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Unidad 1. Introducción a la toxicología Departamento de Farmacia, Facultad de Química, UNAM.

14 Profesores: Francisco Hernández Luis, María Elena Bravo Gómez, Perla Castañeda López. Servicio Social: Circe Mouret Hernández

1.7 Toxocinética

La toxocinética es el estudio del movimiento (traslado) de los

xenobióticos dentro del organismo.1 El estudio de esta etapa comprende los

procesos de absorción, metabolismo, distribución y excreción de

compuestos en los organismos vivos.1,2 Para iniciar el estudio de esta

etapa, primeramente se revisarán los principios básicos que son

responsables del transporte de las sustancias a través de las membranas

biológicas.

Transporte a través de las membranas biológicas

Un aspecto importante a considerar una vez que el xenobiótico ha

ingresado al organismo, es que tiene que atravesar varias membranas de

los diferentes compartimentos biológicos para ejercer su acción en un sitio

distante de su ingreso. 3

Figura 1-9. Diferentes membranas que atraviesa un xenobiótico

La forma en que los xenobióticos se trasladan a través de las

diferentes membranas son las siguientes:1

a) Difusión simple (transcelular, paracelular)

b) Difusión facilitada

c) Transporte activo

d) Endocitosis/Exocitosis

e) Filtración por poros membranales

A. Difusión simple transcelular. B. Difusión simple paracelular. C. Filtración por poros membranales. D. Transporte activo o difusión facilitada. E. Endocitosis/Exocitosis.

Figura 1-10. Mecanismos de transporte para los xenobióticos

Hay una forma adicional de ingreso de sustancias, primordialmente

en el intestino delgado. Este sistema se ha llamado “transporte de

nanopartículas o persorción” y se presenta cuando las células de las

vellosidades se desprenden hacia el lumen, provocando una apertura por

donde ingresan macromoléculas o nanopartículas.4

Un término que en ocasiones se utiliza para denotar al proceso de

traslado de xenobióticos por membranas es “permeación”. No debe

confundirse la expresión permeabilidad celular y “permeación”. La primera

se refiere a la propiedad de la membrana de permitir el paso de ciertos

fluido intraorganelo

membrana subcelular

fluido intracelular

membrana celular

membrana capilar

fluido extracelular intersticial

fluido extracelular plasmático

membrana capilar

pielpulmonarintestinal

membrana

xenobioticoETAPA EXPOSICIÓN

fluido extracelular

fluido extracelular intersticial

absorción

traslado

del

xenibiotico

PP

EC,D

C

E

C

C

E

E

A

A

A

B

B

membrana celular

fluido extracelular

fluido intracelular

E

membrana celular

célula



compuestos y la segunda, es la capacidad del xenobiotico para trasladarse

por la membrana.5

La estructura de las membranas biológicas determina su función y

características. La más importante, desde un punto de vista toxicológico, es

que son selectivamente permeables. Solamente ciertas sustancias son

capaces de pasar a través de ellas, dependiendo de las características

fisicoquímicas que a continuación se mencionan:

- Liposolubilidad

- Polaridad y carga eléctrica de la molécula.

- Tamaño de la molécula

- Similitud a sustancias endógenas.

a) Difusión simple

Esta es la forma más utilizada por la mayoría de los xenobióticos

para transportarse en los organismos vivos. Los factores que afectan la

velocidad de este proceso son (Tabla 1-12):

a) El gradiente de concentración del compuesto en ambos lados de la

membrana.

b) Los parámetros que afectan la facilidad para que la molécula del

xenobiótico pueda moverse al interior lipofílico de la membrana:

- Coeficiente de partición (P) o Coeficiente de distribución.

- Tamaño molecular

- Grado de ionización.

Tabla 1-12. Factores que influyen en la difusión simple

Factores Transcelular Paracelular

Gradiente de concentración + + Liposolubilidad + - Tamaño molecular - + pKa + +

Cuando todos los parámetros anteriores se integran, la velocidad

con la cual una sustancia va a transportarse por las membranas biológicas,

se puede presentar mediante la siguiente relación:

Velocidad = ∆C

(Rm

P⁄ ) + Raq

Donde:

ΔC: es la diferencia entre las concentraciones de los compartimentos

separados por las membranas (gradiente de concentración)

P: es el coeficiente de partición.

Rm y Raq: son la resistencia de las membranas y de la capa acuosa contra la

difusión de los xenobióticos.

La resistencia a la difusión depende primordialmente del grosor y la

viscosidad de las capas membranales y sólo ligeramente de la estructura

del xenobiótico. Por lo tanto, Rm y Raq pueden permanecer constantes

para el transporte de una serie de xenobióticos en una membrana

particular. Bajo estas condiciones, la ecuación anterior predice que para

cualquier concentración del xenobiótico, la velocidad del trasporte se

incrementará exponencialmente con un incremento del coeficiente de

partición.

- Coeficiente de partición

Expresa el grado de solubilidad en lípidos de un compuesto. Se

define como la relación de la concentración de una sustancia, entre una

fase orgánica, generalmente 1-octanol o cloroformo, y una fase acuosa,



medidos a 25 o 37 °C. Es importante para la aplicación de este parámetro

que la molécula no presente carga eléctrica (Thomas G., 2000).7

P = [fase orgánica]

[fase acuosa]

El coeficiente de partición indica la facilidad con que una sustancia

puede transportarse en las membranas biológicas. Esta facilidad se

reflejará en el porcentaje de xenobiótico absorbido en el organismo

biológico en estudio. En vista de que los valores numéricos que se obtienen

experimentalmente guardan diferencias de varios dígitos (ejemplo para dos

compuestos: A, P=0.01 y B, P=1000), se presentan dificultades en el

momento de intentar hacer una representación gráfica, por lo que se ha

optado manejar los datos en escala logarítmica; esta es la razón que en la

literatura aparezca como log P.

Para ilustrar la utilidad del coeficiente de partición en la tabla

siguiente se comparan el porcentaje de absorción de diferentes barbitúricos

en el colon de ratas con el valor numérico de este parámetro.

Tabla 1-13. Relación del traslado de barbitúricos con su coeficiente de partición

Barbitúrico R1 R2 log P

(Cloroformo/agua)

% traslado en el colon de rata

Barbital Etil Etil 0.7 12 Fenobarbital Etil Fenil 4.8 20 Ciclobarbital Etil Ciclohexil 13.8 24 Pentobarbital Etil 1-Metilbutil 28.0 30 Secobarbital Etil secbutil 50.7 40

Los valores de comparación en el log P, hacen referencia a una

serie de xenobióticos, estructuralmente relacionados (análogos), como se

ejemplificó en la tabla anterior, en donde se equiparan una serie de

compuestos que pertenecen a la familia de los barbitúricos.

Es necesario señalar que el aumento infinito del coeficiente de

partición, para una serie de compuestos, no incrementará el porcentaje de

absorción para aquellos que sean los más liposolubles; ya que cuando el

valor de dicho parámetro aumenta, el % de traslado por las membranas

disminuye.

Los xenobióticos que son muy polares o hidrofílicos

frecuentemente presentan propiedades pobres de transporte, mientras que

aquellas muy lipofílicos, alcanzan sólo un gradiente de concentración

pequeño. Para que las diversas sustancias puedan trasladarse, primero se

tienen que solubilizar en el agua del compartimiento donde se encuentren

presentes.

log P

-

+

Menor polaridad

Mayor liposolubilidad

Mayor polaridad

Menor liposolubilidad

NH

NH

O

OO

R2

R1



Figura 1-12. Relación entre el coeficiente de partición y la velocidad en

membranas.

Si este conocimiento de log P de xenobioticos (que actúen en un

órgano distante a su sitio de ingreso) se quiere extrapolar a un mamífero,

se diría que aquellas sustancias que presentan log P pequeños (muy

hidrofílico, muy polares), se excretarán con cierta facilidad antes de

alcanzar su sitio de acción; por otro lado, los de mayor valor de log P (muy

lipofílicos, menos polares), se almacenarán en los depósitos lipofílicos del

organismo. Empero, hay un coeficiente de partición "ideal" (Po), en donde

el xenobiótico que lo presente, tendrá la mayor probabilidad de alcanzar su

sitio de acción.

En la tabla siguiente se muestran algunos valores de log P para

varios xenobióticos y su grado de absorción en el ser humano.

Tabla 1-14. Log P y absorción oral de algunos xenobióticos9

Xenobiótico log P absorción en el humano

Aspírina -1.1 Bien absorbido Atropina 1.8 Bien absorbido Cafeína 0.0 Bien absorbido Cloropromacina 3.4 Absorción lenta pero completa Diacepam 2.7 Bien absorbido Morfina -0.1 Absorbido en un 60% Nitracepam 2.1 Bien absorbido Tetraciclina -1.4 Absorción irregular e incompleta Teofilina 0.0 Bien absorbido

Dado que muchos xenobióticos son ácidos o bases débiles, se

ha propuesto la inclusión del parámetro de coeficiente de distribución

(log D). En este se indica, en forma de subíndice, el valor de pH de la

fase acuosa a la que se realizó la determinación: log DpH. La diferencia

entre log P y log D, es que este último incluye, en la fase acuosa, la

porción ionizada y no ionizada del ácido o base que se esté evaluando.

