Appunti di Tossicologia

Tossicologia

La tossicologia è una scienza multidisciplinare. Include diverse branche: meccanicistica (meccanismo di azione della sostanza), legale, clinica, regolamentazione, ambientale ed alimentare, che coprono diversi aspetti tutti concatenati tra loro. Essa studia non solo gli effetti avversi delle sostanze chimiche (a bassissime dosi per lunghissimo tempo), ma anche il meccanismo di azione della sostanza chimica che causa patologie acute e croniche.

Classificazione

È possibile suddividere la tossicologia in tre classi:

• Livello 1. L’esposizione può essere di tipo volontario o involontario (accidentale). La dose per entrambi è elevata e la durata è breve. La classe tossicologica è clinica.
• Livello 2. L’esposizione è di tipo occupazionale (cutaneo, inalatorio). La dose è media e la durata è media. La classe tossicologica è industriale (medicina del lavoro).
• Livello 3. L’esposizione è di tipo cronico. La dose è bassa e la durata è lunga. La classe tossicologica è sperimentale ed epidemiologica.

Epidemiologia

L’epidemiologia riguarda studi su popolazioni lavorative, perché più ristretto è il numero della popolazione, più chiaro è il risultato. Esempio: studio epidemiologico su popolazione fumatori; tumori a livello della vescica su lavoratori che producevano coloranti.

Tossicologia e ambiente

L’ambiente influisce sulla patologia e sulla tossicologia. Ad esempio, i giapponesi in Giappone soffrono poco di cancro alla prostata e molto di cancro allo stomaco. Uno studio fatto sui giapponesi trasferiti in California dimostra che aumenta il cancro alla prostata ma diminuisce il cancro allo stomaco. I tumori non derivano soltanto da sostanze di sintesi, ma anche da sostanze naturali. Le micotossine, ad esempio, sintetizzate da funghi, sono molto più tossiche di qualsiasi sostanza di sintesi chimica. Hanno una potenza tossica elevatissima. Oltre alle tossine naturali, prodotti derivanti dalla dieta (proteine, lipidi, carboidrati), se assunti in modo eccessivo, possono causare seri rischi alla salute. Un altro tipo di problema è la reattività intrinseca della molecola. Ad esempio, la reazione di Maillard sugli alimenti può generare molecole pericolose per la salute.

Xenobiotici e tossine

Una molecola innocua identifica sia una molecola non pericolosa sia una molecola che rimane il meno possibile a contatto con l’organismo. Per quanto riguarda gli agenti tossici, si differenziano:

• Xenobiotico: molecola di qualsiasi tipo, di origine naturale o sintetica, estranea ad un organismo. Può esplicare sia la funzione di farmaco sia di veleno tossico. Lo xenobiotico è strutturalmente simile ad una molecola endogena e può anche essere substrato di un enzima primariamente coinvolto nel metabolismo intermedio.
• Tossine: sostanze tossiche prodotte naturalmente (metalli, micotossine). Le micotossine sono aflatossina, patulina, ocratossina, fumosina.
• Sostanza tossica o tossico: sostanza tossica che può avere origine diretta (colorante in un prodotto alimentare) o indiretta (pesticida), ma comunque originate dall’uomo come per esempio un metallo trasformato. È possibile classificare le sostanze tossiche anche in base al loro stato fisico, alla classe chimica, al loro bersaglio e al meccanismo di azione.

Se i tossici subiscono un esame tossicologico severo e standardizzato per definirne la DGA (ADI), le tossine naturali non vengono esaminate e la loro tossicità si riscontra in evidenze di tipo epidemiologico, direttamente sulla popolazione. Queste due categorie non devono considerarsi separate tra loro. Talvolta, infatti, tossina e tossico possono coincidere: la TCDD (tetraclorodibenzodiossina) può essere prodotta sinteticamente oppure originata dalla combustione del legno.

Agenti di tossicità

Gli agenti che possono causare tossicità sono: sostanze chimiche (veleni), sostanze fisiche (polveri, fibre, calore, rumore, sostanze corrosive) e sostanze biologiche (patogeni), radiazioni. Gli agenti chimici a cui è possibile essere esposti sono:

• Agenti chimici industriali (intermedi, sostanze di sintesi, prodotti di scarto).
• Agrofarmaci (erbicidi, pesticidi, fungicidi).
• Additivi alimentari (conservanti, antiossidanti, edulcoranti, aromatizzanti, integratori).
• Farmaci (tuttavia, in base all'equazione rischio-beneficio, una potenziale tossicità provocata dagli xenobiotici è controbilanciata dal beneficio nella cura della patologia).
• Cosmetici e prodotti per la casa.
• Xenobiotici ambientali (metalli, idrocarburi policiclici aromatici).
• Eccipienti.

