Tossicologia delle sostanze naturali

TOSSICOLOGIA DELLE SOSTANZE

NATURALI

La tossicologia è lo studio degli effetti di una sostanza tossica che può essere naturale, un

metallo pesante, una sostanza di sintesi ecc. Gli effetti tossici non sono relativi solo all’uomo,

ma anche a un essere vivente o all’ambiente e agli ecosistemi in generale. Il tossicologo va a

identificare gli effetti tossici di una sostanza e anche studia i meccanismi molecolare alla base

di questi effetti, in questo modo si possono cercare degli antidoti per arginare l’effetto tossico,

inoltre si valuta la probabilità con cui questi effetti possono ricorrere e quindi la valutazione

del rischio. Il pericolo è una caratteristica intrinseca di una sostanza, ma è dalla probabilità

che si vede quanto è effettivamente il rischio.

In generale la tossicologia studia i veleni, ossia le sostanze tossiche, un veleno è una sostanza

con effetto dannoso su un essere vivente, può essere una sostanza naturale, ma anche una

sostanza di sintesi. Alla fine il tutto dipende dalla dose, per cui è il concetto cardine che

sancisce il limite tra effetto terapeutico e tossico di una sostanza.

L’identificazione del pericolo è capire l’effetto e in quanto tempo arriva, poi c’è la

caratterizzazione, cioè l’efficacia dell’effetto, c’è poi la specificità d’azione, dunque l’organo

bersaglio. La valutazione del rischio è quindi l’obiettivo ultimo dove si deve identificare

l’effetto tossico e gli eventuali livelli soglia per cui la sostanza non è sicura per l’organismo.

Esistono varie branche della tossicologia, la tossicologia descrittiva è quella dove si

descrivono gli effetti tossici di una sostanza mediante sperimentazione, per cui fornisce i

parametri tossicologici per valutare la sicurezza di una sostanza negli animali da laboratorio. Il

tossicologo regolatorio si basa sui dati descrittivi per definire quali sono i valori sogli al di

sopra della quale la sostanza è tossica e questi valori sono considerati per la promulgazione

delle leggi. La tossicologia molecolare è complementare alla tossicologia descrittiva, ossia

cerca le cause che portano all’effetto tossico tramite studi di biologia molecolare su linee

cellulari. La tossicogenomica cerca di capire le basi genetiche della diversa risposta

tossicologica a una certa sostanza, per cui il rischio varia a seconda della popolazione che può

essere più o meno suscettibile a un certo effetto tossico. La tossicologia forense si basa sulla

chimica analitica per identificare le cause di una morte, la tossicologia clinica si occupa delle

cause che portano a sintomi di tossicità. Altre branche della tossicologia diventano più

specifiche come la tossicologia occupazionale che riguarda i posti di lavoro e il lavoratore,

tossicologia della riproduzione che riguarda gli effetti tossici che danno implicazioni ormonali

con effetto sulla fertilità, tossicologia dello sviluppo che riguarda gli effetti tossici dal

concepimento fino all’adolescenza, per cui malformazioni nel feto, ritardi nel bambino o

nell’adolescente, la tossicologia ambientale riguarda il mondo vegetale, valuta tutti gli effetti

nocivi sull’ambiente (animali e vegetali) alterando l’ecosistema che diventa poi

ecotossicologia. La nanotossicologia è o studio degli effetti tossici dei nanomateriali, sono

materiali che hanno almeno una delle dimensioni nel range tra 1 e 100 nm.

TOSSICOLOGIA GENERALE

Le sostanze tossiche si dividono in sostanze di origine antropogenica (prodotte dall’uomo) e

sostanze non antropogeniche, quindi di origine naturale. Spesso sostanze tossiche (che sono

antropogeniche) e tossine (origine naturale) possono coincidere. Ad esempio la diossina è una

sostanza classificata come certamente cancerogena, in particolare la TCDD, ed è una

sostanza che si ottiene da un processo sintetico nell’industria chimica (antropogenico), ma

anche dalla combustione del legno (non sempre antropogenica).

