Esposizione, dose e risposta

Tossicità è la capacità intrinseca di un agente chimico di influenzare negativamente un organismo.

xenobiotici è un termine per "sostanze estranee", cioè estranee all'organismo. Il suo opposto sono i composti endogeni. Gli xenobiotici includono farmaci, prodotti chimici industriali, veleni presenti in natura e inquinanti ambientali.

Pericolo è il potenziale per la tossicità da realizzare in un ambiente o situazione specifica.

Rischio è la probabilità che si verifichi uno specifico effetto avverso. È spesso espresso come percentuale di casi in una data popolazione e durante un periodo di tempo specifico. Una stima del rischio può basarsi su casi effettivi o su una proiezione di casi futuri, basata su estrapolazioni.

Valutazione della tossicità ed classificazione della tossicità può essere utilizzato a fini normativi. La valutazione della tossicità è una classificazione arbitraria delle dosi o dei livelli di esposizione che causano effetti tossici. La classificazione può essere "supertossica", "altamente tossica", "moderatamente tossica" e così via. Le valutazioni più comuni riguardano la tossicità acuta. La classificazione della tossicità riguarda il raggruppamento delle sostanze chimiche in categorie generali in base al loro effetto tossico più importante. Tali categorie possono includere allergeni, neurotossici, cancerogeni e così via. Questa classificazione può avere valore amministrativo come avvertimento e come informazione.

I relazione dose-effetto è la relazione tra dose ed effetto a livello individuale. Un aumento della dose può aumentare l'intensità di un effetto o può determinarne un effetto più grave. Una curva dose-effetto può essere ottenuta a livello dell'intero organismo, della cellula o della molecola bersaglio. Alcuni effetti tossici, come la morte o il cancro, non sono classificati ma sono effetti "tutti o nessuno".

I relazione dose-risposta è il rapporto tra la dose e la percentuale di individui che mostrano un effetto specifico. Con l'aumentare della dose, di solito sarà colpito un numero maggiore di individui nella popolazione esposta.

Per la tossicologia è essenziale stabilire le relazioni dose-effetto e dose-risposta. Negli studi medici (epidemiologici) un criterio spesso utilizzato per accettare una relazione causale tra un agente e una malattia è che l'effetto o la risposta è proporzionale alla dose.

È possibile tracciare diverse curve dose-risposta per una sostanza chimica, una per ciascun tipo di effetto. La curva dose-risposta per la maggior parte degli effetti tossici (quando studiata in grandi popolazioni) ha una forma sigmoidea. Di solito esiste un intervallo di basse dosi in cui non viene rilevata alcuna risposta; all'aumentare della dose, la risposta segue una curva ascendente che di solito raggiunge un plateau con una risposta del 100%. La curva dose-risposta riflette le variazioni tra gli individui in una popolazione. La pendenza della curva varia da sostanza chimica a chimica e tra diversi tipi di effetti. Per alcune sostanze chimiche con effetti specifici (agenti cancerogeni, iniziatori, mutageni) la curva dose-risposta potrebbe essere lineare dalla dose zero entro un certo intervallo di dose. Ciò significa che non esiste una soglia e che anche piccole dosi rappresentano un rischio. Al di sopra di tale intervallo di dose, il rischio può aumentare a una velocità superiore a quella lineare.

La variazione dell'esposizione durante il giorno e la durata totale dell'esposizione durante la vita di una persona possono essere tanto importanti per l'esito (risposta) quanto il livello di dose medio o medio o anche integrato. Le esposizioni di picco elevate possono essere più dannose di un livello di esposizione più uniforme. Questo è il caso di alcuni solventi organici. D'altra parte, per alcuni agenti cancerogeni, è stato sperimentalmente dimostrato che il frazionamento di una singola dose in più esposizioni con la stessa dose totale può essere più efficace nella produzione di tumori.

