La toxicología mecanicista es el estudio de cómo los agentes químicos o físicos interactúan con los organismos vivos para causar toxicidad. El conocimiento del mecanismo de toxicidad de una sustancia mejora la capacidad de prevenir la toxicidad y diseñar productos químicos más deseables; constituye la base para la terapia en caso de sobreexposición y, con frecuencia, permite una mayor comprensión de los procesos biológicos fundamentales. Para efectos de este Enciclopedia se hará hincapié en los animales para predecir la toxicidad humana. Las diferentes áreas de la toxicología incluyen la toxicología mecanicista, descriptiva, regulatoria, forense y ambiental (Klaassen, Amdur y Doull 1991). Todos estos se benefician de la comprensión de los mecanismos fundamentales de la toxicidad.
¿Por qué entender los mecanismos de toxicidad?
Comprender el mecanismo por el cual una sustancia causa toxicidad mejora las diferentes áreas de la toxicología de diferentes maneras. La comprensión mecánica ayuda al regulador gubernamental a establecer límites seguros legalmente vinculantes para la exposición humana. Ayuda a los toxicólogos a recomendar cursos de acción con respecto a la limpieza o remediación de sitios contaminados y, junto con las propiedades físicas y químicas de la sustancia o mezcla, puede usarse para seleccionar el grado de equipo de protección requerido. El conocimiento mecanicista también es útil para formar la base de la terapia y el diseño de nuevos fármacos para el tratamiento de enfermedades humanas. Para el toxicólogo forense, el mecanismo de toxicidad a menudo proporciona información sobre cómo un agente químico o físico puede causar la muerte o la incapacitación.
Si se comprende el mecanismo de toxicidad, la toxicología descriptiva se vuelve útil para predecir los efectos tóxicos de sustancias químicas relacionadas. Sin embargo, es importante comprender que la falta de información sobre los mecanismos no impide que los profesionales de la salud protejan la salud humana. Se utilizan decisiones prudentes basadas en estudios con animales y experiencia humana para establecer niveles de exposición seguros. Tradicionalmente, se establecía un margen de seguridad usando el “nivel sin efectos adversos” o el “nivel más bajo de efectos adversos” de estudios con animales (usando diseños de exposición repetida) y dividiendo ese nivel por un factor de 100 para exposición ocupacional o 1,000 para otra exposición ambiental humana. El éxito de este proceso es evidente a partir de los pocos incidentes de efectos adversos para la salud atribuidos a la exposición a sustancias químicas en los trabajadores en los que en el pasado se habían establecido y respetado los límites de exposición apropiados. Además, la esperanza de vida humana sigue aumentando, al igual que la calidad de vida. En general, el uso de los datos de toxicidad ha dado lugar a un control normativo y voluntario eficaz. El conocimiento detallado de los mecanismos tóxicos mejorará la previsibilidad de los modelos de riesgo más nuevos que se están desarrollando actualmente y dará como resultado una mejora continua.
Comprender los mecanismos ambientales es complejo y supone un conocimiento de la alteración y la homeostasis (equilibrio) de los ecosistemas. Si bien no se analiza en este artículo, una mejor comprensión de los mecanismos tóxicos y sus consecuencias finales en un ecosistema ayudaría a los científicos a tomar decisiones prudentes con respecto al manejo de materiales de desecho industriales y municipales. La gestión de residuos es un área de investigación en crecimiento y seguirá siendo muy importante en el futuro.
Técnicas para estudiar los mecanismos de toxicidad
La mayoría de los estudios mecanísticos comienzan con un estudio toxicológico descriptivo en animales u observaciones clínicas en humanos. Idealmente, los estudios en animales incluyen cuidadosas observaciones clínicas y de comportamiento, un examen bioquímico cuidadoso de los elementos de la sangre y la orina en busca de signos de función adversa de los principales sistemas biológicos del cuerpo, y una evaluación post-mortem de todos los sistemas de órganos mediante un examen microscópico para verificar lesiones (consulte las directrices de ensayo de la OCDE; las directivas de la CE sobre evaluación química; las normas de ensayo de la EPA de EE. UU.; las reglamentaciones sobre productos químicos de Japón). Esto es análogo a un examen físico humano completo que se llevaría a cabo en un hospital durante un período de dos a tres días, excepto por el examen post-mortem.
