La palabra biomarcador es la abreviatura de marcador biológico, un término que se refiere a un evento medible que ocurre en un sistema biológico, como el cuerpo humano. Este evento se interpreta entonces como un reflejo, o marcador, de un estado más general del organismo o de la esperanza de vida. En salud ocupacional, un biomarcador se usa generalmente como un indicador del estado de salud o riesgo de enfermedad.
Los biomarcadores se utilizan para estudios in vitro e in vivo que pueden incluir seres humanos. Por lo general, se identifican tres tipos específicos de marcadores biológicos. Aunque algunos biomarcadores pueden ser difíciles de clasificar, por lo general se dividen en biomarcadores de exposición, biomarcadores de efecto o biomarcadores de susceptibilidad (ver tabla 1).
Tabla 1. Ejemplos de biomarcadores de exposición o biomarcadores de efecto que se utilizan en estudios toxicológicos en salud ocupacional
| Muestra | Measurement | Propósito |
| Biomarcadores de exposición | ||
| Tejido adiposo | dioxina | Exposición a dioxinas |
| Sangre | Lidera | Exposición al plomo |
| Hueso | Aluminio | exposición al aluminio |
| aliento exhalado | tolueno | Exposición al tolueno |
| Cabello | Mercurio | Exposición al metilmercurio |
| Serum | Benceno | Exposición al benceno |
| Orina | Fenol | Exposición al benceno |
| Biomarcadores de efecto | ||
| Sangre | Carboxihemoglobina | Exposición al monóxido de carbono |
| las células rojas de la sangre | Zinc-protoporfirina | Exposición al plomo |
| Serum | Colinesterasa | Exposición a organofosforados |
| Orina | Microglobulinas | Exposición nefrotóxica |
| Los glóbulos blancos | aductos de ADN | Exposición a mutágenos |
Dado un grado aceptable de validez, los biomarcadores pueden emplearse para varios propósitos. De forma individual, un biomarcador se puede usar para respaldar o refutar un diagnóstico de un tipo particular de envenenamiento u otro efecto adverso inducido químicamente. En un sujeto sano, un biomarcador también puede reflejar la hipersusceptibilidad individual a exposiciones químicas específicas y, por lo tanto, puede servir como base para la predicción del riesgo y el asesoramiento. En grupos de trabajadores expuestos, se pueden aplicar algunos biomarcadores de exposición para evaluar el grado de cumplimiento de las normas de reducción de la contaminación o la eficacia de los esfuerzos preventivos en general.
Biomarcadores de exposición
Un biomarcador de exposición puede ser un compuesto exógeno (o un metabolito) dentro del cuerpo, un producto interactivo entre el compuesto (o metabolito) y un componente endógeno u otro evento relacionado con la exposición. Más comúnmente, los biomarcadores de exposición a compuestos estables, como metales, comprenden mediciones de las concentraciones de metales en muestras apropiadas, como sangre, suero u orina. Con productos químicos volátiles, se puede evaluar su concentración en el aliento exhalado (después de la inhalación de aire libre de contaminación). Si el compuesto se metaboliza en el cuerpo, se pueden elegir uno o más metabolitos como biomarcador de la exposición; los metabolitos a menudo se determinan en muestras de orina.
Los métodos modernos de análisis pueden permitir la separación de isómeros o congéneres de compuestos orgánicos y la determinación de la especiación de compuestos metálicos o proporciones isotópicas de ciertos elementos. Los análisis sofisticados permiten la determinación de cambios en la estructura del ADN u otras macromoléculas causados por la unión con químicos reactivos. Estas técnicas avanzadas sin duda ganarán una importancia considerable para las aplicaciones en estudios de biomarcadores, y es probable que los límites de detección más bajos y una mejor validez analítica hagan que estos biomarcadores sean aún más útiles.