A dose è spesso espresso come la quantità di uno xenobiotico che entra in un organismo (in unità come mg/kg di peso corporeo). La dose può essere espressa in modi diversi (più o meno informativi): dose di esposizione, che è la concentrazione nell'aria dell'inquinante inalato durante un certo periodo di tempo (in igiene del lavoro di solito otto ore), o il mantenuto or dose assorbita (in igiene industriale chiamato anche il carico corporeo), che è la quantità presente nel corpo in un determinato momento durante o dopo l'esposizione. Il dose tissutale è la quantità di sostanza in un tessuto specifico e il dose target è la quantità di sostanza (solitamente un metabolita) legata alla molecola critica. La dose target può essere espressa come mg di sostanza chimica legata per mg di una specifica macromolecola nel tessuto. Per applicare questo concetto sono necessarie informazioni sul meccanismo dell'azione tossica a livello molecolare. La dose target è più esattamente associata all'effetto tossico. La dose di esposizione o il carico corporeo possono essere più facilmente disponibili, ma questi sono meno precisamente correlati all'effetto.

Nel concetto di dose è spesso compreso un aspetto temporale, anche se non sempre espresso. La dose teorica secondo la legge di Haber è D = t, where D è la dose, c è la concentrazione dello xenobiotico nell'aria e t la durata dell'esposizione alla sostanza chimica. Se questo concetto viene utilizzato a livello di organo bersaglio o molecolare, può essere utilizzata la quantità per mg di tessuto o molecola in un certo periodo di tempo. L'aspetto temporale è solitamente più importante per comprendere le esposizioni ripetute e gli effetti cronici che per le singole esposizioni e gli effetti acuti.

Effetti additivi si verificano a seguito dell'esposizione a una combinazione di sostanze chimiche, in cui le singole tossicità sono semplicemente sommate l'una all'altra (1+1= 2). Quando le sostanze chimiche agiscono attraverso lo stesso meccanismo, si presume l'additività dei loro effetti, anche se non sempre è così nella realtà. L'interazione tra sostanze chimiche può provocare un'inibizione (antagonismo), con un effetto minore di quello atteso dalla somma degli effetti delle singole sostanze chimiche (1+1 2). In alternativa, una combinazione di sostanze chimiche può produrre un effetto più pronunciato di quanto ci si aspetterebbe dall'aggiunta (aumento della risposta tra gli individui o aumento della frequenza della risposta in una popolazione), questo è chiamato sinergismo (1+1 >2).

Tempo di latenza è il tempo che intercorre tra la prima esposizione e la comparsa di un effetto o di una risposta rilevabile. Il termine è spesso usato per gli effetti cancerogeni, in cui i tumori possono comparire molto tempo dopo l'inizio dell'esposizione e talvolta molto tempo dopo la cessazione dell'esposizione.

A soglia di dose è un livello di dose al di sotto del quale non si verifica alcun effetto osservabile. Si ritiene che esistano soglie per determinati effetti, come gli effetti tossici acuti; ma non per altri, come gli effetti cancerogeni (da parte di iniziatori che formano addotti del DNA). La semplice assenza di una risposta in una data popolazione non dovrebbe, tuttavia, essere considerata come prova dell'esistenza di una soglia. L'assenza di risposta potrebbe essere dovuta a semplici fenomeni statistici: un effetto avverso che si verifica a bassa frequenza potrebbe non essere rilevabile in una piccola popolazione.

LD₅₀ (dose efficace) è la dose che causa il 50% di letalità in una popolazione animale. Il D.L₅₀ è spesso indicato nella letteratura più antica come misura della tossicità acuta delle sostanze chimiche. Maggiore è il LD₅₀, minore è la tossicità acuta. Una sostanza chimica altamente tossica (con un basso LD₅₀) si dice che sia potente. Non esiste una correlazione necessaria tra tossicità acuta e cronica. ED₅₀ (dose efficace) è la dose che provoca un effetto specifico diverso dalla letalità nel 50% degli animali.

NOEL (NOAEL) indica il livello senza effetto (avverso) osservato o la dose più alta che non provoca un effetto tossico. Per stabilire un NOEL sono necessarie dosi multiple, un'ampia popolazione e informazioni aggiuntive per garantire che l'assenza di una risposta non sia un mero fenomeno statistico. LOEL è la dose efficace più bassa osservata su una curva dose-risposta, o la dose più bassa che provoca un effetto.

