (200 μg/l, mediana por debajo de 100 μg/l) (OMS 1987) está prácticamente por debajo del valor umbral para el supuesto efecto crítico: el nivel elevado de protoporfirina libre en eritrocitos, aunque no está por debajo del nivel asociado con los efectos sobre el SNC en niños o la presión arterial en adultos. En general, si los datos de estudios de población humana bien realizados que definen un nivel de efecto adverso no observado son la base para la evaluación de la seguridad, entonces se ha considerado apropiado el factor de incertidumbre de diez. En el caso de exposición ocupacional, los efectos críticos pueden referirse a una determinada parte de la población (por ejemplo, el 10%). En consecuencia, en la exposición ocupacional al plomo, se ha adoptado que la concentración de plomo en sangre recomendada en función de la salud es de 400 mg/l en hombres, donde se produjo un nivel de respuesta del 10 % para ALA-U de 5 mg/l con concentraciones de PbB de aproximadamente 300 a 400 mg/l. . Para la exposición ocupacional a cadmio (suponiendo que el efecto crítico sea el aumento de la excreción urinaria de proteínas de bajo peso), se ha considerado como valor admisible el nivel de 200 ppm de cadmio en la corteza renal, ya que este efecto se ha observado en el 10% de los pacientes. la población expuesta. Ambos valores están bajo consideración para bajar, en muchos países, en el momento actual (es decir, 1996).

No existe un consenso claro sobre la metodología adecuada para la evaluación del riesgo de productos químicos cuyo efecto crítico puede no tener un umbral, como los carcinógenos genotóxicos. Se han adoptado varios enfoques basados ​​en gran parte en la caracterización de la relación dosis-respuesta para la evaluación de tales efectos. Debido a la falta de aceptación sociopolítica del riesgo para la salud causado por carcinógenos en documentos como el Directrices de calidad del aire para Europa (OMS 1987), solo los valores como el riesgo unitario de por vida (es decir, el riesgo asociado con la exposición de por vida a 1 μg/m3 del agente peligroso) se presentan para efectos sin umbral (ver “Toxicología reglamentaria”).

En la actualidad, el paso básico para emprender actividades de evaluación de riesgos es determinar el órgano crítico y los efectos críticos. Las definiciones de efecto crítico y adverso reflejan la responsabilidad de decidir cuál de los efectos dentro de un órgano o sistema determinado debe considerarse crítico, y esto está directamente relacionado con la determinación posterior de los valores recomendados para un producto químico determinado en el medio ambiente general. -por ejemplo, Directrices de calidad del aire para Europa (OMS 1987) o límites de exposición ocupacional basados ​​en la salud (OMS 1980). Determinar el efecto crítico dentro del rango de efectos subcríticos puede conducir a una situación en la que los límites recomendados de concentración de sustancias químicas tóxicas en el ambiente general o laboral pueden ser imposibles de mantener en la práctica. Considerar como crítico un efecto que puede superponerse a los efectos clínicos tempranos puede llevar a la adopción de los valores para los cuales pueden desarrollarse efectos adversos en alguna parte de la población. La decisión de si un efecto dado debe considerarse crítico o no sigue siendo responsabilidad de grupos de expertos que se especializan en toxicidad y evaluación de riesgos.

 

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Lunes, diciembre 20 2010 19: 23

Efecto de la edad, el sexo y otros factores

A menudo hay grandes diferencias entre los seres humanos en la intensidad de la respuesta a los productos químicos tóxicos y variaciones en la susceptibilidad de un individuo a lo largo de la vida. Estos pueden atribuirse a una variedad de factores capaces de influir en la tasa de absorción, la distribución en el cuerpo, la biotransformación y/o la tasa de excreción de una sustancia química en particular. Además de los factores hereditarios conocidos que se ha demostrado claramente que están vinculados con una mayor susceptibilidad a la toxicidad química en humanos (ver “Determinantes genéticos de la respuesta tóxica”), otros factores incluyen: características constitucionales relacionadas con la edad y el sexo; estados de enfermedad preexistentes o una reducción en la función del órgano (no hereditario, es decir, adquirido); hábitos alimentarios, tabaquismo, consumo de alcohol y uso de medicamentos; exposición concomitante a biotoxinas (diversos microorganismos) y factores físicos (radiación, humedad, temperaturas extremadamente bajas o altas o presiones barométricas particularmente relevantes para la presión parcial de un gas), así como ejercicio físico concomitante o situaciones de estrés psicológico; exposición ocupacional y/o ambiental previa a un producto químico en particular y, en particular, exposición concomitante a otros productos químicos, no necesariamente tóxicos (p. ej., metales esenciales). Las posibles contribuciones de los factores antes mencionados para aumentar o disminuir la susceptibilidad a los efectos adversos para la salud, así como los mecanismos de su acción, son específicos para un producto químico en particular. Por lo tanto, aquí solo se presentarán los factores más comunes, los mecanismos básicos y algunos ejemplos característicos, mientras que la información específica sobre cada producto químico en particular se puede encontrar en otra parte de este documento. Enciclopedia.

De acuerdo con la etapa en la que actúan estos factores (absorción, distribución, biotransformación o excreción de una sustancia química en particular), los mecanismos pueden clasificarse aproximadamente según dos consecuencias básicas de la interacción: (1) un cambio en la cantidad de la sustancia química en un órgano diana, es decir, en los sitios de su efecto en el organismo (interacciones toxicocinéticas), o (2) un cambio en la intensidad de una respuesta específica a la cantidad de la sustancia química en un órgano diana (interacciones toxicodinámicas) . Los mecanismos más comunes de cualquier tipo de interacción están relacionados con la competencia con otras sustancias químicas por unirse a los mismos compuestos involucrados en su transporte en el organismo (p. ej., proteínas séricas específicas) y/o por la misma vía de biotransformación (p. ej., enzimas específicas) dando como resultado un cambio en la velocidad o secuencia entre la reacción inicial y el efecto final adverso para la salud. Sin embargo, tanto las interacciones toxicocinéticas como las toxicodinámicas pueden influir en la susceptibilidad individual a una sustancia química en particular. La influencia de varios factores concomitantes puede resultar en: (a) efectos aditivos— la intensidad del efecto combinado es igual a la suma de los efectos producidos por cada factor por separado, (b) efectos sinérgicos—la intensidad del efecto combinado es superior a la suma de los efectos producidos por cada factor por separado, o c) efectos antagónicos—la intensidad del efecto combinado es menor que la suma de los efectos producidos por cada factor por separado.

La cantidad de una sustancia química tóxica en particular o un metabolito característico en el sitio o sitios de su efecto en el cuerpo humano puede evaluarse más o menos mediante el control biológico, es decir, eligiendo la muestra biológica correcta y el momento óptimo para el muestreo de la muestra, tomando en cuenta las semividas biológicas de una sustancia química particular tanto en el órgano crítico como en el compartimento biológico medido. Sin embargo, generalmente se carece de información confiable sobre otros posibles factores que podrían influir en la susceptibilidad individual en humanos y, en consecuencia, la mayor parte del conocimiento sobre la influencia de varios factores se basa en datos experimentales con animales.

Cabe destacar que, en algunos casos, existen diferencias relativamente grandes entre humanos y otros mamíferos en la intensidad de la respuesta a un nivel equivalente y/o la duración de la exposición a muchas sustancias químicas tóxicas; por ejemplo, los seres humanos parecen ser considerablemente más sensibles a los efectos adversos para la salud de varios metales tóxicos que las ratas (comúnmente utilizado en estudios experimentales con animales). Algunas de estas diferencias se pueden atribuir al hecho de que las rutas de transporte, distribución y biotransformación de varios químicos dependen en gran medida de cambios sutiles en el pH del tejido y el equilibrio redox en el organismo (al igual que las actividades de varias enzimas), y que el sistema redox del ser humano difiere considerablemente del de la rata.

Este es obviamente el caso de importantes antioxidantes como la vitamina C y el glutatión (GSH), que son esenciales para mantener el equilibrio redox y que tienen un papel protector contra los efectos adversos de los radicales libres derivados del oxígeno o xenobióticos que están involucrados en un variedad de condiciones patológicas (Kehrer 1993). Los seres humanos no pueden autosintetizar la vitamina C, al contrario que las ratas, y los niveles, así como la tasa de recambio de GSH eritrocitario en los seres humanos, son considerablemente más bajos que en las ratas. Los seres humanos también carecen de algunas de las enzimas antioxidantes protectoras, en comparación con la rata u otros mamíferos (p. ej., la GSH-peroxidasa se considera poco activa en el esperma humano). Estos ejemplos ilustran la vulnerabilidad potencialmente mayor al estrés oxidativo en humanos (particularmente en células sensibles, p. ej., aparentemente mayor vulnerabilidad del esperma humano a influencias tóxicas que la de la rata), lo que puede resultar en una respuesta diferente o una mayor susceptibilidad a la influencia de varios factores en humanos en comparación con otros mamíferos (Telišman 1995).

Influencia de la edad

En comparación con los adultos, los niños muy pequeños a menudo son más susceptibles a la toxicidad química debido a sus volúmenes de inhalación y tasa de absorción gastrointestinal relativamente mayores debido a la mayor permeabilidad del epitelio intestinal, y debido a los sistemas enzimáticos de desintoxicación inmaduros y una tasa de excreción relativamente menor de sustancias químicas tóxicas. . El sistema nervioso central parece ser particularmente susceptible en la etapa temprana de desarrollo con respecto a la neurotoxicidad de varios químicos, por ejemplo, plomo y metilmercurio. Por otro lado, los ancianos pueden ser susceptibles debido al historial de exposición química y al aumento de las reservas corporales de algunos xenobióticos, o al compromiso preexistente de la función de los órganos diana y/o enzimas relevantes que dan como resultado una tasa de desintoxicación y excreción más baja. Cada uno de estos factores puede contribuir al debilitamiento de las defensas del organismo: una disminución de la capacidad de reserva, lo que aumenta la susceptibilidad a la exposición posterior a otros peligros. Por ejemplo, las enzimas del citocromo P450 (que participan en las vías de biotransformación de casi todas las sustancias químicas tóxicas) pueden ser inducidas o tener una actividad reducida debido a la influencia de varios factores a lo largo de la vida (incluidos los hábitos dietéticos, el tabaquismo, el alcohol, el uso de medicamentos y exposición a xenobióticos ambientales).

Influencia del sexo

Se han descrito diferencias relacionadas con el género en la susceptibilidad para una gran cantidad de sustancias químicas tóxicas (aproximadamente 200), y tales diferencias se encuentran en muchas especies de mamíferos. Parece que los machos son generalmente más susceptibles a las toxinas renales y las hembras a las toxinas hepáticas. Las causas de la diferente respuesta entre hombres y mujeres se han relacionado con diferencias en una variedad de procesos fisiológicos (p. ej., las mujeres son capaces de excreción adicional de algunos químicos tóxicos a través de la pérdida de sangre menstrual, leche materna y/o transferencia al feto, pero experimentan estrés adicional durante el embarazo, el parto y la lactancia), actividades enzimáticas, mecanismos de reparación genética, factores hormonales o la presencia de depósitos de grasa relativamente más grandes en las mujeres, lo que resulta en una mayor acumulación de algunos químicos tóxicos lipofílicos, como solventes orgánicos y algunos medicamentos .

Influencia de los hábitos dietéticos

Los hábitos dietéticos tienen una influencia importante en la susceptibilidad a la toxicidad química, principalmente porque una nutrición adecuada es esencial para el funcionamiento del sistema de defensa química del cuerpo para mantener una buena salud. La ingesta adecuada de metales esenciales (incluidos los metaloides) y proteínas, especialmente los aminoácidos que contienen azufre, es necesaria para la biosíntesis de diversas enzimas desintoxicantes y el suministro de glicina y glutatión para las reacciones de conjugación con compuestos endógenos y exógenos. Los lípidos, especialmente los fosfolípidos, y los lipotropos (donantes de grupos metilo) son necesarios para la síntesis de membranas biológicas. Los carbohidratos proporcionan la energía necesaria para varios procesos de desintoxicación y proporcionan ácido glucurónico para la conjugación de sustancias químicas tóxicas y sus metabolitos. El selenio (un metaloide esencial), el glutatión y vitaminas como la vitamina C (soluble en agua), la vitamina E y la vitamina A (soluble en lípidos) tienen un papel importante como antioxidantes (p. ej., en el control de la peroxidación lipídica y el mantenimiento de la integridad de las membranas celulares) y eliminadores de radicales libres para la protección contra productos químicos tóxicos. Además, diversos constituyentes de la dieta (contenido de proteínas y fibra, minerales, fosfatos, ácido cítrico, etc.), así como la cantidad de alimentos consumidos, pueden influir en gran medida en la tasa de absorción gastrointestinal de muchas sustancias químicas tóxicas (p. ej., la tasa de absorción promedio de las sales de plomo tomadas con las comidas es de aproximadamente el ocho por ciento, en comparación con aproximadamente el 60% en sujetos en ayunas). Sin embargo, la dieta en sí misma puede ser una fuente adicional de exposición individual a varios químicos tóxicos (p. ej., ingestas diarias considerablemente mayores y acumulación de arsénico, mercurio, cadmio y/o plomo en sujetos que consumen mariscos contaminados).

Influencia del tabaquismo

El hábito de fumar puede influir en la susceptibilidad individual a muchos químicos tóxicos debido a la variedad de posibles interacciones que involucran la gran cantidad de compuestos presentes en el humo del cigarrillo (especialmente hidrocarburos aromáticos policíclicos, monóxido de carbono, benceno, nicotina, acroleína, algunos pesticidas, cadmio y , en menor medida, plomo y otros metales tóxicos, etc.), algunos de los cuales son capaces de acumularse en el cuerpo humano durante toda la vida, incluida la vida prenatal (p. ej., plomo y cadmio). Las interacciones se producen principalmente porque varias sustancias químicas tóxicas compiten por los mismos sitios de unión para el transporte y la distribución en el organismo y/o por la misma ruta de biotransformación que involucra enzimas particulares. Por ejemplo, varios componentes del humo del cigarrillo pueden inducir las enzimas del citocromo P450, mientras que otros pueden reducir su actividad y, por lo tanto, influir en las vías de biotransformación comunes de muchas otras sustancias químicas tóxicas, como los disolventes orgánicos y algunos medicamentos. Fumar cigarrillos en exceso durante un período prolongado puede reducir considerablemente los mecanismos de defensa del cuerpo al disminuir la capacidad de reserva para hacer frente a la influencia adversa de otros factores del estilo de vida.

Influencia del alcohol

El consumo de alcohol (etanol) puede influir en la susceptibilidad a muchas sustancias químicas tóxicas de varias formas. Puede influir en la tasa de absorción y distribución de ciertas sustancias químicas en el cuerpo; por ejemplo, aumentar la tasa de absorción gastrointestinal de plomo o disminuir la tasa de absorción pulmonar de vapor de mercurio al inhibir la oxidación, que es necesaria para la retención del vapor de mercurio inhalado. El etanol también puede influir en la susceptibilidad a diversas sustancias químicas a través de cambios a corto plazo en el pH del tejido y el aumento del potencial redox resultante del metabolismo del etanol, ya que tanto el etanol que se oxida a acetaldehído como el acetaldehído que se oxida a acetato producen un equivalente de nicotinamida adenina dinucleótido reducida (NADH) y hidrógeno (H+). Debido a que la afinidad de los metales y metaloides esenciales y tóxicos para unirse a varios compuestos y tejidos está influenciada por el pH y los cambios en el potencial redox (Telišman 1995), incluso una ingesta moderada de etanol puede tener una serie de consecuencias como: ( 1) redistribución del plomo acumulado a largo plazo en el organismo humano a favor de una fracción de plomo biológicamente activa, (2) reemplazo del zinc esencial por plomo en enzimas que contienen zinc, lo que afecta la actividad enzimática o la influencia de la movilización. plomo sobre la distribución de otros metales y metaloides esenciales en el organismo como calcio, hierro, cobre y selenio, (3) aumento de la excreción urinaria de zinc, etc. El efecto de los posibles eventos antes mencionados puede aumentar debido al hecho de que las bebidas alcohólicas pueden contener una cantidad apreciable de plomo proveniente de los recipientes o del procesamiento (Prpic-Majic et al. 1984; Telišman et al. 1984; 1993).

Otra razón común para los cambios en la susceptibilidad relacionados con el etanol es que muchas sustancias químicas tóxicas, por ejemplo, varios solventes orgánicos, comparten la misma ruta de biotransformación que involucra las enzimas del citocromo P450. Dependiendo de la intensidad de la exposición a los solventes orgánicos, así como de la cantidad y frecuencia de la ingestión de etanol (es decir, consumo agudo o crónico de alcohol), el etanol puede disminuir o aumentar las tasas de biotransformación de varios solventes orgánicos y, por lo tanto, influir en su toxicidad (Sato 1991) .

Influencia de los medicamentos

El uso común de varios medicamentos puede influir en la susceptibilidad a las sustancias químicas tóxicas, principalmente porque muchas drogas se unen a las proteínas séricas y, por lo tanto, influyen en el transporte, la distribución o la tasa de excreción de varias sustancias químicas tóxicas, o porque muchas drogas son capaces de inducir enzimas desintoxicantes relevantes o deprimir su actividad. (por ejemplo, las enzimas del citocromo P450), lo que afecta la toxicidad de los productos químicos con la misma ruta de biotransformación. La característica de cualquiera de los mecanismos es una mayor excreción urinaria de ácido tricloroacético (el metabolito de varios hidrocarburos clorados) cuando se usa salicilato, sulfonamida o fenilbutazona, y una mayor hepatonefrotoxicidad del tetracloruro de carbono cuando se usa fenobarbital. Además, algunos medicamentos contienen una cantidad considerable de una sustancia química potencialmente tóxica, por ejemplo, los antiácidos que contienen aluminio o los preparados que se utilizan para el tratamiento de la hiperfosfatemia que surge en la insuficiencia renal crónica.

Influencia de la exposición concomitante a otros productos químicos

Los cambios en la susceptibilidad a los efectos adversos para la salud debido a la interacción de varios productos químicos (es decir, posibles efectos aditivos, sinérgicos o antagónicos) se han estudiado casi exclusivamente en animales de experimentación, principalmente en ratas. Faltan estudios epidemiológicos y clínicos pertinentes. Esto es especialmente preocupante si se tiene en cuenta la intensidad relativamente mayor de la respuesta o la variedad de efectos adversos para la salud de varias sustancias químicas tóxicas en humanos en comparación con la rata y otros mamíferos. Aparte de los datos publicados en el campo de la farmacología, la mayoría de los datos están relacionados solo con combinaciones de dos productos químicos diferentes dentro de grupos específicos, como varios pesticidas, solventes orgánicos o metales y metaloides esenciales y/o tóxicos.

