Appunti Tossicologia

Tossicologia

La tossicologia può essere definita come la scienza che studia le interazioni tra composti chimici e i sistemi biologici al fine di determinare i possibili effetti avversi causati da agenti chimici e fisici in organismi viventi e di comprendere la natura, l'incidenza, il meccanismo d'azione e la reversibilità di tali effetti, valutando quantitativamente e qualitativamente le alterazioni biologiche indotte.

Lo scopo principale è la valutazione, qualitativa e quantitativa, del rischio sia per l’uomo che per l’ambiente e la definizione di adeguate contromisure, sia preventive che curative, determinando:

• Limite di sicurezza (valutazione del rischio) – attraverso individuazione tempestiva delle reazioni avverse, migliorare le informazioni su ADR già note, analizzare comparativamente il profilo di sicurezza di un farmaco rispetto ad altri, trasmettere tali informazioni per rendere più corretto e trasparente la pratica clinica. Esempio fatto a lezione dell’acido valproico.
• Antidoti – per antidotismo si intende una reazione tra due diverse sostanze tale da annullare l’effetto del farmaco attivo o, in caso di avvelenamento, della sostanza tossica. La presenza di un tossico non è sempre associata ad avvelenamento, si parla di avvelenamento quando vi è tempo di esposizione prolungato, caratteristiche dell’individuo e relazione dose-risposta. Es. Naloxone per via endovenosa (oppiacei e oppioidi), carbone vegetale contrasta l’effetto di tossici (più somministrazioni). Atropina per organofosforici.

Aree della tossicologia

• Tossicologia descrittiva – si occupa dei test di tossicità che forniscono informazioni per la valutazione della sicurezza. I test di tossicità sono indirizzati a ottenere informazioni utili per la valutazione del rischio conseguente all’esposizione ad agenti chimici per l’uomo e per l’ambiente.
• Tossicologia dei meccanismi – studio dei processi mediante i quali gli agenti chimici o biologici inducono i loro effetti tossici.
• Tossicologia normativa - valutazione, in base agli studi di tossicologia descrittiva e meccanicistica, dei livelli sicuri di esposizione per determinati agenti chimici e della massima quantità di sostanze chimiche permesse nell’aria.
• Tossicologia forense – è un ibrido tra la chimica analitica e la tossicologia e si occupa principalmente degli aspetti medico legali degli effetti nocivi dei tossici sull’uomo e sugli animali.
• Tossicologia clinica – rappresenta un'area delle scienze mediche che si occupa delle malattie causate o chiaramente associate all’esposizione agli agenti tossici.
• Tossicologia ambientale – si focalizza sull’impatto che hanno gli inquinanti sugli organismi biologici, studiando l’impatto delle sostanze chimiche su organismi non umani.
• Ecotossicologia – è un’area di specializzazione della tossicologia ambientale che si interessa, in maniera specifica, dell'impatto che le sostanze tossiche hanno su popolazioni di organismi in ecosistemi definiti.

La tossicologia si interessa degli effetti nocivi, meccanismi d’azione, vie di somministrazione, organo-specificità di:

• Agenti chimici usati in medicina, nell’industria alimentare, in agricoltura e nell’industria chimica
• Metalli
• Prodotti petroliferi
• Tossine naturali
• Radiazioni eccitanti e ionizzanti
• Inquinanti

Ruolo della tossicologia

In particolare il ruolo della tossicologia è lo studio di:

• Proprietà chimico-fisiche dello xenobiotico
• Effetto dello xenobiotico
• Meccanismo di azione tossica dello xenobiotico

Di sostanze esogene, capaci, in particolari condizioni e circostanze, di interagire e danneggiare in maniera reversibile e/o irreversibile gli organismi viventi.

