Appunti integrati tossicologia

Tossicologia

Tossicologia è la branca delle discipline mediche che studia la natura, gli effetti, le proprietà e le dosi delle sostanze tossiche.

Effetti dei composti tossici

- Descrivere l'effetto tossico e il meccanismo di azione per stimare qualitativamente la pericolosità (se tossico o no).

- Valutazione della probabilità di insorgenza di danni alla salute a determinate esposizioni per una stima quantitativa del rischio (ad esempio, metalli pesanti hanno un tempo in cui l'esposizione non è tossica e poi con accumulo si ha un effetto tossico).

Effetti dose-intensità

• Forense (droghe, farmaci, veleni e implicazioni mediche/legali)
• Sperimentale Clinica (esperimenti preclinici, avvelenamenti, ricerca antidoti)
• Regolamentativa
• Tossicologia Ambientale (effetti delle sostanze su aria, acqua, terra, uomo)
• Alimentare
• Industriale (pesticidi, additivi, micotossine, malattie da contatto con sostanze chimiche sul lavoro)

Esempio: additivi alimentari con livelli tossici al di sotto di una certa soglia perché l'organismo riesce a detossificarli (anni '80, vino con metanolo ad alta concentrazione che ha portato a morti).

Tossico

Una sostanza chimica che, venuta a contatto con un sistema biologico, determina un'alterazione non desiderata dello stato fisiologico (intossicazione acuta o cronica). Un agente eziologico è una sostanza estranea.

Intossicazione

Malattia acuta o cronica a seguito dell'esposizione dell'organismo a sostanza tossica. Risultato di processi che riguardano la sostanza, l'organismo e l'interazione. Esempio: intossicazione da Paracetamolo, durante il metabolismo si generano metaboliti tossici. Nel caso di esposizione prolungata, l'intossicazione è visibile superata una certa soglia.

Farmaco e agente tossico

• Farmaco: effetti negativi in relazione alla concentrazione, dose.
• Agente tossico: effetto tossico a qualsiasi concentrazione.

Categorie di agenti tossici

• Origine antropogenica/antropica: pericolo per vita umana e ambiente, derivano da attività umane potenzialmente pericolose come le industrie.
• Origine naturale: tossina è una sostanza prodotta da organismo animale, vegetale o microbico dannosa per alcune specie. Biotossina è veleno prodotto da attività metabolica di alcuni esseri viventi (batteri, funghi → micotossine).

Diossine

• Naturali: spongiadiossina, repellente prodotto da spugna di mare Dysidea dendyi. Attività antimicotica e antibatterica, 1,2 diossine attività antitumorale potenziale.
• Non naturali: 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina o TCDD o diossina Seveso prodotta da combustione in industrie chimiche, siderurgiche, metallurgiche, termoelettriche, inceneritori, vetro, ceramica, acciaierie, fumo di sigaretta. Combustione legno, carbone, rifiuti urbani e cremazione.

Nel 1976, un reattore chimico per la produzione di triclorofenolo (diserbanti) aumentò la temperatura oltre i limiti per arresto lavorazione senza attivazione del sistema di raffreddamento. L'apertura delle valvole di sicurezza per evitare l'esplosione liberò TCDD. Risultati: infiammazione occhi e vie respiratorie e per esposizione prolungata, ustioni, morte bestiame e raccolti, nausea, disturbi gastroenterici, problemi SNC. Nel 1988, la Direttiva Seveso (comunità europea) stabilì quali industrie sono pericolose e cosa devono fare per limitare i danni. (+ 2 modifiche). Disposizioni per prevenire incidenti rilevanti connessi al possesso di sostanze pericolose e limitare le conseguenze per uomo e ambiente e si applica a stabilimenti che detengono sostanze potenzialmente pericolose in quantità oltre soglia Normativa Seveso.

Altre classificazioni per:

• Stato fisico (gas, polvere, liquido)
• Stabilità chimica/reattività (esplosivo o infiammabile)
• Potenziale tossicità (estremamente, molto, debolmente tossico)
• Meccanismo d'azione: agenti alchilanti come ciclofosfamide, inibitori colinesterasi come organo fosforici.

Proprietà chimiche/biologiche, Uso legislativo e tossicologia, Caratteristiche esposizione.