Rischio e pericolo

C’è una sostanziale differenza tra pericolo e rischio: l’esposizione.

• Pericolo: possibilità che la tossicità possa essere espressa. Il pericolo è intrinseco.
• Rischio: viene definito come relazione tra pericolo ed esposizione. Il rischio è proporzionale alla potenzialità della sostanza chimica e all’estensione dell’esposizione. Dunque, è la concreta possibilità di avere pericolo.

Identificare il rischio significa quantizzare le dosi sicure. Il protocollo tossicologico prevede l’ADI, mentre per descrivere il possibile rischio legato all’utilizzo di determinate sostanze si utilizzano NOAEL e LOAEL.

• ADI o DGA (dose giornaliera ammissibile. In inglese si chiama ADI: admissible daily intake): dose sicura di una sostanza che si può ingerire giornalmente per tutta la vita.
• NOAEL: dose più alta a cui non è stato osservato alcun effetto avverso.
• LOAEL: dose più bassa a cui è stato osservato l’effetto avverso.

Per definire l’ADI, occorre fare degli studi tossicologici sugli animali. Occorre verificare il NOAEL, ovvero dose più alta che non ha prodotto alcun effetto tossico somministrata per 24 mesi sull’animale. Per validare l’esperimento dall’animale all’uomo, si divide questa dose per 10 (fattore di trasferimento animale-uomo) e ulteriormente per 10 (fattore ulteriore di sicurezza). La dose che ottengo è l’ADI. Dunque, l’ADI è il NOAEL diviso per 100.

Concetto di dose

La tossicità è in funzione della concentrazione dell’agente tossico. Maggiore è la concentrazione e maggiori sono gli effetti tossici. Questa regola vale per tossine e tossici ma non vale per i nutrienti: sia un loro eccesso sia una loro carenza causa effetti avversi. Per valutare l’effetto tossico di un agente, si ricorre al parametro DL50 (dose letale 50). Questo è un parametro di tossicità acuta: dose letale che è in grado di uccidere il 50% del sistema in analisi (Ad esempio: sistema batterico, coltura di cellule, animali trattati). È espressa in mg/kg di peso corporeo. Ci sono sostanze come la tossina botulinica di cui basta una dose bassissima (0,00001 mg/kg) per essere tossica. Di altre sostanze come l’alcol etilico (10 mg/kg) serve una dose maggiore. Per poter paragonare la tossicità di due o più sostanze, occorre prendere in considerazione la DL50 in mg/kg. Il peso considerato standard è 60 kg.

Per quanto riguarda la concentrazione, essa può essere espressa come:

• 1 ppq 10^-12 g: pg/kg.
• 1 ppt 10^-9 g: ng/kg. È paragonabile a dire 1 moneta nell’area metropolitana di Parigi.
• 1 ppb 10^-6 g: μg/kg. È paragonabile a dire 1 goccia in 50 metri cubi.
• 1 ppm 10^-3 g: mg/kg. È paragonabile a dire 1 minuto in 2 anni.

In passato era essenziale per descrivere l’indice terapeutico: DL50/DE50 (dose efficace 50). Indica l’intervallo tra l’efficacia della dose e la sua letalità, tanto più l’intervallo di concentrazione è ampio tanto più il rischio di letalità è distante. Ora si utilizza il margine di sicurezza: DL1/DE99 (DL1= dose tossica).

"La dose è quella che fa l’effetto" (Paracelso): tutte le sostanze sono tossiche, è solo la dose che causa l’effetto. La tossicità è in funzione della concentrazione della sostanza chimica o del metabolita. In base a questo, è possibile costruire una curva dose-risposta. I parametri fondamentali della curva semilogaritmica sono:

• Posizione della curva sull’asse delle ascisse x: indica il grado di attività o potenza del farmaco. Più lo xenobiotico è potente, più la curva è vicina all’asse delle y. È la concentrazione di uno xenobiotico necessaria a dare un effetto. Dipende dalla dose.
• Pendenza: indica l’ampiezza dell’intervallo che intercorre tra dose minima attiva e dose massima efficace.
• Altezza: indica il massimo dell’effetto raggiungibile (efficacia). Non dipende dalla dose.

