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
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
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.