Se han producido desarrollos particularmente prometedores con biomarcadores de exposición a sustancias químicas mutagénicas. Estos compuestos son reactivos y pueden formar aductos con macromoléculas, como proteínas o ADN. Los aductos de ADN se pueden detectar en los glóbulos blancos o en las biopsias de tejido, y se pueden excretar fragmentos de ADN específicos en la orina. Por ejemplo, la exposición al óxido de etileno da como resultado reacciones con bases de ADN y, después de la escisión de la base dañada, la N-7-(2-hidroxietil)guanina se eliminará en la orina. Algunos aductos pueden no referirse directamente a una exposición en particular. Por ejemplo, la 8-hidroxi-2´-desoxiguanosina refleja el daño oxidativo del ADN, y esta reacción puede desencadenarse por varios compuestos químicos, la mayoría de los cuales también inducen la peroxidación lipídica.
Otras macromoléculas también pueden cambiar por formación de aductos u oxidación. De especial interés, tales compuestos reactivos pueden generar aductos de hemoglobina que pueden determinarse como biomarcadores de exposición a los compuestos. La ventaja es que se pueden obtener grandes cantidades de hemoglobina de una muestra de sangre y, dada la vida útil de cuatro meses de los glóbulos rojos, los aductos formados con los aminoácidos de la proteína indicarán la exposición total durante este período.
Los aductos pueden determinarse mediante técnicas sensibles, como la cromatografía de lípidos de alta resolución, y también están disponibles algunos métodos inmunológicos. En general, los métodos analíticos son nuevos, costosos y necesitan mayor desarrollo y validación. Se puede obtener una mejor sensibilidad utilizando el 32P ensayo posterior al etiquetado, que es una indicación no específica de que se ha producido daño en el ADN. Todas estas técnicas son potencialmente útiles para el control biológico y se han aplicado en un número creciente de estudios. Sin embargo, se necesitan métodos analíticos más simples y sensibles. Dada la especificidad limitada de algunos métodos a exposiciones de bajo nivel, el tabaquismo u otros factores pueden tener un impacto significativo en los resultados de la medición, lo que provoca dificultades en la interpretación.
La exposición a compuestos mutagénicos, oa compuestos que se metabolizan en mutágenos, también puede determinarse evaluando la mutagenicidad de la orina de un individuo expuesto. La muestra de orina se incuba con una cepa de bacterias en la que se expresa una mutación puntual específica de una manera que se puede medir fácilmente. Si las sustancias químicas mutagénicas están presentes en la muestra de orina, se producirá una mayor tasa de mutaciones en las bacterias.
Los biomarcadores de exposición deben evaluarse con respecto a la variación temporal de la exposición y la relación con los diferentes compartimentos. Por lo tanto, los marcos de tiempo representados por el biomarcador, es decir, la medida en que la medición del biomarcador refleja exposiciones pasadas y/o carga corporal acumulada, deben determinarse a partir de datos toxicocinéticos para interpretar el resultado. En particular, se debe considerar el grado en que el biomarcador indica retención en órganos diana específicos. Aunque las muestras de sangre se utilizan a menudo para estudios de biomarcadores, la sangre periférica generalmente no se considera un compartimento como tal, aunque actúa como medio de transporte entre compartimentos. El grado en que la concentración en la sangre refleja los niveles en diferentes órganos varía ampliamente entre los diferentes productos químicos y, por lo general, también depende de la duración de la exposición, así como del tiempo transcurrido desde la exposición.
A veces, este tipo de evidencia se usa para clasificar un biomarcador como un indicador de la dosis absorbida (total) o un indicador de la dosis efectiva (es decir, la cantidad que ha llegado al tejido objetivo). Por ejemplo, la exposición a un solvente particular puede evaluarse a partir de datos sobre la concentración real del solvente en la sangre en un momento particular después de la exposición. Esta medida reflejará la cantidad de disolvente que se ha absorbido en el cuerpo. Parte de la cantidad absorbida será exhalada debido a la presión de vapor del solvente. Mientras circula en la sangre, el solvente interactuará con varios componentes del cuerpo y eventualmente se verá sujeto a la descomposición por parte de las enzimas. El resultado de los procesos metabólicos se puede evaluar determinando los ácidos mercaptúricos específicos producidos por conjugación con glutatión. La excreción acumulada de ácidos mercaptúricos puede reflejar mejor la dosis efectiva que la concentración en sangre.
