Tossicologia

Tossicologia d’organo

La tossicologia d’organo studia gli effetti tossici degli xenobiotici a carico di organi bersaglio. Questi effetti tossici si rilevano mediante analisi ed osservazioni dei segni clinici.

Le analisi sono:

• Riguardano l’ematologia: ematocrito, conta eritrocitaria, conta leucocitaria ed emoglobina. Queste info sono di carattere generale.
• Analisi chimico-clinico:
  • Sul sangue: elettroliti, glucosio, azotemia, transaminasi, proteine, bilirubina, corpi chetonici. Gli elettroliti che bisogna misurare nel sangue sono: Na, Cl, K. La presenza di corpi chetonici serve per identificare alterazioni del metabolismo glucidico.
  • Sulle urine: pH, proteine, sedimento, glucosio, corpi chetoni, etc.
• Esame anatomo-patologico di organi: studi post-mortem negli animali per identificare tropismi tissutali di uno xenobiotico, si fanno in seconda fase.

NB: l’effetto tossico diventa rilevante quando il danno citologico è accompagnato da un danno clinico.

Esempio per capire l’importanza della tossicologia d’organo

Se un paziente assume FANS con ulcera duodenale si ha che i FANS causano l’inibizione delle PG a livello renale. Le PG vasodilatano i vasi renali e ciò migliora, aumenta, la filtrazione renale; perciò i FANS peggiorano la filtrazione renale.

Un paziente si può accorgere dell’ulcera peptica ma difficilmente ci si accorge della proteinuria, glicosuria, variazione della creatinina. Il danno renale a base di FANS è pericoloso perché non ha una sintomatologia evidente.

Fattori di tossicità d’organo

I fattori di uno xenobiotico che vanno a determinare tossicità d’organo:

• Coefficiente di ripartizione e lipofilia: se è un farmaco lipofilo mi aspetto una tossicità > nel SNC. Antipsicotici non danno tossicità sistemica ma tossicità al SNC in virtù della lipofilia.
• Volume apparente di distribuzione: il volume apparente di distribuzione, Vd, è il rapporto tra la quantità della sostanza nell’organismo e la sua [ ] plasmatica. Una sostanza con un’alta affinità per i tessuti avrà un elevato Vd; al contrario una sostanza che rimane nel plasma avrà un Vd basso. La tossicità d’organo > ce l’avranno le sostanze con un Vd basso perché tenderanno ad accumularsi. Es: tra i chinoloni, Vd ampio, e le tetracicline, Vd stretto, risultano più tossiche le tetracicline che tenderanno ad accumularsi nel tessuto osseo.
• Il legame con le proteine plasmatiche: < è il legame è < è l’emivita.
• Metabolismo: un esempio è l’induzione metabolica degli antraceni che li attiva. Non è importante l’induzione metabolica ma quello che comporta.

Segni clinici

Segni clinici:

• Sistema nervoso: tremore, eccitazione, sedazione, riflessi.
• Cardiovascolare: aritmie; vasodilatazione/costrizione; ipertermia/ipotermia.
• Respiratorio: apnea, dispnea, respirazione affaticata, cianosi, etc.
• Digestivo: vomito, costipazione diarrea.
• Urogenitale: diuresi, anuria, poliuria.
• Cute e annessi: piloerezione, edema, eritema, alopecia, necrosi. Qui si usano farmaci per uso topico.

Curiosità: come antipiretico è meglio l’ibuprofene perché è molto più efficace sul controllo dell’asse ipotalamico ed è meno tossico perché viene metabolizzato più efficacemente. È disponibile come Nurofen in età pediatrica.

Farmacocinetica dello xenobiotico

Lo xenobiotico è potenzialmente tossico in quanto possiede dei meccanismi difensivi insiti nella sua farmacocinetica, ovvero: assorbimento.

Assorbimento

È il processo con cui le sostanze chimiche attraversano le barriere dell’organismo ed entrano nella circolazione sistemica. L’assorbimento permette al farmaco di raggiungere una sufficiente [ ] plasmatica.

