Tossicologia

FONDAMENTI DI TOSSICOLOGIA:

Scienza che studia gli effetti indesiderati delle sostanze chimiche sugli organismi viventi. Non si

indirizza solo su una specie ma viene considerato l’intero ecosistema perché l’uomo è calato in un

ambiente e di conseguenza esso può riversare sull’uomo una serie di situazioni che impattano sullo

stato di salute.

SICUREZZA: Sostanze assolutamente sicure non esistono. Se sono esposto ad una sostanza, questa

esposizione non può essere associata ad un concetto di sicurezza assoluta. Esistono modi e mezzi per

utilizzare una data sostanza in maniera sicura. Pertanto, la sicurezza è definita in termini di probabilità

che la sostanza non indurrà un danno significativo quando utilizzata in specifiche condizioni. Il

concetto è relativo e vincolato al modo di utilizzo, il quale aumenta la probabilità di avere una

sicurezza. La tossicologia ha il compito di individuare i modi e i mezzi di utilizzo affinchè sia sicura.

La sicurezza assoluta è legata ad un’esposizione pari a zero.

Tutto parte dalla sostanza chimica, dalla struttura e le caratteristiche chimico-fisiche che saranno da

conoscere. Al seguito di un’esposizione, raggiungerà l’organismo, entrerà e verrà distribuito in organi,

tessuti e contesti cellulari, dove troverà target biologici con cui instaurare una reazione primaria.

Stabilirà un’interazione di tipo chimico che non è già la risposta biologica, non è il danno, perché per

diventare danno e portare a conseguenze sulla salute deve avere la possibilità di esprimersi. Solo se la

reazione primaria si è espressa allora avremo il danno con delle conseguenze.

L’esposizione non è unica. Può essere a basse dosi, ad alte dosi, singola, ripetuta, per brevi periodi o

per tutta la vita. C’è un ventaglio di possibilità di esposizioni. La popolazione generale di norma è

oggetto di una bassa esposizione attraverso le matrici ambiente e alimenti. Quando si entra in un

contesto lavorativo, si ha una potenziale esposizione a particolari sostanze chimiche che non

riguardano l’esposizione della popolazione generale quindi è un’esposizione occupazionale. Ci sono

estremizzazioni nell’ambito dell’esposizione che riguardano gli avvelenamenti intenzionali o

accidentali, le intossicazioni che possono avere come conseguenza anche la morte dell’individuo.

RISCHIO: Concetto che deriva dall’interazione di due cose diverse: l’azzardo e

l’esposizione(sorgente, vie di somministrazione). Per definizione, il rischio tossicologico è il prodotto

dell’azzardo per la probabilità che esso si verifichi. L’azzardo e l’evento pericoloso sono proprietà

tossicologiche intrinseche di una molecola. La probabilità che l’evento si verifichi è legata

all’esposizione e alle caratteristiche dell’individuo (vulnerabilità e suscettibilità=competenze di

riparazione risposta immune, assetto ormonale).[sostanza cancerogena=cancerogena è l’azzardo]

VALUTAZIONE DEL RISCHIO TOSSICOLOGICO:

-identificazione dell’azzardo

-una quantificazione (dose-risposta)

-valutazione dell’esposizione e della suscettibilità individuale

-caratterizzazione del rischio, analisi costi-benefici, decisioni operative

TOSSICOLOGIA MODERNA: È la scienza della sicurezza perché definisce i limiti di sicurezza di un

agente chimico. È diventata una scienza preventiva per la salute dell’uomo e la qualità dell’ambiente. I

limiti di sicurezza sono modalità di utilizzo affinchè il danno non venga indotto e il rischio venga

limitato o evitato.

Sicurezza: certezza pratica e non assoluta che l’uso di una sostanza, in specifiche condizioni di

quantità e di modalità di

impiego, non provochi un danno.

Azzardo: possibilità che un danno derivi da una sostanza chimica in condizioni specifiche in relazione

alle sue proprietà intrinseche.

TIPI DI ESPOSIZIONE: Scala temporale.

-acuta: singolo incidente o episodio di esposizione (di norma ad alta dose). Associata ad una tossicità

acuta

-Ripetuta: esposizione multipla. Associata ad una tossicità a dose ripetuta.

Sono tutte esposizioni ripetute ma con durata temporale diverse

-subacuta: non più del 5% dell’intera durata della vita(saltuariamente).

