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Meccanismi di tossicità

Domenica, Gennaio 16 2011 16: 18

Introduzione e concetti

La tossicologia meccanicistica è lo studio di come gli agenti chimici o fisici interagiscono con gli organismi viventi per causare tossicità. La conoscenza del meccanismo di tossicità di una sostanza migliora la capacità di prevenire la tossicità e progettare sostanze chimiche più desiderabili; costituisce la base per la terapia in caso di sovraesposizione e spesso consente un'ulteriore comprensione dei processi biologici fondamentali. Ai fini di questo Enciclopedia l'accento sarà posto sugli animali per prevedere la tossicità umana. Diverse aree della tossicologia includono la tossicologia meccanicistica, descrittiva, normativa, forense e ambientale (Klaassen, Amdur e Doull 1991). Tutti questi traggono vantaggio dalla comprensione dei meccanismi fondamentali della tossicità.

Perché comprendere i meccanismi di tossicità?

Comprendere il meccanismo mediante il quale una sostanza provoca tossicità migliora diverse aree della tossicologia in modi diversi. La comprensione meccanicistica aiuta il regolatore governativo a stabilire limiti di sicurezza legalmente vincolanti per l'esposizione umana. Aiuta i tossicologi a raccomandare linee d'azione riguardanti la bonifica o la bonifica di siti contaminati e, insieme alle proprietà fisiche e chimiche della sostanza o miscela, può essere utilizzato per selezionare il grado di equipaggiamento protettivo richiesto. La conoscenza meccanicistica è utile anche per formare le basi per la terapia e la progettazione di nuovi farmaci per il trattamento delle malattie umane. Per il tossicologo forense il meccanismo della tossicità spesso fornisce informazioni su come un agente chimico o fisico può causare la morte o l'incapacità.

Se si comprende il meccanismo della tossicità, la tossicologia descrittiva diventa utile per prevedere gli effetti tossici delle sostanze chimiche correlate. È importante comprendere, tuttavia, che la mancanza di informazioni meccanicistiche non dissuade gli operatori sanitari dal proteggere la salute umana. Decisioni prudenti basate su studi sugli animali e sull'esperienza umana vengono utilizzate per stabilire livelli di esposizione sicuri. Tradizionalmente, un margine di sicurezza è stato stabilito utilizzando il "livello senza effetti avversi" o un "livello di effetti avversi più basso" da studi sugli animali (utilizzando disegni di esposizione ripetuta) e dividendo tale livello per un fattore di 100 per l'esposizione professionale o 1,000 per altra esposizione ambientale umana. Il successo di questo processo è evidente dai pochi casi di effetti nocivi per la salute attribuiti all'esposizione chimica nei lavoratori in cui in passato erano stati fissati e rispettati limiti di esposizione appropriati. Inoltre, la durata della vita umana continua ad aumentare, così come la qualità della vita. In generale, l'uso dei dati sulla tossicità ha portato a un efficace controllo normativo e volontario. La conoscenza dettagliata dei meccanismi tossici migliorerà la prevedibilità dei nuovi modelli di rischio attualmente in fase di sviluppo e si tradurrà in un miglioramento continuo.

La comprensione dei meccanismi ambientali è complessa e presuppone una conoscenza della perturbazione dell'ecosistema e dell'omeostasi (equilibrio). Anche se non discusso in questo articolo, una migliore comprensione dei meccanismi tossici e delle loro conseguenze finali in un ecosistema aiuterebbe gli scienziati a prendere decisioni prudenti in merito alla gestione dei rifiuti urbani e industriali. La gestione dei rifiuti è un'area di ricerca in crescita e continuerà ad essere molto importante in futuro.

Tecniche per lo studio dei meccanismi di tossicità

La maggior parte degli studi meccanicistici inizia con uno studio tossicologico descrittivo sugli animali o osservazioni cliniche sugli esseri umani. Idealmente, gli studi sugli animali includono attente osservazioni comportamentali e cliniche, attento esame biochimico di elementi del sangue e dell'urina per segni di funzione avversa dei principali sistemi biologici nel corpo e una valutazione post mortem di tutti i sistemi di organi mediante esame microscopico per verificare la presenza di lesioni (vedere le linee guida sui test dell'OCSE; le direttive CE sulla valutazione delle sostanze chimiche; le regole sui test dell'EPA degli Stati Uniti; i regolamenti sui prodotti chimici del Giappone). Questo è analogo a un esame fisico umano approfondito che si svolgerebbe in un ospedale per un periodo di tempo di due o tre giorni, ad eccezione dell'autopsia.

Comprendere i meccanismi della tossicità è l'arte e la scienza dell'osservazione, la creatività nella selezione delle tecniche per testare varie ipotesi e l'integrazione innovativa di segni e sintomi in una relazione causale. Gli studi meccanicistici iniziano con l'esposizione, seguono la distribuzione correlata al tempo e il destino nel corpo (farmacocinetica) e misurano l'effetto tossico risultante a un certo livello del sistema ea un certo livello di dose. Sostanze diverse possono agire a diversi livelli del sistema biologico causando tossicità.

Esposizione

La via di esposizione negli studi meccanicistici è solitamente la stessa dell'esposizione umana. La via è importante perché possono esserci effetti che si verificano localmente nel sito di esposizione oltre agli effetti sistemici dopo che la sostanza chimica è stata assorbita nel sangue e distribuita in tutto il corpo. Un esempio semplice ma convincente di un effetto locale sarebbe l'irritazione e l'eventuale corrosione della pelle in seguito all'applicazione di forti soluzioni acide o alcaline progettate per la pulizia di superfici dure. Allo stesso modo, l'irritazione e la morte cellulare possono verificarsi nelle cellule che rivestono il naso e/oi polmoni in seguito all'esposizione a vapori o gas irritanti come ossidi di azoto o ozono. (Entrambi sono costituenti dell'inquinamento atmosferico, o smog). Dopo l'assorbimento di una sostanza chimica nel sangue attraverso la pelle, i polmoni o il tratto gastrointestinale, la concentrazione in qualsiasi organo o tessuto è controllata da molti fattori che determinano la farmacocinetica della sostanza chimica nel corpo. Il corpo ha la capacità di attivare e disintossicare varie sostanze chimiche come indicato di seguito.

Ruolo della farmacocinetica nella tossicità

La farmacocinetica descrive le relazioni temporali per l'assorbimento chimico, la distribuzione, il metabolismo (alterazioni biochimiche nel corpo) e l'eliminazione o l'escrezione dal corpo. Relativamente ai meccanismi di tossicità, queste variabili farmacocinetiche possono essere molto importanti e in alcuni casi determinare se la tossicità si verificherà o meno. Ad esempio, se un materiale non viene assorbito in quantità sufficiente, non si verificherà tossicità sistemica (all'interno del corpo). Al contrario, una sostanza chimica altamente reattiva che viene disintossicata rapidamente (secondi o minuti) dagli enzimi digestivi o epatici potrebbe non avere il tempo di causare tossicità. Alcune sostanze e miscele alogenate policicliche così come alcuni metalli come il piombo non causerebbero una tossicità significativa se l'escrezione fosse rapida; ma l'accumulo a livelli sufficientemente elevati ne determina la tossicità poiché l'escrezione non è rapida (talvolta misurata in anni). Fortunatamente, la maggior parte delle sostanze chimiche non ha una ritenzione così lunga nel corpo. L'accumulo di un materiale innocuo non indurrebbe ancora tossicità. Il tasso di eliminazione dal corpo e disintossicazione è spesso indicato come l'emivita della sostanza chimica, che è il tempo in cui il 50% della sostanza chimica viene espulso o alterato in una forma non tossica.

Tuttavia, se una sostanza chimica si accumula in una particolare cellula o organo, ciò potrebbe segnalare un motivo per esaminare ulteriormente la sua potenziale tossicità in quell'organo. Più recentemente, sono stati sviluppati modelli matematici per estrapolare le variabili farmacocinetiche dagli animali all'uomo. Questi modelli farmacocinetici sono estremamente utili per generare ipotesi e verificare se l'animale sperimentale può essere una buona rappresentazione per l'uomo. Su questo argomento sono stati scritti numerosi capitoli e testi (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). Un esempio semplificato di un modello fisiologico è rappresentato in figura 1.

Figura 1. Un modello farmacocinetico semplificato

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Diversi livelli e sistemi possono essere influenzati negativamente

La tossicità può essere descritta a diversi livelli biologici. La lesione può essere valutata nell'intera persona (o animale), nel sistema di organi, nella cellula o nella molecola. I sistemi di organi includono il sistema immunitario, respiratorio, cardiovascolare, renale, endocrino, digestivo, muscolo-scheletrico, sanguigno, riproduttivo e nervoso centrale. Alcuni organi chiave includono fegato, reni, polmoni, cervello, pelle, occhi, cuore, testicoli o ovaie e altri organi importanti. A livello cellulare/biochimico, gli effetti avversi includono l'interferenza con la normale funzione proteica, la funzione del recettore endocrino, l'inibizione dell'energia metabolica o l'inibizione o l'induzione di enzimi xenobiotici (sostanze estranee). Gli effetti avversi a livello molecolare comprendono l'alterazione della normale funzione della trascrizione del DNA-RNA, del legame specifico del recettore citoplasmatico e nucleare e dei geni o dei prodotti genici. In definitiva, la disfunzione in un sistema di organi principali è probabilmente causata da un'alterazione molecolare in una particolare cellula bersaglio all'interno di quell'organo. Tuttavia, non sempre è possibile ricondurre un meccanismo a un'origine molecolare della causalità, né è necessario. L'intervento e la terapia possono essere progettati senza una completa comprensione del bersaglio molecolare. Tuttavia, la conoscenza del meccanismo specifico della tossicità aumenta il valore predittivo e l'accuratezza dell'estrapolazione ad altre sostanze chimiche. La figura 2 è una rappresentazione schematica dei vari livelli in cui è possibile rilevare l'interferenza dei normali processi fisiologici. Le frecce indicano che le conseguenze per un individuo possono essere determinate dall'alto verso il basso (esposizione, farmacocinetica a tossicità sistemica/organo) o dal basso verso l'alto (cambiamento molecolare, effetto cellulare/biochimico a tossicità sistemica/organo).