La exposición combinada a varios solventes orgánicos puede resultar en varios efectos aditivos, sinérgicos o antagónicos (dependiendo de la combinación de ciertos solventes orgánicos, su intensidad y duración de la exposición), principalmente debido a la capacidad de influir en la biotransformación de cada uno (Sato 1991).

Otro ejemplo característico son las interacciones de metales esenciales y/o tóxicos y metaloides, ya que estos están involucrados en la posible influencia de la edad (p. ej., una acumulación corporal de por vida de plomo y cadmio ambiental), sexo (p. ej., deficiencia de hierro común en mujeres ), hábitos dietéticos (p. ej., mayor ingesta dietética de metales y metaloides tóxicos y/o ingesta dietética deficiente de metales esenciales y metaloides), hábito de fumar y consumo de alcohol (p. ej., exposición adicional a cadmio, plomo y otros metales tóxicos), y uso de medicamentos (p. ej., una sola dosis de antiácido puede resultar en un aumento de 50 veces en la ingesta diaria promedio de aluminio a través de los alimentos). La posibilidad de varios efectos aditivos, sinérgicos o antagónicos de la exposición a varios metales y metaloides en humanos puede ilustrarse con ejemplos básicos relacionados con los principales elementos tóxicos (ver tabla 1), además de que pueden ocurrir más interacciones porque los elementos esenciales también pueden influir entre sí (p. ej., el bien conocido efecto antagónico del cobre sobre la tasa de absorción gastrointestinal así como sobre el metabolismo del zinc, y viceversa). La causa principal de todas estas interacciones es la competencia de varios metales y metaloides por el mismo sitio de unión (especialmente el grupo sulfhidrilo, -SH) en varias enzimas, metaloproteínas (especialmente metalotioneína) y tejidos (p. ej., membranas celulares y barreras de órganos). Estas interacciones pueden tener un papel relevante en el desarrollo de varias enfermedades crónicas que están mediadas por la acción de los radicales libres y el estrés oxidativo (Telišman 1995).

Tabla 1. Efectos básicos de posibles interacciones múltiples sobre los principales metales tóxicos y/o esenciales y mataloides en mamíferos

Metal tóxico o metaloide Efectos básicos de la interacción con otro metal o metaloide
Aluminio (Al) Disminuye la tasa de absorción de Ca y perjudica el metabolismo de Ca; Ca dietético deficiente aumenta la tasa de absorción de Al. Altera el metabolismo del fosfato. Los datos sobre las interacciones con Fe, Zn y Cu son equívocos (es decir, el posible papel de otro metal como mediador).
Arsénico (As) Afecta la distribución de Cu (un aumento de Cu en el riñón y una disminución de Cu en el hígado, suero y orina). Deteriora el metabolismo del Fe (aumento del Fe en el hígado con disminución concomitante del hematocrito). Zn disminuye la tasa de absorción de As inorgánico y disminuye la toxicidad de As. Se disminuye la toxicidad de As y viceversa.
Cadmio (Cd) Disminuye la tasa de absorción de Ca y perjudica el metabolismo de Ca; la deficiencia de Ca en la dieta aumenta la tasa de absorción de Cd. Deteriora el metabolismo del fosfato, es decir, aumenta la excreción urinaria de fosfatos. Deteriora el metabolismo del Fe; Fe dietético deficiente aumenta la tasa de absorción de Cd. Afecta la distribución de Zn; Zn disminuye la toxicidad de Cd, mientras que su influencia sobre la tasa de absorción de Cd es equívoca. Se disminuye la toxicidad de Cd. Mn disminuye la toxicidad de Cd a niveles bajos de exposición a Cd. Los datos sobre la interacción con Cu son equívocos (es decir, el posible papel de Zn, u otro metal, como mediador). Los altos niveles dietéticos de Pb, Ni, Sr, Mg o Cr(III) pueden disminuir la tasa de absorción de Cd.
Mercurio (Hg) Afecta la distribución de Cu (un aumento de Cu en el hígado). Zn disminuye la tasa de absorción de Hg inorgánico y disminuye la toxicidad de Hg. Se disminuye la toxicidad de Hg. El Cd aumenta la concentración de Hg en el riñón, pero al mismo tiempo disminuye la toxicidad del Hg en el riñón (la influencia de la síntesis de metalotioneína inducida por Cd).
Plomo (Pb) Deteriora el metabolismo del Ca; Ca dietético deficiente aumenta la tasa de absorción de Pb inorgánico y aumenta la toxicidad de Pb. Deteriora el metabolismo del Fe; Fe dietético deficiente aumenta la toxicidad de Pb, mientras que su influencia en la tasa de absorción de Pb es equívoca. Deteriora el metabolismo de Zn y aumenta la excreción urinaria de Zn; Zn dietético deficiente aumenta la tasa de absorción de Pb inorgánico y aumenta la toxicidad de Pb. El Se disminuye la toxicidad del Pb. Los datos sobre las interacciones con Cu y Mg son equívocos (es decir, el posible papel de Zn, u otro metal, como mediador).

Nota: La mayoría de los datos están relacionados con estudios experimentales en ratas, mientras que los datos clínicos y epidemiológicos relevantes (particularmente con respecto a las relaciones cuantitativas de dosis-respuesta) generalmente faltan (Elsenhans et al. 1991; Fergusson 1990; Telišman et al. 1993).

 

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Durante mucho tiempo se ha reconocido que la respuesta de cada persona a los productos químicos ambientales es diferente. La reciente explosión en biología molecular y genética ha traído una comprensión más clara sobre la base molecular de tal variabilidad. Los principales determinantes de la respuesta individual a los productos químicos incluyen diferencias importantes entre más de una docena de superfamilias de enzimas, denominadas colectivamente xenobiótico- (ajena al cuerpo) o metabolizador de drogas enzimas Aunque el papel de estas enzimas se ha considerado clásicamente como desintoxicante, estas mismas enzimas también convierten una serie de compuestos inertes en intermediarios altamente tóxicos. Recientemente, se han identificado muchas diferencias sutiles y grandes en los genes que codifican estas enzimas, que se ha demostrado que dan como resultado marcadas variaciones en la actividad enzimática. Ahora está claro que cada individuo posee un complemento distinto de actividades enzimáticas metabolizadoras de xenobióticos; esta diversidad podría considerarse como una "huella digital metabólica". Es la interacción compleja de estas muchas superfamilias de enzimas diferentes lo que determina en última instancia no solo el destino y el potencial de toxicidad de una sustancia química en un individuo determinado, sino también la evaluación de la exposición. En este artículo, hemos optado por utilizar la superfamilia de enzimas del citocromo P450 para ilustrar el notable progreso realizado en la comprensión de la respuesta individual a los productos químicos. El desarrollo de pruebas relativamente simples basadas en el ADN diseñadas para identificar alteraciones genéticas específicas en estas enzimas ahora proporciona predicciones más precisas de la respuesta individual a la exposición química. Esperamos que el resultado sea una toxicología preventiva. En otras palabras, cada individuo podría aprender acerca de aquellos químicos a los que él o ella es particularmente sensible, evitando así la toxicidad o el cáncer que antes eran impredecibles.

Aunque generalmente no se aprecia, los seres humanos estamos expuestos diariamente a un aluvión de innumerables y diversos productos químicos. Muchos de estos químicos son altamente tóxicos y se derivan de una amplia variedad de fuentes ambientales y dietéticas. La relación entre dichas exposiciones y la salud humana ha sido y continúa siendo un foco importante de los esfuerzos de investigación biomédica en todo el mundo.

¿Cuáles son algunos ejemplos de este bombardeo químico? Se han aislado y caracterizado más de 400 sustancias químicas del vino tinto. Se estima que un cigarrillo encendido produce al menos 1,000 sustancias químicas. Hay innumerables productos químicos en los cosméticos y jabones perfumados. Otra fuente importante de exposición química es la agricultura: solo en los Estados Unidos, las tierras de cultivo reciben más de 75,000 XNUMX productos químicos cada año en forma de pesticidas, herbicidas y agentes fertilizantes; después de que las plantas y los animales de pastoreo los absorban, así como los peces en las vías fluviales cercanas, los humanos (al final de la cadena alimentaria) ingieren estos químicos. Otras dos fuentes de grandes concentraciones de sustancias químicas que ingresan al cuerpo incluyen (a) las drogas que se toman de forma crónica y (b) la exposición a sustancias peligrosas en el lugar de trabajo durante toda la vida laboral.

Ahora está bien establecido que la exposición química puede afectar negativamente muchos aspectos de la salud humana, causando enfermedades crónicas y el desarrollo de muchos tipos de cáncer. En la última década más o menos, la base molecular de muchas de estas relaciones ha comenzado a descifrarse. Además, ha surgido la comprensión de que los seres humanos difieren notablemente en su susceptibilidad a los efectos nocivos de la exposición química.

Los esfuerzos actuales para predecir la respuesta humana a la exposición química combinan dos enfoques fundamentales (figura 1): monitorear el alcance de la exposición humana a través de marcadores biológicos (biomarcadores) y predecir la respuesta probable de un individuo a un nivel dado de exposición. Aunque ambos enfoques son extremadamente importantes, se debe enfatizar que los dos son claramente diferentes entre sí. Este artículo se centrará en la factores genéticos susceptibilidad individual subyacente a cualquier exposición química en particular. Este campo de investigación se denomina ampliamente ecogenéticao farmacogenética (ver Kalow 1962 y 1992). Muchos de los avances recientes en la determinación de la susceptibilidad individual a la toxicidad química han evolucionado a partir de una mayor apreciación de los procesos por los cuales los humanos y otros mamíferos desintoxican las sustancias químicas y la notable complejidad de los sistemas enzimáticos involucrados.

Figura 1. Las interrelaciones entre la evaluación de la exposición, las diferencias étnicas, la edad, la dieta, la nutrición y la evaluación de la susceptibilidad genética, todos los cuales juegan un papel en el riesgo individual de toxicidad y cáncer.TOX050F1

Primero describiremos la variabilidad de las respuestas tóxicas en humanos. Luego presentaremos algunas de las enzimas responsables de tal variación en la respuesta, debido a diferencias en el metabolismo de sustancias químicas extrañas. A continuación, se detallará la historia y nomenclatura de la superfamilia del citocromo P450. Se describirán brevemente cinco polimorfismos P450 humanos así como varios polimorfismos no P450; estos son responsables de las diferencias humanas en la respuesta tóxica. Luego discutiremos un ejemplo para enfatizar el punto de que las diferencias genéticas en los individuos pueden influir en la evaluación de la exposición, según lo determinado por el monitoreo ambiental. Por último, discutiremos el papel de estas enzimas metabolizadoras de xenobióticos en funciones vitales críticas.

Variación en la respuesta tóxica entre la población humana

Toxicólogos y farmacólogos hablan comúnmente de la dosis letal promedio para el 50% de la población (LD50), la dosis máxima media tolerada por el 50% de la población (MTD50), y la dosis efectiva promedio de un fármaco en particular para el 50% de la población (ED50). Sin embargo, ¿cómo nos afectan estas dosis a cada uno de nosotros de forma individual? En otras palabras, un individuo altamente sensible puede verse 500 veces más afectado o 500 veces más propenso a verse afectado que el individuo más resistente de una población; para estas personas, el LD50 (y MTD50 y DE50) los valores tendrían poco significado. LD50, MTD50 y DE50 los valores sólo son relevantes cuando se refieren a la población en su conjunto.

Figura 2 y XNUMX ilustra una relación dosis-respuesta hipotética para una respuesta tóxica de individuos en cualquier población dada. Este diagrama genérico podría representar el carcinoma broncogénico en respuesta a la cantidad de cigarrillos fumados, el cloracné en función de los niveles de dioxina en el lugar de trabajo, el asma en función de las concentraciones de ozono o aldehído en el aire, las quemaduras solares en respuesta a la luz ultravioleta, la disminución del tiempo de coagulación como una función de la ingesta de aspirina, o molestias gastrointestinales en respuesta al número de Jalapeño pimientos consumidos. Generalmente, en cada uno de estos casos, cuanto mayor sea la exposición, mayor será la respuesta tóxica. La mayor parte de la población exhibirá la media y la desviación estándar de la respuesta tóxica en función de la dosis. El "valor atípico resistente" (abajo a la derecha en la figura 2) es un individuo que tiene menos respuesta a dosis o exposiciones más altas. Un “valor atípico sensible” (arriba a la izquierda) es un individuo que tiene una respuesta exagerada a una dosis o exposición relativamente pequeña. Estos valores atípicos, con diferencias extremas en la respuesta en comparación con la mayoría de los individuos de la población, pueden representar variantes genéticas importantes que pueden ayudar a los científicos a intentar comprender los mecanismos moleculares subyacentes de una respuesta tóxica. 

Figura 2. Relación genérica entre cualquier respuesta tóxica y la dosis de cualquier agente ambiental, químico o físico

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Utilizando estos valores atípicos en estudios familiares, los científicos de varios laboratorios han comenzado a apreciar la importancia de la herencia mendeliana para una determinada respuesta tóxica. Posteriormente, se puede recurrir a la biología molecular y los estudios genéticos para identificar el mecanismo subyacente a nivel genético (genotipo) responsable de la enfermedad causada por el medio ambiente (fenotipo).

Enzimas metabolizadoras de xenobióticos o fármacos

¿Cómo responde el cuerpo a la miríada de sustancias químicas exógenas a las que estamos expuestos? Los humanos y otros mamíferos han desarrollado sistemas enzimáticos metabólicos altamente complejos que comprenden más de una docena de superfamilias distintas de enzimas. Casi todas las sustancias químicas a las que los humanos están expuestos serán modificadas por estas enzimas para facilitar la eliminación de la sustancia extraña del cuerpo. En conjunto, estas enzimas se denominan con frecuencia como enzimas metabolizadoras de fármacos or enzimas metabolizadoras de xenobióticos. En realidad, ambos términos son nombres inapropiados. En primer lugar, muchas de estas enzimas no solo metabolizan medicamentos, sino también cientos de miles de sustancias químicas dietéticas y ambientales. En segundo lugar, todas estas enzimas también tienen compuestos corporales normales como sustratos; ninguna de estas enzimas metaboliza solo sustancias químicas extrañas.

Durante más de cuatro décadas, los procesos metabólicos mediados por estas enzimas se han clasificado comúnmente como reacciones de Fase I o Fase II (figura 3). Las reacciones de fase I ("funcionalización") generalmente involucran modificaciones estructurales relativamente menores del químico original a través de oxidación, reducción o hidrólisis para producir un metabolito más soluble en agua. Con frecuencia, las reacciones de la Fase I proporcionan un "control" para la modificación adicional de un compuesto mediante reacciones posteriores de la Fase II. Las reacciones de fase I están mediadas principalmente por una superfamilia de enzimas muy versátiles, denominadas colectivamente citocromos P450, aunque también pueden participar otras superfamilias de enzimas (figura 4).

Figura 3. La designación clásica de las enzimas metabolizadoras de fármacos o xenobióticos de Fase I y Fase IItox050f4

Figura 4. Ejemplos de enzimas metabolizadoras de fármacos

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Las reacciones de fase II implican el acoplamiento de una molécula endógena soluble en agua a una sustancia química (sustancia química principal o metabolito de fase I) para facilitar la excreción. Las reacciones de fase II se denominan con frecuencia reacciones de "conjugación" o "derivatización". Las superfamilias de enzimas que catalizan las reacciones de la Fase II generalmente se nombran de acuerdo con el resto de conjugación endógeno involucrado: por ejemplo, acetilación por las N-acetiltransferasas, sulfatación por las sulfotransferasas, conjugación de glutatión por las glutatión transferasas y glucuronidación por las UDP glucuronosiltransferasas (figura 4) . Aunque el órgano principal del metabolismo de los fármacos es el hígado, los niveles de algunas enzimas metabolizadoras de fármacos son bastante altos en el tracto gastrointestinal, las gónadas, los pulmones, el cerebro y los riñones, y tales enzimas están indudablemente presentes en cierta medida en todas las células vivas.

Las enzimas metabolizadoras de xenobióticos representan un doble filo Swords

A medida que aprendemos más sobre los procesos biológicos y químicos que conducen a las aberraciones en la salud humana, se hace cada vez más evidente que las enzimas metabolizadoras de fármacos funcionan de manera ambivalente (figura 3). En la mayoría de los casos, las sustancias químicas solubles en lípidos se convierten en metabolitos solubles en agua que se excretan más fácilmente. Sin embargo, está claro que en muchas ocasiones las mismas enzimas son capaces de transformar otros químicos inertes en moléculas altamente reactivas. Estos intermediarios pueden luego interactuar con macromoléculas celulares como proteínas y ADN. Por lo tanto, para cada sustancia química a la que los seres humanos están expuestos, existe el potencial para las vías competitivas de activación metabólica y desintoxicación.

Breve repaso de la genética

En genética humana, cada gen (loci) se encuentra en uno de los 23 pares de cromosomas. Los dos alelos (uno presente en cada cromosoma del par) pueden ser iguales o pueden ser diferentes entre sí. por ejemplo, el B y b alelos, en los que B (ojos marrones) es dominante sobre b (ojos azules): los individuos del fenotipo de ojos marrones pueden tener el BB or Bb genotipos, mientras que los individuos del fenotipo de ojos azules solo pueden tener bb genotipo.

A polimorfismo se define como dos o más fenotipos (rasgos) heredados de manera estable, derivados de los mismos genes, que se mantienen en la población, a menudo por razones que no son necesariamente obvias. Para que un gen sea polimórfico, el producto del gen no debe ser esencial para el desarrollo, el vigor reproductivo u otros procesos vitales críticos. De hecho, un "polimorfismo equilibrado", en el que el heterocigoto tiene una clara ventaja de supervivencia sobre cualquiera de los homocigotos (p. ej., resistencia a la malaria y al alelo de la hemoglobina de células falciformes) es una explicación común para mantener un alelo en la población en niveles altos que de otro modo no se explicarían. frecuencias (ver González y Nebert 1990).

Polimorfismos humanos de enzimas metabolizadoras de xenobióticos

Las diferencias genéticas en el metabolismo de varios fármacos y sustancias químicas ambientales se conocen desde hace más de cuatro décadas (Kalow 1962 y 1992). Estas diferencias se denominan con frecuencia como farmacogenético o, más ampliamente, polimorfismos ecogenéticos. Estos polimorfismos representan alelos variantes que ocurren con una frecuencia relativamente alta en la población y generalmente están asociados con aberraciones en la expresión o función de la enzima. Históricamente, los polimorfismos generalmente se identificaban después de respuestas inesperadas a agentes terapéuticos. Más recientemente, la tecnología del ADN recombinante ha permitido a los científicos identificar las alteraciones precisas en los genes que son responsables de algunos de estos polimorfismos. Los polimorfismos ahora se han caracterizado en muchas enzimas metabolizadoras de fármacos, incluidas las enzimas de fase I y fase II. A medida que se identifican más y más polimorfismos, se hace cada vez más evidente que cada individuo puede poseer un complemento distinto de enzimas metabolizadoras de fármacos. Esta diversidad podría describirse como una "huella digital metabólica". Es la interacción compleja de las diversas superfamilias de enzimas metabolizadoras de drogas dentro de cualquier individuo lo que finalmente determinará su respuesta particular a un químico dado (Kalow 1962 y 1992; Nebert 1988; Gonzalez y Nebert 1990; Nebert y Weber 1990).