Studi tossicologici

Gli studi tossicologici non esistono sui pazienti perché dovremmo prendere un soggetto già colpito da tale effetto ed è praticamente impossibile. Perciò si prendono cellule od animali, i quali ci danno indicazioni relativamente oggettive. Si prefissano di ricavare:

• Bisogni che la sostanza può soddisfare
• Alternative esistenti rispetto all’uso di quel composto
• Entità dell’utilizzazione o dell’esposizione per le persone
• Considerazioni economiche
• Effetti sulla qualità dell’ambiente
• Preservazione delle risorse naturali

Glossario definizioni

• Tossico – sostanza che causa tossicità. Praticamente qualunque sostanza può divenire un tossico letale a partire da certe dosi/concentrazioni pur non producendo alcun tipo di effetto al di sotto di livelli decisamente più bassi. Tra questi due limiti si producono una serie di possibili effetti (esempio Etanolo) che vanno da una lieve tossicità cronica ad immediata letalità.
• Tossina – tossico derivante da fonti naturali
• Xenobiotico – qualsiasi sostanza estranea
• Tossicosi – malattia da esposizione a sostanze tossiche
• Intossicazione – esposizione a sostanze tossiche

Fattori che influenzano la risposta tossicologica

1. Fattori relativi al tossico

• A) Dose
• B) Caratteristiche molecolari
• C) Meccanismo d’azione
• D) Via di esposizione

2. Fattori relativi all’individuo

• Fattori genetici
• Sesso (gli enzimi che metabolizzano i farmaci sono sotto controllo degli ormoni sessuali)
• Età
• Condizioni patologiche (una dieta ricca di lipidi ad esempio favorisce l’assorbimento di tossici liposolubili; lo stress, l’affaticamento aumentano la sensibilità agli effetti tossici degli xenobiotici; patologie epatiche e renali aumentano la tossicità degli xenobiotici)
• Induzione enzimi epatici (acetilatori veloci e lenti, esempio isoniazide nella tubercolosi oppure altri enzimi come pseudocolinesterasi, acetiltransferasi, idrossilasi)
• Tossicocinetica
• Variazioni individuali

3. Fattori relativi al tempo di contatto

• Decorso cronico o acuto dell’intossicazione. La tossicità acuta si definisce come un effetto nocivo derivato da esposizione improvvisa unica o di breve durata a una relativamente elevata quantità di agente tossico. L’effetto insorge nell’organismo in seguito all’esposizione ad una o più dose di tossico in un tempo non superiore alle 24 ore, spesso la dose è unica oppure il tossico è molto potente. La tossicità cronica si definisce come un effetto nocivo derivato da esposizione ripetuta o molto prolungata nel tempo a relativamente piccole quantità di agente tossico. L’effetto insorge in seguito alla esposizione di un tossico per tempi prolungati come mesi o anni, le dosi sono molto basse o comunque insufficienti a determinare danni se assunte in una sola volta; a seconda della durata di esposizione abbiamo tossicità subacuta quando il periodo è relativo al mese di esposizione, subcronica se il periodo va da 1 a 3 mesi, cronica quando il periodo è superiore a 3 mesi.

A) Il concetto di dose fu già enunciato da Paracelso con l’affermazione: “Ogni sostanza è veleno. La giusta dose differenzia un veleno da un farmaco”. Nella tossicologia moderna quando parliamo di dose è necessario classificarla:

• DMT – Dose massima tollerata – è definita anche “dose soglia” ed è la quantità più alta di composto tossico che non determina effetti rilevabili clinicamente.
• MDT – Minima dose tossica – è la più bassa dose in grado di determinare un effetto tossico, ma non letale.
• DML – Dose minima letale – è la dose più bassa in grado di determinare la morte dell’animale.
• DL – Dose letale – è la dose in grado di determinare la morte dell’animale, per convenzione, entro 24 ore dall’esposizione.
• DL50 – Dose letale 50 – dose in grado di uccidere il 50% dei soggetti trattati.

B) La struttura molecolare può modulare la cinetica e l’attività tossica di una sostanza. Per tossicocinetica si intende l’evolversi temporale delle concentrazioni tissutali del tossico dovuto all’equilibrio tra cinetiche di assorbimento, distribuzione ed eliminazione. N.B: l’effetto di primo passaggio è massimo con la via orale e nullo con quella endovenosa. La via rettale invece ha un effetto di primo passaggio ridotto in quanto solo un vaso su tre mesenterici porta al fegato, ovvero la vena porta. A lezione abbiamo fatto l’esempio del paraquat ed il diquat, due erbicidi che hanno struttura molecolare simile ma differiscono nella loro tossicità per motivi tossicocinetici. Il primo una volta assorbito si accumula negli alveoli causando grave tossicità polmonare, il secondo è sprovvisto di tossicità. Il paraquat una volta metabolizzato promuove la formazione di radicali superossido (liberi), formazione favorita dalla presenza di metalli. I radicali liberi, i quali hanno una emivita bassissima (millisecondi), hanno una grandissima capacità di combinarsi con i fosfolipidi di membrana, proteine recettoriali e acidi nucleici. In questo modo producono una grave tossicità cellulare attraverso svariati meccanismi come la necrosi, teratogenesi, cancerogenesi, mutagenesi e inibizione enzimatica. Esistono fonti endogene di radicali liberi come catabolismo delle purine, sintesi delle prostaglandine, ossidazione di NADH e NADPH e fonti esogene di radicali liberi come radiazioni, calore, metabolismo farmaci, eccesso ferro.