A fattore sicurezza è un numero formale e arbitrario con cui si divide il NOEL o il LOEL derivato da esperimenti su animali per ottenere una dose ammissibile provvisoria per l'uomo. Questo è spesso utilizzato nell'area della tossicologia alimentare, ma può essere utilizzato anche nella tossicologia occupazionale. Un fattore di sicurezza può anche essere utilizzato per l'estrapolazione dei dati da piccole popolazioni a popolazioni più grandi. I fattori di sicurezza vanno da 10⁰ a 10³. Un fattore di sicurezza pari a due può in genere essere sufficiente per proteggere da un effetto meno grave (come l'irritazione) e un fattore pari a 1,000 può essere utilizzato per effetti molto gravi (come il cancro). Il termine fattore sicurezza potrebbe essere meglio sostituito dal termine protezione fattore o anche, fattore di incertezza. L'uso di quest'ultimo termine riflette incertezze scientifiche, ad esempio se i dati dose-risposta esatti possono essere trasferiti dagli animali all'uomo per la particolare sostanza chimica, effetto tossico o situazione di esposizione.

estrapolazioni sono stime teoriche qualitative o quantitative della tossicità (estrapolazioni del rischio) derivate dalla traduzione di dati da una specie a un'altra o da una serie di dati dose-risposta (tipicamente nell'intervallo di dosi elevate) a regioni di dose-risposta in cui non esistono dati. Di solito devono essere effettuate estrapolazioni per prevedere le risposte tossiche al di fuori dell'intervallo di osservazione. La modellazione matematica viene utilizzata per estrapolazioni basate sulla comprensione del comportamento della sostanza chimica nell'organismo (modellazione tossicocinetica) o sulla base della comprensione delle probabilità statistiche che si verificheranno eventi biologici specifici (modelli basati sulla biologia o sulla meccanica). Alcune agenzie nazionali hanno sviluppato sofisticati modelli di estrapolazione come metodo formalizzato per prevedere i rischi a fini normativi. (Vedere la discussione sulla valutazione del rischio più avanti nel capitolo.)

Effetti sistemici sono effetti tossici nei tessuti distanti dalla via di assorbimento.

Organo bersaglio è l'organo principale o più sensibile colpito dopo l'esposizione. La stessa sostanza chimica che entra nel corpo attraverso diverse vie di esposizione dose, rateo di dose, sesso e specie può influenzare diversi organi bersaglio. L'interazione tra sostanze chimiche o tra sostanze chimiche e altri fattori può influenzare anche diversi organi bersaglio.

Effetti acuti si verificano dopo un'esposizione limitata e poco (ore, giorni) dopo l'esposizione e possono essere reversibili o irreversibili.

Effetti cronici si verificano dopo un'esposizione prolungata (mesi, anni, decenni) e/o persistono dopo che l'esposizione è cessata.

acuto esposizione è un'esposizione di breve durata, mentre esposizione cronica è un'esposizione a lungo termine (a volte per tutta la vita).

Tolleranza a una sostanza chimica può verificarsi quando le esposizioni ripetute determinano una risposta inferiore a quella che ci si sarebbe aspettati senza pretrattamento.

Assorbimento e disposizione

Processi di trasporto

Emittente. Per entrare nell'organismo e raggiungere un sito in cui si produce un danno, una sostanza estranea deve superare diverse barriere, comprese le cellule e le loro membrane. La maggior parte delle sostanze tossiche passa attraverso le membrane passivamente per diffusione. Ciò può avvenire per piccole molecole idrosolubili per passaggio attraverso canali acquosi o, per quelle liposolubili, per dissoluzione e diffusione attraverso la parte lipidica della membrana. L'etanolo, una piccola molecola solubile in acqua e grasso, si diffonde rapidamente attraverso le membrane cellulari.

Diffusione di acidi e basi deboli. Gli acidi e le basi deboli possono facilmente attraversare le membrane nella loro forma liposolubile non ionizzata mentre le forme ionizzate sono troppo polari per passare. Il grado di ionizzazione di queste sostanze dipende dal pH. Se esiste un gradiente di pH attraverso una membrana, si accumuleranno quindi su un lato. L'escrezione urinaria di acidi e basi deboli dipende fortemente dal pH urinario. Il pH fetale o embrionale è un po' più alto del pH materno, causando un leggero accumulo di acidi deboli nel feto o nell'embrione.

