Tossicologia

Tossicologia dei pesticidi

Nella famiglia dei pesticidi rientrano numerosi composti, raccolti in quattro grandi classi a seconda dell'effetto desiderato:

• Insetticidi: organofosfati, carbammati, organoclorurati, piretroidi;
• Erbicidi: paraquat, atrazina, glifosato;
• Fungicidi: ditiocarbammati, captan, folpet;
• Rodenticidi: fluoroacetato di sodio, warfarin.

Organofosfati

Gli organofosfati sono insetticidi sviluppati in Germania negli anni ’30 dai quali poi sono derivati gas nervini (il sarin è il precursore della classe degli organofosfati e degli agenti nervini), utilizzati come arma di distruzione di massa: prendono il loro nome dall'azione prevalente -ma non esclusiva- sul SNC e SNP oltre che al sistema motorio. Sono composti inodore, incolore ed insapore e a temperatura ambiente si presentano come liquidi estremamente volatili: a contatto con l’aria la concentrazione fase/vapore è sufficiente per provocare un’intossicazione letale. Sono sostanze estremamente tossiche per l’inalazione ma sono anche molto lipofile, con la possibilità di assorbimento per via cutanea e raggiungimento di una concentrazione plasmatica sufficiente per produrre un avvelenamento acuto; sono più pesanti dell’aria e hanno una persistenza ambientale piuttosto elevata. I gas nervini sono stati sviluppati negli anni ’30 in Germania e in seguito in USA, URSS e altri paesi.

Nonostante il sarin sia stato bandito dalla Convenzione di Parigi sulle Armi Chimiche, il suo uso è stato accertato nello sterminio dei curdi da parte dell’Iraq nel 1988 (più di 5.000 morti e 65.000 feriti), negli attentati terroristici alla metropolitana di Tokyo nel 1995 (13 decessi e 6.000 feriti), nel 2013 in Siria sotto il regime di Assad (oltre 1.400 morti). Dal sarin sono stati prodotti diversi derivati ed analoghi che presentano un profilo tossicologico più maneggevole ma preservando il meccanismo d’azione.

Il meccanismo d’azione tossico, alla base dell’efficacia di queste sostanze è l’inibizione dell’acetilcolina esterasi, enzima coinvolto nella degradazione dell’acetilcolina presente nel vallo sinaptico: gli organofosforici sono in grado di creare un legame irreversibile con il sito enzimatico, bloccandone di fatto l’attività. Il sito enzimatico è costituito da una porzione ossidrilica ed una carbossilica: gli organofosfati sono in grado di creare un legame covalente con la porzione ossidrilica del sito attivo dell’enzima con un legame P-O. Il legame creato è talmente stabile che l’organismo non riesce a romperlo in tempi compatibili con la vita: di fatto, la fosforilazione del sito enzimatico determina il meccanismo molecolare che provoca il blocco dell’attività enzimatica.

In caso di intossicazione da organofosfati, la pralidossima si presenta come un composto estremamente utile: contenendo un N quaternario e risultando carica positivamente, essa riesce ad interagire e “poggiarsi” con facilità nella tasca carbossilica del sito attivo e fornire un alternativo substrato ossidrilico a quello originario. L’organofosfato può legarsi quindi al nuovo sito attivo liberando di fatto la tasca ossidrilica dell’enzima, consentendo la ripresa dell’attività. Non esiste altro modo di riattivare l’enzima in tempi relativamente rapidi poiché, col passare del tempo, il legame tra organofosfato ed enzima è sottoposto al fenomeno dell’invecchiamento, con un consolidamento tale per cui la rimozione risulterà impossibile.

L’utilizzo della pralidossima è associato ad atropina e benzodiazepine solo in caso di avvelenamento da organofosfati, in caso di avvelenamento da carbammati è utilizzata la sola atropina. Infatti, sebbene il target enzimatico risulti il medesimo, i carbammati effettuano con l’enzima un legame N-O che non porta ad invecchiamento e si risolve autonomamente per idrolisi.