-subcronica (alcune settimane o mesi): 5-20% della durata della vita.

-cronica (ripetuta per molti mesi o anni): per l’intera durata della vita o per una gran parte di essa.

Le modalità per l’esposizione andranno a condizionare l’analisi della sicurezza.Si fa riferimento

all’intera durata della vita perché l’indagine tossicologica alla base della definizione della sicurezza

d’uso viene valutata nella sperimentazione preclinica su piccoli roditori(organismi sperimentali).

Questo parametrare l’esposizione e la tossicità conseguente in termini percentuali di durata di vita

media permette l’estrapolazione del dato da animale a uomo. Per abbattere le differenze interspecie

per arrivare alla sperimentazione clinica e traslare all’uomo e comprendere gli effetti associati ad

un’entità di esposizione.

Per l’effetto tossico deve esserci prima una correlazione con altri aspetti come la scala temporale.Una

sostanza, a seguito di esposizione acuta o a dosi ripetute, può dare effetti diversi in funzione delle

diverse modalità di esposizione.

EFFETTO TOSSICO: Un’altra scala temporale definisce il tempo richiesto affinchè l’effetto si

veda.L’effetto tossico associato all’azzardo che può portare ad un rischio e che impatta sul concetto di

sicurezza bisogna caratterizzarlo.

-immediato: si sviluppa rapidamente dopo una singola somministrazione

-ritardato: si sviluppa dopo un certo periodo di latenza

-reversibile: legato alla capacità di rigenerazione del tessuto

-irreversibile

Altra definizione sempre su scala temporale/sviluppo o durata:

-persistente

-transiente: irritazione nasale per un certo tempo

-cumulativa: fibrosi epatica in seguito ad alcolismo cronico

-latente: richiede un certo tempo perché si abbia espressione del danno e sua sintomatologia

Una descrizione di tossicità richiede le seguenti conoscenze:

-se un effetto è locale, sistemico o misto

-la natura e il meccanismo di tossicità

-organo o tessuto bersaglio

-condizioni di esposizione che portano a tossicità: incluse specie, via e entità dell’esposizione e se

esistono dei nuclei di vulnerabilità.

Se si associasse un valore unico alla tossicità e se l’essere tossico comportasse in assoluto rischio per

la salute non useremmo nulla.Ad ogni sostanza è associato un modo di utilizzo in modo da abbattere

tutte le probabilità che portano ad espressione del danno.Tutto nasce dalla conoscenza di tutto quello

che la sostanza può fare.

RELAZIONE DOSE-RISPOSTA:

Esistono espressioni di tossicità che sono indipendenti dalla dose come la cancerogenesi,tossicità

genetica o immunologica. L’aumento della dose altrimenti determina aumento della probabilità che

l’effetto si verifichi e quindi aumenta il rischio.Studio di come la dose influenzi la risposta. Relazione

tra le caratteristiche dell’esposizione e lo spettro degli effetti tossici. I requisiti sono:

-la risposta osservata è funzione della dose: più sono esposto più è il rischio

-l’effetto osservato è dovuto all’agente tossico

-esiste un metodo quantificabile e preciso di misurazione dell’effetto tossico

Due modalità di rappresentazione dose-risposta: Ci può essere una relazione graduale

(sigmoide): aumentando la dose aumenta la risposta. Viene rapportata la % della

risposta in funzione della dose(x). Si identifica la fascia di iporeattivi(rispondono a dosi

più elevate), la fascia degli iperreattivi e una risposta media. Viene derivato un valore

soglia che è la dose efficace 50, la dose che causa la risposta del 50% dei soggetti

esposti. Comparando le relazioni dose-risposta tra risposta terapeutica e risposta tossica

e confrontando i due valori soglia al 50% della tossicità e della dose efficace 50 si

desume un indice terapeutico. L’indice terapeutico è legato al concetto di sicurezza o

meno del farmaco.Il margine di sicurezza compara altri valori soglia ovvero la dose che

causa l’effetto tossico nell’1% della popolazione e la dose efficace per vedere il 99%

della risposta nella popolazione. È un indicatore molto più efficace dell’indice terapeutico. In questo

modo andiamo a valutare il rischio: le curve sperimentali sono messe a confronto sulla base di valori

soglia per identificare una finestra espositiva in termini di dose entro cui il farmaco è sicuro. Si ricava

un’ampiezza dentro la quale si può avere la variabilità del dosaggio e a cui è associato un concetto di