Los eventos de la vida, como la reproducción y la senescencia, pueden afectar la distribución de una sustancia química. La distribución de sustancias químicas dentro del cuerpo se ve significativamente afectada por el embarazo, y muchas sustancias químicas pueden atravesar la barrera placentaria, lo que provoca la exposición del feto. La lactancia puede provocar la excreción de sustancias químicas solubles en lípidos, lo que conduce a una disminución de la retención en la madre junto con una mayor absorción por parte del lactante. Durante la pérdida de peso o el desarrollo de la osteoporosis, se pueden liberar sustancias químicas almacenadas, lo que puede resultar en una exposición “endógena” renovada y prolongada de los órganos diana. Otros factores pueden afectar la absorción individual, el metabolismo, la retención y la distribución de compuestos químicos, y algunos biomarcadores de susceptibilidad están disponibles (ver más abajo).
Biomarcadores de efecto
Un marcador de efecto puede ser un componente endógeno, o una medida de la capacidad funcional, o algún otro indicador del estado o equilibrio del cuerpo o sistema de órganos, según se vea afectado por la exposición. Dichos marcadores de efecto son generalmente indicadores preclínicos de anomalías.
Estos biomarcadores pueden ser específicos o no específicos. Los biomarcadores específicos son útiles porque indican un efecto biológico de una exposición particular, proporcionando así evidencia que potencialmente puede usarse con fines preventivos. Los biomarcadores no específicos no apuntan a una causa individual del efecto, pero pueden reflejar el efecto total integrado debido a una exposición mixta. Por lo tanto, ambos tipos de biomarcadores pueden tener un uso considerable en salud ocupacional.
No existe una distinción clara entre biomarcadores de exposición y biomarcadores de efecto. Por ejemplo, podría decirse que la formación de aductos refleja un efecto en lugar de la exposición. Sin embargo, los biomarcadores de efectos suelen indicar cambios en las funciones de las células, los tejidos o el cuerpo en su totalidad. Algunos investigadores incluyen cambios importantes, como un aumento en el peso del hígado de los animales de laboratorio expuestos o una disminución del crecimiento en los niños, como biomarcadores del efecto. A los efectos de la salud ocupacional, los biomarcadores de efectos deben restringirse a aquellos que indican cambios bioquímicos subclínicos o reversibles, como la inhibición de enzimas. El biomarcador de efecto más utilizado es probablemente la inhibición de la colinesterasa provocada por ciertos insecticidas, es decir, los organofosforados y los carbamatos. En la mayoría de los casos, este efecto es completamente reversible y la inhibición de la enzima refleja la exposición total a este grupo particular de insecticidas.
Algunas exposiciones no dan como resultado la inhibición de la enzima, sino más bien un aumento de la actividad de una enzima. Este es el caso de varias enzimas que pertenecen a la familia P450 (ver “Determinantes genéticos de la respuesta tóxica”). Pueden ser inducidos por la exposición a ciertos solventes e hidrocarburos poliaromáticos (HAP). Dado que estas enzimas se expresan principalmente en tejidos de los que puede ser difícil obtener una biopsia, la actividad enzimática se determina indirectamente in vivo mediante la administración de un compuesto que es metabolizado por esa enzima en particular, y luego el producto de descomposición se mide en orina o plasma.
