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Unidad I. Introducción
a la toxicología
M. EN C. PAULINA DEL VALLE PÉREZ
¿Qué es la toxicología?
Ciencia multidisciplinaria
“Ciencia de los venenos”
Estudia las interacciones dañinas entre
sustancias químicas y sistemas biológicos
El estudio de los efectos, propiedades,
detección y regulación de las sustancias tóxicas
Fenómenos físicos
Sustancias
tóxicas
Organismos
sistemas biológicos
exposición
Aspectos históricos Papiro de Ebers (Egipto, 1500 A.C.)
Cicuta, acónito, opio, belladona, digital y metales (As, Pb, Sb)
Hipócrates, Aristóteles y Teofrasto (Grecia, 400 A.C.)
De Historia Plantarum: plantas venenosas
Nicandro (Grecia, 200 A.C.) Theriaka y Alexipharmaka
Mordeduras de animales venenosos y venenos de origen vegetal. Antídotos
Dioscórides (Grecia, 40 D.C.) De Materia Médica
Precursora de la farmacopea
Paracelso (Suiza, 1493) Tercera defensa. “Toxicón”
“¿Hay algo que no sea veneno? Todas las cosas son veneno, solamente la dosis determina que una cosa sea o no veneno”
Aspectos históricos
Códice De la Cruz-Badiano (México, 1522)
Libro sobre las plantas medicinales de los mexicas. “Tolohuaxíhuitl”
Mateo Orfila (España, 1787)
“Padre de la toxicología”
Tratado de los venenos minerales, vegetales y animales
Journal de Chimie Médicale, de Pharmacie et de Toxicologie.
Anales de medicina legal
Claude Bernard (Francia, 1813)
Mecanismo de acción tóxica: curare
I. Tradicional II. Moderna III.Contemporánea IV. “OMICA”
-1900 1900-1945 1946-
Aspectos históricos
Venenos, sus orígenes,
Efectos y antídotos
Aspectos forenses,
Bélicos, industriales,
Errores clínicos
Intoxicación crónica,
ambiental, mutágenos
carcinógenos
Establecimiento de
biomarcadores,
genética
Sócrates: cicuta
Claudio: amanita
Séneca: cicuta
Mozart: ¿?
Napoleón: arsénico
Marilyn Monroe: barbitúricos
Michael Jackson: propofol
Aspectos históricos
Divisiones de la Toxicología
Toxicología
Descriptiva
RegulatoriaMecanística
Áreas especializadas
Forense: aplicación de técnicas analíticas para responder cuestiones médico-legales sobre los efectos dañinos de las sustancias químicas.
Clínica: Efectos de las sustancias químicas en envenenamientos. Diagnóstico y tratamiento. Veterinaria.
Ambiental e industrial: Efecto de las sustancias químicas (contaminantes) y sus impactos en los ecosistemas y poblaciones.
Definiciones
Fármaco
Toxón: Sustancia que manifiesta efectos dañinos que pongan en peligro la vida de los individuos.
Xenobiótico: Toda sustancia extraña al organismo,
incluyendo sustancias benignas o dañinas. Excluye
vitaminas y hormonas.
Sustancia endógena: Aquella que no es extraña al
organismo y a determinadas concentraciones es
necesaria para que funcione de manera correcta.
Hormesis: Fenómeno que presentan algunas sustancias al manifestar efectos biológicos opuestos de acuerdo a
la concentración
Hormesis
Curva dosis-respuesta en forma de
U o J
Típica curva Dosis-respuesta
Clasificación de los agentes tóxicos
Por el órgano diana: hígado, riñón, cerebro, etc…
Por su uso: agroquímicos, aditivos, fármacos, sustancias de abuso, etc..
Por su origen: animal, vegetal, mineral.
Por sus efectos: teratogénico, carcinogénico, etc…
Por su mecanismo de acción: unión a biomoléculas, inhibición, etc…
enzimática, etc..
