Tossicologia

Introduzione alla tossicologia

La tossicologia è una disciplina biomedica che studia la natura, gli effetti, le proprietà e le dosi degli agenti chimici o fisici che hanno potenziali effetti dannosi sugli organismi viventi. Tutti gli agenti che vengono a contatto con il nostro organismo hanno potenzialmente effetti dannosi. Anche quei elementi che fanno parte del nostro organismo, come i carotenoidi, possono avere effetti diversi a seconda della dose. Se ne abbiamo un quantitativo normale siamo in condizioni fisiologiche normali, se ne abbiamo troppi o troppo pochi siamo in una condizione di potenziale tossicità, in quanto:

• Troppo pochi, insufficienti per svolgere le azioni deputate alla loro funzione.
• Troppi, in eccesso rispetto alla quantità necessaria per svolgere la loro funzione.

Tutto dipende dalla dose della sostanza con la quale veniamo a contatto.

Grafico a torta delle sostanze che possono dare tossicità

Nel tempo, queste percentuali possono cambiare, perché i farmaci di sintesi possono ricadere tra gli agenti chimici; in generale, comunque, tutto dipende dalla dose alla quale l’organismo è esposto. Le morti per esposizione a diversi agenti chimici sono sempre catalogate, ad esempio:

• Morte per sbagliato dosaggio antidepressivi.
• Morte per mal utilizzo degli analgesici - aspirina, codeina, morfina, paracetamolo.
• Morte per farmaci ad uso cardiovascolare.
• Morte per uso di cosiddette street drugs - cocaina, eroina.

Intossicazioni

Le intossicazioni si possono distinguere in:

• Accidentali: incapacità - soprattutto nei bambini -, errore terapeutico*, travaso, altro.
• Intenzionali: tentato suicidio, abuso, automedicazione incongrua.
• Dolose.
• Reazioni avverse.
• Non note.

*Un esempio di errore terapeutico è la somministrazione per esempio di un farmaco con contemporanea assunzione di alcol. Il motivo è che l’alcol, quindi l’etanolo, è un induttore del CYP450 e questa capacità di indurre l’enzima epatico fa sì che tutte le sostanze che a loro volta sono substrato di questo enzima vengano metabolizzate più velocemente dall’enzima. Se questo metabolismo attiva la sostanza metabolizzata - es. un profarmaco attivato dal CYP450 -, a parità di dosaggio avrò una maggior produzione di sostanza attiva quindi se somministro il farmaco con etanolo, avrò a parità di dosaggio un’attività maggiore di questo farmaco.

Distribuzione per categoria farmacologica e classi di età

La distribuzione per categoria farmacologica e classi di età nei casi riportati dal centro antiveleno di Milano riguarda soprattutto i sedativi ipnotici ed antipsicotici, analgesici e antidepressivi come percentuali di casi maggiori. I primi sono farmaci di più difficile utilizzo, ma comunque anche gli analgesici hanno un'elevata percentuale soprattutto se si pensa che vengono somministrati spesso anche come farmaci da banco. Le vitamine sono abbastanza innocue ma possono dare situazioni di tossicità.

Studi tossicologici

Gli scopi degli studi tossicologici sono:

• Identificare la tossicità insita in determinati agenti e le condizioni di esposizione e di dose richieste perché questa si manifesti. Quindi qual è il dosaggio minimo perché si possa avere una reazione tossica e qual è la via preferenziale di esposizione perché questa reazione si manifesti.
• Chiarire i meccanismi alla base dell’effetto tossico; è uno step importante per prevenire l’effetto tossico e sapere come intervenire per ridurlo. Per l’intervento ci sono due possibilità:
  • Sostenere le funzioni vitali del soggetto intossicato che sono indipendenti dall’effetto tossico.
  • Cercare di ridurre l’effetto tossico minandolo alla base, con l’impiego di chelanti o antagonisti specifici.
• Definire il rischio tossicologico, inteso come la probabilità di subire un danno connesso all’esposizione all’agente tossico ma anche nel futuro, cioè cosa posso aspettarmi dopo anni da un punto di vista degli effetti tossicologici - ad esempio della cancerogenicità - nel tempo.
• Regolamentare l’immissione sul mercato e l’uso di prodotti in base al rapporto rischio-beneficio; quindi non tutto quello che fa male non va utilizzato ma devo valutarne il rapporto rischio-beneficio. Ad esempio, il DDT è stato eliminato dal commercio in quanto si accumulava e aveva una permanenza nell’ambiente duratura che poteva portare ad un aumento della tossicità di questa sostanza, perciò è non più utilizzato.

