Tossicologia generale (prima parte del Modulo I)

TOSSICOLOGIA

Modulo I

Prof.ssa Patrizia Hrelia

Obiettivi:

comprensione integrata dei problemi che concorrono alla definizione del profilo di

 sicurezza dei farmaci e di prodotti per la salute dell’uomo

comprensione dei meccanismi a livello biochimico, cellulare, molecolare, fisiopatologico

 che sottendono la tossicità

comprende le modalità con cui una sostanza tossica può entrare in contatto con il

 materiale biologico, gli effetti a carico di specifici organi ed apparati al seguito

dell’esposizione, come causa di malattie sia acute che croniche

comprendere la richiesta regolatoria di valutazione preclinica e clinica e alla valutazione

 del rischio da farmaci e da prodotti per la salute

TOSSICOLOGIA

La è la scienza (antichissima) che studia gli effetti indesiderati

delle sostanze chimiche sugli organismi viventi. Inizialmente si è indirizzata

esclusivamente allo studio degli effetti di sostanze chimiche su una singola specie,

l’uomo; ora viene considerato l’intero ecosistema. Nel corso di una singola giornata ci

sono tutta una serie di geni (visti con la tecnica del macroarray) che si accendono e si

spengono a seconda di luce/ buio, attività fisica/ riposo, cibo. Questo sta a significare

che noi interagiamo con l’ambiente che ci circonda e quindi è fondamentale tenere in

considerazione l’intero ecosistema.

È una scienza che fonda le sue basi su

tutte le altre materie chimiche e

biologiche affrontate fino ad ora: genetica,

patologia, fisiologia. E ha ambito di

applicazioni vastissimo poiché non c’è

sostanza chimica per qualsiasi modalità di

applicazione e di uso a cui non venga

richiesto il concetto di sicurezza (si può

usare un additivo industriale se non nuoce

alla salute, si può usare un farmaco

sicuro, un cosmetico se sicuro, una

sostanza a livello industriale se sicura). Il

tossicologo presenta poi successive

specializzazioni in funzione dei diversi

ambiti: tossicologo dei farmaci,

tossicologo clinico, tossicologo nell’ambito

della medicina legale, della sanità

pubblica, degli alimenti, dell’ambiente, in ambito veterinario e agronomico.

Non ci sarà sostanza chimica non sottoposta ad un vaglio, anche minimo, prima di

entrare in commercio e di essere autorizzato all’uso. scienza della

La tossicologia moderna, da scienza dei veleni, è ora la

SICUREZZA . È un termine relativo (cioè vincolato alle modalità di utilizzo) e non

assoluto poiché non esistono sostanze assolutamente sicure, ma esistono modi e

mezzi per utilizzare sostanze in maniera relativamente sicura e, pertanto la sicurezza

viene definita in termini di probabilità che la sostanza non indurrà un danno

significativo quando utilizzata in specifiche condizioni. È importante sapere utilizzarla

sia in termini quantitativi (di dose) che di somministrazione.

Se io utilizzo una sostanza devo sapere come usarla per avere un effetto piuttosto che

una tossicità = bisogna definire se si può utilizzare una sostanza in sicurezza e cioè se

della sostanza si conoscono tutti gli effetti, definendo le modalità d’uso che

permettono, in termini probabilistici, di abbattere la possibilità di avere un effetto

tossico. 1

La sostanza chimica a seguito dell’esposizione

(esposizione in un’unica somministrazione o acuta,

somministrazione di tipo ripetuto per tempi più o

meno discreti della nostra vita che possono andare

dai 2 giorni a per tutta la vita, esposizione

quotidiana, esposizione che si ha solo nel contesto

lavorativo, esposizione legata ad una terapia,

esposizione per una diversa via specifica) entra a

contatto con l’organismo umano che a seguito del

percorso metabolico farmacocinetico (ADME) reazione

incontra un organo/apparato con dei bersagli con cui innesta una

primaria .