Comprender los mecanismos de toxicidad es el arte y la ciencia de la observación, la creatividad en la selección de técnicas para probar varias hipótesis y la integración innovadora de signos y síntomas en una relación causal. Los estudios mecanísticos comienzan con la exposición, siguen la distribución relacionada con el tiempo y el destino en el cuerpo (farmacocinética) y miden el efecto tóxico resultante en algún nivel del sistema y en algún nivel de dosis. Diferentes sustancias pueden actuar en diferentes niveles del sistema biológico causando toxicidad.
Exposición
La vía de exposición en los estudios mecanísticos suele ser la misma que para la exposición humana. La ruta es importante porque puede haber efectos que ocurren localmente en el sitio de exposición además de efectos sistémicos después de que la sustancia química haya sido absorbida en la sangre y distribuida por todo el cuerpo. Un ejemplo simple pero convincente de un efecto local sería la irritación y eventual corrosión de la piel después de la aplicación de soluciones alcalinas o ácidas fuertes diseñadas para limpiar superficies duras. De manera similar, puede ocurrir irritación y muerte celular en las células que recubren la nariz y/o los pulmones después de la exposición a vapores o gases irritantes como óxidos de nitrógeno u ozono. (Ambos son componentes de la contaminación del aire o smog). Después de la absorción de un químico en la sangre a través de la piel, los pulmones o el tracto gastrointestinal, la concentración en cualquier órgano o tejido está controlada por muchos factores que determinan la farmacocinética del químico en el cuerpo. El cuerpo tiene la capacidad de activar y desintoxicar varios químicos como se indica a continuación.
Papel de la farmacocinética en la toxicidad
La farmacocinética describe las relaciones de tiempo para la absorción, distribución, metabolismo (alteraciones bioquímicas en el cuerpo) y eliminación o excreción química del cuerpo. En relación con los mecanismos de toxicidad, estas variables farmacocinéticas pueden ser muy importantes y, en algunos casos, determinan si se producirá o no toxicidad. Por ejemplo, si un material no se absorbe en una cantidad suficiente, no se producirá toxicidad sistémica (dentro del cuerpo). Por el contrario, una sustancia química altamente reactiva que se desintoxica rápidamente (segundos o minutos) por enzimas digestivas o hepáticas puede no tener tiempo para causar toxicidad. Algunas sustancias y mezclas policíclicas halogenadas, así como ciertos metales como el plomo, no causarían una toxicidad significativa si la excreción fuera rápida; pero la acumulación a niveles suficientemente altos determina su toxicidad ya que la excreción no es rápida (a veces se mide en años). Afortunadamente, la mayoría de los productos químicos no tienen una retención tan larga en el cuerpo. La acumulación de un material inocuo aún no induciría toxicidad. La tasa de eliminación del cuerpo y la desintoxicación se denomina con frecuencia la vida media de la sustancia química, que es el tiempo para que el 50 % de la sustancia química se excrete o se altere a una forma no tóxica.
Sin embargo, si una sustancia química se acumula en una célula u órgano en particular, eso puede indicar una razón para examinar más a fondo su posible toxicidad en ese órgano. Más recientemente, se han desarrollado modelos matemáticos para extrapolar variables farmacocinéticas de animales a humanos. Estos modelos farmacocinéticos son extremadamente útiles para generar hipótesis y probar si el animal de experimentación puede ser una buena representación para los humanos. Se han escrito numerosos capítulos y textos sobre este tema (Gehring et al. 1976; Reitz et al. 1987; Nolan et al. 1995). En la figura 1 se muestra un ejemplo simplificado de un modelo fisiológico.
