Tossicologia

Tossicologia

Introduzione ai metalli e al sistema nervoso

Molti metalli agiscono a livello del SN, quindi consideriamo questa immagine eclatante come slide iniziale. Nella farmacopea consideriamo come medicinale ogni sostanza o composizione che presenta delle proprietà curative o profilattiche delle malattie umane e animali. Ogni medicinale è da somministrare a uomo e animale o allo scopo di stabilire una diagnosi medica, oppure allo scopo di ripristinare delle funzioni organiche che sono state modificate e quindi danno luogo ad un evento patologico.

Sviluppo e controllo dei farmaci

Ovviamente, prima che il farmaco venga messo in commercio, sono necessari molti controlli. Da che si sviluppa il prototipo con ideali caratteristiche chimico fisiche, il quale viene generalmente testato sul topo, passano 10 anni. Un farmaco è considerato come una sostanza in grado di indurre, attraverso le sue azioni chimico fisiche con un recettore, la modificazione di funzioni biologiche, tale da correggere gli eventi patologici che si sono instaurati.

Definizione di tossico

Un tossico, invece, nel senso comune, è un agente che, anche a dosi piccole e in tempi prolungati, produce risposte dannose in un sistema biologico, alterandone le funzioni e causandone, nei casi più gravi, anche la morte. Tuttavia, Paracelso asserì che tutte le sostanze sono considerate veleno, e che solo la somministrazione di dosi differente caratterizza la tossicità o l’azione curativa della sostanza stessa. Quindi un veleno non è un veleno nel senso assoluto, ma tutte le sostanze, anche gli stessi farmaci.

Tabelle di dosaggio letale

In questa tabella si ha un elenco di sostanze che vanno dall’alcol etilico in cui abbiamo presentato la dose letale, la dose che provoca la morte nel 50% della popolazione cui somministro la sostanza. Per alcune sostanze la dose viene espressa come mg/kg di peso corporeo, queste dosi vengono estrapolate in seguito a studi di tossicologia su popolazioni di ratti.

• La dose dell'alcol etilico è 10.000 mg, quindi ci vuole per andare in coma etilico.
• Per il cloruro di sodio, che è il comune sale da cucina, la dose letale è di 4g/kg.
• Il solfato ferroso, un integratore in casi di anemia, si vende in compresse in farmacia, la dose è di 1,5g/kg.
• La morfina solfato, 900mg/kg, più basso è il dosaggio, più tossica è la sostanza.
• I barbiturici, usati solo in gravi casi di epilessia, hanno una dose letale di 0,15.
• L'idrotossina, una tossina che può avere origine vegetale o marina (pesce palla), può uccidere se somministrata a 5mg/kg.
• La stricnina agisce sui recettori inibitori cinergici a 2mg.
• La nicotina ha una dose di 1mg/kg; quindi, se a una persona di 70kg somministro 70 mg di nicotina pura, la uccido, è un polinergico.
• La d-tubocurarina, utilizzata per immobilizzare le prede, veniva usata per bagnare le lance che paralizzavano la preda.

Vediamo due delle sostanze che nella tabella in esame sono le più tossiche (non lo sono in valore assoluto, ma comunque sono tra le più tossiche in generale): la para-diossina, che si sviluppa dalla combustione delle plastiche trovate di recente nelle mozzarelle di bufala campana. Nella produzione della mozzarella se ne produce una certa quantità, ma la norma europea ha stabilito un limite che non deve essere superato, oltre il quale il prodotto non deve essere messo in vendita, essa ha infatti una dose letale bassissima. Ancora più letale è la tossina botulinica, qui si ha una dose ancora più bassa, ed essa provoca un effetto lifting, per questo è utilizzata in numerosi cosmetici.

Effetto dose-risposta

Il grafico di destra è interessante perché dà l’effetto dose risposta; per i metalli pesanti non essenziali, la curva evidenzia che solo l’aumentare repentino della dose causa effetti tossici. Dosi nulle o molto basse non causano tossicità, mentre dosi eccessivamente alte causano morte. Tutti i cationi inorganici finora studiati sono da considerarsi, invece, tra i microelementi essenziali. Loro seguono una curva dose risposta a campana; vanno assunti ma solo in caso di carenza. Infatti, abbassando eccessivamente la concentrazione corporea, si può instaurare il meccanismo di tossicità da carenza che altera importanti processi biochimici! Quindi, anche a dosi bassissime si va incontro a morte, si giunge poi, aumentando la dose, all’omeostasi perfetta, ma non si deve superare la dose clinica, poiché incrementando il dosaggio nuovamente si ha l’azione tossica in questo caso da iperdosaggio.

