Tossicologia generale

TOSSICOLOGIA una scienza

La tossicologia è una scienza multidisciplinare. Viene definita come

multidisciplinare che studia gli effetti avversi che gli agenti chimici possono produrre

negli organismi viventi.

Caso talidomide

La talidomide era stata proposta come farmaco ipnotico-sedativo per conciliare il

sonno. Inoltre, sembrava che la Talidomide avesse un effetto positivo sulla nausea

gravidica. La molecola, però, attraversa la placenta e altera i processi di crescita del

feto nel primo trimestre di gravidanza con conseguente nascita di bambini focomelici,

cioè con gli arti (soprattutto superiori) non completamente formati. Gli scienziati non si

erano accorti che la talidomide era teratogena perché era stata sperimentata solo sui

roditori che non sono sensibili agli effetti teratogeni della talidomide. Pertanto, dopo il

disastro della talidomide, è stato imposto di valutare la teratogenicità delle sostanze in

almeno due specie, di cui una diversa dal roditore. La talidomide oggi è ancora

presente in commercio per il trattamento di alcune forme di tumore con l’indicazione

di non essere utilizzata nelle donne in gravidanza (è possibile somministrare la

talidomide a donne potenzialmente non fertili).

Caso della ranitidina

Nel 2019, l’Agenzia italiana del farmaco (AIFA) ha disposto il ritiro di medicinali

contenenti il principio attivo ranitidina prodotti presso un’officina indiana. Il motivo è la

presenza, in alcuni lotti, di tracce di un’impurezza denominata N-nitrosodimetilammina

(NDMA) appartenente alla classe delle nitrosammine. Questa classe di molecole è

potenzialmente cancerogena. Pertanto, le autorità sanitarie hanno operato secondo il

principio di precauzione che prevede di ridurre al minimo i rischi per il paziente

limitando l’esposizione alla sostanza potenzialmente dannosa in attesa di informazioni

più esaustive.

Branche della tossicologia

La tossicologia presenta diverse branche:

Tossicologia descrittiva: si occupa della caratterizzazione degli effetti tossici

 degli agenti chimici su animali da esperimento e in modelli sperimentali. Gli studi

di tossicologia descrittiva vengono svolti soprattutto su animali e valutano

cardiotossicità, neurotossicità,

potenziali effetti tossici delle sostanze (es.

teratogenicità ecc.). La tossicologia descrittiva comprende anche la tossicologia

comportamentale che studia gli effetti delle sostanze sul comportamento (effetti

cognitivi, alterazioni del temperamento, umorali). Ad esempio, gli interferoni

hanno anche importanti effetti sul comportamento come alterazioni dell’umore,

depressione, mania, delirio e induzione al suicidio. I contaminanti ambientali,

invece, sono associati ad alterazioni nel neuro-sviluppo in patologie come

autismo, ritardo mentale ecc.

Tossicologia molecolare: studia i meccanismi responsabili dell’azione dei

 tossici. Per la maggior parte delle sostanze, tuttavia, non conosciamo i

meccanismi responsabili degli effetti tossici. La tossicologia molecolare permette

di identificare l’antidoto ad una molecola.

Tossicologia normativa: si occupa di adottare misure di prevenzione per

 limitare l’esposizione a sostanze tossiche e garantire la salute della popolazione.

Aree di specializzazione

1. Tossicologia clinica: si occupa degli interventi terapeutici nei casi di

intossicazione e delle malattie causate o associate con l’esposizione alle

sostanze tossiche.

1 2. Tossicologia alimentare: si occupa dello studio degli effetti tossici di xenobiotici

presenti negli alimenti destinati al consumo umano ed animale.

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

degli operatori.

4. Tossicologia ambientale: studia i livelli di agenti tossici nell’ambiente e i loro

effetti su tutti gli organismi viventi.

5. Tossico genomica: si occupa della comprensione delle basi genetiche delle

risposte all’esposizione ad agenti chimici o fisici.

6. Tossicologia dello sviluppo: è lo studio degli effetti indesiderati sugli organismi in

sviluppo che possono essere conseguenti all’esposizione ad egenti chimici o

fisici prima del concepimento (per entrambi i genitori), durante lo sviluppo

prenatale o nel periodo postnatale fino alla pubertà.

7. Teratologia: è lo studio dei difetti indotti durante lo sviluppo, tra il concepimento

e la nascita.

8. Tossicologia della riproduzione: è lo studio degli effetti indesiderati sul sistema

riproduttivo maschile e femminile che possono verificarsi in seguito

all’esposizione ad agenti chimici o fisici.