Indice di tossicità

• 1: Praticamente atossiche dosi letali >15 g/kg
• 2: Leggermente tossiche 5-15 g/kg, alcool etilico con LD50 di 10 g/kg
• 3: Moderatamente tossiche 0.5-5 g/kg, morfina 0.9 g, NaCl 4 g, metanolo 1g
• 4: Molto tossiche 50-500 mg/kg, fenobarbitale 150 mg, acido acetilsalicilico 300 mg
• 5: Altamente tossiche 5-50 mg/kg, teofillina 50 mg
• 6: Supertossiche <5 mg/kg, KCN 3 mg, TCDD 0.001 mg, tetrodotossina (paralisi flaccida per impedimento rilascio 0.10 mg, tossina botulinica 0.00001 mg acetilcolina dalle vescicole. Catena leggera è proteasi che attacca proteinasinaptobrevina o sintaxina o SNAP25 della giunzione neuromuscolare e impedisce rilascio)

Fattori relativi al tossico

• Dose (indica potenza): DL50 quantità di sostanza per unità di peso corporeo che causa morte nel 50% della popolazione sperimentale, ovvero animali da laboratorio come topi, ratti, conigli, cavie (mg/kg). Specifica specie animale, via di somministrazione e tempo di osservazione sperimentale. Autorizza tentativi di estrapolazione nell’uomo.
• Struttura molecolare (generare antidoto interagendo con tossico) caratteristiche fisiche e chimiche condizionano risposta tossicologica, attività tossica e cinetica. Tossicocinetica: variazioni concentrazioni tissutali nel tempo, risultato di assorbimento, distribuzione, metabolizzazione, eliminazione sostanza. Tossicodinamica: modifiche biochimiche che la sostanza determina in organismo. Configurazione elettronica determina grado tossicità. Se ho elettroni spaiati nell'orbita periferica è un radicale libero (organico: chinoni, inorganico: radicali O). I radicali liberi si combinano con fosfolipi membrana, proteine recettoriali o strutturali, acidi nucleici dando tossicità cellulare con necrosi, inibizione di proteine enzimi, mutagenesi, teratogenesi, cancerogenesi. Paraquat e Diquat erbicidi dipiridilici con struttura simile ma diversa tossicocinetica. Paraquat si accumula in alveoli polmonari dopo assorbimento → tossicità polmonare. Diquat no tossicità polmonare.
• Meccanismo d’azione: risposta tossicologica per diagnosi e intervento terapeutico mirato. Recettoriale: interazione con target preciso o defunzionalizzazione. Non recettoriale: deposito su tessuto senza interazione con enzimi (può non interagire con target specifico ma ad esempio altera polarizzazione membrana).

Classificazione effetti tossici

• Danno lesionale: non conosciuto bersaglio specifico e dose in circolo, più pericoloso (Paracetamolo).
• Danno funzionale: bersaglio specifico noto (Benzodiazepine).

Reazione allergica

Origine immunologica, precedente esposizione che da sensibilizzazione. Complesso aptene - proteina endogena. Manifestazioni pelle, occhi, bronchi. Basse dosi.

Reazione idiosincrasica

Geneticamente determinata (bassa incidenza), può insorgere dalla prima somministrazione. Esempi: succinilcolina (bloccante neuromuscolare) se ho alterazione succinilcolinesterasi ho rilassamento prolungato muscolatura, apnea e morte. Favismo malattia con deficit glucosio-6-fosfato deidrogenasi importante per produzione glutatione. Assunzione di farmaci ossidanti provoca emolisi, accumulo H₂O₂. Immediata: dopo una somministrazione singola.

Tossicità ritardata

Es. benzene che provoca cancerogenesi. Es. organo fosforici che hanno pralidossima come antidoto o atropina (antagonista acetilcolinaesterasi) per limitare effetti dannosi. Acetilcolina (non fa contrarre muscolatura involontaria) non degradata da acetilcolinaesterasi.

Effetti tossici

Dipendono da organo colpito:

• Reversibili: a concentrazioni o dosi non pericolose anche se individui non rispondono tutti ugualmente e se devo aumentare concentrazione farmaco devo rimanere sotto dose limite (es. fegato tessuto che si rigenera velocemente). Dose-dipendente.
• Irreversibili: non ho concentrazioni non pericolose (es. SNC in cui i neuroni non si replicano).

Tossicità locale e sistemica

• Locale: sito di contatto agente – sistema biologico (es. sostanze caustiche ingerite o irritanti inalate come gas Cl).
• Sistemica: agente assorbito dall’organismo, azione lontana da punto di contatto. Piombo danni locali e sistemici. Entra nei globuli rossi e compete con Fe di emoglobina causando anemia, sostituzione a Ca nelle ossa, neuropatia periferica e demielinizzazione fibre nervose. Antidoto: chelanti come EDTA, penicillina.

Caratteristiche esposizione

Agente o metabolita deve entrare in contatto con sito specifico a una concentrazione adeguata e per un periodo di tempo abbastanza lungo.

Fattori che influenzano tossicità

• Via di somministrazione: GI (ingestione), polmoni (inalazione), pelle (topica, dermica, percutanea) sono organi più sensibili.
• Durata e frequenza esposizione: acuta, subacuta, subcronica, cronica. Es. posso avere un’esposizione duratura o più esposizioni brevi.
• Emivita agente tossico: più lunga è l’emivita, più grande è il danno.

