Martedì, 11 gennaio 2011 20: 25

Fattori psicosociali, stress e salute

Nel linguaggio dell'ingegneria, lo stress è "una forza che deforma i corpi". In biologia e medicina, il termine si riferisce solitamente a un processo nel corpo, al piano generale del corpo per adattarsi a tutte le influenze, cambiamenti, richieste e sollecitazioni a cui è esposto. Questo piano entra in azione, ad esempio, quando una persona viene aggredita per strada, ma anche quando qualcuno è esposto a sostanze tossiche oa caldo o freddo estremi. Non sono però solo le esposizioni fisiche ad attivare questo piano; anche quelli mentali e sociali lo fanno. Ad esempio, se veniamo insultati dal nostro supervisore, se ci viene ricordata un'esperienza spiacevole, se ci aspettiamo di ottenere qualcosa di cui non crediamo di essere capaci, o se, con o senza motivo, ci preoccupiamo per il nostro lavoro o il nostro matrimonio.

C'è qualcosa di comune a tutti questi casi nel modo in cui il corpo tenta di adattarsi. Questo denominatore comune, una sorta di "aumento di giri" o "calpestare il gas", è lo stress. Lo stress è, quindi, uno stereotipo nelle risposte del corpo a influenze, richieste o tensioni. Un certo livello di stress si trova sempre nel corpo, così come, per tracciare un approssimativo parallelo, un paese mantiene un certo stato di preparazione militare, anche in tempo di pace. Occasionalmente questa preparazione viene intensificata, a volte con una buona causa e altre volte senza.

In questo modo il livello di stress influisce sulla velocità con cui avvengono i processi di usura del corpo. Maggiore è la quantità di "benzina", maggiore è la velocità con cui viene azionato il motore della carrozzeria, e quindi più rapidamente si esaurisce il "carburante" e il "motore" si consuma. Vale anche un'altra metafora: se accendi una candela con una fiamma alta, ad entrambe le estremità, emetterà una luce più intensa ma si consumerà anche più velocemente. È necessaria una certa quantità di carburante altrimenti il ​​motore si ferma, la candela si spegne; cioè, l'organismo sarebbe morto. Pertanto, il problema non è che il corpo reagisca allo stress, ma che il grado di stress - il tasso di usura - a cui è soggetto potrebbe essere troppo elevato. Questa risposta allo stress varia da un minuto all'altro anche in un individuo, la variazione dipende in parte dalla natura e dallo stato del corpo e in parte dalle influenze e richieste esterne - i fattori di stress - a cui il corpo è esposto. (Un fattore di stress è quindi qualcosa che produce stress.)

A volte è difficile determinare se lo stress in una particolare situazione sia positivo o negativo. Prendiamo, ad esempio, l'atleta esausto sulla tribuna del vincitore, o il dirigente appena nominato ma stressato. Entrambi hanno raggiunto i loro obiettivi. In termini di pura realizzazione, si dovrebbe dire che i loro risultati sono valsi lo sforzo. In termini psicologici, tuttavia, tale conclusione è più dubbia. Potrebbe essere stato necessario molto tormento per arrivare così lontano, coinvolgendo lunghi anni di addestramento o straordinari senza fine, di solito a scapito della vita familiare. Dal punto di vista medico si può ritenere che tali persone di successo abbiano bruciato le loro candele da entrambe le parti. Il risultato potrebbe essere fisiologico; l'atleta può rompersi un muscolo o due e il dirigente sviluppa la pressione alta o ha un attacco di cuore.

Stress in relazione al lavoro

Un esempio può chiarire come possono insorgere reazioni di stress sul lavoro e cosa potrebbero comportare in termini di salute e qualità della vita. Immaginiamo la seguente situazione per un ipotetico lavoratore maschio. Sulla base di considerazioni economiche e tecniche, la direzione ha deciso di scomporre un processo produttivo in elementi molto semplici e primitivi che devono essere eseguiti su una catena di montaggio. Attraverso questa decisione si crea una struttura sociale e si mette in moto un processo che può costituire il punto di partenza di una sequenza di eventi che produce stress e malattie. La nuova situazione diventa uno stimolo psicosociale per il lavoratore, quando la percepisce per la prima volta. Queste percezioni possono essere ulteriormente influenzate dal fatto che il lavoratore potrebbe aver ricevuto in precedenza un'ampia formazione e quindi si aspettava un incarico di lavoro che richiedesse qualifiche più elevate, non livelli di abilità ridotti. Inoltre, l'esperienza passata di lavoro su una catena di montaggio è stata fortemente negativa (ovvero, precedenti esperienze ambientali influenzeranno la reazione alla nuova situazione). Inoltre, i fattori ereditari del lavoratore lo rendono più incline a reagire a fattori di stress con un aumento della pressione arteriosa. Poiché è più irritabile, forse sua moglie lo critica per aver accettato il suo nuovo incarico e portato a casa i suoi problemi. Come risultato di tutti questi fattori, il lavoratore reagisce alle sensazioni di disagio, magari con un aumento del consumo di alcol o sperimentando reazioni fisiologiche indesiderate, come l'innalzamento della pressione arteriosa. I guai sul lavoro e in famiglia continuano e le sue reazioni, originariamente di tipo transitorio, si fanno sostenute. Alla fine, può entrare in uno stato di ansia cronica o sviluppare alcolismo o malattia ipertensiva cronica. Questi problemi, a loro volta, aumentano le sue difficoltà sul lavoro e con la sua famiglia, e possono anche aumentare la sua vulnerabilità fisiologica. Potrebbe instaurarsi un circolo vizioso che potrebbe concludersi con un ictus, un incidente sul lavoro o addirittura un suicidio. Questo esempio illustra l'ambiente programmazione coinvolti nel modo in cui un lavoratore reagisce dal punto di vista comportamentale, fisiologico e sociale, portando a una maggiore vulnerabilità, a problemi di salute e persino alla morte.

Le condizioni psicosociali nella vita lavorativa attuale

Secondo un'importante risoluzione dell'Organizzazione Internazionale del Lavoro (ILO) (1975), il lavoro non deve solo rispettare la vita e la salute dei lavoratori e lasciare loro tempo libero per il riposo e lo svago, ma anche consentire loro di servire la società e raggiungere la propria realizzazione sviluppando la propria capacità personali. Anche questi principi furono fissati già nel 1963, in un rapporto del London Tavistock Institute (Documento n. T813) che forniva le seguenti linee guida generali per la progettazione del lavoro:

  1.  Il lavoro dovrebbe essere ragionevolmente impegnativo in termini diversi dalla pura resistenza e fornire almeno un minimo di varietà.
  2.  Il lavoratore dovrebbe essere in grado di apprendere sul posto di lavoro e continuare ad apprendere.
  3.  Il lavoro dovrebbe comprendere un'area del processo decisionale che l'individuo può chiamare propria.
  4.  Dovrebbe esserci un certo grado di sostegno sociale e riconoscimento sul posto di lavoro.
  5.  Il lavoratore dovrebbe essere in grado di mettere in relazione ciò che fa o produce con la vita sociale.
  6.  Il lavoratore dovrebbe sentire che il lavoro porta a una sorta di futuro desiderabile.

 

L'Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE), tuttavia, traccia un quadro meno promettente della realtà della vita lavorativa, sottolineando che:

  • Il lavoro è stato accettato come un dovere e una necessità per la maggior parte degli adulti.
  • Il lavoro ei luoghi di lavoro sono stati progettati quasi esclusivamente con riferimento a criteri di efficienza e di costo.
  • Le risorse tecnologiche e di capitale sono state accettate come determinanti imperativi della natura ottimale dei posti di lavoro e dei sistemi di lavoro.
  • I cambiamenti sono stati motivati ​​in gran parte dall'aspirazione a una crescita economica illimitata.
  • Il giudizio sulla progettazione ottimale dei posti di lavoro e sulla scelta degli obiettivi di lavoro spettava quasi interamente a dirigenti e tecnologi, con solo una lieve intrusione da parte della contrattazione collettiva e della legislazione protettiva.
  • Altre istituzioni sociali hanno assunto forme che servono a sostenere questo tipo di sistema di lavoro.

 

 Nel breve periodo, i benefici degli sviluppi che hanno proceduto secondo questa lista OCSE hanno portato più produttività a minor costo, così come un aumento della ricchezza. Tuttavia, gli svantaggi a lungo termine di tali sviluppi sono spesso più insoddisfazione dei lavoratori, alienazione e possibilmente problemi di salute che, se si considera la società in generale, a loro volta, possono influenzare la sfera economica, sebbene i costi economici di questi effetti siano stati considerati solo di recente in considerazione (Cooper, Luikkonen e Cartwright 1996; Levi e Lunde-Jensen 1996).

Tendiamo anche a dimenticare che, biologicamente, l'umanità non è cambiata molto negli ultimi 100,000 anni, mentre l'ambiente - e in particolare l'ambiente di lavoro - è cambiato radicalmente, in particolare durante l'ultimo secolo e decenni. Questo cambiamento è stato in parte in meglio; tuttavia, alcuni di questi "miglioramenti" sono stati accompagnati da effetti collaterali inaspettati. Ad esempio, i dati raccolti dall'Ufficio centrale nazionale svedese di statistica durante gli anni '1980 hanno mostrato che:

  • L'11% di tutti i dipendenti svedesi è costantemente esposto a rumori assordanti.
  • Il 15% ha lavori che li sporcano molto (olio, vernice, ecc.).
  • Il 17% ha orari di lavoro scomodi, vale a dire non solo lavoro diurno ma anche lavoro notturno o notturno, lavoro a turni o altri orari di lavoro irregolari.
  • Il 9% ha un orario di lavoro lordo superiore a 11 al giorno (questo concetto include ore di lavoro, pause, viaggi, straordinari, ecc.; in altre parole, quella parte della giornata dedicata al lavoro).
  • L'11% ha un lavoro considerato sia “frenetico” che “monotono”.
  • Il 34% considera il proprio lavoro “mentalmente impegnativo”.
  • Il 40% si considera “senza influenza sull'organizzazione del tempo per le pause”.
  • Il 45% si considera senza "opportunità di imparare cose nuove" sul lavoro.
  • Il 26% ha un atteggiamento strumentale nei confronti del proprio lavoro. Ritengono che “il loro lavoro non produca nient'altro che la paga, cioè nessun sentimento di soddisfazione personale”. Il lavoro è considerato puramente come uno strumento per acquisire un reddito.


Nel suo importante studio sulle condizioni di lavoro negli allora 12 Stati membri dell'Unione Europea (1991/92), la Fondazione Europea (Paoli 1992) ha rilevato che il 30% della forza lavoro considerava il proprio lavoro un rischio per la propria salute, 23 milioni avere un lavoro notturno superiore al 25% delle ore totali lavorate, ogni terzo riferire lavoro altamente ripetitivo e monotono, ogni quinto uomo e ogni sesta donna lavorare sotto "continua pressione del tempo" e ogni quarto lavoratore trasportare carichi pesanti o lavorare in una posizione contorta o dolorosa più del 50% del suo orario di lavoro.

Principali fattori di stress psicosociale sul lavoro

Come già indicato, lo stress è causato da un cattivo “adattamento persona-ambiente”, oggettivo, soggettivo, o entrambi, sul lavoro o altrove e in un'interazione con fattori genetici. È come una scarpa che calza male: le esigenze ambientali non corrispondono alle capacità individuali, o le opportunità ambientali non sono all'altezza delle esigenze e delle aspettative individuali. Ad esempio, l'individuo è in grado di svolgere una certa quantità di lavoro, ma è richiesto molto di più, o d'altra parte non viene offerto alcun lavoro. Un altro esempio potrebbe essere che il lavoratore ha bisogno di far parte di una rete sociale, di sperimentare un senso di appartenenza, un senso che la vita ha un significato, ma potrebbe non esserci alcuna opportunità di soddisfare queste esigenze nell'ambiente esistente e l'"adattamento" diventa cattivo.

Qualsiasi calzata dipenderà dalla “scarpa” oltre che dal “piede”, da fattori situazionali oltre che da caratteristiche individuali e di gruppo. I fattori situazionali più importanti che danno origine a "disadattati" possono essere classificati come segue:

Sovraccarico quantitativo. Troppo da fare, pressione del tempo e flusso di lavoro ripetitivo. Questa è in gran parte la caratteristica tipica della tecnologia di produzione di massa e del lavoro d'ufficio di routine.

Sottocarico qualitativo. Contenuto del lavoro troppo ristretto e unilaterale, mancanza di variazione degli stimoli, nessuna richiesta di creatività o risoluzione dei problemi o scarse opportunità di interazione sociale. Questi lavori sembrano diventare più comuni con un'automazione progettata in modo non ottimale e un maggiore utilizzo dei computer sia negli uffici che nella produzione, anche se potrebbero esserci casi opposti.

Conflitti di ruolo. Tutti occupano diversi ruoli contemporaneamente. Siamo i superiori di alcune persone e i subordinati di altri. Siamo figli, genitori, coniugi, amici e membri di club o sindacati. I conflitti sorgono facilmente tra i nostri vari ruoli e sono spesso fonte di stress, come quando, ad esempio, le richieste sul lavoro si scontrano con quelle di un genitore o di un figlio malato o quando un supervisore è diviso tra lealtà verso i superiori e verso colleghi e subordinati.

Mancanza di controllo sulla propria situazione. Quando qualcun altro decide cosa fare, quando e come; ad esempio, in relazione al ritmo di lavoro e ai metodi di lavoro, quando il lavoratore non ha alcuna influenza, alcun controllo, nessuna voce in capitolo. O quando c'è incertezza o mancanza di qualsiasi struttura evidente nella situazione lavorativa.

Mancanza di supporto sociale a casa e dal tuo capo o colleghi di lavoro.

Fattori fisici di stress. Tali fattori possono influenzare il lavoratore sia fisicamente che chimicamente, ad esempio gli effetti diretti sul cervello dei solventi organici. Gli effetti psicosociali secondari possono anche provenire dal disagio causato, ad esempio, da odori, abbagliamento, rumore, temperature o umidità estreme dell'aria e così via. Tali effetti possono anche essere dovuti alla consapevolezza, al sospetto o al timore del lavoratore di essere esposto a pericoli chimici potenzialmente letali oa rischi di infortunio.

Infine, le condizioni di vita reale sul lavoro e al di fuori del lavoro di solito implicano una combinazione di molte esposizioni. Questi potrebbero sovrapporsi l'uno all'altro in modo additivo o sinergico. La goccia che fa traboccare il vaso può quindi essere un fattore ambientale piuttosto banale, ma che si aggiunge a un carico ambientale preesistente molto considerevole.

Alcuni dei fattori di stress specifici nell'industria meritano una discussione speciale, vale a dire quelli caratteristici di:

  • tecnologia di produzione di massa
  • processi di lavoro altamente automatizzati
  • lavoro a turni


Tecnologia di produzione di massa. Nell'ultimo secolo il lavoro si è frammentato in molti luoghi di lavoro, passando da un'attività lavorativa ben definita con un prodotto finale distinto e riconosciuto, a numerose sottounità ristrette e altamente specificate che hanno una relazione poco apparente con il prodotto finale. La crescente dimensione di molte unità di fabbrica ha avuto la tendenza a determinare una lunga catena di comando tra la direzione ei singoli lavoratori, accentuando la distanza tra i due gruppi. L'operaio si allontana anche dal consumatore, poiché rapide elaborazioni per il marketing, la distribuzione e la vendita interpongono molti passaggi tra il produttore e il consumatore.

La produzione di massa, quindi, normalmente comporta non solo una pronunciata frammentazione del processo lavorativo, ma anche una diminuzione del controllo operaio sul processo. Ciò è in parte dovuto al fatto che l'organizzazione del lavoro, il contenuto del lavoro e il ritmo di lavoro sono determinati dal sistema della macchina. Tutti questi fattori di solito si traducono in monotonia, isolamento sociale, mancanza di libertà e pressione del tempo, con possibili effetti a lungo termine sulla salute e sul benessere.

La produzione di massa, inoltre, favorisce l'introduzione del cottimo. A questo proposito, si può ipotizzare che il desiderio – o la necessità – di guadagnare di più possa, per un certo periodo, indurre l'individuo a lavorare più di quanto non faccia bene all'organismo e ad ignorare gli “avvertimenti” mentali e fisici, come una sensazione di stanchezza, problemi nervosi e disturbi funzionali in vari organi o apparati. Un altro possibile effetto è che il lavoratore, deciso ad aumentare la produzione ei guadagni, violi le norme di sicurezza aumentando così il rischio di malattia professionale e di infortuni per sé e per gli altri (es. autotrasportatori a cottimo).

Processi di lavoro altamente automatizzati. Nel lavoro automatizzato, gli elementi ripetitivi e manuali vengono rilevati dalle macchine e ai lavoratori vengono lasciate principalmente funzioni di supervisione, monitoraggio e controllo. Questo tipo di lavoro è generalmente piuttosto qualificato, non regolamentato nei dettagli e il lavoratore è libero di muoversi. Di conseguenza, l'introduzione dell'automazione elimina molti degli svantaggi della tecnologia di produzione di massa. Tuttavia, ciò vale soprattutto per quelle fasi dell'automazione in cui l'operatore è effettivamente assistito dal computer e mantiene un certo controllo sui suoi servizi. Se, invece, le capacità e le conoscenze dell'operatore vengono progressivamente rilevate dal computer - sviluppo probabile se il processo decisionale è lasciato agli economisti e ai tecnologi - può verificarsi un nuovo impoverimento del lavoro, con la reintroduzione della monotonia, dell'isolamento sociale e della mancanza di controllo.

Il monitoraggio di un processo di solito richiede un'attenzione prolungata e la prontezza ad agire durante un monotono periodo di servizio, un requisito che non corrisponde al bisogno del cervello di un flusso di stimoli ragionevolmente vario per mantenere una vigilanza ottimale. È ben documentato che la capacità di rilevare i segnali critici diminuisce rapidamente anche durante la prima mezz'ora in un ambiente monotono. Ciò può aumentare la tensione insita nella consapevolezza che la temporanea disattenzione e anche un piccolo errore potrebbero avere conseguenze economiche estese e altre conseguenze disastrose.

Altri aspetti critici del controllo del processo sono associati a richieste molto speciali di capacità mentali. Gli operatori si occupano di simboli, segnali astratti su array di strumenti e non sono in contatto con il prodotto reale del loro lavoro.

Lavoro a turni. Nel caso del lavoro a turni, i cambiamenti biologici ritmici non coincidono necessariamente con le corrispondenti esigenze ambientali. Qui, l'organismo può "calpestare il gas" e l'attivazione avviene in un momento in cui il lavoratore ha bisogno di dormire (ad esempio, durante il giorno dopo un turno di notte), e la disattivazione avviene corrispondentemente di notte, quando il lavoratore potrebbe aver bisogno di lavorare e sii vigile.

Un'ulteriore complicazione sorge perché i lavoratori di solito vivono in un ambiente sociale che non è progettato per le esigenze dei turnisti. Ultimo ma non meno importante, i turnisti devono spesso adattarsi a cambiamenti regolari o irregolari delle esigenze ambientali, come nel caso dei turni a rotazione.

In sintesi, le esigenze psicosociali del posto di lavoro moderno sono spesso in contrasto con le esigenze e le capacità dei lavoratori, portando a stress e problemi di salute. Questa discussione fornisce solo un'istantanea dei fattori di stress psicosociali sul lavoro e di come queste condizioni malsane possono insorgere nel posto di lavoro di oggi. Nelle sezioni che seguono, i fattori di stress psicosociali vengono analizzati in maggior dettaglio rispetto alle loro fonti nei moderni sistemi e tecnologie di lavoro, e rispetto alla loro valutazione e controllo.


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Martedì, 11 gennaio 2011 20: 11

Fattori psicosociali e organizzativi

Nel 1966, molto prima stress da lavoro ed fattori psicosociali divennero espressioni familiari, un rapporto speciale intitolato "Proteggere la salute di ottanta milioni di lavoratori: un obiettivo nazionale per la salute sul lavoro" fu inviato al Surgeon General degli Stati Uniti (Dipartimento della salute e dei servizi umani degli Stati Uniti 1966). Il rapporto è stato preparato sotto gli auspici del Comitato consultivo nazionale per la salute ambientale per fornire indicazioni ai programmi federali in materia di salute sul lavoro. Tra le sue numerose osservazioni, il rapporto ha rilevato che lo stress psicologico era sempre più evidente sul posto di lavoro, presentando "... nuove e sottili minacce alla salute mentale" e il possibile rischio di disturbi somatici come le malattie cardiovascolari. Il cambiamento tecnologico e le crescenti esigenze psicologiche del posto di lavoro sono stati elencati come fattori che contribuiscono. Il rapporto si concludeva con un elenco di due dozzine di "problemi urgenti" che richiedono un'attenzione prioritaria, tra cui la salute mentale sul lavoro e fattori che contribuiscono al posto di lavoro.

Trent'anni dopo, questo rapporto si è dimostrato straordinariamente profetico. Lo stress da lavoro è diventato una delle principali fonti di disabilità dei lavoratori in Nord America e in Europa. Nel 1990, il 13% di tutti i casi di invalidità dei lavoratori gestiti dalla Northwestern National Life, uno dei principali sottoscrittori statunitensi di richieste di risarcimento dei lavoratori, era dovuto a disturbi sospettati di essere collegati allo stress da lavoro (Northwestern National Life 1991). Uno studio del 1985 del National Council on Compensation Insurance ha rilevato che un tipo di richiesta, riguardante disabilità psicologica dovuta a "stress mentale graduale" sul lavoro, era cresciuto fino all'11% di tutte le richieste di risarcimento per malattia professionale (National Council on Compensation Insurance 1985)  

* Negli Stati Uniti, le richieste di risarcimento per malattia professionale sono diverse da quelle per infortunio, che tendono a superare di gran lunga le richieste di risarcimento per malattia.