Indice terapeutico

In definitiva quindi non esistono veleni in senso assoluto, ma solo casi di avvelenamento o di intossicazioni. Cos’è l’indice terapeutico? È il rapporto tra la dose tossica mediana in grado di provocare nel 50% degli individui a cui somministro la sostanza un effetto tossico e la dose efficace, che è la dose che genera nel 50% degli individui cui viene somministrata uno specifico effetto. Quindi l’IT è individuato da tale rapporto, il farmaco è sicuro tanto più l’indice terapeutico è alto, perché se la dose tossica è elevata significa che il farmaco non posso darlo.

Confronto tra benzodiazepine e barbiturici

Consideriamo ora una differenza tipica e lampante tra le benzodiazepine e i vecchi barbiturici. La prima ha effetti molto più benefici dei barbiturici che sono stati praticamente soppiantati.

Interazione con i siti bersaglio

Per produrre manifestazione di tipo tossico un agente chimico deve interagire con specifici siti bersaglio (targets), che si trovano nell’organismo umano, animale o vegetale. Deve restare in contatto con tale target, che può andare dal farmacologico al tossico, ad un’appropriata concentrazione al di sotto della quale probabilmente l’azione farmaceutica non si esplica, e per un tempo sufficientemente lungo ma non troppo.

Azione tossica

L’azione tossica può dipendere da:

• Proprietà chimico fisiche
• Modalità di esposizione
• Sensibilità del soggetto sottoposto all’esposizione, infatti alcuni recettori propri delle donne hanno una diversa concentrazione a livello organico rispetto a quella dell’uomo, tant’è che le donne tendono ad ubriacarsi molto più facilmente per la differente concentrazione dell’enzima che metabolizza l’etanolo.

La tossicità della sostanza si esplica poi secondo due differenti aspetti: sia quello della tossico dinamica, che racchiude ciò che l’agente causa all’organismo, che quello tossico cinetico, che racchiude tutto ciò che l’organismo fa all’agente (assorbimento, distribuzione ecc.). Primo livello di tossico-cinetica, immaginando di assumere una qualsiasi sostanza, un farmaco o medicinale, l’assunzione avviene nel tempo, con differenti meccanismi di somministrazione, quella classica è quella OS, cioè per via orale.

Assorbimento e distribuzione

La nostra sostanza deve essere assorbita, generalmente si sceglie la somministrazione orale poiché è particolarmente versatile, e la sostanza stessa in seguito passa nello stomaco, dove avviene il primo assorbimento, successivamente va nell’intestino. Passiamo da pH 2 dello stomaco a pH 8 dell’intestino, a pH acido le sostanze assunte, generalmente acide, sono indissociate, mentre nell’intestino le stesse (Tipo Fans) salificano per il pH basico, quindi a livello intestinale tali sostanze non vengono assorbite, infatti se salificano non permeano. L’assorbimento che avviene nello stomaco è seguito dalla distribuzione della sostanza, che andrà ad agire a livello dell’organo target, che può essere il cuore, il polmone, o il cervello, in quest’ultimo caso l’azione del farmaco è consentita solo se la barriera encefalica ne consente il passaggio.

Dopo la distribuzione si ha il riversamento della sostanza nel torrente circolatorio, a questo punto il farmaco può andare subito in escrezione o viene biotrasformato, la vera farmacocinetica poi è questa. Infatti, la fortuna vuole che la natura ha creato un sistema di biotrasformazione nel nostro organismo, per detossificare e smaltire la sostanza, altrimenti resta accumulata nell’organismo e si esplicano meccanismi tossici. Viene biotrasformato per poter essere escreta, la biotrasformazione avviene nel cosiddetto metabolismo che consta di due fasi. Viene biotrasformato specialmente per essere detossificato, deve cioè essere generato un metabolita di tipo non tossico. In alcuni casi il metabolita ottenuto è ancora attivo, addirittura più attivo del farmaco di partenza. Metaboliti attivi tipici sono alcune benzodiazepine.

Quindi in alcuni casi la biotrasformazione avviene per detossificare la sostanza, ma in altri casi il metabolita ottenuto può essere ancora attivo o se non lo era prima, può divenirlo dopo, ma il fatto che diventa attivo significa che può diventare anche tossico. La detossificazione può avvenire anche in maniera tale da rappresentare una sostanza che ha degli effetti farmacologici, ci aspettiamo una risposta cellulare a livello fisiologico, ma possono manifestarsi anche effetti patologici, addirittura danni al DNA.