Por su DL50
DL50 (ratón) Término Ejemplo
> 15 g/kg No tóxico Esteviósido
5-15 g/kg Ligeramente tóxico Etanol*
0.5-5 g/kg Moderadamente tóxico Buscapina (1 g/kg)
50-500 mg/kg Muy tóxico Cocaína (96 mg/kg)
5-50 mg/kg Extremadamente tóxico Nicotina 24 mg/kg
< 5 mg/kg Súper tóxico Toxina botulínica
(10 ng/kg)
Rutas de administración para
determinar DL50
Oral
Subcutánea
Intramuscular
Intraperitoneal
Intravenosa
Absorción
Etapas de la acción tóxica
Exposición
• Frecuencia
• Ruta
• Dosis
• Riesgo
Toxocinética • ADME
Toxodinamia• Mecanismo
de acción EFECTOS
TÓXICOS
Exposición
Ruta
Frecuencia
Aguda < 24 h
Subaguda < 1 mes
Subcrónica 1-3 meses
Crónica > 3 meses
Exposición
Evaluación del riesgo de
exposición Riesgo: Probabilidad de que una sustancia produzca un daño bajo
condiciones específicas
Seguridad: Probabilidad de que daño no ocurra
Peligro: Propiedades tóxicas intrínsecas de una sustancia
Manejo del riesgo: toma de acciones para controlar los peligros identificados en la evaluación del riesgo
Caracterización del riesgo: consideraciones cualitativas y cuantitativas
Identificar el peligro
Evaluaciones in vitro, in vivo
Estudios de relación estructura-actividad
Datos epidemiológicos
Dosis-respuesta
Relación dosis-respuesta en la
evaluación del riesgoCriterio para aceptar una
relación causal entre un
xenobiótico y un efecto
adverso
NOAEL (No observedadverse effect level)
LOAEL (Lowestobservable adverse effect level)
DL50
Umbral: compuestos no carcinogénicos
NOAEL
Dosis más alta que NO produce un aumento significativo en la
respuesta
Depende de:
Dosis evaluadas
# de animales
Incidencia de los animales
Dosis de Referencia (RfD) para exposición oral cónica
Concentración de Referencia (RfC) para exposición inhalatoria
crónica
Nivel Mínimo de Riesgo (MRL)
Ingesta diaria aceptable (ADI)
El NOAEL debe ser una de las dosis evaluadas
RfD = NOAEL
UF * MF
MRL = NOAEL
UF
Benchmark dose (Dosis de
referencia)
Dosis de una sustancia que se espera que resulte en un nivel predefindo de efecto (Nivel de respuesta de referencia)
Se calcula el límite de confiabilidad de una dosis a un nivel específico de respuesta (respuesta de referencia BMR)
1, 5 o 10% de la respuesta (Incertidumbre 95%)
Valor alternativo al NOAEL
No depende tanto del diseño del experimento
Se toma en cuenta el tamaño de muestra y la forma de la curva dosis-respuesta
Se emplea para datos continuos o poblacionales, con o sin umbral
Efectos carcinogénicos
Variación de susceptibilidad
Genética
Sexo
Edad
Enfermedades preexistentes
Hábitos (dieta, fumar, alcohol)
Medicación
Biomarcadores
Cualquier respuesta biológica a un xenobiótico a nivel individual o molecular que provee información sobre el estado normal o patológico de un individuo o población. Se utilizan en estudios in vivo e in vitro
Relación de causalidad
Magnitud dosis-dependiente
Método de evaluación
De exposición: xenobiótico, metabolito, aducto, sustancia endógena. Metales
De efecto: componentes endógenos, medidas de la funcionalidad o cualquier otro indicador del estado o equilibrio del organismo
De susceptibilidad: un individuo es especialmente sensible al efecto de un xenobiótico, rasgos hereditarios o factores ambientales
Biomarcadores
BIOMARCADOR Ejemplos
Exposición Aductos de DNA
Aductos de albúmina
Excreción en orina
Aductos de hemoglobina
Efecto Recuento de eritrocitos, leucocitos
Actividad enzimática (AChE)
Niveles de proteínas en orina
Susceptibilidad Polimorfismos de enzimas (CYP 450)
Polimorfismos de GH-S-transferasa
Polimorfismo NAT-2
Bioindicadores y biomonitoreo
En ecotoxicología (Toxicología ambiental) sirven para medir el
impacto de contaminantes en los ecosistemas
Efectos medibles sobre alteraciones morfológicas, del
comportamiento, sobre tejidos o fisiológicos, muerte o desaparición
de una población
Especies de aves, peces, invertebrados, plantas, etc.
