A toxicologia mecanicista é o estudo de como agentes químicos ou físicos interagem com organismos vivos para causar toxicidade. O conhecimento do mecanismo de toxicidade de uma substância aumenta a capacidade de prevenir a toxicidade e projetar produtos químicos mais desejáveis; constitui a base para a terapia de superexposição e freqüentemente permite uma maior compreensão dos processos biológicos fundamentais. Para fins deste enciclopédia a ênfase será colocada em animais para prever a toxicidade humana. Diferentes áreas da toxicologia incluem toxicologia mecanicista, descritiva, regulatória, forense e ambiental (Klaassen, Amdur e Doull 1991). Todos eles se beneficiam da compreensão dos mecanismos fundamentais da toxicidade.
Por que entender os mecanismos de toxicidade?
Compreender o mecanismo pelo qual uma substância causa toxicidade aprimora diferentes áreas da toxicologia de maneiras diferentes. A compreensão mecanicista ajuda o regulador governamental a estabelecer limites seguros legalmente obrigatórios para a exposição humana. Ele ajuda os toxicologistas a recomendar cursos de ação em relação à limpeza ou remediação de locais contaminados e, juntamente com as propriedades físicas e químicas da substância ou mistura, pode ser usado para selecionar o grau de equipamento de proteção necessário. O conhecimento mecanicista também é útil para formar a base da terapia e o projeto de novos medicamentos para o tratamento de doenças humanas. Para o toxicologista forense, o mecanismo de toxicidade geralmente fornece informações sobre como um agente químico ou físico pode causar morte ou incapacitação.
Se o mecanismo de toxicidade for compreendido, a toxicologia descritiva torna-se útil para prever os efeitos tóxicos de produtos químicos relacionados. É importante entender, no entanto, que a falta de informações mecanísticas não impede os profissionais de saúde de proteger a saúde humana. Decisões prudentes baseadas em estudos com animais e na experiência humana são usadas para estabelecer níveis seguros de exposição. Tradicionalmente, uma margem de segurança foi estabelecida usando o “nível de nenhum efeito adverso” ou um “nível de efeito adverso mais baixo” de estudos em animais (usando projetos de exposição repetida) e dividindo esse nível por um fator de 100 para exposição ocupacional ou 1,000 para exposição ocupacional. outra exposição ambiental humana. O sucesso desse processo é evidente a partir dos poucos incidentes de efeitos adversos à saúde atribuídos à exposição a produtos químicos em trabalhadores onde os limites de exposição apropriados foram estabelecidos e respeitados no passado. Além disso, o tempo de vida humano continua a aumentar, assim como a qualidade de vida. Em geral, o uso de dados de toxicidade levou a um controle regulamentar e voluntário eficaz. O conhecimento detalhado dos mecanismos tóxicos aumentará a previsibilidade dos novos modelos de risco atualmente em desenvolvimento e resultará em melhoria contínua.
A compreensão dos mecanismos ambientais é complexa e pressupõe o conhecimento da perturbação e homeostase (equilíbrio) do ecossistema. Embora não discutido neste artigo, uma compreensão aprimorada dos mecanismos tóxicos e suas consequências finais em um ecossistema ajudaria os cientistas a tomar decisões prudentes sobre o manuseio de resíduos municipais e industriais. A gestão de resíduos é uma área de pesquisa em crescimento e continuará a ser muito importante no futuro.
Técnicas para estudar mecanismos de toxicidade
A maioria dos estudos mecanísticos começa com um estudo toxicológico descritivo em animais ou observações clínicas em humanos. Idealmente, os estudos em animais incluem observações comportamentais e clínicas cuidadosas, exame bioquímico cuidadoso de elementos do sangue e da urina para sinais de função adversa dos principais sistemas biológicos do corpo e uma avaliação post-mortem de todos os sistemas de órgãos por exame microscópico para verificar se há lesões (consulte as diretrizes de teste da OCDE; diretivas da CE sobre avaliação química; regras de teste da EPA dos EUA; regulamentos de produtos químicos do Japão). Isso é análogo a um exame físico humano completo que ocorreria em um hospital durante um período de dois a três dias, exceto para o exame post-mortem.
Compreender os mecanismos de toxicidade é a arte e a ciência da observação, criatividade na seleção de técnicas para testar várias hipóteses e integração inovadora de sinais e sintomas em uma relação causal. Os estudos mecanísticos começam com a exposição, seguem a distribuição relacionada ao tempo e o destino no corpo (farmacocinética) e medem o efeito tóxico resultante em algum nível do sistema e em algum nível de dose. Diferentes substâncias podem atuar em diferentes níveis do sistema biológico causando toxicidade.
