Introducción a la toxicología, en el marco de la salud ambiental y laboral.

Diego Losada Muñozdiego.losada.munoz@gmail.comCali, Colombia, octubre de 2013

Contenido.

• Contextualización.

• Conceptos fundamentales.

• Fuentes primarias y secundarias.

• Exposición y dosis.

• Absorción y distribución de los tóxicos.

• La biotransformación de los tóxicos.

• Tipos generales de respuestas tóxicas.

• Desarrollo de la respuesta tóxica.

• Modelo general del proceso tóxico.

1. CONTEXTUALIZACIÓN

El contacto humano con los tóxicos.

Muchas personas sólo han escuchado mencionar la toxicología, en programas populares de televisión…

Y no piensan que los tóxicos pueden estar cerca de cada uno de nosotros…

¿Dónde pueden estar presentes los tóxicos?

¿Hemos pensado en qué oportunidades podemos entrar en contacto con tóxicos? Punto de reflexión…

El hombre ha conocido los tóxicos desde los albores de la historia humana…

Inicialmente a través de la recolección de recursos o de accidentes con animales. Al ver que algunas personas enfermaban o morían al consumir algún alimento, se empezaron a reconocer los tóxicos...

Otros usos de los tóxicos…

Posteriormente, los tóxicos se integraron al contexto mágico de los chamanes y sacerdotes…

Con el tiempo, los usos de los tóxicos se diversificaron: Materia prima para los envenenadores, armas de guerra, método para aplicar la pena de muerte, agente para el terrorismo, en estudios fisiológicos y neurológicos, etc.

Concepto de Paracelso…

“Nada es veneno, todo es veneno: la diferencia está en la dosis.”

Surgimiento de la toxicología como ciencia experimental. Fundamento de la relación

dosis – respuesta.

Substancias con características tóxicas.

Fármacos

Agroquímicos

Nanomateriales

Productos industriales

Productos de aseo para el hogar

Toxinas - origen biológico

2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Las bases de la toxicología.

Toxicología…

La toxicología es una ciencia multidisciplinaria que examina los efectos adversos de los materiales y las sustancias químicas y biológicas sobre los sistemas vivos.

Relaciones de la toxicología con otras disciplinas y prácticas.

TOXICOLOGÍA

USO DE LOS

VENENOS

BIOLOGÍA

QUÍMICA

CIENCIAS DE LA SALUD

CIENCIAS AGROPECUARIAS

CIENCIAS AMBIENTALES

INDUSTRIA

LEGISLACIÓN

Subdisciplinas tradicionales de la toxicología.

ANALÍTICA• Métodos de instrumentación química –

identificación de los tóxicos.

BIOMÉDICA• Mecanismos que explican cómo los tóxicos

causan enfermedades.

FORENSE• Evalúan el papel de las sustancias químicas como

causantes de muerte.

OCUPACIONAL• Efectos adversos de la exposición a sustancias en

los sitios de trabajo.

AMBIENTAL• Efectos adversos de los compuestos ambientales

sobre la salud humana.

ACUÁTICA / DE LA VIDA

SILVESTRE

• Efectos de las sustancias químicas sobre la biota acuática y los peces. / Efectos sobre las especies silvestres.

ECOTOXICOLOGÍA• Efectos de las sustancias químicas sobre las

poblaciones y comunidades ecológicas.

Subdisciplinas emergentes.

TOXICO-GENÓMICA

Caracterización de la manera como las células y tejidos responden a un ataque tóxico, a través del análisis global de los cambios en la expresión genética.

MOLECULAR Comprensión de cómo los cambios

moleculares generados por las respuestas tóxicas, se expresan en las respuestas celular, tisulares u orgánica. Base para llegar a una toxicología integral.

PR

OYE

CTO

DE

L G

EN

OM

A H

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MAYO

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DE

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DE D

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S

Generalidades sobre los tóxicos.