Il quadro clinico dell’avvelenamento da organofosfati è assimilabile a quello di una sindrome colinergica, una sindrome caratterizzata dalla sovraesposizione all’acetilcolina. Il quadro clinico è determinato principalmente dalla distribuzione dell’acetilcolina: è il trasmettitore del sistema presente a livello gangliare nei sistemi ortosimpatico e parasimpatico. Mentre nel sistema parasimpatico l’acetilcolina si ritrova a livello postgangliare, nel sistema ortosimpatico essa è presente come trasmettitore a livello gangliare e a livello dei vasi sanguigni, oltre che rivestire una grande importanza verso la muscolatura scheletrica.

I recettori responsabili dell’azione colinergica sono i nicotinici e i muscarinici: i primi si trovano a livello gangliare e sulla placca neuromotrice mentre i secondi principalmente a livello postgangliare.

Effetti sul sistema nervoso periferico e centrale

A livello temporale, in caso di avvelenamento da organofosforici, si manifesta dapprima una stimolazione muscarinica mentre successivamente ha il sopravvento la stimolazione nicotinica, con effetti distinti sul Sistema Nervoso Periferico e sul Sistema Nervoso Centrale:

• Effetti sul Sistema Nervoso Periferico

L’azione a livello del SNP mostra due sequenze temporali ben precise:

• Effetto muscarinico precoce per stimolazione delle terminazioni postgangliari del parasimpatico
  • Apparato respiratorio: caratterizza l’area di effetto principale e più importante, in quanto la maggior parte dei decessi è determinata da depressione respiratoria. I pazienti mostrano senso di oppressione toracica, tosse, cianosi, aumento delle secrezioni mucose, edema polmonare. L’azione sui recettori muscarinici, presenti sulle fibre muscolari lisce a livello bronchiale, porta ad una broncocostrizione con conseguente riduzione del lume delle vie respiratorie e broncoostruzione per sovrapproduzione di muco: all’associazione di broncocostrizione e broncoostruzione si aggiunge anche l’insorgenza di edema polmonare. A carico dell’apparato respiratorio seguiranno ulteriori fenomeni, definiti dalla stimolazione dei recettori nicotinici;
  • Apparato gastroenterico: l’aumento delle secrezioni porta all’insorgenza di scialorrea, nausea, vomito, diarrea, dolori addominali oltre ad una forte sudorazione;
  • Apparato cardiocircolatorio: la stimolazione dei recettori muscarinici porta a bradicardia e, a livello periferico, ipotensione per produzione di NO (agente vasorilasciante);
  • Miosi, cefalea, incontinenza urinaria, lacrimazione, sudorazione.
• Effetto nicotinico successivo per azione sulle sinapsi dei muscoli volontari e terminazioni gangliari orto- e parasimpatiche.
  • Apparato muscoloscheletrico: la stimolazione dei recettori nicotinici porta ad astenia, debolezza muscolare e tremori. I tremori dovuti ad avvelenamento da organofosforici sono definiti fascicolazioni muscolari, continue ed asincrone contrazioni dei muscoli dovute all’azione dell’acetilcolina che non viene degradata. Le fascicolazioni muscolari dei muscoli intercostali per stimolazione nicotinica va ad aggravare un quadro respiratorio già di per sé compromesso, aggiungendosi alla difficoltà e all’ostruzione respiratoria. Il persistere dell’azione dell’acetilcolina, inoltre, porta il recettore a adottare un meccanismo compensatorio: il recettore va incontro ad un periodo refrattario, dapprima relativo (la fibra risponde solo a stimoli maggiori) e poi assoluto (la fibra non risponde più ad alcuno stimolo) con persistenza dell’effetto;
  • Apparato cardiocircolatorio: l’azione dell’acetilcolina porta all’insorgere di tachicardia e ipertensione per un’importante azione a livello dell’ortosimpatico che ha prevalenza sull’effetto opposto esercitato dalla stimolazione parasimpatica;

• Effetti sul Sistema Nervoso Centrale

L’azione sul Sistema Nervoso Centrale può portare a irritabilità, ansia, insonnia, confusione mentale, difficoltà di concentrazione, convulsioni, depressione respiratoria. La sindrome colinergica non è esclusivamente associata all’esposizione ad organofosfati (sia essi intesi come pesticidi o come agente nervino per la guerra chimica) ma anche all’intossicazione da funghi o all’utilizzo di farmaci per la miastenia gravis.