TERMINI E DEFINIZIONI

Si può definire “veleno” ogni agente capace di produrre un danno in un sistema

biologico. Virtualmente, ogni sostanza chimica conosciuta ha la potenzialità di

produrre un danno o la morte, se presente in una concentrazione sufficientemente

elevata. Alcune definizioni:

xenobiotico

1. Il termine indica qualsiasi sostanza di origine naturale o sintetica

estranea ad un organismo.

agente tossico

2. L’espressione indica qualsiasi agente, prodotto o sottoprodotto

delle attività umane, che può produrre un effetto indesiderabile o negativo su

un sistema biologico.

sostanza tossica

3. L’espressione indica una sostanza o miscela di sostanze che

hanno proprietà tossiche.

tossina

4. Il termine è una sostanza chimica o proteina prodotta da organismi

viventi quali piante, funghi, animali o batteri (sistemiche, d’organo).

Le sostanze tossiche possono essere classificate in esogene ed endogene. Le

intossicazioni possono essere endogene (provocate da alterazioni del metabolismo,

malattie renali, assorbimento di sostanze tossiche prodotte dalla flora intestinale,

formazione di sostanze in seguito a traumi, alterazioni di organi deputati alla

neutralizzazione, fissazione ed eliminazione di sostanze tossiche) o esogene (causate

da agenti chimici, fisici o di derivazione biologica).

Le tossine possono essere classificate in base a:

Provenienza: vegetale, animale e minerale.

 Stato fisico: gas, liquidi volatili estraibili in corrente di vapore, solidi.

 Natura Chimica: inorganici, organici.



Tossicità

Con il termine tossicità s’intende la capacità di una sostanza di produrre un danno a

carico di un organismo vivente. Si distinguono diversi tipi di tossicità:

- Tossicità intrinseca. Tossicità caratteristica e specifica della sostanza che dipende

dalle due proprietà chimiche e fisiche (es. radioattività).

- Tossicità acuta. È una tossicità legata all’esposizione ad una elevata dose di

tossico in singola dose o dosi ripetute.

2 - Tossicità cronica. È una tossicità legata ad un effetto negativo permanente o

duraturo che si manifesta in seguito all’esposizione prolungata a una sostanza

tossica. Può manifestarsi a basse dosi, ma con esposizione ripetuta.

L’effetto tossico può essere: locale, sistemico, reversibile, irreversibile e ritardato.

Effetti dei tossici

Gli effetti dei tossici possono essere diversi:

a. Effetti irritanti e caustici. Questi effetti vescicanti e corrosivi si manifestano su

escare, ulcere e perforazioni della

superfici di contatto con produzione di

mucosa gastrica caustica), lesioni delle vie respiratorie, dei polmoni

(acidi, soda e della cute.

(cloro, fosgene, arsine, ecc.)

b. Effetti ematotossici. Questi effetti ematotossici sono dovuti a: sostanze che si

combinano con emoblobina formando carbossiemoglobina o metaemoglobina,

sostanze che ledono i globuli rossi, sostanze che alterano il sistema di

coagulazione con azione anticoagulante o procoagulante, sostanze emotossiche

che lisano i globuli rossi.

c. Effetti neurotossici. Le neurotossine agiscono sulle cellule del sistema nervoso

solitamente attraverso un'interazione con le proteine di membrana dei neuroni,

quali i canali ionici, creando delle anomalie nella funzionalità dei diversi tipi di

canali ionici, impedendo la propagazione dell'impulso neuronale; questo può

condurre a paralisi motoria e morte dell'organismo. chimico, o

d. Azione citotossica. L'effetto di un agente di tipo fisico in grado di

indurre danno ad una cellula. L'agente che induce tale danno viene spesso

definito citotossina.

e. Azione cardiotossica. Agiscono sulla cellula cardiaca o sulle vie di conduzione.

f. Effetti parenchimotossici. Provocano effetti tossici nel fegato e nel rene,

determinando gravi eventi degenerativi e necrotici (tipico per alcuni metalli

pesanti).

g. Effetti tossici sistemici. Spiccata azione tossica citotossica diffusa (ac. cianidrico,

cianuri, tetraetile di piombo).

h. Altri effetti. Altri effetti sono teratogeni, carcinogenetici, allergotossici,

criminogeni e tossicomanigeni.

