Tossicologia delle sostanze naturali

Tossicologia delle sostanze naturali

La tossicologia è lo studio degli effetti di una sostanza tossica che può essere naturale, un metallo pesante, una sostanza di sintesi ecc. Gli effetti tossici non sono relativi solo all’uomo, ma anche a un essere vivente o all’ambiente e agli ecosistemi in generale. Il tossicologo va a identificare gli effetti tossici di una sostanza e anche studia i meccanismi molecolare alla base di questi effetti, in questo modo si possono cercare degli antidoti per arginare l’effetto tossico. Inoltre si valuta la probabilità con cui questi effetti possono ricorrere e quindi la valutazione del rischio. Il pericolo è una caratteristica intrinseca di una sostanza, ma è dalla probabilità che si vede quanto è effettivamente il rischio.

In generale la tossicologia studia i veleni, ossia le sostanze tossiche. Un veleno è una sostanza con effetto dannoso su un essere vivente, può essere una sostanza naturale, ma anche una sostanza di sintesi. Alla fine il tutto dipende dalla dose, per cui è il concetto cardine che sancisce il limite tra effetto terapeutico e tossico di una sostanza.

L’identificazione del pericolo è capire l’effetto e in quanto tempo arriva, poi c’è la caratterizzazione, cioè l’efficacia dell’effetto, c’è poi la specificità d’azione, dunque l’organo bersaglio. La valutazione del rischio è quindi l’obiettivo ultimo dove si deve identificare l’effetto tossico e gli eventuali livelli soglia per cui la sostanza non è sicura per l’organismo.

Branche della tossicologia

Esistono varie branche della tossicologia. La tossicologia descrittiva è quella dove si descrivono gli effetti tossici di una sostanza mediante sperimentazione, per cui fornisce i parametri tossicologici per valutare la sicurezza di una sostanza negli animali da laboratorio. Il tossicologo regolatorio si basa sui dati descrittivi per definire quali sono i valori soglia al di sopra della quale la sostanza è tossica e questi valori sono considerati per la promulgazione delle leggi. La tossicologia molecolare è complementare alla tossicologia descrittiva, ossia cerca le cause che portano all’effetto tossico tramite studi di biologia molecolare su linee cellulari. La tossicogenomica cerca di capire le basi genetiche della diversa risposta tossicologica a una certa sostanza, per cui il rischio varia a seconda della popolazione che può essere più o meno suscettibile a un certo effetto tossico.

La tossicologia forense si basa sulla chimica analitica per identificare le cause di una morte, la tossicologia clinica si occupa delle cause che portano a sintomi di tossicità. Altre branche della tossicologia diventano più specifiche come la tossicologia occupazionale, che riguarda i posti di lavoro e il lavoratore, la tossicologia della riproduzione, che riguarda gli effetti tossici che danno implicazioni ormonali con effetto sulla fertilità, la tossicologia dello sviluppo, che riguarda gli effetti tossici dal concepimento fino all’adolescenza, per cui malformazioni nel feto, ritardi nel bambino o nell’adolescente, la tossicologia ambientale riguarda il mondo vegetale, valuta tutti gli effetti nocivi sull’ambiente (animali e vegetali) alterando l’ecosistema che diventa poi ecotossicologia. La nanotossicologia è lo studio degli effetti tossici dei nanomateriali, sono materiali che hanno almeno una delle dimensioni nel range tra 1 e 100 nm.

Tossicologia generale

Le sostanze tossiche si dividono in sostanze di origine antropogenica (prodotte dall’uomo) e sostanze non antropogeniche, quindi di origine naturale. Spesso sostanze tossiche (che sono antropogeniche) e tossine (origine naturale) possono coincidere. Ad esempio la diossina è una sostanza classificata come certamente cancerogena, in particolare la TCDD, ed è una sostanza che si ottiene da un processo sintetico nell’industria chimica (antropogenico), ma anche dalla combustione del legno (non sempre antropogenica).