Diffusione facilitata. Il passaggio di una sostanza può essere facilitato dai trasportatori nella membrana. La diffusione facilitata è simile ai processi enzimatici in quanto è mediata da proteine, altamente selettiva e saturabile. Altre sostanze possono inibire il trasporto facilitato di xenobiotici.

Trasporto attivo. Alcune sostanze vengono trasportate attivamente attraverso le membrane cellulari. Questo trasporto è mediato da proteine ​​trasportatrici in un processo analogo a quello degli enzimi. Il trasporto attivo è simile alla diffusione facilitata, ma può verificarsi contro un gradiente di concentrazione. Richiede apporto di energia e un inibitore metabolico può bloccare il processo. La maggior parte degli inquinanti ambientali non viene trasportata attivamente. Un'eccezione è la secrezione tubulare attiva e il riassorbimento dei metaboliti acidi nei reni.

fagocitosi è un processo in cui cellule specializzate come i macrofagi inghiottono particelle per la successiva digestione. Questo processo di trasporto è importante, ad esempio, per la rimozione di particelle negli alveoli.

Flusso di massa. Le sostanze vengono anche trasportate nel corpo insieme al movimento dell'aria nel sistema respiratorio durante la respirazione e ai movimenti del sangue, della linfa o dell'urina.

Filtrazione. A causa della pressione idrostatica o osmotica, l'acqua scorre alla rinfusa attraverso i pori dell'endotelio. Qualsiasi soluto sufficientemente piccolo verrà filtrato insieme all'acqua. La filtrazione si verifica in una certa misura nel letto capillare di tutti i tessuti, ma è particolarmente importante nella formazione dell'urina primaria nei glomeruli renali.

Assorbimento

L'assorbimento è l'assorbimento di una sostanza dall'ambiente nell'organismo. Il termine di solito include non solo l'ingresso nel tessuto barriera, ma anche l'ulteriore trasporto nel sangue circolante.

Assorbimento polmonare. I polmoni sono la principale via di deposizione e assorbimento di piccole particelle sospese nell'aria, gas, vapori e aerosol. Per gas e vapori altamente solubili in acqua una parte significativa dell'assorbimento avviene nel naso e nell'albero respiratorio, ma per le sostanze meno solubili avviene principalmente negli alveoli polmonari. Gli alveoli hanno una superficie molto ampia (circa 100 m² negli umani). Inoltre, la barriera di diffusione è estremamente piccola, con solo due sottili strati cellulari e una distanza nell'ordine dei micrometri dall'aria alveolare alla circolazione sanguigna sistemica. Questo rende i polmoni molto efficienti non solo nello scambio di ossigeno e anidride carbonica ma anche di altri gas e vapori. In generale, la diffusione attraverso la parete alveolare è così rapida da non limitare l'assorbimento. La velocità di assorbimento è invece dipendente dal flusso (ventilazione polmonare, gittata cardiaca) e dalla solubilità (sangue:coefficiente di ripartizione dell'aria). Un altro fattore importante è l'eliminazione metabolica. L'importanza relativa di questi fattori per l'assorbimento polmonare varia notevolmente per le diverse sostanze. L'attività fisica comporta un aumento della ventilazione polmonare e della gittata cardiaca e una diminuzione del flusso sanguigno epatico (e, quindi, del tasso di biotrasformazione). Per molte sostanze inalate ciò comporta un marcato aumento dell'assorbimento polmonare.

Assorbimento percutaneo. La pelle è una barriera molto efficiente. Oltre al suo ruolo termoregolatore, ha lo scopo di proteggere l'organismo da microrganismi, radiazioni ultraviolette e altri agenti deleteri, nonché da un'eccessiva perdita di acqua. La distanza di diffusione nel derma è dell'ordine dei decimi di millimetro. Inoltre, lo strato di cheratina ha un'altissima resistenza alla diffusione per la maggior parte delle sostanze. Tuttavia, per alcune sostanze può verificarsi un significativo assorbimento cutaneo con conseguente tossicità, ad esempio sostanze liposolubili altamente tossiche come insetticidi organofosforici e solventi organici. È probabile che si verifichi un assorbimento significativo dopo l'esposizione a sostanze liquide. L'assorbimento percutaneo del vapore può essere importante per i solventi con una tensione di vapore molto bassa e un'elevata affinità per l'acqua e la pelle.