Questi sviluppi sono comprensibili considerando le esigenze del lavoro moderno. Un'indagine del 1991 sui membri dell'Unione europea ha rilevato che "la percentuale di lavoratori che lamentano vincoli organizzativi, che sono particolarmente favorevoli allo stress, è superiore alla percentuale di lavoratori che lamentano vincoli fisici" (Fondazione europea per il miglioramento della vita e del lavoro Condizioni 1992). Allo stesso modo, uno studio più recente sulla popolazione attiva olandese ha rilevato che metà del campione ha riportato un ritmo di lavoro elevato, tre quarti del campione ha riferito scarse possibilità di promozione e un terzo ha segnalato una scarsa corrispondenza tra la loro istruzione e il loro posti di lavoro (Houtman e Kompier 1995). Da parte americana, i dati sulla prevalenza dei fattori di rischio di stress da lavoro sul posto di lavoro sono meno disponibili. Tuttavia, in un recente sondaggio condotto su diverse migliaia di lavoratori statunitensi, oltre il 40% dei lavoratori ha riferito di carichi di lavoro eccessivi e ha affermato di essere "esaurito" ed "emotivamente svuotato" alla fine della giornata (Galinsky, Bond e Friedman 1993).

L'impatto di questo problema in termini di perdita di produttività, malattia e riduzione della qualità della vita è senza dubbio formidabile, anche se difficile da stimare in modo affidabile. Tuttavia, le recenti analisi dei dati di oltre 28,000 lavoratori da parte della compagnia Saint Paul Fire and Marine Insurance sono di interesse e rilevanza. Questo studio ha rilevato che la pressione del tempo e altri problemi emotivi e personali sul lavoro erano più fortemente associati a problemi di salute segnalati rispetto a qualsiasi altro fattore di stress della vita personale; più che problemi finanziari o familiari, o la morte di una persona cara (St. Paul Fire and Marine Insurance Company 1992).

Guardando al futuro, i rapidi cambiamenti nel tessuto del lavoro e della forza lavoro pongono rischi sconosciuti, e forse maggiori, di stress lavorativo. Ad esempio, in molti paesi la forza lavoro sta rapidamente invecchiando in un momento in cui la sicurezza del lavoro sta diminuendo. Negli Stati Uniti, il ridimensionamento aziendale continua quasi senza sosta nell'ultima metà del decennio, a un ritmo di oltre 30,000 posti di lavoro persi al mese (Roy 1995). Nello studio sopra citato di Galinsky, Bond e Friedman (1993) quasi un quinto dei lavoratori riteneva probabile che avrebbero perso il lavoro nel prossimo anno. Allo stesso tempo, il numero di lavoratori occasionali, generalmente privi di indennità sanitarie e di altre reti di sicurezza, continua a crescere e ora comprende circa il 5% della forza lavoro (USBLS 1995).

Lo scopo di questo capitolo è quello di fornire una panoramica delle attuali conoscenze sulle condizioni che portano allo stress sul lavoro e ai problemi di salute e sicurezza associati. Queste condizioni, che sono comunemente denominate fattori psicosociali, includono aspetti del lavoro e dell'ambiente di lavoro come il clima o la cultura organizzativa, i ruoli lavorativi, le relazioni interpersonali sul lavoro e la progettazione e il contenuto dei compiti (ad es. varietà, significato, ambito, ripetitività, ecc.). Il concetto di fattori psicosociali si estende anche all'ambiente extra-organizzativo (es. esigenze domestiche) e agli aspetti dell'individuo (es. personalità e atteggiamenti) che possono influenzare lo sviluppo dello stress sul lavoro. Frequentemente le espressioni organizzazione del lavoro or fattori organizzativi sono usati in modo intercambiabile con fattori psicosociali in riferimento a condizioni di lavoro che possono portare a stress.

Questa sezione del Enciclopedia inizia con le descrizioni di diversi modelli di stress da lavoro che sono di attuale interesse scientifico, tra cui il modello di controllo delle richieste di lavoro, il modello di adattamento persona-ambiente (PE) e altri approcci teorici allo stress sul lavoro. Come tutte le nozioni contemporanee di stress da lavoro, questi modelli hanno un tema comune: lo stress da lavoro è concettualizzato in termini di relazione tra il lavoro e la persona. Secondo questo punto di vista, lo stress da lavoro e il potenziale di cattiva salute si sviluppano quando le richieste di lavoro sono in disaccordo con i bisogni, le aspettative o le capacità del lavoratore. Questa caratteristica fondamentale è implicita nella figura 1, che mostra gli elementi di base di un modello di stress favorito dai ricercatori dell'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH). In questo modello, i fattori psicosociali legati al lavoro (definiti fattori di stress) provocano reazioni psicologiche, comportamentali e fisiche che possono in definitiva influenzare la salute. Tuttavia, come illustrato nella figura 1, fattori individuali e contestuali (definiti moderatori dello stress) intervengono per influenzare gli effetti dei fattori di stress sul lavoro sulla salute e sul benessere. (Vedi Hurrell e Murphy 1992 per una descrizione più elaborata del modello di stress NIOSH.)

Figura 1. Il modello di stress da lavoro dell'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro (NIOSH)

PSY005F1

Ma a parte questa somiglianza concettuale, ci sono anche differenze teoriche non banali tra questi modelli. Ad esempio, a differenza dei modelli NIOSH e PE fit dello stress da lavoro, che riconoscono una serie di potenziali fattori di rischio psicosociale sul posto di lavoro, il modello job demands-job control si concentra più intensamente su una gamma più limitata di dimensioni psicosociali relative al carico di lavoro psicologico e opportunità per i lavoratori di esercitare il controllo (definito margine decisionale) su aspetti del loro lavoro. Inoltre, sia il modello di controllo della domanda che il modello NIOSH possono essere distinti dai modelli di adattamento PE in termini di attenzione posta sull'individuo. Nel modello PE fit, l'accento è posto sulle percezioni individuali dell'equilibrio tra le caratteristiche del lavoro e gli attributi individuali. Questa attenzione alle percezioni fornisce un ponte tra la teoria dell'adattamento PE e un'altra variante della teoria dello stress attribuita a Lazarus (1966), in cui le differenze individuali nella valutazione dei fattori di stress psicosociali e nelle strategie di coping diventano di fondamentale importanza nel determinare i risultati dello stress. Al contrario, pur non negando l'importanza delle differenze individuali, il modello di stress NIOSH dà il primato ai fattori ambientali nel determinare gli esiti dello stress come suggerito dalla geometria del modello illustrato nella figura 1. In sostanza, il modello suggerisce che la maggior parte dei fattori di stress sarà una minaccia alla maggior parte delle persone per la maggior parte del tempo, indipendentemente dalle circostanze. Un'enfasi simile può essere vista in altri modelli di stress e stress da lavoro (ad esempio, Cooper e Marshall 1976; Kagan e Levi 1971; Matteson e Ivancevich 1987).

Queste differenze hanno implicazioni importanti sia per guidare la ricerca sullo stress da lavoro che per le strategie di intervento sul posto di lavoro. Il modello NIOSH, ad esempio, sostiene la prevenzione primaria dello stress lavorativo attraverso l'attenzione in primo luogo ai fattori di stress psicosociali sul posto di lavoro e, a questo proposito, è coerente con un modello di prevenzione della salute pubblica. Sebbene un approccio di salute pubblica riconosca l'importanza dei fattori dell'ospite o della resistenza nell'eziologia della malattia, la prima linea di difesa in questo approccio è quella di sradicare o ridurre l'esposizione ai patogeni ambientali.

Il modello di stress NIOSH illustrato nella figura 1 fornisce un quadro organizzativo per il resto di questa sezione. Dopo le discussioni sui modelli di stress da lavoro ci sono brevi articoli contenenti riassunti delle attuali conoscenze sui fattori di stress psicosociale sul posto di lavoro e sui moderatori dello stress. Queste sottosezioni affrontano condizioni che hanno ricevuto ampia attenzione in letteratura come fattori di stress e moderatori dello stress, nonché argomenti di interesse emergente come il clima organizzativo e la fase della carriera. Preparato dalle principali autorità del settore, ogni sintesi fornisce una definizione e una breve panoramica della letteratura pertinente sull'argomento. Inoltre, per massimizzare l'utilità di questi riepiloghi, a ciascun contributore è stato chiesto di includere informazioni sui metodi di misurazione o valutazione e sulle pratiche di prevenzione.

La sottosezione finale del capitolo passa in rassegna le attuali conoscenze su un'ampia gamma di potenziali rischi per la salute dello stress lavorativo e sui meccanismi alla base di questi effetti. La discussione spazia dalle preoccupazioni tradizionali, come i disturbi psicologici e cardiovascolari, ad argomenti emergenti come la funzione immunitaria depressa e le malattie muscoloscheletriche.

In sintesi, gli ultimi anni sono stati testimoni di cambiamenti senza precedenti nella progettazione e nelle esigenze del lavoro e l'emergere dello stress lavorativo come una delle principali preoccupazioni per la salute sul lavoro. Questa sezione del Enciclopedia cerca di promuovere la comprensione dei rischi psicosociali posti dall'evoluzione dell'ambiente di lavoro e quindi di proteggere meglio il benessere dei lavoratori.

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Lunedi, 20 dicembre 2010 19: 25

Determinanti genetici della risposta tossica

È stato a lungo riconosciuto che la risposta di ogni persona alle sostanze chimiche ambientali è diversa. La recente esplosione della biologia molecolare e della genetica ha portato a una comprensione più chiara delle basi molecolari di tale variabilità. I principali determinanti della risposta individuale alle sostanze chimiche comprendono importanti differenze tra più di una dozzina di superfamiglie di enzimi, collettivamente denominate xenobiotico- (estraneo al corpo) o metabolizzazione del farmaco enzimi. Sebbene il ruolo di questi enzimi sia stato classicamente considerato quello della disintossicazione, questi stessi enzimi convertono anche un certo numero di composti inerti in intermedi altamente tossici. Recentemente, sono state identificate molte differenze sottili e grossolane nei geni che codificano questi enzimi, che hanno dimostrato di provocare variazioni marcate nell'attività enzimatica. È ormai chiaro che ogni individuo possiede un complemento distinto di attività enzimatiche di metabolizzazione degli xenobiotici; questa diversità potrebbe essere pensata come una "impronta digitale metabolica". È la complessa interazione di queste molte diverse superfamiglie di enzimi che alla fine determina non solo il destino e il potenziale di tossicità di una sostanza chimica in un dato individuo, ma anche la valutazione dell'esposizione. In questo articolo abbiamo scelto di utilizzare la superfamiglia degli enzimi del citocromo P450 per illustrare i notevoli progressi compiuti nella comprensione della risposta individuale alle sostanze chimiche. Lo sviluppo di test basati sul DNA relativamente semplici, progettati per identificare specifiche alterazioni geniche in questi enzimi, sta ora fornendo previsioni più accurate della risposta individuale all'esposizione chimica. Speriamo che il risultato sia una tossicologia preventiva. In altre parole, ogni individuo potrebbe venire a conoscenza di quelle sostanze chimiche alle quali è particolarmente sensibile, evitando così tossicità o tumori precedentemente imprevedibili.

Sebbene non sia generalmente apprezzato, gli esseri umani sono esposti quotidianamente a una raffica di innumerevoli sostanze chimiche diverse. Molte di queste sostanze chimiche sono altamente tossiche e derivano da un'ampia varietà di fonti ambientali e alimentari. La relazione tra tali esposizioni e la salute umana è stata, e continua ad essere, uno dei principali obiettivi degli sforzi della ricerca biomedica in tutto il mondo.

Quali sono alcuni esempi di questo bombardamento chimico? Più di 400 sostanze chimiche del vino rosso sono state isolate e caratterizzate. Si stima che almeno 1,000 sostanze chimiche vengano prodotte da una sigaretta accesa. Ci sono innumerevoli sostanze chimiche nei cosmetici e nei saponi profumati. Un'altra importante fonte di esposizione chimica è l'agricoltura: solo negli Stati Uniti, i terreni agricoli ricevono più di 75,000 sostanze chimiche ogni anno sotto forma di pesticidi, erbicidi e agenti fertilizzanti; dopo l'assorbimento da parte delle piante e degli animali al pascolo, così come dei pesci nei corsi d'acqua vicini, gli esseri umani (alla fine della catena alimentare) ingeriscono queste sostanze chimiche. Altre due fonti di grandi concentrazioni di sostanze chimiche introdotte nel corpo includono (a) droghe assunte cronicamente e (b) esposizione a sostanze pericolose sul posto di lavoro per tutta la vita lavorativa.

È ormai accertato che l'esposizione chimica può influire negativamente su molti aspetti della salute umana, causando malattie croniche e lo sviluppo di molti tipi di cancro. Nell'ultimo decennio circa, le basi molecolari di molte di queste relazioni hanno cominciato a essere svelate. Inoltre, è emersa la consapevolezza che gli esseri umani differiscono notevolmente nella loro suscettibilità agli effetti dannosi dell'esposizione chimica.

Gli attuali sforzi per prevedere la risposta umana all'esposizione chimica combinano due approcci fondamentali (figura 1): monitorare l'entità dell'esposizione umana attraverso marcatori biologici (biomarcatori) e prevedere la probabile risposta di un individuo a un dato livello di esposizione. Sebbene entrambi questi approcci siano estremamente importanti, va sottolineato che i due sono nettamente diversi l'uno dall'altro. Questo articolo si concentrerà sul fattori genetici sottostante suscettibilità individuale a qualsiasi particolare esposizione chimica. Questo campo di ricerca è ampiamente definito ecogenetica, o farmacogenetica (vedi Kalow 1962 e 1992). Molti dei recenti progressi nella determinazione della suscettibilità individuale alla tossicità chimica si sono evoluti da un maggiore apprezzamento dei processi mediante i quali gli esseri umani e altri mammiferi disintossicano le sostanze chimiche e la notevole complessità dei sistemi enzimatici coinvolti.

Figura 1. Le interrelazioni tra la valutazione dell'esposizione, le differenze etniche, l'età, la dieta, la nutrizione e la valutazione della suscettibilità genetica, che giocano tutte un ruolo nel rischio individuale di tossicità e cancroTOX050F1

Per prima cosa descriveremo la variabilità delle risposte tossiche negli esseri umani. Introdurremo quindi alcuni degli enzimi responsabili di tale variazione nella risposta, dovuta a differenze nel metabolismo di sostanze chimiche estranee. Successivamente, verranno dettagliate la storia e la nomenclatura della superfamiglia del citocromo P450. Verranno brevemente descritti cinque polimorfismi P450 umani e diversi polimorfismi non P450; questi sono responsabili delle differenze umane nella risposta tossica. Discuteremo quindi un esempio per sottolineare il fatto che le differenze genetiche negli individui possono influenzare la valutazione dell'esposizione, come determinato dal monitoraggio ambientale. Infine, discuteremo il ruolo di questi enzimi metabolizzanti xenobiotici nelle funzioni vitali critiche.

Variazione nella risposta tossica tra la popolazione umana

Tossicologi e farmacologi parlano comunemente di dose letale media per il 50% della popolazione (LD50), la dose massima media tollerata per il 50% della popolazione (MTD50), e la dose media efficace di un particolare farmaco per il 50% della popolazione (ED50). Tuttavia, in che modo queste dosi influiscono su ciascuno di noi su base individuale? In altre parole, un individuo altamente sensibile può essere 500 volte più colpito o 500 volte più probabilità di essere colpito rispetto all'individuo più resistente in una popolazione; per queste persone il D.L50 (e MTD50 e ED50) i valori avrebbero poco significato. L.D50, MTD50 e ED50 i valori sono rilevanti solo se riferiti alla popolazione nel suo complesso.

Figure 2 illustra un'ipotetica relazione dose-risposta per una risposta tossica da parte di individui in una data popolazione. Questo diagramma generico potrebbe rappresentare il carcinoma broncogeno in risposta al numero di sigarette fumate, la cloracne in funzione dei livelli di diossina sul posto di lavoro, l'asma in funzione delle concentrazioni atmosferiche di ozono o aldeide, le scottature solari in risposta alla luce ultravioletta, la diminuzione del tempo di coagulazione come una funzione di assunzione di aspirina, o disturbi gastrointestinali in risposta al numero di jalapeno peperoni consumati. Generalmente, in ciascuno di questi casi, maggiore è l'esposizione, maggiore è la risposta tossica. La maggior parte della popolazione mostrerà la media e la deviazione standard della risposta tossica in funzione della dose. Il "valore anomalo resistente" (in basso a destra nella figura 2) è un individuo che ha una risposta minore a dosi o esposizioni più elevate. Un "valore anomalo sensibile" (in alto a sinistra) è un individuo che ha una risposta esagerata a una dose o esposizione relativamente piccola. Questi valori anomali, con differenze estreme nella risposta rispetto alla maggior parte degli individui nella popolazione, possono rappresentare importanti varianti genetiche che possono aiutare gli scienziati nel tentativo di comprendere i meccanismi molecolari alla base di una risposta tossica. 

Figura 2. Relazione generica tra qualsiasi risposta tossica e la dose di qualsiasi agente ambientale, chimico o fisico

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Utilizzando questi valori anomali negli studi sulla famiglia, gli scienziati di numerosi laboratori hanno iniziato ad apprezzare l'importanza dell'ereditarietà mendeliana per una data risposta tossica. Successivamente, si può quindi rivolgersi alla biologia molecolare e agli studi genetici per individuare il meccanismo sottostante a livello genico (genotipo) responsabile della malattia causata dall'ambiente (fenotipo).

Enzimi che metabolizzano farmaci e xenobiotici

Come risponde il corpo alla miriade di sostanze chimiche esogene a cui siamo esposti? Gli esseri umani e altri mammiferi hanno sviluppato sistemi enzimatici metabolici altamente complessi che comprendono più di una dozzina di superfamiglie distinte di enzimi. Quasi tutte le sostanze chimiche a cui gli esseri umani sono esposti saranno modificate da questi enzimi, al fine di facilitare la rimozione della sostanza estranea dal corpo. Collettivamente, questi enzimi sono spesso indicati come enzimi che metabolizzano i farmaci or enzimi metabolizzanti xenobiotici. In realtà, entrambi i termini sono termini impropri. In primo luogo, molti di questi enzimi non solo metabolizzano i farmaci, ma centinaia di migliaia di sostanze chimiche ambientali e dietetiche. In secondo luogo, tutti questi enzimi hanno anche normali composti corporei come substrati; nessuno di questi enzimi metabolizza solo sostanze chimiche estranee.

Per più di quattro decenni, i processi metabolici mediati da questi enzimi sono stati comunemente classificati come reazioni di Fase I o di Fase II (figura 3). Le reazioni di fase I ("funzionalizzazione") generalmente comportano modifiche strutturali relativamente minori della sostanza chimica madre tramite ossidazione, riduzione o idrolisi al fine di produrre un metabolita più solubile in acqua. Spesso le reazioni di Fase I forniscono una "maniglia" per ulteriori modifiche di un composto mediante successive reazioni di Fase II. Le reazioni di fase I sono principalmente mediate da una superfamiglia di enzimi altamente versatili, denominati collettivamente citocromi P450, sebbene possano essere coinvolte anche altre superfamiglie di enzimi (figura 4).

Figura 3. La designazione classica degli enzimi di fase I e di fase II che metabolizzano xenobiotici o farmacitox050f4

Figura 4. Esempi di enzimi che metabolizzano i farmaci

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Le reazioni di fase II comportano l'accoppiamento di una molecola endogena idrosolubile a una sostanza chimica (sostanza chimica madre o metabolita di fase I) per facilitare l'escrezione. Le reazioni di fase II sono spesso chiamate reazioni di "coniugazione" o "derivatizzazione". Le superfamiglie di enzimi che catalizzano le reazioni di Fase II sono generalmente denominate in base alla porzione di coniugazione endogena coinvolta: ad esempio, acetilazione da parte delle N-acetiltransferasi, solfatazione da parte delle sulfotransferasi, coniugazione del glutatione da parte delle glutatione transferasi e glucuronidazione da parte delle UDP glucuronosiltransferasi (figura 4) . Sebbene l'organo principale del metabolismo dei farmaci sia il fegato, i livelli di alcuni enzimi che metabolizzano i farmaci sono piuttosto elevati nel tratto gastrointestinale, nelle gonadi, nei polmoni, nel cervello e nei reni, e tali enzimi sono indubbiamente presenti in una certa misura in ogni cellula vivente.

Gli enzimi che metabolizzano gli xenobiotici rappresentano un doppio taglio Swords

Man mano che apprendiamo di più sui processi biologici e chimici che portano alle aberrazioni della salute umana, è diventato sempre più evidente che gli enzimi che metabolizzano i farmaci funzionano in modo ambivalente (figura 3). Nella maggior parte dei casi, le sostanze chimiche liposolubili vengono convertite in metaboliti idrosolubili più facilmente escreti. Tuttavia, è chiaro che in molte occasioni gli stessi enzimi sono in grado di trasformare altri prodotti chimici inerti in molecole altamente reattive. Questi intermedi possono quindi interagire con macromolecole cellulari come proteine ​​e DNA. Pertanto, per ogni sostanza chimica a cui gli esseri umani sono esposti, esiste il potenziale per i percorsi concorrenti di attivazione metabolica ed disintossicazione.

Breve rassegna di genetica

Nella genetica umana, ogni gene (luogo) si trova su una delle 23 coppie di cromosomi. Il due alleli (uno presente su ogni cromosoma della coppia) possono essere uguali, oppure possono essere diversi tra loro. Ad esempio, il B ed b alleli, in cui B (occhi marroni) è dominante b (occhi azzurri): gli individui del fenotipo occhi marroni possono avere sia il BB or Bb genotipi, mentre gli individui del fenotipo occhi azzurri possono avere solo il bb genotipo.

A polimorfismo è definito come due o più fenotipi ereditati stabilmente (tratti) - derivati ​​dallo stesso gene (s) - che sono mantenuti nella popolazione, spesso per ragioni non necessariamente ovvie. Affinché un gene sia polimorfico, il prodotto genico non deve essere essenziale per lo sviluppo, il vigore riproduttivo o altri processi vitali critici. Infatti, un "polimorfismo bilanciato", in cui l'eterozigote ha un netto vantaggio di sopravvivenza rispetto all'uno o all'altro omozigote (ad esempio, la resistenza alla malaria e l'allele dell'emoglobina falciforme) è una spiegazione comune per il mantenimento di un allele nella popolazione a livelli altrimenti inspiegabili frequenze (cfr González e Nebert 1990).