LogDpH = [fase orgánica (X no ionizado) ]

[fase acuosa (X no ionizado + X ionizado)]

Donde:

X: Xenobiótico

En este sentido, y a diferencia del log P, el valor numérico del

log D va a cambiar según sean las características estructurales del

xenobiótico y el valor del pH del medio acuoso donde se realice la

medición, como se ilustra para la codeína y el metropolol en la siguiente

figura.6

Disminución de la polaridad



log P y pKa calculados con ACDlabs software v. 9.

- Tamaño molecular

Si la liposolubilidad se mantiene constante y el tamaño molecular

(radio cilíndrico) se incrementa, entonces habrá una menor facilidad para

atravesar las membranas biológicas debido a la resistencia por fricción o

impedimento estérico que presenten las membranas. Las moléculas de

menor tamaño pasan por filtración. El tamaño no debe ser mayor a 4 x 10-4

μm.

- Grado de ionización

Como se mencionó anteriormente, muchas de las sustancias que presentan

actividad biológica son ácidos o bases débiles, por lo que el grado de

ionización que presenten a diferentes valores de pH va a cambiar de

acuerdo a su valor de pKa.

Figura 1-13. Reacciones ácido-base

Es el valor del pKa quien nos da una relación del grado o fuerza de

disociación de un ácido o base. Ejemplos de algunas sustancias con sus

correspondientes valores de pKa, se presentan en la tabla 1-15.

R OH

O

R O-

O

+ H+

pKa

RNH3 +

RNH2 + H

+

pH > pKapH < pKa

ácido

base

Figura 1-14. Formas iónica y no iónica de ácidos carboxílicos y aminas.

O

N

OH

H 3CO

H

C H 3

H

codeína

(antitusivo)

H3CO

O NH CH3

OH

CH3

metropolol

(antihipertensivo)

log P = 1.72

pKa = 9.17

log P = 1.20

pKa = 8.23



R

O

O-

R

O

OH

diclorometano

agua

R

O

OH

Figura 1-15. Distribución en fases orgánica y acuosa de ácidos carboxílicos

Tabla 1-15. Valores de pKa para algunos xenobióticos

Ácidos pka Bases pKa Anfóteros pKa1

(HA) pKa2 (HB+)

Sacarina 1.6 Cafeína 0.8 Nicotina 3.1 8.0 Aspirina 3.5 Diazepam 3.3 Ampicilina 2.5 7.2 Fenilbutazona 4.5 Morfina 7.9 Anfotericina B 5.5 10.0 Pentobarbital 8.11 Cocaína 8.5 Sulfadiazina 6.4 2.0 Acetaminofén 9.5 Anfetamina 9.8 Teofilina 8.6 3.5 Tetrahidrocanabinol 10.6 Teobromina 10.5 0.12 Bowman y Rand. Farmacología. Bases bioquímicas y patológicas. Segunda edición. Interamericana. México. 1984. pp.40.5-40.6

N

N N

N

O

CH3

O

CH3

CH3

N

N N+

N

O

CH3

O

CH3

CH3

H

pKa = 0.6*

+

cafeína

(no iónico)

log P = -0.07**

H+

N

N N

N+

O

CH3

O

CH3

CH3

H

*Newton, D, Kluza R. Drug Intelligence and Clinical Pharmacy 1978, 12, 546.

**http://toxnet.nlm.nih.gov/cgi-

bin/sis/search/r?dbs+hsdb:@term+@rn+@rel+58-08-2

Para encontrar valores de pKa para xenobióticos en general puede

consultar el Merck Index (https://www.rsc.org/merck-index). En

particular para fármacos: las farmacopeas o el Drug bank

(www.drugbank.ca).

- Influencia del pH y el pKa en el grado de disociación de

ácidos y bases débiles

De acuerdo a la ecuación de Henderson-Hasselbalch para los

ácidos y las bases podemos expresar la relación entre su forma no iónica,

iónica y su pKa de la siguiente manera.

Para los ácidos: pKa + pH = log[HA]

[A−]

https://www.rsc.org/merck-index

http://www.drugbank.ca/



Así, si el pH del medio es menor que el valor numérico del pKa

entonces el compuesto se encontrará mayoritariamente en forma no iónica.

Para las bases: pKa − pH = log[HB+]

[B]

Así, si el pH del medio es mayor que el pKa entonces, el

compuesto se encontrará mayoritariamente en forma no iónica.

Con la ecuación anterior correspondiente a los ácidos, se calculó a

diferentes valores de pH, el porcentaje de la forma iónica y no iónica del

fenobarbital cuyo pKa = 7.44; los resultados se presentan en la siguiente

tabla.

Tabla 1-16. Disociación del fenobarbital a diferentes valores de pH

pH No ionizado (%) Ionizado (%)

2.0 100.0 0.00 4.0 99.96 0.04 6.0 96.17 3.83 7.0 71.53 28.47 8.0 20.07 79.93

10.0 0.25 99.75 12.0 0.00 100.0

La relación entre el pKa y pH va a jugar un papel importante debido

a que al cambiar los valores del segundo se altera la relación iónica y no

iónica del xenobiótico.

De manera general, se acepta que la forma no ionizada (más

lipofílica) de un ácido o una base es la que atraviesa la membrana, y no la

forma iónica de la misma. Aunque esta última es más hidrosoluble, el

incremento en el coeficiente de partición al pasar de la forma iónica a la

forma no iónica, generalmente excede en varios órdenes de magnitud a la

pérdida de solubilidad que se pudiese presentar por la misma conversión.

Por lo anterior, el coeficiente de partición de la forma no iónica de un ácido

o una base, se puede relacionar con el pKa del mismo compuesto mediante

las siguientes ecuaciones:

Ácidos: logDpH = log PHA − log (1 + 10 pH−pKa)

Bases: logDpH = log PB − log (1 + 10 pKa−pH)

Si se conoce el valor del pKa, y el log D a un pH determinado,

entonces se podrá calcular el valor de log P de la especie no ionizada (log

PHA o log PB).

- Relación de concentraciones en dos lados de una

membrana biológica a diferentes valores de pH

Un ejemplo de las relaciones anteriores, lo constituye el ácido

salicílico y su distribución en dos compartimentos biológicos con valores de

pH diferentes.

Jugo gástrico Plasma

Ac. Salicílico

Salicilato

Ac. Salicílico

Salicilato

pH = 7.4pH = 1

(100)

(1)

(100)

(1000 000)

Figura 1-16. Relación del ácido salicílico a diferentes valores de pH



b) Difusión facilitada

Esta forma de transporte prácticamente no es utilizado por los

xenobióticos. Los parámetros importantes a considerar son:

- Requiere de un acarreador

- Necesita de un gradiente de concentración

- No implica un gasto de energía

- Es un proceso saturable.

Ejemplo de compuestos que utilizan este tipo de trasporte:

azúcares, aminoácidos en los glóbulos rojos.

c) Transporte activo

Los aspectos relevantes a considerar en este tipo de transporte

son:

- Requiere de un acarreador

- No necesita de un gradiente de concentración

- Requiere de un gasto de energía

- Es saturable

Para que un xenobiótico pueda utilizar este transporte debe

presentar una similitud estructural con alguna de las sustancias que se

encuentran de manera natural en el organismo. Ejemplo:

NH

NH

O

O

NH

NH

O

O

F

Uracilo 5-Fluorouracilo

Figura 1-17. Estructuras similares del Uracilo y el 5-Fluorouracilo

El transporte activo juega un papel importante en la excreción de

sustancias tóxicas por el riñón. En este órgano se han identificado 2 tipos

de este transporte, uno para compuestos ácidos y otro para compuestos

básicos. Por lo que respecta al hígado, se han reportado 3 diferentes tipos

de transporte activo, uno para ácidos, uno para bases y uno para

compuestos neutros.

d) Endocitosis/Exocitosis

Invaginación que provoca una célula hacia una partícula sólida

(fagocitósis) o pequeñas porciones de líquido (pinocitósis). Este sistema es

importante para la trasportación de macromoléculas y liposomas.

Absorción

La absorción es el proceso de transferencia de un xenobiótico

desde su sitio de ingreso al organismo hasta su llegada a la circulación

general.

Los sitios de absorción más importantes para los xenobióticos que

ingresan al organismo son:

a) Tracto gastrointestinal

b) Tracto respiratorio

c) Piel

Para conocer la influencia de la absorción en la toxicidad de un

xenobiótico, se comparan sus valores de DL50 obtenidos por varias rutas de

administración.