Farmaco-recettore

• Risposte farmacologiche:
• EC50: concentrazione farmaco che produce il 50% dell’effetto massimale.
• Graduali: risposta misurabile in continuo, aumenta ad aumentare dose/concentrazione farmaco. Curve dose-effetto graduali.
• Teoria dell’occupazione: effetto proporzionale al grado di occupazione del recettore.
• Quantali: risposta non misurabile in continuo. Curve dose-effetto quantali in cui la dose è correlata con il numero di individui che rispondono al farmaco (istogramma di frequenza o curva cumulativa).
• Curva cumulativa: calcolo da istogramma per ciascuna dose la % che risponde rispetto al totale e la somma a % relativa a dosi inferiori.
• ED50: dose efficace 50, dose di farmaco che determina effetto desiderato nel 50% della popolazione, ricavata da curva cumulativa.
• Potenza: misura di quanto farmaco è necessario per dare effetto, EC50 (minore è EC50 e maggiore è potenza farmaco).
• Efficacia: massima entità dell’effetto che il farmaco può indurre. Farmaco con efficacia migliore è terapeuticamente più vantaggioso rispetto a più potente.

Indice terapeutico

• ED50
• LD50: dose letale nel 50% della popolazione.

Maggiore è la finestra fra le due dosi e maggiore è la sicurezza del farmaco. Esempio: Warfarin ha basso IT, se cambio dosaggio rischio di provocare effetto tossico. Penicillina ha elevato IT. Dosi riferite a topo, estrapolo risultati per uomo.

Ormési

Relazione dose/risposta caratterizzata da un effetto bifasico: molti organismi/sistemi biologici esposti ad un'ampia gamma di stimoli mostrano risposte opposte a seconda della dose; funzione adattativa. Organismi tendono a raggiungere stabilità, omeostasi e il processo si altera con insulti cellula (stress, radiazioni) o agenti tossici o farmaci.

Regione di omeostasi: garantisce sopravvivenza cellulare.

Regione di carenza: stress perché mancano nutrienti.

Regione di tossicità. Curva a U: bassa dose ha effetto tossico, aumentando la dose scompare (ritorno regione di omeostasi). Curva a U rovesciata: alta dose ha effetto tossico, diminuendo la dose scompare (ritorno regione omeostasi).

Esempi: antibiotici a bassa dose favoriscono crescita batterica, ad alte dosi li uccidono. Radiazioni a bassa dose danno radioresistenza cellule, ad alte dosi le uccidono. Alcool etilico a basse dosi diminuisce il rischio di malattie cardiovascolari, ad alte dosi è causa scatenante di queste patologie.

Fattori che influenzano la tossicità

• Proprietà chimico-fisiche: lipofilo-idrofilo. Hg elementare atmosferico tossico se inspirato, idrofilo colpisce rene (in altro schema dice lipofilo). Me-Hg (metilmercurio) viene assorbito, complessa con cisteine libere e inglobato in proteine al posto di cys. Passa BEE, placenta (ritardi cognitivi, deficit memoria e attenzione). Lipofilo. Mercurio inorganico Hg+ o Hg2+ idrofilo.
• Dose (concentrazione)
• Via di esposizione
• Tempo di esposizione
• Assorbimento, distribuzione, metabolismo, escrezione
• Suscettibilità individuale (dipende da patrimonio genetico personale, sensibilità sistema biologico).

Caratterizzazione rischio da parte del tossicologo

Giudizi quantitativi di effetti avversi o tossici che sostanze possono provocare.

Rischi reali e rischi percepiti

• Deficienze nutrizionali
• Intossicazioni batteriche
• Tossine origine biologica
• Residui fitofarmaci
• Additivi alimentari

Valutazione rischio

• Identificazione pericoli
• Caratterizzazione pericoli (valutazione curve dose/risposta)
• Determinazione sicurezza (dose giornaliera TDI)
• Gestione rischio (concentrazioni max tollerabili)
• Caratterizzazione rischio (valutazione esposizione, confronto con limiti soglia)
• Comunicazione rischio

Identificazione pericolo con protocolli sperimentali: ≠ rischio pericolosità. Identifico e valuto pericolosità con studi come SAR, VITRO, VIVO, epidemiologici (esplosivo, infiammabile, comburente, corrosivo, tossico, irritante, nocivo, pericoloso per l'ambiente) per tossicologia ho tossicocinetico, tossicità acuta, a breve termine, genotossicità, sviluppo, riproduzione, a lungo termine, cancerogenesi. Valuto il rischio e stimo l'esposizione per caratterizzare il rischio.

Pericolo e rischio

• Pericolo: conseguenze negative certe
• Rischio: conseguenze negative potenziali

Risposta dose.

