Mecanismos de Toxicidad
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
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
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.
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.
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.
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
Usando 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
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
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
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 | Medio ambiente | 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 | Medio ambiente | Monoaductos en ADN |
Metales y compuestos metálicos | Cisplatino | Quimioterapia contra el cáncer | Entrecruzamientos intra e intercatenarios en el ADN |
Compuestos de níquel | Medio ambiente | 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 | Medio ambiente | Aductos de ADN voluminosos |
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
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):
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:
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.
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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