Assorbimento gastrointestinale si verifica dopo l'ingestione accidentale o intenzionale. Le particelle più grandi originariamente inalate e depositate nel tratto respiratorio possono essere ingerite dopo il trasporto mucociliare alla faringe. Praticamente tutte le sostanze solubili vengono efficacemente assorbite nel tratto gastrointestinale. Il basso pH dell'intestino può facilitare l'assorbimento, per esempio, dei metalli.

Altri percorsi. Nei test di tossicità e in altri esperimenti, vengono spesso utilizzate vie di somministrazione speciali per comodità, sebbene queste siano rare e di solito non rilevanti in ambito lavorativo. Queste vie includono iniezioni endovenose (IV), sottocutanee (sc), intraperitoneali (ip) e intramuscolari (im). In generale, le sostanze vengono assorbite a una velocità maggiore e in modo più completo attraverso queste vie, soprattutto dopo l'iniezione endovenosa. Ciò porta a picchi di concentrazione di breve durata ma elevati che possono aumentare la tossicità di una dose.

Distribuzione

La distribuzione di una sostanza all'interno dell'organismo è un processo dinamico che dipende dai tassi di assorbimento ed eliminazione, nonché dal flusso sanguigno ai diversi tessuti e dalle loro affinità per la sostanza. Le molecole idrosolubili, piccole e prive di carica, i cationi univalenti e la maggior parte degli anioni si diffondono facilmente e alla fine raggiungeranno una distribuzione relativamente uniforme nel corpo.

Volume di distribuzione è la quantità di una sostanza nel corpo in un dato momento, divisa per la concentrazione nel sangue, nel plasma o nel siero in quel momento. Il valore non ha significato come volume fisico, poiché molte sostanze non sono distribuite uniformemente nell'organismo. Un volume di distribuzione inferiore a un l/kg di peso corporeo indica una distribuzione preferenziale nel sangue (o siero o plasma), mentre un valore superiore a uno indica una preferenza per i tessuti periferici come il tessuto adiposo per le sostanze liposolubili.

accumulazione è l'accumulo di una sostanza in un tessuto o organo a livelli più elevati che nel sangue o nel plasma. Può anche riferirsi a un graduale accumulo nel tempo nell'organismo. Molti xenobiotici sono altamente liposolubili e tendono ad accumularsi nel tessuto adiposo, mentre altri hanno una speciale affinità per le ossa. Ad esempio, il calcio nelle ossa può essere scambiato con i cationi di piombo, stronzio, bario e radio, e i gruppi idrossilici nelle ossa possono essere scambiati con il fluoruro.

Barriere. I vasi sanguigni nel cervello, nei testicoli e nella placenta hanno caratteristiche anatomiche speciali che inibiscono il passaggio di grandi molecole come le proteine. Queste caratteristiche, spesso chiamate barriere sangue-cervello, sangue-testicoli e sangue-placenta, possono dare la falsa impressione che impediscano il passaggio di qualsiasi sostanza. Queste barriere hanno poca o nessuna importanza per gli xenobiotici che possono diffondersi attraverso le membrane cellulari.

Legatura del sangue. Le sostanze possono essere legate ai globuli rossi o ai componenti del plasma, oppure possono essere presenti non legate nel sangue. Il monossido di carbonio, l'arsenico, il mercurio organico e il cromo esavalente hanno un'elevata affinità per i globuli rossi, mentre il mercurio inorganico e il cromo trivalente mostrano una preferenza per le proteine ​​plasmatiche. Anche numerose altre sostanze si legano alle proteine ​​plasmatiche. Solo la frazione non legata è disponibile per la filtrazione o la diffusione negli organi eliminatori. Il legame con il sangue può quindi aumentare il tempo di permanenza nell'organismo ma diminuire l'assorbimento da parte degli organi bersaglio.