Figura 1. Un modelo farmacocinético simplificado
Los diferentes niveles y sistemas pueden verse afectados negativamente
La toxicidad se puede describir en diferentes niveles biológicos. La lesión se puede evaluar en la persona (o animal) en su totalidad, el sistema de órganos, la célula o la molécula. Los sistemas de órganos incluyen los sistemas inmunitario, respiratorio, cardiovascular, renal, endocrino, digestivo, musculoesquelético, sanguíneo, reproductivo y nervioso central. Algunos órganos clave incluyen el hígado, los riñones, los pulmones, el cerebro, la piel, los ojos, el corazón, los testículos o los ovarios, y otros órganos importantes. A nivel celular/bioquímico, los efectos adversos incluyen la interferencia con la función normal de las proteínas, la función de los receptores endocrinos, la inhibición de la energía metabólica o la inhibición o inducción de enzimas xenobióticas (sustancias extrañas). Los efectos adversos a nivel molecular incluyen la alteración de la función normal de la transcripción de ADN-ARN, de la unión a receptores citoplasmáticos y nucleares específicos, y de genes o productos génicos. En última instancia, es probable que la disfunción en un sistema orgánico principal sea causada por una alteración molecular en una célula diana particular dentro de ese órgano. Sin embargo, no siempre es posible rastrear un mecanismo hasta un origen molecular de causalidad, ni tampoco es necesario. La intervención y la terapia se pueden diseñar sin una comprensión completa del objetivo molecular. Sin embargo, el conocimiento sobre el mecanismo específico de toxicidad aumenta el valor predictivo y la precisión de la extrapolación a otras sustancias químicas. La figura 2 es una representación esquemática de los diversos niveles en los que se puede detectar la interferencia de los procesos fisiológicos normales. Las flechas indican que las consecuencias para un individuo pueden determinarse de arriba hacia abajo (exposición, farmacocinética a toxicidad de sistema/órgano) o de abajo hacia arriba (cambio molecular, efecto celular/bioquímico a toxicidad de sistema/órgano).
Figura 2. Representación de mecanismos de toxicidad
Ejemplos de mecanismos de toxicidad
Los mecanismos de toxicidad pueden ser sencillos o muy complejos. Con frecuencia, existe una diferencia entre el tipo de toxicidad, el mecanismo de toxicidad y el nivel de efecto, relacionado con si los efectos adversos se deben a una sola dosis aguda alta (como un envenenamiento accidental) o a una dosis más baja. exposición repetida (por exposición ocupacional o ambiental). Clásicamente, para fines de prueba, se administra una dosis alta única aguda mediante intubación directa en el estómago de un roedor o exposición a una atmósfera de gas o vapor durante dos a cuatro horas, lo que mejor se asemeje a la exposición humana. Los animales se observan durante un período de dos semanas después de la exposición y luego se examinan los principales órganos externos e internos en busca de lesiones. Las pruebas de dosis repetida varían de meses a años. Para las especies de roedores, dos años se considera un estudio crónico (de por vida) suficiente para evaluar la toxicidad y la carcinogenicidad, mientras que para los primates no humanos, dos años se consideraría un estudio subcrónico (menos de la vida) para evaluar la toxicidad de dosis repetidas. Después de la exposición, se realiza un examen completo de todos los tejidos, órganos y fluidos para determinar cualquier efecto adverso.
Mecanismos de toxicidad aguda
Los siguientes ejemplos son específicos de los efectos agudos de dosis altas que pueden provocar la muerte o una incapacidad grave. Sin embargo, en algunos casos, la intervención tendrá efectos transitorios y totalmente reversibles. La dosis o la gravedad de la exposición determinarán el resultado.