Expresión de enzimas metabolizadoras de xenobióticos humanos en células Cultura

¿Cómo podríamos desarrollar mejores predictores de las respuestas tóxicas humanas a los productos químicos? Los avances en la definición de la multiplicidad de enzimas que metabolizan fármacos deben ir acompañados de un conocimiento preciso de qué enzimas determinan el destino metabólico de sustancias químicas individuales. Los datos recopilados de los estudios de laboratorio con roedores sin duda han proporcionado información útil. Sin embargo, las diferencias significativas entre especies en las enzimas metabolizadoras de xenobióticos requieren precaución al extrapolar los datos a las poblaciones humanas. Para superar esta dificultad, muchos laboratorios han desarrollado sistemas en los que se pueden diseñar varias líneas celulares en cultivo para producir enzimas humanas funcionales que son estables y en altas concentraciones (González, Crespi y Gelboin 1991). La producción exitosa de enzimas humanas se ha logrado en una variedad de diversas líneas celulares de fuentes que incluyen bacterias, levaduras, insectos y mamíferos.

Para definir el metabolismo de los productos químicos con mayor precisión, múltiples enzimas también se han producido con éxito en una sola línea celular (González, Crespi y Gelboin 1991). Estas líneas celulares brindan información valiosa sobre las enzimas precisas involucradas en el procesamiento metabólico de cualquier compuesto dado y metabolitos tóxicos probables. Si esta información se puede combinar con el conocimiento sobre la presencia y el nivel de una enzima en los tejidos humanos, estos datos deberían proporcionar valiosos predictores de respuesta.

Cytochrome P450

Historia y nomenclatura

La superfamilia del citocromo P450 es una de las superfamilias de enzimas metabolizadoras de fármacos más estudiadas y tiene una gran variabilidad individual en respuesta a sustancias químicas. Citocromo P450 es un término genérico conveniente que se usa para describir una gran superfamilia de enzimas fundamentales en el metabolismo de innumerables sustratos endógenos y exógenos. El termino citocromo P450 fue acuñado por primera vez en 1962 para describir un desconocido pigmentación en células que, cuando se redujeron y se unieron con monóxido de carbono, produjeron un pico de absorción característico a 450 nm. Desde principios de la década de 1980, la tecnología de clonación de cDNA ha dado lugar a importantes conocimientos sobre la multiplicidad de enzimas del citocromo P450. Hasta la fecha, se han identificado más de 400 genes distintos del citocromo P450 en animales, plantas, bacterias y levaduras. Se ha estimado que cualquier especie de mamífero, como los humanos, puede poseer 60 o más genes P450 distintos (Nebert y Nelson 1991). La multiplicidad de genes P450 ha requerido el desarrollo de un sistema de nomenclatura estandarizado (Nebert et al. 1987; Nelson et al. 1993). Propuesto por primera vez en 1987 y actualizado cada dos años, el sistema de nomenclatura se basa en la evolución divergente de las comparaciones de secuencias de aminoácidos entre las proteínas P450. Los genes P450 se dividen en familias y subfamilias: las enzimas dentro de una familia muestran una similitud de aminoácidos superior al 40 %, y las de la misma subfamilia muestran una similitud del 55 %. Los genes P450 se nombran con el símbolo de raíz CYP seguido de un número arábigo que designa la familia P450, una letra que indica la subfamilia y otro número arábigo que designa el gen individual (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Por lo tanto, CYP1A1 representa el gen 450 de P1 en la familia 1 y la subfamilia A.

Hasta febrero de 1995, hay 403 CYP genes en la base de datos, compuesta por 59 familias y 105 subfamilias. Estos incluyen ocho familias de eucariotas inferiores, 15 familias de plantas y 19 familias de bacterias. Las 15 familias de genes P450 humanos comprenden 26 subfamilias, 22 de las cuales se han mapeado en ubicaciones cromosómicas en la mayor parte del genoma. Algunas secuencias son claramente ortólogas en muchas especies, por ejemplo, solo una CYP17 (esteroide 17α-hidroxilasa) se ha encontrado en todos los vertebrados examinados hasta la fecha; otras secuencias dentro de una subfamilia están muy duplicadas, lo que hace imposible la identificación de pares ortólogos (p. ej., el CYP2C subfamilia). Curiosamente, el ser humano y la levadura comparten un gen ortólogo en el CYP51 familia. Numerosas revisiones exhaustivas están disponibles para los lectores que buscan más información sobre la superfamilia P450 (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991; Nebert y McKinnon 1994; Guengerich 1993; Gonzalez 1992).

El éxito del sistema de nomenclatura P450 ha resultado en el desarrollo de sistemas terminológicos similares para las glucuronosiltransferasas UDP (Burchell et al. 1991) y las monooxigenasas que contienen flavina (Lawton et al. 1994). También se están desarrollando sistemas de nomenclatura similares basados ​​en la evolución divergente para otras superfamilias de enzimas metabolizadoras de fármacos (p. ej., sulfotransferasas, epóxido hidrolasas y aldehído deshidrogenasas).

Recientemente, dividimos la superfamilia de genes P450 de mamíferos en tres grupos (Nebert y McKinnon 1994): los involucrados principalmente en el metabolismo químico extraño, los involucrados en la síntesis de varias hormonas esteroides y los que participan en otras funciones endógenas importantes. Son las enzimas P450 metabolizadoras de xenobióticos las que asumen la mayor importancia para la predicción de la toxicidad.

Enzimas P450 que metabolizan xenobióticos

Las enzimas P450 involucradas en el metabolismo de compuestos extraños y fármacos casi siempre se encuentran dentro de las familias. CYP1, CYP2, CYP3 y CYP4. Estas enzimas P450 catalizan una amplia variedad de reacciones metabólicas, con un solo P450 a menudo capaz de metabolizar muchos compuestos diferentes. Además, múltiples enzimas P450 pueden metabolizar un solo compuesto en diferentes sitios. Además, un compuesto puede ser metabolizado en el mismo sitio único por varios P450, aunque a velocidades variables.

Una propiedad muy importante de las enzimas P450 que metabolizan fármacos es que muchos de estos genes son inducibles por las mismas sustancias que sirven como sus sustratos. Por otro lado, otros genes P450 son inducidos por no sustratos. Este fenómeno de inducción enzimática es la base de muchas interacciones farmacológicas de importancia terapéutica.

Aunque están presentes en muchos tejidos, estas enzimas P450 particulares se encuentran en niveles relativamente altos en el hígado, el sitio principal del metabolismo de los fármacos. Algunas de las enzimas P450 que metabolizan xenobióticos exhiben actividad hacia ciertos sustratos endógenos (p. ej., ácido araquidónico). Sin embargo, en general se cree que la mayoría de estas enzimas P450 que metabolizan xenobióticos no desempeñan funciones fisiológicas importantes, aunque esto aún no se ha establecido experimentalmente. Es probable que la disrupción homocigota selectiva, o “knock-out”, de genes P450 metabolizadores de xenobióticos individuales por medio de metodologías dirigidas a genes en ratones probablemente proporcione pronto información inequívoca con respecto a las funciones fisiológicas de los P450 metabolizadores de xenobióticos (para una revisión de selección de genes, véase Capecchi 1994).

En contraste con las familias P450 que codifican enzimas involucradas principalmente en procesos fisiológicos, las familias que codifican enzimas P450 que metabolizan xenobióticos muestran una marcada especificidad de especie y frecuentemente contienen muchos genes activos por subfamilia (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Dada la aparente falta de sustratos fisiológicos, es posible que las enzimas P450 en las familias CYP1, CYP2, CYP3 y CYP4 que han aparecido en los últimos cientos de millones de años han evolucionado como un medio de desintoxicación de sustancias químicas extrañas que se encuentran en el medio ambiente y la dieta. Claramente, la evolución de los P450 que metabolizan xenobióticos habría ocurrido durante un período de tiempo que precede con mucho a la síntesis de la mayoría de los productos químicos sintéticos a los que los humanos están expuestos ahora. Los genes en estas cuatro familias de genes pueden haber evolucionado y divergido en los animales debido a su exposición a los metabolitos de las plantas durante los últimos 1.2 millones de años, un proceso denominado descriptivamente "guerra animal-planta" (González y Nebert 1990). La guerra animal-planta es el fenómeno en el que las plantas desarrollan nuevos químicos (fitoalexinas) como un mecanismo de defensa para evitar que los animales los ingieran, y los animales, a su vez, responden desarrollando nuevos genes P450 para adaptarse a los sustratos diversificados. Los ejemplos recientemente descritos de guerra química planta-insecto y planta-hongo que involucran la desintoxicación de sustratos tóxicos con P450 dan un mayor impulso a esta propuesta (Nebert 1994).

La siguiente es una breve introducción a varios de los polimorfismos de la enzima P450 que metaboliza xenobióticos humanos en los que se cree que los determinantes genéticos de la respuesta tóxica son de gran importancia. Hasta hace poco, los polimorfismos de P450 generalmente se sugerían por una variación inesperada en la respuesta del paciente a los agentes terapéuticos administrados. De hecho, varios polimorfismos P450 se nombran de acuerdo con el fármaco con el que se identificó por primera vez el polimorfismo. Más recientemente, los esfuerzos de investigación se han centrado en la identificación de las enzimas P450 precisas implicadas en el metabolismo de las sustancias químicas para las que se observa variación y la caracterización precisa de los genes P450 implicados. Como se describió anteriormente, la actividad medible de una enzima P450 hacia una sustancia química modelo puede denominarse fenotipo. Las diferencias alélicas en un gen P450 para cada individuo se denominan genotipo P450. A medida que se aplica más y más escrutinio al análisis de los genes P450, la base molecular precisa de la variación fenotípica previamente documentada se vuelve más clara.

La subfamilia CYP1A

El CYP1A La subfamilia comprende dos enzimas en humanos y todos los demás mamíferos: estos se designan CYP1A1 y CYP1A2 bajo la nomenclatura estándar P450. Estas enzimas son de gran interés porque están involucradas en la activación metabólica de muchos procarcinógenos y también son inducidas por varios compuestos de interés toxicológico, incluida la dioxina. Por ejemplo, CYP1A1 activa metabólicamente muchos compuestos que se encuentran en el humo del cigarrillo. CYP1A2 activa metabólicamente muchas arilaminas, asociadas con el cáncer de vejiga urinaria, que se encuentran en la industria de tintes químicos. CYP1A2 también activa metabólicamente la 4-(metilnitrosamino)-1-(3-piridil)-1-butanona (NNK), una nitrosamina derivada del tabaco. CYP1A1 y CYP1A2 también se encuentran en niveles más altos en los pulmones de los fumadores de cigarrillos, debido a la inducción de los hidrocarburos policíclicos presentes en el humo. Por lo tanto, se considera que los niveles de actividad de CYP1A1 y CYP1A2 son determinantes importantes de la respuesta individual a muchas sustancias químicas potencialmente tóxicas.

Interés toxicológico en el CYP1A subfamilia se intensificó en gran medida por un informe de 1973 que correlacionó el nivel de inducibilidad de CYP1A1 en fumadores de cigarrillos con la susceptibilidad individual al cáncer de pulmón (Kellermann, Shaw y Luyten-Kellermann 1973). La base molecular de la inducción de CYP1A1 y CYP1A2 ha sido un foco importante de numerosos laboratorios. El proceso de inducción está mediado por una proteína denominada receptor Ah a la que se unen las dioxinas y las sustancias químicas estructuralmente relacionadas. El nombre Ah se deriva de la aryl hnaturaleza hidrocarbonada de muchos inductores de CYP1A. Curiosamente, las diferencias en el gen que codifica el receptor Ah entre cepas de ratones dan como resultado marcadas diferencias en la respuesta química y la toxicidad. Un polimorfismo en el gen del receptor Ah también parece ocurrir en humanos: aproximadamente una décima parte de la población muestra una alta inducción de CYP1A1 y puede tener un mayor riesgo que las otras nueve décimas partes de desarrollar ciertos cánceres inducidos químicamente. El papel del receptor Ah en el control de las enzimas en el CYP1A subfamilia, y su papel como determinante de la respuesta humana a la exposición química, ha sido objeto de varias revisiones recientes (Nebert, Petersen y Puga 1991; Nebert, Puga y Vasiliou 1993).

¿Existen otros polimorfismos que puedan controlar el nivel de proteínas CYP1A en una célula? Un polimorfismo en el CYP1A1 También se ha identificado un gen, y esto parece influir en el riesgo de cáncer de pulmón entre los fumadores de cigarrillos japoneses, aunque este mismo polimorfismo no parece influir en el riesgo en otros grupos étnicos (Nebert y McKinnon 1994).

CYP2C19

Las variaciones en la velocidad a la que los individuos metabolizan el fármaco anticonvulsivo (S)-mefenitoína han sido bien documentadas durante muchos años (Guengerich 1989). Entre el 2% y el 5% de los caucásicos y hasta el 25% de los asiáticos son deficientes en esta actividad y pueden tener un mayor riesgo de toxicidad por el fármaco. Hace tiempo que se sabe que este defecto enzimático involucra a un miembro del ser humano CYP2C subfamilia, pero la base molecular precisa de esta deficiencia ha sido objeto de considerable controversia. La razón principal de esta dificultad fueron los seis o más genes en el ser humano. CYP2C subfamilia. Sin embargo, recientemente se demostró que una mutación de una sola base en el CYP2C19 gen es la causa principal de esta deficiencia (Goldstein y de Morais 1994). También se ha desarrollado una prueba simple de ADN, basada en la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), para identificar rápidamente esta mutación en poblaciones humanas (Goldstein y de Morais 1994).

CYP2D6

Quizás la variación caracterizada más extensamente en un gen P450 es la que involucra al CYP2D6 gene. Se han descrito más de una docena de ejemplos de mutaciones, reordenamientos y deleciones que afectan a este gen (Meyer 1994). Este polimorfismo fue sugerido por primera vez hace 20 años por la variabilidad clínica en la respuesta de los pacientes al agente antihipertensivo detritioquina. Alteraciones en el CYP2D6 gen que da lugar a una actividad enzimática alterada se denominan colectivamente polimorfismo de la ruinoquina.

Antes de la llegada de los estudios basados ​​en el ADN, las personas se clasificaban como metabolizadores lentos o rápidos (PM, EM) de la ruinoquina en función de las concentraciones de metabolitos en las muestras de orina. Ahora está claro que las alteraciones en el CYP2D6 El gen puede dar como resultado que los individuos muestren no solo un metabolismo pobre o extenso de la ruinoquina, sino también un metabolismo ultrarrápido. La mayoría de las alteraciones en el CYP2D6 están asociados con deficiencia parcial o total de la función enzimática; sin embargo, recientemente se han descrito individuos en dos familias que poseen múltiples copias funcionales del CYP2D6 gen, dando lugar al metabolismo ultrarrápido de los sustratos de CYP2D6 (Meyer 1994). Esta notable observación proporciona nuevos conocimientos sobre el amplio espectro de actividad de CYP2D6 observado previamente en estudios de población. Las alteraciones en la función de CYP2D6 son de particular importancia, dado que esta enzima metaboliza más de 30 fármacos comúnmente prescritos. Por lo tanto, la función CYP2D6 de un individuo es un factor determinante de la respuesta terapéutica y tóxica a la terapia administrada. De hecho, recientemente se ha argumentado que la consideración del estado de CYP2D6 de un paciente es necesaria para el uso seguro de medicamentos psiquiátricos y cardiovasculares.

El papel de la CYP2D6 El polimorfismo como determinante de la susceptibilidad individual a enfermedades humanas como el cáncer de pulmón y la enfermedad de Parkinson también ha sido objeto de intensos estudios (Nebert y McKinnon 1994; Meyer 1994). Si bien las conclusiones son difíciles de definir dada la naturaleza diversa de los protocolos de estudio utilizados, la mayoría de los estudios parecen indicar una asociación entre los metabolizadores rápidos de la ruinoquina (fenotipo EM) y el cáncer de pulmón. Las razones de tal asociación no están claras actualmente. Sin embargo, se ha demostrado que la enzima CYP2D6 metaboliza la NNK, una nitrosamina derivada del tabaco.

A medida que mejoren los ensayos basados ​​en ADN, lo que permite una evaluación aún más precisa del estado de CYP2D6, se anticipa que se aclarará la relación precisa de CYP2D6 con el riesgo de enfermedad. Mientras que el metabolizador rápido puede estar relacionado con la susceptibilidad al cáncer de pulmón, el metabolizador lento (fenotipo PM) parece estar asociado con la enfermedad de Parkinson de causa desconocida. Si bien estos estudios también son difíciles de comparar, parece que los individuos con PM que tienen una capacidad disminuida para metabolizar los sustratos de CYP2D6 (por ejemplo, la ruinoquina) tienen un riesgo de 2 a 2.5 veces mayor de desarrollar la enfermedad de Parkinson.

CYP2E1

El CYP2E1 El gen codifica una enzima que metaboliza muchas sustancias químicas, incluidos fármacos y muchos carcinógenos de bajo peso molecular. Esta enzima también es de interés porque es altamente inducible por el alcohol y puede desempeñar un papel en la lesión hepática inducida por sustancias químicas como el cloroformo, el cloruro de vinilo y el tetracloruro de carbono. La enzima se encuentra principalmente en el hígado y el nivel de enzima varía notablemente entre los individuos. Escrutinio minucioso de la CYP2E1 gen ha resultado en la identificación de varios polimorfismos (Nebert y McKinnon 1994). Se ha reportado una relación entre la presencia de ciertas variaciones estructurales en la CYP2E1 gen y riesgo aparentemente reducido de cáncer de pulmón en algunos estudios; sin embargo, existen claras diferencias interétnicas que requieren aclarar esta posible relación.

La subfamilia CYP3A

En humanos, se han identificado cuatro enzimas como miembros de la CYP3A subfamilia debido a su similitud en la secuencia de aminoácidos. Las enzimas CYP3A metabolizan muchos medicamentos comúnmente recetados, como la eritromicina y la ciclosporina. El contaminante cancerígeno alimentario aflatoxina B1 también es un sustrato de CYP3A. Un miembro del ser humano CYP3A subfamilia, designada CYP3A4, es el principal P450 en el hígado humano además de estar presente en el tracto gastrointestinal. Como ocurre con muchas otras enzimas P450, el nivel de CYP3A4 es muy variable entre los individuos. Una segunda enzima, denominada CYP3A5, se encuentra en solo aproximadamente el 25% de los hígados; la base genética de este hallazgo no ha sido dilucidada. Aún no se ha establecido la importancia de la variabilidad de CYP3A4 o CYP3A5 como factor en los determinantes genéticos de la respuesta tóxica (Nebert y McKinnon 1994).