sicurezza. Tanto più grande sarà il margine di sicurezza tanto più la sostanza, con quelle condizioni di

esposizione, sarà sicura. Nel determinare il margine di sicurezza siamo quindi andati a mettere a

confronto la dose più bassa che è il valore soglia identificativo di una tossicità con la dose richiesta per

avere il 99%della risposta anche tra gli iporeattivi(la dose più alta che il soggetto iporeattivo deve

assumere). Bisogna fare un esercizio di valutazione del rischio su tutte le sostanze chimiche.Tutte le

sostanze chimiche subiranno il processo di studio sperimentale,analisi dose-risposta-identificazione

dei valori soglia-comparazione di valori soglia con le modalità di esposizione,si avrà un margine di

sicurezza.Tanto maggiore è il margine di sicurezza come l’indice terapeutico tanto più grande sarà

tanto più quella sostanza con quelle modalità di esposizione sarà sicura.

Servirà per capire come legittimare all’uso sostanze cancerogene/teratogene.Lo stesso meccanismo del

rischio applicato ai farmaci è applicato a tutte le sostanze chimiche.

Questi studi ci permettono di definire la finestra di dose entro cui si può usare il farmaco senza avere

effetti negativi.

Relazione quantale (a campana) che fa vedere la distribuzione della risposta all’interno di una

popolazione.Viene identificato uno specifico effetto e si determina la dose necessaria per produrre

l’effetto in ogni individuo della popolazione.In una popolazione esiste una variabilità quantitativa di

suscettibilità ad un composto chimico da parte dei singoli individui nella popolazione.

ANDAMENTO DELLE CURVE DOSE-RISPOSTA:

Effetto tossico: aumento dell’effetto tossico all’aumentare della dose.

Effetto protettivo: diminuzione dell’effetto all’aumentare della dose.

Effetto combinato: a basse dosi ho l’effetto protettivo, ad alte dosi ho

l’effetto tossico. Il segreto è identificare come finestra di esposizione la

dose che sta nella parte bassa nella curva della campana rovesciata.

Effetto ormetico associato alle vitamine e ai micronutrienti essenziali, cioè

la parte bassa della curva a campana rovesciata in cui agiscono

mantenendo l’equilibrio omeostatico dell’organismo.

RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DELLE CURVE DOSE-RISPOSTA:

Ci dicono informazioni in termini di potenza ed efficacia.Si parte da molte molecole e poi solo una

entra nel processo regolatorio.

Molecole che hanno la stessa efficacia dal punto di vista dell’effetto biologico ricercato ma dobbiamo

trovare quella meno pericolosa. Le curve sono diverse ed esprimono valori soglia delle dosi efficaci

diversi e la sostanza più potente è quella rossa. Nell’ambito di concentrazione più bassa è in grado di

esprimere l’effetto.Effetti in termini di efficacia. Le tre sostanze hanno la stessa potenza perché hanno

il valore di EC50 uguale ma hanno un’efficacia diversa. L’efficacia è la capacità della sostanza di

mantenere la sua risposta all’aumento della concentrazione. La sostanza C dopo una certa

concentrazione ha un suo effetto. La sostanza A è in grado di mantenere la più ampia risposta per

concentrazioni simili. MECCANISMI DI TOSSICITA’:

Abbiamo una moltitudine di effetti

tossici, non c’è un solo meccanismo di

tossicità a seguito di un’interazione. Questo perché siamo esposti a molte sostanze chimiche e

abbiamo molte strutture biologiche.Le info. meccanicistiche che acquisiamo dai modelli sperimentali

per identificare il pericolo devono essere traslati all’uomo.In alcune situazioni i meccanismi di

tossicità che si esprimono nel modello sperimentale non hanno la possibilità di esprimersi

nell’uomo.L’info. meccanicistica è fondamentale per capire cosa può derivare da una sostanza e se

quello che deriviamo dai sistemi sperimentali si può esprimere anche a livello nell’uomo.

Numerosi processi possono portare a tossicità: ci sono meccanismi che agiscono direttamente ma sono

pochi e rari, e meccanismi che comportano numerosi passaggi che concorrono all’effetto tossico.

Ci sono 3 principali vie di azione o macro-meccanismi:

-Sostanza tossica oggetto di esposizione che incontra subito il target ed esprime la tossicità. Esempio:

in laboratorio cade sulla mano un acido forte e crea irritazione. Il target è la cute e senza assorbimento,

farmacocinetica, vie multiple biologiche si ha tossicità. E’ limitato a pochi casi.