Eliminazione

Eliminazione è la scomparsa di una sostanza nel corpo. L'eliminazione può comportare l'escrezione dal corpo o la trasformazione in altre sostanze non catturate da uno specifico metodo di misurazione. La velocità di scomparsa può essere espressa dalla costante di velocità di eliminazione, dall'emivita biologica o dalla clearance.

Curva concentrazione-tempo. La curva della concentrazione nel sangue (o nel plasma) rispetto al tempo è un modo conveniente per descrivere l'assorbimento e la disposizione di uno xenobiotico.

Area sotto la curva (AUC) è l'integrale della concentrazione nel sangue (plasma) nel tempo. Quando la saturazione metabolica e altri processi non lineari sono assenti, l'AUC è proporzionale alla quantità di sostanza assorbita.

Intervallo biologico (o emivita) è il tempo necessario dopo la fine dell'esposizione per dimezzare la quantità nell'organismo. Poiché è spesso difficile valutare la quantità totale di una sostanza, vengono utilizzate misure come la concentrazione nel sangue (plasma). L'intervallo deve essere utilizzato con cautela, in quanto può cambiare, ad esempio, con la dose e la durata dell'esposizione. Inoltre, molte sostanze hanno curve di decadimento complesse con diversi tempi di dimezzamento.

biodisponibilità è la frazione di una dose somministrata che entra nella circolazione sistemica. In assenza di clearance presistemica, o metabolismo di primo passaggio, la frazione è uno. Nell'esposizione orale la clearance presistemica può essere dovuta al metabolismo all'interno del contenuto gastrointestinale, della parete intestinale o del fegato. Il metabolismo di primo passaggio ridurrà l'assorbimento sistemico della sostanza e aumenterà invece l'assorbimento dei metaboliti. Questo può portare a un diverso modello di tossicità.

Autorizzazione è il volume di sangue (plasma) per unità di tempo completamente ripulito da una sostanza. Per distinguere dalla clearance renale, ad esempio, viene spesso aggiunto il prefisso total, metabolic o blood (plasma).

Gioco intrinseco è la capacità degli enzimi endogeni di trasformare una sostanza, ed è espressa anche in volume per unità di tempo. Se la clearance intrinseca in un organo è molto inferiore al flusso sanguigno, si dice che il metabolismo è a capacità limitata. Al contrario, se la clearance intrinseca è molto più elevata del flusso sanguigno, il metabolismo è limitato dal flusso.

Escrezione

L'escrezione è l'uscita di una sostanza e dei suoi prodotti di biotrasformazione dall'organismo.

Escrezione nelle urine e nella bile. I reni sono gli organi escretori più importanti. Alcune sostanze, in particolare gli acidi ad alto peso molecolare, vengono escrete con la bile. Una frazione delle sostanze escrete dalle vie biliari può essere riassorbita nell'intestino. Questo processo, circolazione enteroepatica, è comune per le sostanze coniugate dopo l'idrolisi intestinale del coniugato.

Altre vie di escrezione. Alcune sostanze, come i solventi organici ei prodotti di decomposizione come l'acetone, sono sufficientemente volatili da poter essere espulse per espirazione dopo l'inalazione in una frazione considerevole. Piccole molecole idrosolubili così come quelle liposolubili vengono prontamente secrete nel feto attraverso la placenta e nel latte nei mammiferi. Per la madre, l'allattamento può essere una via escretoria quantitativamente importante per sostanze chimiche liposolubili persistenti. La prole può essere secondariamente esposta attraverso la madre durante la gravidanza e durante l'allattamento. I composti idrosolubili possono in una certa misura essere escreti nel sudore e nella saliva. Questi percorsi sono generalmente di minore importanza. Tuttavia, poiché viene prodotto e ingerito un grande volume di saliva, l'escrezione salivare può contribuire al riassorbimento del composto. Alcuni metalli come il mercurio vengono escreti legandosi permanentemente ai gruppi sulfidrilici della cheratina nei capelli.