Fattori che determinano la capacità di uno xenobiotico di produrre un danno

all’organismo

Non tutti gli stimoli potenzialmente dannosi portano necessariamente allo sviluppo di

un danno; entriamo a contatto con un elevato numero di tossici giornalmente ma

questi non provocano danni. L’organismo, quando a contatto con una sostanza tossica,

la detossifica o innesca dei sistemi di compensazione volti ad arginare il danno. Se i

meccanismi compensatori sono efficaci, il danno non si verifica. Altrimenti, il danno

potrebbe manifestarsi. La tossicità di una sostanza può essere calcolata ed è uguale

alla concentrazione interna dei metaboliti (C) x il suo bersaglio (R) in funzione

dell’affinità tra recettore e composto tossico (A ).

RC

La C non indica la dose di tossico con cui veniamo a contatto, ma la concentrazione

interna di tossico che si accumula a livello del bersaglio. In seguito, accadono una

serie di eventi biochimici secondari che portano a disfunzioni o lesioni ai vari livelli di

organizzazione biologica. I bersagli predominanti e tossicologicamente rivelanti sono

gli acidi nucleici, le proteine e le membrane. Talvolta, uno xenobiotico non reagisce

con una molecola bersaglio specifica, bensì influenza negativamente l’ambiente

biologico, causando disfunzione molecolare, degli organelli, cellulare o dell’organo,

producendo effetti deleteri (es. acidosi sistemica). Pertanto, rispetto alla tossicologia, il

bersaglio è qualcosa di più ampio e meno definito.

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Fasi nella genesi del danno all’organismo

Teoricamente, l’intensità di un effetto tossico dipende dalla concentrazione e dalla

persistenza della sostanza tossica finale presso la sua sede di azione. Il tossico finale è

la specie chimica che reagisce con la molecola bersaglio endogena o altera

criticamente l’ambiente biologico, avviando alterazioni strutturali e/o funzionali che

comportano la tossicità. La genesi del danno richiede diverse fasi:

a. Fase 0. Esposizione.

b. Fase 1. Tossico-cinetica (ADME).

c. Fase 2. È la tossico-dinamica. Il tossico reagisce con il bersaglio che può essere

di diversa natura. L’organismo, contemporaneamente, sviluppa una risposta per

arginare il danno.

d. Fase 3. È la fase di disfunzione cellulare e tossicità risultante. Quando la sostanza

tossica arriva ad una determinata concentrazione all’organo bersaglio tale per cui

la risposta dell’organismo non è più sufficiente, si manifesta il danno (può portare

ad un danno cellulare o morte cellulare).

N.B. La riparazione è un processo di difesa nei confronti di un danno. È presente in

tutti gli organismi studiati e può essere di due tipi: riparazione molecolare e

riparazione tissutale. I sistemi di riparazione molecolare più importanti sono i sistemi

di riparazione delle proteine (chaperoni) e degli acidi nucleici (DNA polimerasi ecc.), in

particolare del DNA. Difatti, errori nel folding delle proteine e mutazioni del DNA sono

alla base dell’eziopatogenesi di diverse malattie. I sistemi di riparazione tissutale

comprendono infiammazione, sanguinamento, citochine ecc.

Fattori che determinano tossicità

I fattori che determinano la capacità di uno xenobiotico di produrre un danno sono:

dose, tossicità intrinseca (es. reattività di n tossico), condizioni di assunzione (es.

stomaco pieno o stomaco vuoto), interazione con altri farmaci e caratteristiche di

esposizione (modalità, sito e frequenza dell’esposizione).

Esempio del paracetamolo

Il paracetamolo è metabolizzato dal fegato attraverso processi di glucurono-

coniugazione. Una piccola parte di paracetamolo subisce una N-idrossilazione tramite

la via del citocromo p450 con produzione di un metabolita tossico altamente reattivo,

l’N-acetil-para-benzochinonimina (NAPQI). Questo metabolita viene generalmente

inattivato dal glutatione ridotto ed infine eliminato con le urine. Tuttavia, nel caso in

cui venga assunta un’eccessiva dose di paracetamolo, il glutatione non è in grado di

detossificare il metabolita tossico e si manifestano effetti tossici legati a danno

epatico. In questo caso, si deve intervenire tempestivamente con l’antidoto, N-

acetilcisteina.

Dose

La dose è la quantità di sostanza tossica cui viene esposto un organismo (mg/kg o

2

mg/m ). Inoltre:

1. Dose interna/assorbita. È la quantità effettiva di sostanza tossica che viene

assorbita e distribuita nell’organismo.