Exposição
A rota de exposição em estudos mecanísticos é geralmente a mesma da exposição humana. A rota é importante porque pode haver efeitos que ocorrem localmente no local da exposição, além de efeitos sistêmicos após a substância química ter sido absorvida pelo sangue e distribuída por todo o corpo. Um exemplo simples, mas convincente, de um efeito local seria a irritação e eventual corrosão da pele após a aplicação de soluções ácidas ou alcalinas fortes projetadas para limpar superfícies duras. Da mesma forma, irritação e morte celular podem ocorrer nas células que revestem o nariz e/ou os pulmões após a exposição a vapores ou gases irritantes, como óxidos de nitrogênio ou ozônio. (Ambos são constituintes da poluição do ar, ou smog). Após a absorção de um produto químico no sangue através da pele, pulmões ou trato gastrointestinal, a concentração em qualquer órgão ou tecido é controlada por muitos fatores que determinam a farmacocinética do produto químico no corpo. O corpo tem a capacidade de ativar e desintoxicar vários produtos químicos, conforme observado abaixo.
Papel da Farmacocinética na Toxicidade
A farmacocinética descreve as relações de tempo para absorção química, distribuição, metabolismo (alterações bioquímicas no corpo) e eliminação ou excreção do corpo. Em relação aos mecanismos de toxicidade, essas variáveis farmacocinéticas podem ser muito importantes e, em alguns casos, determinar se a toxicidade ocorrerá ou não. Por exemplo, se um material não for absorvido em quantidade suficiente, não ocorrerá toxicidade sistêmica (dentro do corpo). Por outro lado, um produto químico altamente reativo que é desintoxicado rapidamente (segundos ou minutos) por enzimas digestivas ou hepáticas pode não ter tempo para causar toxicidade. Algumas substâncias e misturas halogenadas policíclicas, bem como certos metais como o chumbo, não causariam toxicidade significativa se a excreção fosse rápida; mas o acúmulo em níveis suficientemente altos determina sua toxicidade, uma vez que a excreção não é rápida (às vezes medida em anos). Felizmente, a maioria dos produtos químicos não tem uma retenção tão longa no corpo. A acumulação de um material inócuo ainda não induziria toxicidade. A taxa de eliminação do corpo e desintoxicação é frequentemente referida como a meia-vida do produto químico, que é o tempo para 50% do produto químico ser excretado ou alterado para uma forma não tóxica.
No entanto, se um produto químico se acumula em uma determinada célula ou órgão, isso pode sinalizar um motivo para examinar mais detalhadamente sua potencial toxicidade nesse órgão. Mais recentemente, modelos matemáticos foram desenvolvidos para extrapolar variáveis farmacocinéticas de animais para humanos. Esses modelos farmacocinéticos são extremamente úteis para gerar hipóteses e testar se o animal experimental pode ser uma boa representação para humanos. Numerosos capítulos e textos foram escritos sobre este assunto (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). Um exemplo simplificado de um modelo fisiológico é representado na figura 1.
Figura 1. Um modelo farmacocinético simplificado
Diferentes níveis e sistemas podem ser afetados adversamente
A toxicidade pode ser descrita em diferentes níveis biológicos. A lesão pode ser avaliada na pessoa como um todo (ou animal), no sistema orgânico, na célula ou na molécula. Os sistemas de órgãos incluem os sistemas imunológico, respiratório, cardiovascular, renal, endócrino, digestivo, musculoesquelético, sanguíneo, reprodutivo e nervoso central. Alguns órgãos-chave incluem o fígado, rim, pulmão, cérebro, pele, olhos, coração, testículos ou ovários e outros órgãos importantes. No nível celular/bioquímico, os efeitos adversos incluem interferência com a função normal da proteína, função do receptor endócrino, inibição da energia metabólica ou inibição ou indução de enzimas xenobióticas (substâncias estranhas). Os efeitos adversos no nível molecular incluem alteração da função normal da transcrição do DNA-RNA, da ligação específica do receptor citoplasmático e nuclear e dos genes ou produtos gênicos. Em última análise, a disfunção em um sistema de órgão principal é provavelmente causada por uma alteração molecular em uma célula-alvo específica dentro desse órgão. No entanto, nem sempre é possível rastrear um mecanismo de volta a uma origem molecular de causalidade, nem é necessário. A intervenção e a terapia podem ser planejadas sem uma compreensão completa do alvo molecular. No entanto, o conhecimento sobre o mecanismo específico de toxicidade aumenta o valor preditivo e a precisão da extrapolação para outros produtos químicos. A Figura 2 é uma representação esquemática dos vários níveis onde a interferência de processos fisiológicos normais pode ser detectada. As setas indicam que as consequências para um indivíduo podem ser determinadas de cima para baixo (exposição, farmacocinética à toxicidade do sistema/órgão) ou de baixo para cima (alteração molecular, efeito celular/bioquímico para toxicidade do sistema/órgão).