Agente tossico

Si definisce agente tossico una sostanza capace di produrre un’alterazione omeostatica svantaggiosa (danno o morte cellulare) del sistema biologico con cui entra in contatto. Vengono classificati in base a:

• Origine: naturale, di sintesi. Un esempio di agente tossico naturale è il mirtillo: fa bene per la circolazione sanguigna, però l’effetto è correlato al dosaggio.
• Struttura chimica: amine aromatiche, idrocarburi alogenati, IPA, alcoli alifatici, alcheni alogenati, ecc. Generalmente, sostanze con struttura chimica analoga hanno gli stessi effetti tossici, dal momento che tendono a subire le medesime trasformazioni metaboliche - ad esempio i composti alogenati subiscono tutti dealogenazione ossidativa.
• Impiego: pesticidi, solventi, additivi alimentari, farmaci, gas, inquinanti ambientali, ecc.
• Organi bersaglio: epatotossici, neurotossici, nefrotossici, teratogeni, cancerogeni. Ad esempio, il paraquat, utilizzato come erbicida in agricoltura, può dare effetti Parkinson-simili perché dal punto di vista strutturale è analogo all’MPTP - composto secondario che si forma durante la sintesi della meperidina, un analgesico oppioide; in virtù di ciò, il paraquat riesce a superare la barriera ematoencefalica, arriva nel SNC, viene metabolizzato, si sostituisce alla dopamina ed entra nelle vie dopaminergiche, causando questa sindrome Parkinson-simile.
• Meccanismo di danno: cancerogeni, inibitori enzimatici, ossidanti, radicali liberi, ecc.
• Potenziale di tossicità acuta: da 1 a 6. L’indice di tossicità è un numero correlato a una terminologia corrente che viene utilizzato per la classificazione di una sostanza sulla base della sua tossicità acuta:

Le dosi vengono estrapolate da osservazioni cliniche e dai valori delle dosi letali cinquanta DL50 ottenute in varie specie animali e in base a quelle si identifica una probabile dose letale in un uomo di circa 70 kg. Generalmente, la tossicità acuta è data da una sostanza in quanto tale, quindi una sostanza che viene a contatto con l’organismo dà tossicità così com’è, senza accumularsi o avere un metabolismo particolare. La tossicità cronica, invece, è data quando una sostanza tende ad accumularsi, attiva enzimi, viene metabolizzata e trasformata. Bisogna tener presente che questo tipo di classificazione prende in considerazione solo la tossicità acuta: in questo senso, l’etanolo è classificato come leggermente tossico, con una DL50 di 8000 mg/Kg. In realtà, però, l’etanolo, considerando la tossicità in cronico, è tra le sostanze maggiormente tossiche nei paesi industrializzati, responsabile di cirrosi epatica.

Classificazione degli effetti tossici

Gli effetti tossici possono essere classificati in base a latenza, durata e localizzazione.

Latenza

In base alla latenza si distinguono:

• Immediati: es. cianuro, solventi, organofosforici, CO, DDT.
• Tardivi: effetti cancerogeni, alcuni organofosforici (es. carbammati).

Durata

In base alla durata si distinguono:

• Reversibili: effetti quando il tessuto bersaglio ha capacità rigenerativa.
• Irreversibili: effetti ad esempio nel caso di genotossicità, in cui l’effetto tossico è fissato a livello genico.

Localizzazione

In base alla localizzazione si distinguono:

• Locali: effetti circoscritti al sito di esposizione.
• Sistemici o riferiti ad organi bersaglio: effetti distribuiti tramite il torrente ematico - ad esempio, il monossido d’azoto, a differenza di molti gas che agiscono localmente a livello delle vie aeree - oppure che danno tossicità ad organi bersaglio diversi dal sito di esposizione.

Organi bersaglio

I principali organi bersaglio di effetti tossici sono il rene, il fegato e i polmoni.

