Tossicologia

Corso di tossicologia

Paracelso e il principio della tossicologia

• Medico, alchimista e astrologo svizzero
• “Sola dosis venenun facit”
• Tutte le sostanze sono veleni
• La giusta dose differenzia il veleno dal rimedio

La tossicologia è una disciplina che tocca tutte le materie, dalla farmacologia, alla farmacoterapia, alla farmacovigilanza; si occupa nel valutare e descrivere gli effetti tossici e i meccanismi d'azione che questi effetti tossici hanno a livello del corpo umano. Inoltre, valutano anche la probabilità, a seconda dell'esposizione dell'agente tossico, di sviluppare tossicità sia a livello qualitativo che quantitativo.

• Descrivere effetto tossico e il meccanismo di azione (stima qualitativa della pericolosità)
• Valutare probabilità di insorgenza di danni alla salute a determinate esposizioni (stima quantitativa del rischio)

Concetti fondamentali nella tossicologia

Dose ed effetti e intensità sono legati alla dose e si deve considerare l'insorgere di effetti tossici quando i composti o i loro metaboliti sono presenti nell'organo bersaglio e tutto questo è determinato da una serie di fattori. Questi effetti, a livello del nostro organismo, dipenderanno sia dalla dose, che l'agente tossico raggiunge nel nostro organismo.

Attenzione a non confondere dose con concentrazione: con concentrazione si fa riferimento al preparato della sostanza, per esempio, ho un integratore con una sostanza concentrata 100 mg/ml. Se somministro 100 microlitri di questa sostanza, la dose non sarà 100 mg/ml, bensì, andrà rapportata al chilo (a seconda del peso corporeo) e andrà in base a quanta ne somministro di questa sostanza. Quindi se ne somministro 100 microlitri, di questa sostanza, significa che inietto 10 mg nel corpo e questi 10 mg vanno divisi per il peso corporeo per risalire alla dose; avrò una dose di 10/50 = 0,2 mg/L.

È necessario quindi conoscere questi effetti tossici che variano a seconda della via di somministrazione, del volume di distribuzione delle sostanze, della natura chimica, della velocità di eliminazione della sostanza. È necessario conoscere anche il meccanismo azione, esposizione, intensità di esposizione, durata esposizione, relazione dose effetto e la sensibilità individuale. Questi aspetti vanno presi in considerazione tutti insieme per determinare quello che è l'effetto a livello del nostro organismo.

La tossicologia come scienza multidisciplinare

La tossicologia è una scienza multidisciplinare che tocca molte branche perché andiamo dalla:

• Tossicologia sperimentale, che si occupa di esperimenti biochimici (studi in vitro)
• Tossicologia clinica, che sfocia nella farmacovigilanza perché va a valutare gli effetti tossici anche di alcuni farmaci, quindi di agenti che entrano in contatto con il nostro organismo
• Tossicologia ambientale, la quale va a valutare la concentrazione di agenti tossici nell'acqua, nell'aria e nel terreno e che quindi possono venire a contatto con il nostro organismo
• Tossicologia industriale, la quale fa riferimento al riconoscimento delle sostanze che vengono immesse nell'ambiente da scarti industriali per esempio
• Tossicologia forense, che si occupa principalmente delle analisi e dei campioni umani a seguito di intossicazioni, avvelenamenti o assunzione sostanze
• Tossicologia regolamentativa, che fa riferimento a regolamenti che ci sono sia a livello europeo che mondiale

Classificazione della tossicologia

Un altro tipo di classificazione della tossicologia, prende in considerazione sia il tipo di esposizione, sia la dose (con cui veniamo a contatto), sia la durata. Abbiamo tre livelli di tossicità:

• 1° livello: si divide in esposizione di tipo volontaria o involontaria (accidentale), con una dose elevata ma durata breve. Questo sfocia nella tossicologia clinica. Involontaria intendiamo, per esempio, una ricercatrice in laboratorio, apre accidentalmente un contenitore di acido cloridrico concentrato e i fumi di cloro vengono a contatto con gli occhi; questo risulta nella tossicologia clinica involontaria con esposizioni a dosi elevate ma a durata breve.
• 2° livello: è di tipo occasionale che prende in considerazione l'assorbimento cutaneo e inalatorio (a livello polmonare). Prevede una dose media, una durata media e questo fa riferimento alla tossicologia industriale; ad esempio, una persona che lavora in una fabbrica è esposta continuamente a medie dosi tossiche rientra in questa classe di tossicologia.
• 3° livello: è di tipo cronica. Prevede l'esposizione alla dose bassa, con una durata lunga. Fa riferimento a un aspetto di farmacovigilanza ed epidemiologia.