Figura 2. Rappresentazione dei meccanismi di tossicità

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Esempi di meccanismi di tossicità

I meccanismi di tossicità possono essere semplici o molto complessi. Spesso c'è una differenza tra il tipo di tossicità, il meccanismo di tossicità e il livello dell'effetto, in relazione al fatto che gli effetti avversi siano dovuti a una singola dose elevata acuta (come un avvelenamento accidentale) o a una dose inferiore esposizione ripetuta (da esposizione professionale o ambientale). Classicamente, a scopo di test, una singola dose elevata acuta viene somministrata mediante intubazione diretta nello stomaco di un roditore o esposizione a un'atmosfera di gas o vapore per due o quattro ore, a seconda di quale sia meglio simile all'esposizione umana. Gli animali vengono osservati per un periodo di due settimane dopo l'esposizione e quindi i principali organi esterni e interni vengono esaminati per rilevare lesioni. I test a dose ripetuta vanno da mesi ad anni. Per le specie di roditori, due anni sono considerati uno studio cronico (durata della vita) sufficiente per valutare la tossicità e la cancerogenicità, mentre per i primati non umani, due anni sarebbero considerati uno studio subcronico (meno della vita) per valutare la tossicità a dose ripetuta. Dopo l'esposizione viene condotto un esame completo di tutti i tessuti, organi e fluidi per determinare eventuali effetti avversi.

Meccanismi di tossicità acuta

I seguenti esempi sono specifici per effetti acuti ad alte dosi che possono portare alla morte o a gravi inabilitazioni. Tuttavia, in alcuni casi, l'intervento comporterà effetti transitori e completamente reversibili. La dose o la gravità dell'esposizione determineranno il risultato.

Asfissianti semplici. Il meccanismo di tossicità dei gas inerti e di alcune altre sostanze non reattive è la mancanza di ossigeno (anossia). Queste sostanze chimiche, che causano la privazione di ossigeno al sistema nervoso centrale (SNC), sono chiamate semplici asfissianti. Se una persona entra in uno spazio chiuso che contiene azoto senza ossigeno sufficiente, si verifica un'immediata deplezione di ossigeno nel cervello che porta all'incoscienza e infine alla morte se la persona non viene rimossa rapidamente. In casi estremi (quasi zero ossigeno) l'incoscienza può verificarsi in pochi secondi. Il salvataggio dipende dalla rapida rimozione in un ambiente ossigenato. La sopravvivenza con danno cerebrale irreversibile può verificarsi a causa di un salvataggio ritardato, a causa della morte dei neuroni, che non possono rigenerarsi.

Asfissianti chimici. Il monossido di carbonio (CO) compete con l'ossigeno per legarsi all'emoglobina (nei globuli rossi) e quindi priva i tessuti dell'ossigeno per il metabolismo energetico; ne può derivare la morte cellulare. L'intervento comprende la rimozione dalla fonte di CO e il trattamento con ossigeno. L'uso diretto dell'ossigeno si basa sull'azione tossica del CO. Un altro potente asfissiante chimico è il cianuro. Lo ione cianuro interferisce con il metabolismo cellulare e l'utilizzo dell'ossigeno per produrre energia. Il trattamento con nitrito di sodio provoca un cambiamento dell'emoglobina nei globuli rossi in metaemoglobina. La metaemoglobina ha una maggiore affinità di legame con lo ione cianuro rispetto al bersaglio cellulare del cianuro. Di conseguenza, la metaemoglobina lega il cianuro e tiene il cianuro lontano dalle cellule bersaglio. Questo costituisce la base per la terapia antidotica.

Depressori del sistema nervoso centrale (SNC).. La tossicità acuta è caratterizzata da sedazione o incoscienza per una serie di materiali come solventi che non sono reattivi o che si trasformano in intermedi reattivi. Si ipotizza che la sedazione/anestesia sia dovuta a un'interazione del solvente con le membrane delle cellule del SNC, che compromette la loro capacità di trasmettere segnali elettrici e chimici. Mentre la sedazione può sembrare una lieve forma di tossicità ed è stata la base per lo sviluppo dei primi anestetici, "la dose fa ancora il veleno". Se viene somministrata una dose sufficiente per ingestione o inalazione, l'animale può morire per arresto respiratorio. Se non si verifica la morte per anestesia, questo tipo di tossicità è solitamente facilmente reversibile quando il soggetto viene rimosso dall'ambiente o la sostanza chimica viene ridistribuita o eliminata dal corpo.

Effetti sulla pelle. Gli effetti negativi sulla pelle possono variare dall'irritazione alla corrosione, a seconda della sostanza incontrata. Gli acidi forti e le soluzioni alcaline sono incompatibili con i tessuti viventi e sono corrosivi, causando ustioni chimiche e possibili cicatrici. La cicatrizzazione è dovuta alla morte delle cellule dermiche profonde della pelle responsabili della rigenerazione. Concentrazioni inferiori possono solo causare irritazione del primo strato di pelle.

Un altro meccanismo tossico specifico della pelle è quello della sensibilizzazione chimica. Ad esempio, la sensibilizzazione si verifica quando il 2,4-dinitroclorobenzene si lega alle proteine ​​naturali della pelle e il sistema immunitario riconosce il complesso alterato legato alle proteine ​​come materiale estraneo. In risposta a questo materiale estraneo, il sistema immunitario attiva cellule speciali per eliminare la sostanza estranea mediante il rilascio di mediatori (citochine) che causano eruzioni cutanee o dermatiti (vedi “Immunotossicologia”). Questa è la stessa reazione del sistema immunitario quando si verifica l'esposizione all'edera velenosa. La sensibilizzazione immunitaria è molto specifica per la particolare sostanza chimica e richiede almeno due esposizioni prima che venga suscitata una risposta. La prima esposizione sensibilizza (prepara le cellule a riconoscere la sostanza chimica) e le successive esposizioni innescano la risposta del sistema immunitario. La rimozione dal contatto e la terapia sintomatica con creme antinfiammatorie contenenti steroidi sono generalmente efficaci nel trattamento di individui sensibilizzati. Nei casi gravi o refrattari viene utilizzato un immunosoppressore ad azione sistemica come il prednisone in combinazione con il trattamento topico.

Sensibilizzazione polmonare. Una risposta di sensibilizzazione immunitaria è provocata dal toluene diisocianato (TDI), ma il sito bersaglio sono i polmoni. La sovraesposizione al TDI in soggetti predisposti provoca edema polmonare (accumulo di liquidi), costrizione bronchiale e respirazione compromessa. Questa è una condizione grave e richiede la rimozione dell'individuo da potenziali esposizioni successive. Il trattamento è principalmente sintomatico. La sensibilizzazione della pelle e dei polmoni segue una risposta alla dose. Il superamento del livello fissato per l'esposizione professionale può causare effetti negativi.

Effetti sugli occhi. Le lesioni agli occhi vanno dall'arrossamento dello strato esterno (arrossamento da piscina) alla formazione di cataratta della cornea fino al danneggiamento dell'iride (parte colorata dell'occhio). I test di irritazione oculare vengono condotti quando si ritiene che non si verificheranno lesioni gravi. Molti dei meccanismi che causano la corrosione della pelle possono anche causare lesioni agli occhi. I materiali corrosivi per la pelle, come gli acidi forti (pH inferiore a 2) e gli alcali (pH superiore a 11.5), non sono testati sugli occhi degli animali perché la maggior parte causerà corrosione e cecità a causa di un meccanismo simile a quello che provoca la corrosione della pelle . Inoltre, agenti tensioattivi come detergenti e tensioattivi possono causare lesioni agli occhi che vanno dall'irritazione alla corrosione. Un gruppo di materiali che richiede cautela sono i tensioattivi caricati positivamente (cationici), che possono causare ustioni, opacità permanente della cornea e vascolarizzazione (formazione di vasi sanguigni). Un'altra sostanza chimica, il dinitrofenolo, ha un effetto specifico sulla formazione della cataratta. Ciò sembra essere correlato alla concentrazione di questa sostanza chimica nell'occhio, che è un esempio di specificità distributiva farmacocinetica.

Sebbene l'elenco di cui sopra sia lungi dall'essere esaustivo, è progettato per dare al lettore un apprezzamento per vari meccanismi di tossicità acuta.

Meccanismi di tossicità subcronica e cronica

Quando vengono somministrati come singola dose elevata, alcuni prodotti chimici non hanno lo stesso meccanismo di tossicità di quando vengono somministrati ripetutamente come dose inferiore ma comunque tossica. Quando viene somministrata una singola dose elevata, c'è sempre la possibilità di superare la capacità della persona di disintossicare o espellere la sostanza chimica, e questo può portare a una risposta tossica diversa rispetto a quando vengono somministrate dosi ripetitive inferiori. L'alcol è un buon esempio. Alte dosi di alcol portano a effetti primari sul sistema nervoso centrale, mentre dosi ripetute inferiori provocano danni al fegato.

Inibizione anticolinesterasica. La maggior parte dei pesticidi organofosfati, ad esempio, ha poca tossicità per i mammiferi fino a quando non viene attivata metabolicamente, principalmente nel fegato. Il principale meccanismo d'azione degli organofosfati è l'inibizione dell'acetilcolinesterasi (AChE) nel cervello e nel sistema nervoso periferico. AChE è l'enzima normale che termina la stimolazione del neurotrasmettitore acetilcolina. Una lieve inibizione dell'AChE per un periodo prolungato non è stata associata a effetti avversi. A livelli elevati di esposizione, l'incapacità di terminare questa stimolazione neuronale provoca una sovrastimolazione del sistema nervoso colinergico. La sovrastimolazione colinergica alla fine si traduce in una serie di sintomi, incluso l'arresto respiratorio, seguito dalla morte se non trattata. Il trattamento primario è la somministrazione di atropina, che blocca gli effetti dell'acetilcolina, e la somministrazione di cloruro di pralidossima, che riattiva l'AChE inibito. Pertanto, sia la causa che il trattamento della tossicità da organofosfati vengono affrontati comprendendo le basi biochimiche della tossicità.

Attivazione metabolica. Molte sostanze chimiche, tra cui il tetracloruro di carbonio, il cloroformio, l'acetilamminofluorene, le nitrosammine e il paraquat sono metabolicamente attivate a radicali liberi o altri intermedi reattivi che inibiscono e interferiscono con la normale funzione cellulare. Ad alti livelli di esposizione ciò provoca la morte cellulare (vedi “Danno cellulare e morte cellulare”). Mentre le interazioni specifiche ei bersagli cellulari rimangono sconosciuti, i sistemi di organi che hanno la capacità di attivare queste sostanze chimiche, come fegato, reni e polmoni, sono tutti potenziali bersagli di lesioni. Nello specifico, particolari cellule all'interno di un organo hanno una capacità maggiore o minore di attivare o disintossicare questi intermedi, e questa capacità determina la suscettibilità intracellulare all'interno di un organo. Il metabolismo è uno dei motivi per cui la comprensione della farmacocinetica, che descrive questi tipi di trasformazioni e la distribuzione e l'eliminazione di questi intermedi, è importante per riconoscere il meccanismo d'azione di queste sostanze chimiche.