L’interazione del nostro tossico nel sito biologico che ha raggiunto con lo specifico

target non è già il danno o l’effetto tossico; quindi, non è l’interazione recettore-

ligando che determina la reazione tossica o il danno.

Bisogna uscire dal semplice concetto di interazione ligando-recettore poiché al di fuori

c’è una cellula, c’è un apparato, c’è un intero organismo che è calato in un

ecosistema.

Quindi il danno si andrà ad esprimere solo se la reazione primaria avrà la possibilità di

esprimersi. Esistono moltissimi meccanismi di riparazione, difesa, barriere

antiossidanti, vari meccanismi farmacocinetici che sono proprio insiti a livello

fisiologico per contrastare questo tipo di possibilità. Quindi non è assolutamente detto

che una sostanza determina poi un danno. Questa potenzialità di esprimersi

dipenderà da vari fattori; primo di tutti la vulnerabilità individuale che farà sì che

all’interno della popolazione, al termine di una stessa esposizione, solo alcuni individui

si ammaleranno o accuseranno la risposta tossica (danno) ed altri no. Il danno poi avrà

conseguenze sulla salute dell’individuo.

Per cercare di limitare che ciò avvenga è importante studiare, quantificare e

identificare quale sarà l’esposizione causale, capire cosa potrebbe fare e come

l’organismo potrebbe contrastarlo, per evitare che si configuri il danno e che si

abbiano le conseguenze. SCIENZA DELLA

La tossicologia quindi, da scienza dei veleni, è diventata

PREVENZIONE per la salute dell’uomo e per la qualità dell’ambiente. È la scienza

che definisce i limiti di sicurezza (le modalità di esposizione in termini di quantità

e di tempo) di un agente chimico.

La tossicologia di sistema

parte dall’esposizione,

dall’interazione con le

molecole (partendo dal basso

si ha un gradiente di

significato biologico) = per cui

avere un effetto tossico sarà

la risultante finale di tutta una

serie di interazioni che si

possono creare (noi dobbiamo

conoscere tutte queste

possibilità).

La sicurezza dovrà essere

valutata nell’ambito della

popolazione, partendo dal

basso attraverso il gradiente

di conoscenza che ci

permetterà di conoscere e delucidare questa rete biologica strettamente dinamica che

si verifica a livello dell’individuo. 2

Sostanza → target → reazione primaria → risposta cellulare → risposta d’organo →

risposta d’organismo → conseguenza (positiva o negativa) sullo stato della salute in

funzione di diversi fattori.

Quindi dovremmo essere in grado, per ogni singola sostanza, di capire come un

esposizione può portare ad un potenziale danno alla popolazione trovare, se possibile,

le modalità di utilizzo per quella specifica sostanza.

A parte le diverse vie di somministrazione e le

diverse matrici si ha:

esposizione che riguarda la popolazione

o generale: ad esempio attraverso gli

alimenti

esposizione in ambito lavorativo: lavoratori

o che hanno peculiarità di esposizione

differente da un individuo della

popolazione generale = esposizione

occupazionale

intossicazioni ed avvelenamenti che

o avvengo molto spesso in maniera

accidentale, oppure in ambito intenzionale RISCHIO

Associato al concetto di sicurezza, si ha il concetto di rischio. Il

TOSSICOLOGICO è il prodotto di un azzardo (evento pericoloso = proprietà

tossicologiche intrinseche della sostanza) per la probabilità che si verifichi. La

dell’esposizione

probabilità è funzione (sorgente, vie di somministrazione) e della

suscettibilità individuale (competenze di riparazione risposta immune, assetto

ormonale).