Lirios: contaminación
Efecto medible que se monitorea en los bioindicadores
Evaluación en campo o en laboratorio
Bioindicadores y biomonitoreoBIOINDICADORES BIOMONITOREO IMPACTO ECOLÓGICO
Daphnia magna Genotoxicidad Agua dulce
Tabaco Clorosis Ozono atmosférico
Artemia salina Mortalidad Metales pesados en
agua de mar
Líquenes Desaparición Atmósfera, lluvia ácida,
metales pesados
Carpa común Mortalidad Nitratos, fosfatos y
turbidez en agua dulce
Etapas de la acción tóxica
Exposición• Frecuencia
• Ruta
• Riesgo
Toxocinética • ADME
Toxodinamia• Mecanismo
de acción
EFECTOS
TÓXICOS
Toxocinética
Estudio del movimiento de los xenobióticos dentro del organismo
Comprende los procesos de ADME
Absorción: Transporte a través de las membranas biológicas desde su sitio de
ingreso hasta la circulación
Permeación: capacidad de un xenobiótico para trasladarse por la membrana
Difusión simple
Difusión facilitada
Transporte activo
Endo/exocitosis
Filtración por poros
Propiedades fisicoquímicas de los
xenobióticos
Liposolubilidad
LogP
LogD
Peso molecular (tamaño)
Polaridad y carga
Similitud a sustancias endógenas (5-
HT y DMT)
Difusión simple
Forma de transporte más utilizada por los xenobióticos
Factores que afectan la velocidad:
El gradiente de concentración del
xenobiótico
Coeficiente de partición o de
distribución
Tamaño molecular
Grado de ionización
Coeficiente de partición (logP)
Relación de la concentración de una
sustancia entre una fase orgánica
(octanol o cloroformo) y una fase
acuosa a 25 °C o a 37 °C
Expresa el grado de solubilidad en lípidos
de un compuesto
Moléculas sin carga
Nos indica la facilidad con que una
sustancia puede transportarse en las
membranas
Coeficiente de partición
Xenobiótico Log P
Nicotina 1.17
Cocaína 2.30
Acetaminofén 0.46
Nifedipino 2.20
Morfina 0.89
Fluoxetina 4.05
Coeficiente de distribución (logD)
Muchos xenobióticos son ácidos o bases débiles
La forma no ionizada atraviesa las membranas biológicas
Relación entre el grado de ionización de un xenobiótico y log P
log D= [fase orgánica (no ionizado)]/[fase acuosa (ionizado + no ionizado)]
Ácidos: log DpH = log PHA – log (1 +10 pH–pKa)
Bases: log DpH = log PB – log (1 +10 pKa–pH)
Transporte activo
Similitud estructural con moléculas
endógenas
Requiere un gasto de energía
Contra el gradiente de
concentración
Saturable
Excreción de sustancias tóxicas a
través del riñón
Uracilo y 5-fluorouracilo
Endo/exocitosis
Invaginación que provoca una célula hacia una
partícula sólida (fagocitois) o líquida (pinocitosis)
Macromoléculas y liposomas
Resumen toxocinética
Los xenobióticos se transportan principalmente por difusión simple
LogP: expresa el grado de liposolubilidad de un xenobiótico
Tamaño < 500 Da (4 x 10 -4 mm)
LogD: relaciona el logP con el grado de ionización (pKa) para
ácidos y bases débiles
Compuestos muy polares: se excretarán fácilmente
Compuestos poco polares: se almacenarán en depósitos lipofílicos
La forma no ionizada de un ácido o una base es la que atraviesa la
membrana
Transporte activo: similitud estructural con endógenos
Regla de 5 de Lipinski (diseño de
fármacos)
Regla empírica
Moléculas pequeñas y lipofílicas
Solamente absorción oral
PM < 500 Da
Donadores de enlaces de H < 5 (N u O)
Aceptores de enlaces de H < 10 (N, O o F)
Log P < 5
Tracto gastrointestinal
Absorción gastrointestinal Plasma
Factores que afectan la absorción:
Velocidad de disolución y tiempo de desintegración
pH de la porción gastrointestinal
Propiedades del xenobiótico (pKa, liposolubilidad, tamaño, y
estabilidad química)
Vaciamiento gástrico
Área de absorción
Tiempo de residencia
Velocidad de disolución y tiempo
de desintegración
Depende de la solubilidad del xenobiótico
La velocidad de disolución es directamente