Asfixiantes simples. El mecanismo de toxicidad de los gases inertes y algunas otras sustancias no reactivas es la falta de oxígeno (anoxia). Estas sustancias químicas, que provocan la privación de oxígeno en el sistema nervioso central (SNC), se denominan asfixiantes simples. Si una persona ingresa a un espacio cerrado que contiene nitrógeno sin suficiente oxígeno, se produce un agotamiento inmediato del oxígeno en el cerebro y conduce a la pérdida del conocimiento y, finalmente, a la muerte si no se retira rápidamente a la persona. En casos extremos (casi cero oxígeno) la pérdida del conocimiento puede ocurrir en unos pocos segundos. El rescate depende de la rápida remoción a un ambiente oxigenado. La supervivencia con daño cerebral irreversible puede ocurrir por un rescate retrasado, debido a la muerte de las neuronas, que no pueden regenerarse.
asfixiantes químicos. El monóxido de carbono (CO) compite con el oxígeno para unirse a la hemoglobina (en los glóbulos rojos) y, por lo tanto, priva a los tejidos de oxígeno para el metabolismo energético; la muerte celular puede resultar. La intervención incluye la eliminación de la fuente de CO y el tratamiento con oxígeno. El uso directo del oxígeno se basa en la acción tóxica del CO. Otro potente asfixiante químico es el cianuro. El ion cianuro interfiere con el metabolismo celular y la utilización de oxígeno para obtener energía. El tratamiento con nitrito de sodio provoca un cambio en la hemoglobina de los glóbulos rojos a metahemoglobina. La metahemoglobina tiene una mayor afinidad de unión con el ion cianuro que el objetivo celular del cianuro. En consecuencia, la metahemoglobina se une al cianuro y lo mantiene alejado de las células diana. Esto forma la base para la terapia con antídotos.
Depresores del sistema nervioso central (SNC). La toxicidad aguda se caracteriza por la sedación o pérdida del conocimiento de una serie de materiales como disolventes que no son reactivos o que se transforman en productos intermedios reactivos. Se plantea la hipótesis de que la sedación/anestesia se debe a una interacción del disolvente con las membranas de las células del SNC, lo que reduce su capacidad para transmitir señales eléctricas y químicas. Si bien la sedación puede parecer una forma leve de toxicidad y fue la base para el desarrollo de los primeros anestésicos, "la dosis aún produce el veneno". Si se administra una dosis suficiente por ingestión o inhalación, el animal puede morir por paro respiratorio. Si no se produce la muerte anestésica, este tipo de toxicidad suele ser rápidamente reversible cuando el sujeto se retira del medio ambiente o la sustancia química se redistribuye o elimina del cuerpo.
Efectos de la piel. Los efectos adversos para la piel pueden ir desde la irritación hasta la corrosión, según la sustancia encontrada. Los ácidos fuertes y las soluciones alcalinas son incompatibles con los tejidos vivos y son corrosivos, provocando quemaduras químicas y posibles cicatrices. La cicatrización se debe a la muerte de las células dérmicas profundas de la piel responsables de la regeneración. Las concentraciones más bajas pueden causar irritación de la primera capa de la piel.
Otro mecanismo tóxico específico de la piel es el de la sensibilización química. Por ejemplo, la sensibilización se produce cuando el 2,4-dinitroclorobenceno se une a las proteínas naturales de la piel y el sistema inmunitario reconoce el complejo unido a proteínas alterado como un material extraño. Al responder a este material extraño, el sistema inmunitario activa células especiales para eliminar la sustancia extraña mediante la liberación de mediadores (citocinas) que provocan una erupción o dermatitis (consulte “Inmunotoxicología”). Esta es la misma reacción del sistema inmunitario cuando se produce la exposición a la hiedra venenosa. La sensibilización inmunitaria es muy específica de la sustancia química en particular y requiere al menos dos exposiciones antes de que se produzca una respuesta. La primera exposición sensibiliza (prepara las células para que reconozcan la sustancia química) y las exposiciones posteriores desencadenan la respuesta del sistema inmunitario. La eliminación del contacto y la terapia sintomática con cremas antiinflamatorias que contienen esteroides suelen ser eficaces en el tratamiento de personas sensibilizadas. En casos graves o refractarios, se utiliza un inmunosupresor de acción sistémica como la prednisona junto con el tratamiento tópico.