Esposizione zero, rischio zero → sicurezza assoluta

Es: l’acqua fino a 2 litri è essenziale per lo stato di salute. Quindi è un elemento sicuro

ed utile alla salute se assunto fino a 2 litri al giorno (mediamente). Anticamente

esisteva la tortura dell’acqua, ovvero al prigioniero veniva fatti ingerire, in maniera

violenta, litri e litri (anche decine) di acqua che portavano, oltre al dolore fisico, lo

scompenso biologico e fisiologico totale. Ecco che la stessa sostanza che mi associa

un azzardo da sostanza utile per la salute a sostanza che può causare danni quasi

mortali al soggetto, può essere sicura o pericolosa associare un rischio zero o

massimo, in funzione della esposizione.

Valutazione del rischio tossicologico:

Identificazione dell’azzardo

 Sua quantificazione (dose-risposta)

 Valutazione dell’esposizione e della suscettibilità individuale

 Caratterizzazione del rischio, analisi costi-benefici, decisioni operative



Noi leggiamo quotidianamente etichette, i foglietti illustrativi e tutte quelle

informazioni derivano da queste considerazioni; cosa fa di bene e cosa fa di male e

quali sono le concentrazioni. Troviamo una condizione di utilizzo in cui il mare non

venga rappresentato ed anche se si rappresenta lo si conosce e si può intervenire.

Questo è il ruolo della tossicologia. Non c’è sostanza chimica o qualsiasi ambito di

utilizzo che non debba passare questo vaglio e questa analisi per la tutela della salute

del cittadino. Tutti noi abbiamo sempre e lo denunciamo sempre l’esigenza dell’uso in

sicurezza delle sostanze = obiettivo primario.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

___ 3

Sicurezza (Safety): certezza pratica che l’uso di una sostanza in specifiche condizioni

di quantità e di modalità di impiego non provochi un danno

Azzardo (Hazard): possibilità che un danno derivi da una sostanza chimica in

condizioni specifiche.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________-

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Tipi di esposizione:

ACUTA : singolo incidente o episodio di esposizione

 RIPETUTA : esposizione multipla (suddivisa in altre tre sottoclassi in base alla

 durata di vita media definita in %)

- SUBACUTA : non più del 5% dell’intera durata della vita

- 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 grande parte di essa > 20% e di media fino all’80% di vita media (per legge

si richiede la sperimentazione animale)

Ad esempio: la fibrosi polmonare si verifica a seguito di un’esposizione ripetuta cronica

a fibre solide, significa per l’intera durata della vita. Se si dice neurotossicità

subcronica significa che l’esposizione causale può essere 5-20% della durata della

vita.

Questo è molto importante anche per la definizione dei vari farmaci; ci sono i farmaci

della cronicità, ci sono i farmaci, ad esempio, gli antibiotici che vengono assunti per

una settimana quindi tossicità subacuta.

Quindi bisogna avere uno studio in preclinica che mi definisce l’azzardo in una realtà

espositiva comparabile a quella umana. Ecco come si può comparare l’animale con

l’uomo.

La tossicità può essere caratterizzata

su SCALA TEMPORALE:

- ACUTA

- SUBACUTA

- CRONICA

La tossicità può essere caratterizzata

in base alla tipologia di SITO nel

quale viene ad esprimersi l’effetto:

- LOCALE

- SISTEMICO

- MISTO

La tossicità può essere caratterizzata per SCALA TEMPORALE:

- IMMEDIATO : si sviluppa rapidamente dopo una singola somministrazione

- RITARDATO : si sviluppa dopo un certo periodo di latenza tra l’esposizione e la

manifestazione dell’effetto

- REVERSIBILE : legato alla capacità di rigenerazione del tessuto

- IRREVERSIBILE

La tossicità può essere caratterizzata in base alla

DURATA:

- PERSISTENTE

- TRANSIENTE 4

- CUMULATIVA : servono più esposizioni che favoriscono l’espressione del passo

successivo

- LATENTE : effetto di tipo ritardato

Una descrizione di tossicità richiede queste conoscenze:

Se un effetto è locale, sistemico, misto

 La sua natura ed il meccanismo di tossicità

 L’organo o il tessuto bersaglio

 Le condizioni di esposizione che portano a tossicità (incluse specie, via e

 grandezza dell’esposizione)

Relazione dose-risposta

Relazione tra le caratteristiche dell’esposizione e lo spettro degli effetti tossici

Esistono due tipi di relazione dose-risposta:

1. Descrive la risposta di un individuo a diverse concentrazioni della sostanza. È

GRADUALE = aumento della concentrazione dipendente dall’intensità della

risposta.

