Appunti di Tossicologia

Tossicologia

Valutazione degli aspetti tossicologici degli xenobiotici

Valutazione degli aspetti tossicologici degli xenobiotici, sostanze estranee al nostro corpo introdotte sottoforma di farmaci. Tutti i farmaci hanno dei benefici e degli effetti tossici dipendenti dalla dose, quindi fondamentalmente è importante la relazione dose/risposta (la dose differenzia un rimedio da un veleno).

Principi generali

• Xenobiotici, agenti tossici e tossine, effetto tossico/tossicità, dose, esposizione.
• Caratteristiche dell'esposizione agli agenti tossici.

Tipologie di effetti tossici

• Effetti tossici locali e sistemici, reversibili e irreversibili, immediati e ritardati.
• Reazioni allergiche e di idiosincrasia.
• Effetti mutageni e cancerogeni, le fasi del processo di cancerogenesi chimica.
• Cancerogeni ad azione diretta e indiretta.
• Effetti su sviluppo e riproduzione.
• Fattori che modificano gli effetti tossici e interazione tra sostanze chimiche.
• Tossicità selettiva.

Meccanismi di tossicità

Processi che possono modificare la concentrazione della specie tossica terminale al bersaglio, meccanismi e conseguenze del danno cellulare. Le risposte adattive e la tossicità conseguente ad alterazioni tessuto-specifiche della crescita e differenziamento cellulare.

La relazione dose-risposta in tossicologia

• Relazioni dose-risposta quantali e graduali.
• Curve dose-risposta per nutrienti essenziali e ormesi.
• Parametri ricavabili dalle curve e risposte prive di soglia.

Tossico-cinetica e tossico-genetica

• Assorbimento, distribuzione, eliminazione e biotrasformazione degli xenobiotici.
• Individualità genetica e reazioni tossiche, farmacogenetica e reazioni avverse ai farmaci e altri xenobiotici.

La tossicologia nello sviluppo dei farmaci

Gli studi di tossicologia pre clinica e l'armonizzazione internazionale. Studi di tossicità acuta, sub-acuta, sub-cronica e cronica, di genotossicità e tossicologia riproduttiva e dello sviluppo. Le nuove tecnologie nella tossicologia pre clinica. La tossicologia nelle fasi cliniche.

La valutazione del rischio

• Pericolo e rischio.
• Identificazione del rischio: relazione struttura-attività, test in vitro a breve medio e lungo termine su animale, dati epidemiologici e sul meccanismo d'azione.
• Valutazione della relazione dose-risposta. Effetti tossici con e senza valori di soglia.
• Percezione, caratterizzazione, gestione e comunicazione del rischio.

Tossicità d'organo

Caratteristiche, meccanismi patogenetici, tipologie di effetti tossici e principali agenti tossici per sistema nervoso, fegato, rene cuore e vasi, sistema respiratorio, sistema endocrino, sistema immunitario e cute.

Tossicità in gravidanza e durante lo sviluppo post-natale

• Principi fondamentali della teratogenesi indotta da farmaci e altri agenti chimici.
• Relazione con la dose e il periodo di esposizione.
• Meccanismi di teratogenicità.
• Metodi per determinare la sicurezza dei farmaci in gravidanza.
• Principi generali di farmacoterapia in gravidanza e allattamento.

Agenti tossici

Principi generali e interazioni: classificazione delle reazioni avverse dei farmaci, le interazioni farmacologiche nelle reazioni avverse dei farmaci. Problematiche correlate all'uso dei farmaci, inefficacia terapeutica, dipendenza e abuso, overdose e avvelenamento.

Farmacovigilanza e fitovigilanza

Il sistema di monitoraggio dei farmaci e la legislazione sulla farmacovigilanza e fitovigilanza.

Sostanze di abuso

Neurobiologia delle dipendenze.

Tossicologia clinica

Intossicazione acuta, decontaminazione, terapia sintomatica, manifestazione tardiva e antidoti.

Tossicologia ambientale e occupazionale

Relativa ai pesticidi.

Tossico-cinetica

Principi di farmacocinetica.