C) Meccanismo d’azione – può essere recettoriale e non recettoriale. Da questo aspetto dipendono la corretta interpretazione dei sintomi clinici (diagnosi) e l’intervento terapeutico razionale. Esempi di tossici recettoriali che agiscono attraverso recettori possono essere farmaci usati sia a scopo terapeutico che voluttuario come le BDZ, barbiturici, nicotina, oppiacei; tali farmaci a dosi non appropriate sono in grado di provocare intossicazione acuta con progressione verso la depressione del SNC e coma. Esempi di tossici non recettoriali possono essere i radicali liberi, questi sono molecole estremamente reattive per la presenza di un elettrone spaiato nell’orbita esterna, quest’ultimo li porta a ricercare un equilibrio appropriandosi dell’elettrone di altre molecole con le quali vengono a contatto, molecole che diventano a loro volta instabili ricercando un elettrone; innescando così un meccanismo di instabilità a catena che si manifesta con il termine “stress ossidativo”. Questa serie di reazioni può essere ridimensionata o arrestata dalla presenza di vari agenti antiossidanti. L’attacco da parte di queste molecole o parti di molecole, radicali liberi, a membrane cellulari porta a patologie degenerative come arteriosclerosi, artrosi, patologie infiammatorie croniche mentre l’attacco al DNA e quindi agli acidi nucleici può favorire la nascita di tumori maligni. Gli antiossidanti controllano queste specie reattive, troviamo antiossidanti endogeni come catalasi, glutatione e superossidodismutasi. Superata però una certa soglia è necessario un apporto esterno di antiossidanti come vitamine, pigmenti vegetali, micronutrienti ed enzimi. Gli antiossidanti agiscono secondo un modello Preventivo (bloccano la formazione di radicali), secondo un modello Scavenger (bloccando l’iniziazione e la propagazione della cascata; esempi sono albumina, acido urico, vitamina C, carotenoidi, vitamina E e coenzima Q) e secondo un modello di Riparo (riparando il danno e ricostruendo le membrane; esempi sono le idrolasi, transferasi e polimerasi).

D) L’esposizione a dosi tossiche crea alterazioni locali o sistemiche. Quelle locali sono causate dal contatto tra la sostanza tossica e la cute o le mucose e portano a necrosi locale e a fenomeni reattivi conseguenti la necrosi. Quelle sistemiche sono causate dalla diffusione del tossico nell’organismo e si verificano quando vengono raggiunte alte concentrazioni in alcuni organi e distretti. Le azioni tossiche sistemiche possono classificarsi in funzione dell’organo prevalentemente coinvolto: neurotossicità, cardiotossicità, epatotossicità, nefrotossicità.

Meccanismi di tossicità

• Interazioni con i recettori – alterazioni degli effetti biologici mediati dai recettori
• Infiammazione – risposta locale o sistemica, acuta o cronica
• Citotossicità – lesione o morte cellulare dovuta a sostanze esterne alla cellula
• Necrosi – morte di un tessuto o di alcune cellule
• Apoptosi – morte programmata di una singola cellula
• Stress ossidativo – produzione di radicali liberi in eccesso
• Cancerogenesi – aberrante crescita cellulare causata da cancerogeni genotossici ed epigenetici
• Genotossicità – danno al DNA, mutazioni geniche e cromosomiche
• Teratogenesi – effetti deleteri sullo sviluppo embrionale

La via di esposizione influenza la tossicità degli xenobiotici, in genere le vie parenterali anche se sono meno frequenti nelle intossicazioni determinano una tossicità più elevata e una insorgenza più rapida rispetto alla via orale, cutanea o mucosa. Altre vie di esposizione possono essere l’ingestione, l’inalazione (diossina, amianto), l’assorbimento cutaneo e l’inoculazione (es. morsi animali).