In generale le tossine di origine naturale presentano una tossicità maggiore delle sostanze di

sintesi. Ogni tossina presenta il DL , ossia la dose che è letale per il 50% degli individui

50

studiati, per cui si ottiene dalla tossicologia sperimentale, per cui più è alto il valore di DL e

50

meno tossica è la sostanza. Le tossine sono prodotte dalla natura allo scopo difensivo, per

questo tendono ad essere estremamente efficaci. La tossicità dipende dall’esposizione, ci

sono sostanze che se assorbite a livello intestinale sono tossiche, ma che per le

caratteristiche chimico-fisiche non possono essere assorbite, dunque la tossicità per via orale

è bassa, mentre magari per via inalatoria possono avere effetto elevato, per questo la via di

esposizione è importante per definire il rischio di una sostanza.

La via di esposizione più importante è la via orale perché le sostanze naturali possono

facilmente accumularsi nei cibi e arrivare quindi all’intestino, nel tratto gastrointestinale

inoltre ci sono più variazioni di pH, quindi c’è una maggiore possibilità che avvenga

l’assorbimento di una sostanza. Successivamente c’è la via inalatoria e poi quella dermica.

Via da prendere in considerazione sono quella orale, quella inalatoria, la cutanea, l’oculare e

poi quelle parenterali. L’orale è quella più importante perché si è più esposti, soprattutto per

quanto riguarda la food safety per le tossine naturali. Le sostanze tossiche possono essere di

diversa natura, in primis i farmaci di sintesi o meno, poi ci sono gli additivi alimentari, cioè le

sostanze di origine chimica e sintetica, ma anche di origine naturale in pochi casi, per dare

particolari caratteristiche organolettiche. I contaminanti alimentari sono sostanze di origine

naturale che possono contaminare il cibo come le micotossine prodotte da funghi e possono

intaccare cereali, frutta secca, caffè e cioccolato e le tossine possono accumularsi nella

matrice alimentare. Gli additivi sono aggiunti intenzionalmente, mentre i contaminanti no. Gli

agenti chimici sono i contaminanti ambientali come le micotossine che sono prima liberate

nell’ambiente e poi vanno alla matrice.

I tipi di esposizione possono essere

Accidentale: si assume una tossina in un alimento in cui non era previsto

 Volontario: da presenza di additivi presenti nell’alimento



Dal punto di vista tossicologico si prende invece in considerazione un’assunzione cronica che

viaggia in parallelo all’assunzione accidentale o volontaria che invece è acuta. Nella

valutazione del rischio si deve determinare se si è esposti alla sostanza ogni giorno, quindi si

valutano effetti cronici, oppure se c’è l’esposizione acuta e quindi si valutano l’esposizione

volontaria o involontaria. Se le dosi sono basse non ci si accorge di un’assunzione acuta, ma

se si è continuamente esposti si ha l’accumulo e quindi poi dei sintomi diversi all’assunzione

acuta.

Nel caso dei farmaci si può parlare di un’esposizione accidentale, mentre nel caso di un

additivo si parla di una esposizione volontaria in genere, anche se poi in realtà non si legge

cosa c’è dentro e quindi in realtà non è del tutto un’assunzione volontaria. Se però si parla nel

caso di valutazione del rischio cronico si deve prendere in conto l’esposizione, per cui se si

valuta la sicurezza del farmaco si valuta sia un regime breve che uno cronico. Quella agli

additivi alimentari è una esposizione di tipo cronico, si cerca sempre di determinare dei limiti

di sicurezza prevedendo il caso peggiore, così si può tenere in sicurezza tutta la popolazione,

anche nel caso peggiore.

Dal punto di vista della tossicologia sperimentale per acquisire i dati di rischio di una

sostanza, si deve capire non solo se è assunta in maniera cronica o acuta, ma anche la via di

esposizione perché si rischia di effettuare di studi su una via a cui la sostanza potrebbe non

essere correlata. Un esempio la TTX che risulta tossica per via orale, quindi non si faranno

studi su una via di esposizione topica, perché non è la via a cui è associata. Per i farmaci

invece si studiano tutte le possibili vie di somministrazione, mentre per i contaminanti

alimentare si considera prevalentemente la via orale, gli agenti chimici industriali si

considerano tutte le vie di esposizione tranne quelle parenterali. I contaminanti ambientali

entrano per via inalatoria principalmente o per via orale se finiscono su vegetali che vengono

mangiati.