Polimorfismos no P450

También existen numerosos polimorfismos dentro de otras superfamilias de enzimas metabolizadoras de xenobióticos (p. ej., glutatión transferasas, UDP glucuronosiltransferasas, paraoxonasas, deshidrogenasas, N-acetiltransferasas y monooxigenasas que contienen flavina). Debido a que la toxicidad final de cualquier intermedio generado por P450 depende de la eficiencia de las reacciones de desintoxicación de fase II posteriores, el papel combinado de múltiples polimorfismos enzimáticos es importante para determinar la susceptibilidad a enfermedades inducidas químicamente. Por lo tanto, es probable que el equilibrio metabólico entre las reacciones de fase I y fase II (figura 3) sea un factor importante en las enfermedades humanas inducidas químicamente y los determinantes genéticos de la respuesta tóxica.

El polimorfismo del gen GSTM1

Un ejemplo bien estudiado de un polimorfismo en una enzima de Fase II es el que involucra a un miembro de la superfamilia de enzimas glutatión S-transferasa, denominada GST mu o GSTM1. Esta enzima en particular tiene un interés toxicológico considerable porque parece estar involucrada en la desintoxicación subsiguiente de metabolitos tóxicos producidos a partir de sustancias químicas en el humo del cigarrillo por la enzima CYP1A1. El polimorfismo identificado en este gen de la glutatión transferasa implica una ausencia total de enzima funcional en hasta la mitad de todos los caucásicos estudiados. Esta falta de una enzima de Fase II parece estar asociada con una mayor susceptibilidad al cáncer de pulmón. Al agrupar a los individuos sobre la base de ambas variantes CYP1A1 genes y la deleción o presencia de un funcional GSTM1 gen, se ha demostrado que el riesgo de desarrollar cáncer de pulmón inducido por fumar varía significativamente (Kawajiri, Watanabe y Hayashi 1994). En particular, las personas que muestran una rara CYP1A1 alteración del gen, en combinación con la ausencia del GSTM1 tenían un riesgo mayor (hasta nueve veces) de desarrollar cáncer de pulmón cuando se exponían a un nivel relativamente bajo de humo de cigarrillo. Curiosamente, parece haber diferencias interétnicas en la importancia de los genes variantes que requieren más estudios para dilucidar el papel preciso de tales alteraciones en la susceptibilidad a la enfermedad (Kalow 1962; Nebert y McKinnon 1994; Kawajiri, Watanabe y Hayashi 1994).

Efecto sinérgico de dos o más polimorfismos sobre el tóxico. respuesta

Una respuesta tóxica a un agente ambiental puede ser muy exagerada por la combinación de dos defectos farmacogenéticos en el mismo individuo, por ejemplo, los efectos combinados del polimorfismo N-acetiltransferasa (NAT2) y el polimorfismo glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) .

La exposición ocupacional a las arilaminas constituye un grave riesgo de cáncer de vejiga urinaria. Desde los elegantes estudios de Cartwright en 1954, ha quedado claro que el estado del N-acetilador es un factor determinante del cáncer de vejiga inducido por colorantes azoicos. Existe una correlación muy significativa entre el fenotipo acetilador lento y la aparición de cáncer de vejiga, así como el grado de invasividad de este cáncer en la pared de la vejiga. Por el contrario, existe una asociación significativa entre el fenotipo acetilador rápido y la incidencia de carcinoma colorrectal. La N-acetiltransferasa (NAT1, NAT2) se han clonado y secuenciado, y los ensayos basados ​​en ADN ahora pueden detectar más de una docena de variantes alélicas que explican el fenotipo de acetilador lento. Él NAT2 El gen es polimórfico y responsable de la mayor parte de la variabilidad en la respuesta tóxica a los químicos ambientales (Weber 1987; Grant 1993).

La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) es una enzima crítica en la generación y mantenimiento de NADPH. La actividad baja o nula de G6PD puede conducir a una hemólisis grave inducida por fármacos o xenobióticos, debido a la ausencia de niveles normales de glutatión reducido (GSH) en los glóbulos rojos. La deficiencia de G6PD afecta al menos a 300 millones de personas en todo el mundo. Más del 10% de los hombres afroamericanos exhiben el fenotipo menos severo, mientras que ciertas comunidades sardas exhiben el “tipo mediterráneo” más severo con frecuencias tan altas como una de cada tres personas. Él G6PD El gen ha sido clonado y localizado en el cromosoma X, y numerosas mutaciones puntuales diversas explican el alto grado de heterogeneidad fenotípica observada en individuos con deficiencia de G6PD (Beutler 1992).

Se descubrió que la tiozalsulfona, un fármaco arilamina sulfa, provoca una distribución bimodal de la anemia hemolítica en la población tratada. Cuando se tratan con ciertos medicamentos, los individuos con la combinación de deficiencia de G6PD más el fenotipo de acetilador lento se ven más afectados que aquellos con la deficiencia de G6PD sola o el fenotipo de acetilador lento solo. Los acetiladores lentos con deficiencia de G6PD son al menos 40 veces más susceptibles que los acetiladores rápidos con G6PD normal a la hemólisis inducida por tiozalsulfona.

Efecto de los polimorfismos genéticos en la evaluación de la exposición

La evaluación de la exposición y el biomonitoreo (figura 1) también requieren información sobre la composición genética de cada individuo. Dada una exposición idéntica a un químico peligroso, el nivel de aductos de hemoglobina (u otros biomarcadores) puede variar en dos o tres órdenes de magnitud entre individuos, dependiendo de la huella digital metabólica de cada persona.

La misma farmacogenética combinada se ha estudiado en trabajadores de fábricas químicas en Alemania (tabla 1). Los aductos de hemoglobina entre los trabajadores expuestos a la anilina y la acetanilida son, con mucho, los más altos en los acetiladores lentos con deficiencia de G6PD, en comparación con los otros posibles fenotipos farmacogenéticos combinados. Este estudio tiene implicaciones importantes para la evaluación de la exposición. Estos datos demuestran que, aunque dos personas pueden estar expuestas al mismo nivel ambiental de sustancias químicas peligrosas en el lugar de trabajo, la cantidad de exposición (a través de biomarcadores como los aductos de hemoglobina) podría estimarse en dos o más órdenes de magnitud menos, debido a la predisposición genética subyacente del individuo. Asimismo, el riesgo resultante de un efecto adverso para la salud puede variar en dos o más órdenes de magnitud.

Tabla 1: Aductos de hemoglobina en trabajadores expuestos a anilina y acetanilida

Estado del acetilador Deficiencia de G6PD
Rápido Lenta No Aductos de Hgb
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

Fuente: Adaptado de Lewalter y Korallus 1985.

Diferencias genéticas en la unión y el metabolismo.

Debe enfatizarse que el mismo caso hecho aquí para el metabolismo también se puede hacer para la unión. Las diferencias hereditarias en la unión de los agentes ambientales afectarán en gran medida la respuesta tóxica. Por ejemplo, las diferencias en el mouse cdm El gen puede afectar profundamente la sensibilidad individual a la necrosis testicular inducida por cadmio (Taylor, Heiniger y Meier 1973). Es probable que las diferencias en la afinidad de unión del receptor Ah afecten la toxicidad inducida por dioxinas y el cáncer (Nebert, Petersen y Puga 1991; Nebert, Puga y Vasiliou 1993).

La figura 5 resume el papel del metabolismo y la unión en la toxicidad y el cáncer. Los agentes tóxicos, tal como existen en el medio ambiente o después del metabolismo o la unión, provocan sus efectos por una vía genotóxica (en la que se produce daño en el ADN) o una vía no genotóxica (en la que no es necesario que se produzca daño en el ADN ni mutagénesis). Curiosamente, recientemente quedó claro que los agentes "clásicos" que dañan el ADN pueden operar a través de una vía de transducción de señales no genotóxicas dependiente de glutatión reducido (GSH), que se inicia en o cerca de la superficie celular en ausencia de ADN y fuera del núcleo celular. (Devary y col. 1993). Sin embargo, las diferencias genéticas en el metabolismo y la unión siguen siendo los principales determinantes en el control de las diferentes respuestas tóxicas individuales.

Figura 5. Los medios generales por los que se produce la toxicidad

TOX050F6

Papel de la función celular de enzimas metabolizadoras de fármacos

La variación de base genética en la función de las enzimas metabolizadoras de fármacos es de gran importancia para determinar la respuesta individual a las sustancias químicas. Estas enzimas son fundamentales para determinar el destino y el curso temporal de una sustancia química extraña después de la exposición.

Como se ilustra en la figura 5, la importancia de las enzimas metabolizadoras de fármacos en la susceptibilidad individual a la exposición química puede, de hecho, presentar un problema mucho más complejo de lo que es evidente a partir de esta simple discusión sobre el metabolismo de los xenobióticos. En otras palabras, durante las últimas dos décadas, los mecanismos genotóxicos (mediciones de aductos de ADN y aductos de proteínas) se han enfatizado mucho. Sin embargo, ¿qué pasa si los mecanismos no genotóxicos son al menos tan importantes como los mecanismos genotóxicos para causar respuestas tóxicas?

Como se mencionó anteriormente, las funciones fisiológicas de muchas enzimas metabolizadoras de fármacos involucradas en el metabolismo de xenobióticos no se han definido con precisión. Nebert (1994) ha propuesto que, debido a su presencia en este planeta durante más de 3.5 millones de años, las enzimas metabolizadoras de fármacos fueron originalmente (y ahora siguen siendo principalmente) responsables de regular los niveles celulares de muchos ligandos no peptídicos importantes en la activación transcripcional. de genes que afectan el crecimiento, la diferenciación, la apoptosis, la homeostasis y las funciones neuroendocrinas. Además, la toxicidad de la mayoría, si no de todos, los agentes ambientales se produce por medio de Agonista or antagonista acción sobre estas vías de transducción de señales (Nebert 1994). Con base en esta hipótesis, la variabilidad genética en las enzimas metabolizadoras de fármacos puede tener efectos bastante dramáticos en muchos procesos bioquímicos críticos dentro de la célula, lo que lleva a diferencias importantes en la respuesta tóxica. De hecho, es posible que tal escenario también pueda ser la base de muchas reacciones adversas idiosincrásicas encontradas en pacientes que usan medicamentos recetados comúnmente.

Conclusiones

La última década ha visto un progreso notable en nuestra comprensión de la base genética de la respuesta diferencial a los productos químicos en los medicamentos, los alimentos y los contaminantes ambientales. Las enzimas metabolizadoras de fármacos tienen una profunda influencia en la forma en que los seres humanos responden a las sustancias químicas. A medida que nuestra conciencia de la multiplicidad de enzimas metabolizadoras de fármacos sigue evolucionando, somos cada vez más capaces de realizar evaluaciones mejoradas del riesgo tóxico de muchos fármacos y productos químicos ambientales. Esto quizás se ilustra más claramente en el caso de la enzima citocromo P2 CYP6D450. Usando pruebas basadas en ADN relativamente simples, es posible predecir la respuesta probable de cualquier fármaco metabolizado predominantemente por esta enzima; esta predicción garantizará el uso más seguro de medicamentos valiosos, aunque potencialmente tóxicos.

El futuro sin duda verá una explosión en la identificación de más polimorfismos (fenotipos) que involucran enzimas metabolizadoras de fármacos. Esta información estará acompañada de pruebas mejoradas basadas en ADN mínimamente invasivas para identificar genotipos en poblaciones humanas.

Dichos estudios deberían ser particularmente informativos para evaluar el papel de los productos químicos en las muchas enfermedades ambientales de origen actualmente desconocido. La consideración de múltiples polimorfismos de enzimas metabolizadoras de fármacos, en combinación (p. ej., tabla 1), también es probable que represente un área de investigación particularmente fértil. Dichos estudios aclararán el papel de los productos químicos en la causalidad de los cánceres. Colectivamente, esta información debería permitir la formulación de consejos cada vez más individualizados sobre la evitación de productos químicos que probablemente sean de interés individual. Este es el campo de la toxicología preventiva. Sin duda, estos consejos ayudarán en gran medida a todas las personas a hacer frente a la carga química cada vez mayor a la que estamos expuestos.

 

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Domingo, enero 16 2011 16: 18

Introducción y conceptos

La toxicología mecanicista es el estudio de cómo los agentes químicos o físicos interactúan con los organismos vivos para causar toxicidad. El conocimiento del mecanismo de toxicidad de una sustancia mejora la capacidad de prevenir la toxicidad y diseñar productos químicos más deseables; constituye la base para la terapia en caso de sobreexposición y, con frecuencia, permite una mayor comprensión de los procesos biológicos fundamentales. Para efectos de este Enciclopedia se hará hincapié en los animales para predecir la toxicidad humana. Las diferentes áreas de la toxicología incluyen la toxicología mecanicista, descriptiva, regulatoria, forense y ambiental (Klaassen, Amdur y Doull 1991). Todos estos se benefician de la comprensión de los mecanismos fundamentales de la toxicidad.

¿Por qué entender los mecanismos de toxicidad?

Comprender el mecanismo por el cual una sustancia causa toxicidad mejora las diferentes áreas de la toxicología de diferentes maneras. La comprensión mecánica ayuda al regulador gubernamental a establecer límites seguros legalmente vinculantes para la exposición humana. Ayuda a los toxicólogos a recomendar cursos de acción con respecto a la limpieza o remediación de sitios contaminados y, junto con las propiedades físicas y químicas de la sustancia o mezcla, puede usarse para seleccionar el grado de equipo de protección requerido. El conocimiento mecanicista también es útil para formar la base de la terapia y el diseño de nuevos fármacos para el tratamiento de enfermedades humanas. Para el toxicólogo forense, el mecanismo de toxicidad a menudo proporciona información sobre cómo un agente químico o físico puede causar la muerte o la incapacitación.

Si se comprende el mecanismo de toxicidad, la toxicología descriptiva se vuelve útil para predecir los efectos tóxicos de sustancias químicas relacionadas. Sin embargo, es importante comprender que la falta de información sobre los mecanismos no impide que los profesionales de la salud protejan la salud humana. Se utilizan decisiones prudentes basadas en estudios con animales y experiencia humana para establecer niveles de exposición seguros. Tradicionalmente, se establecía un margen de seguridad usando el “nivel sin efectos adversos” o el “nivel más bajo de efectos adversos” de estudios con animales (usando diseños de exposición repetida) y dividiendo ese nivel por un factor de 100 para exposición ocupacional o 1,000 para otra exposición ambiental humana. El éxito de este proceso es evidente a partir de los pocos incidentes de efectos adversos para la salud atribuidos a la exposición a sustancias químicas en los trabajadores en los que en el pasado se habían establecido y respetado los límites de exposición apropiados. Además, la esperanza de vida humana sigue aumentando, al igual que la calidad de vida. En general, el uso de los datos de toxicidad ha dado lugar a un control normativo y voluntario eficaz. El conocimiento detallado de los mecanismos tóxicos mejorará la previsibilidad de los modelos de riesgo más nuevos que se están desarrollando actualmente y dará como resultado una mejora continua.

Comprender los mecanismos ambientales es complejo y supone un conocimiento de la alteración y la homeostasis (equilibrio) de los ecosistemas. Si bien no se analiza en este artículo, una mejor comprensión de los mecanismos tóxicos y sus consecuencias finales en un ecosistema ayudaría a los científicos a tomar decisiones prudentes con respecto al manejo de materiales de desecho industriales y municipales. La gestión de residuos es un área de investigación en crecimiento y seguirá siendo muy importante en el futuro.

Técnicas para estudiar los mecanismos de toxicidad

La mayoría de los estudios mecanísticos comienzan con un estudio toxicológico descriptivo en animales u observaciones clínicas en humanos. Idealmente, los estudios en animales incluyen cuidadosas observaciones clínicas y de comportamiento, un examen bioquímico cuidadoso de los elementos de la sangre y la orina en busca de signos de función adversa de los principales sistemas biológicos del cuerpo, y una evaluación post-mortem de todos los sistemas de órganos mediante un examen microscópico para verificar lesiones (consulte las directrices de ensayo de la OCDE; las directivas de la CE sobre evaluación química; las normas de ensayo de la EPA de EE. UU.; las reglamentaciones sobre productos químicos de Japón). Esto es análogo a un examen físico humano completo que se llevaría a cabo en un hospital durante un período de dos a tres días, excepto por el examen post-mortem.

Comprender los mecanismos de toxicidad es el arte y la ciencia de la observación, la creatividad en la selección de técnicas para probar varias hipótesis y la integración innovadora de signos y síntomas en una relación causal. Los estudios mecanísticos comienzan con la exposición, siguen la distribución relacionada con el tiempo y el destino en el cuerpo (farmacocinética) y miden el efecto tóxico resultante en algún nivel del sistema y en algún nivel de dosis. Diferentes sustancias pueden actuar en diferentes niveles del sistema biológico causando toxicidad.

Exposición

La vía de exposición en los estudios mecanísticos suele ser la misma que para la exposición humana. La ruta es importante porque puede haber efectos que ocurren localmente en el sitio de exposición además de efectos sistémicos después de que la sustancia química haya sido absorbida en la sangre y distribuida por todo el cuerpo. Un ejemplo simple pero convincente de un efecto local sería la irritación y eventual corrosión de la piel después de la aplicación de soluciones alcalinas o ácidas fuertes diseñadas para limpiar superficies duras. De manera similar, puede ocurrir irritación y muerte celular en las células que recubren la nariz y/o los pulmones después de la exposición a vapores o gases irritantes como óxidos de nitrógeno u ozono. (Ambos son componentes de la contaminación del aire o smog). Después de la absorción de un químico en la sangre a través de la piel, los pulmones o el tracto gastrointestinal, la concentración en cualquier órgano o tejido está controlada por muchos factores que determinan la farmacocinética del químico en el cuerpo. El cuerpo tiene la capacidad de activar y desintoxicar varios químicos como se indica a continuación.

Papel de la farmacocinética en la toxicidad

La farmacocinética describe las relaciones de tiempo para la absorción, distribución, metabolismo (alteraciones bioquímicas en el cuerpo) y eliminación o excreción química del cuerpo. En relación con los mecanismos de toxicidad, estas variables farmacocinéticas pueden ser muy importantes y, en algunos casos, determinan si se producirá o no toxicidad. Por ejemplo, si un material no se absorbe en una cantidad suficiente, no se producirá toxicidad sistémica (dentro del cuerpo). Por el contrario, una sustancia química altamente reactiva que se desintoxica rápidamente (segundos o minutos) por enzimas digestivas o hepáticas puede no tener tiempo para causar toxicidad. Algunas sustancias y mezclas policíclicas halogenadas, así como ciertos metales como el plomo, no causarían una toxicidad significativa si la excreción fuera rápida; pero la acumulación a niveles suficientemente altos determina su toxicidad ya que la excreción no es rápida (a veces se mide en años). Afortunadamente, la mayoría de los productos químicos no tienen una retención tan larga en el cuerpo. La acumulación de un material inocuo aún no induciría toxicidad. La tasa de eliminación del cuerpo y la desintoxicación se denomina con frecuencia la vida media de la sustancia química, que es el tiempo para que el 50 % de la sustancia química se excrete o se altere a una forma no tóxica.