proporcional a la solubilidad (acuosa)
R = K * S
> 1g/100 mL
Forma farmacéutica
Vaciamiento gástrico
Estómago intestino delgado
Xenobióticos con velocidad de disolución muy lenta, el
vaciamiento retardado favorecerá su absorción
Promueven vaciamiento Retardan vaciamiento
Soluciones alcalinas Alimento grasosos o viscosos
Ansiedad Depresión
Hambre Úlceras
Hipertiroidismo Hipotiroidismo
Alimentos fríos Alimentos calientes
pH De la porción gastrointestinal
Xenobióticos: ácidos o bases débiles
Solo la forma no iónica atravesará las membranas (difusión simple)
Ácidos estómago
Básicos o ácidos intestino delgado (permeación)
Tiempo de residencia
Porción Longitud
(m)
Área
(m2)
pH Residencia Moos
Esófago 0.3 0.02 6.8 > 30 s ¿?
Estómago 0.2 0.2 1-3 1.5 h < 102
Duodeno 0.3 0.02 5-6.5 > 5 min < 102
Yeyuno 3 100 6.9 1-2 h < 102
Íleon 4 100 7-8 2-3 h < 107
Colón 1.5 3 5.5-8 15- 48 h < 1011
Inestabilidad química y metabolismo intestinal
Compuestos lábiles en medios ácidos se pueden hidrolizar en el
estómago. Ej. Glucósidos cianogénicos
Péptidos como insulina, oxitocina o vasopresina se desnaturalizan o
descomponen por las enzimas proteolíticas
En el intestino delgado hay enzimas que pueden transformar a los
xenobióticos (grupos funcionales susceptibles). Ej. cloropromazina
Los microorganismos también pueden transformar a los xenobióticos.
Nitritos → nitrosaminas
Cambio en la actividad biológica: desactivación, bioactivación.
Tracto respiratorio
Gran área de absorción (50-100 m2)
Alta irrigación sanguínea
Absorción muy rápida y eficiente
Región nasofaríngea: 5-30 mm
Región traqueobronquial: 1-5 mm
Región alveolar: < 1mm
Tamaño de partícula
Gases o partículados (sólidas o líquidas)
Absorción o Fagocitosis
Gases y vapores
El grado de absorción depende de la solubilidad del gas (Coeficiente de reparto
entre la fase gaseosa y la sangre)
Saturación de la sangre provoca un incremento en el flujo sanguíneo
Obedecen a las leyes generales de los gases
Los sistemas particulados (aerosoles o partículas sólidas) se comportan de manera
diferente
Solubles Ligeramente solubles Insolubles
NH3 X2 NOx
HCl O3 AsO3
SO2 PCl4 CoCl
HF
H2SO4
Piel
Tejido complejo que consta de diversas capas
Completamente expuesto al ambiente
3 mm de grosor
Estrato córneo: 80% de resistencia a absorción
Contiene esteroles y ceramidas, no se absorben xenobióticos altamente
lipofílicos
pH 4-7
En los capilares puede ocurrir absorción sistémica
Escrotal > Frente > axila > cuero cabelludo > espalda > palmas y plantas
DISTRIBUCIÓN
Una ves que los xenobióticos has sido absorbidos pasan a la sangre
Depende de la vía de absorción
Factores que influyen en la distribución:
Propiedades fisicoquímicas del xenobiótico
Gradiente de concentración entre los diferentes compartimentos
Riego sanguíneo de los órganos y tejidos
Unión a proteínas
Unión a proteínas
Xenobiótico libre xenobiótico-proteína
Sólo el xenobiótico libre puede tener actividad biológica
Albúmina (69000 D): se unen compuestos ácidos
a1-glicoproteína (40000 D): se unen sustancias básicas
Lipoproteínas (LDL, HDL)
Interacciones ión –ión, enlaces de H, fuerzas de van der Waals e
interacciones hidrofóbicas
Distribución reducida
Desplazamiento de otras sustancias Toxicidad
Unión a proteínas
Unión a albúmina Unión a a1-glicoproteína Unión a lipoproteínas
AAS Imipramina Amitriptilina
Barbitúricos Lidocaína Nortriptilina
Benzodiazepinas Metadona
Digitoxina Propanolol
Estreptomicina Verapamil
Fenitoina Dipiridamol
Penicilina Disopiramida
Toxodinámica
Modo de acción o mecanismos de interacción
molecular con los sistemas biológicos a través de los
cuales se da la acción tóxica:
Factores a considerar en la respuesta tóxica:
Características de la exposición (aguda, crónica, ruta de
ingreso, etc.)