Figura 2. Representação dos mecanismos de toxicidade
Exemplos de Mecanismos de Toxicidade
Os mecanismos de toxicidade podem ser diretos ou muito complexos. Freqüentemente, há uma diferença entre o tipo de toxicidade, o mecanismo de toxicidade e o nível do efeito, relacionado a se os efeitos adversos são devidos a uma única dose aguda alta (como um envenenamento acidental) ou a uma dose mais baixa exposição repetida (de exposição ocupacional ou ambiental). Classicamente, para fins de teste, uma dose única alta aguda é administrada por intubação direta no estômago de um roedor ou exposição a uma atmosfera de gás ou vapor por duas a quatro horas, o que melhor se assemelhar à exposição humana. Os animais são observados durante um período de duas semanas após a exposição e, em seguida, os principais órgãos externos e internos são examinados quanto a lesões. O teste de dose repetida varia de meses a anos. Para espécies de roedores, dois anos é considerado um estudo crônico (durante toda a vida) suficiente para avaliar toxicidade e carcinogenicidade, enquanto para primatas não humanos, dois anos seriam considerados um estudo subcrônico (menos que uma vida inteira) para avaliar toxicidade de dose repetida. Após a exposição, é realizado um exame completo de todos os tecidos, órgãos e fluidos para determinar quaisquer efeitos adversos.
Mecanismos de Toxicidade Aguda
Os exemplos a seguir são específicos para efeitos agudos de altas doses que podem levar à morte ou incapacitação grave. No entanto, em alguns casos, a intervenção resultará em efeitos transitórios e totalmente reversíveis. A dose ou gravidade da exposição determinará o resultado.
Asfixiantes simples. O mecanismo de toxicidade para gases inertes e algumas outras substâncias não reativas é a falta de oxigênio (anoxia). Esses produtos químicos, que causam privação de oxigênio no sistema nervoso central (SNC), são denominados asfixiantes simples. Se uma pessoa entra em um espaço fechado que contém nitrogênio sem oxigênio suficiente, ocorre uma depleção imediata de oxigênio no cérebro e leva à inconsciência e eventual morte se a pessoa não for removida rapidamente. Em casos extremos (próximo de oxigênio zero), a inconsciência pode ocorrer em poucos segundos. O resgate depende da rápida remoção para um ambiente oxigenado. A sobrevida com dano cerebral irreversível pode ocorrer a partir do resgate tardio, devido à morte de neurônios, que não conseguem se regenerar.
Asfixiantes químicos. O monóxido de carbono (CO) compete com o oxigênio pela ligação à hemoglobina (nos glóbulos vermelhos) e, portanto, priva os tecidos de oxigênio para o metabolismo energético; morte celular pode resultar. A intervenção inclui a remoção da fonte de CO e o tratamento com oxigênio. O uso direto do oxigênio é baseado na ação tóxica do CO. Outro potente asfixiante químico é o cianeto. O íon cianeto interfere no metabolismo celular e na utilização de oxigênio para energia. O tratamento com nitrito de sódio provoca uma alteração da hemoglobina nos glóbulos vermelhos para metahemoglobina. A metahemoglobina tem maior afinidade de ligação com o íon cianeto do que o alvo celular do cianeto. Consequentemente, a metahemoglobina se liga ao cianeto e mantém o cianeto longe das células-alvo. Isso forma a base para a terapia antídoto.
Depressores do sistema nervoso central (SNC). A toxicidade aguda é caracterizada por sedação ou inconsciência para uma série de materiais como solventes que não são reativos ou que são transformados em intermediários reativos. Supõe-se que a sedação/anestesia se deva a uma interação do solvente com as membranas das células do SNC, o que prejudica sua capacidade de transmitir sinais elétricos e químicos. Embora a sedação possa parecer uma forma leve de toxicidade e tenha sido a base para o desenvolvimento dos primeiros anestésicos, “a dose ainda faz o veneno”. Se uma dose suficiente for administrada por ingestão ou inalação, o animal pode morrer devido a parada respiratória. Se a morte anestésica não ocorrer, esse tipo de toxicidade geralmente é prontamente reversível quando o indivíduo é removido do ambiente ou o produto químico é redistribuído ou eliminado do corpo.