I principali siti di assorbimento sono:

• Tratto GI: l’assorbimento è proporzionale alla liposolubilità, al tempo di permanenza nei vari tratti del canale alimentare e inversamente proporzionale alle dimensioni delle particelle. La tossicità orale di alcune sostanze aumenta all’aumentare della diluizione della sostanza in quanto è > l’assorbimento poiché è > la v di svuotamento dello stomaco nel duodeno. La quantità di sostanza che entra nella circolazione sistemica dipende dall’eliminazione pre-sistemica.
• Polmoni: vengono assorbiti:
  • Gas, vapori: questi vengono prima inalati. Le sostanze idrosolubili possono essere trattenute dalla mucosa nasale senza quindi arrivare nei polmoni.
  • Liquidi volatili ed aerosol.
• Dopo aver raggiunto i polmoni la sostanza va nel sangue per poi essere distribuito nei tessuti.
• Pelle: è una barriera in quanto non è molto permeabile. Il passaggio avviene per diffusione passiva.
• Endovenosa: non si ha assorbimento, biodisponibilità 100%.
• Intraperitoneale: assorbimento veloce e completo. Le sostanze vengono riversate, dopo essere state assorbite, principalmente nel circolo portale e devono passare attraverso il fegato prima di essere distribuiti agli altri organi.
• Intramuscolare/sottocutanea: bassa velocità di assorbimento, ma le sostanze entrano direttamente nella circolazione sistemica.

La via di somministrazione può influenzare la tossicità di una sostanza: è possibile che lo xenobiotico venga assorbito con una via che non permetta il raggiungimento di [ ] plasmatiche tali da indurre citotossicità. Per esempio molte sostanze sono degradate dal pH acido dello stomaco, caso dell’assorbimento per os.

Un altro esempio è se una sostanza viene somministrata per via intraperitoneale può essere completamente eliminata dall’azione di biotrasformazione da parte del fegato e dalla successiva escrezione attraverso la bile, senza mai raggiungere la circolazione sistemica.

Si può quindi prevedere che, a causa dell’attività di eliminazione da parte del fegato, tutte le sostanze che possiedono una tossicità selettiva verso un organo diverso dal fegato e dal sistema GI e che sono sottoposte a questo tipo di eliminazione pre-sistemica siano molte tossiche se somministrate per via intraperitoneale rispetto a un’iniezione intravenosa, intramuscolare o sottocutanea.

Metabolismo epatico

Uno xenobiotico può essere attivato come sostanza tossica, es: antraceni, CCl4, ma può essere anche disattivato dal metabolismo epatico, di 1° passaggio, come nel caso della nicotina che viene immediatamente metabolizzata e quindi resa meno reattiva.

Distribuzione

Una volta raggiunta la circolazione sistemica una sostanza tossica può essere distribuita all’intero organismo. La [ ] di una sostanza nel sangue dipende dal Vd.

Alcune sostanze tossiche vengono accumulate in specifiche regioni dell’organismo, adiposo, epatico, osseo, come risultato del legame alle proteine, del trasporto attivo o dell’alta liposolubilità.

I siti di depositi sono:

• Plasmaproteine: le proteine plasmatiche maggiormente implicate sono albumina, transferrina, globuline e lipoproteine. A causa dell’elevato PM il complesso proteina-ligando non attraversa la barriera capillare e la frazione tossica legata non è disponibile per essere distribuita-escreta. Questo legame è reversibile; infatti mano a mano che la quota di tossico libera diffonde all’esterno dei capillari, molecole legate si dissociano dai complessi proteina in maniera tale da stabilire l’equilibrio tra spazio vascolare ed extravascolare. L’entità degli effetti tossici dipende generalmente dalla quantità in cui la sostanza è presente in forma libera. Quando un farmaco è iniettato c’è sempre il legame con le sieroproteine e quindi non è tutto libero e questo è un sistema difensivo per esempio per un’esposizione accidentale. La distribuzione di una sostanza tossica potrebbe essere tale da concentrarsi in un organo diverso da quello bersaglio, diminuendo così gli effetti tossici.
• Fegato e reni: legano gli xenobiotici per mezzo di alcune proteine come la ligandina, la metallotioneina.
• Tessuto adiposo: molte sostanze altamente lipofile sono distribuite e poi concentrate nel tessuto adiposo. Il “sequestro” di questi agenti tossici ne diminuisce la [ ] nell’organo bersaglio; perciò a parità di dose di esposizione, la tossicità è meno severa negli obesi. Tuttavia una rapida mobilitazione dei grassi potrebbe indurre un improvviso aumento della concentrazione dell’agente tossico nell’organo bersaglio. Se una sostanza viene distribuita e accumulata nel tessuto adiposo la sua eliminazione sarà verosimilmente più lenta a causa dei bassi livelli plasmatici che ne rallentano l’escrezione.
• Tessuto osseo: accumulo dovuto ad una reazione di scambio tra la superficie dell’osso e il fluido extracellulare che ne è in contatto. L’effetto dipende dal tipo di agente tossico.