Meccanismi del cancro. Il cancro è una molteplicità di malattie e mentre la comprensione di alcuni tipi di cancro sta aumentando rapidamente a causa delle numerose tecniche biologiche molecolari che sono state sviluppate dal 1980, c'è ancora molto da imparare. Tuttavia, è chiaro che lo sviluppo del cancro è un processo in più fasi e che i geni critici sono fondamentali per diversi tipi di cancro. Le alterazioni del DNA (mutazioni somatiche) in alcuni di questi geni critici possono causare un aumento della suscettibilità o lesioni cancerose (vedi “Tossicologia genetica”). L'esposizione a sostanze chimiche naturali (nei cibi cotti come manzo e pesce) o chimiche sintetiche (come la benzidina, usata come colorante) o agenti fisici (luce ultravioletta del sole, radon dal suolo, radiazioni gamma da procedure mediche o attività industriale) sono tutte contributori alle mutazioni geniche somatiche. Tuttavia, esistono sostanze naturali e sintetiche (come gli antiossidanti) e processi di riparazione del DNA che sono protettivi e mantengono l'omeostasi. È chiaro che la genetica è un fattore importante nel cancro, poiché sindromi di malattie genetiche come lo xeroderma pigmentoso, in cui manca la normale riparazione del DNA, aumentano notevolmente la suscettibilità al cancro della pelle dall'esposizione alla luce ultravioletta del sole.

Meccanismi riproduttivi. Analogamente al cancro, sono noti molti meccanismi di tossicità riproduttiva e/o dello sviluppo, ma c'è ancora molto da imparare. È noto che alcuni virus (come la rosolia), infezioni batteriche e farmaci (come talidomide e vitamina A) influiranno negativamente sullo sviluppo. Recentemente, il lavoro di Khera (1991), rivisto da Carney (1994), mostra una buona evidenza che gli effetti sullo sviluppo anormali nei test sugli animali con glicole etilenico sono attribuibili ai metaboliti acidi metabolici materni. Ciò si verifica quando il glicole etilenico viene metabolizzato in metaboliti acidi tra cui acido glicolico e ossalico. I successivi effetti sulla placenta e sul feto sembrano essere dovuti a questo processo di tossicità metabolica.

Conclusione

L'intento di questo articolo è quello di fornire una prospettiva su diversi meccanismi noti di tossicità e la necessità di studi futuri. È importante capire che la conoscenza meccanicistica non è assolutamente necessaria per proteggere la salute umana o ambientale. Questa conoscenza migliorerà la capacità del professionista di prevedere e gestire meglio la tossicità. Le effettive tecniche utilizzate per chiarire qualsiasi particolare meccanismo dipendono dalla conoscenza collettiva degli scienziati e dal pensiero di coloro che prendono decisioni riguardanti la salute umana.

 

Di ritorno

Domenica, Gennaio 16 2011 16: 29

Danno cellulare e morte cellulare

Praticamente tutta la medicina è dedicata a prevenire la morte cellulare, in malattie come l'infarto miocardico, l'ictus, il trauma e lo shock, oa provocarla, come nel caso delle malattie infettive e del cancro. È quindi essenziale comprenderne la natura ei meccanismi coinvolti. La morte cellulare è stata classificata come “accidentale”, cioè causata da agenti tossici, ischemia e così via, oppure “programmata”, come avviene durante lo sviluppo embriologico, compresa la formazione delle dita, e il riassorbimento della coda del girino.

Il danno cellulare e la morte cellulare sono, quindi, importanti sia in fisiologia che in fisiopatologia. La morte cellulare fisiologica è estremamente importante durante l'embriogenesi e lo sviluppo embrionale. Lo studio della morte cellulare durante lo sviluppo ha portato a importanti e nuove informazioni sulla genetica molecolare coinvolta, in particolare attraverso lo studio dello sviluppo negli animali invertebrati. In questi animali è stata attentamente studiata la localizzazione precisa e il significato delle cellule destinate a subire la morte cellulare e, con l'utilizzo delle classiche tecniche di mutagenesi, sono stati ora individuati diversi geni coinvolti. Negli organi adulti, l'equilibrio tra morte cellulare e proliferazione cellulare controlla le dimensioni dell'organo. In alcuni organi, come la pelle e l'intestino, c'è un ricambio continuo di cellule. Nella pelle, ad esempio, le cellule si differenziano quando raggiungono la superficie e infine subiscono la differenziazione terminale e la morte cellulare man mano che la cheratinizzazione procede con la formazione di involucri reticolati.

Molte classi di sostanze chimiche tossiche sono in grado di indurre un danno cellulare acuto seguito dalla morte. Questi includono anossia e ischemia e loro analoghi chimici come il cianuro di potassio; agenti cancerogeni chimici, che formano elettrofili che si legano covalentemente alle proteine ​​negli acidi nucleici; sostanze chimiche ossidanti, con conseguente formazione di radicali liberi e danno ossidante; attivazione del complemento; e una varietà di ionofori di calcio. La morte cellulare è anche una componente importante della carcinogenesi chimica; molti cancerogeni chimici completi, a dosi cancerogene, producono necrosi acuta e infiammazione seguite da rigenerazione e preneoplasia.

Definizioni

Danno cellulare

Il danno cellulare è definito come un evento o uno stimolo, come una sostanza chimica tossica, che perturba la normale omeostasi della cellula, causando così il verificarsi di una serie di eventi (figura 1). I principali bersagli della lesione letale illustrati sono l'inibizione della sintesi di ATP, l'interruzione dell'integrità della membrana plasmatica o il ritiro di fattori di crescita essenziali.

Figura 1. Danno cellulare

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Le lesioni letali provocano la morte di una cellula dopo un periodo di tempo variabile, a seconda della temperatura, del tipo di cellula e dello stimolo; oppure possono essere subletali o cronici, cioè la lesione risulta in uno stato omeostatico alterato che, sebbene anormale, non provoca morte cellulare (Trump e Arstila 1971; Trump e Berezesky 1992; Trump e Berezesky 1995; Trump, Berezesky e Osornio-Vargas 1981). Nel caso di una lesione letale, c'è una fase precedente al momento della morte cellulare

durante questo periodo, la cellula si riprenderà; tuttavia, dopo un determinato momento (il “punto di non ritorno” o punto di morte cellulare), la rimozione della lesione non comporta la guarigione ma la cellula subisce degradazione e idrolisi, raggiungendo infine l'equilibrio fisico-chimico con il ambiente. Questa è la fase nota come necrosi. Durante la fase preletale si verificano diversi tipi principali di cambiamento, a seconda della cellula e del tipo di lesione. Questi sono noti come apoptosi e oncosi.

 

 

 

 

 

Apoptosis

L'apoptosi deriva dalle parole greche apo, che significa lontano da, e ptosi, che significa cadere. Il termine allontanarsi da deriva dal fatto che, durante questo tipo di cambiamento preletale, le cellule si restringono e subiscono un marcato blebbing alla periferia. Le macchie poi si staccano e volano via. L'apoptosi si verifica in una varietà di tipi cellulari in seguito a vari tipi di danno tossico (Wyllie, Kerr e Currie 1980). È particolarmente importante nei linfociti, dove è il meccanismo predominante per il turnover dei cloni linfocitari. I frammenti risultanti risultano nei corpi basofili visti all'interno dei macrofagi nei linfonodi. In altri organi, l'apoptosi si verifica tipicamente in singole cellule che vengono rapidamente eliminate prima e dopo la morte per fagocitosi dei frammenti da parte delle cellule parenchimali adiacenti o dei macrofagi. L'apoptosi che si verifica in singole cellule con successiva fagocitosi in genere non provoca infiammazione. Prima della morte, le cellule apoptotiche mostrano un citosol molto denso con mitocondri normali o condensati. Il reticolo endoplasmatico (ER) è normale o solo leggermente dilatato. La cromatina nucleare è marcatamente raggruppata lungo l'involucro nucleare e attorno al nucleolo. Anche il contorno nucleare è irregolare e si verifica la frammentazione nucleare. La condensazione della cromatina è associata alla frammentazione del DNA che, in molti casi, si verifica tra i nucleosomi, conferendo all'elettroforesi un caratteristico aspetto a scala.

Nell'apoptosi, l'aumento di [Ca2+]i può stimolare K+ efflusso con conseguente restringimento cellulare, che probabilmente richiede ATP. Le lesioni che inibiscono totalmente la sintesi di ATP, quindi, hanno maggiori probabilità di provocare l'apoptosi. Un aumento sostenuto di [Ca2+]i ha una serie di effetti deleteri tra cui l'attivazione di proteasi, endonucleasi e fosfolipasi. L'attivazione dell'endonucleasi si traduce in rotture del singolo e doppio filamento di DNA che, a loro volta, stimolano livelli aumentati di p53 e nella ribosilazione di poli-ADP e di proteine ​​nucleari che sono essenziali nella riparazione del DNA. L'attivazione delle proteasi modifica una serie di substrati tra cui l'actina e le proteine ​​correlate che portano alla formazione di bleb. Un altro substrato importante è la poli(ADP-ribosio) polimerasi (PARP), che inibisce la riparazione del DNA. Aumentato [Ca2+]i è anche associato all'attivazione di una serie di protein chinasi, come MAP chinasi, calmodulina chinasi e altre. Tali chinasi sono coinvolte nell'attivazione di fattori di trascrizione che avviano la trascrizione di geni immediatamente precoci, ad esempio c-fos, c-jun e c-myc, e nell'attivazione della fosfolipasi A2 che si traduce in permeabilizzazione della membrana plasmatica e delle membrane intracellulari come la membrana interna dei mitocondri.

Oncosi

Oncosi, derivato dalla parola greca È s, gonfiarsi, è così chiamato perché in questo tipo di mutamento preletale la cellula inizia a gonfiarsi quasi immediatamente dopo la lesione (Majno e Joris 1995). La ragione del gonfiore è un aumento dei cationi nell'acqua all'interno della cellula. Il principale catione responsabile è il sodio, che normalmente è regolato per mantenere il volume cellulare. Tuttavia, in assenza di ATP o se la Na-ATPasi del plasmalemma è inibita, il controllo del volume viene perso a causa delle proteine ​​intracellulari e il sodio nell'acqua continua ad aumentare. Tra gli eventi precoci in oncosi sono, quindi, aumentati [Na+]i che porta al rigonfiamento cellulare e all'aumento di [Ca2+]i derivanti dall'afflusso dallo spazio extracellulare o dal rilascio dai depositi intracellulari. Ciò si traduce in gonfiore del citosol, gonfiore del reticolo endoplasmatico e dell'apparato di Golgi e formazione di bolle acquose attorno alla superficie cellulare. I mitocondri inizialmente subiscono la condensazione, ma in seguito anch'essi mostrano un rigonfiamento ad alta ampiezza a causa del danno alla membrana mitocondriale interna. In questo tipo di mutamento preletale, la cromatina subisce condensazione e infine degradazione; tuttavia, non si vede il caratteristico schema a scala dell'apoptosi.