Classificazione degli agenti chimici

Esiste una classificazione per i diversi agenti chimici. Alcune percentuali a cui siamo esposti: 79% agenti chimici, 5% additivi alimentari, 3% eccipienti, 7% farmaci, cosmetici 2%. Quello che dobbiamo tenere presente è che queste percentuali non corrispondono sempre a una correlazione diretta con gli eventi tossici. Se pensiamo ai farmaci, devo sempre tener conto di un rapporto rischio/beneficio: assumo un farmaco per avere un effetto benefico e non un effetto tossico. Effetti tossici, derivanti dall'assunzione di farmaci, non saranno il 7% ma saranno molto più bassi. Un altro fattore molto importante sono le abitudini alimentari che possono portare, più o meno, all'assunzione di agenti tossici. Pensiamo alla verdura che può essere stata trattata con pesticidi, magari non controllati.

Categorie di tossici

Bisogna sempre tener presente che gli agenti tossici si dividono in due principali categorie:

• Tossici: sono sostanze di tipo sintetico, di origine antropogenica, che derivano da scarti industriali. Gli stessi farmaci possono essere considerati tossici, se assunti ad elevate concentrazioni e quindi si sfocia nell'effetto tossico (overdose di assunzione da farmaco, non confondere con effetto avverso).
• Tossine: sono prodotte naturalmente. Possono essere di origine batterica o micotossine. Un esempio, è la tossina botulinica.

Possiamo avere una sovrapposizione delle due categorie. Se pensiamo alle diossine, queste possono derivare sia da scarti industriali, quindi appartenere alla parte tossica e dall'altra parte possono essere causa di incendi boschivi.

Admissible Daily Intake (ADI)

Per le tossine non è possibile definire la ADI; ci basiamo principalmente su dati epidemiologici; è inutile andare a definire una dose somministrabile al giorno per la tossina botulinica, che ha una ED50 bassissima.

Esempi di tossici e tossine

Esempi di DL50 di alcuni tossici o tossine:

• Alcol etilico: 10000 mg/Kg p.c.
• Morfina: 900 mg/Kg p.c.
• Fenobarbitale: 150 mg/Kg p.c.
• Tetrodotossina: 0,10 mg/Kg p.c. (100 volte più tossica del KCN)
• Tossina botulinica (Clostridium botulinum): 0,00001 mg/Kg p.c. 200 grammi di tossina botulinica sarebbero sufficienti a sterminare l'intera umanità!

Gli agenti tossici oltre ad essere classificati in tossici e tossine, possono essere classificati base a:

• Stato fisico: possono essere gas, polveri o liquidi
• Stabilità chimica: se sono sostanza o infiammabili
• Potenziale di tossicità (vedi tabella)
• Meccanismo d’azione: sono classificati anche in base al meccanismo possiamo trovare agenti chelanti come la Ciclofosfamide, che si va a legare a livello del DNA e quindi causa un danno a livello nucleare della cellula.

Abbiamo inibitori delle colinesterasi, che provocano un blocco irreversibile della colinaesterasi attraverso il legame fosfato che si viene a creare con il sito esteri co dell'acetilcolina esterasi. I metodi più utili per uso legislativo sono quelli che prendono in considerazione questo tipo di classificazione: in base alla dose che uno assume, considero i livelli di tossicità che viene riportato in tabella.

Danno tossico

La classificazione prende anche in considerazione il tipo di danno tossico che può indurre:

• Danno lesionale: fa riferimento a quelle sostanze che non hanno un target specifico. Un esempio è il Paracetamolo, che ha un danno non legato al suo meccanismo d'azione farmacologico (inibitore di COX), ma provoca un danno epatico a seguito del suo metabolismo che va a produrre una sostanza (metabolita intermedio, N-acetil-p-benzochinoneimmina, NAPQI) tossica a livello epatico.
• Danno funzionale: prevede che l'agente tossico abbia un bersaglio specifico. Un esempio sono le Benzodiazepine, che si vanno a legare al recettore del GABA: quindi conosco il meccanismo d'azione e il sito recettoriale delle Benzodiazepine. In caso di intossicazione da questi farmaci, possiamo somministrare Flumazenil. Somministro un antagonista delle Benzodiazepine, non è possibile un danno lesionale perché non ho quel target specifico, ma il danno a livello epatico è di tipo necrotico; la cellula muore, provoca uno stato infiammatorio a livello del tessuto epatico e non ho possibilità di intervenire con altri agenti.