Tabla 1-17. Influencia de la ruta de administración en la toxicidad

Ruta de administración

Pentobarbital (DL50 mg/Kg)

Isoniacida (DL50,

mg/Kg)

Procaína (DL50,

mg/Kg)

oral 280 142 500 subcutánea 130 160 800 intramuscular 124 140 630 intraperitoneal 130 132 230 intravenosa 80 153 45

Datos de toxicidad en ratones. La vía intravenosa se reporta para establecer la toxicidad sin que intervenga el proceso de absorción.

Para la interpretación de la información es importante recordar que

en la ruta intavenosa no se presenta el proceso de absorción. De los datos

mostrados se desprende que el pentobarbital (sedante hipnótico) se

absorbe con similar eficacia por la vía intramuscular, la subcutánea y la

intraperitoneal; pero con menor eficacia por la oral. En esta última ruta, es

donde se presenta el menor riesgo de intoxicación por esta sustancia. Para

la procaína (anestésico), la ruta donde que presenta el mayor riesgo de

toxicidad es la intraperitoneal y la de menor riesgo es la subcutánea. Puede

anotarse que en la isoniacida (antituberculoso), el proceso de absorción no

es determinante para la toxicidad, ya que los valores de las diferentes rutas

de administración, incluyendo la intravenosa, son parecidas.

a) Tracto gastrointestinal

Es importante marcar que el término absorción gastrointestinal de

xenobióticos implica la determinación de la concentración de la sustancia

en plasma después de su ingreso por la ruta oral.

Los factores que afectan la absorción gastrointestinal de una

sustancia son:

- Velocidad de disolución y tiempo de desintegración de la forma

farmacéutica

- El pH de la porción gastrointestinal y el valor de pKa que presente

el xenobiótico

- Vaciamiento gástrico

- Área de absorción

- Transporte a través de las células (Liposolubilidad y tamaño de

partícula del xenobiótico),

- Inestabilidad química y metabolismo del xenobiótico a nivel de

membrana intestinal y/o por la presencia de microflora.

Figura 1-18. Factores que influyen en la absorción en el tracto gastrointestinal

- Velocidad de disolución y tiempo de desintegración de la

forma farmacéutica.

La disolución de los xenobióticos, tanto in vitro como in vivo, es

principalmente gobernado por la solubilidad acuosa de los mismos. La

velocidad de disolución (R) de una sustancia en particular en un medio

acuoso, es directamente proporcional a la solubilidad de la misma (S):

R=K*S



Donde K es una constante que refleja la velocidad de agitación en

el medio de disolución, y también el área superficial de las partículas de la

sustancia en cuestión. Si una sustancia se solubiliza con facilidad en agua

(>1g/100mL) entonces se podrá disolver con facilidad logrando estar

disponible para su posterior absorción.

- pH de la porción gastrointestinal

Los valores de pH a lo largo del tracto gastrointestinal presentan

variaciones, lo que afecta el comportamiento de los xenobióticos que

poseen propiedades de ácidos débiles o bases débiles. Tomando en cuenta

solo las propiedades ácido-base y asumiendo que la absorción se dará por

difusión simple, solo la forma no iónica será capaz de atravesar las

membranas, y por tanto, se espera que los compuestos ácidos se absorban

en el estómago, y los compuestos básicos en el intestino delgado. Sin

embargo, es necesario puntualizar, que las diferentes sustancias tanto

básicas como ácidas, se van a absorber también a nivel de intestino

delgado, ya que la mayoría de los xenobióticos son ácidos o bases débiles

y el valor de pH de esta región anatómica (5-8 dependiendo de la zona) es

adecuado para su absorción por difusión simple. Además,

independientemente del valor del pH que aquí se manifieste, el intestino

delgado presenta las condiciones óptimas de área de absorción y

vascularización que permiten sea el sitio de absorción preferencial de la

mayor parte de los nutrientes y xenobióticos.

Figura 1-19. Regiones y valores del pH del tracto gastrointestinal

- Vaciamiento gástrico

Determina el paso de alimentos del estómago hacia la parte

superior del intestino delgado. Este proceso puede acelerarse o retardarse

según ciertas circunstancias.

Para los xenobióticos que tienen velocidades de disolución muy

lenta, un vaciamiento gástrico retardado favorecerá su proceso de

absorción; ya que tendrán más tiempo para que una cantidad mayor de

esta sustancia se logre solubilizar; por otro lado, aquellos compuestos con

velocidades de disolución altas, su absorción se verá favorecida con un

Duodeno

pH = 5-6.5

ileón

pH =7-8

Cavidad oral

Glándulas salivalesParotidaSubmandibularSublingual

FaringeLengua

HígadoVesícula biliar

Conducto biliar

Esófago

pH =6.8

Páncreas

CiegoApéndice

Recto

Ano

Cólon transversoColón ascendente

Colón Descendente

pH = 5.5-8

Conducto pancreático

Estómago pH =1-3



vaciamiento gástrico acelerado, porque les ayudaría a ingresar al intestino

delgado rápidamente para absorberse en mayor proporción.

Tabla 1-18. Factores que promueven o retardan el vaciamiento gástrico

Promueven el vaciamiento gástrico Retardan el vaciamiento gástrico

Soluciones buffer alcalinas Alimentos grasosos y viscosos Estados de ansiedad Estados de depresión Hambre Úlceras Hipertiroidismo Hipotiroidismo Alimentos fríos Alimentos calientes

- Área de contacto

El intestino delgado presenta mayor área de ingreso debido a la

presencia de las vellosidades de la mucosa intestinal.

Figura 1-20. Capa serosa y muscular del intestino delgado

Las diferentes sustancias que alcanzan el intestino delgado

ingresan a través de las vellosidades intestinales que presentan un área

mayor para que se realice este proceso. El intestino tiene un excelente

suplemento de flujo sanguíneo, lo cual asegura que el xenobiótico

absorbido se remueva rápidamente, logrando de esta forma mantener el

gradiente de concentración (sink condition).

A pesar de que el tiempo de residencia del contenido

gastrointestinal es mayor en el colon (Tabla 1-19), el área de contacto del

duodeno y yeyuno es la que determina la mayor cantidad de “permeación”

del xenobiótico.

Tabla 1-19. Tiempo de residencia del contenido gastrointestinal

Región Longitud (m)

Área (m2) pH Residencia m.o

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 Colon 1.5 3 5.5-8 15-48 h < 1011

m.o.: microorganismos

- Transporte a través de las células

Figura 1-22. Vellosidad intestinal y el ingreso de xenobióticos

Figura 1-21. Áreas del

intestino delgado para la “permeación” de

xenobióticos



En este parámetro hay que considerar la liposolubilidad y el tamaño

de partícula del xenobiótico. Estos aspectos ya han sido revisados al inicio

de la presente unidad.

- Inestabilidad química y metabolismo a nivel de membrana

intestinal y/o por la presencia de microflora

La descomposición de los xenobióticos es un factor importante en

la absorción gastrointestinal. Los compuestos lábiles en el medio ácido,

tales como penicilina, se hidrolizan en el estómago con un valor de pH de 1.

Péptidos como la insulina, oxitocina, vasopresina, son destruidos por las

enzimas proteolíticas digestivas. En la membrana intestinal también se

presentan enzimas que pueden transformar a los compuestos que

presenten grupos funcionales susceptibles; ejemplos de este tipo de

modificaciones lo presentan el isoproterenol (isoprenalina) y la

cloropromacina. Además de la descomposición por enzimas del organismo

humano, algunos compuestos pueden ser transformados por las enzimas

secretadas por los microorganismos que viven como comensales en el

intestino grueso, ejemplos de este tipo de xenobióticos son el

succinilsulfatiazol y el ftalilsulfatiazol. En algunos casos los compuestos

logran transformarse en entidades con mayor actividad biológica, ejemplo

de ello son presentados por el propranolol, alprenolol.

Un ejemplo de esto es la toxicidad de los glucósidos cianogénicos

presentes en las semillas de manzanas, duraznos, cerezas y almendras en

la forma de amigdalina, la cual es inestable en el medio ácido estomacal y

libera cianuro. Otro ejemplo importante, es la formación por parte de la flora

intestinal de nitrosaminas carcinogénicas a partir de aminas y nitritos no

carcinogénicos[1, 2]. Cabe resaltar que algunos nitritos como el nitrito de

sodio se emplea como conservador de algunos alimentos cárnicos y puede

representar un riesgo para la presentación de cáncer de colon.

NH

OH

OH

OH

CH3

CH3

O

NH

OH

CH3

CH3

Isoproterenol Propanolol

S

NH

NH

O

O

O

O

N

OH

S

S

NH

NH

O

O

O

O

N

OH

S

O NH

CH2

OH

CH3

CH3

Ftalilsulfatiazol Alprenolol

Succinilsulfatiazol

Figura 1-23. Sustancias que logran bioactivarse en el tracto gastrointestinal



b) Tracto respiratorio

Regiones básicas del tracto respiratorio y zonas sensibles que

pueden afectar los procesos de absorción

Regiones básicas:

- Región nasofaríngea

- Región traqueobronquial

- Región alveolar.