Composto DL orale (mg/kg) DL cutanea (mg/kg)

Da un punto di vista farmacologico occorre valutare anche la DL₅₀, che mostra parametri nettamente differenti a seconda della struttura del composto: prendendo in esame composti come il TEPP (tetraetilpirofosfato), il parathion ed il malathion si osservano DL₅₀ completamente diverse a seconda del composto e del tipo di esposizione (orale o cutanea), con valori che tanto più sono prossimi a 1 tanto più sono tossici.

Sebbene la struttura del parathion e del malathion siano abbastanza simili, i profili farmacologici confermano che il parathion è effettivamente più tossico del malathion: questa selettività sugli insetti è dovuta principalmente al processo tossicologico della classe degli organofosfati, ovvero la bioattivazione e la degradazione enzimatica.

Bioattivazione e degradazione enzimatica

1. Bioattivazione: gli organofosforici sono debolmente reattivi ma, attraverso un processo di desolforazione ossidativa, il legame P=S è convertito in un legame P=O andando a costituire un composto estremamente reattivo. Mentre negli insetti questo processo di trasformazione è molto rapido, nei mammiferi è invece molto lento;
2. Degradazione enzimatica: l’idrolisi è il meccanismo con cui l’organofosfato è inattivato. Rispetto al processo di bioattivazione, la velocità di reazione è invertita: per un diverso assetto enzimatico, i mammiferi riescono a inattivare più velocemente gli organofosfati degli insetti.

Negli insetti si realizza quindi una bioattivazione rapida ed una degradazione lenta che concorrono al bioaccumulo del tossico nell’organismo dell’insetto. La quantità di tossico porta ad una progressiva inibizione dell’enzima con sintomatologie e prognosi che differiscono a seconda della percentuale di enzimi inibiti.

Brevemente, il quadro clinico del soggetto affetto da avvelenamento da organofosforici dipende essenzialmente da tre fattori: la quantità di tossico nell’organismo, la tossicità della sostanza, la rapidità di intervento. Gli organofosforici possono condurre anche ad un quadro di neuropatia periferica ritardata nota con il termine di jake walk che si manifesta con una deambulazione caratteristica del paziente avvelenato. Il termine deriva dal consumo, durante l’epoca del proibizionismo, di un liquore a base di etanolo e ginger (Jamaica Ginger, detto “Jake”), opportunamente sofisticato per essere commercializzato come tonico: la sofisticazione però produsse un organofosfato tossico che portò all’avvelenamento di 16000 persone. Il quadro clinico è caratterizzato dalla perdita di funzionalità degli arti per degenerazione dei nervi periferici, parestesie degli arti, astenia, atassia, dolori crampiformi ai polpacci, deficit motorio dei segmenti distali (dita dei piedi) con evoluzione centripeta e paralisi. Questa neuropatia è dovuta all’azione di sostanze come TOCP (triortocresilfosfato), clorpirifos etile, coumafos, diclorvos, leptofose, metamidifos, triclorfon capaci di inibire non l’acetilcolinesterasi, bensì le esterasi neurotossiche aspecifiche.

Triortocresilfosfato (TOCP)

In caso di avvelenamento, il percorso terapeutico da intraprendere è variegato:

• Decontaminazione: rimozione degli effetti personali, degli abiti, irrigazione delle mucose e di un lavaggio abbondante e accurato atto a rimuovere eventuale tossico dalla cute e prevenire un’ulteriore prosecuzione dell’avvelenamento;
• Rianimazione cardiopolmonare: utile in caso di arresto cardio-respiratorio;
• Decontaminazione gastrica: occorre rimuovere il tossico presente a livello gastrointestinale in caso di contatto per ingestione. Si procede con lavanda gastrica e intestinale, somministrazione di sospensioni di carbone attivo, catarsi salina;
• Terapia farmacologica: somministrazione di 2 mg endovena o intramuscolo di atropina solfato ogni 5’-10’ fino a comparsa di cute secca e tachicardia, necessariamente entro 30’ dall’esposizione e per 2-4 giorni fino al termine della broncorrea. Entro 2 ore dall’esposizione occorre somministrare anche 1000-2000 mg di pralidossima endovena in bolo e una dose di mantenimento di 500 mg all’ora per un trattamento di 3-7 giorni. Sono inoltre disponibili autoiniettori predosati per un utilizzo in ambito militare. Dato che non è possibile valutare l’efficacia della pralidossima sull’AchE poiché sono distribuiti a livello del sistema nervoso, la sua efficacia è valutata in relazione all’attività sulla pseudocolinesterasi plasmatica, reperibile tramite prelievo venoso.