Otras exposiciones pueden inducir la síntesis de una proteína protectora en el cuerpo. El mejor ejemplo es probablemente la metalotioneína, que se une al cadmio y promueve la excreción de este metal; La exposición al cadmio es uno de los factores que dan como resultado una mayor expresión del gen de la metalotioneína. Es posible que existan proteínas protectoras similares, pero aún no se han explorado lo suficiente como para ser aceptadas como biomarcadores. Entre los candidatos para su posible uso como biomarcadores se encuentran las denominadas proteínas de estrés, originalmente denominadas proteínas de choque térmico. Estas proteínas son generadas por una variedad de organismos diferentes en respuesta a una variedad de exposiciones adversas.
El daño oxidativo se puede evaluar determinando la concentración de malondialdehído en suero o la exhalación de etano. Del mismo modo, la excreción urinaria de proteínas de bajo peso molecular, como la albúmina, puede utilizarse como biomarcador de daño renal temprano. Varios parámetros que se utilizan habitualmente en la práctica clínica (por ejemplo, los niveles séricos de hormonas o enzimas) también pueden ser útiles como biomarcadores. Sin embargo, muchos de estos parámetros pueden no ser lo suficientemente sensibles para detectar un deterioro temprano.
Otro grupo de parámetros de efecto se relaciona con los efectos genotóxicos (cambios en la estructura de los cromosomas). Dichos efectos pueden detectarse mediante microscopía de glóbulos blancos que se someten a división celular. El daño grave a los cromosomas (aberraciones cromosómicas o formación de micronúcleos) se puede ver en un microscopio. El daño también puede revelarse agregando un tinte a las células durante la división celular. La exposición a un agente genotóxico puede visualizarse entonces como un mayor intercambio del tinte entre las dos cromátidas de cada cromosoma (intercambio de cromátidas hermanas). Las aberraciones cromosómicas están relacionadas con un mayor riesgo de desarrollar cáncer, pero la importancia de una mayor tasa de intercambio de cromátidas hermanas es menos clara.
La evaluación más sofisticada de la genotoxicidad se basa en mutaciones puntuales particulares en las células somáticas, es decir, glóbulos blancos o células epiteliales obtenidas de la mucosa oral. Una mutación en un locus específico puede hacer que las células sean capaces de crecer en un cultivo que contenga una sustancia química que de otro modo sería tóxica (como la 6-tioguanina). Alternativamente, se puede evaluar un producto génico específico (p. ej., concentraciones séricas o tisulares de oncoproteínas codificadas por oncogenes particulares). Obviamente, estas mutaciones reflejan el daño genotóxico total sufrido y no indican necesariamente nada sobre la exposición causante. Estos métodos aún no están listos para su uso práctico en salud ocupacional, pero el rápido progreso en esta línea de investigación sugiere que tales métodos estarán disponibles dentro de algunos años.
Biomarcadores de Susceptibilidad
Un marcador de susceptibilidad, ya sea heredado o inducido, es un indicador de que el individuo es particularmente sensible al efecto de un xenobiótico oa los efectos de un grupo de dichos compuestos. La mayor parte de la atención se ha centrado en la susceptibilidad genética, aunque otros factores pueden ser al menos tan importantes. La hipersusceptibilidad puede deberse a un rasgo heredado, la constitución del individuo o factores ambientales.
La capacidad de metabolizar ciertas sustancias químicas es variable y está determinada genéticamente (ver “Determinantes genéticos de la respuesta tóxica”). Varias enzimas relevantes parecen estar controladas por un solo gen. Por ejemplo, la oxidación de productos químicos extraños se lleva a cabo principalmente por una familia de enzimas que pertenecen a la familia P450. Otras enzimas hacen que los metabolitos sean más solubles en agua por conjugación (p. ej., N-acetiltransferasa y μ-glutatión-S-transferasa). La actividad de estas enzimas está controlada genéticamente y varía considerablemente. Como se mencionó anteriormente, la actividad se puede determinar administrando una pequeña dosis de un fármaco y luego determinando la cantidad del metabolito en la orina. Algunos de los genes ya se han caracterizado y se dispone de técnicas para determinar el genotipo. Importantes estudios sugieren que el riesgo de desarrollar ciertas formas de cáncer está relacionado con la capacidad de metabolizar compuestos extraños. Muchas preguntas siguen sin respuesta, lo que en este momento limita el uso de estos biomarcadores de susceptibilidad potencial en la salud ocupacional.