La dosis (recordar a Paracelso!)
Las características del xenobiótico (estructura y propiedades fq)
Tipo de efecto tóxico producido
Características genéticas del organismo
Xenobiótico Blanco molecular
Efectos adversos de los medicamentos
Reacciones adversas de los medicamentos: “Cualquier efecto perjudicial y no deseado que se presenta a las dosis empleadas en el humano para profilaxis, diagnóstico, terapéutica o modificación de una función fisiológica”
Farmacovigilancia: ciencia que recoge, vigila, investiga y evalúa la información sobre los efectos de los medicamentos, productos biológicos y medicina tradicional con el fin de identificar información acerca de las reacciones adversas y prevenir daños en los pacientes. NOM-220-SSA-2012: Instalación y operación de la farmacovigilancia
Graves: causan la muerte, ponen en peligro la vida, hacen necesaria la hospitalización, causan invalidez o incapacidad persistente, causan alteraciones o malformaciones en el recién nacido
Coma, choque anafiláctico, colapso vascular, inmunosupresión, daño ocular, disfunción hepática, mutaciones, teratogénesis, etc…
No graves:
calambres, fiebre (leve), glositis, anorexia, diarrea (leve), hipo, nauseas, vómito, vértigo, dolor de cabeza, debilidad, fatiga,, etc…
Clasificación de las reacciones
adversas
Tipo A: Se pueden predecir con base en el efecto farmacológico. Son dosis dependientes
Por sobredosis: exageración del efecto farmacológico. Hemorragia
Por efecto secundario: Somnolencia
Efecto de “rebote”: aumento de la presión arterial
Tipo B (idiosincráticas): No son predecibles, No guardan relación con la dosis. Causas genéticas (modificación en el metabolismo). Alergias
Tipo C: Se pueden predecir o racionalizar con base en la estructura del xenobiótico o sus metabolitos. Grupos nitro
Mecanismos generales de acción
tóxica
Unión a macromoléculas
Interferencia con la producción energética celular
Interferencia con las interacciones ligando-receptor
Interferencia con las funciones membranales
Perturbación de homeostasis de calcio
Pérdida de células selectivas
Alteraciones genéticas en células somáticas
Unión a macromoléculas Modificación de la
actividad enzimática:
warfarina
Estrés oxidante: paraquat
Unión a DNA y RNA:
ciclofosfamida
Interferencia con la producción de
energía celular
Inhibición de la fosforilación oxidativa
Oligomicina: inhibición de ATP sintetasa
Rotenona: Inhibición del complejo I
Cianuro: Inhibidor del complejo IV
Desacoplamiento de la fosforilación oxidativa
2,4-dinitrofenol: interrumpe el gradiente de pH en la membrana interna
mitocondrial
Dicumarol
Pentaclorofenol
Interferencia con las interacciones
ligando-receptor
Neuroreceptores y neurotransmisores
Receptores hormonales
Interferencia con las funciones de
las membranas
Fluidez de la membrana: disolventes orgánicos, anestésicos locales
Bloqueadores de canales iónicos: tetrodotoxina
Membranas mitocondriales
Membranas lisosomales: tetracloruro de carbono
Interferencia sobre el sistema
inmune
Pueden actuar como antígenos, como haptenos o como adyuvantes
Hipersensibilidad:
Tipo 1: Inmediata (IgE-células cebadas). Urticaria, rinitis, dermatitis atópica, anafilaxia
Tipo 2: Citolítica. Antigeno-célula (IgG, IgM, IgA). Incompatibilidad RH