Sin embargo, si una sustancia química se acumula en una célula u órgano en particular, eso puede indicar una razón para examinar más a fondo su posible toxicidad en ese órgano. Más recientemente, se han desarrollado modelos matemáticos para extrapolar variables farmacocinéticas de animales a humanos. Estos modelos farmacocinéticos son extremadamente útiles para generar hipótesis y probar si el animal de experimentación puede ser una buena representación para los humanos. Se han escrito numerosos capítulos y textos sobre este tema (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). En la figura 1 se muestra un ejemplo simplificado de un modelo fisiológico.

Figura 1. Un modelo farmacocinético simplificado

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Los diferentes niveles y sistemas pueden verse afectados negativamente

La toxicidad se puede describir en diferentes niveles biológicos. La lesión se puede evaluar en la persona (o animal) en su totalidad, el sistema de órganos, la célula o la molécula. Los sistemas de órganos incluyen los sistemas inmunitario, respiratorio, cardiovascular, renal, endocrino, digestivo, musculoesquelético, sanguíneo, reproductivo y nervioso central. Algunos órganos clave incluyen el hígado, los riñones, los pulmones, el cerebro, la piel, los ojos, el corazón, los testículos o los ovarios, y otros órganos importantes. A nivel celular/bioquímico, los efectos adversos incluyen la interferencia con la función normal de las proteínas, la función de los receptores endocrinos, la inhibición de la energía metabólica o la inhibición o inducción de enzimas xenobióticas (sustancias extrañas). Los efectos adversos a nivel molecular incluyen la alteración de la función normal de la transcripción de ADN-ARN, de la unión a receptores citoplasmáticos y nucleares específicos, y de genes o productos génicos. En última instancia, es probable que la disfunción en un sistema orgánico principal sea causada por una alteración molecular en una célula diana particular dentro de ese órgano. Sin embargo, no siempre es posible rastrear un mecanismo hasta un origen molecular de causalidad, ni tampoco es necesario. La intervención y la terapia se pueden diseñar sin una comprensión completa del objetivo molecular. Sin embargo, el conocimiento sobre el mecanismo específico de toxicidad aumenta el valor predictivo y la precisión de la extrapolación a otras sustancias químicas. La figura 2 es una representación esquemática de los diversos niveles en los que se puede detectar la interferencia de los procesos fisiológicos normales. Las flechas indican que las consecuencias para un individuo pueden determinarse de arriba hacia abajo (exposición, farmacocinética a toxicidad de sistema/órgano) o de abajo hacia arriba (cambio molecular, efecto celular/bioquímico a toxicidad de sistema/órgano).

Figura 2. Representación de mecanismos de toxicidad

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Ejemplos de mecanismos de toxicidad

Los mecanismos de toxicidad pueden ser sencillos o muy complejos. Con frecuencia, existe una diferencia entre el tipo de toxicidad, el mecanismo de toxicidad y el nivel de efecto, relacionado con si los efectos adversos se deben a una sola dosis aguda alta (como un envenenamiento accidental) o a una dosis más baja. exposición repetida (por exposición ocupacional o ambiental). Clásicamente, para fines de prueba, se administra una dosis alta única aguda mediante intubación directa en el estómago de un roedor o exposición a una atmósfera de gas o vapor durante dos a cuatro horas, lo que mejor se asemeje a la exposición humana. Los animales se observan durante un período de dos semanas después de la exposición y luego se examinan los principales órganos externos e internos en busca de lesiones. Las pruebas de dosis repetida varían de meses a años. Para las especies de roedores, dos años se considera un estudio crónico (de por vida) suficiente para evaluar la toxicidad y la carcinogenicidad, mientras que para los primates no humanos, dos años se consideraría un estudio subcrónico (menos de la vida) para evaluar la toxicidad de dosis repetidas. Después de la exposición, se realiza un examen completo de todos los tejidos, órganos y fluidos para determinar cualquier efecto adverso.

Mecanismos de toxicidad aguda

Los siguientes ejemplos son específicos de los efectos agudos de dosis altas que pueden provocar la muerte o una incapacidad grave. Sin embargo, en algunos casos, la intervención tendrá efectos transitorios y totalmente reversibles. La dosis o la gravedad de la exposición determinarán el resultado.

Asfixiantes simples. El mecanismo de toxicidad de los gases inertes y algunas otras sustancias no reactivas es la falta de oxígeno (anoxia). Estas sustancias químicas, que provocan la privación de oxígeno en el sistema nervioso central (SNC), se denominan asfixiantes simples. Si una persona ingresa a un espacio cerrado que contiene nitrógeno sin suficiente oxígeno, se produce un agotamiento inmediato del oxígeno en el cerebro y conduce a la pérdida del conocimiento y, finalmente, a la muerte si no se retira rápidamente a la persona. En casos extremos (casi cero oxígeno) la pérdida del conocimiento puede ocurrir en unos pocos segundos. El rescate depende de la rápida remoción a un ambiente oxigenado. La supervivencia con daño cerebral irreversible puede ocurrir por un rescate retrasado, debido a la muerte de las neuronas, que no pueden regenerarse.

asfixiantes químicos. El monóxido de carbono (CO) compite con el oxígeno para unirse a la hemoglobina (en los glóbulos rojos) y, por lo tanto, priva a los tejidos de oxígeno para el metabolismo energético; la muerte celular puede resultar. La intervención incluye la eliminación de la fuente de CO y el tratamiento con oxígeno. El uso directo del oxígeno se basa en la acción tóxica del CO. Otro potente asfixiante químico es el cianuro. El ion cianuro interfiere con el metabolismo celular y la utilización de oxígeno para obtener energía. El tratamiento con nitrito de sodio provoca un cambio en la hemoglobina de los glóbulos rojos a metahemoglobina. La metahemoglobina tiene una mayor afinidad de unión con el ion cianuro que el objetivo celular del cianuro. En consecuencia, la metahemoglobina se une al cianuro y lo mantiene alejado de las células diana. Esto forma la base para la terapia con antídotos.

Depresores del sistema nervioso central (SNC). La toxicidad aguda se caracteriza por la sedación o pérdida del conocimiento de una serie de materiales como disolventes que no son reactivos o que se transforman en productos intermedios reactivos. Se plantea la hipótesis de que la sedación/anestesia se debe a una interacción del disolvente con las membranas de las células del SNC, lo que reduce su capacidad para transmitir señales eléctricas y químicas. Si bien la sedación puede parecer una forma leve de toxicidad y fue la base para el desarrollo de los primeros anestésicos, "la dosis aún produce el veneno". Si se administra una dosis suficiente por ingestión o inhalación, el animal puede morir por paro respiratorio. Si no se produce la muerte anestésica, este tipo de toxicidad suele ser rápidamente reversible cuando el sujeto se retira del medio ambiente o la sustancia química se redistribuye o elimina del cuerpo.

Efectos de la piel. Los efectos adversos para la piel pueden ir desde la irritación hasta la corrosión, según la sustancia encontrada. Los ácidos fuertes y las soluciones alcalinas son incompatibles con los tejidos vivos y son corrosivos, provocando quemaduras químicas y posibles cicatrices. La cicatrización se debe a la muerte de las células dérmicas profundas de la piel responsables de la regeneración. Las concentraciones más bajas pueden causar irritación de la primera capa de la piel.

Otro mecanismo tóxico específico de la piel es el de la sensibilización química. Por ejemplo, la sensibilización se produce cuando el 2,4-dinitroclorobenceno se une a las proteínas naturales de la piel y el sistema inmunitario reconoce el complejo unido a proteínas alterado como un material extraño. Al responder a este material extraño, el sistema inmunitario activa células especiales para eliminar la sustancia extraña mediante la liberación de mediadores (citocinas) que provocan una erupción o dermatitis (consulte “Inmunotoxicología”). Esta es la misma reacción del sistema inmunitario cuando se produce la exposición a la hiedra venenosa. La sensibilización inmunitaria es muy específica de la sustancia química en particular y requiere al menos dos exposiciones antes de que se produzca una respuesta. La primera exposición sensibiliza (prepara las células para que reconozcan la sustancia química) y las exposiciones posteriores desencadenan la respuesta del sistema inmunitario. La eliminación del contacto y la terapia sintomática con cremas antiinflamatorias que contienen esteroides suelen ser eficaces en el tratamiento de personas sensibilizadas. En casos graves o refractarios, se utiliza un inmunosupresor de acción sistémica como la prednisona junto con el tratamiento tópico.

sensibilización pulmonar. El diisocianato de tolueno (TDI) provoca una respuesta de sensibilización inmunitaria, pero el sitio objetivo son los pulmones. La sobreexposición a TDI en personas susceptibles provoca edema pulmonar (acumulación de líquido), constricción bronquial y dificultad para respirar. Esta es una condición grave y requiere retirar al individuo de posibles exposiciones posteriores. El tratamiento es principalmente sintomático. La sensibilización de la piel y los pulmones sigue una respuesta a la dosis. Superar el nivel establecido para la exposición ocupacional puede causar efectos adversos.

Efectos oculares. Las lesiones oculares varían desde el enrojecimiento de la capa exterior (enrojecimiento de la piscina) hasta la formación de cataratas en la córnea y daños en el iris (la parte coloreada del ojo). Las pruebas de irritación ocular se realizan cuando se cree que no se producirán lesiones graves. Muchos de los mecanismos que causan la corrosión de la piel también pueden causar lesiones en los ojos. Los materiales corrosivos para la piel, como ácidos fuertes (pH inferior a 2) y álcalis (pH superior a 11.5), no se prueban en los ojos de los animales porque la mayoría causará corrosión y ceguera debido a un mecanismo similar al que causa la corrosión de la piel. . Además, los agentes tensioactivos como los detergentes y los tensioactivos pueden causar lesiones oculares que van desde la irritación hasta la corrosión. Un grupo de materiales que requiere precaución son los tensioactivos cargados positivamente (catiónicos), que pueden causar quemaduras, opacidad permanente de la córnea y vascularización (formación de vasos sanguíneos). Otro químico, el dinitrofenol, tiene un efecto específico en la formación de cataratas. Esto parece estar relacionado con la concentración de esta sustancia química en el ojo, que es un ejemplo de especificidad de distribución farmacocinética.

Si bien la lista anterior está lejos de ser exhaustiva, está diseñada para brindarle al lector una apreciación de varios mecanismos de toxicidad aguda.

Mecanismos de toxicidad crónica y subcrónica

Cuando se administran en una sola dosis alta, algunas sustancias químicas no tienen el mismo mecanismo de toxicidad que cuando se administran repetidamente en dosis más bajas pero aún tóxicas. Cuando se administra una sola dosis alta, siempre existe la posibilidad de exceder la capacidad de la persona para desintoxicarse o excretar la sustancia química, y esto puede conducir a una respuesta tóxica diferente que cuando se administran dosis repetitivas más bajas. El alcohol es un buen ejemplo. Las dosis altas de alcohol provocan efectos primarios en el sistema nervioso central, mientras que las dosis repetitivas más bajas provocan lesiones hepáticas.

Inhibición de la anticolinesterasa. La mayoría de los pesticidas organofosforados, por ejemplo, tienen poca toxicidad para los mamíferos hasta que se activan metabólicamente, principalmente en el hígado. El principal mecanismo de acción de los organofosforados es la inhibición de la acetilcolinesterasa (AChE) en el cerebro y el sistema nervioso periférico. AChE es la enzima normal que termina la estimulación del neurotransmisor acetilcolina. La inhibición leve de AChE durante un período prolongado no se ha asociado con efectos adversos. A altos niveles de exposición, la incapacidad para terminar esta estimulación neuronal da como resultado una sobreestimulación del sistema nervioso colinérgico. La sobreestimulación colinérgica finalmente da como resultado una serie de síntomas, incluido el paro respiratorio, seguido de la muerte si no se trata. El tratamiento primario es la administración de atropina, que bloquea los efectos de la acetilcolina, y la administración de cloruro de pralidoxima, que reactiva la AChE inhibida. Por lo tanto, tanto la causa como el tratamiento de la toxicidad por organofosforados se abordan mediante la comprensión de la base bioquímica de la toxicidad.

Activación metabólica. Muchos productos químicos, incluidos el tetracloruro de carbono, el cloroformo, el acetilaminofluoreno, las nitrosaminas y el paraquat, se activan metabólicamente a radicales libres u otros intermediarios reactivos que inhiben e interfieren con la función celular normal. A altos niveles de exposición, esto da como resultado la muerte celular (ver “Daño celular y muerte celular”). Si bien se desconocen las interacciones específicas y los objetivos celulares, los sistemas de órganos que tienen la capacidad de activar estos químicos, como el hígado, los riñones y los pulmones, son todos objetivos potenciales de lesiones. Específicamente, las células particulares dentro de un órgano tienen una mayor o menor capacidad para activar o desintoxicar estos intermediarios, y esta capacidad determina la susceptibilidad intracelular dentro de un órgano. El metabolismo es una de las razones por las que la comprensión de la farmacocinética, que describe estos tipos de transformaciones y la distribución y eliminación de estos intermediarios, es importante para reconocer el mecanismo de acción de estas sustancias químicas.

Mecanismos del cáncer. El cáncer es una multiplicidad de enfermedades, y aunque la comprensión de ciertos tipos de cáncer está aumentando rápidamente debido a las numerosas técnicas de biología molecular que se han desarrollado desde 1980, aún queda mucho por aprender. Sin embargo, está claro que el desarrollo del cáncer es un proceso de varias etapas, y los genes críticos son clave para diferentes tipos de cáncer. Las alteraciones en el ADN (mutaciones somáticas) en varios de estos genes críticos pueden causar una mayor susceptibilidad o lesiones cancerosas (ver “Toxicología genética”). La exposición a químicos naturales (en alimentos cocidos como carne de res y pescado) o químicos sintéticos (como bencidina, utilizada como colorante) o agentes físicos (luz ultravioleta del sol, radón del suelo, radiación gamma de procedimientos médicos o actividad industrial) son todos contribuyentes a las mutaciones genéticas somáticas. Sin embargo, existen sustancias naturales y sintéticas (como los antioxidantes) y procesos de reparación del ADN que son protectores y mantienen la homeostasis. Está claro que la genética es un factor importante en el cáncer, ya que los síndromes de enfermedades genéticas como el xeroderma pigmentoso, donde hay una falta de reparación normal del ADN, aumentan drásticamente la susceptibilidad al cáncer de piel por la exposición a la luz ultravioleta del sol.

Mecanismos reproductivos. Similar al cáncer, se conocen muchos mecanismos de toxicidad reproductiva y/o de desarrollo, pero queda mucho por aprender. Se sabe que ciertos virus (como la rubéola), infecciones bacterianas y medicamentos (como la talidomida y la vitamina A) afectarán negativamente el desarrollo. Recientemente, el trabajo de Khera (1991), revisado por Carney (1994), muestra buena evidencia de que los efectos anormales en el desarrollo en pruebas con animales con etilenglicol son atribuibles a metabolitos metabólicos ácidos maternos. Esto ocurre cuando el etilenglicol se metaboliza a metabolitos ácidos, incluidos los ácidos glicólico y oxálico. Los efectos posteriores sobre la placenta y el feto parecen deberse a este proceso de intoxicación metabólica.

Conclusión

La intención de este artículo es dar una perspectiva sobre varios mecanismos conocidos de toxicidad y la necesidad de estudios futuros. Es importante entender que el conocimiento mecanicista no es absolutamente necesario para proteger la salud humana o ambiental. Este conocimiento mejorará la capacidad del profesional para predecir y manejar mejor la toxicidad. Las técnicas reales utilizadas para dilucidar cualquier mecanismo en particular dependen del conocimiento colectivo de los científicos y del pensamiento de quienes toman decisiones sobre la salud humana.

 

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Domingo, enero 16 2011 16: 29

Daño celular y muerte celular

Prácticamente toda la medicina se dedica a prevenir la muerte celular, en enfermedades como el infarto de miocardio, los accidentes cerebrovasculares, los traumatismos y el shock, oa provocarla, como en el caso de las enfermedades infecciosas y el cáncer. Por lo tanto, es esencial comprender la naturaleza y los mecanismos involucrados. La muerte celular se ha clasificado como “accidental”, es decir, causada por agentes tóxicos, isquemia, etc., o “programada”, como ocurre durante el desarrollo embriológico, incluida la formación de dedos y la reabsorción de la cola del renacuajo.

La lesión celular y la muerte celular son, por lo tanto, importantes tanto en fisiología como en fisiopatología. La muerte celular fisiológica es extremadamente importante durante la embriogénesis y el desarrollo embrionario. El estudio de la muerte celular durante el desarrollo ha dado lugar a información nueva e importante sobre la genética molecular involucrada, especialmente a través del estudio del desarrollo en animales invertebrados. En estos animales, se ha estudiado cuidadosamente la ubicación precisa y el significado de las células que están destinadas a sufrir muerte celular y, con el uso de técnicas clásicas de mutagénesis, ahora se han identificado varios genes involucrados. En los órganos adultos, el equilibrio entre la muerte celular y la proliferación celular controla el tamaño del órgano. En algunos órganos, como la piel y el intestino, hay un recambio continuo de células. En la piel, por ejemplo, las células se diferencian a medida que alcanzan la superficie y finalmente experimentan una diferenciación terminal y muerte celular a medida que avanza la queratinización con la formación de envolturas entrecruzadas.

Muchas clases de productos químicos tóxicos son capaces de inducir una lesión celular aguda seguida de la muerte. Estos incluyen la anoxia y la isquemia y sus análogos químicos como el cianuro de potasio; carcinógenos químicos, que forman electrófilos que se unen covalentemente a proteínas en ácidos nucleicos; productos químicos oxidantes, que dan como resultado la formación de radicales libres y lesiones oxidantes; activación del complemento; y una variedad de ionóforos de calcio. La muerte celular también es un componente importante de la carcinogénesis química; muchos carcinógenos químicos completos, en dosis cancerígenas, producen necrosis aguda e inflamación seguidas de regeneración y preneoplasia.

Definiciones

Daño celular

La lesión celular se define como un evento o estímulo, como una sustancia química tóxica, que perturba la homeostasis normal de la célula, provocando así una serie de eventos (figura 1). Los objetivos principales de la lesión letal ilustrados son la inhibición de la síntesis de ATP, la alteración de la integridad de la membrana plasmática o la retirada de factores de crecimiento esenciales.