Guardando due curve dose risposta di diverse sostanze, si possono valutare potenza ed efficacia.

• Tra le sostanze A e B, si ha stessa efficacia (altezza); ma A è più potente (posizione su x) di B.
• Tra le sostanze C e D, D è più efficace di C (altezza), ma C è più potente (posizione su x) di D.

Le curve dose-risposta possono essere di vari tipi:

• La curva monotona cresce oppure decresce (può fare l’uno o l’altro) in base all’effetto. (può essere lineare, quindi dose e risposta sono direttamente proporzionali, oppure semplicemente crescente in cui la risposta cresce al crescere della concentrazione). Es. Xenobiotici.
• La curva non monotona è quella ormonale: può sia crescere che decrescere (fa tutti e due: bifasica). Ciò significa che ad un certo punto, con il crescere della dose, l’effetto diminuisce (e viceversa). Es. nutrienti essenziali.

Interazioni tossico/bersaglio

La possibilità che lo xenobiotico agisca di per sé è molto bassa. Le sostanze devono venire in contatto con l’organismo attraverso diverse vie e venire metabolizzate: ciò comporta un cambio di cinetica del composto di partenza. Le vie di esposizione sono diverse: cutanea, orale, intradermica, intramuscolare, sottocutanea, intraperitoneale, inalatoria ed endovenosa. La via cutanea è quella che dà minor biodisponibilità del tossico e dunque minor tossicità. La via endovenosa è quella che dà maggior biodisponibilità del tossico e dunque maggior tossicità. I tempi di esposizione possono essere molto diversi: meno di 24 ore (acuta), 1 mese (subacuta), da 1-3 mesi (subcronica), maggiore di 3 mesi (cronica) dipende dal tipo di sostanza somministrata: additivi, farmaci.

Bersaglio

È essenziale che esista un bersaglio con cui l’agente tossico possa interagire perché la risposta tossica si manifesti. Il bersaglio di una tossina non è soltanto un recettore proteico di membrana o citoplasmatico, ma può anche essere un atomo nucleofilo (O, N) presente lungo il DNA o l’RNA oppure un residuo SH. Se il residuo SH appartiene ad una cisteina del glutatione, si ha detossificazione. Se appartiene ad una proteina citoscheletrica del cervelletto, si ha un effetto citotossico. L’agente elettrofilo o alchilante provoca danno che può essere riparato o provocare evento irreversibile). Il bersaglio può essere un enzima (Ad esempio, gli esteri organofosforici (pesticidi, insetticidi), che bloccano acetilcolinaesterasi in modo irreversibile. Ciò causa una iperstimolazione sistema colinergico, la depressione centri respiratori e la morte.) la cui attività è modificabile oppure un canale (Ad esempio, il DDT ritarda la chiusura canali sodio, causando tremori, convulsioni. Un altro esempio è la tetrodotossina, che causa blocco selettivo canali sodio, provocando morte per paralisi muscolare).

La concentrazione al bersaglio dell’agente tossico, dei suoi metaboliti o dei suoi prodotti di degradazione è estremamente correlata alla dose esterna. L’effetto tossico sia qualitativo sia quantitativo è strettamente correlato alla dose interna.

La dose esterna è la dose somministrata. Rappresenta gli mg/kg peso corporeo dell’agente tossico somministrato sperimentalmente o a cui si è esposti. La dose interna è il metabolita biodisponibile che arriva al bersaglio. Rappresenta gli mg/kg peso corporeo dell’agente tossico che raggiungono il bersaglio.

Interazione tossico-bersaglio

L'interazione agente-bersaglio può dare attivazione o blocco di eventi a cascata. Lo xenobiotico, a seconda di concentrazione ed affinità, può fungere da agonista (mimando il ligando endogeno) o da antagonista. Le possibili interazioni tra le sostanze possono dare effetti additivi, sinergici, di potenziamento o di antagonismo. Questi effetti dipendono dall'affinità chimica delle sostanze per il bersaglio.