In generale le tossine di origine naturale presentano una tossicità maggiore delle sostanze di sintesi. Ogni tossina presenta il DL₅₀, ossia la dose che è letale per il 50% degli individui studiati, per cui si ottiene dalla tossicologia sperimentale. Più è alto il valore di DL₅₀ e meno tossica è la sostanza. Le tossine sono prodotte dalla natura allo scopo difensivo, per questo tendono ad essere estremamente efficaci. La tossicità dipende dall’esposizione, ci sono sostanze che se assorbite a livello intestinale sono tossiche, ma che per le caratteristiche chimico-fisiche non possono essere assorbite, dunque la tossicità per via orale è bassa, mentre magari per via inalatoria possono avere effetto elevato. Per questo la via di esposizione è importante per definire il rischio di una sostanza.

Vie di esposizione

La via di esposizione più importante è la via orale perché le sostanze naturali possono facilmente accumularsi nei cibi e arrivare quindi all’intestino. Nel tratto gastrointestinale ci sono più variazioni di pH, quindi c’è una maggiore possibilità che avvenga l’assorbimento di una sostanza. Successivamente c’è la via inalatoria e poi quella dermica. Vie da prendere in considerazione sono quella orale, quella inalatoria, la cutanea, l’oculare e poi quelle parenterali. L’orale è quella più importante perché si è più esposti, soprattutto per quanto riguarda la food safety per le tossine naturali.

Le sostanze tossiche possono essere di diversa natura, in primis i farmaci di sintesi o meno, poi ci sono gli additivi alimentari, cioè le sostanze di origine chimica e sintetica, ma anche di origine naturale in pochi casi, per dare particolari caratteristiche organolettiche. I contaminanti alimentari sono sostanze di origine naturale che possono contaminare il cibo come le micotossine prodotte da funghi e possono intaccare cereali, frutta secca, caffè e cioccolato e le tossine possono accumularsi nella matrice alimentare. Gli additivi sono aggiunti intenzionalmente, mentre i contaminanti no. Gli agenti chimici sono i contaminanti ambientali come le micotossine che sono prima liberate nell’ambiente e poi vanno alla matrice.

Tipi di esposizione

• Accidentale: si assume una tossina in un alimento in cui non era previsto
• Volontario: da presenza di additivi presenti nell’alimento

Dal punto di vista tossicologico si prende invece in considerazione un’assunzione cronica che viaggia in parallelo all’assunzione accidentale o volontaria che invece è acuta. Nella valutazione del rischio si deve determinare se si è esposti alla sostanza ogni giorno, quindi si valutano effetti cronici, oppure se c’è l’esposizione acuta e quindi si valutano l’esposizione volontaria o involontaria. Se le dosi sono basse non ci si accorge di un’assunzione acuta, ma se si è continuamente esposti si ha l’accumulo e quindi poi dei sintomi diversi all’assunzione acuta.

Esposizione ai farmaci e agli additivi

Nel caso dei farmaci si può parlare di un’esposizione accidentale, mentre nel caso di un additivo si parla di una esposizione volontaria in genere, anche se poi in realtà non si legge cosa c’è dentro e quindi in realtà non è del tutto un’assunzione volontaria. Se però si parla nel caso di valutazione del rischio cronico si deve prendere in conto l’esposizione, per cui se si valuta la sicurezza del farmaco si valuta sia un regime breve che uno cronico. Quella agli additivi alimentari è una esposizione di tipo cronico. Si cerca sempre di determinare dei limiti di sicurezza prevedendo il caso peggiore, così si può tenere in sicurezza tutta la popolazione, anche nel caso peggiore.

Tossicologia sperimentale

Dal punto di vista della tossicologia sperimentale per acquisire i dati di rischio di una sostanza, si deve capire non solo se è assunta in maniera cronica o acuta, ma anche la via di esposizione perché si rischia di effettuare di studi su una via a cui la sostanza potrebbe non essere correlata. Un esempio la TTX che risulta tossica per via orale, quindi non si faranno studi su una via di esposizione topica, perché non è la via a cui è associata. Per i farmaci invece si studiano tutte le possibili vie di somministrazione, mentre per i contaminanti alimentari si considera prevalentemente la via orale, gli agenti chimici industriali si considerano tutte le vie di esposizione tranne quelle parenterali. I contaminanti ambientali entrano per via inalatoria principalmente o per via orale se finiscono su vegetali che vengono mangiati.