Los materiales o substancias tóxicas se pueden considerar como cualquier producto que pueda causarle efectos nocivos a una persona si:• se usa de manera indebida;• lo usa la persona equivocada;• se usa en la cantidad incorrecta o• se pone en contacto con ella de

manera inadvertida.

Clasificaciones de los tóxicos.Por su origen: Toxinas animales. Toxinas vegetales. Toxinas fúngicas. Sustancias

orgánicas sintéticas.

Por su uso: Pesticidas. Aditivos

alimenticios. Solventes

industriales. Fármacos.

Por su efecto: Oxidantes. Cancerígenos. Mutagénicos.

Por el órgano que afectan:

Hepatotóxicos. Nefrotóxicos. Cardiotóxicos. Neurotóxicos.

Estado físico de los tóxicos.

Sólidos Líquidos Gaseoso

s Nieblas Aerosole

s Vapores Polvos Humos

3. FUENTES PRIMARIAS Y SECUNDARIAS

La descarga de tóxicos al ambiente.

Qué son fuentes primarias y secundarias.

Las fuentes hacen referencia a los sitios donde se lleva a cabo la liberación o carga de un tóxico al ambiente receptor, a través del cual puede entrar en contacto con un receptor vulnerable.

Fuentes primarias.

Las fuentes primarias son los puntos o áreas donde los tóxicos provenientes de un sitio de almacenamiento o proceso, se incorporan al ambiente. Puede ser una tubería, una alcantarilla, un patio de almacenamiento, una chimenea, una piscina de residuos, un tanque subterráneo, etc.

El destino de un tóxico va a depender del sitio donde se descargue y del estado físico del mismo. De forma general, los tóxicos se incorporan al aire, al suelo o a las aguas superficiales o subterráneas.

Fuentes secundarias.

Los ambientes a los cuales llegan los tóxicos liberados y por donde se transportan, corresponden a las fuentes secundarias.

Ingreso al ambiente y transporte de los tóxicos.

Procesos sufridos por los tóxicos en el ambiente, criterios y conceptos.• Disolución en el agua: Solubilidad acuosa.• Evaporación: Presión de vapor.• Partición entre fracciones evaporadas y disueltas en agua:

Constante de la Ley de Henry.• Partición entre el agua y la fase orgánica: Coeficiente de partición

octanol:agua.• En suelos o sedimentos, partición entre el carbono orgánico y el

agua: Coeficiente de partición carbono orgánico:agua.• Cambio en el estado de oxidación de un metal: Especiación

química.• Reacción de dos especies químicas disueltas, para formar una

tercera: Formación de complejos por reactividad.• Reacción de solutos con superficies sólidas y de iones con

superficies cargadas: Reactividad superficial.• Flotación de la sustancia en la superficie del agua o hundimiento

de la misma: Densidad.• Liberación de una sustancia de la superficie de una partícula,

haciéndose disponible para otros procesos: Disponibilidad.• Descomposición de la sustancia en derivados más sencillos:

Degradación.

4. EXPOSICIÓN Y DOSIS

El contacto con los tóxicos y su ingreso al organismo.

Exposición.

Condición mediante la cual un receptor potencial queda expuesto a una sustancia tóxica, a través de una o varias partes de su cuerpo.

Existe un “riesgo de exposición

”.

Parámetros de exposición.

La “dosis potencial” de una sustancia que recibe el organismo depende de dos

factores de exposición:

Concentración de la sustancia

Duración del

contacto

Frecuencia de exposición.

AGUDA• Un solo episodio (o exposiciones

repetidas en un periodo corto – 24 Hs) y una sola dosis.

CRÓNICA• Varias exposiciones repetidas (> 24

Hs) o prolongada, efectos acumulativos.