Necrosi

La necrosi si riferisce alla serie di cambiamenti che si verificano dopo la morte cellulare quando la cellula viene convertita in detriti che vengono tipicamente rimossi dalla risposta infiammatoria. Si possono distinguere due tipi: necrosi oncotica e necrosi apoptotica. La necrosi oncotica si verifica tipicamente in ampie zone, ad esempio, in un infarto del miocardio o a livello regionale in un organo dopo tossicità chimica, come il tubulo prossimale renale in seguito alla somministrazione di HgCl2. Sono interessate ampie zone di un organo e le cellule necrotiche inducono rapidamente una reazione infiammatoria, prima acuta e poi cronica. Nel caso in cui l'organismo sopravviva, in molti organi la necrosi è seguita dall'eliminazione delle cellule morte e dalla rigenerazione, ad esempio, nel fegato o nel rene a seguito di tossicità chimica. Al contrario, la necrosi apoptotica si verifica tipicamente su una singola cellula ei detriti necrotici si formano all'interno dei fagociti dei macrofagi o delle cellule parenchimali adiacenti. Le prime caratteristiche delle cellule necrotiche includono interruzioni nella continuità della membrana plasmatica e la comparsa di densità flocculanti, che rappresentano proteine ​​denaturate all'interno della matrice mitocondriale. In alcune forme di lesione che inizialmente non interferiscono con l'accumulo di calcio mitocondriale, si possono osservare depositi di fosfato di calcio all'interno dei mitocondri. Altri sistemi di membrana si stanno frammentando in modo simile, come l'ER, i lisosomi e l'apparato di Golgi. Infine, la cromatina nucleare subisce la lisi, risultante dall'attacco delle idrolasi lisosomiali. Dopo la morte cellulare, le idrolasi lisosomiali svolgono un ruolo importante nell'eliminazione dei detriti con catepsine, nucleolasi e lipasi poiché queste hanno un pH acido ottimale e possono sopravvivere al basso pH delle cellule necrotiche mentre altri enzimi cellulari sono denaturati e inattivati.

meccanismi

Stimolo iniziale

Nel caso di lesioni letali, le interazioni iniziali più comuni che provocano lesioni che portano alla morte cellulare sono l'interferenza con il metabolismo energetico, come anossia, ischemia o inibitori della respirazione, e la glicolisi come cianuro di potassio, monossido di carbonio, iodo-acetato e presto. Come accennato in precedenza, alte dosi di composti che inibiscono il metabolismo energetico provocano tipicamente oncosi. L'altro tipo comune di lesione iniziale con conseguente morte cellulare acuta è la modifica della funzione della membrana plasmatica (Trump e Arstila 1971; Trump, Berezesky e Osornio-Vargas 1981). Questo può essere danno diretto e permeabilizzazione, come nel caso di trauma o attivazione del complesso C5b-C9 del complemento, danno meccanico alla membrana cellulare o inibizione del sodio-potassio (Na+-K+) pompa con glicosidi come ouabain. Ionofori di calcio come ionomicina o A23187, che trasportano rapidamente [Ca2+] lungo il gradiente nella cellula, causano anche lesioni letali acute. In alcuni casi, lo schema del cambiamento preletale è l'apoptosi; in altri, è oncosi.

Vie di segnalazione

Con molti tipi di lesioni, la respirazione mitocondriale e la fosforilazione ossidativa vengono rapidamente colpite. In alcune cellule, questo stimola la glicolisi anaerobica, che è in grado di mantenere l'ATP, ma con molte lesioni questa viene inibita. La mancanza di ATP si traduce nella mancata attivazione di una serie di importanti processi omeostatici, in particolare il controllo dell'omeostasi ionica intracellulare (Trump e Berezesky 1992; Trump, Berezesky e Osornio-Vargas 1981). Ciò si traduce in un rapido aumento di [Ca2+]i, e aumentato [Na+] e [cl-] si traduce in gonfiore delle cellule. Aumenti di [Ca2+]i comportano l'attivazione di una serie di altri meccanismi di segnalazione discussi di seguito, inclusa una serie di chinasi, che possono provocare un aumento immediato della trascrizione genica precoce. Aumentato [Ca2+]i modifica anche la funzione citoscheletrica, determinando in parte la formazione di bolle e l'attivazione di endonucleasi, proteasi e fosfolipasi. Questi sembrano innescare molti degli effetti importanti discussi sopra, come il danno alla membrana attraverso l'attivazione di proteasi e lipasi, la degradazione diretta del DNA dall'attivazione dell'endonucleasi e l'attivazione di chinasi come MAP chinasi e calmodulina chinasi, che agiscono come fattori di trascrizione.

Attraverso un ampio lavoro sullo sviluppo negli invertebrati C. elegans ed Drosophila, oltre alle cellule umane e animali, sono stati identificati una serie di geni pro-morte. È stato scoperto che alcuni di questi geni degli invertebrati hanno controparti nei mammiferi. Ad esempio, il gene ced-3, che è essenziale per la morte cellulare programmata in C. elegans, ha attività proteasica e una forte omologia con l'enzima di conversione dell'interleuchina dei mammiferi (ICE). Un gene strettamente correlato chiamato apopain o prICE è stato recentemente identificato con un'omologia ancora più stretta (Nicholson et al. 1995). In Drosophila, il gene reaper sembra essere coinvolto in un segnale che porta alla morte cellulare programmata. Altri geni pro-morte includono la proteina di membrana Fas e l'importante gene soppressore del tumore, p53, che è ampiamente conservato. p53 è indotto a livello proteico in seguito a danno al DNA e quando fosforilato agisce come fattore di trascrizione per altri geni come gadd45 e waf-1, che sono coinvolti nella segnalazione di morte cellulare. Anche altri geni precoci immediati come c-fos, c-jun e c-myc sembrano essere coinvolti in alcuni sistemi.

Allo stesso tempo, ci sono geni anti-morte che sembrano contrastare i geni pro-morte. Il primo di questi ad essere identificato è stato ced-9 from C. elegans, che è omologa a bcl-2 negli esseri umani. Questi geni agiscono in un modo ancora sconosciuto per prevenire l'uccisione cellulare da parte di tossine genetiche o chimiche. Alcune prove recenti indicano che bcl-2 può agire come antiossidante. Attualmente, sono in corso molti sforzi per sviluppare una comprensione dei geni coinvolti e per sviluppare modi per attivare o inibire questi geni, a seconda della situazione.

 

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Domenica, Gennaio 16 2011 16: 34

Tossicologia genetica

La tossicologia genetica, per definizione, è lo studio di come gli agenti chimici o fisici influenzano l'intricato processo dell'ereditarietà. Le sostanze chimiche genotossiche sono definite come composti in grado di modificare il materiale ereditario delle cellule viventi. La probabilità che una particolare sostanza chimica causi un danno genetico dipende inevitabilmente da diverse variabili, tra cui il livello di esposizione dell'organismo alla sostanza chimica, la distribuzione e la ritenzione della sostanza chimica una volta entrata nell'organismo, l'efficienza dell'attivazione metabolica e/o dei sistemi di disintossicazione in tessuti bersaglio e la reattività della sostanza chimica o dei suoi metaboliti con le macromolecole critiche all'interno delle cellule. La probabilità che il danno genetico causi la malattia dipende in ultima analisi dalla natura del danno, dalla capacità della cellula di riparare o amplificare il danno genetico, dall'opportunità di esprimere qualunque alterazione sia stata indotta e dalla capacità del corpo di riconoscere e sopprimere la moltiplicazione di cellule aberranti.

Negli organismi superiori, le informazioni ereditarie sono organizzate nei cromosomi. I cromosomi sono costituiti da filamenti strettamente condensati di DNA associato a proteine. All'interno di un singolo cromosoma, ogni molecola di DNA esiste come una coppia di lunghe catene non ramificate di subunità nucleotidiche collegate tra loro da legami fosfodiestere che uniscono il carbonio 5 di una porzione di desossiribosio al carbonio 3 della successiva (figura 1). Inoltre, una delle quattro diverse basi nucleotidiche (adenina, citosina, guanina o timina) è attaccata a ciascuna subunità di desossiribosio come perline su un filo. Tridimensionalmente, ogni coppia di filamenti di DNA forma una doppia elica con tutte le basi orientate verso l'interno della spirale. All'interno dell'elica, ogni base è associata alla sua base complementare sul filamento di DNA opposto; il legame idrogeno determina un accoppiamento forte e non covalente di adenina con timina e guanina con citosina (figura 1). Poiché la sequenza delle basi nucleotidiche è complementare per l'intera lunghezza della molecola di DNA duplex, entrambi i filamenti portano essenzialmente la stessa informazione genetica. Infatti, durante la replicazione del DNA ogni filamento funge da stampo per la produzione di un nuovo filamento partner.

Figura 1. L'organizzazione (a) primaria, (b) secondaria e (c) terziaria delle informazioni ereditarie umane

TOX090F1Utilizzando l'RNA e una serie di diverse proteine, la cellula alla fine decifra le informazioni codificate dalla sequenza lineare di basi all'interno di regioni specifiche del DNA (geni) e produce proteine ​​essenziali per la sopravvivenza cellulare di base, nonché per la normale crescita e differenziazione. In sostanza, i nucleotidi funzionano come un alfabeto biologico utilizzato per codificare gli amminoacidi, i mattoni delle proteine.

Quando vengono inseriti nucleotidi errati o i nucleotidi vengono persi, o quando vengono aggiunti nucleotidi non necessari durante la sintesi del DNA, l'errore viene chiamato mutazione. È stato stimato che si verifica meno di una mutazione ogni 109 nucleotidi incorporati durante la normale replicazione delle cellule. Sebbene le mutazioni non siano necessariamente dannose, le alterazioni che causano l'inattivazione o la sovraespressione di geni importanti possono provocare una varietà di disturbi, tra cui cancro, malattie ereditarie, anomalie dello sviluppo, infertilità e morte embrionale o perinatale. Molto raramente, una mutazione può portare a una maggiore sopravvivenza; tali occorrenze sono la base della selezione naturale.

Sebbene alcune sostanze chimiche reagiscano direttamente con il DNA, la maggior parte richiede l'attivazione metabolica. In quest'ultimo caso, gli intermedi elettrofili come gli epossidi o gli ioni di carbonio sono in ultima analisi responsabili dell'induzione di lesioni in una varietà di siti nucleofili all'interno del materiale genetico (figura 2). In altri casi, la genotossicità è mediata da sottoprodotti dell'interazione dei composti con lipidi intracellulari, proteine ​​o ossigeno.

Figura 2. Bioattivazione di: a) benzo(a)pirene; e b) N-nitrosodimetilammina

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A causa della loro relativa abbondanza nelle cellule, le proteine ​​sono il bersaglio più frequente dell'interazione tossica. Tuttavia, la modifica del DNA è di maggiore preoccupazione a causa del ruolo centrale di questa molecola nella regolazione della crescita e della differenziazione attraverso più generazioni di cellule.