Tipo 3: Complejos inmunes (IgG, IgM). Inflamación
Tipo 4: Retardada(linfocitos T). Dermatitis por contacto
Imnunosupresión: Ciclosporina A, ciclofosfamida, glucocorticoides, plomo,
cadmio, metilmercurio,, DDT, dierldrin, cannabinoides, nicotina, asbestos, etc…
Autoinmunidad
Mecanismos de citotoxicidad
Apoptosis: Muerte celular programada. Vía de las caspasas
Necrosis: daño agudo a células causado por agentes físicos, toxinas o deficiencias nutrimentales
Excitotoxicidad: muerte de neuronas por un aumento de la despolarización de la membrana postsináptica
Apoptosis vs necrosisApoptosis Necrosis
Muerte controlada de células
individuales
Afecta a un grupo de células
Es inducida por estímulos
fisiológicos
Provocada por eventos no
fisiológicos (trauma)
No hay inflamación Hay inflamación
Contracción del citoplasma y
condensación del núcleo
Hinchamiento del citoplasma y
mitocondrias
No se pierde la integridad de
la membrana
Se pierde la integridad de la
membrana
Proceso activo (ATP) Proceso pasivo
Fragmentación de la célula en
pequeños cuerpos apoptóticos
Lisis total de la célula
Se forman poros en las
mitocondrias
Desintegración de organelos
Biomarcadores de citotoxicidad
Citotoxicidad: daño letal a las células
CL50
mM, mM, nM
Inhibición del crecimiento (GI)
Inhibición total del crecimiento (TGI)
# De células (inicial) # de células (24 h) Parámetro
2,000,000 4,000,000 Control -
2,000,000 3,000,000 GI50
2,000,000 2,000,000 TGI
2,000,000 1,000,000 CL50
Biomarcadores de citotoxicidad
Biomarcador Característica
MTT y XTT Convertido en formazán
por enzimas
mitocondriales
Rojo neutro Retenido por lisosomas y
endosomas
Azul de tripano Colorante no es retenido
por células viables
Sulforodamina B Se une a aminoácidos
básicos proteínas
intracelulares
Azul kenacida Proteínas totales
intracelulares
Resazurina Se reduce a resorufina
(fuorescente)
MTT y XTT
Rojo neutro
Azul de tripano
Sulforodamina B
Resazurina
Liberación de lactato
deshidrogenasa (LDH)
Líneas celulares
Líneas primarias: derivan de subcultivos de células normales
Líneas secundarias: derivan de células transformadas (tumores)
Medio de cultivo:
Sales inorgánicas
Elementos trazas
Buffer pH 7.2-7.4
CHOS
Aminoácidos
Vitaminas
Proteínas y péptidos
Lípidos
Antibióticos
Suero fetal bovino
Aplicaciones
Biología celular
Biología molecular
Bioquímica y fisiología celular
Toxicología y farmacología
Mutagénesis y carcinogénesis
Desarrollo de vacunas y biológicos
Líneas celulares
Línea celular Característica
A549 Pulmón
Chang, CC1144, ARL Hígado
C1300, C6 Sistema nervioso
PC-3 y DU-145 Próstata
HEK293 Riñón
IMR-32 Neuroblastoma
MCF-7 Cáncer de mama
IGR-OV-1 Ovario
HL-60 Leucemia linfoblastica
Colo-205, HCT-15 Colon
“End points”
Síntesis o liberación de moléculas específcas
Urea, sales biliares, histamina, hemoglobina, etc…
Síntesis, liberación o actividad de enzimas
b-glucuronidasa, LDH, ATPasa, G-6-P-deshidrogenasa, Ach-esterasa
Interacción de xenobióticos con las células
Fagocitosis, inclusión citoplásmica, acumulación intracelular
Alteraciones metabólicas
Transporte de glucosa, peroxidación de lípidos, acumulación de lípidos
Actividad en la superficie celular
Adhesividad, polarización de la membrana, antagonismo H1