Figura 1-24. Estructuración del sistema respiratorio

Los pulmones presentan una gran área de absorción, alrededor de

50 a 100 m2 en el hombre; presentan una excelente irrigación sanguínea y

la barrera entre el aire en los alvéolos y la corriente sanguínea es tan

delgada como el grosor de dos capas de células.

Debido a esta circunstancia anatómica de los alvéolos, la absorción

desde el pulmón es muy rápida y eficiente.

Tamaño de la partícula sólida y líquida

Según sea el tamaño de partícula se irán reteniendo en la porción

del sistema respiratorio.

- Región nasofaringe: Partículas de 5 μm de diámetro o mayores

- Región traqueobronquial: Partículas de 2 a 5 μm de diámetro

- Región alveolar: Partículas menores o iguales a 1 μm.

Después que las partículas han sido depositadas en la región

alveolar, pueden ser disueltas y absorbidas al torrente sanguíneo. Si estas

partículas no son fácilmente solubles, entonces son fagocitadas y

transferidas directamente al sistema linfático donde pueden permanecer

almacenadas por un periodo considerable de tiempo. La absorción de

partículas puede ser controlable por la solubilidad y características de

transferencia de la propia membrana.

Gases y vapores

El grado de absorción depende de la solubilidad del compuesto

gaseoso. Compuestos muy solubles pueden ser absorbidos por un solo

movimiento de respiración. Para tales compuestos un incremento del flujo

sanguíneo no afecta su velocidad de absorción; la única forma de

incrementarla es aumentar la ventilación pulmonar.



Para gases que son poco solubles en la sangre, presentan una

capacidad limitada de absorción. El torrente sanguíneo se satura

rápidamente y la única forma de incrementar su paso a través de las

membranas, es incrementando el flujo sanguíneo.

Tabla 1-20. Solubilidad de algunas sustancias en el plasma

Insolubles Solubles Ligeramente solubles

NOx NH3 X2 AsO3 HCl O3 CoCl SO2 PCl4

HF H2SO4

c) Piel La piel está constantemente expuesta a sustancias extrañas tales

como gases, disolventes, soluciones, por lo que la absorción de las mismas

es potencialmente importante. Sin embargo, aunque la piel presenta una

gran superficie de exposición, su estructura es tal que presenta una barrera.

Esto se debe a que la capa más externa se forma por células muertas o

células empaquetadas con queratina, con escaso riego sanguíneo. Los

tóxicos atraviesan por difusión pasiva presentando propiedades de

liposolubilidad. La abrasión de la piel puede incrementar la absorción

porque se daña el estrato corneo. Un incremento en el grado de hidratación

favorece la absorción.

Es importante mencionar que la piel es el órgano metabolizante

más grande y más accesible, expresa muchos citocromos P450 (al menos

13 CYP2) que tienen funciones críticas en el metabolismo de substratos

endógenos y exógenos. La mayoría de estos genes se expresan en la

epidermis o queratinocitos. Este hecho se relaciona directamente con

algunas sustancias tóxicas que pueden ser metabolizadas en la piel.3

Distribución

Procesos de distribución

Después de que los compuestos han sido absorbidos, pasan al

torrente sanguíneo. La parte del sistema vascular en la cual el compuesto

se encuentra dependerá del sitio de absorción. La absorción por la piel

implicará, en primera instancia, a la sangre periférica; por otro lado, si la

absorción fue por vía pulmonar, entonces el compuesto estará en la

corriente sanguínea mayor. Para la mayoría de compuestos absorbidos por

vía oral, la vena porta será la responsable de acarrearlos hacia el hígado y

de allí al torrente sanguíneo.

Una vez que los xenobióticos se encuentran en el torrente

sanguíneo, se distribuirán por todo el cuerpo y serán diluidos por la sangre.

Los factores que influyen el proceso de distribución de xenobióticos

son:

- Propiedades fisicoquímicas del xenobiótico

- Gradiente de concentración del xenobiótico entre los diferentes

compartimentos del organismo

- Riego sanguíneo que reciben los diferentes órganos y tejidos

- Unión del xenobiótico a proteínas sistémicas.

Unión a proteínas

Un indicador importante acerca de los procesos de distribución con

implicaciones toxicológicas es la interacción de xenobióticos con las

proteínas plasmáticas y algunas macromoléculas en otros órganos y

tejidos. Las evaluaciones realizadas en los laboratorios para xenobióticos

en plasma, se basan en la cuantificación, tanto del xenobiótico libre como el

enlazado. El conocimiento de la fracción de xenobiótico libre podría ser de



mayor utilidad clínica para aquellos compuestos que están fuertemente

unidos a componentes del plasma, porque solamente el xenobiótico libre es

capaz de interaccionar en su sitio de acción para producir el efecto.

La unión de xenobióticos a los componentes del plasma involucra

primeramente a la albúmina, α1-glicoproteína, u otras lipoproteínas.

Aproximadamente 6.5% de la sangre es proteína, de los cuales el 50% es

albúmina. Esta proteína tiene un peso aproximado de 69000 D, y al pH de

la sangre (7.4) presenta carga negativa. Los compuestos ácidos se unen

preferencialmente a esta macromolécula. Las sustancias básicas se unen

primariamente a la α1-glicoproteína, la cual tiene un peso molecular de

40000 D con 41% de carbohidratos, y está presente en el plasma a la

concentración de 0.08 g/10mL

El tipo de interacción molecular involucrada entre un xenobiótico y

las macromoléculas del plasma, es de tipo ión-ión, puentes de hidrógeno,

fuerzas de van der Waals y enlaces hidrofóbicos. La presencia de grupos

iónicos en la estructura del xenobiótico parece incrementar su afinidad

hacia la albúmina. Los compuestos en el plasma generalmente se

presentan en equilibrio entre la forma enlazada y la forma libre.

(ejerce la actividad

biológica)

En la siguiente tabla se presentan algunos xenobióticos que se

unen significativamente a proteínas plasmáticas.

Tabla 1-21. Unión de algunos xenobióticos a proteínas plasmáticas

Unión a albúmina Unión a α1-glicoproteína Unión a lipoproteína

Ac. Acetilsalicílico Dipiridamol (anticoagulante)

Amitriptilina (antidepresivo)

Barbitúricos Disopiramida (anticolinérgico)

Nortriptilina (antidepresivo)

Benzodiazepinas Etidocaina (anestésico local)

Digitoxina (antidisrítmico)

Imipramina (antidepresivo)

Estreptomicina Lidocaína Fenilbutazona (antiinflamatorio)

Metadona (narcótico)

Fenitoina (antiepiléptico)

Peracina (psicotrópico)

Penicilina Prazosin (simpatolítico) Probenecid (uricosúrico) Propranolol Sulfonamidas Quinidina (anticolinérgico) Tolbutamida Verapamil (vasodilatador) Warfarina

El xenobiótico unido a proteína por su gran tamaño está limitado a

atravesar las membranas biológicas, por lo que su distribución en los tejidos

desde la sangre se verá reducida.

Uno de los aspectos a considerar en el campo de la toxicología es

el que se presenta cuando ciertos compuestos llegan a desplazar a otras

sustancias que se encuentran unidas a proteínas. Este desplazamiento

puede ocasionar:

- Aumento de la eficacia terapéutica del fármaco desplazado

- Incremento de la toxicidad del xenobiótico desplazado

- Redistribución en varias partes del cuerpo del xenobiótico

desplazado

- Potenciación de la actividad biológica del xenobiótico desplazado



1.8 Toxodinámica

Las respuestas toxicológicas provocadas por sustancias químicas

en los seres vivos son iniciadas por interacciones moleculares de las

mismas con las células, los tejidos u otros componentes del organismo. Hay

muchas formas por las cuales un agente químico puede interferir con la

bioquímica y fisiología normal de las células. En este capítulo se van a

indicar cuáles son los sitios generales de acción tóxica de los compuestos y

que ilustran al mismo tiempo, sus diferentes mecanismos de acción.

Un aspecto importante a considerar en el campo de la toxicología

es que la manifestación de un efecto biológico por una sustancia, no es un

evento simple. Algunas veces no basta que la sustancia alcance su sitio

“blanco” para desencadenar el trastorno clínico, ya que podrían presentarse

diferentes alternativas que se indican en la siguiente figura.

Tomado y adaptado de Trends Pharmacol. Sci. 1981; 2:228-231.

Figura 1-25. Aspectos toxodinámicos y consecuencias en el organismo

Factores que influyen en los efectos tóxicos

Al estudiar el efecto tóxico de las diferentes sustancias, es

importante considerar de manera integral, varios factores que van a jugar

un papel determinante y constituyen elementos necesarios para su

evaluación. Estos factores son:

- Las características de exposición (aguda, crónica, ruta de ingreso,

etc.)