Valutazione del rischio

La valutazione del rischio è il processo che il tossicologo è chiamato a fare per definire se una sostanza è sicura o meno e se non è sicura deve fornire dei livelli soglia di dose, concentrazione o esposizione al di sopra dei quali si ha tossicità e al di sotto invece si è sicuri. Sono quei livelli che dopo sono fissati per legge per definire un prodotto ammissibile in un prodotto alimentare. Nel caso degli additivi, queste sono sostanze che possono avere effetti tossici, ma sono presenti al di sotto dei valori soglia per cui si può essere sicuri di non avere la tossicità.

Il rischio è la probabilità che quella tossicità sia esplicata nell’uomo, il tossicologo valuta la pericolosità intrinseca della sostanza e quanto essa può essere presente in un alimento, dunque la probabilità che la sostanza possa esplicare la tossicità. Il rischio aumenta con l’aumentare della probabilità di esposizione, anche se poi la pericolosità intrinseca è diversa, nella valutazione del rischio si devono quindi considerare sia il rischio che la tossicità intrinseca.

Processo di valutazione del rischio

La valutazione del rischio è fatta unendo tante informazioni. Il tossicologo deve fare ricerca per la caratterizzazione del pericolo in modo da vedere se una sostanza induce tossicità o meno. Ci sono poi diversi step perché si deve identificare e caratterizzare la sostanza da analizzare, il che non è facile perché sostanze naturali sono molto complesse e di caratterizzazione chimica difficile, ma la conoscenza della struttura chimica può essere utile per intuire la potenziale tossicità a partire dai gruppi funzionali o porzioni di struttura. Si deve poi capire qual è la via di esposizione: si fa lo studio in vivo nell’animale, ma si deve considerare quale è la via di esposizione per poi fare lo studio corretto.

Si deve identificare il protocollo sperimentale, ossia se è una tossicità acuta o cronica. In questo caso si deve capire se si cerca mutagenicità, cancerogenicità o teratogenicità. Si va poi a valutare il possibile meccanismo d’azione della sostanza, si valutano gli effetti visibili e alla fine si mettono insieme tutti i dati.

Si cerca poi di capire quanto l’uomo può essere esposto a quel particolare contaminante, ossia se può essere nei cibi, oppure se caratterizza un solo tipo di cibo per una particolare popolazione, per cui ci sono dei database a cui si può attingere per chi studia l’esposizione. Chi fa la valutazione del rischio unisce l’hazard idenitfication, l’hazard characterization e infine l’hazard exposure per avere così i valori di valutazione del rischio con i livelli soglia. Dopo c’è la gestione del rischio che consiste nel prendere i dati di valutazione per gestirli a livello politico. Importante è anche poi la comunicazione del rischio alla popolazione.

Identificazione della sostanza e esposizione

Si deve individuare se una sostanza ha un rischio intrinseco, la probabilità con cui si può entrare a contatto, si fanno gli studi tossicologici e si deve determinare il valore di incertezza dei dati, si deve valutare se c’è una preferenza di tossicità per sesso o profilo genetico in generale. Si valuta quale quantità della sostanza può finire nei prodotti alimentari e a quale concentrazione, se è bassa allora la sostanza è sicura.

Una volta identificata la sostanza e il tipo di esposizione, si deve fare la sperimentazione, cioè si deve identificare il protocollo sperimentale da applicare, osservare i sintomi e definire i parametri tossicologici e i meccanismi di tossicità. Il protocollo sperimentale si suddivide tra tossicità acuta dove l’intossicazione avviene in modo accidentale in un lasso di tempo definito e ad alte dosi, mentre l’esposizione cronica avviene a dosi più basse, ma in maniera continuativa nel tempo. Ciò si deve riflettere nella sperimentazione sull’animale, inoltre si deve scegliere una specie che si avvicina il più possibile all’uomo, quindi di solito si va sui roditori, ma in generale la scelta non è casuale.

Tipologie di tossicità

L’esposizione deve essere riflessa sull’animale quindi nella tossicità acuta si considera un’esposizione per 24 ore a dosi alte, si può fare con tutte le vie di esposizione considerate a seconda della sostanza che si è identificata. Si espone quindi l’animale e lo si osserva per 24 ore, se non muore si fanno tutte le analisi biologiche per controllare parametri alterati. Nell’analisi sulle 24 ore le dosi usate non sono correlate con l’esposizione reale, ma sono molto più alte apposta per poter avere un sintomo stressando sulla dose, per questo si preferisce andare sulla tossicità cronica.