Figura 1. Lesión celular

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Las lesiones letales provocan la muerte de una célula después de un período de tiempo variable, según la temperatura, el tipo de célula y el estímulo; o pueden ser subletales o crónicos, es decir, la lesión da como resultado un estado homeostático alterado que, aunque anormal, no da como resultado la muerte celular (Trump y Arstila 1971; Trump y Berezesky 1992; Trump y Berezesky 1995; Trump, Berezesky y Osornio-Vargas 1981). En el caso de una lesión letal, existe una fase previa al momento de la muerte celular

durante este tiempo, la célula se recuperará; sin embargo, después de un punto particular en el tiempo (el "punto de no retorno" o punto de muerte celular), la eliminación de la lesión no da como resultado la recuperación, sino que la célula sufre degradación e hidrólisis, alcanzando finalmente el equilibrio físico-químico con el resto. ambiente. Esta es la fase conocida como necrosis. Durante la fase preletal ocurren varios tipos principales de cambios, según la célula y el tipo de lesión. Estos se conocen como apoptosis y oncosis.

 

 

 

 

 

La apoptosis

Apoptosis se deriva de las palabras griegas apo, que significa lejos de, y ptosis, que significa caer. El termino cayendo lejos de se deriva del hecho de que, durante este tipo de cambio preletal, las células se encogen y experimentan una marcada ampolla en la periferia. Luego, las ampollas se desprenden y se alejan flotando. La apoptosis ocurre en una variedad de tipos de células después de varios tipos de lesiones tóxicas (Wyllie, Kerr y Currie 1980). Es especialmente prominente en los linfocitos, donde es el mecanismo predominante para el recambio de clones de linfocitos. Los fragmentos resultantes dan como resultado los cuerpos basófilos que se ven dentro de los macrófagos en los ganglios linfáticos. En otros órganos, la apoptosis ocurre típicamente en células individuales que se eliminan rápidamente antes y después de la muerte por fagocitosis de los fragmentos por células parenquimatosas adyacentes o por macrófagos. La apoptosis que ocurre en células individuales con la fagocitosis subsiguiente típicamente no da como resultado inflamación. Antes de la muerte, las células apoptóticas muestran un citosol muy denso con mitocondrias normales o condensadas. El retículo endoplásmico (ER) es normal o solo ligeramente dilatado. La cromatina nuclear está marcadamente agrupada a lo largo de la envoltura nuclear y alrededor del nucléolo. El contorno nuclear también es irregular y se produce fragmentación nuclear. La condensación de la cromatina está asociada con la fragmentación del ADN que, en muchos casos, ocurre entre los nucleosomas, dando una apariencia característica de escalera en la electroforesis.

En apoptosis, aumento de [Ca2+]i puede estimular K+ flujo de salida que resulta en el encogimiento de las células, lo que probablemente requiere ATP. Por lo tanto, es más probable que las lesiones que inhiben totalmente la síntesis de ATP den lugar a la apoptosis. Un aumento sostenido de [Ca2+]i tiene una serie de efectos nocivos que incluyen la activación de proteasas, endonucleasas y fosfolipasas. La activación de la endonucleasa da como resultado roturas de cadena simple y doble de ADN que, a su vez, estimulan niveles elevados de p53 y en la ribosilación de poli-ADP, y de proteínas nucleares que son esenciales en la reparación del ADN. La activación de las proteasas modifica una serie de sustratos, incluida la actina y las proteínas relacionadas, lo que conduce a la formación de vesículas. Otro sustrato importante es la poli(ADP-ribosa) polimerasa (PARP), que inhibe la reparación del ADN. Aumento de [Ca2+]i también se asocia con la activación de varias proteínas quinasas, como MAP quinasa, calmodulina quinasa y otras. Tales quinasas están involucradas en la activación de factores de transcripción que inician la transcripción de genes tempranos inmediatos, por ejemplo, c-fos, c-jun y c-myc, y en la activación de la fosfolipasa A.2 lo que da como resultado la permeabilización de la membrana plasmática y de las membranas intracelulares, como la membrana interna de las mitocondrias.

oncosis

Oncosis, derivado de la palabra griega Es s, hincharse, se llama así porque en este tipo de cambio preletal la célula comienza a hincharse casi inmediatamente después de la lesión (Majno y Joris 1995). La razón de la hinchazón es un aumento de cationes en el agua dentro de la célula. El principal catión responsable es el sodio, que normalmente se regula para mantener el volumen celular. Sin embargo, en ausencia de ATP o si se inhibe la Na-ATPasa del plasmalema, se pierde el control del volumen debido a la proteína intracelular y al continuo aumento del sodio en el agua. Entre los primeros eventos en la oncosis son, por lo tanto, el aumento de [Na+]i lo que conduce a la inflamación celular y al aumento de [Ca2+]i como resultado de la entrada desde el espacio extracelular o la liberación de los depósitos intracelulares. Esto da como resultado la hinchazón del citosol, la hinchazón del retículo endoplásmico y el aparato de Golgi, y la formación de vesículas acuosas alrededor de la superficie celular. Las mitocondrias inicialmente experimentan condensación, pero luego también muestran una gran hinchazón debido al daño a la membrana mitocondrial interna. En este tipo de cambio preletal, la cromatina se condensa y finalmente se degrada; sin embargo, no se observa el patrón en escalera característico de la apoptosis.

Necrosis

La necrosis se refiere a la serie de cambios que ocurren después de la muerte celular cuando la célula se convierte en desechos que normalmente se eliminan mediante la respuesta inflamatoria. Se pueden distinguir dos tipos: necrosis oncótica y necrosis apoptótica. La necrosis oncótica generalmente ocurre en zonas grandes, por ejemplo, en un infarto de miocardio o regionalmente en un órgano después de una toxicidad química, como el túbulo proximal renal después de la administración de HgCl.2. Están afectadas amplias zonas de un órgano y las células necróticas provocan rápidamente una reacción inflamatoria, primero aguda y luego crónica. En el caso de que el organismo sobreviva, en muchos órganos a la necrosis le sigue la eliminación de las células muertas y la regeneración, por ejemplo, en el hígado o el riñón después de la toxicidad química. Por el contrario, la necrosis apoptótica se produce normalmente en una sola célula y los restos necróticos se forman dentro de los fagocitos de los macrófagos o de las células parenquimatosas adyacentes. Las primeras características de las células necróticas incluyen interrupciones en la continuidad de la membrana plasmática y la aparición de densidades floculantes, que representan proteínas desnaturalizadas dentro de la matriz mitocondrial. En algunas formas de lesión que inicialmente no interfieren con la acumulación de calcio mitocondrial, se pueden observar depósitos de fosfato de calcio dentro de las mitocondrias. Otros sistemas de membrana se fragmentan de manera similar, como el RE, los lisosomas y el aparato de Golgi. Finalmente, la cromatina nuclear sufre lisis, como resultado del ataque de las hidrolasas lisosomales. Después de la muerte celular, las hidrolasas lisosomales desempeñan un papel importante en la eliminación de desechos con catepsinas, nucleolasas y lipasas, ya que estas tienen un pH ácido óptimo y pueden sobrevivir al bajo pH de las células necróticas mientras que otras enzimas celulares se desnaturalizan e inactivan.

Mecanismos

Estímulo inicial

En el caso de lesiones letales, las interacciones iniciales más comunes que dan lugar a lesiones que conducen a la muerte celular son la interferencia con el metabolismo energético, como anoxia, isquemia o inhibidores de la respiración, y la glucólisis, como cianuro de potasio, monóxido de carbono, yodoacetato y pronto. Como se mencionó anteriormente, las altas dosis de compuestos que inhiben el metabolismo energético suelen provocar oncosis. El otro tipo común de lesión inicial que resulta en muerte celular aguda es la modificación de la función de la membrana plasmática (Trump y Arstila 1971; Trump, Berezesky y Osornio-Vargas 1981). Esto puede ser daño directo y permeabilización, como en el caso de un trauma o activación del complejo C5b-C9 del complemento, daño mecánico a la membrana celular o inhibición del sodio-potasio (Na+-K+) bombear con glucósidos como la ouabaína. Ionóforos de calcio como la ionomicina o A23187, que transportan rápidamente [Ca2+] por el gradiente en la célula, también causan lesiones letales agudas. En algunos casos, el patrón en el cambio preletal es la apoptosis; en otros, es oncosis.

Vías de señalización

Con muchos tipos de lesiones, la respiración mitocondrial y la fosforilación oxidativa se ven afectadas rápidamente. En algunas células, esto estimula la glucólisis anaeróbica, que es capaz de mantener ATP, pero con muchas lesiones esto se inhibe. La falta de ATP da como resultado la falta de activación de varios procesos homeostáticos importantes, en particular, el control de la homeostasis de iones intracelulares (Trump y Berezesky 1992; Trump, Berezesky y Osornio-Vargas 1981). Esto resulta en rápidos aumentos de [Ca2+]i, y aumentó [Na+] y [Cl-] da como resultado la inflamación de las células. Aumentos en [Ca2+]i dan como resultado la activación de una serie de otros mecanismos de señalización que se analizan a continuación, incluida una serie de quinasas, que pueden dar como resultado un aumento inmediato de la transcripción temprana de genes. Aumento de [Ca2+]i también modifica la función del citoesqueleto, lo que en parte da como resultado la formación de vesículas y la activación de endonucleasas, proteasas y fosfolipasas. Estos parecen desencadenar muchos de los efectos importantes discutidos anteriormente, como el daño de la membrana a través de la activación de la proteasa y la lipasa, la degradación directa del ADN por la activación de la endonucleasa y la activación de quinasas como MAP quinasa y calmodulina quinasa, que actúan como factores de transcripción.

A través de un extenso trabajo sobre el desarrollo en los invertebrados C. elegans y Drosophila, además de células humanas y animales, se han identificado una serie de genes pro-muerte. Se ha descubierto que algunos de estos genes de invertebrados tienen homólogos de mamíferos. Por ejemplo, el gen ced-3, que es esencial para la muerte celular programada en c. elegans, tiene actividad de proteasa y una fuerte homología con la enzima convertidora de interleucina de mamíferos (ICE). Recientemente se ha identificado un gen estrechamente relacionado denominado apopaína o prICE con una homología aún más estrecha (Nicholson et al. 1995). En Drosophila, el gen segador parece estar involucrado en una señal que conduce a la muerte celular programada. Otros genes favorables a la muerte incluyen la proteína de membrana Fas y el importante gen supresor de tumores, p53, que está ampliamente conservado. p53 se induce a nivel de proteína después del daño en el ADN y cuando se fosforila actúa como un factor de transcripción para otros genes como gadd45 y waf-1, que están involucrados en la señalización de muerte celular. Otros genes tempranos inmediatos como c-fos, c-jun y c-myc también parecen estar involucrados en algunos sistemas.

Al mismo tiempo, existen genes anti-muerte que parecen contrarrestar los genes pro-muerte. El primero de ellos en ser identificado fue el ced-9 de C. elegans, que es homólogo a bcl-2 en humanos. Estos genes actúan de una manera aún desconocida para prevenir la muerte celular por toxinas genéticas o químicas. Cierta evidencia reciente indica que bcl-2 puede actuar como un antioxidante. Actualmente, se están realizando muchos esfuerzos para desarrollar una comprensión de los genes involucrados y desarrollar formas de activar o inhibir estos genes, según la situación.

 

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Domingo, enero 16 2011 16: 34

Toxicología genética

La toxicología genética, por definición, es el estudio de cómo los agentes químicos o físicos afectan el intrincado proceso de la herencia. Los productos químicos genotóxicos se definen como compuestos que son capaces de modificar el material hereditario de las células vivas. La probabilidad de que una sustancia química en particular cause daño genético depende inevitablemente de varias variables, incluido el nivel de exposición del organismo a la sustancia química, la distribución y retención de la sustancia química una vez que ingresa al cuerpo, la eficiencia de los sistemas de activación metabólica y/o desintoxicación en tejidos diana y la reactividad de la sustancia química o sus metabolitos con macromoléculas críticas dentro de las células. La probabilidad de que el daño genético cause una enfermedad depende en última instancia de la naturaleza del daño, la capacidad de la célula para reparar o amplificar el daño genético, la oportunidad de expresar cualquier alteración que haya sido inducida y la capacidad del cuerpo para reconocer y suprimir la multiplicación de células aberrantes.

En los organismos superiores, la información hereditaria se organiza en cromosomas. Los cromosomas consisten en hebras estrechamente condensadas de ADN asociado a proteínas. Dentro de un solo cromosoma, cada molécula de ADN existe como un par de cadenas largas no ramificadas de subunidades de nucleótidos unidas por enlaces fosfodiéster que unen el carbono 5 de un resto de desoxirribosa con el carbono 3 del siguiente (figura 1). Además, una de las cuatro bases de nucleótidos diferentes (adenina, citosina, guanina o timina) está unida a cada subunidad de desoxirribosa como cuentas en un hilo. En tres dimensiones, cada par de hebras de ADN forma una doble hélice con todas las bases orientadas hacia el interior de la espiral. Dentro de la hélice, cada base está asociada con su base complementaria en la hebra de ADN opuesta; Los enlaces de hidrógeno dictan un fuerte emparejamiento no covalente de adenina con timina y guanina con citosina (figura 1). Dado que la secuencia de bases de nucleótidos es complementaria en toda la longitud de la molécula de ADN dúplex, ambas cadenas contienen esencialmente la misma información genética. De hecho, durante la replicación del ADN, cada hebra sirve como molde para la producción de una nueva hebra asociada.

Figura 1. La organización (a) primaria, (b) secundaria y (c) terciaria de la información hereditaria humana

TOX090F1Usando ARN y una serie de diferentes proteínas, la célula finalmente descifra la información codificada por la secuencia lineal de bases dentro de regiones específicas de ADN (genes) y produce proteínas que son esenciales para la supervivencia celular básica, así como para el crecimiento y la diferenciación normales. En esencia, los nucleótidos funcionan como un alfabeto biológico que se utiliza para codificar los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas.

Cuando se insertan nucleótidos incorrectos o se pierden nucleótidos, o cuando se agregan nucleótidos innecesarios durante la síntesis de ADN, el error se denomina mutación. Se ha estimado que ocurre menos de una mutación por cada 109 nucleótidos incorporados durante la replicación normal de las células. Aunque las mutaciones no son necesariamente dañinas, las alteraciones que provocan la inactivación o la sobreexpresión de genes importantes pueden dar lugar a diversos trastornos, como cáncer, enfermedades hereditarias, anomalías del desarrollo, infertilidad y muerte embrionaria o perinatal. En muy raras ocasiones, una mutación puede conducir a una mayor supervivencia; tales ocurrencias son la base de la selección natural.

Aunque algunas sustancias químicas reaccionan directamente con el ADN, la mayoría requiere activación metabólica. En este último caso, los intermediarios electrofílicos, como los epóxidos o los iones de carbonio, son los responsables últimos de inducir lesiones en una variedad de sitios nucleofílicos dentro del material genético (figura 2). En otros casos, la genotoxicidad está mediada por subproductos de la interacción del compuesto con lípidos, proteínas u oxígeno intracelulares.

Figura 2. Bioactivación de: a) benzo(a)pireno; y b) N-nitrosodimetilamina

TOX090F2

Debido a su relativa abundancia en las células, las proteínas son el objetivo más frecuente de la interacción tóxica. Sin embargo, la modificación del ADN es motivo de mayor preocupación debido al papel central de esta molécula en la regulación del crecimiento y la diferenciación a través de múltiples generaciones de células.

A nivel molecular, los compuestos electrofílicos tienden a atacar el oxígeno y el nitrógeno del ADN. Los sitios que son más propensos a la modificación se ilustran en la figura 3. Aunque los oxígenos dentro de los grupos fosfato en el esqueleto del ADN también son objetivos para la modificación química, se cree que el daño a las bases es biológicamente más relevante ya que estos grupos se consideran la información principal. elementos en la molécula de ADN.

Figura 3. Sitios primarios de daño en el ADN inducido químicamente

TOX090F3

Los compuestos que contienen un resto electrofílico típicamente ejercen genotoxicidad al producir monoaductos en el ADN. De manera similar, los compuestos que contienen dos o más fracciones reactivas pueden reaccionar con dos centros nucleófilos diferentes y, por lo tanto, producir entrecruzamientos intramoleculares o intermoleculares en el material genético (figura 4). Los entrecruzamientos entre cadenas ADN-ADN y ADN-proteína pueden ser particularmente citotóxicos ya que pueden formar bloques completos para la replicación del ADN. Por razones obvias, la muerte de una célula elimina la posibilidad de que sea mutada o transformada neoplásicamente. Los agentes genotóxicos también pueden actuar induciendo rupturas en el esqueleto de fosfodiéster, o entre bases y azúcares (que producen sitios abásicos) en el ADN. Tales rupturas pueden ser el resultado directo de la reactividad química en el sitio dañado, o pueden ocurrir durante la reparación de uno de los tipos de lesiones de ADN antes mencionados.

Figura 4. Varios tipos de daño al complejo proteína-ADN

TOX090F4

Durante los últimos treinta o cuarenta años, se han desarrollado una variedad de técnicas para monitorear el tipo de daño genético inducido por varios químicos. Dichos ensayos se describen en detalle en otras partes de este capítulo y Enciclopedia.

La replicación errónea de "microlesiones", como monoaductos, sitios abásicos o roturas de una sola hebra, puede dar como resultado, en última instancia, sustituciones de pares de bases de nucleótidos, o la inserción o eliminación de fragmentos cortos de polinucleótidos en el ADN cromosómico. Por el contrario, las "macrolesiones", como aductos voluminosos, enlaces cruzados o roturas de doble cadena, pueden desencadenar la ganancia, pérdida o reordenamiento de fragmentos de cromosomas relativamente grandes. En cualquier caso, las consecuencias pueden ser devastadoras para el organismo ya que cualquiera de estos eventos puede conducir a la muerte celular, pérdida de función o transformación maligna de las células. Se desconoce en gran medida exactamente cómo el daño del ADN causa cáncer. Actualmente se cree que el proceso puede implicar la activación inapropiada de protooncogenes como mi c y ras, y/o inactivación de genes supresores de tumores identificados recientemente, como p53. La expresión anormal de cualquier tipo de gen anula los mecanismos celulares normales para controlar la proliferación y/o diferenciación celular.

La preponderancia de la evidencia experimental indica que el desarrollo de cáncer luego de la exposición a compuestos electrofílicos es un evento relativamente raro. Esto puede explicarse, en parte, por la capacidad intrínseca de la célula para reconocer y reparar el ADN dañado o por la incapacidad de sobrevivir de las células con ADN dañado. Durante la reparación, la base dañada, el nucleótido o el tramo corto de nucleótidos que rodean el sitio dañado se eliminan y (usando la hebra opuesta como plantilla) se sintetiza una nueva pieza de ADN y se empalma en su lugar. Para que sea eficaz, la reparación del ADN debe ocurrir con gran precisión antes de la división celular, antes de las oportunidades para la propagación de la mutación.