- Las características de exposición (aguda, crónica, ruta de ingreso,

etc.)

- La dosis del compuesto (DL50, dosis fraccionada, etc.)

- La estructura molecular y propiedades fisicoquímicas e la sustancia

(Log P, solubilidad, pKa)

- Tipo de efecto tóxico producido.

- Características genéticas del organismo expuesto. (Figura 25)

*Hemoglobinemia: presencia de hemoglobina en plasma. Hemoglobinuria: presencia de hemoglobina en orina

Figura 1-26. Ejemplo de la importancia de las características genéticas del

organismo expuesto para presentar efectos tóxicos.

Tipo de efecto tóxico producido

El tipo de efecto deseable o indeseable que una sustancia pueda

presentar, en ocasiones se califican según los intereses de quien lo está

evaluando. Ejemplo de esto, se presenta a continuación con la atropina y la

reserpina.

Etapa de

exposición

Etapa

toxocinética

Etapa toxodinámica

entrada del

xenobiótico

al organismo

xenobiotico

metabolito

polar

metabolismo

excreción

absorción

B1

B2

B3

[XB1]

[XB3]

[XB2]

Consecuencias para

el organismo

a, b, c

No toxicidad

No toxicidad

ToxicidadX, Y, Z

(signos clínicos

síndromes)

amplificación

del cambio

cambios bioquímicos

o fisiológicos

[XB]: interacción xenobiotico-blanco

Exposición a haba

(Vicia faba)

Deficiencia congénita en

Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa

Favismo; hemólisis, anemia,

hemoglobinemia*, hemoglobinuria



Tabla 1-22. Efectos de la atropina

Efecto Oftalmólogo Internista

Deseado Midriasis Espasmolítico Indeseado Espasmolítico Midriasis

Tabla 1-23. Efectos de la reserpina

Efecto Cardiólogo Psiquiatra

Deseado Hipotensión Sedación Indeseado Sedación Hipotensión

Sin embargo algunos efectos son verdaderamente indeseables

cuando se presentan. Estos se denominan efectos adversos y se dividen en

mayores o menores, según logren poner en peligro la existencia del

individuo.

Tabla 1-24. Ejemplos de reacciones adversas mayores

Colapso vascular periférico Choque anafiláctico Cardiopatías Atrofia de órganos y tejidos Coma Ulceraciones Cambios en la glucosa sanguínea (severos)

Cáncer Pancreatitis

Cambios en la presión arterial (severos)

Convulsiones Teratogénesis

Exacerbaciones (úlcera péptica, infecciones)

Hemorragias Mutaciones

Discrasias sanguíneas (anemia aplásica)

Disfunción renal Encelopatía

Aumento severo de la libido Disfunción hepática Bromismo Actividad psicomotora descontrolada

Depresión respiratoria

Reacciones en la piel (severa) Daño ocular irreversible

Fotosensibilidad (severa) Inmunosupresión Reducción severa de la libido Depresión tiroidea Depresión mental severa Toxicología perinatal

Tabla 1-25. Ejemplos de reacciones adversas menores

Acidosis intestinal Anorexia Debilidad y fatiga Calambres Diarrea suave Vértigo Desvanecimientos Euforia Sueño Fiebre (grado bajo) Hipo Dolor de cabeza Inflamación de la lengua (glositis)

Náuseas, vómito Parestesia suave

Faringitis Infamación gástrica Prurito anal Irritación a la piel (ligera) Estreñimiento Vaginitis

Para reportar reacciones adversas:

- http://www.cofepris.gob.mx/wb/cfp/farmacovigilancia_canal

- http://www.salud.gob.mx/unidades/cofepris/pyp/farmaco/Guia_estu

dios_clinicos_1_1_.pdf

Desde el punto de vista de la naturaleza de los efectos biológicos

estos se pueden clasificar de la siguiente manera

Tabla 1-26. Tipos de reacciones según la naturaleza del efecto biológico

Reacción Definición

Tipo A (on target)

Pueden ser predichas de sus acciones farmacológicas conocidas; frecuentemente se identifican como una exageración del efecto farmacológico. Son dependientes de la dosis administrada. Algunos ejemplos son:

a) por sobredosis: hemorragia por anticoagulantes b) por efecto colateral: somnolencia por antihistamínicos

de primera generación; hemorragia por anti-inflamatorios no esteroidales.

c) por efectos secundarios: hopopotasemia (baja concentración del catión potasio) por algunos diuréticos.

Tipo B (off target)

(idiosincrática)

No son predecibles del efecto farmacológico. Muchas personas no presentas estas reacciones a ninguna dosis administrada.

Tipo C Reacciones que pueden ser predichas o racionalizadas en función de la estructura del compuesto administrado o de sus metabolitos.

Williams D.P.; Naisbitt, D.J. Toxicophores: Groups and metabolic routes associated with increased safety risk. Current Opinion in Drug Discovery and Development. 2002, 5, 104-115

Para fines de aplicación regulatoria, las definiciones y

características de las reacciones adversas se establecen en la NOM 220-

SSA1-2002.

http://www.cofepris.gob.mx/wb/cfp/farmacovigilancia_canal



Mecanismos de acción tóxica de los compuestos químicos

Los mecanismos por los cuales algunos compuestos provocan sus

efectos tóxicos se enlistan en la tabla 1-27. Esta lista se incrementará a

medida que las investigaciones arrojen nuevos resultados.

A lo largo de todo el curso se irán presentando la mayoría de los

mecanismos mencionados con los ejemplos específicos de las sustancias

que los utilizan y las consecuencias toxicológicas que desencadenan. En el

presente capítulo sólo mencionaremos a dos de ellos, la interferencia con la

producción de energía celular y la unión a biomoléculas.

Tabla 1-27. Algunos mecanismos generales de la acción tóxica

Unión a macromoléculas

Actividad enzimática (arsénico, mercurio, organofosfatos, fluoroacetato de sodio) Proteínas de transporte (monóxido de carbono, nitritos) Interferencia con las funciones del sistema inmune. Peroxidación de lípidos (tetracloruro de carbono, paraquat, ozono) Generación de radicales libres Formación de lípidos hidroperóxidos. Estrés oxidante Disminución de glutatión (acetaminofén) Oxidación de grupos tioles en proteínas. Ácidos nucleicos: ADN y ARN (agentes alquilantes, agentes intercalantes)

Interferencia con la producción de energía celular

Inhibición y desacoplamiento de la fosforilación oxidativa (nitrofenoles) Inhibición del transporte de electrones (rotenona, cianuro) Inhibición del metabolismo de carbohidratos (fluoroacetato)

Interferencia con las interacciones normales ligando-receptor

Neuroreceptores y neurotransmisores (por ejemplo: benzodiazepinas, barbitúricos, atropina, estricnina, LSD, organofosfatos, antihistaminas) Receptor para hidrocarburos aromáticos policíclios (receptor Ah) Receptores hormonales (dioxinas como el TCDD, goiestrógenos)

Interferencia con las funciones de las membranas

Membranas excitables: Flujo iónico (saxitoxina, tetrodoxina, DDT) Fluidez de la membrana (disolventes orgánicos, etanol, anestésicos locales) Membranas en organelos

Membranas lisosomales (tetracloruro de carbono) Membranas mitocondriales (organoestaños)

Perturbación en la homeostasis del calcio

Alteraciones del citoesqueleto Activación de fosfolipasas Activación de proteasas Activación de endonucleasas

Toxicidad por pérdida de células selectivas

Desbalance hormonal y fisiológico (pérdida de neuronas dopaminérgicas; insuficiencia tiroidea) Alteraciones congénitas

Alteraciones genéticas no letales en células somáticas

Cáncer Alteraciones congénitas.

Interferencia con la producción de energía celular

- Inhibición y desacoplamiento de la fosforilación oxidativa

La fosforilación oxidativa es un proceso metabólico que utiliza

energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir ATP.

Inhibidores de la fosforilación oxidativa (inhiben a la ATP sintetasa)

- Oligomicina (antibiótico)

- Diciclohexilcarbodiimida (DCC)

Figura 1-28. Desacopladores de la fosforilación oxidativa

NADPH +H+

NADP+

-2e- , 2H+ ATP sintetasa

ADP

ATP

transporte de

electrones

(proceso

exotérmico)

(proceso

endotérmico)



Los agentes desacopladores permiten el transporte de electrones

pero previenen la fosforilación de ADP para convertirse en ATP. El primer

agente desacoplante fue el herbicida 2,4-dinitrofenol. Muchos agentes

desacopladores son ácidos débiles, lipofílicos y generalmente tienen un

anillo aromático. Entre los agentes desacoplantes conocidos se encuentran

fenoles halogenados, nitrofenoles, dicumarinas, carbonilcianidas,

fenilhidrazonas, salicilanilidas, atebrina (antimalárico) y arsenatos.