Tossico cinetica di ordine primo

Iniziamo la tossico cinetica di ordine primo. Da un generico sito di somministrazione il primo processo è il passaggio nel plasma, poi si ha distribuzione ai tessuti, e qui si esplica il suo meccanismo di azione al che la sostanza una volta che ha agito viene riassorbita dal plasma, sussiste un equilibrio tra tessuti e plasma, anche se alcuni farmaci si legano così bene ad alcuni tessuti che si accumulano in essi, determinando un mancato rispetto di questo equilibrio, e ciò può causare tossicità. Generalmente l’accumulo avviene nel tessuto adiposo, ma può riguardare anche il fegato. La sostanza quindi torna nel plasma, ed è escreta alla fine attraverso due vie: urine e feci.

Schema generale della tossico-cinetica di 2 livello

Lo schema generale della tossico-cinetica di 2 livello:

• OS: qui subito va a livello del tratto gastrointestinale, la sostanza può o essere subito espulsa con le feci, parzialmente la subisce questa cosa, oppure attraverso la bile, va nel sangue o linfa, distribuendosi nel sangue portale che le porta subito nel fegato. Queste sostanze subiscono il cosiddetto effetto di primo passaggio, subiscono cioè il metabolismo epatico, cosa che non è buona poiché così facendo una buona fetta della sostanza viene subito inattivata (tranne i casi in cui i metaboliti sono più attivi del farmaco stesso).
• Inalazione: alcune sostanze possono essere assorbite per inalazione, quindi attraverso i capillari del naso il farmaco va subito nel torrente circolatorio. Qui vengono spesso usati Aerosol per introdurre farmaci come cortisonici, e tale metodo di assorbimento è più efficace perché determina una minore dispersione.
• Endovena: metodo sicuramente più efficace, la sostanza viene iniettata direttamente nel torrente circolatorio.
• Intraperitoneale: spesso usata per esperimenti nel topo, anche nell’uomo ma prevedono un trattamento chimico particolare.
• Transdermica: tipica della nitroglicerina che viene somministrata attraverso cerotti transdermici, particolarmente adatti per essa che ha un’azione fortissima. Questa somministrazione risulta essere protratta nel tempo.
• Intramuscolare

Tutta questa storia per evidenziare che manderemo quanto più possibile la sostanza nel sangue, quindi si può distribuire nei differenti organi. L’escrezione può avvenire anche attraverso espirazione, specialmente quelle più volatili. Può avvenire anche l’equilibrio anche per cui la sostanza si distribuisce nel tessuto adiposo dove si incontrano le ghiandole e dunque si esplica anche un’escrezione ghiandolare.

Assorbimento per via orale

Ipotizziamo che la somministrazione avvenga per OS, somministrazione più eclatante e comune. La sostanza va subito nello stomaco, qui si ha già una buona parte di assorbimento legata al pH acido dello stesso, ad esempio per i Fans che sono acidi, si ha la prevalenza della forma indissociata e dunque è possibile l’assorbimento a tale livello come forma indissociata HA generale che riesce a permeare le cellule parietali della parete gastrointestinale, qui si hanno i capillari che determinano un primo assorbimento. Se il farmaco fosse amminico, e dunque basico, verrebbe protonato a livello dello stomaco e l’assorbimento non sarebbe più possibile.

Fattori che influenzano l'assorbimento

Da cosa dipende l’assorbimento a tale livello? Da fattori generali:

• Flusso ematico: più il flusso è elevato e a velocità moderata, più è possibile la diffusione del farmaco, cioè dobbiamo dare tempo alla molecola di essere assorbita.
• Superficie totale di assorbimento: l’assorbimento avviene meglio nei siti dove la superficie specifica è elevata, quindi nel polmone e nell’intestino, gli alveoli aumentano notevolmente la superficie del polmone, e anche i microvilli dell’intestino determinano un aumento dell’area disponibile per l’adsorbimento del farmaco.
• Tempo di contatto: deve essere prolungato; se il flusso ematico è velocissimo il tempo di contatto è basso, e l’assorbimento poco efficace.

Modalità di assorbimento

Le modalità di assorbimento (studiate a biologia) possono essere di tre tipi:

• Diffusione passiva semplice
• Diffusione facilitata attraverso carrier
• Trasporto attivo che prevede sempre l’uso di proteine di membrana che lavorano da trasportatori ma alcune di esse usano idrolisi di ATP, richiedono cioè energia.