Polimorfismi umani di enzimi metabolizzanti xenobiotici

Le differenze genetiche nel metabolismo di vari farmaci e sostanze chimiche ambientali sono note da più di quattro decenni (Kalow 1962 e 1992). Queste differenze sono spesso indicate come farmacogenetica o, più in generale, polimorfismi ecogenetici. Questi polimorfismi rappresentano alleli varianti che si verificano con una frequenza relativamente alta nella popolazione e sono generalmente associati ad aberrazioni nell'espressione o nella funzione dell'enzima. Storicamente, i polimorfismi venivano solitamente identificati a seguito di risposte inaspettate agli agenti terapeutici. Più di recente, la tecnologia del DNA ricombinante ha consentito agli scienziati di identificare le precise alterazioni nei geni responsabili di alcuni di questi polimorfismi. I polimorfismi sono stati ora caratterizzati in molti enzimi che metabolizzano i farmaci, inclusi gli enzimi sia di fase I che di fase II. Man mano che vengono identificati sempre più polimorfismi, diventa sempre più evidente che ogni individuo può possedere un complemento distinto di enzimi che metabolizzano i farmaci. Questa diversità potrebbe essere descritta come una "impronta digitale metabolica". È la complessa interazione delle varie superfamiglie di enzimi che metabolizzano i farmaci all'interno di ogni individuo che alla fine determinerà la sua particolare risposta a una data sostanza chimica (Kalow 1962 e 1992; Nebert 1988; Gonzalez e Nebert 1990; Nebert e Weber 1990).

Esprimere gli enzimi metabolizzanti xenobiotici umani nella cellula Cultura

Come potremmo sviluppare migliori predittori delle risposte tossiche umane alle sostanze chimiche? I progressi nella definizione della molteplicità degli enzimi che metabolizzano i farmaci devono essere accompagnati da una conoscenza precisa di quali enzimi determinano il destino metabolico delle singole sostanze chimiche. I dati raccolti dagli studi di laboratorio sui roditori hanno sicuramente fornito informazioni utili. Tuttavia, significative differenze interspecie negli enzimi metabolizzanti xenobiotici richiedono cautela nell'estrapolare i dati alle popolazioni umane. Per superare questa difficoltà, molti laboratori hanno sviluppato sistemi in cui varie linee cellulari in coltura possono essere ingegnerizzate per produrre enzimi umani funzionali che sono stabili e in alte concentrazioni (Gonzalez, Crespi e Gelboin 1991). La riuscita produzione di enzimi umani è stata raggiunta in una varietà di diverse linee cellulari da fonti che includono batteri, lieviti, insetti e mammiferi.

Per definire il metabolismo delle sostanze chimiche in modo ancora più accurato, più enzimi sono stati anche prodotti con successo in una singola linea cellulare (Gonzalez, Crespi e Gelboin 1991). Tali linee cellulari forniscono preziose informazioni sui precisi enzimi coinvolti nell'elaborazione metabolica di un dato composto e sui probabili metaboliti tossici. Se queste informazioni possono poi essere combinate con le conoscenze riguardanti la presenza e il livello di un enzima nei tessuti umani, questi dati dovrebbero fornire preziosi predittori di risposta.

Citocromo P450

Storia e nomenclatura

La superfamiglia del citocromo P450 è una delle superfamiglie di enzimi che metabolizzano i farmaci più studiate, con una grande variabilità individuale in risposta alle sostanze chimiche. Il citocromo P450 è un termine generico conveniente usato per descrivere una grande superfamiglia di enzimi fondamentali nel metabolismo di innumerevoli substrati endogeni ed esogeni. Il termine citocromo P450 fu coniato per la prima volta nel 1962 per descrivere uno sconosciuto pigmento nelle cellule che, quando ridotte e legate con monossido di carbonio, producevano un caratteristico picco di assorbimento a 450 nm. Dall'inizio degli anni '1980, la tecnologia di clonazione del cDNA ha portato a notevoli intuizioni sulla molteplicità degli enzimi del citocromo P450. Ad oggi, sono stati identificati più di 400 geni distinti del citocromo P450 in animali, piante, batteri e lieviti. È stato stimato che qualsiasi specie di mammifero, come l'uomo, può possedere 60 o più geni P450 distinti (Nebert e Nelson 1991). La molteplicità dei geni P450 ha reso necessario lo sviluppo di un sistema di nomenclatura standardizzato (Nebert et al. 1987; Nelson et al. 1993). Proposto per la prima volta nel 1987 e aggiornato su base semestrale, il sistema di nomenclatura si basa sull'evoluzione divergente dei confronti delle sequenze di amminoacidi tra le proteine ​​P450. I geni P450 sono divisi in famiglie e sottofamiglie: gli enzimi all'interno di una famiglia mostrano una somiglianza aminoacidica superiore al 40% e quelli all'interno della stessa sottofamiglia mostrano una somiglianza del 55%. I geni P450 sono denominati con il simbolo della radice CYP seguito da un numero arabo che designa la famiglia P450, una lettera che indica la sottofamiglia e un ulteriore numero arabo che designa il singolo gene (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Così, CYP1A1 rappresenta il gene P450 1 nella famiglia 1 e nella sottofamiglia A.

Nel febbraio 1995, ce ne sono 403 CYP geni nel database, composto da 59 famiglie e 105 sottofamiglie. Questi includono otto famiglie eucariotiche inferiori, 15 famiglie di piante e 19 famiglie batteriche. Le 15 famiglie di geni umani P450 comprendono 26 sottofamiglie, 22 delle quali sono state mappate in posizioni cromosomiche nella maggior parte del genoma. Alcune sequenze sono chiaramente ortologhe in molte specie, ad esempio solo una CYP17 (steroide 17α-idrossilasi) è stato trovato in tutti i vertebrati esaminati fino ad oggi; altre sequenze all'interno di una sottofamiglia sono altamente duplicate, rendendo impossibile l'identificazione di coppie ortologhe (ad es. CYP2C sottofamiglia). È interessante notare che l'uomo e il lievito condividono un gene ortologo nel CYP51 famiglia. Numerose recensioni complete sono disponibili per i lettori che cercano ulteriori informazioni sulla superfamiglia P450 (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991; Nebert e McKinnon 1994; Guengerich 1993; Gonzalez 1992).

Il successo del sistema di nomenclatura P450 ha portato allo sviluppo di sistemi terminologici simili per le glucuronosiltransferasi UDP (Burchell et al. 1991) e le monoossigenasi contenenti flavina (Lawton et al. 1994). Sistemi di nomenclatura simili basati sull'evoluzione divergente sono in fase di sviluppo anche per diverse altre superfamiglie di enzimi che metabolizzano i farmaci (p. es., sulfotransferasi, epossido idrolasi e aldeide deidrogenasi).

Recentemente, abbiamo diviso la superfamiglia del gene P450 dei mammiferi in tre gruppi (Nebert e McKinnon 1994): quelli coinvolti principalmente nel metabolismo chimico estraneo, quelli coinvolti nella sintesi di vari ormoni steroidei e quelli che partecipano ad altre importanti funzioni endogene. Sono gli enzimi P450 che metabolizzano gli xenobiotici ad assumere il maggior significato per la previsione della tossicità.

Enzimi P450 metabolizzanti xenobiotici

Gli enzimi P450 coinvolti nel metabolismo di composti e farmaci estranei si trovano quasi sempre all'interno delle famiglie CYP1, CYP2, CYP3 ed CYP4. Questi enzimi P450 catalizzano un'ampia varietà di reazioni metaboliche, con un singolo P450 spesso in grado di metabolizzare molti composti diversi. Inoltre, più enzimi P450 possono metabolizzare un singolo composto in siti diversi. Inoltre, un composto può essere metabolizzato nello stesso singolo sito da diversi P450, sebbene a velocità variabili.

Una delle proprietà più importanti degli enzimi P450 che metabolizzano i farmaci è che molti di questi geni sono inducibili dalle stesse sostanze che fungono da loro substrati. D'altra parte, altri geni P450 sono indotti da non substrati. Questo fenomeno di induzione enzimatica è alla base di molte interazioni farmacologiche di importanza terapeutica.

Sebbene presenti in molti tessuti, questi particolari enzimi P450 si trovano a livelli relativamente elevati nel fegato, il sito primario del metabolismo dei farmaci. Alcuni degli enzimi P450 che metabolizzano gli xenobiotici mostrano attività verso certi substrati endogeni (p. es., l'acido arachidonico). Tuttavia, si ritiene generalmente che la maggior parte di questi enzimi P450 che metabolizzano gli xenobiotici non svolga ruoli fisiologici importanti, sebbene ciò non sia stato ancora stabilito sperimentalmente. La rottura omozigote selettiva, o "knock-out", dei singoli geni P450 che metabolizzano gli xenobiotici mediante metodologie di gene targeting nei topi è probabile che fornisca presto informazioni inequivocabili per quanto riguarda i ruoli fisiologici dei P450 che metabolizzano gli xenobiotici (per una rassegna di gene targeting, vedi Capecchi 1994).

Contrariamente alle famiglie P450 che codificano enzimi coinvolti principalmente nei processi fisiologici, le famiglie che codificano enzimi P450 metabolizzanti xenobiotici mostrano una marcata specificità di specie e spesso contengono molti geni attivi per sottofamiglia (Nelson et al. 1993; Nebert et al. 1991). Data l'apparente mancanza di substrati fisiologici, è possibile che gli enzimi P450 siano presenti nelle famiglie CYP1, CYP2, CYP3 ed CYP4 che sono apparsi in passato diverse centinaia di milioni di anni si sono evoluti come mezzo per disintossicare le sostanze chimiche estranee incontrate nell'ambiente e nella dieta. Chiaramente, l'evoluzione dei P450 che metabolizzano gli xenobiotici si sarebbe verificata in un periodo di tempo che precede di gran lunga la sintesi della maggior parte delle sostanze chimiche sintetiche a cui gli esseri umani sono ora esposti. I geni di queste quattro famiglie di geni potrebbero essersi evoluti e divergere negli animali a causa della loro esposizione ai metaboliti delle piante durante gli ultimi 1.2 miliardi di anni, un processo chiamato descrittivamente "guerra animale-pianta" (Gonzalez e Nebert 1990). La guerra animale-pianta è il fenomeno in cui le piante hanno sviluppato nuove sostanze chimiche (fitoalessine) come meccanismo di difesa per prevenire l'ingestione da parte degli animali e gli animali, a loro volta, hanno risposto sviluppando nuovi geni P450 per accogliere i substrati diversificati. A fornire ulteriore slancio a questa proposta sono gli esempi recentemente descritti di guerra chimica pianta-insetto e pianta-fungo che coinvolge la disintossicazione P450 di substrati tossici (Nebert 1994).

Quella che segue è una breve introduzione a molti dei polimorfismi dell'enzima P450 che metabolizzano gli xenobiotici umani in cui si ritiene che i determinanti genetici della risposta tossica siano di grande importanza. Fino a poco tempo fa, i polimorfismi P450 erano generalmente suggeriti da una varianza inaspettata nella risposta del paziente agli agenti terapeutici somministrati. Diversi polimorfismi P450 sono infatti denominati in base al farmaco con cui il polimorfismo è stato identificato per la prima volta. Più recentemente, gli sforzi di ricerca si sono concentrati sull'identificazione degli enzimi P450 precisi coinvolti nel metabolismo delle sostanze chimiche per le quali si osserva la varianza e la caratterizzazione precisa dei geni P450 coinvolti. Come descritto in precedenza, l'attività misurabile di un enzima P450 nei confronti di una sostanza chimica modello può essere chiamata fenotipo. Le differenze alleliche in un gene P450 per ciascun individuo sono chiamate genotipo P450. Poiché sempre più controlli vengono applicati all'analisi dei geni P450, la precisa base molecolare della varianza fenotipica precedentemente documentata sta diventando più chiara.

La sottofamiglia CYP1A

Le CYP1A sottofamiglia comprende due enzimi nell'uomo e in tutti gli altri mammiferi: questi sono designati CYP1A1 e CYP1A2 nella nomenclatura standard P450. Questi enzimi sono di notevole interesse, perché sono coinvolti nell'attivazione metabolica di molti procarcinogeni e sono anche indotti da diversi composti di interesse tossicologico, tra cui la diossina. Ad esempio, il CYP1A1 attiva metabolicamente molti composti presenti nel fumo di sigaretta. Il CYP1A2 attiva metabolicamente molte arilammine, associate al cancro della vescica urinaria, che si trovano nell'industria dei coloranti chimici. Il CYP1A2 attiva anche metabolicamente il 4-(metilnitrosamino)-1-(3-piridil)-1-butanone (NNK), una nitrosamina derivata dal tabacco. CYP1A1 e CYP1A2 si trovano anche a livelli più elevati nei polmoni dei fumatori di sigarette, a causa dell'induzione da parte degli idrocarburi policiclici presenti nel fumo. I livelli di attività di CYP1A1 e CYP1A2 sono quindi considerati importanti determinanti della risposta individuale a molte sostanze chimiche potenzialmente tossiche.

Interesse tossicologico per il CYP1A sottofamiglia è stata notevolmente intensificata da un rapporto del 1973 che correlava il livello di inducibilità del CYP1A1 nei fumatori di sigarette con la suscettibilità individuale al cancro del polmone (Kellermann, Shaw e Luyten-Kellermann 1973). Le basi molecolari dell'induzione di CYP1A1 e CYP1A2 sono state al centro dell'attenzione di numerosi laboratori. Il processo di induzione è mediato da una proteina chiamata recettore Ah a cui si legano le diossine e le sostanze chimiche strutturalmente correlate. Il nome Ah è derivato dal aryl hnatura idrocarburica di molti induttori del CYP1A. È interessante notare che le differenze nel gene che codifica per il recettore Ah tra ceppi di topi determinano marcate differenze nella risposta chimica e nella tossicità. Un polimorfismo nel gene del recettore Ah sembra verificarsi anche negli esseri umani: circa un decimo della popolazione mostra un'elevata induzione del CYP1A1 e può essere a maggior rischio rispetto agli altri nove decimi della popolazione per lo sviluppo di alcuni tumori indotti chimicamente. Il ruolo del recettore Ah nel controllo degli enzimi nel CYP1A sottofamiglia, e il suo ruolo come determinante della risposta umana all'esposizione chimica, è stata oggetto di diverse revisioni recenti (Nebert, Petersen e Puga 1991; Nebert, Puga e Vasiliou 1993).

Esistono altri polimorfismi che potrebbero controllare il livello delle proteine ​​CYP1A in una cellula? Un polimorfismo in CYP1A1 è stato identificato anche il gene, e questo sembra influenzare il rischio di cancro al polmone tra i fumatori di sigarette giapponesi, sebbene questo stesso polimorfismo non sembri influenzare il rischio in altri gruppi etnici (Nebert e McKinnon 1994).

CYP2C19

Variazioni nella velocità con cui gli individui metabolizzano il farmaco anticonvulsivante (S)-mefenitoina sono state ben documentate da molti anni (Guengerich 1989). Tra il 2% e il 5% dei caucasici e fino al 25% degli asiatici sono carenti di questa attività e possono essere maggiormente a rischio di tossicità dal farmaco. È noto da tempo che questo difetto enzimatico coinvolge un membro dell'essere umano CYP2C sottofamiglia, ma la precisa base molecolare di questa carenza è stata oggetto di notevoli controversie. La ragione principale di questa difficoltà erano i sei o più geni nell'essere umano CYP2C sottofamiglia. È stato recentemente dimostrato, tuttavia, che una mutazione a base singola nel CYP2C19 gene è la causa primaria di questa deficienza (Goldstein e de Morais 1994). È stato anche sviluppato un semplice test del DNA, basato sulla reazione a catena della polimerasi (PCR), per identificare rapidamente questa mutazione nelle popolazioni umane (Goldstein e de Morais 1994).

CYP2D6

Forse la variazione più ampiamente caratterizzata in un gene P450 è quella che coinvolge il CYP2D6 gene. Sono stati descritti più di una dozzina di esempi di mutazioni, riarrangiamenti e delezioni che colpiscono questo gene (Meyer 1994). Questo polimorfismo è stato suggerito per la prima volta 20 anni fa dalla variabilità clinica nella risposta dei pazienti all'agente antiipertensivo detritiochina. Alterazioni nel CYP2D6 gene che dà origine all'attività enzimatica alterata sono quindi definiti collettivamente polimorfismo della detriticochina.

Prima dell'avvento degli studi basati sul DNA, gli individui erano stati classificati come metabolizzatori scarsi o estesi (PM, EM) di detritiochina in base alle concentrazioni di metaboliti nei campioni di urina. Ora è chiaro che le alterazioni nel CYP2D6 gene può portare a individui che mostrano non solo un metabolismo scarso o esteso della detritiochina, ma anche un metabolismo ultrarapido. La maggior parte delle alterazioni nel CYP2D6 gene sono associati a carenza parziale o totale della funzione enzimatica; tuttavia, recentemente sono stati descritti individui in due famiglie che possiedono più copie funzionali di CYP2D6 gene, dando origine al metabolismo ultrarapido dei substrati del CYP2D6 (Meyer 1994). Questa notevole osservazione fornisce nuove informazioni sull'ampio spettro di attività del CYP2D6 precedentemente osservato negli studi sulla popolazione. Le alterazioni nella funzione del CYP2D6 sono di particolare importanza, dati gli oltre 30 farmaci comunemente prescritti metabolizzati da questo enzima. La funzione del CYP2D6 di un individuo è quindi un fattore determinante della risposta sia terapeutica che tossica alla terapia somministrata. In effetti, è stato recentemente affermato che la considerazione dello stato del CYP2D6 di un paziente è necessaria per l'uso sicuro di farmaci sia psichiatrici che cardiovascolari.

Il ruolo del CYP2D6 anche il polimorfismo come determinante della suscettibilità individuale a malattie umane come il cancro del polmone e il morbo di Parkinson è stato oggetto di intensi studi (Nebert e McKinnon 1994; Meyer 1994). Sebbene le conclusioni siano difficili da definire data la diversa natura dei protocolli di studio utilizzati, la maggior parte degli studi sembra indicare un'associazione tra estensivi metabolizzatori della detriticochina (fenotipo EM) e cancro del polmone. Le ragioni di tale associazione sono attualmente poco chiare. Tuttavia, è stato dimostrato che l'enzima CYP2D6 metabolizza NNK, una nitrosamina derivata dal tabacco.

Man mano che i test basati sul DNA migliorano, consentendo una valutazione ancora più accurata dello stato del CYP2D6, si prevede che verrà chiarita la relazione precisa del CYP2D6 con il rischio di malattia. Mentre il forte metabolizzatore può essere collegato alla suscettibilità al cancro del polmone, il lento metabolizzatore (fenotipo PM) sembra essere associato al morbo di Parkinson di causa sconosciuta. Anche se questi studi sono difficili da confrontare, sembra che gli individui PM che hanno una ridotta capacità di metabolizzare i substrati del CYP2D6 (ad es.

CYP2E1

Le CYP2E1 gene codifica un enzima che metabolizza molte sostanze chimiche, compresi i farmaci e molti agenti cancerogeni a basso peso molecolare. Questo enzima è interessante anche perché è altamente inducibile dall'alcol e può svolgere un ruolo nel danno epatico indotto da sostanze chimiche come cloroformio, cloruro di vinile e tetracloruro di carbonio. L'enzima si trova principalmente nel fegato e il livello dell'enzima varia notevolmente tra gli individui. Attento esame del CYP2E1 gene ha portato all'identificazione di diversi polimorfismi (Nebert e McKinnon 1994). È stata segnalata una relazione tra la presenza di alcune variazioni strutturali nel CYP2E1 gene e rischio di cancro al polmone apparentemente ridotto in alcuni studi; tuttavia, ci sono chiare differenze interetniche che richiedono chiarimenti su questa possibile relazione.

La sottofamiglia CYP3A

Negli esseri umani, quattro enzimi sono stati identificati come membri del CYP3A sottofamiglia a causa della loro somiglianza nella sequenza degli amminoacidi. Gli enzimi CYP3A metabolizzano molti farmaci comunemente prescritti come l'eritromicina e la ciclosporina. Il contaminante alimentare cancerogeno aflatossina B1 è anche un substrato del CYP3A. Un membro dell'umano CYP3A sottofamiglia, designato CYP3A4, è il principale P450 nel fegato umano oltre ad essere presente nel tratto gastrointestinale. Come è vero per molti altri enzimi P450, il livello di CYP3A4 è molto variabile tra gli individui. Un secondo enzima, denominato CYP3A5, si trova solo nel 25% circa dei fegati; la base genetica di questa scoperta non è stata chiarita. L'importanza della variabilità del CYP3A4 o del CYP3A5 come fattore nei determinanti genetici della risposta tossica non è stata ancora stabilita (Nebert e McKinnon 1994).

Polimorfismi non P450

Numerosi polimorfismi esistono anche all'interno di altre superfamiglie di enzimi metabolizzanti xenobiotici (p. es., glutatione transferasi, UDP glucuronosiltransferasi, para-ossonasi, deidrogenasi, N-acetiltransferasi e mono-ossigenasi contenenti flavina). Poiché la tossicità finale di qualsiasi intermedio generato da P450 dipende dall'efficienza delle successive reazioni di disintossicazione di fase II, il ruolo combinato di più polimorfismi enzimatici è importante nel determinare la suscettibilità alle malattie indotte chimicamente. L'equilibrio metabolico tra le reazioni di Fase I e Fase II (figura 3) è quindi probabilmente un fattore importante nelle malattie umane indotte chimicamente e nei determinanti genetici della risposta tossica.