L’accumulo di una sostanza tossica in sedi diverse dal tessuto o organo bersaglio può essere considerato come un processo protettivo che, mantenendo bassi i livelli plasmatici, determina una < [ ] a livello del sito d’azione della sostanza. Tuttavia, poiché ogni sostanza nel sito di accumulo è in equilibrio con la frazione libera del plasma, quando questa diminuisce per eliminazione dall’organismo nuove molecole vengono rilasciate dal deposito, ciò aumenta il tempo di emivita.

I principali fattori che influenzano la distribuzione degli xenobiotici sono il flusso sanguigno nell’organo e la sua affinità verso le diverse sostanze. Nella fase iniziale della distribuzione lo xenobiotico si distribuisce negli organi maggiormente perfusi e vascolarizzati, es: fegato; però se la sostanza presenta una elevata affinità verso uno specifico distretto, siti di legame, costituenti cellulari, nel tempo si osserva una ridistribuzione verso questi specifici distretti corporei con elevata affinità.

Escrezione

Le sostanze, affinché possano essere escrete devono essere idrosolubili. Tutte le secrezioni corporee sembra abbiano la capacità di veicolare sostanze all’esterno dell’organismo; infatti sono state ritrovate sostanze tossiche in sudore, salive, lacrime e latte.

Escrezione urinaria: avviene con lo stesso meccanismo con cui i reni eliminano prodotti finali e intermedi del metabolismo, filtrazione glomerulare, escrezione tubulare, secrezione tubulare. Poiché molte delle funzioni svolte dal rene non sono completamente sviluppate nel neonato, alcuni xenobiotici possono essere eliminati più lentamente che nell’adulto e perciò risultano più tossici, es: penicillina. I tubuli renali prossimali riassorbono le proteine plasmatiche di piccole dimensioni precedentemente filtrate; perciò sostanze tossiche in grado di legarsi a queste proteine possono così essere riassorbite all’interno delle cellule dei tubuli prossimali dove manifestano la loro azione tossica.

Escrezione biliare: gli agenti tossici, una volta assorbiti dal tratto GI, passano nel fegato attraverso il flusso sanguigno portale prima di raggiungere la circolazione sistemica. Il fegato può così estrarre sostanze dal circolo, prevenendo la distribuzione alle altre parti dell’organismo. Essendo il fegato la principale sede di biotrasformazione degli xenobiotici si ha che i metaboliti prodotti in situ possono essere eliminati direttamente nella bile, oppure possono essere portati nel sangue. Quindi negli epatociti lo xenobiotico può essere trasferito nel sangue o nella bile come tale, oppure essere biotrasformato in prodotti più idrosolubili, destinati a loro volta alla bile o nuovamente al sangue. Un aspetto peculiare dell’escrezione biliare è la circolazione enteroepatica. Una volta che una sostanza è escreta nella bile e passa nell’intestino, può essere riassorbita o eliminata con le feci.

Escrezione intestinale: molte sostanze sono direttamente escrete nelle feci dal sangue per diffusione passiva.

Espirazione: l’eliminazione di sostanze gassose e di liquidi volatili avviene soprattutto attraverso i polmoni.

Liquor, latte, sudore, saliva.

Se la velocità di assorbimento è > di quella di eliminazione le sostanze tossiche possono accumularsi e raggiungere una [ ] critica nel tessuto o organo bersaglio.

Barriere

Barriera ematoencefalica

La barriera ematoencefalica presenta 4 caratteristiche che ostacolano il passaggio delle sostanze nel SNC:

• L’endotelio capillare ha giunzioni strette, scarsa permeabilità tra cellule adiacenti.
• L’endotelio capillare presenta proteine MDR ATP-dipendente che estrudono alcune sostanze rimettendole nel circolo sanguigno.
• I capillari sono circondati da astrociti, cellule gliali.
• Ostacola il passaggio di molecole idrosolubili.

Ci sono dei processi di trasporto attivo, P-gp, BCRP, mrp1 e mrp2, nelle cellule endoteliali che hanno la finalità di ridurre la [ ] di xenobiotici nel cervello: espellono le sostanze dalle cellule endoteliali di nuovo nella circolazione sistemica.

La BEE non è completamente sviluppata alla nascita; perciò alcune sostanze risultano più tossiche per i neonati che per l’adulto.

Placenta

Ci sono diversi sistemi di trasporto attivo ed enzimi di biotrasformazione che proteggono il feto dall’esposizione ad alcuni xenobiotici.

Membrane cellulari

Le sostanze hanno la capacità di attraversare le membrane di diversi tipi di cellule, quali quelle che costituiscono l’epitelio della pelle, dei polmoni, del tratto GI e l’endotelio dei capillari.