Efeitos de pele. Os efeitos adversos na pele podem variar de irritação a corrosão, dependendo da substância encontrada. Ácidos fortes e soluções alcalinas são incompatíveis com tecidos vivos e são corrosivos, causando queimaduras químicas e possíveis cicatrizes. A cicatrização ocorre devido à morte das células dérmicas profundas da pele, responsáveis pela regeneração. Concentrações mais baixas podem apenas causar irritação da primeira camada da pele.
Outro mecanismo tóxico específico da pele é o da sensibilização química. Por exemplo, a sensibilização ocorre quando o 2,4-dinitroclorobenzeno se liga a proteínas naturais da pele e o sistema imunológico reconhece o complexo ligado à proteína alterado como um material estranho. Ao responder a esse material estranho, o sistema imunológico ativa células especiais para eliminar a substância estranha por meio da liberação de mediadores (citocinas) que causam erupção cutânea ou dermatite (consulte “Imunotoxicologia”). Esta é a mesma reação do sistema imunológico quando ocorre a exposição à hera venenosa. A sensibilização imune é muito específica para o produto químico em particular e leva pelo menos duas exposições antes que uma resposta seja eliciada. A primeira exposição sensibiliza (configura as células para reconhecer o produto químico) e as exposições subsequentes desencadeiam a resposta do sistema imunológico. A remoção do contato e a terapia sintomática com cremes anti-inflamatórios contendo esteróides geralmente são eficazes no tratamento de indivíduos sensibilizados. Em casos graves ou refratários, um imunossupressor de ação sistêmica, como a prednisona, é usado em conjunto com o tratamento tópico.
Sensibilização pulmonar. Uma resposta de sensibilização imune é provocada por diisocianato de tolueno (TDI), mas o local-alvo são os pulmões. A superexposição ao TDI em indivíduos suscetíveis causa edema pulmonar (acúmulo de líquido), constrição brônquica e respiração prejudicada. Esta é uma condição séria e requer a remoção do indivíduo de possíveis exposições subsequentes. O tratamento é principalmente sintomático. A sensibilização da pele e dos pulmões segue uma resposta à dose. Exceder o nível estabelecido para exposição ocupacional pode causar efeitos adversos.
Efeitos oculares. As lesões oculares variam desde o avermelhamento da camada externa (vermelhidão da piscina) até a formação de catarata da córnea e danos à íris (parte colorida do olho). Os testes de irritação ocular são realizados quando se acredita que não ocorrerão ferimentos graves. Muitos dos mecanismos que causam a corrosão da pele também podem causar lesões nos olhos. Materiais corrosivos à pele, como ácidos fortes (pH menor que 2) e álcalis (pH maior que 11.5), não são testados nos olhos de animais porque a maioria causará corrosão e cegueira devido a um mecanismo semelhante ao que causa a corrosão da pele . Além disso, agentes ativos de superfície, como detergentes e surfactantes, podem causar lesões oculares, desde irritação até corrosão. Um grupo de materiais que requer cautela são os surfactantes carregados positivamente (catiônicos), que podem causar queimaduras, opacidade permanente da córnea e vascularização (formação de vasos sanguíneos). Outra substância química, o dinitrofenol, tem um efeito específico na formação de catarata. Isso parece estar relacionado à concentração dessa substância química no olho, que é um exemplo de especificidade de distribuição farmacocinética.
Embora a lista acima esteja longe de ser exaustiva, ela é projetada para dar ao leitor uma apreciação de vários mecanismos de toxicidade aguda.
Mecanismos de Toxicidade Subcrônica e Crônica
Quando administrados em dose alta única, alguns produtos químicos não apresentam o mesmo mecanismo de toxicidade de quando administrados repetidamente em doses menores, mas ainda tóxicas. Quando uma única dose alta é administrada, há sempre a possibilidade de exceder a capacidade da pessoa de desintoxicar ou excretar o produto químico, e isso pode levar a uma resposta tóxica diferente do que quando doses repetidas mais baixas são administradas. O álcool é um bom exemplo. Altas doses de álcool levam a efeitos primários no sistema nervoso central, enquanto baixas doses repetitivas resultam em lesão hepática.