Modelli tossicocinetici

I modelli matematici sono strumenti importanti per comprendere e descrivere l'assorbimento e la disposizione di sostanze estranee. La maggior parte dei modelli sono compartimentali, cioè l'organismo è rappresentato da uno o più compartimenti. Un compartimento è un volume chimicamente e fisicamente teorico in cui si presume che la sostanza si distribuisca in modo omogeneo e istantaneo. I modelli semplici possono essere espressi come somma di termini esponenziali, mentre quelli più complicati richiedono procedure numeriche su un computer per la loro soluzione. I modelli possono essere suddivisi in due categorie, descrittivi e fisiologici.

In descrittivo modelli, l'adattamento ai dati misurati viene eseguito modificando i valori numerici dei parametri del modello o anche la struttura del modello stesso. La struttura del modello normalmente ha poco a che fare con la struttura dell'organismo. I vantaggi dell'approccio descrittivo sono che vengono fatte poche assunzioni e che non sono necessari dati aggiuntivi. Uno svantaggio dei modelli descrittivi è la loro limitata utilità per le estrapolazioni.

Modelli fisiologici sono costruiti da dati fisiologici, anatomici e altri dati indipendenti. Il modello viene quindi perfezionato e validato confrontandolo con i dati sperimentali. Un vantaggio dei modelli fisiologici è che possono essere utilizzati per scopi di estrapolazione. Ad esempio, l'influenza dell'attività fisica sull'assorbimento e la disposizione delle sostanze inalate può essere prevista da aggiustamenti fisiologici noti nella ventilazione e nella gittata cardiaca. Uno svantaggio dei modelli fisiologici è che richiedono una grande quantità di dati indipendenti.

biotrasformazione

biotrasformazione è un processo che porta a una conversione metabolica di composti estranei (xenobiotici) nel corpo. Il processo è spesso indicato come metabolismo degli xenobiotici. Come regola generale, il metabolismo converte gli xenobiotici liposolubili in grandi metaboliti idrosolubili che possono essere efficacemente escreti.

Il fegato è il principale sito di biotrasformazione. Tutti gli xenobiotici prelevati dall'intestino vengono trasportati al fegato da un singolo vaso sanguigno (vena porta). Se assorbita in piccole quantità, una sostanza estranea può essere completamente metabolizzata nel fegato prima di raggiungere la circolazione generale e altri organi (effetto di primo passaggio). Gli xenobiotici inalati vengono distribuiti attraverso la circolazione generale al fegato. In tal caso solo una frazione della dose viene metabolizzata nel fegato prima di raggiungere altri organi.

Le cellule del fegato contengono diversi enzimi che ossidano gli xenobiotici. Questa ossidazione generalmente attiva il composto: diventa più reattivo della molecola madre. Nella maggior parte dei casi il metabolita ossidato viene ulteriormente metabolizzato da altri enzimi in una seconda fase. Questi enzimi coniugano il metabolita con un substrato endogeno, in modo che la molecola diventi più grande e più polare. Questo facilita l'escrezione.

Gli enzimi che metabolizzano gli xenobiotici sono presenti anche in altri organi come polmoni e reni. In questi organi possono svolgere ruoli specifici e qualitativamente importanti nel metabolismo di alcuni xenobiotici. I metaboliti formati in un organo possono essere ulteriormente metabolizzati in un secondo organo. Anche i batteri nell'intestino possono partecipare alla biotrasformazione.

I metaboliti degli xenobiotici possono essere escreti dai reni o attraverso la bile. Possono anche essere espirati attraverso i polmoni o legati a molecole endogene nel corpo.

La relazione tra biotrasformazione e tossicità è complessa. La biotrasformazione può essere vista come un processo necessario per la sopravvivenza. Protegge l'organismo dalla tossicità prevenendo l'accumulo di sostanze nocive nel corpo. Tuttavia, durante la biotrasformazione possono formarsi metaboliti intermedi reattivi e questi sono potenzialmente dannosi. Questo si chiama attivazione metabolica. Pertanto, la biotrasformazione può anche indurre tossicità. I metaboliti intermedi ossidati che non sono coniugati possono legarsi e danneggiare le strutture cellulari. Se, per esempio, un metabolita xenobiotico si lega al DNA, può essere indotta una mutazione (vedi “Tossicologia genetica”). Se il sistema di biotrasformazione è sovraccarico, può verificarsi una massiccia distruzione delle proteine ​​essenziali o delle membrane lipidiche. Ciò può provocare la morte cellulare (vedere "Danno cellulare e morte cellulare").