Otros rasgos heredados, como alfa1-la deficiencia de antitripsina o la deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, también resultan en mecanismos de defensa deficientes en el cuerpo, lo que provoca hipersusceptibilidad a ciertas exposiciones.
La mayor parte de la investigación relacionada con la susceptibilidad se ha ocupado de la predisposición genética. Otros factores también juegan un papel y se han descuidado en parte. Por ejemplo, las personas con una enfermedad crónica pueden ser más sensibles a una exposición ocupacional. Además, si el proceso de una enfermedad o la exposición previa a sustancias químicas tóxicas ha causado algún daño orgánico subclínico, es probable que la capacidad para resistir una nueva exposición tóxica sea menor. Los indicadores bioquímicos de la función del órgano pueden utilizarse en este caso como biomarcadores de susceptibilidad. Quizás el mejor ejemplo con respecto a la hipersusceptibilidad se relaciona con las respuestas alérgicas. Si un individuo se ha sensibilizado a una exposición particular, se pueden detectar anticuerpos específicos en el suero. Incluso si el individuo no se ha sensibilizado, otras exposiciones actuales o pasadas pueden aumentar el riesgo de desarrollar un efecto adverso relacionado con una exposición ocupacional.
Un problema importante es determinar el efecto conjunto de las exposiciones mixtas en el trabajo. Además, los hábitos personales y el uso de drogas pueden resultar en una mayor susceptibilidad. Por ejemplo, el humo del tabaco suele contener una cantidad considerable de cadmio. Por lo tanto, con la exposición ocupacional al cadmio, un fumador empedernido que haya acumulado cantidades sustanciales de este metal en el cuerpo tendrá un mayor riesgo de desarrollar una enfermedad renal relacionada con el cadmio.
Aplicación en Salud Ocupacional
Los biomarcadores son extremadamente útiles en la investigación toxicológica y muchos pueden ser aplicables en el control biológico. Sin embargo, las limitaciones también deben ser reconocidas. Muchos biomarcadores hasta ahora se han estudiado solo en animales de laboratorio. Los patrones toxicocinéticos en otras especies pueden no reflejar necesariamente la situación en los seres humanos, y la extrapolación puede requerir estudios de confirmación en voluntarios humanos. Asimismo, se deben tener en cuenta las variaciones individuales debidas a factores genéticos o constitucionales.
En algunos casos, los biomarcadores de exposición pueden no ser factibles en absoluto (p. ej., para sustancias químicas que tienen una vida corta in vivo). Otros productos químicos pueden almacenarse en órganos a los que no se puede acceder mediante procedimientos de rutina, como el sistema nervioso, o pueden afectarlos. La ruta de exposición también puede afectar el patrón de distribución y, por lo tanto, también la medición del biomarcador y su interpretación. Por ejemplo, es probable que la exposición directa del cerebro a través del nervio olfativo escape a la detección mediante la medición de biomarcadores de exposición. En cuanto a los biomarcadores de efecto, muchos de ellos no son del todo específicos, y el cambio puede deberse a una variedad de causas, incluidos factores del estilo de vida. Tal vez, en particular con los biomarcadores de susceptibilidad, la interpretación debe ser muy cautelosa en este momento, ya que quedan muchas incertidumbres sobre la importancia general para la salud de los genotipos individuales.
En salud ocupacional, el biomarcador ideal debe cumplir varios requisitos. En primer lugar, la recogida y el análisis de muestras deben ser sencillos y fiables. Para una calidad analítica óptima, se necesita la estandarización, pero los requisitos específicos varían considerablemente. Las principales áreas de preocupación incluyen: preparación del individuo, procedimiento de muestreo y manejo de muestras, y procedimiento de medición; el último abarca factores técnicos, como los procedimientos de calibración y garantía de calidad, y factores relacionados con el individuo, como la educación y capacitación de los operadores.