Reazioni allergiche

Nella classificazione degli agenti tossici abbiamo poi reazioni di tipo allergico, hanno origine immunologica, che deriva da una precedente sensibilizzazione ad una sostanza. Cosa significa? Quando veniamo a contatto con un agente tossico possiamo avere la sensibilizzazione. Il nostro organismo quando, per la prima volta, entra in contatto con l'agente tossico va a produrre questo tipo meccanismo: il tossico, che in questo caso viene chiamato aptene, si va a legare a una proteina endogena, formando un antigene. L'antigene è riconosciuto a livello del nostro organismo e produce una riposta immunitaria. Se si tratta di immunoglobuline di tipo M avrò una risposta allergica. Le reazioni allergiche avvengono sempre, non la prima volta che entriamo a contatto con l'agente tossico, ma la seconda volta, poiché il nostro corpo deve produrre anticorpi specifici per quell'antigene. Le manifestazioni allergiche più comuni possono coinvolgere vari sistemi dell'organismo; come la pelle (prurito), oppure possono coinvolgere l'occhio e in maniera grave i bronchi, portando a broncocostrizione. Questo tipo di reazioni vengono trattate con la somministrazione di adrenalina; è antagonista dei recettori beta2 a livello polmonare e provoca broncodilatazione. Si ha anche un antagonismo con i recettori alfa1 a livello cardiaco e provoca un aumento del battito cardiaco in modo tale da riportare la situazione a normalità.

Effetti idiosincratici

L'idiosincrasia è un tipo di reattività soggetto-specifica: quindi in un popolazione ci saranno pochi soggetti che reagiscono in maniera anomale all'esposizione a un agente tossico. È un tipo di reattività anormale e geneticamente determinata. Riferito a tutte le reazioni che possono avvenire con una bassa frequenza. Possono insorgere dalla prima somministrazione.

Per esempio la Succinilcolina è un bloccante a livello della placca neuromuscolare: blocca il recettore nicotinico della placca neuromuscolare. In alcuni soggetti la somministrazione di Succinilcolina provoca una apnea e un rilassamento della muscolatura più prolungato rispetto al normale. La Succinilcolina ha emivita molto bassa. In alcuni soggetti che, invece, non sono in grado di metabolizzare Succinilcolina in maniera adeguata, a causa di mutazioni genetiche a carico dell'enzima responsabile del metabolismo della Succinilcolina, hanno l'effetto di apnea e rilassamento muscolare più lungo nel tempo; questo significa che la Succinilcolina non avrà emivita molto breve come avviene nella maggior parte dei soggetti, ma avrà emivita molto più lunga. Un altro esempio è il favismo, in cui si ha un deficit della glucosio-6-fosfato deidrogenasi. Questo enzima è importante per la produzione di glutatione ridotto; il quale è una delle principali molecole che serve da antiossidante. Se a questi soggetti vengono somministrati farmaci o agenti tossici che provocano un effetto pro-ossidante, avremo emolisi a causa di accumulo di H₂O₂ (perossido di idrogeno).

Tempistiche della tossicità

Abbiamo una classificazione per quanto riguarda le tempistiche della tossicità:

• Tossicità immediata: si sviluppa immediatamente dopo una singola esposizione all'agente tossico. Ad esempio, i fumi di cloro: appena entro in contatto con il cloro allo stato gassoso, avrò una reazione che sarà un'irritazione delle vie polmonari e irritazione oculare.
• Tossicità ritardata: avremo gli effetti tossici solamente dopo un certo periodo di tempo. Ad esempio, negli organofosforici gli effetti dati dal blocco delle acetilcolina esterasi avvengono dopo 2-3 giorni dall'esposizione. Oppure, il benzene, a seconda della dose, della quantità con cui vengo a contatto, porterà a due effetti avversi: uno di tipo immediato e uno di tipo ritardato. Il benzene, ad alte concentrazioni, provoca irritazione sia a livello oculare che respiratorio. Se invece, si ha una esposizione a basse concentrazioni di benzene, ma prolungato nel tempo, cioè di tipo cronico, provoca leucemia.