Il polimorfismo del gene GSTM1

Un esempio ben studiato di un polimorfismo in un enzima di fase II è quello che coinvolge un membro della superfamiglia degli enzimi glutatione S-transferasi, denominato GST mu o GSTM1. Questo particolare enzima è di notevole interesse tossicologico perché sembra essere coinvolto nella successiva disintossicazione dei metaboliti tossici prodotti dalle sostanze chimiche presenti nel fumo di sigaretta da parte dell'enzima CYP1A1. Il polimorfismo identificato in questo gene della glutatione transferasi implica una totale assenza di enzima funzionale in almeno la metà di tutti i caucasici studiati. Questa mancanza di un enzima di fase II sembra essere associata a una maggiore suscettibilità al cancro del polmone. Raggruppando gli individui sulla base di entrambe le varianti CYP1A1 geni e la delezione o la presenza di un funzionale GSM1 gene, è stato dimostrato che il rischio di sviluppare il cancro del polmone indotto dal fumo varia significativamente (Kawajiri, Watanabe e Hayashi 1994). In particolare, gli individui che ne espongono uno raro CYP1A1 alterazione genica, in combinazione con l'assenza del GSM1 gene, erano a più alto rischio (fino a nove volte) di sviluppare il cancro ai polmoni se esposti a un livello relativamente basso di fumo di sigaretta. È interessante notare che sembrano esserci differenze interetniche nel significato dei geni varianti che richiedono ulteriori studi per chiarire il ruolo preciso di tali alterazioni nella suscettibilità alle malattie (Kalow 1962; Nebert e McKinnon 1994; Kawajiri, Watanabe e Hayashi 1994).

Effetto sinergico di due o più polimorfismi sul tossico risposta

Una risposta tossica a un agente ambientale può essere notevolmente esagerata dalla combinazione di due difetti farmacogenetici nello stesso individuo, ad esempio, gli effetti combinati del polimorfismo della N-acetiltransferasi (NAT2) e del polimorfismo della glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) .

L'esposizione occupazionale alle arilammine costituisce un grave rischio di cancro della vescica urinaria. Dopo gli eleganti studi di Cartwright nel 1954, è diventato chiaro che lo stato di N-acetilatore è un determinante del cancro alla vescica indotto da coloranti azoici. Esiste una correlazione altamente significativa tra il fenotipo dell'acetilatore lento e l'insorgenza del cancro della vescica, nonché il grado di invasività di questo cancro nella parete della vescica. Al contrario, esiste un'associazione significativa tra il fenotipo dell'acetilatore rapido e l'incidenza del carcinoma del colon-retto. La N-acetiltransferasi (NAT1, NAT2) sono stati clonati e sequenziati e le analisi basate sul DNA sono ora in grado di rilevare più di una dozzina di varianti alleliche che spiegano il fenotipo dell'acetilatore lento. Il NAT2 il gene è polimorfico e responsabile della maggior parte della variabilità nella risposta tossica alle sostanze chimiche ambientali (Weber 1987; Grant 1993).

La glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) è un enzima critico nella generazione e nel mantenimento del NADPH. Un'attività G6PD bassa o assente può portare a una grave emolisi indotta da farmaci o xenobiotici, a causa dell'assenza di livelli normali di glutatione ridotto (GSH) nei globuli rossi. La carenza di G6PD colpisce almeno 300 milioni di persone in tutto il mondo. Più del 10% dei maschi afroamericani mostra il fenotipo meno grave, mentre alcune comunità sarde mostrano il "tipo mediterraneo" più grave con frequenze che raggiungono una persona su tre. Il G6PD gene è stato clonato e localizzato nel cromosoma X, e numerose diverse mutazioni puntiformi spiegano l'elevato grado di eterogeneità fenotipica osservata negli individui con deficit di G6PD (Beutler 1992).

Il tiozalsulfone, un farmaco arilammina sulfa, è risultato causare una distribuzione bimodale dell'anemia emolitica nella popolazione trattata. Quando vengono trattati con determinati farmaci, gli individui con la combinazione del deficit di G6PD più il fenotipo dell'acetilatore lento sono più colpiti rispetto a quelli con il solo deficit di G6PD o il solo fenotipo dell'acetilatore lento. Gli acetilatori lenti carenti di G6PD sono almeno 40 volte più suscettibili rispetto agli acetilatori rapidi G6PD normali all'emolisi indotta da tiozalsulfone.

Effetto dei polimorfismi genetici sulla valutazione dell'esposizione

La valutazione dell'esposizione e il biomonitoraggio (figura 1) richiedono anche informazioni sulla composizione genetica di ciascun individuo. Data un'esposizione identica a una sostanza chimica pericolosa, il livello di addotti dell'emoglobina (o altri biomarcatori) potrebbe variare di due o tre ordini di grandezza tra gli individui, a seconda dell'impronta metabolica di ciascuna persona.

La stessa farmacogenetica combinata è stata studiata negli operai delle fabbriche chimiche in Germania (tabella 1). Gli addotti dell'emoglobina tra i lavoratori esposti all'anilina e all'acetanilide sono di gran lunga i più alti negli acetilatori lenti carenti di G6PD, rispetto agli altri possibili fenotipi farmacogenetici combinati. Questo studio ha importanti implicazioni per la valutazione dell'esposizione. Questi dati dimostrano che, sebbene due individui possano essere esposti allo stesso livello ambientale di sostanze chimiche pericolose sul posto di lavoro, la quantità di esposizione (tramite biomarcatori come gli addotti dell'emoglobina) potrebbe essere stimata essere inferiore di due o più ordini di grandezza, a causa alla predisposizione genetica sottostante dell'individuo. Allo stesso modo, il rischio risultante di un effetto negativo sulla salute può variare di due o più ordini di grandezza.

Tabella 1: addotti emoglobinici nei lavoratori esposti ad anilina e acetanilide

Stato dell'acetilatore Carenza di G6PD
Connessione Rallentare Non Addotti Hgb
+   +   2
+     + 30
  + +   20
  +   + 100

Fonte: adattato da Lewalter e Korallus 1985.

Differenze genetiche nel legame e nel metabolismo

Va sottolineato che lo stesso caso fatto qui per il metabolismo può essere fatto anche per il legame. Le differenze ereditarie nel legame degli agenti ambientali influenzeranno notevolmente la risposta tossica. Ad esempio, le differenze nel mouse cdm gene può influenzare profondamente la sensibilità individuale alla necrosi testicolare indotta da cadmio (Taylor, Heiniger e Meier 1973). Le differenze nell'affinità di legame del recettore Ah probabilmente influenzano la tossicità e il cancro indotti dalla diossina (Nebert, Petersen e Puga 1991; Nebert, Puga e Vasiliou 1993).

La Figura 5 riassume il ruolo del metabolismo e del legame nella tossicità e nel cancro. Gli agenti tossici, così come esistono nell'ambiente o in seguito al metabolismo o al legame, provocano i loro effetti tramite un percorso genotossico (in cui si verifica un danno al DNA) o un percorso non genotossico (in cui non è necessario che si verifichino danni al DNA e mutagenesi). È interessante notare che recentemente è diventato chiaro che gli agenti "classici" che danneggiano il DNA possono operare attraverso un percorso di trasduzione del segnale non genotossico dipendente dal glutatione ridotto (GSH), che viene avviato sopra o vicino alla superficie cellulare in assenza di DNA e al di fuori del nucleo cellulare (Devary et al. 1993). Le differenze genetiche nel metabolismo e nel legame rimangono, tuttavia, come i principali determinanti nel controllo delle diverse risposte tossiche individuali.

Figura 5. I mezzi generali con cui si verifica la tossicità

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Ruolo della funzione cellulare degli enzimi che metabolizzano i farmaci

La variazione su base genetica nella funzione enzimatica che metabolizza i farmaci è di grande importanza nel determinare la risposta individuale alle sostanze chimiche. Questi enzimi sono fondamentali nel determinare il destino e il decorso temporale di una sostanza chimica estranea dopo l'esposizione.

Come illustrato nella figura 5, l'importanza degli enzimi che metabolizzano i farmaci nella suscettibilità individuale all'esposizione chimica può in effetti presentare un problema molto più complesso di quanto sia evidente da questa semplice discussione del metabolismo xenobiotico. In altre parole, negli ultimi due decenni, i meccanismi genotossici (misurazione degli addotti del DNA e degli addotti proteici) sono stati fortemente enfatizzati. Tuttavia, cosa succede se i meccanismi non genotossici sono importanti almeno quanto i meccanismi genotossici nel causare risposte tossiche?

Come accennato in precedenza, i ruoli fisiologici di molti enzimi che metabolizzano i farmaci coinvolti nel metabolismo degli xenobiotici non sono stati definiti con precisione. Nebert (1994) ha proposto che, a causa della loro presenza su questo pianeta per più di 3.5 miliardi di anni, gli enzimi che metabolizzano i farmaci fossero originariamente (e sono ancora oggi principalmente) responsabili della regolazione dei livelli cellulari di molti ligandi non peptidici importanti nell'attivazione trascrizionale di geni che influenzano la crescita, il differenziamento, l'apoptosi, l'omeostasi e le funzioni neuroendocrine. Inoltre, la tossicità della maggior parte, se non di tutti, gli agenti ambientali avviene per mezzo di agonista or antagonista azione su queste vie di trasduzione del segnale (Nebert 1994). Sulla base di questa ipotesi, la variabilità genetica negli enzimi che metabolizzano i farmaci può avere effetti piuttosto drammatici su molti processi biochimici critici all'interno della cellula, portando così a differenze importanti nella risposta tossica. È infatti possibile che un tale scenario possa anche essere alla base di molte reazioni avverse idiosincratiche riscontrate in pazienti che usano farmaci comunemente prescritti.

Conclusioni

L'ultimo decennio ha visto notevoli progressi nella nostra comprensione delle basi genetiche della risposta differenziale alle sostanze chimiche nei farmaci, negli alimenti e negli inquinanti ambientali. Gli enzimi che metabolizzano i farmaci hanno una profonda influenza sul modo in cui gli esseri umani rispondono alle sostanze chimiche. Man mano che la nostra consapevolezza della molteplicità degli enzimi che metabolizzano i farmaci continua ad evolversi, siamo sempre più in grado di effettuare valutazioni migliori del rischio tossico per molti farmaci e sostanze chimiche ambientali. Questo è forse più chiaramente illustrato nel caso dell'enzima CYP2D6 citocromo P450. Utilizzando test basati sul DNA relativamente semplici, è possibile prevedere la probabile risposta di qualsiasi farmaco prevalentemente metabolizzato da questo enzima; questa previsione garantirà l'uso più sicuro di farmaci preziosi, ma potenzialmente tossici.

Il futuro vedrà senza dubbio un'esplosione nell'identificazione di ulteriori polimorfismi (fenotipi) che coinvolgono gli enzimi che metabolizzano i farmaci. Queste informazioni saranno accompagnate da test basati sul DNA migliorati e minimamente invasivi per identificare i genotipi nelle popolazioni umane.

Tali studi dovrebbero essere particolarmente istruttivi nella valutazione del ruolo delle sostanze chimiche nelle numerose malattie ambientali di origine attualmente sconosciuta. Anche la considerazione di molteplici polimorfismi enzimatici che metabolizzano farmaci, in combinazione (ad esempio, tabella 1), rappresenta probabilmente un'area di ricerca particolarmente fertile. Tali studi chiariranno il ruolo delle sostanze chimiche nella causa dei tumori. Collettivamente, queste informazioni dovrebbero consentire la formulazione di consigli sempre più personalizzati sull'evitamento di sostanze chimiche che possono essere di interesse individuale. Questo è il campo della tossicologia preventiva. Tali consigli saranno senza dubbio di grande aiuto per tutti gli individui nell'affrontare il carico chimico sempre crescente a cui siamo esposti.

 

Di ritorno

Ci sono spesso grandi differenze tra gli esseri umani nell'intensità della risposta alle sostanze chimiche tossiche e variazioni nella suscettibilità di un individuo nel corso della vita. Questi possono essere attribuiti a una varietà di fattori in grado di influenzare il tasso di assorbimento, la distribuzione nel corpo, la biotrasformazione e/o il tasso di escrezione di una particolare sostanza chimica. Oltre ai noti fattori ereditari che è stato chiaramente dimostrato essere collegati all'aumentata suscettibilità alla tossicità chimica nell'uomo (vedi “Determinanti genetici della risposta tossica”), altri fattori includono: caratteristiche costituzionali legate all'età e al sesso; stati patologici preesistenti o riduzione della funzione d'organo (non ereditari, cioè acquisiti); abitudini alimentari, fumo, consumo di alcol e uso di farmaci; concomitante esposizione a biotossine (microrganismi vari) e fattori fisici (radiazioni, umidità, temperature estremamente basse o elevate o pressioni barometriche particolarmente rilevanti per la pressione parziale di un gas), nonché concomitante esercizio fisico o situazioni di stress psicologico; precedente esposizione professionale e/o ambientale a una particolare sostanza chimica, e in particolare esposizione concomitante ad altre sostanze chimiche, non necessariamente tossici (p. es., metalli essenziali). I possibili contributi dei suddetti fattori all'aumento o alla diminuzione della suscettibilità agli effetti avversi sulla salute, nonché i meccanismi della loro azione, sono specifici per una particolare sostanza chimica. Pertanto qui verranno presentati solo i fattori più comuni, i meccanismi di base e alcuni esempi caratteristici, mentre le informazioni specifiche relative a ciascuna particolare sostanza chimica possono essere trovate altrove in questo Enciclopedia.

A seconda dello stadio in cui agiscono questi fattori (assorbimento, distribuzione, biotrasformazione o escrezione di una particolare sostanza chimica), i meccanismi possono essere approssimativamente classificati in base a due conseguenze fondamentali dell'interazione: (1) un cambiamento nella quantità della sostanza chimica in un organo bersaglio, cioè nel sito(i) del suo effetto nell'organismo (interazioni tossicocinetiche), o (2) un cambiamento nell'intensità di una risposta specifica alla quantità della sostanza chimica in un organo bersaglio (interazioni tossicodinamiche) . I meccanismi più comuni di entrambi i tipi di interazione sono correlati alla competizione con altre sostanze chimiche per il legame con gli stessi composti coinvolti nel loro trasporto nell'organismo (p. es., proteine ​​sieriche specifiche) e/o per lo stesso percorso di biotrasformazione (p. es., enzimi specifici) determinando un cambiamento nella velocità o nella sequenza tra la reazione iniziale e l'effetto negativo finale sulla salute. Tuttavia, sia le interazioni tossicocinetiche che quelle tossicodinamiche possono influenzare la suscettibilità individuale a una particolare sostanza chimica. L'influenza di diversi fattori concomitanti può risultare in: (a) effetti additivi—l'intensità dell'effetto combinato è uguale alla somma degli effetti prodotti da ciascun fattore separatamente, (b) effetti sinergici— l'intensità dell'effetto combinato è maggiore della somma degli effetti prodotti da ciascun fattore separatamente, o (c) effetti antagonistici—l'intensità dell'effetto combinato è inferiore alla somma degli effetti prodotti da ciascun fattore separatamente.

La quantità di una particolare sostanza chimica tossica o di un metabolita caratteristico nel sito(i) del suo effetto nel corpo umano può essere più o meno valutata mediante monitoraggio biologico, cioè scegliendo il campione biologico corretto e la tempistica ottimale del campionamento del campione, prendendo tiene conto delle emivite biologiche per una particolare sostanza chimica sia nell'organo critico che nel compartimento biologico misurato. Tuttavia, generalmente mancano informazioni affidabili su altri possibili fattori che potrebbero influenzare la suscettibilità individuale negli esseri umani e, di conseguenza, la maggior parte delle conoscenze riguardanti l'influenza di vari fattori si basa su dati sperimentali su animali.

Va sottolineato che in alcuni casi esistono differenze relativamente grandi tra gli esseri umani e altri mammiferi nell'intensità della risposta a un livello equivalente e/o nella durata dell'esposizione a molte sostanze chimiche tossiche; ad esempio, gli esseri umani sembrano essere notevolmente più sensibili agli effetti nocivi sulla salute di diversi metalli tossici rispetto ai ratti (comunemente utilizzati negli studi sugli animali). Alcune di queste differenze possono essere attribuite al fatto che i percorsi di trasporto, distribuzione e biotrasformazione di varie sostanze chimiche dipendono in gran parte da sottili cambiamenti nel pH dei tessuti e dall'equilibrio redox nell'organismo (così come lo sono le attività di vari enzimi), e che il sistema redox dell'uomo differisce notevolmente da quello del topo.

Questo è ovviamente il caso di importanti antiossidanti come la vitamina C e il glutatione (GSH), essenziali per il mantenimento dell'equilibrio redox e che hanno un ruolo protettivo contro gli effetti negativi dei radicali liberi di origine ossigenata o xenobiotica che sono coinvolti in un varietà di condizioni patologiche (Kehrer 1993). Gli esseri umani non possono auto-sintetizzare la vitamina C, contrariamente al ratto, e i livelli e il tasso di turnover del GSH eritrocitario negli esseri umani sono notevolmente inferiori a quelli del ratto. Gli esseri umani mancano anche di alcuni degli enzimi antiossidanti protettivi, rispetto al ratto o ad altri mammiferi (ad esempio, la GSH-perossidasi è considerata scarsamente attiva nello sperma umano). Questi esempi illustrano la potenziale maggiore vulnerabilità allo stress ossidativo negli esseri umani (in particolare nelle cellule sensibili, ad esempio, una vulnerabilità apparentemente maggiore dello sperma umano alle influenze tossiche rispetto a quella del ratto), che può provocare una risposta diversa o una maggiore suscettibilità all'influenza di vari fattori negli esseri umani rispetto ad altri mammiferi (Telišman 1995).

Influenza dell'età

Rispetto agli adulti, i bambini molto piccoli sono spesso più suscettibili alla tossicità chimica a causa dei loro volumi di inalazione relativamente maggiori e del tasso di assorbimento gastrointestinale dovuto alla maggiore permeabilità dell'epitelio intestinale e a causa dei sistemi enzimatici di disintossicazione immaturi e di un tasso di escrezione relativamente inferiore di sostanze chimiche tossiche . Il sistema nervoso centrale sembra essere particolarmente suscettibile nella fase iniziale dello sviluppo per quanto riguarda la neurotossicità di varie sostanze chimiche, ad esempio piombo e metilmercurio. D'altra parte, gli anziani possono essere suscettibili a causa della storia di esposizione chimica e dell'aumento delle riserve corporee di alcuni xenobiotici, o della funzione preesistente compromessa degli organi bersaglio e/o degli enzimi rilevanti, con conseguente riduzione della disintossicazione e del tasso di escrezione. Ciascuno di questi fattori può contribuire all'indebolimento delle difese dell'organismo: una diminuzione della capacità di riserva, che causa una maggiore suscettibilità alla successiva esposizione ad altri pericoli. Ad esempio, gli enzimi del citocromo P450 (coinvolti nei percorsi di biotrasformazione di quasi tutte le sostanze chimiche tossiche) possono essere indotti o avere un'attività ridotta a causa dell'influenza di vari fattori nel corso della vita (comprese le abitudini alimentari, il fumo, l'alcol, l'uso di farmaci e esposizione a xenobiotici ambientali).

Influenza del sesso

Differenze di suscettibilità legate al genere sono state descritte per un gran numero di sostanze chimiche tossiche (circa 200) e tali differenze si riscontrano in molte specie di mammiferi. Sembra che i maschi siano generalmente più suscettibili alle tossine renali e le femmine alle tossine epatiche. Le cause della diversa risposta tra maschi e femmine sono state correlate a differenze in una varietà di processi fisiologici (p. es., le femmine sono capaci di un'ulteriore escrezione di alcune sostanze chimiche tossiche attraverso la perdita di sangue mestruale, il latte materno e/o il trasferimento al feto, ma sperimentano ulteriore stress durante la gravidanza, il parto e l'allattamento), attività enzimatiche, meccanismi di riparazione genetica, fattori ormonali o la presenza di depositi di grasso relativamente più grandi nelle femmine, con conseguente maggiore accumulo di alcune sostanze chimiche tossiche lipofile, come solventi organici e alcuni farmaci .

Influenza delle abitudini alimentari

Le abitudini alimentari hanno un'influenza importante sulla suscettibilità alla tossicità chimica, soprattutto perché un'alimentazione adeguata è essenziale per il funzionamento del sistema di difesa chimica del corpo nel mantenimento di una buona salute. Un'adeguata assunzione di metalli essenziali (compresi i metalloidi) e proteine, in particolare gli amminoacidi contenenti zolfo, è necessaria per la biosintesi di vari enzimi disintossicanti e la fornitura di glicina e glutatione per le reazioni di coniugazione con composti endogeni ed esogeni. I lipidi, in particolare i fosfolipidi, e i lipotropi (donatori di gruppi metilici) sono necessari per la sintesi delle membrane biologiche. I carboidrati forniscono l'energia necessaria per vari processi di disintossicazione e forniscono acido glucuronico per la coniugazione di sostanze chimiche tossiche e dei loro metaboliti. Il selenio (un metalloide essenziale), il glutatione e le vitamine come la vitamina C (solubile in acqua), la vitamina E e la vitamina A (solubile nei lipidi) hanno un ruolo importante come antiossidanti (p. es., nel controllo della perossidazione lipidica e nel mantenimento dell'integrità delle membrane cellulari) e scavenger di radicali liberi per la protezione contro sostanze chimiche tossiche. Inoltre, vari costituenti della dieta (contenuto di proteine ​​e fibre, minerali, fosfati, acido citrico, ecc.) così come la quantità di cibo consumato possono influenzare notevolmente il tasso di assorbimento gastrointestinale di molte sostanze chimiche tossiche (p. es., il tasso medio di assorbimento di sostanze solubili i sali di piombo assunti con i pasti è di circa l'60%, contro il XNUMX% circa dei soggetti a digiuno). Tuttavia, la dieta stessa può essere un'ulteriore fonte di esposizione individuale a varie sostanze chimiche tossiche (p. es., assunzione giornaliera notevolmente aumentata e accumulo di arsenico, mercurio, cadmio e/o piombo nei soggetti che consumano pesce contaminato).