Si evince che, benché la somministrazione di pralidossima non riporti l’attività dell’enzima ai livelli iniziali, lo conduce a livelli tali da garantire comunque la sopravvivenza del paziente.

Carbammati

L’insetticida più rappresentativo del gruppo dei carbammati è il Sevin, nome commerciale del carbaril. I carbammati condividono con gli organofosforici il meccanismo d’azione, salvo non dare origine a un legame irreversibile con il sito enzimatico, risultando quindi inibitori reversibili dell’acetilcolinesterasi. Il legame azoto-ossigeno è meno stabile del corrispettivo legame degli organofosforici, con conseguente minore tossicità. Il capostipite della famiglia di questo tipo di insetticidi è il carbaril: questa classe di composti genera danno sia a livello epatico che renale.

A livello epatico il danno è caratterizzato dalla riduzione dei processi ossidativi microsomiali, degli enzimi respiratori e della glicolisi, con modesto aumento delle transaminasi, fosfatasi alcalina e arginasi. A livello renale si osserva una riduzione del rapporto amminoacidi/creatinina nelle urine a causa di un ridotto assorbimento tubulare. Questi segnali, oltre alla sindrome colinergica descritta dagli organofosforici, determinano una intossicazione da carbammati. L’atropina è l’antidoto elitario: in questo caso non c’è necessità della somministrazione di pralidossima poiché il legame con l’enzima è reversibile e verrà idrolizzato automaticamente.

Un famoso caso di avvelenamento di carbammati avvenne nella cittadina indiana di Bhopal nel 1984 dove in una ex-azienda produttrice di pesticidi, il lavaggio errato di una cisterna contenente MIC (isocianato di metile, intermedio per la produzione di carbaril) portò all’esplosione dell’impianto con rilascio di fosgene, MIC, cianuro e monoetilammina: il vento, portando la nube in città, ha fatto il resto. Si contarono 30.000 decessi, 19.000 feriti e 170.000 persone evacuate.

Organoclorurati

Il DDT (1,1-bis-(4-clorofenil)-2,2,2-tricloroetano) è il rappresentante principale di questa classe di pesticidi. È famoso poiché è stato il primo pesticida, sintetizzato da Ohtmar Zeidler nel 1874 e riscoperto come insetticida da Paul Hermann Müller nel 1948, opera che gli fruttò il Nobel. È stato ampiamente utilizzato nella Seconda Guerra Mondiale per eradicare tifo e malaria, oggi ne viene incoraggiato ancora l’uso nei paesi in via di sviluppo per debellare le stesse patologie grazie alla sua economicità e facilità di sintesi.

Tuttavia, il suo sviluppo ha trovato una battuta d’arresto a causa della sua persistenza ambientale: le molecole della classe degli organoclorurati sono alogenate e non sono facilmente detossificabili (con conseguente epatotossicità) e sono lipofile (accumulo nel tessuto adiposo dei viventi). Il fenomeno di bioaccumulazione descrive l’accumulo di quantitativi crescenti di date sostanze nell’organismo dei viventi in un determinato ecosistema; la biomagnificazione è invece il fenomeno in cui i predatori presentano concentrazioni crescenti rispetto alle prede, dato che se ne cibano. Il DDT presenta un’alta stabilità e lipofilicità che sfocia in un’alta persistenza ambientale con un assorbimento che può essere sia cutaneo (limitato) che orale con una DL₅₀ orale di 10-20 mg/kg e non fatale fino a 285 mg/kg. Si distribuisce prevalentemente nel tessuto adiposo (dove si accumula e da dove viene poi rilasciato nell’organismo) e nel fegato, dove porta a necrosi e induzione di CYP450, principale responsabile del metabolismo di fase I dei farmaci: nei soggetti intossicati si realizza con il tempo un metabolismo iperreattivo che influenza il profilo farmacocinetico. Il DDT risulta anche cancerogeno nei topi a causa del metabolita attivo, il DTE.