Los estudios clínicos han demostrado que las personas con defectos hereditarios en la capacidad de reparar el ADN dañado con frecuencia desarrollan cáncer y/o anomalías del desarrollo a una edad temprana (tabla 1). Tales ejemplos proporcionan una fuerte evidencia que vincula la acumulación de daño en el ADN con la enfermedad humana. De manera similar, los agentes que promueven la proliferación celular (como el acetato de tetradecanoilforbol) a menudo aumentan la carcinogénesis. Para estos compuestos, la mayor probabilidad de transformación neoplásica puede ser una consecuencia directa de una disminución en el tiempo disponible para que la célula lleve a cabo una reparación adecuada del ADN.

Tabla 1. Trastornos hereditarios propensos al cáncer que parecen implicar defectos en la reparación del ADN

Síndrome Síntomas fenotipo celular
Ataxia telangiectasia Deterioro neurológico
inmunodeficiencia
Alta incidencia de linfoma
Hipersensibilidad a las radiaciones ionizantes ya ciertos agentes alquilantes.
Replicación desregulada del ADN dañado (puede indicar un tiempo reducido para la reparación del ADN)
síndrome de Bloom Anormalidades del desarrollo
Lesiones en la piel expuesta
Alta incidencia de tumores del sistema inmunológico y tracto gastrointestinal
Alta frecuencia de aberraciones cromosómicas
Ligadura defectuosa de roturas asociadas con la reparación del ADN
Anemia de Fanconi Retraso del crecimiento
Alta incidencia de leucemia
Hipersensibilidad a los agentes de entrecruzamiento
Alta frecuencia de aberraciones cromosómicas
Reparación defectuosa de enlaces cruzados en el ADN
Cáncer de colon hereditario sin poliposis Alta incidencia de cáncer de colon Defecto en la reparación de errores de emparejamiento de ADN (cuando se produce la inserción de un nucleótido incorrecto durante la replicación)
Xeroderma pigmentoso Alta incidencia de epitelioma en áreas expuestas de la piel
Deterioro neurológico (en muchos casos)
Hipersensibilidad a la luz ultravioleta y a muchos carcinógenos químicos
Defectos en la reparación por escisión y/o replicación del ADN dañado

 

Las primeras teorías sobre cómo interactúan los productos químicos con el ADN se remontan a estudios realizados durante el desarrollo del gas mostaza para su uso en la guerra. La comprensión adicional surgió de los esfuerzos para identificar agentes anticancerígenos que detuvieran selectivamente la replicación de las células tumorales que se dividen rápidamente. El aumento de la preocupación pública por los peligros en nuestro medio ambiente ha impulsado investigaciones adicionales sobre los mecanismos y las consecuencias de la interacción química con el material genético. En el cuadro 2 se presentan ejemplos de varios tipos de productos químicos que ejercen genotoxicidad.

Tabla 2. Ejemplos de productos químicos que presentan genotoxicidad en células humanas

clase de quimico Ejemplo Fuente de exposición Probable lesión genotóxica
Aflatoxinas Aflatoxina B1 Comida contaminada Aductos de ADN voluminosos
Aminas aromáticas 2-acetilaminofluoreno Aplicaciones Medioambientales Aductos de ADN voluminosos
Quinonas de aziridina Mitomicina C Quimioterapia contra el cáncer Monoaductos, enlaces cruzados entre hebras y roturas de una sola hebra en el ADN.
Hidrocarburos clorados Cloruro de vinilo Aplicaciones Medioambientales Monoaductos en ADN
Metales y compuestos metálicos Cisplatino Quimioterapia contra el cáncer Entrecruzamientos intra e intercatenarios en el ADN
  Compuestos de níquel Aplicaciones Medioambientales Monoaductos y roturas monocatenarias en el ADN
Mostazas nitrogenadas Ciclofosfamida Quimioterapia contra el cáncer Monoaductos y enlaces cruzados entre cadenas en el ADN
Nitrosaminas N-nitrosodimetilamina Comida contaminada Monoaductos en ADN
Hidrocarburos aromáticos policíclicos Benzo (a) pireno Aplicaciones Medioambientales Aductos de ADN voluminosos

 

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Domingo, enero 16 2011 18: 35

Inmunotoxicología

Las funciones del sistema inmunitario son proteger el cuerpo de agentes infecciosos invasores y proporcionar vigilancia inmunitaria contra las células tumorales que surgen. Tiene una primera línea de defensa que es inespecífica y que puede iniciar reacciones efectoras por sí mismo, y una rama específica adquirida, en la que los linfocitos y los anticuerpos llevan la especificidad de reconocimiento y posterior reactividad hacia el antígeno.

La inmunotoxicología ha sido definida como “la disciplina que se ocupa del estudio de los eventos que pueden conducir a efectos no deseados como resultado de la interacción de los xenobióticos con el sistema inmunológico. Estos eventos no deseados pueden resultar como consecuencia de (1) un efecto directo y/o indirecto del xenobiótico (y/o su producto de biotransformación) en el sistema inmunológico, o (2) una respuesta inmunológica del huésped al compuesto y/o su(s) metabolito(s), o antígenos del huésped modificados por el compuesto o sus metabolitos” (Berlin et al. 1987).

Cuando el sistema inmunitario actúa como un objetivo pasivo de las agresiones químicas, el resultado puede ser una disminución de la resistencia a la infección y ciertas formas de neoplasia, o una desregulación/estimulación inmunitaria que puede exacerbar la alergia o la autoinmunidad. En el caso de que el sistema inmunitario responda a la especificidad antigénica del xenobiótico o antígeno del huésped modificado por el compuesto, la toxicidad puede manifestarse como alergias o enfermedades autoinmunes.

Se han desarrollado modelos animales para investigar la supresión inmunitaria inducida por sustancias químicas y varios de estos métodos están validados (Burleson, Munson y Dean 1995; IPCS 1996). Para fines de prueba, se sigue un enfoque escalonado para hacer una selección adecuada de la abrumadora cantidad de ensayos disponibles. Generalmente, el objetivo del primer nivel es identificar posibles inmunotóxicos. Si se identifica una inmunotoxicidad potencial, se realiza un segundo nivel de análisis para confirmar y caracterizar aún más los cambios observados. Las investigaciones de tercer nivel incluyen estudios especiales sobre el mecanismo de acción del compuesto. Se han identificado varios xenobióticos como inmunotóxicos que causan inmunosupresión en tales estudios con animales de laboratorio.

La base de datos sobre alteraciones de la función inmunitaria en seres humanos por sustancias químicas ambientales es limitada (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992). El uso de marcadores de inmunotoxicidad ha recibido poca atención en estudios clínicos y epidemiológicos para investigar el efecto de estos químicos en la salud humana. Dichos estudios no se han realizado con frecuencia, y su interpretación a menudo no permite sacar conclusiones inequívocas, debido, por ejemplo, a la naturaleza no controlada de la exposición. Por lo tanto, en la actualidad, la evaluación de la inmunotoxicidad en roedores, con su posterior extrapolación al hombre, constituye la base de las decisiones sobre peligros y riesgos.

Las reacciones de hipersensibilidad, en particular el asma alérgica y la dermatitis de contacto, son importantes problemas de salud ocupacional en los países industrializados (Vos, Younes y Smith 1995). El fenómeno de la sensibilización por contacto se investigó primero en el conejillo de indias (Andersen y Maibach 1985). Hasta hace poco, esta ha sido la especie de elección para las pruebas predictivas. Se encuentran disponibles muchos métodos de prueba con cobayas, siendo los más empleados la prueba de maximización con cobayas y la prueba del parche ocluido de Buehler. Las pruebas con conejillos de Indias y los enfoques más nuevos desarrollados en ratones, como las pruebas de hinchazón de oídos y el ensayo de ganglios linfáticos locales, brindan al toxicólogo las herramientas para evaluar el riesgo de sensibilización de la piel. La situación con respecto a la sensibilización de las vías respiratorias es muy diferente. Todavía no existen métodos bien validados o ampliamente aceptados disponibles para la identificación de alérgenos respiratorios químicos, aunque se han logrado avances en el desarrollo de modelos animales para la investigación de la alergia respiratoria química en cobayas y ratones.

Los datos humanos muestran que los agentes químicos, en particular las drogas, pueden causar enfermedades autoinmunes (Kammüller, Bloksma y Seinen 1989). Hay una serie de modelos animales experimentales de enfermedades autoinmunes humanas. Estos comprenden tanto patología espontánea (por ejemplo, lupus eritematoso sistémico en ratones negros de Nueva Zelanda) como fenómenos autoinmunes inducidos por inmunización experimental con un autoantígeno de reacción cruzada (por ejemplo, artritis inducida por adyuvante H37Ra en ratas de la cepa Lewis). Estos modelos se aplican en la evaluación preclínica de fármacos inmunosupresores. Muy pocos estudios han abordado el potencial de estos modelos para evaluar si un xenobiótico exacerba la autoinmunidad inducida o congénita. Prácticamente faltan modelos animales que sean adecuados para investigar la capacidad de los productos químicos para inducir enfermedades autoinmunes. Un modelo que se utiliza de forma limitada es el ensayo del nódulo linfático poplíteo en ratones. Al igual que la situación en humanos, los factores genéticos juegan un papel crucial en el desarrollo de enfermedades autoinmunes (EA) en animales de laboratorio, lo que limitará el valor predictivo de dichas pruebas.

El sistema inmune

La función principal del sistema inmunológico es la defensa contra bacterias, virus, parásitos, hongos y células neoplásicas. Esto se logra mediante las acciones de varios tipos de células y sus mediadores solubles en un concierto finamente afinado. La defensa del huésped se puede dividir aproximadamente en resistencia no específica o innata e inmunidad específica o adquirida mediada por linfocitos (Roitt, Brostoff y Male 1989).

Los componentes del sistema inmunológico están presentes en todo el cuerpo (Jones et al. 1990). El compartimento de los linfocitos se encuentra dentro de los órganos linfoides (figura 1). La médula ósea y el timo se clasifican como órganos linfoides primarios o centrales; los órganos linfoides secundarios o periféricos incluyen ganglios linfáticos, bazo y tejido linfoide a lo largo de superficies secretoras tales como los tractos gastrointestinal y respiratorio, el llamado tejido linfoide asociado a mucosas (MALT). Aproximadamente la mitad de los linfocitos del cuerpo se encuentran en cualquier momento en MALT. Además, la piel es un órgano importante para la inducción de respuestas inmunitarias a los antígenos presentes en la piel. Importantes en este proceso son las células epidérmicas de Langerhans que tienen una función presentadora de antígenos.

Figura 1. Órganos y tejidos linfoides primarios y secundarios

TOX110F1

Las células fagocíticas del linaje monocito/macrófago, denominado sistema fagocítico mononuclear (MPS), se encuentran en los órganos linfoides y también en sitios extraganglionares; los fagocitos extraganglionares incluyen células de Kupffer en el hígado, macrófagos alveolares en el pulmón, macrófagos mesangiales en el riñón y células gliales en el cerebro. Los leucocitos polimorfonucleares (PMN) están presentes principalmente en la sangre y la médula ósea, pero se acumulan en los sitios de inflamación.

 

 

 

 

 

 

 

Defensa no específica

Una primera línea de defensa a los microorganismos es ejecutada por una barrera física y química, como en la piel, el tracto respiratorio y el tracto alimentario. Esta barrera se ve favorecida por mecanismos de protección no específicos que incluyen células fagocíticas, como macrófagos y leucocitos polimorfonucleares, que pueden matar patógenos, y células asesinas naturales, que pueden lisar células tumorales y células infectadas por virus. El sistema del complemento y ciertos inhibidores microbianos (p. ej., lisozima) también participan en la respuesta no específica.

inmunidad específica

Después del contacto inicial del huésped con el patógeno, se inducen respuestas inmunitarias específicas. El sello distintivo de esta segunda línea de defensa es el reconocimiento específico de los determinantes, los llamados antígenos o epítopos, de los patógenos por parte de los receptores en la superficie celular de los linfocitos B y T. Después de la interacción con el antígeno específico, la célula portadora del receptor es estimulada para que prolifere y se diferencie, produciendo un clon de células de progenie que son específicas para el antígeno desencadenante. Las respuestas inmunitarias específicas ayudan a la defensa no específica presentada a los patógenos estimulando la eficacia de las respuestas no específicas. Una característica fundamental de la inmunidad específica es que se desarrolla la memoria. El contacto secundario con el mismo antígeno provoca una respuesta más rápida y vigorosa pero bien regulada.

El genoma no tiene la capacidad de transportar los códigos de una serie de receptores de antígenos suficientes para reconocer el número de antígenos que se pueden encontrar. El repertorio de especificidad se desarrolla mediante un proceso de reordenamientos genéticos. Este es un proceso aleatorio, durante el cual se producen diversas especificidades. Esto incluye especificidades para componentes propios, que son indeseables. Un proceso de selección que tiene lugar en el timo (células T) o en la médula ósea (células B) opera para eliminar estas especificidades indeseables.

La función efectora inmunitaria normal y la regulación homeostática de la respuesta inmunitaria dependen de una variedad de productos solubles, conocidos colectivamente como citoquinas, que son sintetizados y secretados por los linfocitos y por otros tipos de células. Las citocinas tienen efectos pleiotrópicos sobre las respuestas inmunitarias e inflamatorias. Se requiere la cooperación entre diferentes poblaciones celulares para la respuesta inmunitaria: la regulación de las respuestas de anticuerpos, la acumulación de células y moléculas inmunitarias en los sitios inflamatorios, el inicio de las respuestas de fase aguda, el control de la función citotóxica de los macrófagos y muchos otros procesos fundamentales para la resistencia del huésped. . Estos están influenciados por, y en muchos casos dependen de, las citocinas que actúan individualmente o en concierto.

Se reconocen dos ramas de la inmunidad específica: la inmunidad humoral y la inmunidad mediada por células o celular:

Inmunidad humoral. En el brazo humoral, los linfocitos B se estimulan tras el reconocimiento del antígeno por parte de los receptores de la superficie celular. Los receptores de antígenos en los linfocitos B son inmunoglobulinas (Ig). Las células B maduras (células plasmáticas) comienzan la producción de inmunoglobulinas específicas de antígeno que actúan como anticuerpos en el suero o a lo largo de las superficies mucosas. Hay cinco clases principales de inmunoglobulinas: (1) IgM, Ig pentamérica con capacidad aglutinante óptima, que se produce primero después de la estimulación antigénica; (2) IgG, la principal Ig en circulación, que puede atravesar la placenta; (3) IgA, Ig secretora para la protección de superficies mucosas; (4) IgE, fijación de Ig a mastocitos o granulocitos basófilos involucrados en reacciones de hipersensibilidad inmediata y (5) IgD, cuya función principal es como receptor de linfocitos B.

Inmunidad mediada por células. El brazo celular del sistema inmunitario específico está mediado por linfocitos T. Estas células también tienen receptores de antígenos en sus membranas. Reconocen antígenos si son presentados por células presentadoras de antígenos en el contexto de antígenos de histocompatibilidad. Por lo tanto, estas células tienen una restricción además de la especificidad del antígeno. Las células T funcionan como células auxiliares para varias respuestas inmunitarias (incluida la humoral), median el reclutamiento de células inflamatorias y pueden, como células T citotóxicas, matar células diana después del reconocimiento específico del antígeno.

Mecanismos de inmunotoxicidad

La inmunosupresión

La resistencia eficaz del huésped depende de la integridad funcional del sistema inmunitario, que a su vez requiere que las células y moléculas componentes que orquestan las respuestas inmunitarias estén disponibles en cantidades suficientes y en forma operativa. Las inmunodeficiencias congénitas en humanos a menudo se caracterizan por defectos en ciertas líneas de células madre, lo que da como resultado una producción deficiente o nula de células inmunitarias. Por analogía con las inmunodeficiencias humanas congénitas y adquiridas, la inmunosupresión inducida por sustancias químicas puede resultar simplemente de un número reducido de células funcionales (IPCS 1996). La ausencia o el número reducido de linfocitos puede tener efectos más o menos profundos sobre el estado inmunitario. Algunos estados de inmunodeficiencia e inmunosupresión severa, como puede ocurrir en el trasplante o la terapia citostática, se han asociado en particular con una mayor incidencia de infecciones oportunistas y de ciertas enfermedades neoplásicas. Las infecciones pueden ser bacterianas, virales, fúngicas o protozoarias, y el tipo de infección predominante depende de la inmunodeficiencia asociada. Se puede esperar que la exposición a sustancias químicas ambientales inmunosupresoras produzca formas más sutiles de inmunosupresión, que pueden ser difíciles de detectar. Estos pueden conducir, por ejemplo, a una mayor incidencia de infecciones como la gripe o el resfriado común.

En vista de la complejidad del sistema inmune, con la gran variedad de células, mediadores y funciones que forman una red complicada e interactiva, los compuestos inmunotóxicos tienen numerosas oportunidades para ejercer un efecto. Aunque la naturaleza de las lesiones iniciales inducidas por muchos productos químicos inmunotóxicos aún no se ha dilucidado, cada vez hay más información disponible, en su mayoría derivada de estudios en animales de laboratorio, con respecto a los cambios inmunobiológicos que resultan en la depresión de la función inmunológica (Dean et al. 1994) . Los efectos tóxicos pueden ocurrir en las siguientes funciones críticas (y se dan algunos ejemplos de compuestos inmunotóxicos que afectan estas funciones):

  •  desarrollo y expansión de diferentes poblaciones de células madre (el benceno ejerce efectos inmunotóxicos a nivel de células madre, causando linfocitopenia)
  •  proliferación de diversas células linfoides y mieloides, así como tejidos de soporte en los que estas células maduran y funcionan (los compuestos organoestánnicos inmunotóxicos suprimen la actividad proliferativa de los linfocitos en la corteza tímica a través de la citotoxicidad directa; la acción timotóxica del 2,3,7,8-tetracloro -dibenzo-p-dioxina (TCDD) y compuestos relacionados probablemente se deba a una función alterada de las células epiteliales del timo, más que a una toxicidad directa para los timocitos)
  •  captación, procesamiento y presentación de antígenos por macrófagos y otras células presentadoras de antígenos (uno de los objetivos del 7,12-dimetilbenz(a)antraceno (DMBA) y del plomo es la presentación de antígenos por macrófagos; un objetivo de la radiación ultravioleta es el antígeno- presentación de células de Langerhans)
  •  función reguladora de las células T auxiliares y T supresoras (la función de las células T auxiliares se ve afectada por los organoestaños, el aldicarb, los bifenilos policlorados (PCB), TCDD y DMBA; la función de las células T supresoras se reduce con el tratamiento con dosis bajas de ciclofosfamida)
  •  producción de diversas citocinas o interleucinas (el benzo(a)pireno (BP) suprime la producción de interleucina-1; la radiación ultravioleta altera la producción de citocinas por parte de los queratinocitos)
  •  la síntesis de varias clases de inmunoglobulinas IgM e IgG se suprime después del tratamiento con PCB y óxido de tributilestaño (TBT), y aumenta después de la exposición al hexaclorobenceno (HCB).
  •  regulación y activación del complemento (afectado por TCDD)
  •  función de las células T citotóxicas (3-metilcolantreno (3-MC), DMBA y TCDD suprimen la actividad de las células T citotóxicas)
  •  función de las células asesinas naturales (NK) (la actividad de las NK pulmonares es suprimida por el ozono; la actividad de las NK esplénicas se ve afectada por el níquel)
  •  quimiotaxis de macrófagos y leucocitos polimorfonucleares y funciones citotóxicas (el ozono y el dióxido de nitrógeno alteran la actividad fagocítica de los macrófagos alveolares).