A livello molecolare, i composti elettrofili tendono ad attaccare l'ossigeno e l'azoto nel DNA. I siti che sono più inclini alla modifica sono illustrati nella figura 3. Sebbene gli ossigeni all'interno dei gruppi fosfato nella spina dorsale del DNA siano anche bersagli per la modificazione chimica, si ritiene che il danno alle basi sia biologicamente più rilevante poiché questi gruppi sono considerati i principali elementi nella molecola del DNA.

Figura 3. Siti primari di danno al DNA indotto chimicamente

TOX090F3

I composti che contengono una porzione elettrofila tipicamente esercitano genotossicità producendo mono-addotti nel DNA. Allo stesso modo, i composti che contengono due o più frazioni reattive possono reagire con due diversi centri nucleofili e quindi produrre legami incrociati intra o intermolecolari nel materiale genetico (figura 4). I legami incrociati tra DNA-DNA e DNA-proteina possono essere particolarmente citotossici poiché possono formare blocchi completi alla replicazione del DNA. Per ovvie ragioni, la morte di una cellula elimina la possibilità che venga mutata o trasformata neoplasticamente. Gli agenti genotossici possono anche agire inducendo rotture nello scheletro del fosfodiestere o tra basi e zuccheri (producendo siti abasici) nel DNA. Tali rotture possono essere un risultato diretto della reattività chimica nel sito del danno o possono verificarsi durante la riparazione di uno dei suddetti tipi di lesione del DNA.

Figura 4. Vari tipi di danno al complesso proteina-DNA

TOX090F4

Negli ultimi trenta o quarant'anni sono state sviluppate diverse tecniche per monitorare il tipo di danno genetico indotto da varie sostanze chimiche. Tali saggi sono descritti in dettaglio altrove in questo capitolo e Enciclopedia.

L'errata replicazione di "microlesioni" come mono-addotti, siti abasici o rotture a singolo filamento può in ultima analisi provocare sostituzioni di coppie di basi nucleotidiche o l'inserimento o la delezione di brevi frammenti polinucleotidici nel DNA cromosomico. Al contrario, le "macrolesioni", come addotti voluminosi, collegamenti incrociati o rotture a doppio filamento possono innescare l'acquisizione, la perdita o il riarrangiamento di pezzi relativamente grandi di cromosomi. In ogni caso, le conseguenze possono essere devastanti per l'organismo poiché ognuno di questi eventi può portare alla morte cellulare, alla perdita di funzione o alla trasformazione maligna delle cellule. Il modo esatto in cui il danno al DNA provoca il cancro è in gran parte sconosciuto. Attualmente si ritiene che il processo possa comportare un'attivazione inappropriata di proto-oncogeni come il mio c ed ras, e/o inattivazione di geni soppressori tumorali recentemente identificati come p53. L'espressione anormale di entrambi i tipi di geni abroga i normali meccanismi cellulari per controllare la proliferazione e/o la differenziazione cellulare.

La preponderanza di prove sperimentali indica che lo sviluppo del cancro in seguito all'esposizione a composti elettrofili è un evento relativamente raro. Ciò può essere spiegato, in parte, dalla capacità intrinseca della cellula di riconoscere e riparare il DNA danneggiato o dall'incapacità delle cellule con DNA danneggiato di sopravvivere. Durante la riparazione, la base danneggiata, il nucleotide o il breve tratto di nucleotidi che circonda il sito del danno viene rimosso e (usando il filamento opposto come modello) viene sintetizzato e inserito in posizione un nuovo pezzo di DNA. Per essere efficace, la riparazione del DNA deve avvenire con grande accuratezza prima della divisione cellulare, prima delle opportunità di propagazione della mutazione.

Studi clinici hanno dimostrato che le persone con difetti ereditari nella capacità di riparare il DNA danneggiato spesso sviluppano tumori e/o anomalie dello sviluppo in tenera età (tabella 1). Tali esempi forniscono una forte evidenza che collega l'accumulo di danni al DNA alla malattia umana. Allo stesso modo, gli agenti che promuovono la proliferazione cellulare (come il tetradecanoilforbolo acetato) spesso aumentano la carcinogenesi. Per questi composti, l'aumentata probabilità di trasformazione neoplastica può essere una diretta conseguenza di una diminuzione del tempo a disposizione della cellula per effettuare un'adeguata riparazione del DNA.

Tabella 1. Malattie ereditarie a rischio di cancro che sembrano comportare difetti nella riparazione del DNA

Sindrome Sintomi Fenotipo cellulare
Atassia teleangectasia Deterioramento neurologico
immunodeficienza
Elevata incidenza di linfomi
Ipersensibilità alle radiazioni ionizzanti e ad alcuni agenti alchilanti.
Replicazione disregolata del DNA danneggiato (può indicare un tempo ridotto per la riparazione del DNA)
Sindrome di Bloom Anomalie dello sviluppo
Lesioni sulla pelle esposta
Alta incidenza di tumori del sistema immunitario e del tratto gastrointestinale
Alta frequenza di aberrazioni cromosomiche
Legatura difettosa di rotture associate alla riparazione del DNA
Anemia di Fanconi Ritardo della crescita
Alta incidenza di leucemia
Ipersensibilità agli agenti reticolanti
Alta frequenza di aberrazioni cromosomiche
Riparazione difettosa dei collegamenti incrociati nel DNA
Cancro del colon ereditario non poliposico Alta incidenza di cancro al colon Difetto nella riparazione del mismatch del DNA (quando si verifica l'inserimento di un nucleotide errato durante la replicazione)
Xeroderma pigmentoso Alta incidenza di epitelioma sulle aree esposte della pelle
Compromissione neurologica (in molti casi)
Ipersensibilità ai raggi UV e a molti agenti cancerogeni chimici
Difetti nella riparazione dell'escissione e/o nella replicazione del DNA danneggiato

 

Le prime teorie su come le sostanze chimiche interagiscono con il DNA possono essere fatte risalire a studi condotti durante lo sviluppo del gas mostarda per l'uso in guerra. Un'ulteriore comprensione è nata dagli sforzi per identificare agenti antitumorali che arrestassero selettivamente la replicazione delle cellule tumorali in rapida divisione. La crescente preoccupazione del pubblico per i pericoli nel nostro ambiente ha stimolato ulteriori ricerche sui meccanismi e le conseguenze dell'interazione chimica con il materiale genetico. Esempi di vari tipi di sostanze chimiche che esercitano genotossicità sono presentati nella tabella 2.

Tabella 2. Esempi di sostanze chimiche che presentano genotossicità nelle cellule umane

Classe di sostanza chimica Esempio Fonte di esposizione Probabile lesione genotossica
Le aflatossine Aflatossina B1 Alimenti contaminati Addotti voluminosi del DNA
Ammine aromatiche 2-acetilamminofluorene Ambientali Addotti voluminosi del DNA
Chinoni di aziridina Mitomicina C Chemioterapia contro il cancro Mono-addotti, reticolazioni interfilari e rotture a singolo filamento nel DNA.
Idrocarburi clorurati Cloruro di vinile Ambientali Mono-addotti nel DNA
Metalli e composti metallici cisplatino Chemioterapia contro il cancro Entrambi i collegamenti incrociati intra e inter filamento nel DNA
  Composti di nichel Ambientali Mono-addotti e rotture a singolo filamento nel DNA
Mostarde di azoto Ciclofosfamide Chemioterapia contro il cancro Mono-addotti e reticolazioni interfilari nel DNA
Le nitrosammine N-nitrosodimetilammina Alimenti contaminati Mono-addotti nel DNA
Idrocarburi policiclici aromatici Il benzo (a) pirene Ambientali Addotti voluminosi del DNA

 

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Domenica, Gennaio 16 2011 18: 35

Immunotossicologia

Le funzioni del sistema immunitario sono di proteggere il corpo dagli agenti infettivi invasori e di fornire una sorveglianza immunitaria contro le cellule tumorali insorgenti. Ha una prima linea di difesa aspecifica, che può avviare esso stesso reazioni effettrici, e un ramo specifico acquisito, in cui i linfociti e gli anticorpi portano la specificità del riconoscimento e la successiva reattività verso l'antigene.

L'immunotossicologia è stata definita come “la disciplina che si occupa dello studio degli eventi che possono determinare effetti indesiderati a seguito dell'interazione degli xenobiotici con il sistema immunitario. Questi eventi indesiderati possono derivare da (1) un effetto diretto e/o indiretto dello xenobiotico (e/o del suo prodotto di biotrasformazione) sul sistema immunitario, o (2) una risposta dell'ospite su base immunologica al composto e/o i suoi metaboliti o antigeni ospiti modificati dal composto o dai suoi metaboliti” (Berlin et al. 1987).

Quando il sistema immunitario agisce come un bersaglio passivo di insulti chimici, il risultato può essere una ridotta resistenza alle infezioni e alcune forme di neoplasia, o una disregolazione/stimolazione immunitaria che può esacerbare l'allergia o l'autoimmunità. Nel caso in cui il sistema immunitario risponda alla specificità antigenica dello xenobiotico o dell'antigene dell'ospite modificato dal composto, la tossicità può manifestarsi come allergie o malattie autoimmuni.

Sono stati sviluppati modelli animali per indagare sulla soppressione immunitaria indotta da sostanze chimiche e un certo numero di questi metodi è stato convalidato (Burleson, Munson e Dean 1995; IPCS 1996). A scopo di test, viene seguito un approccio a più livelli per effettuare una selezione adeguata dal numero schiacciante di test disponibili. In generale, l'obiettivo del primo livello è identificare potenziali immunotossici. Se viene identificata una potenziale immunotossicità, viene eseguito un secondo livello di test per confermare e caratterizzare ulteriormente i cambiamenti osservati. Le indagini di terzo livello includono studi speciali sul meccanismo d'azione del composto. Diversi xenobiotici sono stati identificati come immunotossici che causano immunosoppressione in tali studi con animali da laboratorio.

Il database sui disturbi della funzione immunitaria negli esseri umani da sostanze chimiche ambientali è limitato (Descotes 1986; NRC Subcommittee on Immunotoxicology 1992). L'uso di marcatori di immunotossicità ha ricevuto poca attenzione negli studi clinici ed epidemiologici per studiare l'effetto di queste sostanze chimiche sulla salute umana. Tali studi non sono stati eseguiti frequentemente e la loro interpretazione spesso non consente di trarre conclusioni univoche, ad esempio a causa della natura incontrollata dell'esposizione. Pertanto, allo stato attuale, la valutazione dell'immunotossicità nei roditori, con successiva estrapolazione all'uomo, costituisce la base delle decisioni in merito al pericolo e al rischio.