Influenza del fumo

L'abitudine al fumo può influenzare la suscettibilità individuale a molte sostanze chimiche tossiche a causa della varietà di possibili interazioni che coinvolgono il gran numero di composti presenti nel fumo di sigaretta (soprattutto idrocarburi policiclici aromatici, monossido di carbonio, benzene, nicotina, acroleina, alcuni pesticidi, cadmio e , in misura minore, piombo e altri metalli tossici, ecc.), alcuni dei quali sono in grado di accumularsi nel corpo umano nel corso della vita, compresa la vita prenatale (es. piombo e cadmio). Le interazioni si verificano principalmente perché varie sostanze chimiche tossiche competono per gli stessi siti di legame per il trasporto e la distribuzione nell'organismo e/o per lo stesso percorso di biotrasformazione che coinvolge particolari enzimi. Ad esempio, diversi costituenti del fumo di sigaretta possono indurre gli enzimi del citocromo P450, mentre altri possono deprimerne l'attività e quindi influenzare le comuni vie di biotrasformazione di molte altre sostanze chimiche tossiche, come i solventi organici e alcuni farmaci. Il fumo eccessivo di sigarette per un lungo periodo può ridurre considerevolmente i meccanismi di difesa del corpo diminuendo la capacità di riserva per far fronte all'influenza negativa di altri fattori legati allo stile di vita.

Influenza dell'alcol

Il consumo di alcol (etanolo) può influenzare la suscettibilità a molte sostanze chimiche tossiche in diversi modi. Può influenzare il tasso di assorbimento e la distribuzione di alcune sostanze chimiche nel corpo, ad esempio aumentare il tasso di assorbimento gastrointestinale del piombo o diminuire il tasso di assorbimento polmonare del vapore di mercurio inibendo l'ossidazione necessaria per la ritenzione del vapore di mercurio inalato. L'etanolo può anche influenzare la suscettibilità a varie sostanze chimiche attraverso cambiamenti a breve termine nel pH dei tessuti e aumento del potenziale redox derivante dal metabolismo dell'etanolo, poiché sia ​​l'ossidazione dell'etanolo ad acetaldeide che l'ossidazione dell'acetaldeide ad acetato producono un equivalente di nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) e idrogeno (h+). Poiché l'affinità di metalli e metalloidi essenziali e tossici per il legame con vari composti e tessuti è influenzata dal pH e dai cambiamenti nel potenziale redox (Telišman 1995), anche un'assunzione moderata di etanolo può comportare una serie di conseguenze quali: ( 1) ridistribuzione del piombo accumulato a lungo termine nell'organismo umano a favore di una frazione di piombo biologicamente attiva, (2) sostituzione dello zinco essenziale con piombo negli enzimi contenenti zinco, influenzando così l'attività enzimatica o l'influenza della mobilità piombo sulla distribuzione di altri metalli e metalloidi essenziali nell'organismo come calcio, ferro, rame e selenio, (3) aumento dell'escrezione urinaria di zinco e così via. L'effetto di possibili eventi di cui sopra può essere aumentato a causa del fatto che le bevande alcoliche possono contenere una quantità apprezzabile di piombo proveniente da recipienti o lavorazioni (Prpic-Majic et al. 1984; Telišman et al. 1984; 1993).

Un altro motivo comune per i cambiamenti di suscettibilità correlati all'etanolo è che molte sostanze chimiche tossiche, ad esempio vari solventi organici, condividono lo stesso percorso di biotrasformazione che coinvolge gli enzimi del citocromo P450. A seconda dell'intensità dell'esposizione ai solventi organici, nonché della quantità e della frequenza dell'ingestione di etanolo (cioè consumo acuto o cronico di alcol), l'etanolo può diminuire o aumentare i tassi di biotrasformazione di vari solventi organici e quindi influenzare la loro tossicità (Sato 1991). .

Influenza dei farmaci

L'uso comune di vari farmaci può influenzare la suscettibilità alle sostanze chimiche tossiche principalmente perché molti farmaci si legano alle proteine ​​del siero e quindi influenzano il trasporto, la distribuzione o il tasso di escrezione di varie sostanze chimiche tossiche, o perché molti farmaci sono in grado di indurre importanti enzimi disintossicanti o deprimerne l'attività (ad esempio, gli enzimi del citocromo P450), influenzando così la tossicità delle sostanze chimiche con lo stesso percorso di biotrasformazione. Caratteristico per entrambi i meccanismi è l'aumento dell'escrezione urinaria di acido tricloroacetico (il metabolita di diversi idrocarburi clorurati) quando si usano salicilati, sulfamidici o fenilbutazone e un'aumentata epato-nefrotossicità del tetracloruro di carbonio quando si usa il fenobarbital. Inoltre, alcuni farmaci contengono una quantità considerevole di una sostanza chimica potenzialmente tossica, ad esempio gli antiacidi contenenti alluminio o le preparazioni utilizzate per la gestione terapeutica dell'iperfosfatemia derivante dall'insufficienza renale cronica.

Influenza dell'esposizione concomitante ad altri prodotti chimici

I cambiamenti nella suscettibilità agli effetti avversi sulla salute dovuti all'interazione di varie sostanze chimiche (ad es. possibili effetti additivi, sinergici o antagonisti) sono stati studiati quasi esclusivamente negli animali da esperimento, principalmente nel ratto. Mancano studi epidemiologici e clinici rilevanti. Ciò è motivo di preoccupazione in particolare considerando l'intensità relativamente maggiore della risposta o la varietà di effetti avversi sulla salute di diverse sostanze chimiche tossiche negli esseri umani rispetto al ratto e ad altri mammiferi. A parte i dati pubblicati nel campo della farmacologia, la maggior parte dei dati si riferisce solo a combinazioni di due diverse sostanze chimiche all'interno di gruppi specifici, come vari pesticidi, solventi organici o metalli e metalloidi essenziali e/o tossici.

L'esposizione combinata a vari solventi organici può provocare vari effetti additivi, sinergici o antagonisti (a seconda della combinazione di alcuni solventi organici, della loro intensità e durata dell'esposizione), principalmente a causa della capacità di influenzare la reciproca biotrasformazione (Sato 1991).

Un altro esempio caratteristico sono le interazioni di metalli e metalloidi essenziali e/o tossici, in quanto questi sono coinvolti nella possibile influenza dell'età (p. es., un accumulo corporeo nel corso della vita di piombo ambientale e cadmio), del sesso (p. es., comune carenza di ferro nelle donne ), abitudini alimentari (p. es., aumento dell'assunzione dietetica di metalli e metalloidi tossici e/o carente assunzione dietetica di metalli e metalloidi essenziali), abitudine al fumo e consumo di alcol (p. es., esposizione aggiuntiva a cadmio, piombo e altri metalli tossici) e uso di farmaci (p. es., una singola dose di antiacido può comportare un aumento di 50 volte dell'assunzione giornaliera media di alluminio attraverso il cibo). La possibilità di vari effetti additivi, sinergici o antagonisti dell'esposizione a vari metalli e metalloidi nell'uomo può essere illustrata da esempi di base relativi ai principali elementi tossici (vedi tabella 1), oltre ai quali possono verificarsi ulteriori interazioni perché gli elementi essenziali possono anche influenzare l'un l'altro (ad esempio, il ben noto effetto antagonista del rame sulla velocità di assorbimento gastrointestinale così come sul metabolismo dello zinco e viceversa). La causa principale di tutte queste interazioni è la competizione di vari metalli e metalloidi per lo stesso sito di legame (in particolare il gruppo sulfidrilico, -SH) in vari enzimi, metalloproteine ​​(in particolare metallotioneina) e tessuti (p. es., membrane cellulari e barriere di organi). Queste interazioni possono avere un ruolo rilevante nello sviluppo di diverse malattie croniche che sono mediate dall'azione dei radicali liberi e dello stress ossidativo (Telišman 1995).

Tabella 1. Effetti fondamentali di possibili interazioni multiple riguardanti i principali metalli e matalloidi tossici e/o essenziali nei mammiferi

Metallo tossico o metalloide Effetti fondamentali dell'interazione con altri metalli o metalloidi
Alluminio (Al) Diminuisce il tasso di assorbimento di Ca e compromette il metabolismo di Ca; una dieta carente di Ca aumenta il tasso di assorbimento di Al. Altera il metabolismo dei fosfati. I dati sulle interazioni con Fe, Zn e Cu sono equivoci (cioè il possibile ruolo di un altro metallo come mediatore).
Arsenico (As) Influisce sulla distribuzione di Cu (un aumento di Cu nel rene e una diminuzione di Cu nel fegato, nel siero e nelle urine). Altera il metabolismo di Fe (un aumento di Fe nel fegato con concomitante diminuzione dell'ematocrito). Zn diminuisce il tasso di assorbimento dell'As inorganico e diminuisce la tossicità dell'As. Se diminuisce la tossicità di As e viceversa.
Cadmio (Cd) Diminuisce il tasso di assorbimento di Ca e compromette il metabolismo di Ca; una dieta carente di Ca aumenta il tasso di assorbimento di Cd. Altera il metabolismo dei fosfati, cioè aumenta l'escrezione urinaria di fosfati. Altera il metabolismo di Fe; una dieta carente di Fe aumenta il tasso di assorbimento di Cd. Influisce sulla distribuzione di Zn; Zn diminuisce la tossicità del Cd, mentre la sua influenza sul tasso di assorbimento del Cd è equivoca. Se diminuisce la tossicità del Cd. Mn diminuisce la tossicità del Cd a bassi livelli di esposizione al Cd. I dati sull'interazione con Cu sono equivoci (cioè, il possibile ruolo di Zn, o di un altro metallo, come mediatore). Alti livelli dietetici di Pb, Ni, Sr, Mg o Cr(III) possono diminuire il tasso di assorbimento di Cd.
Mercurio (Hg) Colpisce la distribuzione di Cu (un aumento di Cu nel fegato). Zn diminuisce il tasso di assorbimento di Hg inorganico e diminuisce la tossicità di Hg. Se diminuisce la tossicità del Hg. Il Cd aumenta la concentrazione di Hg nel rene, ma allo stesso tempo diminuisce la tossicità del Hg nel rene (l'influenza della sintesi di metallotioneina indotta dal Cd).
Piombo (Pb) Altera il metabolismo del Ca; una dieta carente di Ca aumenta il tasso di assorbimento del Pb inorganico e aumenta la tossicità del Pb. Altera il metabolismo di Fe; una carenza di Fe nella dieta aumenta la tossicità del Pb, mentre la sua influenza sul tasso di assorbimento del Pb è equivoca. Altera il metabolismo di Zn e aumenta l'escrezione urinaria di Zn; una carenza di Zn nella dieta aumenta il tasso di assorbimento del Pb inorganico e aumenta la tossicità del Pb. Se diminuisce la tossicità del Pb. I dati sulle interazioni con Cu e Mg sono equivoci (cioè, il possibile ruolo di Zn, o di un altro metallo, come mediatore).

Nota: i dati sono per lo più relativi a studi sperimentali nel ratto, mentre mancano dati clinici ed epidemiologici rilevanti (in particolare per quanto riguarda le relazioni quantitative dose-risposta) (Elsenhans et al. 1991; Fergusson 1990; Telišman et al. 1993).

 

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Lunedi, 20 dicembre 2010 19: 21

Organo bersaglio ed effetti critici

L'obiettivo prioritario della tossicologia occupazionale e ambientale è quello di migliorare la prevenzione o la limitazione sostanziale degli effetti sulla salute dell'esposizione ad agenti pericolosi negli ambienti generali e occupazionali. A tal fine sono stati sviluppati sistemi per la valutazione quantitativa del rischio relativo ad una data esposizione (vedi paragrafo “Tossicologia normativa”).

Gli effetti di una sostanza chimica su particolari sistemi e organi sono correlati all'entità dell'esposizione e al fatto che l'esposizione sia acuta o cronica. In considerazione della diversità degli effetti tossici anche all'interno di un sistema o organo, è stata proposta una filosofia uniforme riguardante l'organo critico e l'effetto critico ai fini della valutazione del rischio e dello sviluppo di limiti di concentrazione raccomandati basati sulla salute di sostanze tossiche in diversi ambienti ambientali .

Dal punto di vista della medicina preventiva, è di particolare importanza identificare gli effetti avversi precoci, sulla base del presupposto generale che prevenire o limitare gli effetti precoci può impedire lo sviluppo di effetti più gravi sulla salute.

Tale approccio è stato applicato ai metalli pesanti. Sebbene i metalli pesanti, come piombo, cadmio e mercurio, appartengano a un gruppo specifico di sostanze tossiche in cui l'effetto cronico dell'attività dipende dal loro accumulo negli organi, le definizioni presentate di seguito sono state pubblicate dal Task Group on Metal Toxicity (Nordberg 1976).

La definizione di organo critico proposta dal Task Group on Metal Toxicity è stata adottata con una leggera modifica: la parola metallo è stata sostituita con l'espressione sostanza potenzialmente tossica (Duffus 1993).

Il fatto che un determinato organo o sistema sia considerato critico dipende non solo dalla tossicomeccanica dell'agente pericoloso, ma anche dalla via di assorbimento e dalla popolazione esposta.

  • Concentrazione critica per una cellula: la concentrazione alla quale si verificano cambiamenti funzionali avversi, reversibili o irreversibili, nella cellula.
  • Concentrazione critica degli organi: la concentrazione media nell'organo nel momento in cui il tipo più sensibile di cellule dell'organo raggiunge la concentrazione critica.
  • Organo critico: quel particolare organo che per primo raggiunge la concentrazione critica di metallo in determinate circostanze di esposizione e per una data popolazione.
  • Effetto critico: punto definito nella relazione tra dose ed effetto nell'individuo, vale a dire il punto in cui si verifica un effetto avverso nella funzione cellulare dell'organo critico. A un livello di esposizione inferiore a quello che fornisce una concentrazione critica di metallo nell'organo critico, possono verificarsi alcuni effetti che non compromettono la funzione cellulare di per sé, ma sono rilevabili mediante test biochimici e di altro tipo. Tali effetti sono definiti come effetti subcritici.

 

Il significato biologico dell'effetto subcritico a volte non è noto; può indicare un biomarcatore di esposizione, un indice di adattamento o un precursore di un effetto critico (vedere “Metodi di test tossicologici: biomarcatori”). Quest'ultima possibilità può essere particolarmente significativa in vista delle attività profilattiche.

La tabella 1 mostra esempi di organi ed effetti critici per diverse sostanze chimiche. Nell'esposizione ambientale cronica al cadmio, dove la via di assorbimento è di minore importanza (le concentrazioni di cadmio nell'aria vanno da 10 a 20 μg/m3 in ambito urbano e da 1 a 2 μg/m3 nelle zone rurali), l'organo critico è il rene. Nell'ambiente lavorativo dove il TLV raggiunge i 50μg/m3 e l'inalazione costituisce la principale via di esposizione, due organi, polmone e rene, sono considerati critici.

Tabella 1. Esempi di organi critici ed effetti critici

Sostanza Organo critico nell'esposizione cronica Effetto critico
Cadmio Polmoni Non soglia:
Cancro ai polmoni (rischio unitario 4.6 x 10-3)
  Rene Soglia:
Aumento dell'escrezione di proteine ​​a basso peso molecolare (β2 -M, RBP) nelle urine
  Polmoni Enfisema lievi alterazioni funzionali
Portare Adulti
Sistema ematopoietico
Aumento dell'escrezione di acido delta-aminolevulinico nelle urine (ALA-U); aumento della concentrazione di protoporfirina eritrocitaria libera (FEP) negli eritrociti
  Sistema nervoso periferico Rallentamento delle velocità di conduzione delle fibre nervose più lente
Mercurio (elementale) Bambini piccoli
Sistema nervoso centrale
Diminuzione del QI e altri effetti sottili; tremore mercuriale (dita, labbra, palpebre)
Mercurio (mercurio) Rene La proteinuria
Manganese Adulti
Sistema nervoso centrale
Compromissione delle funzioni psicomotorie
  Bambini
Polmoni
Sintomi respiratori
  Sistema nervoso centrale Compromissione delle funzioni psicomotorie
toluene Membrane mucose Irritazione
Cloruro di vinile Fegato Cancro
(rischio unitario di angiosarcoma 1 x 10-6 )
Acetato di etile Membrana mucosa Irritazione

 

Per il piombo, gli organi critici negli adulti sono il sistema emopoietico e il sistema nervoso periferico, dove gli effetti critici (p. es., elevata concentrazione di protoporfirina eritrocitaria libera (FEP), aumento dell'escrezione di acido delta-aminolevulinico nelle urine o ridotta conduzione nervosa periferica) si manifestano quando il livello di piombo nel sangue (un indice di assorbimento di piombo nel sistema) si avvicina a 200-300μg/l. Nei bambini piccoli l'organo critico è il sistema nervoso centrale (SNC), e i sintomi di disfunzione rilevati con l'uso di una batteria di test psicologici sono stati riscontrati nelle popolazioni esaminate anche a concentrazioni nell'ordine di circa 100μg/l Pb nel sangue.

Sono state formulate numerose altre definizioni che possono riflettere meglio il significato della nozione. Secondo l'OMS (1989), l'effetto critico è stato definito come “il primo effetto avverso che compare quando la concentrazione o la dose soglia (critica) viene raggiunta nell'organo critico. Gli effetti avversi, come il cancro, senza una concentrazione soglia definita sono spesso considerati critici. La decisione se un effetto è critico è una questione di giudizio di esperti. Nelle linee guida del programma internazionale sulla sicurezza chimica (IPCS) per lo sviluppo Documenti sui criteri di salute ambientale, l'effetto critico è descritto come "l'effetto avverso ritenuto più appropriato per determinare l'assunzione tollerabile". Quest'ultima definizione è stata formulata direttamente allo scopo di valutare i limiti di esposizione basati sulla salute nell'ambiente generale. In questo contesto, la cosa più essenziale sembra essere determinare quale effetto può essere considerato un effetto negativo. Secondo la terminologia corrente, l'effetto avverso è il "cambiamento nella morfologia, fisiologia, crescita, sviluppo o durata della vita di un organismo che si traduce in una compromissione della capacità di compensare lo stress aggiuntivo o un aumento della suscettibilità agli effetti dannosi di altre influenze ambientali. La decisione se un effetto sia negativo o meno richiede il giudizio di esperti.

La Figura 1 mostra ipotetiche curve dose-risposta per diversi effetti. In caso di esposizione al piombo, A può rappresentare un effetto subcritico (inibizione dell'ALA-deidratasi eritrocitaria), B l'effetto critico (aumento della protoporfirina di zinco eritrocitaria o aumento dell'escrezione di acido delta-aminolevulinico, C l'effetto clinico (anemia) e D l'effetto fatale (la morte). Per l'esposizione al piombo esistono abbondanti evidenze che illustrano come particolari effetti dell'esposizione siano dipendenti dalla concentrazione di piombo nel sangue (pratica controparte della dose), sia sotto forma di relazione dose-risposta sia in relazione a diverse variabili (sesso, età, ecc. .). Determinare gli effetti critici e la relazione dose-risposta per tali effetti nell'uomo rende possibile prevedere la frequenza di un dato effetto per una data dose o la sua controparte (concentrazione nel materiale biologico) in una certa popolazione.

Figura 1. Ipotetiche curve dose-risposta per vari effetti

TOX080F1

Gli effetti critici possono essere di due tipi: quelli considerati di soglia e quelli per i quali può sussistere un certo rischio a qualsiasi livello di esposizione (senza soglia, cancerogeni genotossici e germi mutageni). Ove possibile, dovrebbero essere utilizzati dati umani appropriati come base per la valutazione del rischio. Al fine di determinare gli effetti soglia per la popolazione generale, le ipotesi relative al livello di esposizione (assunzione tollerabile, biomarcatori di esposizione) devono essere fatte in modo tale che la frequenza dell'effetto critico nella popolazione esposta a un determinato agente pericoloso corrisponda alla frequenza di tale effetto nella popolazione generale. Nell'esposizione al piombo, la concentrazione massima raccomandata di piombo nel sangue per la popolazione generale (200μg/l, mediana inferiore a 100μg/l) (WHO 1987) è praticamente al di sotto del valore soglia per l'effetto critico presunto: l'elevato livello di protoporfirina libera negli eritrociti, sebbene non sia inferiore al livello associato agli effetti sul sistema nervoso centrale nei bambini o alla pressione arteriosa negli adulti. In generale, se i dati provenienti da studi ben condotti sulla popolazione umana che definiscono un livello senza effetti avversi osservati sono la base per la valutazione della sicurezza, allora il fattore di incertezza di dieci è stato considerato appropriato. Nel caso di esposizione professionale gli effetti critici possono riguardare una certa parte della popolazione (es. 10%). Di conseguenza, nell'esposizione professionale al piombo, la concentrazione di piombo nel sangue raccomandata per la salute è stata adottata per essere di 400 mg/l negli uomini, dove un livello di risposta del 10% per ALA-U di 5 mg/l si è verificato a concentrazioni di PbB di circa 300-400 mg/l . Per l'esposizione professionale al cadmio (assumendo che l'aumento dell'escrezione urinaria di proteine ​​a basso peso sia l'effetto critico), il livello di 200 ppm di cadmio nella corteccia renale è stato considerato come il valore ammissibile, poiché questo effetto è stato osservato nel 10% dei la popolazione esposta. Entrambi questi valori sono allo studio per l'abbassamento, in molti paesi, attualmente (es. 1996).

Non vi è un chiaro consenso sulla metodologia appropriata per la valutazione del rischio delle sostanze chimiche per le quali l'effetto critico potrebbe non avere una soglia, come le sostanze cancerogene genotossiche. Per la valutazione di tali effetti sono stati adottati numerosi approcci basati in gran parte sulla caratterizzazione della relazione dose-risposta. A causa della mancanza di accettazione socio-politica del rischio per la salute causato da agenti cancerogeni in documenti come il Linee guida sulla qualità dell'aria per l'Europa (WHO 1987), solo i valori come il rischio unitario nel corso della vita (ossia, il rischio associato all'esposizione nel corso della vita a 1μg/m3 dell'agente pericoloso) sono presentati per gli effetti senza soglia (vedi “Tossicologia normativa”).