L’intossicazione per inalazione provoca danno immediato ai tessuti, in particolar modo a polmoni e bronchi e un tossico molto influente è il monossido di carbonio. L’intossicazione per ingestione provoca danno immediato ai tessuti e può essere causato da avvelenamento da detergenti, pesticidi o intossicazioni da farmaci o alimenti. In questa tipologia di intossicazione può esserci effetto di primo passaggio a differenza di quella inalatoria.

Ecotossicologia e tossicologia dell’ambiente

Gli studi di ecotossicologia tendono a mirare alla protezione dell’ambiente in toto (ecosistema), invece la tossicologia dell’ambiente studia invece le criticità dovute agli effetti dei tossici presenti nell’ambiente che si riversano sull’uomo (es. terra dei fuochi, ILVA).

Definizione di ecotossicologia

L’ecotossicologia riguarda gli effetti tossici degli agenti chimici e fisici sugli organismi viventi, in particolare su popolazioni e comunità all’interno di definiti ecosistemi, essa comprende anche lo studio delle modalità di diffusione di questi agenti e le loro interazioni con l’ambiente. Intende proteggere gli ecosistemi (acquatici, terrestri…) mantenendone struttura e funzionalità.

Aspetti dell’ecotossicologia

• Contaminazione ambientale – è una conseguenza di un’azione umana in grado di modificare le proprietà delle condizioni o la disponibilità e la qualità dalle risorse in un determinato intervallo di spazio e di tempo. La contaminazione ambientale non comporta necessariamente il manifestarsi di danni misurabili a carico di organismi viventi.
• Inquinamento – quando si ha un danno misurabile a carico di un sistema biologico, sia esso a carico di un processo biochimico cellulare o tissutale di un organismo, a carico di una popolazione o di una comunità biologica. L’ecotossicologia riguarda l’identificazione, la quantificazione e la gestione del danno sugli organismi a diversi livelli di organizzazione, dovuti a fenomeni di alterazione degli ecosistemi che porti ad inquinamento ambientale, servendosi anche di metodi predittivi.

Vie di esposizione negli ambienti naturali

• Ingestione
• Inalazione
• Assorbimento cutaneo

Strumenti dell’ecotossicologia

I test tossicologici effettuati in ambito ecotossicologico valutano gli effetti sulle popolazioni ed ecosistemi complessi, ricercano la criticità. I saggi tossicologici più adatti per questa branca della tossicologia si basano su poche specie (pesci, alghe, api) e da queste si estrapolano i risultati per le altre specie viventi conosciute; inoltre si studiano la complessità delle relazioni tra i vari organismi viventi e tra questi ed i fattori ambientali di tipo abiotico (temperatura, luce, acqua) utilizzando ecosistemi in laboratorio e studi di campo in ambienti naturali.

Vengono effettuati saggi monospecifici sia in ambienti acquatico che terrestre, sono saggi semplici con scarso realismo ecologico. In ambiente acquatico andiamo a ricercare un end-point primario sulla popolazione acquatica per valutare quanto influisce il tossico su questa popolazione che varia da alghe unicellulari a pesci vertebrati. Valutiamo perciò la riproduzione, l’immobilizzazione, la mortalità. In ambiente terrestre la ricerca si concentra sull’effetto che il tossico comporta su batteri, invertebrati, uccelli ecc., come ad esempio accade con il piombo alla popolazione volatile.

Vengono eseguiti anche saggi su comunità che sono più complessi ma danno più informazioni su parametri di funzionalità (biomassa, crescita) e strutturali (composizione, biodiversità). Si fanno spesso su microrganismi per motivi pratici ed economici.

Vengono eseguiti anche saggi su ecosistemi controllati, si ricreano ecosistemi semplici all’interno dei quali si induce uno stress con aggiunta di sostanze tossiche. Vengono eseguiti anche studi di campagna; sono studi che avvengono in ambienti naturali, quindi in loco, e sono complessi e difficilmente interpretabili. Tutti questi test hanno delle difficoltà oggettive e quindi da un po’ di tempo l’attenzione si è spostata sui biomarkers. Questi sono marker (molecole) che mi permettono di valutare indirettamente l’esposizione alle sostanze inquinanti ed il potenziale impatto di importanza ecologica, fornendo segnali di allerta precoci. I marker mi fanno capire se c’è in atto qualche reazione e/o interazione tra sostanze tossiche e biologiche. Un esempio di biomarkers è il re...