Percezione vs realtà

1. Percezione: l'inquinamento fornisce un contributo significativo all'insorgenza del cancro e la tendenza generale è che l'incidenza di tumori sia notevolmente aumentata. Realtà: l'aspettativa di vita è notevolmente aumentata nei paesi industrializzati. L'insorgenza di tumori, non legati al fumo, è stazionaria e diminuisce lentamente.
2. Percezione: l'esposizione dell'uomo ad agenti cancerogeni e altre tossine è quasi completamente dovuta ad esposizione ad agenti di sintesi. Realtà: la quantità di residui di pesticidi negli alimenti è insignificante rispetto alla quantità di pesticidi naturali prodotti dalle piante. I pesticidi naturali assunti giornalmente sono 5.000-10.000, circa 1500 mg al giorno.
3. Percezione: gli agenti chimici di sintesi determinano un pericolo cancerogeno maggiore rispetto a quelli di origine naturale. Realtà: la proporzione delle sostanze naturali che risultano cancerogene in test su animali è la stessa delle sostanze di sintesi. Tutte le sostanze ad una certa dose sono tossiche. Il 99,9% delle sostanze ingerite sono naturali.

Sostanze tossiche presenti nel caffè

Sostanze presenti in minima quantità ma che possono creare un principio di tossicità, da non attribuire alla caffeina:

• Acetaldeide
• Benzaldeide
• Benzene
• Benzofurano
• Benzo-a-pirene
• Acido caffeico
• Catecolo
• Etanolo
• Etilbenzene
• Formaldeide
• Furano
• Idrochinone
• Stirene
• Toluene
• Xylene

Effetti tossici derivanti dall'assunzione cronica di basse quantità di contaminanti

• Additivi involontari a contaminanti alimentari: residui di sostanze contaminanti derivati da processi di coltivazione, lavorazione e concentrazione nella catena alimentare.
• Additivi volontari: molecole che vengono intenzionalmente aggiunte agli alimenti.

Oltre al cancro, possiamo avere tutta una serie di effetti collaterali a livello dell'organismo per l'assunzione di diverse sostanze, come alterazione dei sistemi endocrini, effetti sub-clinici, effetti sullo sviluppo, popolazioni sensibili, esposizioni multiple ed effetti sconosciuti. La fertilità nella donna e nell'uomo è diminuita drasticamente negli ultimi anni per l'esposizione a interferenti endocrini che possono creare questo genere di problema. Le problematiche sub cliniche sono dovute all'esposizione a sostanze di cui non conosciamo gli effetti o le conseguenze (sviluppo di un tumore che si manifesterà tra 20 anni). Ci sono persone che possono essere più sensibili ad una determinata sostanza, come nel caso dei bambini o degli anziani.

La tossicologia e il tossicologo

La tossicologia come scienza aiuta a capire e definire quali sono gli effetti avversi delle sostanze chimiche e fisiche e le considerazioni sull'argomento per giungere alle soluzioni.

• Xenobiotico: qualsiasi agente chimico estraneo o non sintetizzato dall'organismo di origine naturale o di sintesi.
• Agenti fisici: radiazioni, calore, rumore, aspetti industriali.

Il tossicologo esamina la natura degli effetti degli xenobiotici, dal punto di vista qualitativo e quantitativo, ponendo in relazione tossicità (intrinseca, data dalla SAR di una molecola e la sua capacità di legarsi a determinati bersagli e instaurare diverse interazioni, modificare il recettore e attivarlo in un determinato modo), frequenza e durata dell'esposizione, studia i meccanismi responsabili (necessario a capire la rilevanza degli effetti dall'animale da esperimento all'uomo) dell'effetto tossico a livello cellulare, biochimico e molecolare e valuta la probabilità con cui questi effetti ricorrono.

Esempio di tossicologia applicata

Tempo fa si usava la saccarina come dolcificante usato nei pazienti diabetici. Uno studio ha dimostrato che la saccarina dava tumore alla vescica nell'animale da esperimento, e quindi molto probabilmente nell'uomo, nonostante comunque fosse l'unico zucchero permesso per i diabetici. Si è poi evidenziato che nell'animale da esperimento le dosi di saccarina erano elevate, pertanto esso precipitava nella vescica, creava infiammazione cronica e dava tossicità. Queste dosi non sono sufficienti nell'uomo per permettere la precipitazione e quindi questo ha permesso di poterlo comunque utilizzare.

Storia della tossicologia

La tossicologia è una scienza antica di cui si parla dal (1500 a.C.) che descrive per la prima volta i veleni come la cicuta, aconito, oppio, piombo, rame e antimonio. Teofrasto (370-286 a.C) elenca in modo sistematico le piante velenose, Dioscoride nel I secolo classifica i veleni in animali, vegetali e minerali. Ippocrate (460-377 a.C) medico greco, sviluppa alcune tecniche di osservazione delle malattie e il loro trattamento. È considerato il fondatore della medicina moderna.