Attualmente, il passo fondamentale nell'intraprendere attività per la valutazione del rischio è determinare l'organo critico e gli effetti critici. Le definizioni sia dell'effetto critico che di quello avverso riflettono la responsabilità di decidere quale degli effetti all'interno di un dato organo o sistema debba essere considerato critico, e ciò è direttamente correlato alla successiva determinazione dei valori raccomandati per una data sostanza chimica nell'ambiente generale -Per esempio, Linee guida sulla qualità dell'aria per l'Europa (WHO 1987) o limiti basati sulla salute nell'esposizione professionale (WHO 1980). Determinare l'effetto critico all'interno della gamma degli effetti subcritici può portare a una situazione in cui i limiti raccomandati sulla concentrazione di sostanze chimiche tossiche nell'ambiente generale o lavorativo possono essere in pratica impossibili da mantenere. Considerare come critico un effetto che può sovrapporsi agli effetti clinici precoci può portare all'adozione dei valori per i quali gli effetti avversi possono svilupparsi in una parte della popolazione. La decisione se un determinato effetto debba o meno essere considerato critico resta di competenza dei gruppi di esperti specializzati nella valutazione della tossicità e del rischio.

 

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Lunedi, 20 dicembre 2010 19: 18

Tossicocinetica

L'organismo umano rappresenta un sistema biologico complesso su vari livelli di organizzazione, dal livello molecolare-cellulare ai tessuti e agli organi. L'organismo è un sistema aperto, che scambia materia ed energia con l'ambiente attraverso numerose reazioni biochimiche in equilibrio dinamico. L'ambiente può essere inquinato o contaminato da varie sostanze tossiche.

La penetrazione di molecole o ioni di sostanze tossiche dall'ambiente di lavoro o di vita in un sistema biologico così fortemente coordinato può disturbare in modo reversibile o irreversibile i normali processi biochimici cellulari, o addirittura danneggiare e distruggere la cellula (vedere "Danno cellulare e morte cellulare").

La penetrazione di una sostanza tossica dall'ambiente ai siti del suo effetto tossico all'interno dell'organismo può essere suddivisa in tre fasi:

  1. La fase di esposizione comprende tutti i processi che avvengono tra varie sostanze tossiche e/o l'influenza su di esse di fattori ambientali (luce, temperatura, umidità, ecc.). Possono verificarsi trasformazioni chimiche, degradazione, biodegradazione (da parte di microrganismi) e disintegrazione di sostanze tossiche.
  2. La fase tossicocinetica comprende l'assorbimento delle sostanze tossiche nell'organismo e tutti i processi che seguono il trasporto da parte dei fluidi corporei, la distribuzione e l'accumulo nei tessuti e negli organi, la biotrasformazione in metaboliti e l'eliminazione (escrezione) delle sostanze tossiche e/o dei metaboliti dall'organismo.
  3. La fase tossicodinamica si riferisce all'interazione di sostanze tossiche (molecole, ioni, colloidi) con specifici siti di azione all'interno o all'interno delle cellule (recettori) che alla fine producono un effetto tossico.

 

Qui focalizzeremo la nostra attenzione esclusivamente sui processi tossicocinetici all'interno dell'organismo umano in seguito all'esposizione a sostanze tossiche nell'ambiente.

Le molecole o gli ioni di sostanze tossiche presenti nell'ambiente penetreranno nell'organismo attraverso la pelle e le mucose, o le cellule epiteliali del tratto respiratorio e gastrointestinale, a seconda del punto di ingresso. Ciò significa che le molecole e gli ioni delle sostanze tossiche devono penetrare attraverso le membrane cellulari di questi sistemi biologici, nonché attraverso un intricato sistema di endomembrane all'interno della cellula.

Tutti i processi tossicocinetici e tossicodinamici avvengono a livello molecolare-cellulare. Numerosi fattori influenzano questi processi e questi possono essere suddivisi in due gruppi fondamentali:

  • costituzione chimica e proprietà fisico-chimiche dei tossici
  • struttura della cellula in particolare proprietà e funzione delle membrane attorno alla cellula e dei suoi organelli interni.

 

Proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche

Nel 1854 il tossicologo russo EV Pelikan iniziò gli studi sulla relazione tra la struttura chimica di una sostanza e la sua attività biologica: la relazione struttura-attività (SAR). La struttura chimica determina direttamente le proprietà fisico-chimiche, alcune delle quali sono responsabili dell'attività biologica.

Per definire la struttura chimica si possono selezionare numerosi parametri come descrittori, che possono essere suddivisi in vari gruppi:

1. Fisico-chimico:

  • generale: punto di fusione, punto di ebollizione, tensione di vapore, costante di dissociazione (pKa)
  • elettrico: potenziale di ionizzazione, costante dielettrica, momento di dipolo, massa: rapporto di carica, ecc.
  • chimica quantistica: carica atomica, energia di legame, energia di risonanza, densità elettronica, reattività molecolare, ecc.

 

 2. Sterico: volume molecolare, forma e superficie, forma della sottostruttura, reattività molecolare, ecc.
 3. Strutturale: numero di legami numero di anelli (nei composti policiclici), estensione della ramificazione, ecc.

 

Per ogni sostanza tossica è necessario selezionare un insieme di descrittori relativi a un particolare meccanismo di attività. Tuttavia, dal punto di vista tossicocinetico due parametri sono di importanza generale per tutti i tossici:

  • Il coefficiente di partizione di Nernst (P) stabilisce la solubilità delle molecole tossiche nel sistema a due fasi ottanolo (olio)-acqua, correlandola alla loro lipo- o idrosolubilità. Questo parametro influenzerà notevolmente la distribuzione e l'accumulo di molecole tossiche nell'organismo.
  • La costante di dissociazione (pKa) definisce il grado di ionizzazione (dissociazione elettrolitica) delle molecole di una sostanza tossica in cationi e anioni carichi a un particolare pH. Questa costante rappresenta il pH al quale si ottiene il 50% di ionizzazione. Le molecole possono essere lipofile o idrofile, ma gli ioni sono solubili esclusivamente nell'acqua dei fluidi corporei e dei tessuti. Conoscere pKa è possibile calcolare il grado di ionizzazione di una sostanza per ogni pH utilizzando l'equazione di Henderson-Hasselbach.

 

Per le polveri e gli aerosol inalati, anche la dimensione delle particelle, la forma, l'area superficiale e la densità influenzano la tossicocinetica e la tossicodinamica.

Struttura e proprietà delle membrane

La cellula eucariotica degli organismi umani e animali è circondata da una membrana citoplasmatica che regola il trasporto di sostanze e mantiene l'omeostasi cellulare. Anche gli organelli cellulari (nucleo, mitocondri) possiedono membrane. Il citoplasma cellulare è suddiviso in compartimenti da intricate strutture membranose, il reticolo endoplasmatico e il complesso del Golgi (endomembrane). Tutte queste membrane sono strutturalmente simili, ma variano nel contenuto di lipidi e proteine.

La struttura strutturale delle membrane è un doppio strato di molecole lipidiche (fosfolipidi, sfingolipidi, colesterolo). La spina dorsale di una molecola fosfolipidica è il glicerolo con due dei suoi gruppi -OH esterificati da acidi grassi alifatici con 16-18 atomi di carbonio e il terzo gruppo esterificato da un gruppo fosfato e un composto azotato (colina, etanolamina, serina). Negli sfingolipidi, la sfingosina è la base.

La molecola lipidica è anfipatica perché è costituita da una “testa” idrofila polare (aminoalcol, fosfato, glicerolo) e da una “coda” gemella non polare (acidi grassi). Il doppio strato lipidico è disposto in modo che le teste idrofile costituiscano la superficie esterna e interna della membrana e le code lipofile siano tese verso l'interno della membrana, che contiene acqua, vari ioni e molecole.

Le proteine ​​e le glicoproteine ​​sono inserite nel doppio strato lipidico (proteine ​​intrinseche) o attaccate alla superficie della membrana (proteine ​​estrinseche). Queste proteine ​​contribuiscono all'integrità strutturale della membrana, ma possono anche fungere da enzimi, trasportatori, pareti dei pori o recettori.

La membrana rappresenta una struttura dinamica che può essere disintegrata e ricostruita con una diversa proporzione di lipidi e proteine, a seconda delle esigenze funzionali.

La regolazione del trasporto di sostanze all'interno e all'esterno della cellula rappresenta una delle funzioni fondamentali delle membrane esterne ed interne.

Alcune molecole lipofile passano direttamente attraverso il doppio strato lipidico. Le molecole e gli ioni idrofili vengono trasportati attraverso i pori. Le membrane rispondono alle mutevoli condizioni aprendo o sigillando determinati pori di varie dimensioni.

I seguenti processi e meccanismi sono coinvolti nel trasporto di sostanze, comprese le sostanze tossiche, attraverso le membrane:

  • diffusione attraverso il doppio strato lipidico
  • diffusione attraverso i pori
  • trasporto tramite vettore (diffusione facilitata).

 

Processi attivi:

  • trasporto attivo da parte di un vettore
  • endocitosi (pinocitosi).

 

Emittente

Questo rappresenta il movimento di molecole e ioni attraverso il doppio strato lipidico oi pori da una regione ad alta concentrazione, o ad alto potenziale elettrico, a una regione a bassa concentrazione o potenziale ("downhill"). La differenza di concentrazione o carica elettrica è la forza motrice che influenza l'intensità del flusso in entrambe le direzioni. Nello stato di equilibrio, l'afflusso sarà uguale all'efflusso. La velocità di diffusione segue la legge di Ficke, affermando che è direttamente proporzionale alla superficie disponibile della membrana, alla differenza nel gradiente di concentrazione (carica) e al coefficiente di diffusione caratteristico, e inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

Piccole molecole lipofile passano facilmente attraverso lo strato lipidico della membrana, secondo il coefficiente di partizione di Nernst.

Grandi molecole lipofile, molecole idrosolubili e ioni utilizzeranno i canali dei pori acquosi per il loro passaggio. Le dimensioni e la stereoconfigurazione influenzeranno il passaggio delle molecole. Per gli ioni, oltre alle dimensioni, sarà determinante il tipo di carica. Le molecole proteiche delle pareti dei pori possono acquisire carica positiva o negativa. I pori stretti tendono ad essere selettivi: i ligandi caricati negativamente consentiranno il passaggio solo per i cationi e i ligandi caricati positivamente consentiranno il passaggio solo per gli anioni. Con l'aumento del diametro dei pori il flusso idrodinamico è dominante, consentendo il libero passaggio di ioni e molecole, secondo la legge di Poiseuille. Questa filtrazione è una conseguenza del gradiente osmotico. In alcuni casi gli ioni possono penetrare attraverso molecole complesse specifiche:ionofori—che possono essere prodotti da microrganismi con effetti antibiotici (nonactina, valinomicina, gramacidina, ecc.).

Diffusione facilitata o catalizzata

Ciò richiede la presenza di un trasportatore nella membrana, solitamente una molecola proteica (permeasi). Il vettore lega selettivamente le sostanze, assomigliando a un complesso substrato-enzima. Molecole simili (incluse le sostanze tossiche) possono competere per il vettore specifico fino al raggiungimento del suo punto di saturazione. I tossici possono competere per il vettore e quando sono irreversibilmente legati ad esso il trasporto viene bloccato. Il tasso di trasporto è caratteristico per ogni tipo di vettore. Se il trasporto avviene in entrambe le direzioni, si parla di diffusione di scambio.

Trasporto attivo

Per il trasporto di alcune sostanze vitali per la cellula, viene utilizzato un tipo speciale di vettore, che trasporta contro il gradiente di concentrazione o il potenziale elettrico ("in salita"). Il vettore è molto stereospecifico e può essere saturato.

Per il trasporto in salita è necessaria energia. L'energia necessaria è ottenuta dalla scissione catalitica delle molecole di ATP in ADP da parte dell'enzima adenosina trifosfatasi (ATP-asi).

I tossici possono interferire con questo trasporto mediante inibizione competitiva o non competitiva del portatore o mediante inibizione dell'attività ATP-asi.

Endocitosi

Endocitosi è definito come un meccanismo di trasporto in cui la membrana cellulare circonda il materiale avvolgendosi per formare una vescicola che lo trasporta attraverso la cellula. Quando il materiale è liquido, il processo è definito pinocitosi. In alcuni casi il materiale è legato a un recettore e questo complesso è trasportato da una vescicola di membrana. Questo tipo di trasporto è particolarmente utilizzato dalle cellule epiteliali del tratto gastrointestinale e dalle cellule del fegato e dei reni.

Assorbimento di sostanze tossiche

Le persone sono esposte a numerose sostanze tossiche presenti nell'ambiente di lavoro e di vita, che possono penetrare nell'organismo umano attraverso tre principali porte di ingresso:

  • attraverso le vie respiratorie per inalazione di aria inquinata
  • attraverso il tratto gastrointestinale per ingestione di cibo, acqua e bevande contaminati
  • attraverso la pelle per penetrazione dermica e cutanea.

 

Nel caso dell'esposizione nell'industria, l'inalazione rappresenta la via dominante di ingresso delle sostanze tossiche, seguita dalla penetrazione cutanea. In agricoltura, l'esposizione ai pesticidi tramite assorbimento cutaneo è quasi uguale ai casi di inalazione combinata e penetrazione cutanea. La popolazione generale è maggiormente esposta per ingestione di cibo, acqua e bevande contaminati, quindi per inalazione e meno spesso per penetrazione cutanea.

Assorbimento attraverso le vie respiratorie

L'assorbimento nei polmoni rappresenta la principale via di assorbimento di numerosi agenti tossici aerodispersi (gas, vapori, fumi, nebbie, fumi, polveri, aerosol, ecc.).

Il tratto respiratorio (RT) rappresenta un ideale sistema di scambio gassoso in possesso di una membrana con una superficie di 30 m2 (scadenza) a 100m2 (ispirazione profonda), dietro la quale si trova una rete di circa 2,000 km di capillari. Il sistema, sviluppato attraverso l'evoluzione, è alloggiato in uno spazio relativamente piccolo (cavità toracica) protetto da costole.

Anatomicamente e fisiologicamente il RT può essere suddiviso in tre compartimenti:

  • la parte superiore della RT, o rinofaringea (NP), che parte dalle narici del naso e si estende fino alla faringe e alla laringe; questa parte funge da impianto di climatizzazione
  • l'albero tracheo-bronchiale (TB), comprendente numerosi tubi di varie dimensioni, che portano l'aria ai polmoni
  • il compartimento polmonare (P), costituito da milioni di alveoli (sacche d'aria) disposti in grappoli simili a grappoli.

 

I tossici idrofili sono facilmente assorbiti dall'epitelio della regione nasofaringea. L'intero epitelio delle regioni NP e TB è ricoperto da una pellicola d'acqua. I tossici lipofili sono parzialmente assorbiti nelle NP e TB, ma soprattutto negli alveoli per diffusione attraverso le membrane alveolo-capillari. Il tasso di assorbimento dipende dalla ventilazione polmonare, dalla gittata cardiaca (flusso sanguigno attraverso i polmoni), dalla solubilità del tossico nel sangue e dal suo tasso metabolico.

Negli alveoli avviene lo scambio di gas. La parete alveolare è costituita da un epitelio, una struttura interstiziale di membrana basale, tessuto connettivo e l'endotelio capillare. La diffusione delle sostanze tossiche è molto rapida attraverso questi strati, che hanno uno spessore di circa 0.8 μm. Negli alveoli, il tossico viene trasferito dalla fase aerea alla fase liquida (sangue). La velocità di assorbimento (distribuzione aria-sangue) di una sostanza tossica dipende dalla sua concentrazione nell'aria alveolare e dal coefficiente di partizione di Nernst per il sangue (coefficiente di solubilità).

Nel sangue il tossico può essere disciolto in fase liquida mediante semplici processi fisici oppure legato alle cellule del sangue e/o ai costituenti del plasma secondo affinità chimica o per adsorbimento. Il contenuto di acqua nel sangue è del 75% e, pertanto, gas e vapori idrofili mostrano un'elevata solubilità nel plasma (p. es., alcoli). Le sostanze tossiche lipofile (p. es., il benzene) sono solitamente legate a cellule o macromolecole come l'albume.

Fin dall'inizio dell'esposizione nei polmoni, si verificano due processi opposti: assorbimento e desorbimento. L'equilibrio tra questi processi dipende dalla concentrazione di sostanza tossica nell'aria alveolare e nel sangue. All'inizio dell'esposizione la concentrazione di sostanze tossiche nel sangue è 0 e la ritenzione nel sangue è quasi del 100%. Con il proseguimento dell'esposizione si raggiunge un equilibrio tra assorbimento e desorbimento. I tossici idrofili raggiungeranno rapidamente l'equilibrio e la velocità di assorbimento dipende dalla ventilazione polmonare piuttosto che dal flusso sanguigno. Le sostanze tossiche lipofile hanno bisogno di più tempo per raggiungere l'equilibrio, e qui il flusso di sangue insaturo regola la velocità di assorbimento.

La deposizione di particelle e aerosol nell'RT dipende da fattori fisici e fisiologici, nonché dalla dimensione delle particelle. In breve, più piccola è la particella, più in profondità penetrerà nell'RT.

Una ritenzione relativamente bassa e costante di particelle di polvere nei polmoni di persone altamente esposte (ad esempio, minatori) suggerisce l'esistenza di un sistema molto efficiente per l'eliminazione delle particelle. Nella parte superiore del RT (tracheo-bronchiale) un velo mucociliare compie lo sgombero. Nella parte polmonare sono all'opera tre diversi meccanismi: (1) mantello mucociliare, (2) fagocitosi e (3) penetrazione diretta di particelle attraverso la parete alveolare.

Le prime 17 delle 23 ramificazioni dell'albero tracheo-bronchiale possiedono cellule epiteliali ciliate. Con i loro colpi queste ciglia spostano costantemente una coltre mucosa verso la bocca. Le particelle depositate su questa coltre mucociliare saranno inghiottite in bocca (ingestione). Una coperta mucosa copre anche la superficie dell'epitelio alveolare, spostandosi verso la coperta mucociliare. Inoltre le cellule specializzate in movimento, i fagociti, inghiottono particelle e microrganismi negli alveoli e migrano in due possibili direzioni:

  • verso il manto mucociliare, che li trasporta alla bocca
  • attraverso gli spazi intercellulari della parete alveolare al sistema linfatico dei polmoni; anche le particelle possono penetrare direttamente per questa via.

 

Assorbimento attraverso il tratto gastrointestinale

Le sostanze tossiche possono essere ingerite in caso di ingestione accidentale, assunzione di cibi e bevande contaminati o ingestione di particelle eliminate dall'RT.

L'intero canale alimentare, dall'esofago all'ano, è sostanzialmente costruito allo stesso modo. Uno strato mucoso (epitelio) è sostenuto dal tessuto connettivo e quindi da una rete di capillari e muscoli lisci. L'epitelio superficiale dello stomaco è molto rugoso per aumentare la superficie di assorbimento/secrezione. L'area intestinale contiene numerose piccole sporgenze (villi), che sono in grado di assorbire materiale per “pompaggio”. L'area attiva per l'assorbimento nell'intestino è di circa 100 m2.

Nel tratto gastrointestinale (GIT) tutti i processi di assorbimento sono molto attivi:

  •  trasporto transcellulare per diffusione attraverso lo strato lipidico e/o i pori delle membrane cellulari, nonché filtrazione dei pori
  •  diffusione paracellulare attraverso le giunzioni tra le cellule
  •  diffusione facilitata e trasporto attivo
  •  endocitosi e il meccanismo di pompaggio dei villi.

 

Alcuni ioni metallici tossici utilizzano sistemi di trasporto specializzati per elementi essenziali: tallio, cobalto e manganese utilizzano il sistema del ferro, mentre il piombo sembra utilizzare il sistema del calcio.

Molti fattori influenzano il tasso di assorbimento delle sostanze tossiche in varie parti del GIT:

  • proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche, in particolare il coefficiente di partizione di Nernst e la costante di dissociazione; per le particelle, la dimensione delle particelle è importante: minore è la dimensione, maggiore è la solubilità
  • quantità di cibo presente nel GIT (effetto diluente)
  • tempo di permanenza in ogni parte del GIT (da pochi minuti in bocca a un'ora nello stomaco a molte ore nell'intestino
  • l'area di assorbimento e la capacità di assorbimento dell'epitelio
  • pH locale, che regola l'assorbimento delle sostanze tossiche dissociate; nel pH acido dello stomaco, i composti acidi non dissociati saranno assorbiti più rapidamente
  • peristalsi (movimento dell'intestino da parte dei muscoli) e flusso sanguigno locale
  • le secrezioni gastriche e intestinali trasformano sostanze tossiche in prodotti più o meno solubili; la bile è un agente emulsionante che produce complessi più solubili (idrotrofia)
  • esposizione combinata ad altre sostanze tossiche, che possono produrre effetti sinergici o antagonisti nei processi di assorbimento
  • presenza di agenti complessanti/chelanti
  • l'azione della microflora della RT (circa 1.5 kg), circa 60 diverse specie batteriche che possono effettuare la biotrasformazione di sostanze tossiche.

 

È inoltre necessario menzionare la circolazione enteroepatica. Tossici polari e/o metaboliti (glucuronidi e altri coniugati) vengono escreti con la bile nel duodeno. Qui gli enzimi della microflora effettuano l'idrolisi ei prodotti liberati possono essere riassorbiti e trasportati dalla vena porta nel fegato. Questo meccanismo è molto pericoloso nel caso di sostanze epatotossiche, consentendone l'accumulo temporaneo nel fegato.

Nel caso di sostanze tossiche biotrasformate nel fegato in metaboliti meno tossici o non tossici, l'ingestione può rappresentare una porta di ingresso meno pericolosa. Dopo l'assorbimento nel GIT, queste sostanze tossiche saranno trasportate dalla vena porta al fegato, dove potranno essere parzialmente disintossicate mediante biotrasformazione.

Assorbimento attraverso la pelle (cutanea, percutanea)

La pelle (1.8 m2 di superficie in un essere umano adulto) insieme alle mucose degli orifizi del corpo, ricopre la superficie del corpo. Rappresenta una barriera contro gli agenti fisici, chimici e biologici, mantenendo l'integrità e l'omeostasi del corpo e svolgendo molti altri compiti fisiologici.