La magnitud de la dosis, depende de la substancia…

Agente Dosis letal media DL50 mg/Kg

Alcohol etílico 10000Cloruro de sodio 4000Sulfato ferroso 1500Sulfato de morfina 900Fenorbarbital de sodio 150Picrotoxin 5Sulfato de estricnina 2Nicotina 1Tubocurarina 0,5Hemicolinium-3 0,2Tetrodotoxina 0,10Dioxina (TCDD) 0,001Toxina botulínica 0,00001Fuente: Klaassen, C.D. Casarett & Doull’s Toxicology. McGraw Hill, Medical Publishing

Division. New York. 7th Ed. 2008.

Relación dosis – respuesta.

La distribución de las frecuencias de respuesta a la dosis, generalmente adopta una curva en forma de campana: distribución Gaussiana.La distribución acumulada (derecha) permite establecer la concentración o dosis efectiva media (ED50). Si se mide como efecto la muerte, entonces se establece la dosis letal media - LD50. Estos datos se obtienen por medio de bioensayos de toxicidad.

Hormesis.

Tipo especial de relación dosis – respuesta, en la cual una sustancia presenta efectos inhibitorios o estimulantes a dosis bajas, pero efectos adversos a dosis altas (alcohol en bajas dosis y prevención de enfermedades coronarias), o viceversa, como sucede con el efecto analgésico de los opiáceos. Esta parece ser una respuesta adaptativa de tipo biológico, que involucra procesos a bajas dosis que ayudan a controlar efectos tóxicos potenciales.

Relación dosis – concentración bajo diferentes condiciones.

A.Sustancia con muy baja eliminación; vida media: 1 año (acumulación intensa).

B.Sustancia con una tasa de eliminación igual a la frecuencia de dosificación: 1 día (acumulación moderada).

C.Tasa de eliminación más rápida que la frecuencia de dosificación: 5 h. No hay acumulación.

Ámbito de la ciencia

ambiental tradicional

Primera fase en el proceso de afectación por los tóxicos.

Fuentes de emisión de

sustancias tóxicas

Transporte y transformación en el

ambiente

Contacto humano:

exposición

Dosis potenci

al

5. ABSORCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS TÓXICOS

Ingreso de los tóxicos al organismo y su viaje a diferentes órganos.

Secuencia de eventos posteriores a la exposición.

Absorción

ExcreciónEfectos tóxicos bioquímicos, patológicos, inmunotóxicos, cáncer, etc.

Metabolitos no tóxicos

Metabolitos tóxicos

Interacciones con

macromoléculas

Rotación y reparación

Exposición a un producto tóxico.

Distribución

Metabolismo

Detoxificación Activación

Áreas de exposición e ingreso de los tóxicos al organismo.

Piel: Contacto dérmico.

Líquido o gas soluble en agua y

principalmente liposolubles.

Tracto gastrointestinal Ingestión.Sólidos, líquidos, coloides, etc.

Tracto respiratorio: Inhalación.Cenizas, partículas, gases, vapores de sustancias volátiles.

Absorción de los tóxicos.

Incorporación de un tóxico a la circulación

sistémica.

Difusión pasiva - de las barreras epiteliales a los capilares: compuestos no cargados eléctricamente, solubles en lípidos, a lo largo de un gradiente de concentración.

Transportadores: Ej.: Fe+2, Cd+2 por transportadores de iones metálicos divalentes.

Filtración a través de los poros de las membranas: Moléculas pequeñas, como la urea.

Fagocitosis / Pinocitosis: Sustancias insolubles; micro y nanopartículas.

La tasa de absorción depende de: Concentración de la

substancia en la superficie de absorción.

Características de la capa epitelial a través de la cual ocurre la absorción.

Intensidad de la sub-circulación micro-epitelial.

Propiedades fisicoquímicas del tóxico (Coeficientes de partición).

Efecto del primer paso.

Un producto ingerido debe: Recorrer el lumen

del TGI y entrar a la pared intestinal.

Escapar al metabolismo de los enterocitos

Llegar al hígado y escapar al

metabolismo de los hepatocitos.