Paracelso era un alchimista (1493) e sosteneva che tutte le sostanze sono veleni, e che è la dose giusta che differenzia un veleno da un rimedio. C'è continuità tra effetto terapeutico ed effetto tossico, sostenendo anche che la sperimentazione è essenziale per studiare gli effetti delle sostanze chimiche e che è importante accertare la specificità delle sostanze chimiche, i loro effetti terapeutici o tossici e distinguere tra le proprietà terapeutiche e quelle tossiche che sono a volte indistinguibili, eccetto per la dose. Introduce l'uso del mercurio come farmaco di scelta per il trattamento della sifilide, anche se sappiamo che il mercurio è attualmente considerato come una sostanza tossica.

Matteo Orfila (1787-1853) inizia ad utilizzare reperti autoptici e analisi chimiche come prova legale di avvelenamento e pone le fondamenta della tossicologia forense (capire come un individuo è morto). Bernard, fisiologo francese, individua il sito di azione dei curari e studia gli effetti del monossido di carbonio. Nel 1939 viene sintetizzato il DDT le cui proprietà insetticide furono scoperte da uno scienziato svizzero a cui nel '48 fu conferito il premio Nobel in medicina. Il DDT viene messo a bando nel 1972, a causa dei danni ambientali che ha creato.

Nel 1952 la baia di Minamata, in Giappone, viene contaminata da mercurio industriale con migliaia di adulti e bambini avvelenati dal consumo di pesce contenente metil mercurio che nell'organismo diventa mercurio organico e genera delle malformazioni ed episodi di tossicità. Questi episodi nascono da una conseguenza economica, in quanto era più semplice ed economico per le aziende buttare in mare il mercurio e non smaltirlo.

Nel talidomide 1960 nascono più di 10.000 bambini malformati a causa dell'uso della talidomide in gravidanza (chiral switch, i due enantiomeri hanno attività differenti, in quanto uno dei due enantiomeri genera genotossicità). Nel 1962 negli Stati Uniti viene pubblicato un libro che evidenzia la necessità di fermare l'uso indiscriminato di pesticidi e altre sostanze chimiche, avendo importanza nella tossicologia ambientale.

Negli anni '70 i pozzi scavati per fornire acqua in Bangladesh sono contaminati con arsenico, avvelenando milioni di individui. Nel 1971 si è parlato di avvelenamento da mercurio presente in semi di frumento con un fungicida, avvelenando circa 40000 persone. Nel 1976 a Seveso c'è stata la fuoriuscita anomala da un reattore di una nube di diossine (molecole tossiche e cancerogene), che ha investito una vasta area di terreni nei comuni limitrofi della bassa Brianza: prima di poter riutilizzare quelle aree sono passati anni e in contemporanea venivano approfonditi studi sulle diossine.

Nel 2017 vicino Pavia c'è stato un incendio di rifiuti normali o speciali, vengono rilasciate diossine, amianto e sostanze tossiche per cui chi vive nelle aree limitrofe può avere delle conseguenze negative. Nel febbraio 2023, in Ohio c'è stato un deragliamento di un treno e molte sostanze tossiche sono state rilasciate in quantità molto elevate, generando numerosi problemi ambientali.

La storia della tossicologia e la sua evoluzione ha portato alla nascita delle società di tossicologia e delle agenzie di regolamentazione: nel 1961 è nata la società americana della tossicologia che raggruppava gli scienziati che si occupano di tossicologia provenienti da istruzioni accademiche, governative e da industrie. La SITOX è la società italiana della tossicologia nel 1967, assieme a delle agenzie che regolano le sostanze tossiche come l’EPA, ADI (dose accettabile giornaliera, dose a cui possiamo essere esposti per tutta la vita senza avere effetti tossici, e una dose approssimativa e non troppo precisa ma è una base per la regolamentazione).

Per i composti tossici di rilevanza occupazionale invece, sono stabiliti dei valori soglia. Nel 2002 viene istituita l'autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA), che valuta i rischi associati alla catena alimentare.

Relazione tra tossicologia e altre discipline

La tossicologia mette insieme tutte le informazioni della ricerca di base (prendendo informazioni da altre discipline, come la fisiologia, patologia e farmaceutica) fino ad arrivare all'applicazione di esse in vari settori per lo sviluppo dei farmaci, perché si deve valutare il rischio iniziale per l'uomo e per l'ambiente nel concetto di beneficio/rischio. Sono studi importanti per la clinica, per la sanità pubblica, per l'igiene industriale, la regolamentazione, la tossicologia degli alimenti e anche in veterinaria ed agricoltura.