2. Descrive la distribuzione della risposta a diverse concentrazioni della sostanza

QUANTALE

in una popolazione. È = viene identificato uno specifico effetto e si

determina la dose necessaria per produrre l’effetto in ogni

individuo della popolazione

Sigmoide dove c’è il tratto esponenziale e ci sono le due frange di

risposta: iperattività ed iporeattività (quelli che necessitano di una

dose maggiore per esibire l’effetto.

In una popolazione esiste una variabilità quantitativa di

suscettibilità ad un composto chimico da parte dei singoli individui

nella popolazione.

La risposta nel 50% della popolazione è un valore

soglia poiché definisce una soglia di risposta =

dose letale 50. DL 50

Indice terapeutico = DE 50

Più grande è l’indice terapeutico più sicuro è il

farmaco. 5

Dalla curva dose-risposta, in valore della percentuale si possono ricavare altri valori

soglia importanti; come la dose letale 1 (LD ) e la dose/concentrazione necessaria per

1

avere la risposta nel 99% dei pazienti (ED ). Il rapporto di queste due soglie va a

99

determinare il margine di sicurezza.

LD 1

Margine di sicurezza = ED 99

Più questi valori sono distanti e più la sostanza sarà sicura.

Andamento delle curve dose-risposta:

ORMESI : caratteristica dei minerali essenziali e delle vitamine. Si viene ad

 evidenziare uno stato carenziale ed una curva ascendente di ipervitaminosi ed

una regione di omeostasi.

SOGLIA : effetto avverso, effetto protettivo ed

 effetto combinato (a basse dosi danno tossicità,

ad alte dosi danno tossicità e bisogna trovare la

giusta dose di equilibrio tra vitamine e minerali.

6

Valutazione della relazione dose-risposta

POTENZA : data dalla posizione relativa della curva dose-risposta lungo l’asse

 delle ascisse. Si riferisce ad un intervallo di dosi all’interno del quale una

sostanza produce effetti sempre maggiori.

EFFICACIA : mantenimento della relazione dose-risposta. Limite della relazione

 dose-risposta per una certa sostanza

Controllo del dolore: la morfine, rispetto alla meperidina,

esibisce un andamento lineare ma è più potente poiché si ha

un ambito di concentrazione più basso.

Il grafico a destra ci dà un indice sulla efficacia: le sostanze

A, B e C hanno tutte più o meno la stessa potenza, ma hanno

una efficacia diversa poiché hanno dei flessi a concentrazioni

differenti. Meccanismi di tossicità

Ogni giorno siamo esposti ai 200-300 xenobiotici = moltitudine di sostanze chimiche

che entrano nell’organismo e possono incontrare una moltitudine di strutture

biologiche = moltitudine di effetti tossici.

Moltitudine di composti chimici + moltitudine di strutture biologiche → moltitudine di possibili

effetti tossici

Si può avere una sostanza che a livello epatico interagisce con una proteina

dell’epatocita, ma questa reazione viene contrastata dai meccanismi intrinseci

d’organo.

In funzione principalmente dell’intensità e della via di esposizione, i composti chimici

possono causare effetti avversi alla funzione e/o alla struttura degli organismi viventi.

Numerosi processi possono portare a tossicità:

DIRETTI

 CHE COMPORTANO NUMEROSI PASSAGGI : ogni passaggio favorisce

 l’opportunità che si venga a creare il passaggio successivo

7

A. una sostanza tossica (oggetto di esposizione) incontra il suo target ed esprime

subito il suo meccanismo = meccanismo di tossicità diretto. Ad esem