Dose soglia: dose al di sotto della quale non si ha tossicità DNEL, ricavata da NOAEL e LOAEL (grafico).

• LD50: dose che uccide 50% organismi esposti
• LOAEL: dose + bassa a cui ho effetto avverso
• NOAEL: dose a cui non si osserva nessun effetto avverso

ADI: dose accettabile esposizione umana giornaliera. ADI = SF fattore di sicurezza: varia tra 10 e 10000, SF considero uomo 10 volte + sensibile di animale su cui faccio test.

Sostanza lipofila

Distribuita a organismo al fine di raggiungere suo bersaglio lontano o vicino al punto di contatto. Poi ho escrezione e riassorbimento.

Favorire distribuzione

• Porosità endotelio (tossico deve comunque essere una molecola abbastanza piccola)
• Accumulo in organelli cellulari per trasporto in vari distretti tramite vescicole
• Legame intracellulare reversibile

Ostacolare distribuzione

• Legame PP
• Barriere specializzate (BEE, pelle)
• Meccanismi eliminazione
• Legame proteine intracellulari (forti o lungo tempo)

Attivazione e detossificazione

Attivazione: trasformazione in elettrofili, radicali liberi, nucleofili, reagenti redox. I gruppi funzionali sono responsabili della funzione.

Detossificazione: sostanze senza gruppi f, nucleofili, elettrofili o radicali. La detossificazione può non funzionare per:

• Esaurimento enzimi detossificanti
• Inattivazione enzimi detossificanti
• Produzione radicali tiilici (tiolici) generati da glutatione
• Coniugazione reversibile

Interazione con la molecola bersaglio

Legami covalenti o non covalenti portano a: in base a m.b. e collocazione - disfunzione m. b., distruzione m. b., se legame covalente i prodotti sono riconosciuti come estranei e distrutti, formazione neoantigeni riconosciuti da sistema immunitario come complessi non self.

Molecola bersaglio determinante effetto tossico

1. Regolazione cellulare (trasduzione segnale)
• Disregolazione espressione genica (neoplasie, teratogenesi)
• Disregolazione attività cellulare (convulsioni, paralisi, aritmie)
2. Omeostasi cellulare
1. Alterata omeostasi interna (danno cellulare, morte) per esempio dovuto a farmaco oltre dose soglia che altera la concentrazione di calcio intracellulare causando:
• Diminuizione ATP da alterazione citoscheletro e attiva enzimi idrolitici Ca dipendenti
• Necrosi - disfunzione microfilamenti
• Apoptosi - attivazione enzimi idrolitici
• Aumento ROS (stress ox, blocco pompe ioniche)
2. Alterazione mantenimento funzioni esterne (emorragie)

Riparazione danno

1. Molecolare: proteine, lipidi, DNA (diretta, per escissione in cui organismo riconosce sequenza errata e la sostituisce)
2. Tissutale: apoptosi libera contenuto cellulare come citochine che danno processo infiammatorio, proliferazione
3. Locale: infiammazione, è una reazione al danno tissutale

La riparazione può fallire e posso avere necrosi, fibrosi o cancerogenesi. Apoptosi e proliferazione cellulare fallisce riparazione DNA, apoptosi o arresto proliferazione produzione matrice extracellulare e cambiamenti composizione tessuti fegato es. in cui se danno è grosso cellule vengono sostituite con lipidi (matrice extracell) dando "fegato grasso" in cui ho alterazione cuore composizione o.

Assorbimento, distribuzione, escrezione

Biocinetica: insieme di assorbimento, distribuzione, biotrasformazione, eliminazione. Tossicocinetica: caratterizzazione quantitativa processi (tossicità legata a dose). Destino sostanza dipende da:

• Quantità e V assorbimento
• Distribuzione diversa da organo bersaglio
• Biotrasformazione (trasforma farmaci in tossici)
• V eliminazione

Assorbimento

Si ha attraverso barriere:

• Pelle: molecole polari diffondono attraverso estremità proteine filamentose nella parte idratata strato corneo. Molecole non polari penetrano nella matrice lipidica. Molecole possono arrivare nel tessuto oculare.
• Polmoni: tossico è gas o vapore, aerosol o particelle (in questo caso dipende da dimensione), è il primo organo ad essere danneggiato.
• Tratto GI: acidi e basi deboli, presente anche trasporto mediato da carrier. Fe accumulato nella mucosa intestinale e poi ceduto circolo sanguigno. Assorbimento Ca richiede vitamina D.

Tipi di iniezione

• Intraperitoneale con assorbimento rapido
• Sottocutanea e intramuscolare con assorbimento più lento ma ingresso nel circolo sistemico
• Endovenosa: introduzione sostanze nel torrente circolatorio