 

Alergia

Alergia puede definirse como los efectos adversos para la salud que resultan de la inducción y provocación de respuestas inmunitarias específicas. Cuando se producen reacciones de hipersensibilidad sin implicación del sistema inmunitario, el término pseudo-alergia se usa En el contexto de la inmunotoxicología, la alergia es el resultado de una respuesta inmunitaria específica a sustancias químicas y fármacos de interés. La capacidad de una sustancia química para sensibilizar a las personas generalmente está relacionada con su capacidad para unirse covalentemente a las proteínas del cuerpo. Las reacciones alérgicas pueden tomar una variedad de formas y estas difieren con respecto a los mecanismos inmunológicos subyacentes y la velocidad de la reacción. Se han reconocido cuatro tipos principales de reacciones alérgicas: Reacciones de hipersensibilidad de tipo I, que son provocadas por anticuerpos IgE y en las que los síntomas se manifiestan a los pocos minutos de la exposición del individuo sensibilizado. Las reacciones de hipersensibilidad de tipo II resultan del daño o la destrucción de las células huésped por parte de los anticuerpos. En este caso, los síntomas se hacen evidentes en cuestión de horas. Las reacciones de hipersensibilidad de tipo III, o de Arthus, también están mediadas por anticuerpos, pero contra antígenos solubles, y son el resultado de la acción local o sistémica de complejos inmunitarios. Las reacciones de hipersensibilidad de tipo IV, o de tipo retardado, son provocadas por los linfocitos T y normalmente los síntomas se desarrollan de 24 a 48 horas después de la exposición del individuo sensibilizado.

Los dos tipos de alergia química de mayor relevancia para la salud laboral son la sensibilidad de contacto o alergia cutánea y la alergia de las vías respiratorias.

Hipersensibilidad de contacto. Una gran cantidad de productos químicos pueden causar sensibilización de la piel. Después de la exposición tópica de un individuo susceptible a un alérgeno químico, se induce una respuesta de linfocitos T en los ganglios linfáticos que drenan. En la piel, el alérgeno interactúa directa o indirectamente con las células epidérmicas de Langerhans, que transportan la sustancia química a los ganglios linfáticos y la presentan en forma inmunogénica a los linfocitos T sensibles. Los linfocitos T activados por alérgenos proliferan, lo que da como resultado una expansión clonal. El individuo ahora está sensibilizado y responderá a una segunda exposición dérmica al mismo químico con una respuesta inmunitaria más agresiva, lo que resultará en una dermatitis alérgica de contacto. La reacción inflamatoria cutánea que caracteriza a la dermatitis alérgica de contacto es secundaria al reconocimiento del alérgeno en la piel por parte de linfocitos T específicos. Estos linfocitos se activan, liberan citocinas y provocan la acumulación local de otros leucocitos mononucleares. Los síntomas se desarrollan entre 24 y 48 horas después de la exposición del individuo sensibilizado y, por lo tanto, la dermatitis alérgica de contacto representa una forma de hipersensibilidad de tipo retardado. Las causas comunes de la dermatitis alérgica de contacto incluyen productos químicos orgánicos (como el 2,4-dinitroclorobenceno), metales (como el níquel y el cromo) y productos vegetales (como el urushiol de la hiedra venenosa).

Hipersensibilidad respiratoria. La hipersensibilidad respiratoria generalmente se considera una reacción de hipersensibilidad de tipo I. Sin embargo, las reacciones de fase tardía y los síntomas más crónicos asociados con el asma pueden involucrar procesos inmunitarios mediados por células (Tipo IV). Los síntomas agudos asociados con la alergia respiratoria se ven afectados por el anticuerpo IgE, cuya producción se provoca después de la exposición del individuo susceptible al alérgeno químico inductor. El anticuerpo IgE se distribuye sistémicamente y se une, a través de receptores de membrana, a los mastocitos que se encuentran en los tejidos vascularizados, incluido el tracto respiratorio. Después de la inhalación de la misma sustancia química, se provocará una reacción de hipersensibilidad respiratoria. El alérgeno se asocia con la proteína y se une y entrecruza el anticuerpo IgE unido a los mastocitos. Esto a su vez provoca la desgranulación de los mastocitos y la liberación de mediadores inflamatorios como la histamina y los leucotrienos. Estos mediadores provocan broncoconstricción y vasodilatación, lo que da lugar a síntomas de alergia respiratoria; asma y/o rinitis. Los productos químicos que se sabe que causan hipersensibilidad respiratoria en el hombre incluyen anhídridos de ácido (como el anhídrido trimelítico), algunos diisocianatos (como el diisocianato de tolueno), sales de platino y algunos colorantes reactivos. Además, se sabe que la exposición crónica al berilio causa enfermedad pulmonar por hipersensibilidad.

Autoimmunity

Autoimmunity se puede definir como la estimulación de respuestas inmunitarias específicas dirigidas contra antígenos "propios" endógenos. La autoinmunidad inducida puede resultar de alteraciones en el equilibrio de los linfocitos T reguladores o de la asociación de un xenobiótico con componentes tisulares normales para volverlos inmunogénicos (“autoalterado”). Los fármacos y productos químicos que se sabe que inducen o exacerban incidentalmente efectos como los de la enfermedad autoinmune (EA) en individuos susceptibles son compuestos de bajo peso molecular (peso molecular de 100 a 500) que generalmente se consideran no inmunogénicos. El mecanismo de la DA por exposición química es mayormente desconocido. La enfermedad se puede producir directamente por medio de anticuerpos circulantes, indirectamente a través de la formación de complejos inmunitarios o como consecuencia de la inmunidad mediada por células, pero es probable que se produzca a través de una combinación de mecanismos. La patogenia es más conocida en los trastornos hemolíticos inmunitarios inducidos por fármacos:

  •  El fármaco puede adherirse a la membrana de los glóbulos rojos e interactuar con un anticuerpo específico del fármaco.
  •  El fármaco puede alterar la membrana de los glóbulos rojos para que el sistema inmunitario considere a la célula como extraña.
  •  El fármaco y su anticuerpo específico forman complejos inmunitarios que se adhieren a la membrana de los glóbulos rojos para producir lesiones.
  •  La sensibilización de glóbulos rojos ocurre debido a la producción de autoanticuerpos de glóbulos rojos.

 

Se ha descubierto que una variedad de productos químicos y fármacos, en particular los últimos, inducen respuestas similares a las autoinmunes (Kamüller, Bloksma y Seinen 1989). La exposición ocupacional a productos químicos puede conducir incidentalmente a síndromes similares a los de la EA. La exposición a cloruro de vinilo monomérico, tricloroetileno, percloroetileno, resinas epoxi y polvo de sílice puede inducir síndromes similares a la esclerodermia. Se ha descrito un síndrome similar al lupus eritematoso sistémico (LES) después de la exposición a la hidracina. La exposición al diisocianato de tolueno se ha asociado con la inducción de púrpura trombocitopénica. Los metales pesados, como el mercurio, se han implicado en algunos casos de glomerulonefritis por complejos inmunitarios.

Evaluación de riesgos humanos

La evaluación del estado inmunitario humano se realiza principalmente utilizando sangre periférica para el análisis de sustancias humorales como inmunoglobulinas y complemento, y de leucocitos sanguíneos para la composición de subconjuntos y la funcionalidad de subpoblaciones. Estos métodos suelen ser los mismos que se utilizan para investigar la inmunidad humoral y mediada por células, así como la resistencia inespecífica de pacientes con sospecha de enfermedad de inmunodeficiencia congénita. Para estudios epidemiológicos (p. ej., de poblaciones expuestas ocupacionalmente), los parámetros deben seleccionarse sobre la base de su valor predictivo en poblaciones humanas, modelos animales validados y la biología subyacente de los marcadores (consulte la tabla 1). La estrategia de detección de efectos inmunotóxicos después de la exposición (accidental) a contaminantes ambientales u otras sustancias tóxicas depende en gran medida de las circunstancias, como el tipo de inmunodeficiencia esperable, el tiempo entre la exposición y la evaluación del estado inmunitario, el grado de exposición y el número de personas expuestas. El proceso de evaluación del riesgo inmunotóxico de un xenobiótico particular en humanos es extremadamente difícil y, a menudo, imposible, debido en gran parte a la presencia de varios factores de confusión de origen endógeno o exógeno que influyen en la respuesta de los individuos al daño tóxico. Esto es particularmente cierto para los estudios que investigan el papel de la exposición química en las enfermedades autoinmunes, donde los factores genéticos juegan un papel crucial.

Tabla 1. Clasificación de las pruebas para marcadores inmunes

Categoría de prueba Características Ensayos específicos
Básico-general
Debe incluirse con los paneles generales
Indicadores de salud general y estado del sistema de órganos Nitrógeno ureico en sangre, glucosa en sangre, etc.
Básico-inmune
Debe incluirse con los paneles generales
Indicadores generales del estado inmunitario
Costo relativamente bajo
Los métodos de ensayo están estandarizados entre los laboratorios.
Los resultados fuera de los rangos de referencia son clínicamente interpretables
Conteos sanguíneos completos
Niveles séricos de IgG, IgA, IgM
Fenotipos de marcadores de superficie para los principales subconjuntos de linfocitos
Enfocado/reflejo
Debe incluirse cuando lo indiquen los hallazgos clínicos, las exposiciones sospechosas o los resultados de pruebas anteriores.
Indicadores de funciones/eventos inmunitarios específicos
El costo varía
Los métodos de ensayo están estandarizados entre los laboratorios.
Los resultados fuera de los rangos de referencia son clínicamente interpretables
Genotipo de histocompatibilidad
Anticuerpos contra agentes infecciosos
IgE sérica total
IgE específica de alérgeno
Autoanticuerpos
Pruebas cutáneas de hipersensibilidad
Explosión oxidativa de granulocitos
Histopatología (biopsia de tejido)
Investigación
Debe incluirse solo con poblaciones de control y un diseño de estudio cuidadoso
Indicadores de funciones/eventos inmunitarios generales o específicos
El costo varía; a menudo caro
Los métodos de ensayo generalmente no están estandarizados entre los laboratorios.
Los resultados fuera de los rangos de referencia a menudo no son clínicamente interpretables
Ensayos de estimulación in vitro
Marcadores de superficie de activación celular
Concentraciones séricas de citoquinas
Ensayos de clonalidad (anticuerpo, celular, genético)
Pruebas de citotoxicidad

 

Dado que rara vez se dispone de datos humanos adecuados, la evaluación del riesgo de inmunosupresión inducida por productos químicos en humanos se basa en la mayoría de los casos en estudios con animales. La identificación de xenobióticos inmunotóxicos potenciales se lleva a cabo principalmente en estudios controlados en roedores. Los estudios de exposición in vivo presentan, en este sentido, el enfoque óptimo para estimar el potencial inmunotóxico de un compuesto. Esto se debe a la naturaleza multifactorial y compleja del sistema inmunitario y de las respuestas inmunitarias. Los estudios in vitro tienen un valor creciente en la aclaración de los mecanismos de inmunotoxicidad. Además, al investigar los efectos del compuesto utilizando células de origen animal y humano, se pueden generar datos para la comparación de especies, que se pueden utilizar en el enfoque de “paralelogramo” para mejorar el proceso de evaluación de riesgos. Si hay datos disponibles para los tres pilares del paralelogramo (animal in vivo y animal y humano in vitro), puede ser más fácil predecir el resultado en el pilar restante, es decir, el riesgo en humanos.

Cuando la evaluación del riesgo de inmunosupresión inducida por productos químicos tiene que basarse únicamente en datos de estudios en animales, se puede seguir un enfoque en la extrapolación al hombre mediante la aplicación de factores de incertidumbre al nivel sin efecto adverso observado (NOAEL). Este nivel puede basarse en parámetros determinados en modelos relevantes, como ensayos de resistencia del huésped y evaluación in vivo de reacciones de hipersensibilidad y producción de anticuerpos. Idealmente, la relevancia de este enfoque para la evaluación de riesgos requiere confirmación mediante estudios en humanos. Dichos estudios deben combinar la identificación y medición del tóxico, los datos epidemiológicos y las evaluaciones del estado inmunitario.

Para predecir la hipersensibilidad por contacto, se dispone de modelos de conejillos de indias que se han utilizado en la evaluación de riesgos desde la década de 1970. Aunque sensibles y reproducibles, estas pruebas tienen limitaciones ya que dependen de la evaluación subjetiva; esto se puede superar con métodos más nuevos y cuantitativos desarrollados en el ratón. Con respecto a la hipersensibilidad inducida por sustancias químicas inducida por la inhalación o ingestión de alérgenos, las pruebas deben desarrollarse y evaluarse en términos de su valor predictivo en el hombre. Cuando se trata de establecer niveles seguros de exposición ocupacional de alérgenos potenciales, se debe tener en cuenta la naturaleza bifásica de la alergia: la fase de sensibilización y la fase de provocación. La concentración requerida para provocar una reacción alérgica en un individuo previamente sensibilizado es considerablemente más baja que la concentración necesaria para inducir la sensibilización en el individuo inmunológicamente inexperto pero susceptible.

Dado que prácticamente no existen modelos animales para predecir la autoinmunidad inducida por sustancias químicas, se debe hacer hincapié en el desarrollo de tales modelos. Para el desarrollo de dichos modelos, nuestro conocimiento de la autoinmunidad inducida por sustancias químicas en humanos debe avanzar, incluido el estudio de marcadores genéticos y del sistema inmunitario para identificar individuos susceptibles. Los seres humanos que están expuestos a fármacos que inducen la autoinmunidad ofrecen esa oportunidad.

 

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Domingo, enero 16 2011 18: 43

Toxicología de órganos diana

El estudio y la caracterización de sustancias químicas y otros agentes en cuanto a propiedades tóxicas a menudo se lleva a cabo sobre la base de órganos y sistemas de órganos específicos. En este capítulo, se han seleccionado dos objetivos para una discusión en profundidad: el sistema inmunitario y el gen. Estos ejemplos se eligieron para representar un sistema de órganos diana complejo y una diana molecular dentro de las células. Para una discusión más completa de la toxicología de los órganos diana, se remite al lector a los textos de toxicología estándar como Casarett y Doull, y Hayes. El Programa Internacional de Seguridad Química (IPCS) también ha publicado varios documentos de criterios sobre toxicología de órganos diana, por sistema de órganos.

Los estudios de toxicología de órganos diana suelen emprenderse sobre la base de información que indica el potencial de efectos tóxicos específicos de una sustancia, ya sea a partir de datos epidemiológicos o de estudios generales de toxicidad aguda o crónica, o sobre la base de preocupaciones especiales para proteger ciertas funciones de órganos, como como la reproducción o el desarrollo fetal. En algunos casos, las pruebas de toxicidad específica de órganos diana están expresamente exigidas por las autoridades legales, como las pruebas de neurotoxicidad bajo la ley de pesticidas de los EE. UU. Ley de Control de Sustancias (ver “Principios de identificación de peligros: El enfoque japonés”).

Como se discutió en "Órgano objetivo y efectos críticos", la identificación de un órgano crítico se basa en la detección del órgano o sistema de órganos que primero responde de manera adversa o a las dosis o exposiciones más bajas. Esta información luego se usa para diseñar investigaciones toxicológicas específicas o pruebas de toxicidad más definidas que están diseñadas para obtener indicaciones más sensibles de intoxicación en el órgano objetivo. Los estudios de toxicología de órganos diana también se pueden utilizar para determinar los mecanismos de acción, de uso en la evaluación de riesgos (consulte “El enfoque de los Estados Unidos para la evaluación de riesgos de sustancias tóxicas para la reproducción y agentes neurotóxicos”).

Métodos de estudios de toxicidad en órganos diana

Los órganos diana pueden estudiarse mediante la exposición de organismos intactos y un análisis detallado de la función y la histopatología en el órgano diana, o mediante la exposición in vitro de células, cortes de tejido u órganos completos mantenidos durante períodos cortos o largos en cultivo (consulte “Mecanismos de toxicología: Introducción y conceptos”). En algunos casos, los tejidos de sujetos humanos también pueden estar disponibles para estudios de toxicidad en órganos diana, y estos pueden brindar oportunidades para validar los supuestos de extrapolación entre especies. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que dichos estudios no proporcionan información sobre la toxicocinética relativa.

En general, los estudios de toxicidad en órganos diana comparten las siguientes características comunes: examen histopatológico detallado del órgano diana, incluido el examen post mortem, el peso del tejido y el examen de tejidos fijados; estudios bioquímicos de vías críticas en el órgano diana, como importantes sistemas enzimáticos; estudios funcionales de la capacidad del órgano y los constituyentes celulares para realizar las funciones metabólicas y de otro tipo esperadas; y análisis de biomarcadores de exposición y efectos tempranos en células de órganos diana.

El conocimiento detallado de la fisiología, bioquímica y biología molecular de los órganos diana puede incorporarse en los estudios de órganos diana. Por ejemplo, debido a que la síntesis y secreción de proteínas de bajo peso molecular es un aspecto importante de la función renal, los estudios de nefrotoxicidad suelen prestar especial atención a estos parámetros (IPCS 1991). Debido a que la comunicación de célula a célula es un proceso fundamental de la función del sistema nervioso, los estudios de neurotoxicidad en órganos diana pueden incluir mediciones neuroquímicas y biofísicas detalladas de la síntesis, captación, almacenamiento, liberación y unión del receptor de neurotransmisores, así como mediciones electrofisiológicas de los cambios en la membrana. potencial asociado con estos eventos.

Se está poniendo un alto grado de énfasis en el desarrollo de métodos in vitro para la toxicidad de órganos diana, para reemplazar o reducir el uso de animales enteros. Se han logrado avances sustanciales en estos métodos para los tóxicos reproductivos (Heindel y Chapin 1993).

En resumen, los estudios de toxicidad en órganos diana se realizan generalmente como una prueba de orden superior para determinar la toxicidad. La selección de órganos objetivo específicos para una evaluación adicional depende de los resultados de las pruebas de nivel de detección, como las pruebas agudas o subcrónicas utilizadas por la OCDE y la Unión Europea; algunos órganos y sistemas de órganos diana pueden ser candidatos a priori para una investigación especial debido a la preocupación por prevenir ciertos tipos de efectos adversos para la salud.

 

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