Attenzione che la membrana è fatta da un doppio strato di fosfolipidi, che rivolgono esternamente le teste idrofile ed internamente le code idrofobe, dunque il farmaco si trova a dover oltrepassare nell’ordine uno strato polare, uno apolare ed un terzo polare. Dunque, se la specie è troppo polare, si lega alla testa polare ma non riesce a oltrepassare la porzione interna apolare, ma se troppo idrofoba non riesce neppure ad interagire con le teste polari, quindi deve avere un coefficiente di ripartizione perfetto, da poter sia legare la testa polare ma anche avere capacità parzialmente idrofobe per penetrare nella porzione interna, e poter poi oltrepassare l’ultimo strato al fine di accedere nella cellula (generalmente infatti l’azione si esplica all’interno della cellula).

Farmaci o tossici idrofili

Farmaci o tossici, che sono fortemente idrofili, in quanto carichi, come le ammine, non sono attivi per OS, solo per endovena. Perché? Consideriamo come esempio la d-tubocurarina, che al tempo era molto usata come miorilassante. Ora ci sono gli analoghi, ha una struttura che prevede due azoti quaternari, uno salificabile e uno salificato, quindi quando lo somministro è già salino ed essendo già carico, non riesce ad oltrepassare le cellule parietali dello stomaco e neppure i microvilli dell’intestino, quindi la somministrazione per OS non è efficace, in quanto la percentuale assorbita è irrisoria e non si esplica l’azione farmacologica. Essa viene somministrata solo per endovena.

Assorbimento attraverso le vie respiratorie

Vediamo ora l’assorbimento attraverso le vie respiratorie, si tratta di un metodo molto efficace e veloce, attraverso l’ampia superficie specifica degli alveoli ed elevatissima irrorazione delle membrane dai capillari alveolari. Per la somministrazione di alcuni metalli si sfruttano spesso gli aerosol in diverse terapie, ma un punto a sfavore dell’assorbimento mediante aerosol riguarda ad esempio le intossicazioni industriali. Basti pensare che il solfuro mercurico veniva somministrato come antisifilitico per via inalatoria, e ciò causava delle gravi intossicazioni specialmente a livello del SN. Anche la somministrazione di alcuni anestetici generali sfrutta tale metodica, così come broncodilatatori per il trattamento dell’asma. Il nitrito di amile anche viene somministrato così e lavora un po’ come la nitroglicerina.

Assorbimento transdermico

Si ha anche l’assorbimento transdermico, è poco favorevole alla permeabilità delle sostanze tossiche, è però permeabile a sostanze gassose o lipofile. Attenzione, per oltrepassare l’epidermide e lo strato dermico così da affacciarsi ai primi capillari, non deve essere eccessivamente lipofila, altrimenti l’affinità con il derma diviene tale da determinare un’interazione molto forte che ne causa l’intrappolamento nel derma stesso. Ciò può proseguire fino ad ottenere un accumulo di farmaco che diviene a quel punto capace di esplicare azione tossica. Servono sempre costanti di ripartizioni ideali, parziale carattere lipofilo e parziale idrofilo così com’è il fosfolipide, deve essere affine a quest’ultimo. Tagli della cute, e microlesioni che sono giornaliere anche per disidratazione che provoca lesione della cute, possono essere pericolose perché determinano un’alterazione dell’assorbimento attraverso la stessa.

Distribuzione e affinità tissutale

In seguito ad assorbimento si ha la distribuzione, essa dipende dalla vascolarizzazione ma anche dall’affinità dei tessuti per quella sostanza. Ciò determina la tessuto specificità del farmaco in questione, questo topic è chiave perché si può sviluppare un farmaco che abbia selettività di azione in uno degli organi in cui si vuole che funzioni. Gli organi in cui i tossici si localizzano frequentemente sono il fegato, che metabolizza il 70,80% delle sostanze, il SN, ma in generale in percentuali minori in tutti gli organi. La localizzazione del tossico dipende anche dal tipo di intossicazione che può essere definita acuta o cronica, già visto nel corso di sicurezza. Ad esempio, Pb dà nel fegato e rene intossicazione acuta, la intossicazione cronica invece viene “accolta” in altri siti, come unghie, capelli e anche reni. Essendo la funzionalità renale alterata, si ha una mancata eliminazione della sostanza, con genesi di un circolo ripetitivo che determina un accumulo del tossico, che è spesso letale specialmente se non esistono escrezioni adeguate.