Aree di indirizzo della tossicologia

1. Descrittivo: esecuzione dei test di tossicità su animali da esperimento per ottenere queste informazioni che aiuteranno a valutare il rischio che l'esposizione a degli agenti fisici comporta per l'uomo e per l'ambiente.
2. Molecolare: Identificare il potenziale tossico sulla base dei meccanismi d'azione.
   • Identificare le risposte avverse in animali da esperimento che potrebbero non essere rilevanti per l'uomo, ad esempio il caso della saccarina.
   • Identificare nuovi usi di agenti ritenuti tossici, come nel caso della talidomide che viene usata in alcune forme tumorali ma non in gravidanza.
3. Normativo: il tossicologo normativo è colui che fa da interfaccia con la politica e con i comitati che devono regolamentare gli agenti tossici, sulla base di conoscenze tossicologiche. Il tossicologo normativo si interfaccia con le industrie e con lo sviluppo dei farmaci.

Aree di specializzazione della tossicologia

1. Tossicologia forense: aspetti medico-legali che riguardano gli effetti nocivi delle sostanze chimiche sull'uomo e sugli animali.
2. Tossicologia clinica: si occupa delle malattie causate o chiaramente associate con l'esposizione a sostanze tossiche.
3. Tossicologia industriale: o occupazionale, valuta i rischi chimici e biologici negli ambienti di lavoro con l'obiettivo di prevenire gli effetti negativi sulla salute dei lavoratori.
4. Tossicologia ambientale: studia l'impatto che hanno gli inquinanti ambientali sugli organismi biologici.
5. Ecotossicologia: si focalizza in maniera specifica sull'impatto che le sostanze tossiche hanno sulla popolazione dinamica all'interno dell'ecosistema.

La tossicologia come scienza e arte

La tossicologia come scienza si occupa di una fase di osservazione e di raccolta dei dati. La tossicologia come arte caratterizza una fase della disciplina che formula predizioni. I fatti generati dalla scienza della tossicologia sono usati per sviluppare delle estrapolazioni e delle ipotesi sugli effetti avversi degli agenti chimici in situazioni in cui l'informazione è scarsa o nulla.

Si tratta di farmaci, molecole ambientali, molecole sintetiche o qualsiasi altra sostanza: ad esempio, la somministrazione di TCDD (diossina) a ratti di sesso femminile provoca carcinoma epatocellulare e probabilmente gli stessi effetti sono osservabili sull'uomo. Nel caso trattato precedentemente della saccarina, è stato visto un cambio di opinione ma comunque contestualizzato e applicato all'uomo in determinate condizioni.

È importante distinguere i fatti dalle predizioni. Quando non distinguiamo la scienza dall'arte confondiamo i fatti con le ipotesi e crediamo che abbiano uguale validità.

La sicurezza nelle attività tossicologiche

La sicurezza di una attività è un concetto relativo che deriva da un equilibrio dinamico tra un livello di rischio che siamo disposti ad accettare e i benefici che ci attendiamo da quella determinata attività. Sicurezza non significa rischio zero: un prodotto sicuro è uno che presenta un rischio ragionevole sulla base dei benefici che ci aspettiamo e delle alternative disponibili.

La valutazione e controllo del rischio è fortemente dipendente dalla tossicologia molecolare, tossicologia normativa e tossicologia descrittiva. I principi di tossicologia sono parte integrale all'uso appropriato della scienza nella valutazione del rischio. Questi principi di tossicologia danno una stima quantitativa dei potenziali effetti sulla salute umana e sull'ambiente di vari tipi di esposizione ad agenti chimici (residui di pesticidi negli alimenti, contaminanti nell'acqua potabile).

Termini e definizioni importanti

• Xenobiotico: deriva dal greco xeno (straniero) usato per indicare qualsiasi sostanza di origine naturale o sintetica estranea all'organismo. Possono avere effetti benefici e tossici come i farmaci, o possono essere solamente tossici, come il piombo.
• Agente tossico: un qualsiasi agente che può produrre un effetto indesiderabile o negativo su un sistema biologico di natura chimica, di natura fisica o biologica.
• Sostanza tossica: singola sostanza o miscela di sostanze che ha proprietà tossiche. Può essere complessa, una miscela di agenti chimici con diverse proprietà tossiche.