Reducción de la biodisponibilidad del producto parental.

A través de la biotransformación de muchas de las sustancias absorbidas, se puede entonces reducir la toxicidad. Efecto del

primer paso, que ocurre en primera instancia, después de la ingestión.

Distribución de los tóxicos.

Los tóxicos transportados por el torrente sanguíneo, salen al espacio extracelular y

pueden penetrar en las células.

Endotelio de los

capilares A través de la membrana

Poros transcelulares: fenestraeEspacios intercelulares

acuosos

Acceso a su (s) sitio (s) de acción (una

macromolécula) y/o de toxificación (una enzima intracelular).

Difusión

Sustancias liposolubles: Difusión hacia las células.Sustancias hidrofílicas: Espacios intercelulares e ingreso a través de la membrana por carriers.

Rutas de distribución de las substancias en función del sitio de ingreso.

Ingestión (sitio de ingreso)

Tracto gastrointestinal (TGI)

Heces (excreción)

Aire inhalado (sitio de ingreso)

Sistema respiratorio (pulmón y alvéolos)

Aire exhalado (excreción)

Exposición dérmica (sitio de ingreso)

Piel

Sangre y sistema linfáticoEnlaces con proteínas

Distribución de metabolitos libres o ligadosMetabolismo

Bilis

HígadoV

en

a p

ort

a

Membrana celularReceptores

celulares Hueso GrasaAlmacenamiento

de tóxicos

Riñón

Vejiga

Orina (excreción)

Ámbito de la ciencia de la exposición

Segunda fase en el proceso de afectación por los tóxicos.

Biodisponibilidad

Acumulación, transformación, eliminación

Contacto humano:

exposiciónDosis

interna

6. LA BIOTRANSFORMACIÓN DE LOS TÓXICOS

El metabolismo que sufren las substancias tóxicas en el organismo.

META

BO

LIS

MO

DE

LO

S T

ÓX

ICO

S

Transformaciones bioquímicas de los tóxicos.

Tóxico sistémico

Protóxico

Convertido metabólicamente a una forma tóxica

Metabolito activo para interacciones

bioquímicas posteriores.

Detoxificado

Metabolizado

No transformado

Compuesto parental activo para

interacciones bioquímicas posteriores

Excretado

Tipos de tóxicos finales y sus fuentes.

Oxígeno reactivo o especies de nitrógenoPeróxido de hidrógenoDiquat, doxorrubicina, Radicales hidroxilonitrofurantoina (HO .)Cr(V), Fe(II), Mn(II), Ni(II)

Paraquat O .2 + NO . Peroxinitrito (ONOO-)

}-

Iones PbTetradontoxinaTCDD (Dioxina)Metil isocianatoHCNCO

Xenobióticos parentales

Metabolitos de xenobióticosAmigdalina HCNArsenato ArsenitoFluoroacetato FluorocitratoEtilen glicol Ácido oxálicoHexano 2,5-HexanodionaAcetaminofén N-Acetil

-p-benzoquinoneimina

CCl4 CCl3OO.

Benzo(a)pireno (BP) BP-7,8-diol-9,10-epóxidoBenzo(a)pireno (BP) BP-catión radical

Sulfonamidas Enlace albúmina - Bilirrubina bilirrubinaCCl3COO . Ácidos grasos no –

saturados Radical

lípido peroxiloCCl3COO . Ácidos grasos no -

saturadosCCl3COO . Ácidos grasos no – 4-hidroxinon-

saturados 2-enalHO . Proteínas Carbonilos -

proteínas.

Compuestos endógenos

Reacciones de biotransformación.REACCIONES PROCESO RESULTADO

Fase I Primera fase de biotransformación enzimática en un proceso con varias etapas: Oxidación (suma un átomo de oxígeno al producto), reducción (agrega hidrógeno) o hidrólisis (incorpora agua).

Producción de metabolitos. Eventual excreción del tóxico.