sensibilización pulmonar. El diisocianato de tolueno (TDI) provoca una respuesta de sensibilización inmunitaria, pero el sitio objetivo son los pulmones. La sobreexposición a TDI en personas susceptibles provoca edema pulmonar (acumulación de líquido), constricción bronquial y dificultad para respirar. Esta es una condición grave y requiere retirar al individuo de posibles exposiciones posteriores. El tratamiento es principalmente sintomático. La sensibilización de la piel y los pulmones sigue una respuesta a la dosis. Superar el nivel establecido para la exposición ocupacional puede causar efectos adversos.
Efectos oculares. Las lesiones oculares varían desde el enrojecimiento de la capa exterior (enrojecimiento de la piscina) hasta la formación de cataratas en la córnea y daños en el iris (la parte coloreada del ojo). Las pruebas de irritación ocular se realizan cuando se cree que no se producirán lesiones graves. Muchos de los mecanismos que causan la corrosión de la piel también pueden causar lesiones en los ojos. Los materiales corrosivos para la piel, como ácidos fuertes (pH inferior a 2) y álcalis (pH superior a 11.5), no se prueban en los ojos de los animales porque la mayoría causará corrosión y ceguera debido a un mecanismo similar al que causa la corrosión de la piel. . Además, los agentes tensioactivos como los detergentes y los tensioactivos pueden causar lesiones oculares que van desde la irritación hasta la corrosión. Un grupo de materiales que requiere precaución son los tensioactivos cargados positivamente (catiónicos), que pueden causar quemaduras, opacidad permanente de la córnea y vascularización (formación de vasos sanguíneos). Otro químico, el dinitrofenol, tiene un efecto específico en la formación de cataratas. Esto parece estar relacionado con la concentración de esta sustancia química en el ojo, que es un ejemplo de especificidad de distribución farmacocinética.
Si bien la lista anterior está lejos de ser exhaustiva, está diseñada para brindarle al lector una apreciación de varios mecanismos de toxicidad aguda.
Mecanismos de toxicidad crónica y subcrónica
Cuando se administran en una sola dosis alta, algunas sustancias químicas no tienen el mismo mecanismo de toxicidad que cuando se administran repetidamente en dosis más bajas pero aún tóxicas. Cuando se administra una sola dosis alta, siempre existe la posibilidad de exceder la capacidad de la persona para desintoxicarse o excretar la sustancia química, y esto puede conducir a una respuesta tóxica diferente que cuando se administran dosis repetitivas más bajas. El alcohol es un buen ejemplo. Las dosis altas de alcohol provocan efectos primarios en el sistema nervioso central, mientras que las dosis repetitivas más bajas provocan lesiones hepáticas.
Inhibición de la anticolinesterasa. La mayoría de los pesticidas organofosforados, por ejemplo, tienen poca toxicidad para los mamíferos hasta que se activan metabólicamente, principalmente en el hígado. El principal mecanismo de acción de los organofosforados es la inhibición de la acetilcolinesterasa (AChE) en el cerebro y el sistema nervioso periférico. AChE es la enzima normal que termina la estimulación del neurotransmisor acetilcolina. La inhibición leve de AChE durante un período prolongado no se ha asociado con efectos adversos. A altos niveles de exposición, la incapacidad para terminar esta estimulación neuronal da como resultado una sobreestimulación del sistema nervioso colinérgico. La sobreestimulación colinérgica finalmente da como resultado una serie de síntomas, incluido el paro respiratorio, seguido de la muerte si no se trata. El tratamiento primario es la administración de atropina, que bloquea los efectos de la acetilcolina, y la administración de cloruro de pralidoxima, que reactiva la AChE inhibida. Por lo tanto, tanto la causa como el tratamiento de la toxicidad por organofosforados se abordan mediante la comprensión de la base bioquímica de la toxicidad.