Fondamentalmente la pelle è composta da tre strati: epidermide, vera pelle (derma) e tessuto sottocutaneo (ipoderma). Dal punto di vista tossicologico l'epidermide è qui di maggior interesse. È costituito da molti strati di cellule. Una superficie cornea di cellule morte appiattite (strato corneo) è lo strato superiore, sotto il quale si trova uno strato continuo di cellule vive (strato corneo compatto), seguito da una tipica membrana lipidica, e quindi da strato lucido, strato grammoso e strato mucoso. La membrana lipidica rappresenta una barriera protettiva, ma nelle parti pelose della pelle penetrano sia i follicoli piliferi che i canali delle ghiandole sudoripare. Pertanto, l'assorbimento cutaneo può avvenire mediante i seguenti meccanismi:

  • assorbimento transepidermico per diffusione attraverso la membrana lipidica (barriera), principalmente da sostanze lipofile (solventi organici, pesticidi, ecc.) e in piccola parte da alcune sostanze idrofile attraverso i pori
  • assorbimento transfollicolare attorno al gambo pilifero nel follicolo pilifero, bypassando la barriera di membrana; questo assorbimento avviene solo nelle zone pelose della pelle
  • assorbimento attraverso i dotti delle ghiandole sudoripare, che hanno un'area della sezione trasversale di circa lo 0.1-1% dell'area totale della pelle (l'assorbimento relativo è in questa proporzione)
  • assorbimento attraverso la pelle in caso di lesioni meccaniche, termiche, chimiche o da malattie della pelle; qui gli strati cutanei, compresa la barriera lipidica, vengono disgregati e la via è aperta all'ingresso di sostanze tossiche e nocive.

 

Il tasso di assorbimento attraverso la pelle dipenderà da molti fattori:

  • concentrazione di sostanza tossica, tipo di veicolo (mezzo), presenza di altre sostanze
  • contenuto di acqua della pelle, pH, temperatura, flusso sanguigno locale, sudorazione, superficie della pelle contaminata, spessore della pelle
  • caratteristiche anatomiche e fisiologiche della pelle dovute al sesso, all'età, alle variazioni individuali, alle differenze presenti nelle varie etnie e razze, ecc.

Trasporto di sostanze tossiche da sangue e linfa

Dopo l'assorbimento da parte di uno qualsiasi di questi portali di ingresso, le sostanze tossiche raggiungeranno il sangue, la linfa o altri fluidi corporei. Il sangue rappresenta il principale veicolo di trasporto delle sostanze tossiche e dei loro metaboliti.

Il sangue è un organo a circolazione fluida, che trasporta l'ossigeno necessario e le sostanze vitali alle cellule e rimuove i prodotti di scarto del metabolismo. Il sangue contiene anche componenti cellulari, ormoni e altre molecole coinvolte in molte funzioni fisiologiche. Il sangue scorre all'interno di un sistema circolatorio di vasi sanguigni relativamente ben chiuso e ad alta pressione, spinto dall'attività del cuore. A causa dell'alta pressione, si verifica una perdita di fluido. Il sistema linfatico rappresenta il sistema di drenaggio, sotto forma di una maglia fine di piccoli capillari linfatici a parete sottile che si diramano attraverso i tessuti molli e gli organi.

Il sangue è una miscela di una fase liquida (plasma, 55%) e globuli solidi (45%). Il plasma contiene proteine ​​(albumine, globuline, fibrinogeno), acidi organici (lattico, glutammico, citrico) e molte altre sostanze (lipidi, lipoproteine, glicoproteine, enzimi, sali, xenobiotici, ecc.). Gli elementi delle cellule del sangue includono eritrociti (Er), leucociti, reticolociti, monociti e piastrine.

Le sostanze tossiche vengono assorbite come molecole e ioni. Alcune sostanze tossiche al pH del sangue formano particelle colloidali come terza forma in questo liquido. Molecole, ioni e colloidi di sostanze tossiche hanno varie possibilità di trasporto nel sangue:

  •  essere legato fisicamente o chimicamente agli elementi del sangue, principalmente Er
  •  essere disciolto fisicamente nel plasma allo stato libero
  •  legarsi a uno o più tipi di proteine ​​plasmatiche, complessarsi con gli acidi organici o legarsi ad altre frazioni del plasma.

 

La maggior parte delle sostanze tossiche nel sangue esiste parzialmente allo stato libero nel plasma e parzialmente legata agli eritrociti e ai costituenti del plasma. La distribuzione dipende dall'affinità delle sostanze tossiche a questi costituenti. Tutte le frazioni sono in equilibrio dinamico.

Alcune sostanze tossiche sono trasportate dagli elementi del sangue, principalmente dagli eritrociti, molto raramente dai leucociti. Le sostanze tossiche possono essere adsorbite sulla superficie di Er o possono legarsi ai ligandi dello stroma. Se penetrano in Er possono legarsi all'eme (es. monossido di carbonio e selenio) o alla globina (Sb111, Po210). Alcuni tossici trasportati da Er sono arsenico, cesio, torio, radon, piombo e sodio. Il cromo esavalente è legato esclusivamente all'Er e il cromo trivalente alle proteine ​​del plasma. Per lo zinco si verifica competizione tra Er e plasma. Circa il 96% del piombo viene trasportato da Er. Il mercurio organico è principalmente legato a Er e il mercurio inorganico è trasportato principalmente dall'albumina plasmatica. Piccole frazioni di berillio, rame, tellurio e uranio sono trasportate da Er.

La maggior parte delle sostanze tossiche viene trasportata dal plasma o dalle proteine ​​plasmatiche. Molti elettroliti sono presenti come ioni in equilibrio con molecole non dissociate libere o legate alle frazioni plasmatiche. Questa frazione ionica di sostanze tossiche è molto diffusibile, penetrando attraverso le pareti dei capillari nei tessuti e negli organi. Gas e vapori possono essere disciolti nel plasma.

Le proteine ​​plasmatiche possiedono una superficie totale di circa 600-800 km2 offerto per l'assorbimento di sostanze tossiche. Le molecole di albumina possiedono circa 109 ligandi cationici e 120 anionici a disposizione degli ioni. Molti ioni sono parzialmente trasportati dall'albumina (ad es. rame, zinco e cadmio), così come composti come dinitro- e orto-cresoli, derivati ​​nitro e alogenati di idrocarburi aromatici e fenoli.

Le molecole di globuline (alfa e beta) trasportano piccole molecole di sostanze tossiche così come alcuni ioni metallici (rame, zinco e ferro) e particelle colloidali. Il fibrinogeno mostra affinità per alcune piccole molecole. Molti tipi di legami possono essere coinvolti nel legame di sostanze tossiche alle proteine ​​plasmatiche: forze di Van der Waals, attrazione di cariche, associazione tra gruppi polari e apolari, ponti a idrogeno, legami covalenti.

Le lipoproteine ​​plasmatiche trasportano sostanze tossiche lipofile come i PCB. Anche le altre frazioni plasmatiche fungono da veicolo di trasporto. L'affinità delle sostanze tossiche per le proteine ​​plasmatiche suggerisce la loro affinità per le proteine ​​nei tessuti e negli organi durante la distribuzione.

Gli acidi organici (lattico, glutammico, citrico) formano complessi con alcune sostanze tossiche. Le terre alcaline e le terre rare, così come alcuni elementi pesanti sotto forma di cationi, sono complessate anche con ossi- e amminoacidi organici. Tutti questi complessi sono generalmente diffusibili e facilmente distribuibili nei tessuti e negli organi.

Gli agenti chelanti fisiologicamente nel plasma come la transferrina e la metallotioneina competono con gli acidi organici e gli amminoacidi per i cationi per formare chelati stabili.

Gli ioni liberi diffusibili, alcuni complessi e alcune molecole libere vengono facilmente eliminati dal sangue nei tessuti e negli organi. La frazione libera di ioni e molecole è in equilibrio dinamico con la frazione legata. La concentrazione di una sostanza tossica nel sangue governerà la velocità della sua distribuzione nei tessuti e negli organi, o la sua mobilitazione da essi nel sangue.

Distribuzione delle sostanze tossiche nell'organismo

L'organismo umano può essere suddiviso in quanto segue scomparti. (1) organi interni, (2) pelle e muscoli, (3) tessuti adiposi, (4) tessuto connettivo e ossa. Questa classificazione si basa principalmente sul grado di perfusione vascolare (sangue) in ordine decrescente. Ad esempio gli organi interni (incluso il cervello), che rappresentano solo il 12% del peso corporeo totale, ricevono circa il 75% del volume totale del sangue. D'altra parte, i tessuti connettivi e le ossa (15% del peso corporeo totale) ricevono solo l'XNUMX% del volume totale del sangue.

Gli organi interni ben irrorati generalmente raggiungono la più alta concentrazione di sostanze tossiche nel minor tempo, così come un equilibrio tra sangue e questo compartimento. L'assorbimento di sostanze tossiche da parte dei tessuti meno perfusi è molto più lento, ma la ritenzione è maggiore e la durata della degenza molto più lunga (accumulo) a causa della bassa perfusione.

Tre componenti sono di grande importanza per la distribuzione intracellulare delle sostanze tossiche: contenuto di acqua, lipidi e proteine ​​nelle cellule di vari tessuti e organi. Il suddetto ordine di compartimenti segue anche da vicino un contenuto d'acqua decrescente nelle loro cellule. I tossici idrofili saranno distribuiti più rapidamente ai fluidi corporei e alle cellule con un elevato contenuto di acqua e i tossici lipofili alle cellule con un contenuto lipidico più elevato (tessuto adiposo).

L'organismo possiede alcune barriere che ostacolano la penetrazione di alcuni gruppi di sostanze tossiche, per lo più idrofile, in determinati organi e tessuti, quali:

  • la barriera emato-encefalica (barriera cerebrospinale), che limita la penetrazione di grandi molecole e sostanze tossiche idrofile nel cervello e nel sistema nervoso centrale; questa barriera è costituita da uno strato strettamente unito di cellule endoteliali; quindi, i tossici lipofili possono penetrare attraverso di essa
  • la barriera placentare, che ha un effetto simile sulla penetrazione di sostanze tossiche nel feto dal sangue della madre
  • la barriera isto-ematologica nelle pareti dei capillari, che è permeabile per molecole di piccole e medie dimensioni, e per alcune molecole più grandi, così come per gli ioni.

 

Come notato in precedenza, solo le forme libere di sostanze tossiche nel plasma (molecole, ioni, colloidi) sono disponibili per la penetrazione attraverso le pareti dei capillari che partecipano alla distribuzione. Questa frazione libera è in equilibrio dinamico con la frazione legata. La concentrazione di sostanze tossiche nel sangue è in equilibrio dinamico con la loro concentrazione negli organi e nei tessuti, regolandone la ritenzione (accumulo) o la mobilizzazione.

La condizione dell'organismo, lo stato funzionale degli organi (in particolare la regolazione neuro-umorale), l'equilibrio ormonale e altri fattori giocano un ruolo nella distribuzione.

La ritenzione di sostanze tossiche in un particolare compartimento è generalmente temporanea e può verificarsi la ridistribuzione in altri tessuti. La ritenzione e l'accumulo si basano sulla differenza tra i tassi di assorbimento ed eliminazione. La durata della ritenzione in un compartimento è espressa dall'emivita biologica. Questo è l'intervallo di tempo in cui il 50% del tossico viene eliminato dal tessuto o dall'organo e ridistribuito, traslocato o eliminato dall'organismo.

I processi di biotrasformazione si verificano durante la distribuzione e la ritenzione in vari organi e tessuti. La biotrasformazione produce metaboliti più polari, più idrofili, che vengono eliminati più facilmente. Un basso tasso di biotrasformazione di un tossico lipofilo causerà generalmente il suo accumulo in un compartimento.

Le sostanze tossiche possono essere suddivise in quattro gruppi principali in base alla loro affinità, ritenzione predominante e accumulo in un particolare compartimento:

  1. Le sostanze tossiche solubili nei fluidi corporei sono distribuite uniformemente in base al contenuto di acqua dei compartimenti. Molti cationi monovalenti (p. es., litio, sodio, potassio, rubidio) e alcuni anioni (p. es., cloro, bromo) sono distribuiti secondo questo modello.
  2. I tossici lipofili mostrano un'elevata affinità per gli organi ricchi di lipidi (SNC) e per i tessuti (grassi, adiposi).
  3. I tossici che formano particelle colloidali vengono quindi intrappolati da cellule specializzate del sistema reticoloendoteliale (RES) di organi e tessuti. I cationi tri e quadrivalenti (lantanio, cesio, afnio) sono distribuiti nelle RES di tessuti e organi.
  4. Le sostanze tossiche che mostrano un'elevata affinità per le ossa e il tessuto connettivo (elementi osteotropici, bone seeker) includono cationi bivalenti (p. es., calcio, bario, stronzio, radon, berillio, alluminio, cadmio, piombo).

 

Accumulo nei tessuti ricchi di lipidi

L '"uomo standard" di 70 kg di peso corporeo contiene circa il 15% del peso corporeo sotto forma di tessuto adiposo, che aumenta con l'obesità fino al 50%. Tuttavia, questa frazione lipidica non è distribuita uniformemente. Il cervello (SNC) è un organo ricco di lipidi e i nervi periferici sono avvolti da una guaina mielinica ricca di lipidi e cellule di Schwann. Tutti questi tessuti offrono possibilità di accumulo di sostanze tossiche lipofile.

In questo compartimento verranno distribuiti numerosi non elettroliti e tossici non polari con un opportuno coefficiente di ripartizione di Nernst, nonché numerosi solventi organici (alcoli, aldeidi, chetoni, ecc.), idrocarburi clorurati (inclusi insetticidi organoclorurati come il DDT), alcuni gas inerti (radon), ecc.

Il tessuto adiposo accumulerà sostanze tossiche a causa della sua bassa vascolarizzazione e del minor tasso di biotrasformazione. Qui l'accumulo di sostanze tossiche può rappresentare una sorta di “neutralizzazione” temporanea a causa della mancanza di bersagli per l'effetto tossico. Tuttavia, il potenziale pericolo per l'organismo è sempre presente a causa della possibilità di mobilizzazione di sostanze tossiche da questo compartimento verso la circolazione.

La deposizione di sostanze tossiche nel cervello (SNC) o nel tessuto ricco di lipidi della guaina mielinica del sistema nervoso periferico è molto pericolosa. I neurotossici vengono depositati qui direttamente accanto ai loro bersagli. Le sostanze tossiche trattenute nel tessuto ricco di lipidi delle ghiandole endocrine possono produrre disturbi ormonali. Nonostante la barriera emato-encefalica giungono al cervello (SNC) numerose sostanze neurotossiche di natura lipofila: anestetici, solventi organici, pesticidi, piombo tetraetile, organomercuriali, ecc.

Ritenzione nel sistema reticoloendoteliale

In ogni tessuto e organo una certa percentuale di cellule è specializzata per l'attività fagocitica, fagocitando microrganismi, particelle, particelle colloidali e così via. Questo sistema è chiamato sistema reticoloendoteliale (RES), comprendente cellule fisse e cellule mobili (fagociti). Queste cellule sono presenti in forma non attiva. Un aumento dei suddetti microbi e particelle attiverà le cellule fino a un punto di saturazione.

I tossici sotto forma di colloidi saranno catturati dalle RES di organi e tessuti. La distribuzione dipende dalla dimensione delle particelle colloidali. Per particelle più grandi, sarà favorita la ritenzione nel fegato. Con particelle colloidali più piccole, si verificherà una distribuzione più o meno uniforme tra milza, midollo osseo e fegato. L'eliminazione dei colloidi dalle RES è molto lenta, sebbene le piccole particelle vengano eliminate relativamente più rapidamente.

Accumulo nelle ossa

Circa 60 elementi possono essere identificati come elementi osteotropi o cercatori di ossa.

Gli elementi osteotropi possono essere suddivisi in tre gruppi:

  1. Elementi che rappresentano o sostituiscono costituenti fisiologici dell'osso. Venti di questi elementi sono presenti in quantità maggiori. Gli altri appaiono in tracce. In condizioni di esposizione cronica, anche metalli tossici come piombo, alluminio e mercurio possono entrare nella matrice minerale delle cellule ossee.
  2. Le terre alcaline e altri elementi formanti cationi con diametro ionico simile a quello del calcio sono scambiabili con esso nel minerale osseo. Inoltre, alcuni anioni sono scambiabili con anioni (fosfato, ossidrile) del minerale osseo.
  3. Gli elementi che formano i microcolloidi (terre rare) possono essere adsorbiti sulla superficie del minerale osseo.

 

Lo scheletro di un uomo standard rappresenta dal 10 al 15% del peso corporeo totale, rappresentando un grande deposito potenziale di sostanze tossiche osteotropiche. L'osso è un tessuto altamente specializzato costituito in volume dal 54% di minerali e dal 38% di matrice organica. La matrice minerale dell'osso è idrossiapatite, Ca10(PO4)6(OH)2 , in cui il rapporto tra Ca e P è di circa 1.5 a uno. La superficie di minerale disponibile per l'adsorbimento è di circa 100 m2 per g di osso.

L'attività metabolica delle ossa dello scheletro può essere suddivisa in due categorie:

  • osso metabolico attivo, in cui i processi di riassorbimento e formazione di nuovo osso, o rimodellamento dell'osso esistente, sono molto estesi
  • osso stabile con un basso tasso di rimodellamento o crescita.

 

Nel feto, l'osso metabolico del neonato e del bambino piccolo (vedi “scheletro disponibile”) rappresenta quasi il 100% dello scheletro. Con l'età questa percentuale di osso metabolico diminuisce. L'incorporazione di sostanze tossiche durante l'esposizione appare nell'osso metabolico e nei compartimenti a rotazione più lenta.

L'incorporazione di sostanze tossiche nell'osso avviene in due modi:

  1. Per gli ioni, avviene uno scambio ionico con cationi di calcio fisiologicamente presenti, o anioni (fosfato, ossidrile).
  2. Per le sostanze tossiche che formano particelle colloidali, si verifica l'adsorbimento sulla superficie del minerale.

 

Reazioni di scambio ionico

Il minerale osseo, l'idrossiapatite, rappresenta un complesso sistema di scambio ionico. I cationi di calcio possono essere scambiati da vari cationi. Gli anioni presenti nell'osso possono essere scambiati anche da anioni: fosfato con citrati e carbonati, ossidrile con fluoro. Gli ioni che non sono scambiabili possono essere adsorbiti sulla superficie del minerale. Quando gli ioni tossici vengono incorporati nel minerale, un nuovo strato di minerale può ricoprire la superficie del minerale, seppellendo il tossico nella struttura ossea. Lo scambio ionico è un processo reversibile, a seconda della concentrazione di ioni, pH e volume del fluido. Così, per esempio, un aumento del calcio nella dieta può diminuire la deposizione di ioni tossici nel reticolo dei minerali. È stato detto che con l'età la percentuale di osso metabolico diminuisce, sebbene lo scambio ionico continui. Con l'invecchiamento, si verifica il riassorbimento minerale osseo, in cui la densità ossea diminuisce effettivamente. A questo punto, possono essere rilasciate sostanze tossiche nelle ossa (p. es., piombo).

Circa il 30% degli ioni incorporati nei minerali ossei sono debolmente legati e possono essere scambiati, catturati da agenti chelanti naturali ed escreti, con un'emivita biologica di 15 giorni. L'altro 70% è legato più saldamente. La mobilizzazione e l'escrezione di questa frazione mostra un'emivita biologica di 2.5 anni e più a seconda del tipo di osso (processi di rimodellamento).

Gli agenti chelanti (Ca-EDTA, penicillamina, BAL, ecc.) possono mobilizzare quantità considerevoli di alcuni metalli pesanti e la loro escrezione nelle urine aumenta notevolmente.

Adsorbimento colloidale

Le particelle colloidali vengono adsorbite come una pellicola sulla superficie minerale (100 m2 per g) da forze di Van der Waals o chemisorbimento. Questo strato di colloidi sulle superfici minerali è ricoperto dallo strato successivo di minerali formati e le sostanze tossiche sono maggiormente sepolte nella struttura ossea. Il tasso di mobilizzazione ed eliminazione dipende dai processi di rimodellamento.

Accumulo nei capelli e nelle unghie

I capelli e le unghie contengono cheratina, con gruppi sulfidrilici in grado di chelare cationi metallici come mercurio e piombo.

Distribuzione del tossico all'interno della cellula

Recentemente è diventata importante la distribuzione di sostanze tossiche, in particolare alcuni metalli pesanti, all'interno delle cellule di tessuti e organi. Con le tecniche di ultracentrifugazione è possibile separare varie frazioni della cellula per determinarne il contenuto di ioni metallici e altre sostanze tossiche.

Studi sugli animali hanno rivelato che dopo la penetrazione nella cellula, alcuni ioni metallici si legano a una proteina specifica, la metallotioneina. Questa proteina a basso peso molecolare è presente nelle cellule del fegato, dei reni e di altri organi e tessuti. I suoi gruppi sulfidrilici possono legare sei ioni per molecola. L'aumentata presenza di ioni metallici induce la biosintesi di questa proteina. Gli ioni di cadmio sono l'induttore più potente. La metallotioneina serve anche a mantenere l'omeostasi degli ioni vitali rame e zinco. La metallotioneina può legare zinco, rame, cadmio, mercurio, bismuto, oro, cobalto e altri cationi.

Biotrasformazione ed eliminazione di sostanze tossiche

Durante la ritenzione nelle cellule di vari tessuti e organi, le sostanze tossiche sono esposte a enzimi che possono biotrasformarle (metabolizzarle), producendo metaboliti. Ci sono molte vie per l'eliminazione di sostanze tossiche e/o metaboliti: dall'aria espirata attraverso i polmoni, dall'urina attraverso i reni, dalla bile attraverso il GIT, dal sudore attraverso la pelle, dalla saliva attraverso la mucosa della bocca, dal latte attraverso il ghiandole mammarie e da capelli e unghie attraverso la normale crescita e il ricambio cellulare.