Fase II Reacciones de “conjugación” – Un azúcar o un aminoácido se liga al tóxico o al metabolito.

Generalmente productos muy solubles en agua que se pueden transferir con rapidez a la orina o la bilis.

Fase III Intervención de proteínas trasportadoras o carriers.

Movilización y eliminación de los metabolitos conjugados a través de las membranas biológicas.

Ejemplo: Biotransformación del benceno.

Características de los tóxicos finales.

Substancias que exhiben niveles extremos de acidez, alcalinidad, poder oxidante o capacidad de deshidratación.

Substancias reactivas, con grupos funcionales que reaccionan con biomoléculas de forma nociva.

Metales pesados. Especies que se ligan a las biomoléculoas

mediante enlaces, alterando su funcionamiento.

Compuestos solubles en lípidos. Substancias miméticas, que compiten con los

ligandos endógenos.

Factores que afectan el metabolismo de los tóxicos.

Factores genéticos. Polimorfismo que explica diferencias en el metabolismo y la vulnerabilidad a los tóxicos entre diferentes individuos.

Sexo. Diferencias metabólicas y hormonales. Dieta. Muchas substancias presentes en la

dieta pueden inhibir o inducir enzimas. Co-exposición. Exposición a otras sustancias

presentes en el ambiente.

7. TIPOS GENERALES DE RESPUESTAS TÓXICAS.

Diferentes respuestas orgánicas a la presencia de tóxicos.

Reacción del tóxico final con su “target” o blanco.

Molécula“target”

Tóxicofinal

Atributos del “target”:• Reactividad.• Accesibilidad.• Función crítica.

Tipos de reacción:• Enlace no

covalente.• Enlace

covalente.• Extracción de

hidrógeno.• Transferencia

de electrones.

• Reacción enzimática.

Resultados:• Disfunción.• Destrucción

.• Formación

de neoantígenos.

Respuestas del organismo a los tóxicos.

Carcinogénesis. Mutagénesis. Afectación sistémica, orgánica y tisular:

• Respuestas tóxicas en la piel.• Hepatotoxicidad - Hígado.• Toxicidad sobre la Sangre y el sistema

cardiovascular.• Toxicidad del tracto respiratorio.• Toxicidad del tracto gastrointestinal.• Toxicidad del sistema inmunitario.• Toxicidad del sistema endocrino.• Neurotoxicidad - Sistema nervioso.• Toxicidad del sistema reproductivo.• Nefrotoxicidad – Hígado y vejiga.• Toxicidad y desarrollo.

8. DESARROLLO DE LA RESPUESTA TÓXICA

Perturbaciones a escala molecular y celular.

Alteración de la función reguladora y del mantenimiento celular.

Papel de la moléc

ula “targe

t”

La molécula “target” como determinante del efecto.

El efecto

Regulación

celular (señale

s)

Mantenimiento

celular

Regulación inadecuada de la expresión genética

Regulación inadecuada de los resultados de las funciones celulares

Mantenimiento externo perturbado

Alteración de la función de los sistemas integrados:• Ej.: Hemostasis

Sangrado.

Mantenimiento interno perturbado

Inapropiadas:• División celular: Neoplasia,

teratogénesis.• Apoptosis: Involución de tejidos,

teratogénesis.• Síntesis de proteínas: Ej.:

proliferación de peroxisomas

Ej.: Inapropiada actividad neuromuscular:• Tremor, convulsión, espasmo,

arritmia cardiaca.• Narcosis, parálisis, parestesia.

Perturbación de:• Síntesis de ATP• Regulación de Ca2+

Células• Síntesis de proteínas

Afectadas/• Función microtubular

Muerte• Función de membranas celulares

9. MODELO GENERAL DEL PROCESO TOXICO

Diagrama de integración de los procesos – de la fuente a la respuesta tóxica.

De la fuente al “target”.

GRACIAS