Activación metabólica. Muchos productos químicos, incluidos el tetracloruro de carbono, el cloroformo, el acetilaminofluoreno, las nitrosaminas y el paraquat, se activan metabólicamente a radicales libres u otros intermediarios reactivos que inhiben e interfieren con la función celular normal. A altos niveles de exposición, esto da como resultado la muerte celular (ver “Daño celular y muerte celular”). Si bien se desconocen las interacciones específicas y los objetivos celulares, los sistemas de órganos que tienen la capacidad de activar estos químicos, como el hígado, los riñones y los pulmones, son todos objetivos potenciales de lesiones. Específicamente, las células particulares dentro de un órgano tienen una mayor o menor capacidad para activar o desintoxicar estos intermediarios, y esta capacidad determina la susceptibilidad intracelular dentro de un órgano. El metabolismo es una de las razones por las que la comprensión de la farmacocinética, que describe estos tipos de transformaciones y la distribución y eliminación de estos intermediarios, es importante para reconocer el mecanismo de acción de estas sustancias químicas.
Mecanismos del cáncer. El cáncer es una multiplicidad de enfermedades, y aunque la comprensión de ciertos tipos de cáncer está aumentando rápidamente debido a las numerosas técnicas de biología molecular que se han desarrollado desde 1980, aún queda mucho por aprender. Sin embargo, está claro que el desarrollo del cáncer es un proceso de varias etapas, y los genes críticos son clave para diferentes tipos de cáncer. Las alteraciones en el ADN (mutaciones somáticas) en varios de estos genes críticos pueden causar una mayor susceptibilidad o lesiones cancerosas (ver “Toxicología genética”). La exposición a químicos naturales (en alimentos cocidos como carne de res y pescado) o químicos sintéticos (como bencidina, utilizada como colorante) o agentes físicos (luz ultravioleta del sol, radón del suelo, radiación gamma de procedimientos médicos o actividad industrial) son todos contribuyentes a las mutaciones genéticas somáticas. Sin embargo, existen sustancias naturales y sintéticas (como los antioxidantes) y procesos de reparación del ADN que son protectores y mantienen la homeostasis. Está claro que la genética es un factor importante en el cáncer, ya que los síndromes de enfermedades genéticas como el xeroderma pigmentoso, donde hay una falta de reparación normal del ADN, aumentan drásticamente la susceptibilidad al cáncer de piel por la exposición a la luz ultravioleta del sol.
Mecanismos reproductivos. Similar al cáncer, se conocen muchos mecanismos de toxicidad reproductiva y/o de desarrollo, pero queda mucho por aprender. Se sabe que ciertos virus (como la rubéola), infecciones bacterianas y medicamentos (como la talidomida y la vitamina A) afectarán negativamente el desarrollo. Recientemente, el trabajo de Khera (1991), revisado por Carney (1994), muestra buena evidencia de que los efectos anormales en el desarrollo en pruebas con animales con etilenglicol son atribuibles a metabolitos metabólicos ácidos maternos. Esto ocurre cuando el etilenglicol se metaboliza a metabolitos ácidos, incluidos los ácidos glicólico y oxálico. Los efectos posteriores sobre la placenta y el feto parecen deberse a este proceso de intoxicación metabólica.
Conclusión
La intención de este artículo es dar una perspectiva sobre varios mecanismos conocidos de toxicidad y la necesidad de estudios futuros. Es importante entender que el conocimiento mecanicista no es absolutamente necesario para proteger la salud humana o ambiental. Este conocimiento mejorará la capacidad del profesional para predecir y manejar mejor la toxicidad. Las técnicas reales utilizadas para dilucidar cualquier mecanismo en particular dependen del conocimiento colectivo de los científicos y del pensamiento de quienes toman decisiones sobre la salud humana.