• Antagonismo funzionale: due agenti si controbilanciano dando effetti opposti sulla stessa azione biologica. Ad esempio, somministrando insieme barbiturici (ipotensione) e noradrenalina (ipertensione), il soggetto ha valori di pressione nella norma.
• Antagonismo chimico: composti interagiscono chimicamente tra loro e l'effetto è minore o nullo. Ad esempio: i chelanti (dimercaprolo BAL) chelano metalli tossici come As, Hg, Pb diminuendone la tossicità. Ad esempio: oppioidi spiazzati da naloxone.
• Antagonismo recettoriale: due sostanze competono per lo stesso recettore, diminuendo azione di entrambe le sostanze o di una sola di esse.
• Antagonismo nella biodisponibilità: dipende da ADME. Esistono sostanze che alterano queste fasi. Esempio: diuretici aumentano escrezione renale, carbone diminuisce biodisponibilità per assorbimento, barbiturici aumentano attività degli enzimi ossidasici MFO e sono usati per aumentare catabolismo degli agenti tossici.

(Un effetto additivo è la somma effetti di ciascuna sostanza, come insetticidi organofosforici su bersaglio comune. Un effetto sinergico è l’effetto combinato maggiore della somma, asbesto e fumo di sigaretta nel polmone. Un effetto di potenziamento è una tossicità molto aumentata da un composto che da solo non dava effetti tossici. Ad esempio, il propanolo aumenta tossicità di tetracloruro di carbonio nel fegato. Un effetto di antagonismo avviene quando due sostanze interferiscono, oppure una antagonizza l'altra).

Tossicocinetica e tossicodinamica

La tossicità di una o più sostanze è in funzione non solo della concentrazione dell’agente tossico, ma anche del numero di recettori endogeni e dell’affinità recettoriale.

TOSSICITA= (concentrazione del tossico)*(numero di recettori endogeni)*(affinità verso il bersaglio).

Per valutare l’effetto di un tossico, occorre considerare:

• Tossicocinetica, ovvero la distribuzione sostanza tossica e dei suoi metaboliti.
• Tossicodinamica, ovvero l’interazione di tali entità con il recettore (bersaglio) dell'effetto tossico.

Dopo l’iniziale esposizione all’agente tossico o tossina, l’agente subisce nel corpo una serie di trasformazioni, che terminano con il suo rilascio al bersaglio. L’evento finale di tossicità dell’agente al bersaglio dipende dal sottile equilibrio tra fenomeni farmacocinetici e farmacodinamici: assorbimento ed eliminazione, distribuzione al sito bersaglio e al sito non bersaglio, riassorbimento ed escrezione, attivazione metabolica e detossificazione. Tossici e tossine possono generare metaboliti biologicamente più attivi (alchilanti o epossidici), che possono interagire con materiale genetico, causando effetti che variano in base alle cellule colpite.

Gli effetti maggiori da tenere in considerazione sono: citotossico, genotossico, teratogeno, immunotossico:

• Se lo xenobiotico viene assorbito, può dare effetti immunotossici e genotossici.
• Se lo xenobiotico non viene assorbito, si ha effetto citotossico, ovvero irritazione causata da quella sostanza.

Gli effetti di un tossico possono essere reversibili o irreversibili, immediati o ritardati, locali o sistemici. L’effetto è reversibile o irreversibile a seconda del sito d'azione e dell'efficacia dei meccanismi di difesa.

• Danno citotossico. Nel fegato, se il danno citotossico è acuto, non provoca perdita di funzionalità grazie alla velocità di replicazione cellulare: il danno è riparato velocemente. Se l'effetto necrotico è cronico o massiccio, le cellule sono rimpiazzate da fibroblasti, poi dal tessuto connettivo ed infine si ha cirrosi.
• Danno mutageno. Un danno mutageno, ovvero che provoca una mutazione sul DNA, può essere reversibile se la mutazione non viene fissata. Tuttavia, se la mutazione è fissata o non avviene apoptosi, il danno irreversibile e si hanno neoplasie.
• Danno teratogenico. Se il teratogeno viene a contatto con la madre durante embriogenesi, il danno è irreversibile e provoca morte. Se il teratogeno viene a contatto con la madre durante la fase fetale, si hanno modificazioni funzionali spesso recuperabili nei primi anni di vita. Tuttavia, i danni al sistema nervoso sono irreversibili e irreparabili, in quanto le cellule muoiono.

L’effetto tossico può derivare da una tossicità acuta, dove la dose genera un effetto tossico o letale in tempi brevi o da una tossicità cumulativa, qui la dose non è mai riassorbita completamente e si accumula nel tempo generando poi l’effetto tossico o letale. Infatti, su cellule germinali danno infertilità, su cellule somatiche possono indurre neoplasie o malformazioni da teratogeni. Ad esempio, la talidomide (ansiolitico), dava nascite di bambini focomelici.