Le tossicità croniche possono essere a breve termine o a lungo termine e dipende dal tempo di esposizione, quella a breve termine vale per 90 giorni di esposizione dell’animale, mentre quella a lungo termine vale per tutta la vita dell’animale dove è esposto quotidianamente alla sostanza. Quest’ultima è la via di studio che idealmente sarebbe preferita, ma non è sempre possibile perché nel caso di sostanze di origine naturale per avere delle tossicità a lungo termine dovrebbero essere quantità enormi di composto, quantità che in natura non sono presenti, per questo c’è lo studio di tossicità a breve termine. Altri studi di tossicità possono essere quelli di genotossicità o di tossicità sullo sviluppo. In generale quando si parla di sostanze naturali, in particolare alimentare, si fa la distinzione in tossicità acuta, cronica e poi a lungo e breve termine.

Risultati sperimentali e sintomi

Una volta iniziata la sperimentazione si devono registrare i sintomi, per cui i sintomi sono suddivisi secondo molte classificazioni, ovvero si deve valutare se la tossicità è localizzata o sistemica, ovvero se la tossicità è esplicata in siti diversi da quello di esposizione (per inalazione la tossicità è epatica e non c’è niente a livello dei polmoni), per cui la sostanza non ha attività diretta sull’organo dove avviene l’esposizione, ha le caratteristiche necessarie per passare in circolo e poi arriva fino al target dove ha un’interazione.

La tossicità può essere immediata o ritardata, ovvero può richiedere o meno del tempo perché si esplichi, se ci vuole del tempo si deve valutare il perché è così, ovvero se serve raggiungere una certa concentrazione prima o se ha una cinetica lenta. I sintomi possono essere reversibili o irreversibili, nei test in vivo per questo sono tenuti degli animali di controllo che sono esposti solo inizialmente alla sostanza e poi non più, ciò serve a vedere se i sintomi osservati dopo un certo periodo spariscono, dunque i sistemi di riparo possono contrastare la tossicità, oppure se il sintomo rimane anche dopo l’esposizione alla sostanza vuol dire che i sistemi di riparazione non sono in grado di contrastare.

Ci possono essere le reazioni allergiche, le reazioni di idiosincrasia (effetti avversi solo in una parte della popolazione a sostanze che normalmente sono tollerate, sono confondibili con le allergie, ma non hanno base allergica, bensì genetica, per cui a parità di dose in una persona si può avere una reazione, mentre in un’altra no). La risposta più facile da valutare è la morte, ma non è un dato così indicativo perché indica una tossicità estrema, inoltre è un dato grezzo perché se c’è la morte si è già passati oltre ad altri stadi di tossicità precedenti, per cui non è il solo dato che si guarda, ma si fanno analisi istologiche per individuare alterazioni di organo, oppure ci sono le valutazioni di tipo biochimico-analitico come analisi del sangue dove si cercano marker di danno renale, epatico, cardiaco o muscolare, dunque si vanno a cercare degli enzimi specifici. Per alcuni in base alla isoforma si può discriminare il distretto, ad esempio si differenzia tra muscolo liscio o striato.

Relazione tra sintomi e dose

I sintomi rilevati devono essere poi messi in relazione con la dose, questo perché gli effetti che non sono strettamente correlati alla dose sono effetti che non dipendono dalla sostanza. Ad esempio se si vede che l’animale a 100 mg/kg ha un danno epatico, ma l’animale di controllo ha lo stesso livello di transaminasi, allora vuol dire che è l’animale ad avere un problema invece che la sostanza. Il tutto vale perché l’effetto della sostanza è direttamente proporzionale alla quantità che arriva all’organo bersaglio e anche al tempo di persistenza perché più rimane e più può esplicare l’effetto tossico. Aumentando la concentrazione si arriverà ad un effetto massimo oltre il quale non si può andare anche se si aumenta la dose.

Tipi di risposta

• Graduata: è una risposta in qualche modo misurabile, quindi tutte le analisi ematochimiche e molecole quantificate nel sangue
• Quantale: è una risposta che c’è o non c’è, come la morte, oppure un tumore che c’è o non c’è