Le reazioni di ipersensibilità, in particolare l'asma allergico e la dermatite da contatto, sono importanti problemi di salute sul lavoro nei paesi industrializzati (Vos, Younes e Smith 1995). Il fenomeno della sensibilizzazione da contatto è stato studiato per primo nella cavia (Andersen e Maibach 1985). Fino a poco tempo fa questa era la specie scelta per i test predittivi. Sono disponibili molti metodi di test sui porcellini d'India, i più frequentemente impiegati sono il test di massimizzazione dei porcellini d'India e il patch test occluso di Buehler. I test sui porcellini d'India e gli approcci più recenti sviluppati nei topi, come i test di gonfiore dell'orecchio e il test dei linfonodi locali, forniscono al tossicologo gli strumenti per valutare il rischio di sensibilizzazione cutanea. La situazione rispetto alla sensibilizzazione delle vie respiratorie è molto diversa. Non sono ancora disponibili metodi ben convalidati o ampiamente accettati per l'identificazione di allergeni respiratori chimici, sebbene nella cavia e nel topo siano stati compiuti progressi nello sviluppo di modelli animali per lo studio dell'allergia respiratoria chimica.

I dati sull'uomo mostrano che gli agenti chimici, in particolare i farmaci, possono causare malattie autoimmuni (Kammüller, Bloksma e Seinen 1989). Esistono numerosi modelli animali sperimentali di malattie autoimmuni umane. Tali comprendono sia la patologia spontanea (ad esempio il lupus eritematoso sistemico nei topi neri della Nuova Zelanda) sia i fenomeni autoimmuni indotti dall'immunizzazione sperimentale con un autoantigene cross-reattivo (ad esempio l'artrite indotta dall'adiuvante H37Ra nei ratti del ceppo Lewis). Questi modelli sono applicati nella valutazione preclinica dei farmaci immunosoppressori. Pochissimi studi hanno affrontato il potenziale di questi modelli per valutare se uno xenobiotico aggrava l'autoimmunità indotta o congenita. Mancano praticamente modelli animali adatti a studiare la capacità delle sostanze chimiche di indurre malattie autoimmuni. Un modello utilizzato in misura limitata è il test del linfonodo popliteo nei topi. Come la situazione negli esseri umani, i fattori genetici svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo della malattia autoimmune (AD) negli animali da laboratorio, il che limiterà il valore predittivo di tali test.

Il sistema immunitario

La principale funzione del sistema immunitario è la difesa contro batteri, virus, parassiti, funghi e cellule neoplastiche. Ciò è ottenuto dalle azioni di vari tipi di cellule e dei loro mediatori solubili in un concerto finemente sintonizzato. La difesa dell'ospite può essere approssimativamente suddivisa in resistenza non specifica o innata e immunità specifica o acquisita mediata dai linfociti (Roitt, Brostoff e Male 1989).

Componenti del sistema immunitario sono presenti in tutto il corpo (Jones et al. 1990). Il compartimento dei linfociti si trova all'interno degli organi linfoidi (figura 1). Il midollo osseo e il timo sono classificati come organi linfoidi primari o centrali; gli organi linfoidi secondari o periferici comprendono i linfonodi, la milza e il tessuto linfoide lungo le superfici secretorie come il tratto gastrointestinale e respiratorio, il cosiddetto tessuto linfoide associato alla mucosa (MALT). Circa la metà dei linfociti del corpo si trova in qualsiasi momento nel MALT. Inoltre la pelle è un organo importante per l'induzione di risposte immunitarie agli antigeni presenti sulla pelle. Importanti in questo processo sono le cellule di Langerhans epidermiche che hanno una funzione di presentazione dell'antigene.

Figura 1. Organi e tessuti linfoidi primari e secondari

TOX110F1

Le cellule fagocitiche del lignaggio monocitico/macrofagico, chiamate sistema fagocitario mononucleare (MPS), si trovano negli organi linfoidi e anche nei siti extranodali; i fagociti extranodali includono le cellule di Kupffer nel fegato, i macrofagi alveolari nel polmone, i macrofagi mesangiali nel rene e le cellule gliali nel cervello. I leucociti polimorfonucleati (PMN) sono presenti principalmente nel sangue e nel midollo osseo, ma si accumulano nei siti di infiammazione.

 

 

 

 

 

 

 

Difesa non specifica

Una prima linea di difesa contro i microrganismi viene eseguita da una barriera fisica e chimica, come quella della pelle, delle vie respiratorie e del tubo digerente. Questa barriera è aiutata da meccanismi protettivi non specifici tra cui cellule fagocitiche, come macrofagi e leucociti polimorfonucleati, che sono in grado di uccidere i patogeni, e cellule natural killer, che possono lisare cellule tumorali e cellule infettate da virus. Anche il sistema del complemento e alcuni inibitori microbici (p. es., il lisozima) prendono parte alla risposta aspecifica.

Immunità specifica

Dopo il contatto iniziale dell'ospite con l'agente patogeno, vengono indotte risposte immunitarie specifiche. Il segno distintivo di questa seconda linea di difesa è il riconoscimento specifico dei determinanti, i cosiddetti antigeni o epitopi, dei patogeni da parte dei recettori sulla superficie cellulare dei linfociti B e T. In seguito all'interazione con l'antigene specifico, la cellula portatrice del recettore viene stimolata a subire proliferazione e differenziazione, producendo un clone di cellule progenie specifiche per l'antigene stimolante. Le risposte immunitarie specifiche aiutano la difesa aspecifica presentata ai patogeni stimolando l'efficacia delle risposte aspecifiche. Una caratteristica fondamentale dell'immunità specifica è lo sviluppo della memoria. Il contatto secondario con lo stesso antigene provoca una risposta più rapida e vigorosa ma ben regolata.

Il genoma non ha la capacità di trasportare i codici di una matrice di recettori per l'antigene sufficiente a riconoscere il numero di antigeni che possono essere incontrati. Il repertorio di specificità si sviluppa attraverso un processo di riarrangiamenti genici. Si tratta di un processo casuale, durante il quale si determinano varie specificità. Ciò include specificità per componenti self, che sono indesiderabili. Un processo di selezione che avviene nel timo (cellule T) o nel midollo osseo (cellule B) opera per eliminare queste specificità indesiderate.

La normale funzione immunitaria effettrice e la regolazione omeostatica della risposta immunitaria dipendono da una varietà di prodotti solubili, noti collettivamente come citochine, che sono sintetizzati e secreti dai linfociti e da altri tipi di cellule. Le citochine hanno effetti pleiotropici sulle risposte immunitarie e infiammatorie. La cooperazione tra diverse popolazioni cellulari è necessaria per la risposta immunitaria: la regolazione delle risposte anticorpali, l'accumulo di cellule e molecole immunitarie nei siti infiammatori, l'inizio delle risposte della fase acuta, il controllo della funzione citotossica dei macrofagi e molti altri processi centrali per la resistenza dell'ospite . Questi sono influenzati da, e in molti casi dipendono da, citochine che agiscono singolarmente o in concerto.

Vengono riconosciuti due bracci di immunità specifica: immunità umorale e immunità cellulo-mediata o cellulare:

Immunità umorale. Nel braccio umorale i linfociti B vengono stimolati in seguito al riconoscimento dell'antigene da parte dei recettori della superficie cellulare. I recettori dell'antigene sui linfociti B sono immunoglobuline (Ig). Le cellule B mature (plasmacellule) iniziano la produzione di immunoglobuline antigene-specifiche che agiscono come anticorpi nel siero o lungo le superfici della mucosa. Esistono cinque classi principali di immunoglobuline: (1) IgM, pentamerica Ig con capacità agglutinante ottimale, che viene prodotta per la prima volta dopo la stimolazione antigenica; (2) IgG, le principali Ig in circolazione, che possono attraversare la placenta; (3) IgA, Ig secretoria per la protezione delle superfici mucose; (4) IgE, Ig che si fissano ai mastociti o ai granulociti basofili coinvolti nelle reazioni di ipersensibilità immediata e (5) IgD, la cui funzione principale è quella di recettore sui linfociti B.

Immunità cellulo-mediata. Il braccio cellulare del sistema immunitario specifico è mediato dai linfociti T. Queste cellule hanno anche recettori per l'antigene sulle loro membrane. Riconoscono l'antigene se presentato da cellule presentanti l'antigene nel contesto degli antigeni di istocompatibilità. Quindi, queste cellule hanno una restrizione oltre alla specificità dell'antigene. Le cellule T funzionano come cellule helper per varie risposte immunitarie (incluse quelle umorali), mediano il reclutamento di cellule infiammatorie e possono, come cellule T citotossiche, uccidere le cellule bersaglio dopo il riconoscimento specifico dell'antigene.

Meccanismi di immunotossicità

Immunosoppressione

L'effettiva resistenza dell'ospite dipende dall'integrità funzionale del sistema immunitario, che a sua volta richiede che le cellule e le molecole componenti che orchestrano le risposte immunitarie siano disponibili in numero sufficiente e in una forma operativa. Le immunodeficienze congenite nell'uomo sono spesso caratterizzate da difetti in alcune linee di cellule staminali, con conseguente produzione ridotta o assente di cellule immunitarie. Per analogia con le malattie da immunodeficienza umana congenita e acquisita, l'immunosoppressione chimica indotta può derivare semplicemente da un numero ridotto di cellule funzionali (IPCS 1996). L'assenza o il numero ridotto di linfociti può avere effetti più o meno profondi sullo stato immunitario. Alcuni stati di immunodeficienza e grave immunosoppressione, come possono verificarsi nel trapianto o nella terapia citostatica, sono stati associati in particolare ad un aumento dell'incidenza di infezioni opportunistiche e di alcune malattie neoplastiche. Le infezioni possono essere batteriche, virali, fungine o protozoarie e il tipo predominante di infezione dipende dall'immunodeficienza associata. Ci si può aspettare che l'esposizione a sostanze chimiche ambientali immunosoppressive provochi forme più sottili di immunosoppressione, che possono essere difficili da rilevare. Questi possono portare, ad esempio, a un aumento dell'incidenza di infezioni come l'influenza o il comune raffreddore.