VALUTAZIONE DEL RISCHIO

La valutazione del rischio è il processo che il tossicologo è chiamato a fare per definire se una

sostanza è sicura o meno e se non è sicura deve fornire dei livelli soglia di dose,

concentrazione o esposizione al di sopra dei quali si ha tossicità e al di sotto invece si è sicuri.

Sono quei livelli che dopo sono fissati per legge per definire un prodotto ammissibile in un

prodotto alimentare. Nel caso degli additivi, queste sono sostanze che possono avere effetti

tossici, ma sono presenti al di sotto dei valori soglia per cui si può essere sicuri di non avere la

tossicità. Il rischio è la probabilità che quella tossicità sia esplicata nell’uomo, il tossicologo

valuta la pericolosità intrinseca della sostanza e quanto essa può essere presente in un

alimento, dunque la probabilità che la sostanza possa esplicare la tossicità. Il rischio aumenta

con l’aumentare della probabilità di esposizione, anche se poi la pericolosità intrinseca è

diversa, nella valutazione del rischio si devono quindi considerare sia il rischio che la tossicità

intrinseca.

La valutazione del rischio è fatta unendo tante informazioni, il tossicologo deve fare ricerca

per la caratterizzazione del pericolo in modo da vedere se una sostanza induce tossicità o

meno. Ci sono poi diversi step perché si deve identificare e caratterizzare la sostanza da

analizzare, il che non è facile perché sostanze naturali sono molto complesse e di

caratterizzazione chimica difficile, ma la conoscenza della struttura chimica può essere utile

per intuire la potenziale tossicità a partire dai gruppi funzionali o porzioni di struttura. Si deve

poi capire qual è la via di esposizione: si fa lo studio in vivo nell’animale, ma si deve

considerare quale è la via di esposizione per poi fare lo studio corretto. Si deve identificare il

protocollo sperimentale, ossia se è una tossicità acuta o cronica, in questo caso si deve capire

se si cerca mutagenicità, cancerogenicità o teratogenicità. Si va poi a valutare il possibile

meccanismo d’azione della sostanza, si valutano gli effetti visibili e alla fine si mettono

insieme tutti i dati.

Si cerca poi di capire quanto l’uomo può essere esposto a quel particolare contaminante,

ossia se può essere nei cibi, oppure se caratterizza un solo tipo di cibo per una particolare

popolazione, per cui ci sono dei database a cui si può attingere per chi studia l’esposizione.

Chi fa la valutazione del rischio unisce l’hazard idenitfication, l’hazard caraterization e infine

l’hazard exposure per avere così i valori di valutazione del rischio con i livelli soglia. Dopo c’è

la gestione del rischio che consiste nel prendere i dati di valutazione per gestirli a livello

politico. Importante è anche poi la comunicazione del rischio alla popolazione.

Si deve individuare se una sostanza ha un rischio intrinseco, la probabilità con cui si può

entrare a contatto, si fanno gli studi tossicologici e si deve determinare il valore di incertezza

dei dati, si deve valutare se c’è una preferenza di tossicità per sesso o profilo genetico in

generale. Si valuta quale quantità della sostanza può finire nei prodotti alimentari e a quale

concentrazione, se è bassa allora la sostanza è sicura.

Una volta identificata la sostanza e il tipo di esposizione, si deve fare la sperimentazione, cioè

si deve identificare il protocollo sperimentale da applicare, osservare i sintomi e definire i

parametri tossicologici e i meccanismi di tossicità. Il protocollo sperimentare si suddivide tra

tossicità acuta dove l’intossicazione avviene in modo accidentale in un lasso di tempo definito

e ad alte dosi, mentre l’esposizione cronica avviene a dosi più basse, ma in maniera

continuativa nel tempo. Ciò si deve riflettere nella sperimentazione sull’animale, inoltre si

deve scegliere una specie che si avvicina il più possibile all’uomo, quindi di solito si va sui

roditori, ma in generale la scelta non è casuale. L’esposizione deve essere riflessa sull’animale

quindi nella tossicità acuta si considera un’esposizione per 24 ore a dosi alte, si può fare con

tutte le vie di esposizione considerate a seconda della sostanza che si è identificata. Si espone

quindi l’animale e lo si osserva per 24 ore, se non muore si fanno tutte le analisi biologiche

per controllare parametri alterati. Nell’analisi sulle 24 ore le dosi usate non sono correlate con

l’esposizione reale, ma sono molto più alte apposta per poter avere un sintomo stressando

sulla dose, per questo si preferisce andare sulla tossicità cronica.