Rene: nefrotossicità

Il rene riceve il 25% del rendimento cardiaco; ha buona capacità rigenerativa. Tra le potenziali tossicità:

• I metalli, in quanto possono concentrarsi nel rene per azione delle metallotioneine - tendono a legare i metalli pesanti per eliminarli, ma poi a livello del rene li rilasciano - esaltando qui la propria tossicità.
• Intermedi di fase I o di fase II, cioè metaboliti che hanno subito reazioni volte, tendenzialmente, a renderli più idrosolubili proprio allo scopo di fare in modo che si concentrino nel rene e attraverso il rene vengano eliminati.
• Correndo enzimatico specifico: la tossicità a livello renale può anche essere legata al di questo distretto, ad esempio, l’enzima beta-liasi, presente esclusivamente nel rene, è responsabile del metabolismo di sostanze che arrivano a livello renale per l’eliminazione e quindi può portare alla formazione di sostanze tossiche a livello renale; un esempio di questo tipo di tossicità è quello del dibromometano, che dà origine a uno ione disolfonio che poi, per azione della beta-liasi renale, viene attivato portando a una intossicazione specifica del rene con formazione di addotti con le cellule.

Altra caratteristica importante è che il rene opera anche un controllo dell’omeostasi dell’organismo; il sistema renina-angiotensina-aldosterone, attivato in base alla funzionalità renale, ha un impatto importante nel controllo della pressione arteriosa: una tossicità renale che porti ad alterata funzionalità renale e quindi ad attivazione del SRAA, pertanto, può alterare l’omeostasi dell’intero organismo - ad esempio Na e K vengono eliminati in funzione del SRAA.

Fegato: epatotossicità

Il fegato ha due alimentazioni di sangue: la vena porta e la vena epatica. Il fegato quando subisce un’azione epatotossica tende a rigenerarsi, ma questa rigenerazione del tessuto epatico può portare alla formazione di tessuto cirrotico o comunque di fibromi. Molte sostanze vengono metabolizzate a livello epatico - effetto di primo passaggio epatico -, poi entrano nell’intestino, dove subiscono il metabolismo ad opera degli enzimi intestinali, e infine ritornano nel fegato, dove possono essere substrato di altri enzimi epatici ed essere detossificate oppure tossificate ed esplicare qui un effetto tossico. Le principali patologie a livello epatico sono la steatosi - derivanti da accumulo di grassi: il fegato diventa giallastro e va incontro a necrosi - si formano fori che portano a morte cellulare -, colestasi neoplasie.

Polmone

I gas irritanti sono caratteristici della tossicità polmonare, i solidi inerti di piccole dimensioni, i farmaci e i prodotti instabili. Il polmone ha una superficie enorme e per questo è anche un sito per il danno diretto legato proprio all’aumento della superficie di esposizione, nonché alla buona capacità di assorbimento, incrementata ulteriormente dalla presenza di sistemi di trasporto attivo - ad esempio, nel polmone ci sono i trasportatori delle amine, quindi sostanze con struttura simile alle amine, come il paraquat, vengono assorbite a livello polmonare. Altro fattore di rischio di tossicità polmonare è che gli alveoli intrappolano le particelle, da qui le intossicazioni come la silicosi e l’asbestosi. Più le particelle sono piccole più penetrano in profondità, depositandosi e innescando la produzione di mediatori dell’infiammazione; lo stato infiammatorio promuove la formazione di tessuto fibrotico, con perdita del controllo del ciclo cellulare, iperproliferazione e conseguente possibilità di sviluppare neoplasie. Inoltre, può essere sede di tossicità da parte di sostanze che circolano nel sangue e che, arrivando a livello polmonare, causano un danno diretto alla membrana e poi edema polmonare.

Sistema nervoso: neurotossicità

Più il neurone è lungo più è sensibile a un’azione tossica, perché tutto dipende dalla sintesi di enzimi e sostanze che servono al neurone; queste vengono sintetizzate nel soma e poi trasportate attraverso dei microtubuli per tutto l’assone. Tutto il neurone dipende dai processi di sintesi che avvengono nel soma. Ci sono diversi tipi di alterazioni:

• Le neuropatie sono alterazioni di tutto il neurone - es. metilmercurio, MPTP.
• Le assonopatie sono alterazioni nei trasporti microtubulari della porzione terminale dell’assone - es. gamma-dichetoni, acrilamide, taxolo, colchicina, vincrastina.
• Le mielopatie sono alterazioni a carico degli oligodendrociti - es. esaclorofene, piombo.