O OOO

OHOH

dicumarol

OH

NO 2

NO 2

2,4-dinitrofenol

OH

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

pentaclorofenol

NHN

NC

NC

OCF3

carbonilcianuro-p-trifluorometoxihidrazona (FCCP)

{[4-(trifluoromethoxi)fenil]hidrazono}malononitrilo

Figura 1-29. Xenobióticos que provocan desacoplamiento de la fosforilación

oxidativa

Los agentes desacopladores ocasionan un “corto circuito” al

provocar una corriente de protones a través de las membranas

mitocondriales, las cuales son impermeables de manera normal. Estos

eventos desencadenan un incremento en el consumo de oxígeno y en la

producción de “calor”. En seres humanos, se presentan hipertermia, e

incluye síntomas de respiración rápida, náusea y coma. La muerte ocurre

de manera rápida por hipertermia fatal.

Inhibición del transporte de electrones

El ión cianuro es uno de los agentes venenosos de más rápida

acción. Es fácilmente absorbido por todas las rutas, incluyendo la piel, las

mucosas, y por inhalación. La ingestión de pequeñas cantidades de ión

cianuro o del gas cianuro de hidrógeno (HCN) provoca la muerte en

cuestión de minutos u horas, dependiendo de la ruta de exposición. El

químico Karl Wilhelm Scheele, descubridor del HCN, murió al aspirar los

vapores de este compuesto. El ión cianuro forma parte de algunos venenos

para ratas, polvos pulidores para plata y otros metales, soluciones

fotográficas, y productos para fumigación. El cianuro también está presente

en las semillas de manzanas, duraznos, cerezas y almendras en la forma

de amigdalina, un glucósido cianogénico o en frijoles y forrajes (sorgo).

La amigdalina, un ingrediente del Laetrile (antineoplásico), está

formada por glucosa, benzaldehído y cianuro. El ión cianuro puede ser

liberado del glucósido por la acción de la β-glucosidasa (emulsina),

presente en la pulpa de las semillas trituradas y en la microflora intestinal

de los mamíferos. Por esta razón, la amigdalina puede ser más tóxica por

vía oral que por vía intravenosa.

Otra fuente potencial de ión cianuro es el fármaco nitroprusiato de

sodio (nitroferricianuro de sodio), el cual es utilizado en el tratamiento de la

hipertensión. Sobredosis de este compuesto han provocado problemas de

intoxicación por cianuro.

Entre los síntomas por intoxicación por cianuro se presentan una

rápida salivación, dolor de cabeza, vértigo y dificultad respiratoria.

Típicamente, el cianuro tiene un sabor amargo, además de un olor a



almendras. Se ha estimado que entre un 20% a 40% de la población es

genéticamente incapaz de detectar el olor a cianuro.

Fe

NO 2

CNNC

NC CN

CN

-2

2Na+

O

OOH

HH

H

H

HOHOH

O

OOH

HH

H

H

HOHOH

OH

CN

amigdalina nitroprusiato de sodio

Figura 1-30. Amigdalina y nitroprusiato de sodio

El cianuro ejerce su efecto tóxico al bloquear el transporte de

electrones en la secuencia de citrocromos mitocondriales a-a3 como se

muestra en la siguiente figura. Estos citocromos son referidos como

citocromo oxidasa. El cianuro forma un complejo de coordinación con el

grupo hem del citocromo a3, con esto previene la unión del grupo hem con

el oxígeno. Como resultado de la inhibición por el cianuro, la transferencia

de electrones del citocromo a3 hacia el oxígeno molecular es bloqueada y la

célula muere.

Figura 1-31. Mecanismo de acción del cianuro

El tratamiento para el envenenamiento con cianuros está dividido

en tres etapas. Primero se administra nitrito de amilo (gas) por vía

respiratoria, seguida por administración intravenosa de nitrito de sodio.

Estas sustancias oxidan al Fe(II) del grupo hem en la hemoglobina para

generar la metahemoglobina. El ión férrico de la meta-hemoglobina se

combina con el cianuro del plasma, provocando una disociación del cianuro

que se encuentra unido en el citocromo a3. Después de la administración de

nitritos, se administra tiosulfato de sodio vía intravenosa; esta sustancia es

un sustrato para la enzima rodanasa (tiosulfato sulfotransferasa) que

cataliza la conversión del cianuro a tiocianato, el cual es excretado

fácilmente.

Figura 1-32. Etapas en el tratamiento contra el envenenamiento con cianuros

Otras sustancias que presentan un mecanismo de acción

semejante al cianuro son las azidas y el sulfuro de hidrógeno (H2S).

HbO2 MetHb CNMetHb

NO2-1 CN-1

S2O3-2

SCN-1CN-1+

rodanasa+ SO3

-2

CH3 O

CH3

N

O

Nitrito de amilo

NaNO2

IV

Cit a3

CN-1

Cit c+3

Cit c+2

Cit a+2

Cit a +3

Cit a3+3

Cit a3+2

H2O

½ O2 HbO2

HCN



Unión a biomoléculas

Otro de los mecanismos de acción tóxica se presenta cuando los

compuestos se unen a alguna macromolécula que desempeñe alguna

función biológica importante (enzimas, ADN, ARN, lípidos). Aunque en los

próximos capítulos ilustraremos esta forma de acción con varios ejemplos,

en el presente sólo citaremos dos casos, la interferencia sobre el sistema

inmune y la interacción de una sustancia endógena con macromoléculas

biológica.

Figura 1-27. Interferencia con las funciones normales ligando-receptor

Figura 1-33. Unión reversible e irreversible a biomoléculas

Figura 1-34. Molécula de la hemoglobina (Imagen tomada del Protein Data

Bank 1GZX)

Interferencia sobre el sistema inmune

receptor receptor

receptor

ligando

receptor

xenobiotico

Interacción normal

Interferencia por el xenobiotico



El sistema inmune puede ser afectado por una amplia variedad de

agentes tóxicos. Cuatro tipos de respuestas se pueden ocasionar:

- Hipersensibilidad. Respuesta incrementada a un xenobiótico

específico con el consecuente daño tisular.

- Inmunosupresión. Efecto directo sobre órganos y células del

sistema inmune que provoca una respuesta disminuida.

- Inmunoestimulación. Incremento en la actividad de órganos o

células del sistema inmune que puede provocar una respuesta

inmunológica incrementada.

- Autoinmunidad

Figura 1-35. Efectos de los xenobióticos sobre el sistema inmune

Las reacciones de hipersensibilidad se pueden provocar por los

cuatro mecanismos mostrados en la figura 1-35.

La reacción de Tipo I (anafilaxia) es inmediata, y esta mediada por la

IgE (y en menor extensión por IgG4 en seres humanos) unida, vía sus

receptores Fc, a basófilos o a membranas de células cebadas. La unión de

antígenos a estas inmunoglobulinas, libera histamina, prostaglandinas,

leucotrieneos y quimioatractores de neutrófilos y eosinófilos. Estos mediadores

causan vasodilatación, incrementan la permeabilidad capilar, bronco-

constricción e inflamación. La urticaria, el asma y la anafilaxia provocadas por

fármacos se presentan por esta alteración inmunológica. Un ejemplo lo

constituye la reacción anafiláctica a penicilina.

Figura 1-36. Reacciones de hipersensibilidad

Tabla 1-28. Xenobióticos que causan hipersensibilidad

Xenobiotico Tipo de reacción

aditivos de alimentos (colorantes azo, BHT, BHA) Tipo I anhídridos ftálicos Tipo I antimicrobianos (parabenos) Tipo IV berilio Tipo I, IV compuestos de platino Tipo I. cromo Tipo IV formaldehído Tipo IV mercurio, oro Tipo II, III, IV níquel Tipo I, IV penicilina, quinina, tetraciclina Tipo I, II, III, IV resinas y plastizantes (tolueno, diisocianato) Tipo I, IV.

Tipo I Tipo IVTipo IIITipo II

asma, rinitis

alérgica,

anafilaxia

sistémica

discrasia

sanguínea por

xenobiotico

enfermedad

del suero,

reacción de

Arthur

dermatitis por

contacto

dermatitis por

contacto,

reacción a

la tuberculina

Macromolécula (proteína)

xenobiotico (hapteno)

respuesta inmunológica

X

célula del sistema inmune

xenobiotico

componentes



La reacción de Tipo II (citolítica) es iniciada cuando anticuerpos

tales como la IgG, IgM, IgA, se unen a antígenos tisulares específicos.

Ciertas células tienen receptores Fc, tales como las células K o ciertos

macrófagos, que se unen a la porción Fc de los anticuerpos enlazados y en

consecuencia son activados y lisan las células blanco. Este proceso es

conocido bajo el nombre de citotoxicidad celular dependiente de anticuerpo

(DAC). De manera similar el sistema complemento es activado cuando se

enlaza de forma cruzada a la porción Fc de dos moléculas de IgG, o una

molécula de IgM, cada una de las cuales está unida a la superficie celular.