Le tossicità croniche possono essere a breve termine o a lungo termine e dipende dal tempo

di esposizione, quella a breve termine vale per 90 giorni di esposizione dell’animale, mentre

quella a lungo termine vale per tutta la vita dell’animale dove è esposto quotidianamente alla

sostanza, quest’ultima è la via di studio che idealmente sarebbe preferita, ma non è sempre

possibile perché nel caso di sostanze di origine naturale per avere delle tossicità a lungo

termine dovrebbero essere quantità enormi di composto, quantità che in natura non sono

presenti, per questo c’è lo studio di tossicità a breve termine. Altri studi di tossicità possono

essere quelli di genotossicità o di tossicità sullo sviluppo. In generale quando si parla di

sostanze naturali, in particolare alimentare, si fa la distinzione in tossicità acuta, cronica e poi

a lungo e breve termine.

Una volta iniziata la sperimentazione si devono registrare i sintomi, per cui i sintomi sono

suddivisi secondo molte classificazioni, ovvero si deve valutare se la tossicità è localizzata o

sistemica, ovvero se la tossicità è esplicata in siti diversi da quello di esposizione (per

inalazione la tossicità è epatica e non c’è niente a livello dei polmoni), per cui la sostanza non

ha attività diretta sull’organo dove avviene l’esposizione, ha le caratteristiche necessarie per

passare in circolo e poi arriva fino al target dove ha un’interazione. La tossicità può essere

immediata o ritardata, ovvero può richiedere o meno del tempo perché si esplichi, se ci vuole

del tempo si deve valutare il perché è cosi, ovvero se serve raggiungere una certa

concentrazione prima o se ha una cinetica lenta. I sintomi possono essere reversibili o

irreversibili, nei test in vivo per questo sono tenuti degli animali di controllo che sono esposti

solo inizialmente alla sostanza e poi non più, ciò serve a vedere se i sintomi osservati dopo un

certo periodo spariscono, dunque i sistemi di riparo possono contrastare la tossicità, oppure

se il sintomo rimane anche dopo l’esposizione alla sostanza vuol dire che i sistemi di

riparazione non sono in grado di contrastare. Ci possono essere le reazioni allergiche, le

reazioni di idiosincrasia (effetti avversi solo in una parte della popolazione a sostanze che

normalmente sono tollerate, sono confondibili con le allergie, ma non hanno base allergica,

bensì genetica, per cui a parità di dose in una persona si può avere una reazione, mentre in

un’altra no). La risposta più facile da valutare è la morte, ma non è un dato così indicativo

perché indica una tossicità estrema, inoltre è un dato grezzo perché se c’è la morte si è già

passati oltre ad altri stadi ti tossicità precedenti, per cui non è il solo dato che si guarda, ma si

fanno analisi istologiche per individuare alterazioni di organo, oppure ci sono le valutazioni di

tipo biochimico-analitico come analisi del sangue dove si cercano marker di danno renale,

epatico, cardiaco o muscolare, dunque si vanno a cercare degli enzimi specifici, per alcuni in

base alla isoforma si può discriminare il distretto, ad esempio si differenzia tra muscolo liscio o

striato.

I sintomi rilevati devono essere poi messi in relazione con la dose, questo perché gli effetti

che non sono strettamente correlati alla dose sono effetti che non dipendono dalla sostanza.

Ad esempio se si vede che l’animale a 100 mg/kg ha un danno epatico, ma l’animale di

controllo ha lo stesso livello di transaminasi, allora vuol dire che è l’animale ad avere un

problema invece che la sostanza. Il tutto vale perché l’effetto della sostanza è direttamente

proporzionale alla quantità che arriva all’organo bersaglio e anche al tempo di persistenza

perché più rimane e più può esplicare l’effetto tossico. Aumentando la concentrazione si

arriverà ad un effetto massimo oltre il quale non si può andare anche se si aumenta la dose.

Esistono due tipi di risposta:

GRADUALE: è una risposta in qualche modo misurabile, quindi tutte le analisi

 ematochimiche e molecole quantificate nel sangue

QUANTALE: è una risposta che c’è o non c’è, come la morte, oppure un tumore che c’è

 o n