Effetti reversibili o irreversibili

Abbiamo anche una classificazione degli effetti tossici in base a se sono reversibili o irreversibili. Questo fa principalmente riferimento all'organo colpito. Se l'agente tossico esercita al sua tossicità nei confronti di un organo che ha un turnover cellulare molto veloce, questo organo sarà in grado rigenerarsi in maniera più veloce e avrò una tossicità reversibile. Per esempio, il Paracetamolo ha effetto epatotossico e rientra in questa classe; il fegato è un tessuto che si rigenera velocemente. Mentre sostanze che provocano danni al sistema nervoso, provocano danni irreversibili; sappiamo che le cellule nervose hanno un turnover cellulare molto più lento rispetto a quelle epatiche e faranno riferimento a un danno irreversibile. Per sostanze che provocano danni irreversibili è possibile fissare delle concentrazioni o dosi non pericolose, mentre per quanto riguarda sostanze che provocano danni irreversibili non si può fare.

Tossicità locale o sistemica

Un altro tipo di classificazione è la tossicità locale o sistemica.

• Effetto locale: l'agente tossico provoca tossicità nella zona in cui è entrato a contatto, nel sito di contatto tra il sistema biologico e l'agente tossico. Esempio, ingestione di sostanze caustiche o inalazione di sostanze irritanti (gas di cloro reagiscono col tessuto polmonare), ma anche a livello cutaneo.
• Effetto sistemico: l'agente tossico (agente chimico) deve essere assorbito dall'organismo ed esplicare la propria azione in un punto lontano rispetto alla zona di contatto. L'effetto che noi vediamo a livello sistemico sarà derivante da tutta una serie di fattori, dall'assorbimento, alla distribuzione, all'eliminazione dell'effetto tossico. Un agente che ha un effetto sistemico deve avere anche un sito bersaglio. Es. Piombo: danno locale e sistemico. Il piombo provoca a livello cutaneo irritazione e corrosione però viene anche assorbito a livello del nostro organismo e va a indurre danno a livello del SNC.

Caratteristiche dell'esposizione

Quello che determina la tossicità, quindi, i fattori che influenzano la tossicità sono:

• Via di somministrazione: gastrointestinale, polmoni, pelle.
• Durata e frequenza di esposizione all'agente tossico: acuta, subacuta, subcronica, cronica.
• Emivita dell'agente tossico.

Sono riportate tre diverse sostanze, A, B, C: sulle ordinate abbiamo la concentrazione nel sito target. La sostanza C ha un'eliminazione molto veloce. Prendiamo in considerazione la sostanza C con emivita di 24h. La sostanza B sarà elimina più lentamente. La sostanza A viene subito eliminata. Questo è quello che avrò con una somministrazione singola. La sostanza B rimane più tempo nella finestra degli effetti tossici, la sostanza A invece ha una tossicità molto prolungata.

Cosa succede se per ogni sostanza ho dosi ripetute? Per quanto riguarda la sostanza C, nel momento in cui viene eliminata, se viene esposta all'agente tossico, la sostanza C non rientra nella finestra degli effetti tossici perché il farmaco viene eliminato in tempo. Per quanto riguarda la sostanza B la situazione è diversa: il mio organismo, nel momento in cui entra a contatto con la seconda dose, è sempre presente l'agente tossico nell'organismo. Ancora più grave è la situazione per il composto A; ha tempo di emivita molto lenta, a dosi ripetute, è molto facile che io abbia effetti tossici. È molto importante sapere, per quanto riguarda l'agente tossico, l'emivita della sostanza. È molto importante conoscere la via di somministrazione dell'agente tossico con cui vengo a contatto. Deve esistere un bersaglio con cui l'agente tossico possa interagire, affinché la risposta tossica avvenga. L'effetto tossico sia qualitativo che quantitativo è strettamente legato alla dose interna. Questo ricorda molto la farmacologia; se l'agente tossico viene somministrato per via endovenosa entrerà tutta la dose nel circolo sistemico provocando gravi effetti tossici. Altre vie di somministrazione sono: inalatoria, intraperitoneale, sottocutanea, intramuscolare, intradermica, orale (quella più lenta), cutanea.

DOSE: curva quantale

Questa è una sigmoide che presenta la risposta in base alla concentrazione (dose) espressa in mg/kg e da questo grafico possiamo ricavare la ED50; cioè l'intercetta dell'asse delle x, passando per il 50%, mi indicherà la DE50, in questo caso è 100 mg/Kg. La curva che vediamo sopra deriva da questa sigmoide, si definisce curva quantale e ha questo andamento gaussiano: esprime la frequenza degli eventi in base a questa curva sigmoide. Per esempio, prendiamo 100 soggetti, tratto con dosi crescenti di agente tossico.