Metabolismo è una parola spesso usata in modo intercambiabile con biotrasformazione. Denota la rottura chimica o le reazioni di sintesi catalizzate dagli enzimi nel corpo. I nutrienti del cibo, i composti endogeni e gli xenobiotici sono tutti metabolizzati nel corpo.

Attivazione metabolica significa che un composto meno reattivo viene convertito in una molecola più reattiva. Questo di solito si verifica durante le reazioni di Fase 1.

Inattivazione metabolica significa che una molecola attiva o tossica viene convertita in un metabolita meno attivo. Questo di solito si verifica durante le reazioni di fase 2. In alcuni casi un metabolita inattivato potrebbe essere riattivato, ad esempio mediante scissione enzimatica.

Reazione 1 di fase si riferisce al primo passo nel metabolismo xenobiotico. Di solito significa che il composto è ossidato. L'ossidazione di solito rende il composto più solubile in acqua e facilita ulteriori reazioni.

Enzimi del citocromo P450 sono un gruppo di enzimi che ossidano preferenzialmente gli xenobiotici nelle reazioni di fase 1. I diversi enzimi sono specializzati per la gestione di gruppi specifici di xenobiotici con determinate caratteristiche. Anche le molecole endogene sono substrati. Gli enzimi del citocromo P450 sono indotti dagli xenobiotici in modo specifico. L'ottenimento di dati di induzione sul citocromo P450 può essere informativo sulla natura delle esposizioni precedenti (vedere "Determinanti genetici della risposta tossica").

Reazione 2 di fase si riferisce alla seconda fase del metabolismo xenobiotico. Di solito significa che il composto ossidato è coniugato con (accoppiato a) una molecola endogena. Questa reazione aumenta ulteriormente la solubilità in acqua. Molti metaboliti coniugati vengono attivamente escreti attraverso i reni.

Transferasi sono un gruppo di enzimi che catalizzano le reazioni di fase 2. Coniugano gli xenobiotici con composti endogeni come il glutatione, gli amminoacidi, l'acido glucuronico o il solfato.

Glutatione è una molecola endogena, un tripeptide, che viene coniugato con xenobiotici nelle reazioni di Fase 2. È presente in tutte le cellule (e nelle cellule del fegato in alte concentrazioni) e di solito protegge dagli xenobiotici attivati. Quando il glutatione è esaurito, possono verificarsi reazioni tossiche tra metaboliti xenobiotici attivati ​​e proteine, lipidi o DNA.

Induzione significa che gli enzimi coinvolti nella biotrasformazione sono aumentati (in attività o quantità) come risposta all'esposizione xenobiotica. In alcuni casi in pochi giorni l'attività enzimatica può essere aumentata di diverse volte. L'induzione è spesso bilanciata in modo che entrambe le reazioni di Fase 1 e Fase 2 siano aumentate simultaneamente. Ciò può portare a una biotrasformazione più rapida e può spiegare la tolleranza. Al contrario, l'induzione sbilanciata può aumentare la tossicità.

Inibizione di biotrasformazione può verificarsi se due xenobiotici vengono metabolizzati dallo stesso enzima. I due substrati devono competere e di solito uno dei substrati è preferito. In tal caso il secondo substrato non viene metabolizzato o viene metabolizzato solo lentamente. Come con l'induzione, l'inibizione può aumentare così come diminuire la tossicità.

Attivazione dell'ossigeno può essere innescato dai metaboliti di alcuni xenobiotici. Possono auto-ossidarsi sotto la produzione di specie di ossigeno attivato. Queste specie derivate dall'ossigeno, che includono il superossido, il perossido di idrogeno e il radicale idrossile, possono danneggiare il DNA, i lipidi e le proteine ​​nelle cellule. L'attivazione dell'ossigeno è anche coinvolta nei processi infiammatori.

Variabilità genetica tra gli individui è visto in molti geni che codificano per enzimi di fase 1 e fase 2. La variabilità genetica può spiegare perché alcuni individui sono più suscettibili agli effetti tossici degli xenobiotici rispetto ad altri.

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