Sistema immunitario: immunosoppressione o immunosensibilità

L’immunosoppressione è dovuta a un’interferenza con le cellule adibite alla risposta immunitaria, in particolare alla capacità di queste cellule di proliferare, trasdurre i segnali e quindi di svolgere la loro azione difensiva: la conseguenza è una maggiore esposizione alle infezioni batteriche. Agenti che inducono immunosoppressione sono: benzene, IPA (idrocarburi policiclici aromatici), PCB (policlorobifenili), TCDD (tetraclorodibenzodiossina), ciclofosfamide, ciclosporina A. L’azione immunosoppressiva, però, dev’essere valutata alla luce del rapporto rischio-beneficio: la ciclosporina A, per esempio, ha un’azione immunosoppressiva che viene sfruttata nella sindrome da rigetto. L’immunosensibilità riguarda una ipereccitabilità del sistema immunitario che si manifesta in forma di risposte immunitarie immediate o ritardate sviluppate verso antigeni di varia natura - pollini, metalli, enzimi, coloranti, antiossidanti, penicilline, carbamazepina, alotano.

Natura del danno

In base a natura ed entità dell’interazione agente tossico - sistema biologico, si classifica un danno come:

• Funzionale: deriva da uno sbilanciamento dei processi fisiologici e biochimici dell’organo bersaglio, quindi coinvolge danni a carico di un enzima o un substrato; per questo motivo, è spesso di tipo reversibile.
• Patologico o citotossico (necrosi, fibrosi): deriva da una alterazione organica dell’organo bersaglio, con compromissione permanente anche dopo l’esposizione; è pertanto un danno irreversibile. Ne è un esempio la cirrosi epatica da abuso di alcol: anche dopo la cessazione dell’abuso, la situazione non regredisce.
• Genotossico (neoplasia, infertilità): deriva da una alterazione a carico del genoma o dei processi che regolano la divisione cellulare.

Tossicocinetica e tossicodinamica

Nel processo che va dall’esposizione a un agente - somministrazione di una certa dose di farmaco, esposizione a un agente chimico - al raggiungimento del sito bersaglio, bisogna considerare due aspetti: la tossicocinetica, che riguarda l’ADME, e la tossicodinamica, che riguarda il sito d’azione e l’esplicarsi degli effetti tossici. La tossicocinetica prende in considerazione parametri come la biodisponibilità, la clearance, il tempo di emivita e l’eventuale accumulo della sostanza. Importanti sono:

• L’accumulo, inteso come la ridistribuzione preferenziale della sostanza a livello di un sito per il quale ha elevata affinità; ad esempio, gli organoclorurati si accumulano nella massa grassa, infatti uno degli interventi disintossicanti mira a sottoporre a dieta il soggetto per eliminare la massa grassa.
• La clearance è la velocità di eliminazione di una sostanza; si prendono in considerazione soprattutto la clearance polmonare e la clearance renale.

La tossicodinamica si occupa della fase in cui l’agente tossico giunge al sito bersaglio, riconosce un recettore specifico e subisce un’attivazione locale, esplicando la propria tossicità; a livello dell’organo bersaglio, però, l’agente tossico può anche subire un processo metabolico di detossificazione - per esempio attacco di un gruppo SH -, oppure essere contrastato da meccanismi di difesa citoprotettivi. Talvolta, il metabolismo - intendendo ad esempio la rimozione di gruppi funzionali per rendere la molecola più idrofila e dunque meglio eliminabile - può essere un meccanismo di tossificazione. Si prenda ad esempio il confronto tra toluene e benzene. Il benzene, di per sé, non è tossico, ma subisce reazioni enzimatiche a livello plasmatico che lo attivano, rendendolo responsabile di una tossicità a livello del sangue. Il toluene, invece, di per sé è tossico, ma subisce un metabolismo che lo detossifica. La valutazione della tossicocinetica e della tossicodinamica è importante non solo nell’ottica del singolo agente, ma anche per valutare i rischi di possibili interazioni tra sostanze, sia nel caso di una politerapia che, banalmente, per quanto riguarda l’assunzione di alimenti normalmente introdotti con la dieta - ad esempio l’alcol, che è un importante induttore del CYP450 e quindi può provocare interazioni.