Data la complessità del sistema immunitario, con l'ampia varietà di cellule, mediatori e funzioni che formano una rete complicata e interattiva, i composti immunotossici hanno numerose possibilità di esercitare un effetto. Sebbene la natura delle lesioni iniziali indotte da molte sostanze chimiche immunotossiche non sia stata ancora chiarita, sono disponibili informazioni crescenti, per lo più derivate da studi su animali da laboratorio, riguardanti i cambiamenti immunobiologici che provocano la depressione della funzione immunitaria (Dean et al. 1994). . Gli effetti tossici potrebbero verificarsi nelle seguenti funzioni critiche (e vengono forniti alcuni esempi di composti immunotossici che influenzano queste funzioni):

  •  sviluppo ed espansione di diverse popolazioni di cellule staminali (il benzene esercita effetti immunotossici a livello delle cellule staminali, causando linfocitopenia)
  •  proliferazione di varie cellule linfoidi e mieloidi, nonché dei tessuti di supporto in cui queste cellule maturano e funzionano (i composti organostannici immunotossici sopprimono l'attività proliferativa dei linfociti nella corteccia timica attraverso la citotossicità diretta; l'azione timotossica del 2,3,7,8-tetracloro -dibenzo-p-diossina (TCDD) e composti correlati è probabilmente dovuto a una funzione compromessa delle cellule epiteliali del timo, piuttosto che alla tossicità diretta per i timociti)
  •  captazione, elaborazione e presentazione dell'antigene da parte dei macrofagi e di altre cellule presentanti l'antigene (uno dei bersagli del 7,12-dimetilbenz(a)antracene (DMBA) e del piombo è la presentazione dell'antigene da parte dei macrofagi; un bersaglio della radiazione ultravioletta è l'antigene- presenta cellule di Langerhans)
  •  funzione regolatrice delle cellule T-helper e T-soppressore (la funzione delle cellule T-helper è compromessa da organostans, aldicarb, policlorobifenili (PCB), TCDD e DMBA; la funzione delle cellule T-soppressore è ridotta dal trattamento con ciclofosfamide a basso dosaggio)
  •  produzione di varie citochine o interleuchine (il benzo(a)pirene (BP) sopprime la produzione di interleuchina-1; la radiazione ultravioletta altera la produzione di citochine da parte dei cheratinociti)
  •  sintesi di varie classi di immunoglobuline IgM e IgG viene soppressa dopo il trattamento con PCB e ossido di tributilstagno (TBT) e aumenta dopo l'esposizione all'esaclorobenzene (HCB).
  •  regolazione e attivazione del complemento (influenzate da TCDD)
  •  funzione delle cellule T citotossiche (3-metilcolantrene (3-MC), DMBA e TCDD sopprimono l'attività delle cellule T citotossiche)
  •  funzione delle cellule natural killer (NK) (l'attività NK polmonare è soppressa dall'ozono; l'attività NK splenica è compromessa dal nichel)
  •  chemiotassi dei macrofagi e dei leucociti polimorfonucleati e funzioni citotossiche (ozono e biossido di azoto compromettono l'attività fagocitaria dei macrofagi alveolari).

 

Allergia

Allergia possono essere definiti come gli effetti avversi sulla salute che derivano dall'induzione e dall'attivazione di specifiche risposte immunitarie. Quando le reazioni di ipersensibilità si verificano senza il coinvolgimento del sistema immunitario il termine pseudo-allergia viene usato. Nel contesto dell'immunotossicologia, l'allergia deriva da una specifica risposta immunitaria a sostanze chimiche e farmaci di interesse. La capacità di una sostanza chimica di sensibilizzare gli individui è generalmente correlata alla sua capacità di legarsi in modo covalente alle proteine ​​del corpo. Le reazioni allergiche possono assumere una varietà di forme e queste differiscono rispetto sia ai meccanismi immunologici sottostanti che alla velocità della reazione. Sono stati riconosciuti quattro tipi principali di reazioni allergiche: Reazioni di ipersensibilità di tipo I, che sono effettuate dall'anticorpo IgE e dove i sintomi si manifestano entro pochi minuti dall'esposizione dell'individuo sensibilizzato. Le reazioni di ipersensibilità di tipo II derivano dal danno o dalla distruzione delle cellule ospiti da parte dell'anticorpo. In questo caso i sintomi diventano evidenti entro poche ore. Anche le reazioni di ipersensibilità di tipo III, o di Arthus, sono mediate da anticorpi, ma contro antigeni solubili, e derivano dall'azione locale o sistemica di complessi immunitari. Le reazioni di tipo IV, o di ipersensibilità di tipo ritardato, sono effettuate dai linfociti T e normalmente i sintomi si sviluppano da 24 a 48 ore dopo l'esposizione dell'individuo sensibilizzato.

I due tipi di allergia chimica di maggiore rilevanza per la salute sul lavoro sono la sensibilità da contatto o allergia cutanea e l'allergia delle vie respiratorie.

Ipersensibilità da contatto. Un gran numero di sostanze chimiche è in grado di provocare sensibilizzazione cutanea. In seguito all'esposizione topica di un individuo suscettibile a un allergene chimico, viene indotta una risposta dei linfociti T nei linfonodi drenanti. Nella pelle l'allergene interagisce direttamente o indirettamente con le cellule di Langerhans epidermiche, che trasportano la sostanza chimica ai linfonodi e la presentano in forma immunogenica ai linfociti T reattivi. I linfociti T attivati ​​dagli allergeni proliferano, con conseguente espansione clonale. L'individuo è ora sensibilizzato e risponderà a una seconda esposizione cutanea alla stessa sostanza chimica con una risposta immunitaria più aggressiva, con conseguente dermatite allergica da contatto. La reazione infiammatoria cutanea che caratterizza la dermatite allergica da contatto è secondaria al riconoscimento dell'allergene nella cute da parte di specifici linfociti T. Questi linfociti si attivano, rilasciano citochine e causano l'accumulo locale di altri leucociti mononucleati. I sintomi si sviluppano da 24 a 48 ore dopo l'esposizione dell'individuo sensibilizzato e la dermatite allergica da contatto rappresenta quindi una forma di ipersensibilità di tipo ritardato. Le cause comuni di dermatite allergica da contatto includono sostanze chimiche organiche (come il 2,4-dinitroclorobenzene), metalli (come nichel e cromo) e prodotti vegetali (come l'urushiolo dell'edera velenosa).

Ipersensibilità respiratoria. L'ipersensibilità respiratoria è generalmente considerata una reazione di ipersensibilità di tipo I. Tuttavia, le reazioni di fase tardiva ei sintomi più cronici associati all'asma possono coinvolgere processi immunitari cellulo-mediati (Tipo IV). I sintomi acuti associati all'allergia respiratoria sono influenzati dall'anticorpo IgE, la cui produzione è provocata a seguito dell'esposizione dell'individuo suscettibile all'allergene chimico inducente. L'anticorpo IgE si distribuisce a livello sistemico e si lega, tramite i recettori di membrana, ai mastociti che si trovano nei tessuti vascolarizzati, compreso il tratto respiratorio. In seguito all'inalazione della stessa sostanza chimica, verrà provocata una reazione di ipersensibilità respiratoria. L'allergene si associa alle proteine ​​e si lega e crea legami incrociati con l'anticorpo IgE legato ai mastociti. Questo a sua volta provoca la degranulazione dei mastociti e il rilascio di mediatori dell'infiammazione come istamina e leucotrieni. Tali mediatori causano broncocostrizione e vasodilatazione, con conseguenti sintomi di allergia respiratoria; asma e/o rinite. Le sostanze chimiche note per causare ipersensibilità respiratoria nell'uomo includono le anidridi acide (come l'anidride trimellitica), alcuni diisocianati (come il toluene diisocianato), i sali di platino e alcuni coloranti reattivi. Inoltre, l'esposizione cronica al berillio è nota per causare malattie polmonari da ipersensibilità.

autoimmunità

autoimmunità può essere definita come la stimolazione di specifiche risposte immunitarie dirette contro antigeni “self” endogeni. L'autoimmunità indotta può derivare sia da alterazioni dell'equilibrio dei linfociti T regolatori sia dall'associazione di uno xenobiotico con componenti tissutali normali tale da renderli immunogenici (“sé alterato”). I farmaci e le sostanze chimiche note per indurre o esacerbare accidentalmente effetti come quelli della malattia autoimmune (AD) in individui suscettibili sono composti a basso peso molecolare (peso molecolare da 100 a 500) che sono generalmente considerati di per sé non immunogenici. Il meccanismo dell'AD per esposizione chimica è per lo più sconosciuto. La malattia può essere prodotta direttamente per mezzo di anticorpi circolanti, indirettamente attraverso la formazione di immunocomplessi o come conseguenza dell'immunità cellulo-mediata, ma probabilmente si verifica attraverso una combinazione di meccanismi. La patogenesi è meglio conosciuta nei disturbi emolitici immunitari indotti da farmaci:

  •  Il farmaco può attaccarsi alla membrana dei globuli rossi e interagire con un anticorpo specifico del farmaco.
  •  Il farmaco può alterare la membrana dei globuli rossi in modo che il sistema immunitario consideri la cellula estranea.
  •  Il farmaco e il suo anticorpo specifico formano immunocomplessi che aderiscono alla membrana dei globuli rossi producendo lesioni.
  •  La sensibilizzazione dei globuli rossi si verifica a causa della produzione di autoanticorpi contro i globuli rossi.

 

È stato scoperto che una varietà di sostanze chimiche e farmaci, in particolare questi ultimi, inducono risposte di tipo autoimmune (Kamüller, Bloksma e Seinen 1989). L'esposizione professionale a sostanze chimiche può incidentalmente portare a sindromi simili all'AD. L'esposizione a cloruro di vinile monomerico, tricloroetilene, percloroetilene, resine epossidiche e polvere di silice può indurre sindromi simili alla sclerodermia. Una sindrome simile al lupus eritematoso sistemico (LES) è stata descritta dopo l'esposizione all'idrazina. L'esposizione al toluene diisocianato è stata associata all'induzione della porpora trombocitopenica. Metalli pesanti come il mercurio sono stati implicati in alcuni casi di glomerulonefrite da immunocomplessi.

Valutazione del rischio umano

La valutazione dello stato immunitario umano viene eseguita principalmente utilizzando il sangue periferico per l'analisi di sostanze umorali come immunoglobuline e complemento e dei leucociti del sangue per la composizione di sottoinsiemi e la funzionalità delle sottopopolazioni. Questi metodi sono generalmente gli stessi utilizzati per studiare l'immunità umorale e cellulo-mediata, nonché la resistenza aspecifica dei pazienti con sospetta malattia da immunodeficienza congenita. Per gli studi epidemiologici (ad es. su popolazioni professionalmente esposte) i parametri dovrebbero essere selezionati sulla base del loro valore predittivo nelle popolazioni umane, modelli animali convalidati e la sottostante biologia dei marcatori (vedi tabella 1). La strategia di screening per gli effetti immunotossici dopo l'esposizione (accidentale) a inquinanti ambientali o altre sostanze tossiche dipende molto dalle circostanze, come il tipo di immunodeficienza prevedibile, il tempo che intercorre tra l'esposizione e la valutazione dello stato immunitario, il grado di esposizione e il numero di individui esposti. Il processo di valutazione del rischio immunotossico di un particolare xenobiotico nell'uomo è estremamente difficile e spesso impossibile, in gran parte a causa della presenza di vari fattori confondenti di origine endogena o esogena che influenzano la risposta degli individui al danno tossico. Ciò è particolarmente vero per gli studi che indagano il ruolo dell'esposizione chimica nelle malattie autoimmuni, in cui i fattori genetici giocano un ruolo cruciale.