Varios fármacos, incluyendo las penicilinas, sulfonamidas y quinina pueden

estimular la formación de anticuerpos, y producir la lisis de glóbulos rojos.

La reacción Tipo III (precipitina tóxica) involucra la unión de

anticuerpos con antígenos multivalentes. Ellos se forman en donde el

antígeno se forma y se libera de la superficie celular. Esto provoca la

deposición de complejos anticuerpos / antígenos en la piel y membranas.

La reacción inmune a estos complejos puede causar inflamación de la piel,

articulaciones, riñones, lupus eritematoso, reacción de Arthus (Nicholas

Maurice Arthus).

Finalmente, la reacción de Tipo IV (hipersensibilidad mediada por

células) a diferencia de las anteriores, es causada por la interacción de

antígenos con linfocitos T y no con anticuerpos. Los linfocitos T reconocen

el antígeno y entonces reclutan otras células para provocar una respuesta

inflamatoria al antígeno. La dermatitis por contacto al níquel es causada por

este tipo de respuesta.

Para que un xenobiótico provoque una respuesta inmune necesita

ser metabolizado para formar un conjugado con una macromolécula

(acarreador) que le dará sus características antigénicas. Esto nos lleva a

tomar en cuenta dos consideraciones que involucran la localización de

dicha biotransformación y las propiedades químicas de los metabolitos

generados. Si el xenobiótico es predominantemente activado dentro de un

órgano específico, y sus metabolitos son altamente reactivos y de vida

corta, la formación del conjugado, y subsecuentes reacciones alérgicas, se

presentarían en lugares bien localizados; ejemplo la hepatitis provocada por

el halotano. En contraste, si el xenobiótico es metabolizado en varios

órganos, o es transformado en metabolitos con valores de vida media

suficientes para trasladarse a sitios distantes, entonces se presentarán

efectos múltiples en varios órganos y tejidos, por ejemplo, aquellas

manifestadas por las respuestas de Tipo I y Tipo III.

Algunos de los xenobióticos reportados que manifiestan toxicidad

sobre el sistema inmune ya sea por alteraciones humorales o celulares se

presentan en la siguiente tabla.

Tabla 1-29. Xenobióticos que presentan inmunidad humoral y/o celular

Xenobiótico Tox I Hm I C Xenobiótico Tox I Hm I C

acetaminofén T + alprenolol D +

salicilatos A, As, U + tolbutamida HA +

relajantes musculares

A + alopurinol D, U +

eritromicina H + cefamandol T +

difenilhidantoína H, SS + halotano H + +

clorpropamida HA + hidralazina DLE +

metildopa HA, N, H + clanidanol HA +

quinina, quinidina

T + probenecid HA +

penicilinas As, D, U, A

+ + penicilamina N +

etiniloestradiol Th + procaínamida DLE +

ciclofosfamida A, U + amoxicilina HA +

captopril U, D, Ne + + Tox: toxicidad; I Hm: Inmunidad humoral; I C: inmunidad celular; A: anafilaxia; As: asma; D: dermatitis; H: Hepatitis; H.A.: anemia hemolítica; Ne: nefritis; N: neutropenia; T:



trombocitopenia; Th: Trombosis; U: urticaria; DLE: Lupus eritematoso inducido por fármacos.

La inmunosupresión se puede ocasionar por:

a) Interferencia con el crecimiento celular o con su proliferación,

provocando una baja de la capacidad de dicho sistema

b) Destruir directamente los componentes del sistema inmune.

c) Distorsionar los mecanismos de reconocimiento por lo que reducen

la respuesta inmune

Tabla 1-30. Sustancias que provocan inmunosupresión

Xenobiótico Xenobiótico

Antitumorales (6-mercaptopurina, azatioprina, ciclofosfamida, ciclosporina)

Benceno

Hidrocarburos aromáticos policíclicos Insecticidas (organoclorados,

organofos-forados, carbamatos) Drogas (etanol, cannabinoides y opiáceos)

Metales (plomo, mercurio, níquel, cadmio) Organometálicos (metilmercurio)

El benceno causa linfocitopenia pero también afecta otros

componentes de la médula ósea. El resultado funcional es una deficiencia

en la inmunidad mediada por células. Los trabajadores expuestos al

benceno presentan una baja inmunidad humoral, que se ha evidenciado por

una disminución del complemento y concentraciones de inmunoglobulinas.

En los seres humanos, el efecto de la inmunosupresión puede

provocar un incremento de las infecciones bacteriales, virales y parasitarias.

Por ejemplo las personas expuestas a bifenilos policlorados son más

susceptibles a sufrir infecciones respiratorias, mientras que los niños

expuestos al plomo padecen de diarrea bacteriana.

Los biomarcadores de citotoxicidad

El término de citotoxicidad se utiliza para denotar que un

xenobiótico ha ocasionado daño letal a una célula sin indicar el mecanismo

de acción implicado.

El parámetro que se utiliza para denotar la citotoxicidad de un

xenobiótico es la CL50 (concentración letal cincuenta que representa la

muerte del 50% de células expuestas a un compuesto en un rango de

concentraciones. Gráficamente este término se representa de la siguiente

forma.

Figura 1-38. Concentración letal 50 y viabilidad celular

El término CL50 conceptualmente es similar al de la DL50. Sin

embargo es importante distinguir el ámbito de sus aplicaciones.

Tabla 1-32. la CL50 y la DL50

Parámetro Unidad Evaluación

CL50* mM, μM, nM In vitro

DL50 mg/Kg In vivo CL50: Concentración letal media; DL50: Dosis letal media;



*En algunos textos se puede indicar el mismo concepto como CI50: Concentración inhibitoria media, o CT50: Concentración tóxica media.

El valor de la CL50 de compuestos se puede calcular mediante

algunos software, ejemplo Master Plex (http://www.miraibio.com/elisa-

curve-fit) estructurado para manejar los datos arrojados por lectores de

ELISA. También existe un software disponible de la EPA:

http://www.epa.gov/ordntrnt/ORD/NRMRL/std/qsar/qsar.html

Para el manejo de datos y el análisis estadístico para determinar la

CL50 se puede consultar:

http://www.biology.ed.ac.uk/archive/jdeacon/statistics/tress4.html#Transfor

mationofdata

Otros parámetros a evaluar in vitro sobre la exposición de líneas

celulares a xenobioticos en un determinado tiempo (ejemplo 24 h) son:

GI (growth inhibitiion): Inhibición del crecimiento; TGI: inhibición total del

crecimiento; CL50: concentración letal.

Tabla 1-33. Evaluación de los parámetros GI, TGI y CL50 en línea celular

Cantidad de células inicial

Cantidad de células después de 24 h

Parámetro,

2 000 000 4 000 000 Control negativo (sin xenobiotico)

2 000 000 3 000 000 GI50 2 000 000 2 000 000 TGI 2 000 000 1000 000 CL50

http://www.cancer.gov/cancertopics/pdq/cam/cancell/HealthProfessional/page8

La representación gráfica de los parámetros antes mencionados se

presenta a continuación.

Figura 1-39. GI, TGI y CL50

Tabla 1-34.. Ejemplo de citotoxicidad en la línea celular HeLa

Compuesto GI50 (μM) TGI (μM) CL50 (μM)

Etopósido 3.56 40.18 87.54

Wellington K. W. et al. Bioorganic and Medicinal Chemistry 2012, 20, 4472-

4481.

Para determinar la viabilidad celular se pueden utilizar diferentes

indicadores para tal efecto.

Tabla 1-35. Sustancias usadas como biomarcadores de citotoxicidad

Indicador Característica

MTT

Las sales de tetrazolio (MTT, amarillo) son convertidas a cristales de formazan ( púrpura insolubles) por las enzimas deshidrogenasas mitocondriales de las células vivas.

XTT Su comportamiento es similar al MTT solamente que su sal de tetrazolium formada es soluble en agua

Rojo neutro El rojo neutro es captado por las células (específicamente por los lisosomas y endosomas). Sólo la células viables son capaces de retener el colorante.

http://www.miraibio.com/elisa-curve-fit

http://www.miraibio.com/elisa-curve-fit

http://www.epa.gov/ordntrnt/ORD/NRMRL/std/qsar/qsar.html

http://www.cancer.gov/cancertopics/pdq/cam/cancell/HealthProfessional/page8



Azul de tripano

El colorante no es retenido por las células viables.

Sulforodamina

En condiciones ácidas la sulforodamina se une a los aminoácidos básicos de las proteínas intracelulares de las células viables. En condiciones básicas se disocia y se puede evaluar en el medio de cultivo por absorbencia a 564 nm..