Inibição da anticolinesterase. A maioria dos pesticidas organofosforados, por exemplo, tem pouca toxicidade para mamíferos até que sejam metabolicamente ativados, principalmente no fígado. O principal mecanismo de ação dos organofosforados é a inibição da acetilcolinesterase (AChE) no cérebro e no sistema nervoso periférico. AChE é a enzima normal que termina a estimulação do neurotransmissor acetilcolina. A leve inibição da AChE por um período prolongado não foi associada a efeitos adversos. Em altos níveis de exposição, a incapacidade de terminar esta estimulação neuronal resulta em superestimulação do sistema nervoso colinérgico. A superestimulação colinérgica acaba resultando em uma série de sintomas, incluindo parada respiratória, seguida de morte se não for tratada. O tratamento primário é a administração de atropina, que bloqueia os efeitos da acetilcolina, e a administração de cloreto de pralidoxima, que reativa a AChE inibida. Portanto, tanto a causa quanto o tratamento da toxicidade do organofosforado são abordados pela compreensão da base bioquímica da toxicidade.
ativação metabólica. Muitos produtos químicos, incluindo tetracloreto de carbono, clorofórmio, acetilaminofluoreno, nitrosaminas e paraquat são metabolicamente ativados em radicais livres ou outros intermediários reativos que inibem e interferem na função celular normal. Em altos níveis de exposição, isso resulta em morte celular (consulte “Lesão celular e morte celular”). Embora as interações específicas e os alvos celulares permaneçam desconhecidos, os sistemas de órgãos que têm a capacidade de ativar essas substâncias químicas, como fígado, rim e pulmão, são todos alvos potenciais para lesões. Especificamente, determinadas células dentro de um órgão têm uma capacidade maior ou menor de ativar ou desintoxicar esses intermediários, e essa capacidade determina a suscetibilidade intracelular dentro de um órgão. O metabolismo é uma das razões pelas quais a compreensão da farmacocinética, que descreve esses tipos de transformações e a distribuição e eliminação desses intermediários, é importante para reconhecer o mecanismo de ação desses produtos químicos.
Mecanismos do câncer. O câncer é uma multiplicidade de doenças e, embora a compreensão de certos tipos de câncer esteja aumentando rapidamente devido às muitas técnicas de biologia molecular desenvolvidas desde 1980, ainda há muito a aprender. No entanto, está claro que o desenvolvimento do câncer é um processo de vários estágios, e genes críticos são a chave para diferentes tipos de câncer. Alterações no DNA (mutações somáticas) em vários desses genes críticos podem causar aumento da suscetibilidade ou lesões cancerígenas (consulte “Toxicologia genética”). A exposição a produtos químicos naturais (em alimentos cozidos como carne e peixe) ou produtos químicos sintéticos (como benzidina, usada como corante) ou agentes físicos (luz ultravioleta do sol, radônio do solo, radiação gama de procedimentos médicos ou atividades industriais) são todos contribuintes para mutações genéticas somáticas. No entanto, existem substâncias naturais e sintéticas (como antioxidantes) e processos de reparo do DNA que são protetores e mantêm a homeostase. É claro que a genética é um fator importante no câncer, uma vez que síndromes de doenças genéticas como xeroderma pigmentoso, onde há uma falta de reparo normal do DNA, aumentam dramaticamente a suscetibilidade ao câncer de pele devido à exposição à luz ultravioleta do sol.
Mecanismos reprodutivos. Semelhante ao câncer, muitos mecanismos de toxicidade reprodutiva e/ou de desenvolvimento são conhecidos, mas há muito a ser aprendido. Sabe-se que certos vírus (como a rubéola), infecções bacterianas e medicamentos (como a talidomida e a vitamina A) afetarão adversamente o desenvolvimento. Recentemente, o trabalho de Khera (1991), revisado por Carney (1994), mostra boas evidências de que os efeitos anormais no desenvolvimento em testes com animais com etileno glicol são atribuíveis a metabólitos ácidos metabólicos maternos. Isso ocorre quando o etileno glicol é metabolizado em metabólitos ácidos, incluindo ácido glicólico e oxálico. Os efeitos subsequentes na placenta e no feto parecem ser devidos a este processo de intoxicação metabólica.
Conclusão
A intenção deste artigo é dar uma perspectiva sobre vários mecanismos conhecidos de toxicidade e a necessidade de estudos futuros. É importante entender que o conhecimento mecanicista não é absolutamente necessário para proteger a saúde humana ou ambiental. Esse conhecimento aumentará a capacidade do profissional de prever e gerenciar melhor a toxicidade. As técnicas reais usadas na elucidação de qualquer mecanismo particular dependem do conhecimento coletivo dos cientistas e do pensamento daqueles que tomam decisões sobre a saúde humana.