Tabella 1. Classificazione dei test per i marcatori immunitari

Categoria di prova Caratteristiche Test specifici
Base-generale
Dovrebbe essere incluso con i pannelli generali
Indicatori di salute generale e stato del sistema degli organi Azoto ureico nel sangue, glicemia, ecc.
Immune di base
Dovrebbe essere incluso con i pannelli generali
Indicatori generali dello stato immunitario
Costo relativamente basso
I metodi di analisi sono standardizzati tra i laboratori
I risultati al di fuori degli intervalli di riferimento sono interpretabili clinicamente
Emocromo completo
Livelli sierici di IgG, IgA, IgM
Fenotipi dei marker di superficie per i principali sottoinsiemi di linfociti
Focalizzato/riflesso
Dovrebbe essere incluso quando indicato da riscontri clinici, esposizioni sospette o risultati di test precedenti
Indicatori di funzioni/eventi immunitari specifici
Il costo varia
I metodi di analisi sono standardizzati tra i laboratori
I risultati al di fuori degli intervalli di riferimento sono interpretabili clinicamente
Genotipo di istocompatibilità
Anticorpi contro agenti infettivi
IgE sieriche totali
IgE allergene-specifiche
Gli autoanticorpi
Test cutanei per l'ipersensibilità
Burst ossidativo dei granulociti
Istopatologia (biopsia tissutale)
Ricerca
Dovrebbe essere incluso solo con popolazioni di controllo e un'attenta progettazione dello studio
Indicatori di funzioni/eventi immunitari generali o specifici
Il costo varia; spesso costoso
I metodi di analisi di solito non sono standardizzati tra i laboratori
I risultati al di fuori degli intervalli di riferimento spesso non sono interpretabili clinicamente
Saggi di stimolazione in vitro
Marcatori di superficie di attivazione cellulare
Concentrazioni sieriche di citochine
Test di clonalità (anticorpale, cellulare, genetico)
Test di citotossicità

 

Poiché raramente sono disponibili dati sull'uomo adeguati, la valutazione del rischio di immunosoppressione indotta da sostanze chimiche nell'uomo si basa nella maggior parte dei casi su studi sugli animali. L'identificazione di potenziali xenobiotici immunotossici viene effettuata principalmente in studi controllati sui roditori. Gli studi di esposizione in vivo presentano, a questo proposito, l'approccio ottimale per stimare il potenziale immunotossico di un composto. Ciò è dovuto alla natura multifattoriale e complessa del sistema immunitario e delle risposte immunitarie. Gli studi in vitro hanno un valore crescente nella delucidazione dei meccanismi di immunotossicità. Inoltre, studiando gli effetti del composto utilizzando cellule di origine animale e umana, è possibile generare dati per il confronto delle specie, che possono essere utilizzati nell'approccio del "parallelogramma" per migliorare il processo di valutazione del rischio. Se i dati sono disponibili per tre pietre angolari del parallelogramma (animale in vivo e animale e uomo in vitro) potrebbe essere più facile prevedere l'esito della pietra angolare rimanente, ovvero il rischio nell'uomo.

Quando la valutazione del rischio di immunosoppressione indotta da sostanze chimiche deve basarsi esclusivamente su dati provenienti da studi su animali, nell'estrapolazione all'uomo può essere seguito un approccio mediante l'applicazione di fattori di incertezza al livello senza effetti avversi osservati (NOAEL). Questo livello può essere basato su parametri determinati in modelli pertinenti, come i test di resistenza dell'ospite e la valutazione in vivo delle reazioni di ipersensibilità e della produzione di anticorpi. Idealmente, la rilevanza di questo approccio alla valutazione del rischio richiede una conferma da parte di studi sull'uomo. Tali studi dovrebbero combinare l'identificazione e la misurazione della sostanza tossica, i dati epidemiologici e le valutazioni dello stato immunitario.

Per prevedere l'ipersensibilità da contatto, sono disponibili modelli di cavia che sono stati utilizzati nella valutazione del rischio sin dagli anni '1970. Sebbene sensibili e riproducibili, questi test hanno dei limiti in quanto dipendono dalla valutazione soggettiva; questo può essere superato con metodi più nuovi e più quantitativi sviluppati nel topo. Per quanto riguarda l'ipersensibilità chimica indotta dall'inalazione o dall'ingestione di allergeni, i test dovrebbero essere sviluppati e valutati in termini di valore predittivo nell'uomo. Quando si tratta di stabilire livelli di esposizione professionale sicuri di potenziali allergeni, è necessario considerare la natura bifasica dell'allergia: la fase di sensibilizzazione e la fase di elicitazione. La concentrazione richiesta per provocare una reazione allergica in un individuo precedentemente sensibilizzato è considerevolmente inferiore alla concentrazione necessaria per indurre la sensibilizzazione nell'individuo immunologicamente naïve ma suscettibile.

Poiché i modelli animali per prevedere l'autoimmunità indotta da sostanze chimiche sono praticamente assenti, si dovrebbe dare enfasi allo sviluppo di tali modelli. Per lo sviluppo di tali modelli, la nostra conoscenza dell'autoimmunità indotta da sostanze chimiche negli esseri umani dovrebbe essere avanzata, compreso lo studio dei marcatori genetici e del sistema immunitario per identificare gli individui suscettibili. Gli esseri umani che sono esposti a farmaci che inducono l'autoimmunità offrono tale opportunità.

 

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Domenica, Gennaio 16 2011 18: 43

Tossicologia dell'organo bersaglio

Lo studio e la caratterizzazione di sostanze chimiche e altri agenti per le proprietà tossiche viene spesso intrapreso sulla base di organi e sistemi di organi specifici. In questo capitolo, sono stati selezionati due bersagli per una discussione approfondita: il sistema immunitario e il gene. Questi esempi sono stati scelti per rappresentare un complesso sistema di organi bersaglio e un bersaglio molecolare all'interno delle cellule. Per una discussione più completa sulla tossicologia degli organi bersaglio, il lettore può fare riferimento a testi di tossicologia standard come Casarett e Doull e Hayes. Anche il Programma internazionale sulla sicurezza chimica (IPCS) ha pubblicato diversi documenti sui criteri sulla tossicologia degli organi bersaglio, per sistema di organi.

Gli studi di tossicologia sugli organi bersaglio sono di solito intrapresi sulla base di informazioni che indicano il potenziale di effetti tossici specifici di una sostanza, o da dati epidemiologici o da studi generali di tossicità acuta o cronica, o sulla base di preoccupazioni particolari per proteggere determinate funzioni di organi, come come riproduzione o sviluppo fetale. In alcuni casi, test specifici di tossicità per organi bersaglio sono espressamente richiesti dalle autorità statutarie, come i test di neurotossicità ai sensi della legge statunitense sui pesticidi (vedere "L'approccio degli Stati Uniti alla valutazione del rischio di sostanze tossiche per la riproduzione e agenti neurotossici" e i test di mutagenicità ai sensi del Japanese Chemical Chemical Legge sul controllo delle sostanze (vedi “Principi di identificazione dei pericoli: l'approccio giapponese”).

Come discusso in "Organo bersaglio ed effetti critici", l'identificazione di un organo critico si basa sul rilevamento dell'organo o del sistema di organi che per primo risponde negativamente o alle dosi o esposizioni più basse. Queste informazioni vengono quindi utilizzate per progettare indagini tossicologiche specifiche o test di tossicità più definiti progettati per suscitare indicazioni più sensibili di intossicazione nell'organo bersaglio. Gli studi di tossicologia degli organi bersaglio possono anche essere utilizzati per determinare i meccanismi di azione, di utilizzo nella valutazione del rischio (vedere "L'approccio degli Stati Uniti alla valutazione del rischio di sostanze tossiche per la riproduzione e agenti neurotossici").

Metodi di studi sulla tossicità dell'organo bersaglio

Gli organi bersaglio possono essere studiati mediante l'esposizione di organismi intatti e un'analisi dettagliata della funzione e dell'istopatologia nell'organo bersaglio, o mediante l'esposizione in vitro di cellule, sezioni di tessuto o organi interi mantenuti per periodi di breve o lungo termine in coltura (vedere "Meccanismi di tossicologia: introduzione e concetti”). In alcuni casi, i tessuti di soggetti umani possono anche essere disponibili per studi di tossicità sugli organi bersaglio, e questi possono fornire l'opportunità di convalidare ipotesi di estrapolazione tra specie. Tuttavia, va tenuto presente che tali studi non forniscono informazioni sulla tossicocinetica relativa.

In generale, gli studi sulla tossicità dell'organo bersaglio condividono le seguenti caratteristiche comuni: esame istopatologico dettagliato dell'organo bersaglio, compreso l'esame post mortem, il peso del tessuto e l'esame dei tessuti fissati; studi biochimici di percorsi critici nell'organo bersaglio, come importanti sistemi enzimatici; studi funzionali della capacità dell'organo e dei costituenti cellulari di svolgere le funzioni metaboliche e di altro tipo previste; e analisi dei biomarcatori dell'esposizione e degli effetti precoci nelle cellule degli organi bersaglio.

La conoscenza dettagliata della fisiologia degli organi bersaglio, della biochimica e della biologia molecolare può essere incorporata negli studi sugli organi bersaglio. Ad esempio, poiché la sintesi e la secrezione di proteine ​​di piccolo peso molecolare è un aspetto importante della funzione renale, gli studi di nefrotossicità spesso prestano particolare attenzione a questi parametri (IPCS 1991). Poiché la comunicazione cellula-cellula è un processo fondamentale della funzione del sistema nervoso, gli studi sugli organi bersaglio nella neurotossicità possono includere misurazioni neurochimiche e biofisiche dettagliate della sintesi, dell'assorbimento, dell'immagazzinamento, del rilascio e del legame dei neurotrasmettitori, nonché misurazioni elettrofisiologiche dei cambiamenti nella membrana potenziale associato a questi eventi.

Viene posto un alto grado di enfasi sullo sviluppo di metodi in vitro per la tossicità degli organi bersaglio, per sostituire o ridurre l'uso di animali interi. Progressi sostanziali in questi metodi sono stati ottenuti per le sostanze tossiche per la riproduzione (Heindel e Chapin 1993).

In sintesi, gli studi di tossicità sugli organi bersaglio sono generalmente intrapresi come test di ordine superiore per determinare la tossicità. La selezione di specifici organi bersaglio per un'ulteriore valutazione dipende dai risultati dei test a livello di screening, come i test acuti o subcronici utilizzati dall'OCSE e dall'Unione Europea; alcuni organi bersaglio e sistemi di organi possono essere candidati a priori per indagini speciali a causa delle preoccupazioni per prevenire alcuni tipi di effetti avversi sulla salute.

 

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Contenuti

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