2. Dose efficace. È la quantità di sostanza che raggiunge l’organo bersaglio e

determina un effetto biologico.

3. Dose tossica. È la dose che causa effetto negativo sull’organismo.

Curve dose-risposta

L’intensità dell’effetto tossico dipende dalla concentrazione (dose interna) e dalla

persistenza della sostanza tossica finale presso la sua sede di azione. La relazione tra

il grado di risposta del sistema biologico e la concentrazione di sostanza tossica è

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mostrato nelle curve dose-risposta che possono essere: (a) relazione dose-risposta

individuale e (b) relazione dose-risposta quantale.

Curva dose-risposta individuale

Descrivono la risposta di un individuo a concentrazioni crescenti del tossico. Sono

dette graduali. Da queste curve si estrapolano informazioni molto utili in campo

farmacologico e tossicologico, come: (a) la dose soglia, (b) la dose letale 50 e (c)

velocità con cui l’effetto tossico aumenta in funzione alla dose. La velocità di

comparsa dell’effetto tossico è simile ai concetti di efficacia (effetto max) e potenza

(intervallo di dosi in cui la sostanza produce effetti sempre maggiori) dei farmaci.

Questi parametri possono cambiare da specie a specie e da individuo ad individuo. Le

relazioni dose-risposta individuali sono caratterizzate da un aumento dose-dipendente

dell’intensità della risposta.

Curva dose-risposta quantale

Descrivono la distribuzione della risposta ad una concentrazione del tossico in una

popolazione di individui. Sono dette quantali. Si ottiene valutando la % di individui che

risponde alla dose. Pochi individui mostrano risposta bassa (resistenti) e risposta

massimale (sensibili), la maggior parte di individui risponde in maniera intermedia. Le

curve di distribuzione delle frequenze sono costruite attraverso istogrammi (dati dalla

somma della frequenza di individui che mostra una determinata intensità di risposta

più quella precedente). Queste curve sono importanti perché permettono di valutare

differenze delle risposte individuali nella popolazione, le quali possono dipendere, ad

esempio, dai polimorfismi genetici di enzimi chiave del metabolismo delle sostanze.

Ormesi

Relazione dose-risposta caratterizzata da andamento bifasico o a U. Sostanze

caratterizzate da ormesi sono tossiche sia a basse dosi (carenza) che ad alte dosi (con

effetto tossico che aumenta all’aumentare della dose). L’intervallo di concentrazione

in cui non si hanno deficit o risposte tossiche è detto intervallo di omeostasi. Un

esempio è il potassio: l’iperkaliemia porta a irritabilità, depressione, stanchezza

mentre l’ipokaliemia porta a disfunzioni contrattili, crisi tetaniche e disturbi neurologici

importanti.

Concentrazioni

Dalle curve dose-risposta degli animali si possono ottenere:

1. NOAEL. Dose più alta di agente chimico che in un test di tossicità non causa

effetti tossici.

2. NOEL. Dose più alta ad un agente chimico che non causa effetti biologici.

3. LOAEL. Dose più bassa alla quale si osserva un effetto tossico.

4. LOEL. Dose più bassa alla quale si ha un effetto biologico.

Da queste concentrazioni calcolate sperimentalmente sugli animali si ottengono “dosi

sicure” o “dosi tollerate” per l’uomo, calcolate con fattori di sicurezza:

5. ADI (dose accettabile). Dose alla quale il soggetto può essere esposto

giornalmente per tutta la vita senza effetti avversi riconoscibili.

6. RfD. Dose di riferimento per l’esposizione umana.

ADI e RfD non possono essere calcolati per tutti i tossici poiché non per tutti i tossici è

definibile una dose soglia entro la quale l’esposizione non provoca danni.

DL

50

La DL è la dose di una sostanza (espressa in mg/kg) che, somministrata per una

50

determinata via, in una data specie animale e in una singola dose provoca il 50% degli

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animali sottoposti all’esperimento. È un parametro usato per avere un’idea sulla

tossicità delle sostanze (es. usata da FDA per classificare i pesticidi). Dipende da:

sesso, specie e via di somministrazione. Quanto più la DL50 è piccola, tanto più la

sostanza è tossico. In funzione del valore della dose letale 50, le sostanze vengono

suddivise in supertossiche, altamente tossiche, molto tossiche, moderatamente

tossiche, leggermente tossiche e praticamente atossiche.

Limiti della DL50:

Dipende da specie, via di somministrazione e condizioni sperimentali

 È