L'eliminazione di un tossico assorbito dipende dal portale di ingresso. Nei polmoni il processo di assorbimento/desorbimento inizia immediatamente e le sostanze tossiche vengono parzialmente eliminate dall'aria espirata. L'eliminazione delle sostanze tossiche assorbite da altre vie di ingresso è prolungata e inizia dopo il trasporto attraverso il sangue, per poi essere completata dopo la distribuzione e la biotrasformazione. Durante l'assorbimento esiste un equilibrio tra le concentrazioni di una sostanza tossica nel sangue e nei tessuti e negli organi. L'escrezione diminuisce la concentrazione ematica tossica e può indurre la mobilizzazione di una sostanza tossica dai tessuti nel sangue.

Molti fattori possono influenzare il tasso di eliminazione delle sostanze tossiche e dei loro metaboliti dal corpo:

  • proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche, in particolare il coefficiente di partizione di Nernst (P), costante di dissociazione (pKa), polarità, struttura molecolare, forma e peso
  • livello di esposizione e tempo di eliminazione post-esposizione
  • portale di ingresso
  • distribuzione nei compartimenti corporei, che differiscono per tasso di scambio con il sangue e perfusione sanguigna
  • velocità di biotrasformazione di sostanze tossiche lipofile in metaboliti più idrofili
  • stato di salute generale dell'organismo e, in particolare, degli organi emuntori (polmoni, reni, GIT, pelle, ecc.)
  • presenza di altre sostanze tossiche che possono interferire con l'eliminazione.

 

Qui distinguiamo due gruppi di compartimenti: (1) il sistema di cambio rapido— in questi compartimenti, la concentrazione tissutale di sostanza tossica è simile a quella del sangue; e (2) il sistema di scambio lento, dove la concentrazione tissutale di sostanze tossiche è superiore a quella del sangue a causa del legame e dell'accumulo: il tessuto adiposo, lo scheletro ei reni possono trattenere temporaneamente alcune sostanze tossiche, ad esempio arsenico e zinco.

Una sostanza tossica può essere espulsa simultaneamente da due o più vie di escrezione. Tuttavia, di solito un percorso è dominante.

Gli scienziati stanno sviluppando modelli matematici che descrivono l'escrezione di un particolare tossico. Questi modelli si basano sul movimento da uno o entrambi i compartimenti (sistemi di scambio), biotrasformazione e così via.

Eliminazione dall'aria espirata attraverso i polmoni

L'eliminazione attraverso i polmoni (desorbimento) è tipica delle sostanze tossiche ad alta volatilità (ad es. solventi organici). Gas e vapori a bassa solubilità nel sangue verranno eliminati rapidamente in questo modo, mentre le sostanze tossiche ad alta solubilità nel sangue verranno eliminate per altre vie.

I solventi organici assorbiti dal GIT o dalla pelle vengono escreti parzialmente dall'aria espirata in ogni passaggio di sangue attraverso i polmoni, se hanno una tensione di vapore sufficiente. Il test dell'etilometro utilizzato per i guidatori sospetti in stato di ebbrezza si basa su questo fatto. La concentrazione di CO nell'aria espirata è in equilibrio con il contenuto di CO-Hb nel sangue. Il gas radioattivo radon appare nell'aria espirata a causa del decadimento del radio accumulato nello scheletro.

L'eliminazione di una sostanza tossica dall'aria espirata in relazione al periodo di tempo post-esposizione è generalmente espressa da una curva a tre fasi. La prima fase rappresenta l'eliminazione del tossico dal sangue, mostrando una breve emivita. La seconda fase, più lenta, rappresenta l'eliminazione dovuta allo scambio di sangue con tessuti e organi (sistema di scambio rapido). La terza fase, molto lenta, è dovuta allo scambio di sangue con tessuto adiposo e scheletro. Se in tali compartimenti non si accumula una sostanza tossica, la curva sarà bifase. In alcuni casi è anche possibile una curva a quattro fasi.

La determinazione dei gas e dei vapori nell'aria espirata nel periodo post-esposizione viene talvolta utilizzata per la valutazione delle esposizioni nei lavoratori.

Escrezione renale

Il rene è un organo specializzato nell'escrezione di numerosi tossici e metaboliti idrosolubili, mantenendo l'omeostasi dell'organismo. Ogni rene possiede circa un milione di nefroni in grado di eseguire l'escrezione. L'escrezione renale rappresenta un evento molto complesso che comprende tre diversi meccanismi:

  • filtrazione glomerulare mediante capsula di Bowman
  • trasporto attivo nel tubulo prossimale
  • trasporto passivo nel tubulo distale.

 

L'escrezione di una sostanza tossica attraverso i reni nelle urine dipende dal coefficiente di partizione di Nernst, dalla costante di dissociazione e dal pH dell'urina, dalla dimensione e forma molecolare, dalla velocità del metabolismo verso metaboliti più idrofili, nonché dallo stato di salute dei reni.

La cinetica dell'escrezione renale di un tossico o del suo metabolita può essere espressa da una curva di escrezione a due, tre o quattro fasi, a seconda della distribuzione del particolare tossico nei vari compartimenti corporei che differiscono nella velocità di scambio con il sangue.

saliva

Alcuni farmaci e ioni metallici possono essere escreti attraverso la mucosa della bocca dalla saliva, ad esempio piombo ("linea di piombo"), mercurio, arsenico, rame, nonché bromuri, ioduri, alcol etilico, alcaloidi e così via. Le sostanze tossiche vengono quindi ingerite, raggiungendo il GIT, dove possono essere riassorbite o eliminate con le feci.

Sudare

Molti non elettroliti possono essere parzialmente eliminati attraverso la pelle attraverso il sudore: alcol etilico, acetone, fenoli, solfuro di carbonio e idrocarburi clorurati.

latte

Molti metalli, solventi organici e alcuni pesticidi organoclorurati (DDT) vengono secreti attraverso la ghiandola mammaria nel latte materno. Questo percorso può rappresentare un pericolo per i lattanti.

Capelli

L'analisi dei capelli può essere utilizzata come indicatore dell'omeostasi di alcune sostanze fisiologiche. Anche l'esposizione ad alcune sostanze tossiche, in particolare metalli pesanti, può essere valutata mediante questo tipo di saggio biologico.

L'eliminazione delle sostanze tossiche dal corpo può essere aumentata da:

  • traslocazione meccanica tramite lavanda gastrica, trasfusione di sangue o dialisi
  • creazione di condizioni fisiologiche che mobilitano sostanze tossiche con la dieta, cambiamento dell'equilibrio ormonale, miglioramento della funzione renale mediante l'applicazione di diuretici
  • somministrazione di agenti complessanti (citrati, ossalati, salicilati, fosfati) o agenti chelanti (Ca-EDTA, BAL, ATA, DMSA, penicillamina); questo metodo è indicato solo in soggetti sotto stretto controllo medico. L'applicazione di agenti chelanti è spesso utilizzata per l'eliminazione di metalli pesanti dal corpo dei lavoratori esposti nel corso del loro trattamento medico. Questo metodo è utilizzato anche per la valutazione del carico corporeo totale e del livello di esposizione passata.

 

Determinazioni dell'esposizione

La determinazione delle sostanze tossiche e dei metaboliti nel sangue, nell'aria espirata, nelle urine, nel sudore, nelle feci e nei capelli è sempre più utilizzata per la valutazione dell'esposizione umana (test di esposizione) e/o la valutazione del grado di intossicazione. Pertanto sono stati recentemente stabiliti i limiti di esposizione biologica (Biological MAC Values, Biological Exposure Indices—BEI). Questi biodosaggi mostrano "l'esposizione interna" dell'organismo, cioè l'esposizione totale del corpo sia negli ambienti di lavoro che in quelli di vita da tutte le porte di ingresso (vedi "Metodi di test tossicologici: biomarcatori").

Effetti combinati dovuti all'esposizione multipla

Le persone nell'ambiente di lavoro e/o di vita sono solitamente esposte contemporaneamente o consecutivamente a vari agenti fisici e chimici. Inoltre è necessario tenere in considerazione che alcune persone fanno uso di farmaci, fumano, consumano alcolici e cibi contenenti additivi e così via. Ciò significa che di solito si sta verificando un'esposizione multipla. Agenti fisici e chimici possono interagire in ogni fase dei processi tossicocinetici e/o tossicodinamici, producendo tre possibili effetti:

  1. Competenza. Ogni agente produce un effetto diverso a causa di un diverso meccanismo d'azione,
  2. Sinergico. L'effetto combinato è maggiore di quello di ogni singolo agente. Qui distinguiamo due tipi: (a) additivo, dove l'effetto combinato è uguale alla somma degli effetti prodotti da ciascun agente separatamente e (b) potenziante, dove l'effetto combinato è maggiore dell'additivo.
  3. Antagonista. L'effetto combinato è inferiore a quello additivo.

 

Tuttavia, gli studi sugli effetti combinati sono rari. Questo tipo di studio è molto complesso a causa della combinazione di vari fattori e agenti.

Possiamo concludere che quando l'organismo umano è esposto a due o più sostanze tossiche simultaneamente o consecutivamente, è necessario considerare la possibilità di alcuni effetti combinati, che possono aumentare o diminuire la velocità dei processi tossicocinetici.

 

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Lunedi, 20 dicembre 2010 19: 16

Definizioni e Concetti

Esposizione, dose e risposta

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Assorbimento e disposizione

Processi di trasporto

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

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

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

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

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

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

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

Assorbimento

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

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

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

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

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

Distribuzione

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

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

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

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

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

Eliminazione

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

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

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

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

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

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

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

Escrezione

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

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

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

Modelli tossicocinetici

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

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

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

biotrasformazione

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

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Martedì, Aprile 12 2011 09: 43

Introduzione

La tossicologia è lo studio dei veleni o, più in generale, l'identificazione e la quantificazione degli esiti avversi associati all'esposizione ad agenti fisici, sostanze chimiche e altre condizioni. In quanto tale, la tossicologia attinge alla maggior parte delle scienze biologiche di base, delle discipline mediche, dell'epidemiologia e di alcune aree della chimica e della fisica per informazioni, progetti di ricerca e metodi. La tossicologia spazia dalle indagini di ricerca di base sul meccanismo d'azione degli agenti tossici attraverso lo sviluppo e l'interpretazione di test standard che caratterizzano le proprietà tossiche degli agenti. La tossicologia fornisce informazioni importanti sia per la medicina che per l'epidemiologia nella comprensione dell'eziologia e nel fornire informazioni sulla plausibilità delle associazioni osservate tra le esposizioni, comprese le occupazioni, e la malattia. La tossicologia può essere suddivisa in discipline standard, come la tossicologia clinica, forense, investigativa e normativa; la tossicologia può essere considerata per sistema o processo dell'organo bersaglio, come l'immunotossicologia o la tossicologia genetica; la tossicologia può essere presentata in termini funzionali, come ricerca, sperimentazione e valutazione del rischio.

È una sfida proporre una presentazione completa della tossicologia in questo Enciclopedia. Questo capitolo non presenta un compendio di informazioni sulla tossicologia o sugli effetti avversi di agenti specifici. Quest'ultima informazione è meglio ricavata da banche dati in continuo aggiornamento, come descritto nell'ultima sezione di questo capitolo. Inoltre, il capitolo non tenta di collocare la tossicologia all'interno di specifiche sottodiscipline, come la tossicologia forense. È la premessa del capitolo che le informazioni fornite sono rilevanti per tutti i tipi di sforzi tossicologici e per l'uso della tossicologia in varie specialità e campi medici. In questo capitolo, gli argomenti si basano principalmente su un orientamento pratico e sull'integrazione con l'intento e lo scopo del Enciclopedia nel complesso. Gli argomenti sono selezionati anche per facilità di riferimento incrociato all'interno del Enciclopedia.

Nella società moderna, la tossicologia è diventata un elemento importante per la salute ambientale e occupazionale. Questo perché molte organizzazioni, governative e non governative, utilizzano le informazioni della tossicologia per valutare e regolamentare i pericoli sul posto di lavoro e nell'ambiente non professionale. Nell'ambito delle strategie di prevenzione, la tossicologia è preziosa, poiché è la fonte di informazioni sui potenziali pericoli in assenza di esposizioni umane diffuse. I metodi tossicologici sono anche ampiamente utilizzati dall'industria nello sviluppo del prodotto, per fornire informazioni utili nella progettazione di molecole specifiche o formulazioni del prodotto.

Il capitolo inizia con cinque articoli sui principi generali della tossicologia, che sono importanti per la considerazione della maggior parte degli argomenti nel campo. I primi principi generali riguardano la comprensione delle relazioni tra esposizione esterna e dose interna. Nella terminologia moderna, "esposizione" si riferisce alle concentrazioni o alla quantità di una sostanza presentata a individui o popolazioni, quantità che si trovano in volumi specifici di aria o acqua o in masse di suolo. "Dose" si riferisce alla concentrazione o alla quantità di una sostanza all'interno di una persona o organismo esposto. Nella salute sul lavoro, gli standard e le linee guida sono spesso fissati in termini di esposizione o limiti consentiti di concentrazioni in situazioni specifiche, come nell'aria sul posto di lavoro. Questi limiti di esposizione si basano su ipotesi o informazioni sulle relazioni tra esposizione e dose; tuttavia, spesso le informazioni sulla dose interna non sono disponibili. Pertanto, in molti studi sulla salute sul lavoro, le associazioni possono essere tracciate solo tra l'esposizione e la risposta o l'effetto. In alcuni casi, gli standard sono stati fissati in base alla dose (ad esempio, livelli consentiti di piombo nel sangue o mercurio nelle urine). Mentre queste misure sono più direttamente correlate alla tossicità, è ancora necessario calcolare a ritroso i livelli di esposizione associati a questi livelli ai fini del controllo dei rischi.

Il prossimo articolo riguarda i fattori e gli eventi che determinano le relazioni tra esposizione, dose e risposta. I primi fattori riguardano l'assorbimento, l'assorbimento e la distribuzione, i processi che determinano l'effettivo trasporto di sostanze nel corpo dall'ambiente esterno attraverso le porte di ingresso come la pelle, i polmoni e l'intestino. Questi processi sono all'interfaccia tra gli esseri umani e il loro ambiente. I secondi fattori, del metabolismo, riguardano la comprensione di come il corpo gestisce le sostanze assorbite. Alcune sostanze vengono trasformate dai processi cellulari del metabolismo, che possono aumentare o diminuire la loro attività biologica.

I concetti di organo bersaglio ed effetto critico sono stati sviluppati per facilitare l'interpretazione dei dati tossicologici. A seconda della dose, della durata e della via di esposizione, nonché di fattori dell'ospite come l'età, molti agenti tossici possono indurre una serie di effetti all'interno di organi e organismi. Un ruolo importante della tossicologia è identificare l'effetto o le serie di effetti importanti al fine di prevenire malattie irreversibili o debilitanti. Una parte importante di questo compito è l'identificazione dell'organo colpito per primo o maggiormente da un agente tossico; tale organo è definito “organo bersaglio”. All'interno dell'organo bersaglio, è importante identificare l'evento o gli eventi importanti che segnalano intossicazione o danno, al fine di accertare che l'organo sia stato colpito oltre il range di variazione normale. Questo è noto come "effetto critico"; può rappresentare il primo evento in una progressione di stadi fisiopatologici (come l'escrezione di proteine ​​a piccolo peso molecolare come effetto critico nella nefrotossicità), oppure può rappresentare il primo e potenzialmente irreversibile effetto in un processo patologico (come la formazione di un addotto del DNA nella carcinogenesi). Questi concetti sono importanti nella salute sul lavoro perché definiscono i tipi di tossicità e malattia clinica associati a esposizioni specifiche e nella maggior parte dei casi la riduzione dell'esposizione ha come obiettivo la prevenzione degli effetti critici negli organi bersaglio, piuttosto che ogni effetto in ogni o in qualsiasi organo.

I prossimi due articoli riguardano importanti fattori dell'ospite che influenzano molti tipi di risposte a molti tipi di agenti tossici. Questi sono: determinanti genetici o fattori ereditari di suscettibilità/resistenza; e l'età, il sesso e altri fattori come la dieta o la coesistenza di malattie infettive. Questi fattori possono anche influenzare l'esposizione e la dose, modificando l'assorbimento, l'assorbimento, la distribuzione e il metabolismo. Poiché le popolazioni lavoratrici in tutto il mondo variano rispetto a molti di questi fattori, è fondamentale per gli specialisti della salute sul lavoro e i responsabili politici comprendere il modo in cui questi fattori possono contribuire alle variabilità di risposta tra le popolazioni e gli individui all'interno delle popolazioni. Nelle società con popolazioni eterogenee, queste considerazioni sono particolarmente importanti. La variabilità delle popolazioni umane deve essere considerata nella valutazione dei rischi di esposizioni professionali e nel raggiungere conclusioni razionali dallo studio di organismi non umani nella ricerca o nei test tossicologici.

La sezione fornisce quindi due panoramiche generali sulla tossicologia a livello meccanicistico. Meccanicisticamente, i tossicologi moderni ritengono che tutti gli effetti tossici manifestino le loro prime azioni a livello cellulare; quindi, le risposte cellulari rappresentano le prime indicazioni degli incontri del corpo con un agente tossico. Si presume inoltre che queste risposte rappresentino uno spettro di eventi, dalla lesione alla morte. Il danno cellulare si riferisce a processi specifici utilizzati dalle cellule, la più piccola unità di organizzazione biologica all'interno degli organi, per rispondere alla sfida. Queste risposte comportano cambiamenti nella funzione dei processi all'interno della cellula, inclusa la membrana e la sua capacità di assorbire, rilasciare o escludere sostanze; la sintesi diretta di proteine ​​da amminoacidi; e il turnover dei componenti cellulari. Queste risposte possono essere comuni a tutte le cellule danneggiate o possono essere specifiche per determinati tipi di cellule all'interno di determinati sistemi di organi. La morte cellulare è la distruzione delle cellule all'interno di un sistema di organi, come conseguenza di un danno cellulare irreversibile o non compensato. Gli agenti tossici possono causare la morte cellulare in modo acuto a causa di determinate azioni come l'avvelenamento del trasferimento di ossigeno, oppure la morte cellulare può essere la conseguenza dell'intossicazione cronica. La morte cellulare può essere seguita dalla sostituzione in alcuni ma non in tutti i sistemi di organi, ma in alcune condizioni la proliferazione cellulare indotta dalla morte cellulare può essere considerata una risposta tossica. Anche in assenza di morte cellulare, ripetute lesioni cellulari possono indurre stress all'interno degli organi che ne compromette la funzione e colpisce la loro progenie.

Il capitolo è poi suddiviso in argomenti più specifici, raggruppati nelle seguenti categorie: meccanismo, metodi di prova, regolamentazione e valutazione del rischio. Gli articoli sui meccanismi si concentrano principalmente sui sistemi bersaglio piuttosto che sugli organi. Ciò riflette la pratica della moderna tossicologia e medicina, che studia i sistemi di organi piuttosto che gli organi isolati. Così, ad esempio, la discussione sulla tossicologia genetica non è incentrata sugli effetti tossici di agenti all'interno di un organo specifico, ma piuttosto sul materiale genetico come bersaglio dell'azione tossica. Allo stesso modo, l'articolo sull'immunotossicologia discute i vari organi e cellule del sistema immunitario come bersagli per agenti tossici. Gli articoli sui metodi sono progettati per essere altamente operativi; descrivono i metodi attualmente in uso in molti paesi per l'identificazione dei pericoli, ovvero lo sviluppo di informazioni relative alle proprietà biologiche degli agenti.

Il capitolo prosegue con cinque articoli sull'applicazione della tossicologia nella regolamentazione e nella definizione delle politiche, dall'identificazione dei pericoli alla valutazione del rischio. Viene presentata la pratica corrente in diversi paesi, così come la IARC. Questi articoli dovrebbero consentire al lettore di comprendere come le informazioni derivate dai test tossicologici siano integrate con inferenze di base e meccanicistiche per ricavare informazioni quantitative utilizzate nella definizione dei livelli di esposizione e altri approcci al controllo dei pericoli sul posto di lavoro e nell'ambiente generale.

Una sintesi delle banche dati tossicologiche disponibili, a cui i lettori di questa enciclopedia possono fare riferimento per informazioni dettagliate su specifici agenti tossici ed esposizioni, si trova nel Volume III (vedi “Banche dati tossicologiche” nel capitolo Manipolazione sicura dei prodotti chimici, che fornisce informazioni su molte di queste banche dati, le loro fonti informative, i metodi di valutazione e interpretazione e le modalità di accesso). Questi database, insieme al file Enciclopedia, fornire allo specialista di medicina del lavoro, al lavoratore e al datore di lavoro la possibilità di ottenere e utilizzare informazioni aggiornate sulla tossicologia e sulla valutazione degli agenti tossici da parte di organismi nazionali e internazionali.

Questo capitolo si concentra su quegli aspetti della tossicologia rilevanti per la sicurezza e la salute sul lavoro. Per questo motivo, la tossicologia clinica e la tossicologia forense non sono specificamente affrontate come sottodiscipline del campo. Molti degli stessi principi e approcci qui descritti sono utilizzati in queste sottodiscipline così come nella salute ambientale. Sono anche applicabili alla valutazione degli impatti degli agenti tossici sulle popolazioni non umane, una delle principali preoccupazioni delle politiche ambientali in molti paesi. È stato fatto un tentativo convinto di raccogliere le prospettive e le esperienze di esperti e professionisti di tutti i settori e di molti paesi; tuttavia, il lettore potrebbe notare un certo pregiudizio nei confronti degli scienziati accademici nel mondo sviluppato. Sebbene l'editore ei collaboratori credano che i principi e la pratica della tossicologia siano internazionali, i problemi di pregiudizio culturale e ristrettezza dell'esperienza possono essere ben evidenti in questo capitolo. L'editore del capitolo spera che i lettori di questo Enciclopedia contribuirà a garantire la più ampia prospettiva possibile mentre questo importante riferimento continua ad essere aggiornato e ampliato.

 

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Contenuti

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