Una sostanza può attraversare la membrana mediante:

• Trasporto passivo: diffusione semplice e filtrazione glomerulare.
• Trasporto specializzato: importanti trasportatori degli xenobiotici sono le MDR, es: glicoproteina P, proteine che espellono le molecole all’esterno della cellula, le OAT, trasportatori di anioni organici: importante per l’uptake renale degli anioni, le OCT, trasportatori di cationi organici: importante per l’uptake di xenobiotici nei reni e nel fegato, etc.

Alterazioni farmacocinetiche e farmacodinamiche che aumentano la tossicità

Le alterazioni sono in funzione del tipo di xenobiotico e della persona, es: in una persona epato-compromessa l’alterazione epatica è una protezione perché se lo xenobiotico viene attivato dal metabolismo non avverrebbe l’attivazione.

Alterazioni a livello renale sono quelle in fase di filtrazione di riassorbimento.

Alterazioni epatiche: il fegato è la sede della produzione dell’albumina, un fegato compromesso potrebbe non produrre più albumina, sieroproteina che lega il farmaco durante la distribuzione; perciò preservando il farmaco dal legame con le sieroproteine si ha una maggior disponibilità del farmaco.

Co-somministrazione: alcuni agenti chimici spiazzano uno xenobiotico dal legame con le plasmaproteine, determinandone il rilascio nella forma libera; ciò determina un aumento della [ ] di equilibrio nell’organo bersaglio, con conseguente aumento della tossicità. Inoltre alcuni agenti tossici possono competere con sostanze endogene, alterando il loro legame con le plasmaproteine.

Es: la clozapina, un antipsicotico che altera la crasi ematica e quindi durante la sua assunzione è necessario controllare periodicamente l’indice di protrombina; in questo caso bisogna fare attenzione alla co-somministrazione con FANS, anticoagulanti perché si possono prolungare i tempi di sanguinamento.

Meccanismi di citotossicità

Meccanismi di citotossicità:

• Questi meccanismi non sono l’uno indipendente dall’altro ma sono sinergici.
• La tossicità non è sempre visibile e dipende dalla dose.
• L’insulto cellulare deve essere bilanciato da un sistema di difesa cellulare. Questi sistemi di difesa minimizzano il potenziale tossico della sostanza.
• Una sostanza chimica può avere uno o più organi bersaglio.
• Il sito in cui si manifestano gli effetti tossici non sempre corrisponde all’organo o al tessuto con la [ ] locale più alta. L’insorgenza degli effetti tossici è strettamente legata alla [ ] della sostanza tossica nel sito bersaglio; l’agente tossico può essere la sostanza tal quale, oppure un metabolita. La risposta tossica esercita da una sostanza, quindi, dipende in modo determinante dalla sua farmacocinetica.

Meccanismi di citotossicità:

• Fosforilazione ossidativa: è un danno indiretto dovuto al fatto che l’aumento di Ca determina dissoluzione membrana che comporta produzione di radicali liberi che determina blocco della catena di trasporto degli elettroni.
• Deplezione di ATP.
• Aumento del Ca intracellulare.
• Produzione di radicali liberi.
• Trasduzione del segnale, MAP chinasi, TNF-α.

Disregolazione metabolica

La disregolazione metabolica è intesa come deplezione di energia. L’acido tri-nitro-propionico che è un falso metabolita che arresta il ciclo di Crebs e determina deplezione energetica nei neuroni corticali e questo è un modello di tossicità che viene riportato come meccanismo di Corea di Hunigton → per riprodurla nell’animale si inietta questo acido che quindi blocca il metabolismo cellulare nel neurone.

Tra i meccanismi di disregolazione metabolica si ha:

• L’inibizione del metabolismo energetico cellulare, deplezione di ATP: può avvenire per blocco della glicolisi, es: iodoacetato, o della respirazione mitocondriale, es: cianuro, disaccoppianti. Il cianuro è un disaccoppiante della fosforilazione ossidativa che dà ipossia.
• Aumento Ca intracellulare: il Ca è fondamentale per molte reazioni metaboliche e nella regolazione dell’attività elettrica neuronale. La tossicità legata ad un aumento dl Ca intracellulare è una tossicità che si ritrova molto spesso a livello cardiaco, è coinvolto nella regolazione della pompa Na-K cardiaca, neuronale, neuronale perché l’entrata del Ca dipende anche dai recettori metabotropici.

Il Ca come 2° messaggero, in recettori con attività.