Azul Kenacida Determina las proteínas totales al ingresar a la célula

Resazurina (azul de alamar)

La resazurina (azul no fluorescente) es reducida a resorufina (rojo fluorescente) por deshidrogenasas mitocondriales de la células viables. La resorufina se difunde al medio de cultivo donde es cuantificada.

Putman K.P. et al. Toxicology in Vitro 2002, 16, 599-607.

Figura 1-40. Indicadores de viabilidad celular

Figura 1-41. Ensayo MTT

Una de las células usadas para detectar la citotoxicidad de un

xenobiótico es el linfocito (célula sanguínea mononucleada). Al respecto,

se presenta a continuación los datos comparativos de citotoxicidad en

linfocitos de humano, perro, rata y ratón para ilustrarnos las diferentes

sensibilidades de esta evaluación.

Tabla 1-36. CL50 de xenobióticos en linfocitos de diferentes especies

log CL50 ±DE* (CL50, μM)

Compuesto Humano Perro Rata Ratón

5-Fluorouracilo

(>10000)

2.65 ± 0.21 (460)

3.36 ± 0.22 (2300)

(>10000)

Melfalan 2.28± 0.11 (190)

2.14 ±0.11 (140)

2.29 ± 0.28 (200)

1.92± 0.18 (84)

Cisplatino 1.42 ± 0.08 (26)

0.98± 0.16 (9.5)

(>100)

1.27 ± 0.07 (18)

Taxol 0.51 ± 0.07 3.8

0.41 ± 0.12 2.6

0.47 ± 0.14 (2.9)

0.19 ± 0.08 (1.5)

Prednisolona (>1000) (>1000) (>1000) (>1000) *DE: desviación estándar Hassan S.B. et al. Toxicology in Vitro 2007, 21, 1174-1181.



Otro de los métodos para evaluar la citotoxicidad de xenobióticos

es mediante el uso de líneas celulares. En este ámbito se presentan dos

grupos generales: las líneas primarias derivadas de células normales (ej.

fibroblastos- célula del tejido conjuntivo) y las líneas secundarias obtenidas

de tumores malignos (cancerosos). A continuación se presenta algunas de

las líneas comercialmente disponibles de la colección europea. También

existe la colección ATTC.

Tabla 1-37. The European Collection of Cell Cultures (ECACC)

Attached Cell Lines Name Species and tissue of origin Morphology MRC-5 (Prod. No. 84101801)

Human lung Fibroblast

HELA (Prod. No. 93021013) Human cervix Epithelial VERO (Prod. No. 84113001) African Green Monkey

Kidney Epithelial

NIH 3T3 (Prod. No. 93061524)

Mouse embryo Fibroblast

L929 (Prod. No. 85011425) Mouse connective tissue Fibroblast CHO (Prod. No. 85050302) Chinese Hamster Ovary Fibroblast BHK-21 (Prod. No. 85011433)

Syrian Hamster Kidney Fibroblast

HEK 293 (Prod. No. 85120602)

Human Kidney Epithelial

HEPG2 (Prod. No. 85011430)

Human Liver Epithelial

BAE-1 (Prod. No. 88031149)

Bovine aorta Endothelial

Suspension Cell Lines Name Species and tissue of origin Morphology NSO (Prod. No. 85110503) Mouse myeloma Lymphoblastoid-

like U937 (Prod. No. 85011440) Human Hystiocytic

Lymphoma Lymphoblastoid

Namalwa (Prod. No. 87060801)

Human Lymphoma Lymphoblastoid

HL60 (Prod. No. 98070106) Human Leukaemia Lymphoblastoid-like

WEHI 231 (Prod. No. 85022107)

Mouse B-cell Lymphoma Lymphoblastoid

YAC 1 (Prod. No. Mouse Lymphoma Lymphoblastoid

86022801) U 266B1 (Prod. No. 85051003)

Human Myeloma Lymphoblastoid

SH-SY5Y (Prod. No. 94030304)

Human neuroblastoma Neuroblast

Figura 1-42. Evaluación de la actividad citotóxica



Tabla 1-38. Ejemplos de aplicación de la CL50 medido con MTT

Línea celular Compuesto Tiempo, h CI50, μM

K562 Quinifurilo 24 2 ± 0.90

(leucemia-humana) 12 12 ± 2.20 Nitracrina 24 0.12 ± 0.07 6 2.2 ± 0.06

P388 Quinifurilo 24 1.1 ± 0.20 (leucemia-ratón) Nitacrina 24 0.16 ± 0.06

6 0.5 ± 0.13 NIH3T3 Quinifurilo 24 1.2 ± 0.17

(fibroblasto-ratón) 12 11 ± 2.10 Nitacrina 24 0.13 ± 0.04 12 1.4 ± 0.20

Cada valor de CL50 representa (M ± DE) de dos a cinco series de experimentos completamente independientes con cinco a 6 repeticiones para cada serie.

Marcelo M. Rosas, et al. Pharmacological Research 2003, 48, 369–375

Estas determinaciones tienen diferentes puntos finales ó “end

point”. En otros métodos se utiliza la presencia de proteínas totales o de

alguna enzima intracelular como biomarcador; ejemplo la lactato

deshidrogenasa (LDH). La presencia de las proteínas o de la enzima indica

que las células se rompieron.

ácido láctico ácido pirúvicoLDH

NAD+ NADPH + H+

tetrazolium INT

(amarillo)formazán

(rojo) diaforasa

30 a 60 min

490 nm

Figura 1-43. Reacción para evaluar la actividad LDH

Algunas ventajas de este método son:

- no utiliza material radiactivo

- operativamente sencillo de llevar a acabo

- el tiempo de reacción es corto (30-60 min)

- no requiere centrifugación

- la absorbencia correlaciona con las células lisadas

- datos reproducibles

En la tabla 1-39 se presentan algunos datos de la citotoxicidad del

CdCl2 evaluada por distintos métodos en dos diferentes líneas celulares.



Figura 1-44. Determinación de lactato deshidrogenada como biomarcador de

citotoxicidad

Tabla 1-39. CL50 de líneas hepáticas expuestas a CdCl2

3 h 5 h 8 h 24 h

HTC Rojo neutro

200 μM ± 2.25 80 μM ±1.26 40 μM ±6.53 20 μM ± 3.31

MTT 100 μM ±

14.47

proteína 200 μM ±2.25

LDH 80 μM ± 16.11

HepG2

Rojo neutro

300 μM ± 7.88 100 μM ±0.84 80 μM ±1.90 8 μM ± 0.21

MTT 500 μM ±1.96 100 μM ±8.39 40 μM ±3.53 15 μM ± 5.02

proteína 300 μM ±1.01 10 μM ±0.02

LDH 5 μM ± 5.35

M ± ESM (error estándar medio) (n = 3). Análisis con t-student. Fotakis G. Toxicology Letters 2006, 160, 171–177.

En términos generales, la muerte de una célula se puede presentar

ocasionada por apoptosis o por necrosis

Tabla 1-40. Características de apoptosis y necrosis

Características Apoptosis Necrosis

Estimulo Fisiológico o patológico Patológico Ocurrencia Células únicas Grupo de células Reversibilidad Limitada Limitada

Nivel celular Forma de la célula Contracción y formación

de cuerpos apoptóticos Abultamiento con posterior desintegración

Adhesión entre células Alterada desde el principio

Alterada al final del evento

Fagocitósis por otras células

Presente Ausente

Inflamación exudativa Ausente Presente

Nivel de organélos Menbrana Presenta forma de

ampollas Ampollas previas a la lísis

Citoplasma Abultado en las últimas etapas

Abultados al inicio del evento

Permeabilidad mitocondrial

Presente Presente

Núcleo Cariorrexis Cariólisis



Nivel bioquímico Activación génica Presente Ausente Requerimiento de síntesis protéica

Presente Ausente

Liberación de enzimas lisosomales

Ausente Presente

Activacion de enzimas no lisosomales

Presente Presente

Activacion de caspasas Presente Ausente Cambio en el citoesqueleto

Presente Presente

Niveles de ATP requeridos

Alto Bajo

Figura 1-45. Cambios celulares durante la apoptosis

Otro ejemplo lo constituye la muerte ocasionada por aminotriptilina,

un antidepresivo tricíclico a células de fibroblastos.

Determinación de apoptosis en fibroblastos después de una exposición a amitriptilina por -caspase 3 (1:100, Cell Signalling Technology, USA) .

La fluorescencia del citoplasma indica actividad de la caspasa 3 y su ausencia en el control (sin amitriptilina) A. (C y D) condensación nuclear visulaizada con tinción Hoechst (flecha) Moreno-Fernández A.M. et al. Toxicology 2008, 243, 51–58.

Figura 1-46. Apoptosis causada por amitriptilina

En caso de información sobre el daño toxicológico de

contaminantes en organismos del suelo, agua y aire se puede consultar el

sitio “ECOTOX Data Base” de la Environmental Protection Agency (EPA):

http://cfpub.epa.gov/ecotox/

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