-Sostanza tossica che esprime la tossicità a livello di vari organi e apparati a seguito della cessione e

distribuzione all’interno dell’organismo. La sostanza può indurre la disfunzione cellulare/il danno

attraverso un’interazione con un target o un’alterazione dell’ambiente biologico. Lo xenobiotico entra

in un contesto biologico che permette o meno l’espressione del danno. La maggior parte dei casi sono

ricondotti a questa modalità.

-Percorso più complesso, ascrivibile solo ai meccanismi più complessi di tossicità come la

cancerogenesi. La sostanza entra e viene distribuita nell’organismo tramite percorso biocinetico,

incontra un sito target o altera il microambiente che portano a danno che porta a tossicità solo se la

capacità adattativa a livello cellulare e i meccanismi di riparazione falliscono.

Al seguito di un’esposizione causale, una cellula ha solo tre possibilità: o si adatta, o si trasforma, o

muore. L’esposizione ad una sostanza cancerogena non è detto che porterà a tossicità nel momento in

cui a livello cellulare o biochimico capacità adattativa a livello cellulare e i meccanismi di riparazione

sono in grado di contrastare espressione della tossicità .

In seguito ad esposizione la cellula ha 3 possibilità: - si adatta-si trasforma-muore.Morte e

trasformazione conseguono al fallimento.

EFFETTO TOSSICO:

L’effetto tossico dipende dalla quantità che raggiunge il sito d’azione, non dipende dalla dose di

esposizione. Il concetto di dose è diverso. C’è una dose di esposizione che vede l’ingresso

nell’organismo dello xenobiotico. All’interno dell’organismo questo è presente con una dose interna.

Questa raggiunge il target nella condizione di dose biologica critica o dose effettiva.

La dose che causa la tossicità è quella che raggiunge il target ed è legata alla dose di esposizione.

Infatti, se aumento la dose di esposizione aumento anche la probabilità di avere una dose biologica

critica più alta. La dose effettiva dipende dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola e al

percorso ADME biocinetico.

Tra gli indicatori della dose si può parlare di dose di esposizione-dose interna che ritroviamo

nell’organismo in seguito al processo biocinetico(ADME)-dose biologica effettiva che è quella che

raggiunge il sito target e quindi quella che darà alterazione primaria o di microambiente.La dose

interna e quella effettiva dipendono dal processo biocinetico e quindi dall’espressione dei meccanismi

di ADME che sono anche influenzati dalle caratteristiche chimico-fisiche della molecola.

Se si guarda il processo ADME, si nota che non è un percorso unico ma per ogni passaggio si ha una

possibilità di azioni uguali e contrarie per cui la risultante, la concentrazione molecolare critica a

livello del target che induce tossicità, dipende dal bilanciamento di questi processi biologici che vanno

in un verso o l’altro. Come c’è meccanismo di distribuzione verso il bersaglio e facilitano il percorso

biocinetico verso il target ci sono anche meccanismi che allontanano o impediscono il raggiungimento

del target.Ci sono sia meccanismi coinvolti nell’eliminazione sia nel riassorbimento.Assorbimento vs.

Eliminazione pre-sistemica.Attivazione vs. detossificazione

DISTRIBUZIONE AL BERSAGLIO E LONTANO DAL BERSAGLIO:

Meccanismi che facilitano la distribuzione ad un possibile target:

-porosità dell’endotelio capillare

-trasporto specializzato attraverso le membrane

-accumulo in organelli cellulari

Meccanismi che si oppongono alla distribuzione al target:

-Legame alle proteine plasmatiche

-Barriere specializzate

-Distribuzione a siti di deposito

-Legame alle proteine intracellulari

-Efflusso dalla cellula

L’internalizzazione microsomiale o il processo di fagocitosi macrofagica saranno le chiavi di lettura

che giustificano l’espressione della tossicità.

INTOSSICAZIONE E DETOSSIFICAZIONE: ATTIVAZIONE METABOLICA

Meccanismo di detossificazione e intossicazioni dal cui equilibrio dipende la formazione della dose

effettiva(concentrazione cellulare critica). Un ruolo importante lo ha l’attivazione perché la maggior

parte dei composti hanno bisogno di un’attivazione metabolica per conferire la reattivi