Para la documentación de la validez analítica y la trazabilidad, los materiales de referencia deben basarse en matrices relevantes y con concentraciones apropiadas de sustancias tóxicas o metabolitos relevantes a niveles apropiados. Para que los biomarcadores se utilicen para monitoreo biológico o con fines de diagnóstico, los laboratorios responsables deben tener procedimientos analíticos bien documentados con características de desempeño definidas y registros accesibles que permitan la verificación de los resultados. Sin embargo, al mismo tiempo, se debe considerar la economía de caracterizar y usar materiales de referencia para complementar los procedimientos de garantía de calidad en general. Por lo tanto, la calidad alcanzable de los resultados y los usos que se les dan deben equilibrarse con los costos adicionales de la garantía de calidad, incluidos los materiales de referencia, la mano de obra y la instrumentación.
Otro requisito es que el biomarcador debe ser específico, al menos bajo las circunstancias del estudio, para un tipo particular de exposición, con una relación clara con el grado de exposición. De lo contrario, el resultado de la medición del biomarcador puede ser demasiado difícil de interpretar. Para una interpretación adecuada del resultado de la medición de un biomarcador de exposición, se debe conocer la validez del diagnóstico (es decir, la traducción del valor del biomarcador a la magnitud de los posibles riesgos para la salud). En esta área, los metales sirven como paradigma para la investigación de biomarcadores. Investigaciones recientes han demostrado la complejidad y sutileza de las relaciones dosis-respuesta, con considerable dificultad para identificar niveles sin efecto y, por lo tanto, también para definir exposiciones tolerables. Sin embargo, este tipo de investigación también ha ilustrado los tipos de investigación y el refinamiento que son necesarios para descubrir la información relevante. Para la mayoría de los compuestos orgánicos, aún no se dispone de asociaciones cuantitativas entre las exposiciones y los correspondientes efectos adversos para la salud; en muchos casos, incluso los órganos diana primarios no se conocen con certeza. Además, la evaluación de los datos de toxicidad y las concentraciones de biomarcadores a menudo se complica por la exposición a mezclas de sustancias, en lugar de la exposición a un solo compuesto en ese momento.
Antes de aplicar el biomarcador con fines de salud ocupacional, son necesarias algunas consideraciones adicionales. En primer lugar, el biomarcador debe reflejar únicamente un cambio subclínico y reversible. En segundo lugar, dado que los resultados de los biomarcadores pueden interpretarse con respecto a los riesgos para la salud, entonces los esfuerzos preventivos deben estar disponibles y deben considerarse realistas en caso de que los datos de los biomarcadores sugieran la necesidad de reducir la exposición. En tercer lugar, el uso práctico del biomarcador debe considerarse generalmente como éticamente aceptable.
Las medidas de higiene industrial pueden compararse con los límites de exposición aplicables. Asimismo, los resultados de los biomarcadores de exposición o los biomarcadores de efectos pueden compararse con los límites de acción biológicos, a veces denominados índices de exposición biológicos. Dichos límites deben basarse en el mejor asesoramiento de médicos y científicos de las disciplinas apropiadas, y los administradores responsables como "gestores de riesgos" deben tener en cuenta los factores éticos, sociales, culturales y económicos pertinentes. La base científica debe, si es posible, incluir relaciones dosis-respuesta complementadas con información sobre variaciones en la susceptibilidad dentro de la población en riesgo. En algunos países, los trabajadores y miembros del público en general están involucrados en el proceso de establecimiento de normas y brindan aportes importantes, particularmente cuando la incertidumbre científica es considerable. Una de las principales incertidumbres es cómo definir un efecto adverso para la salud que debe prevenirse; por ejemplo, si la formación de aductos como biomarcador de exposición por sí mismo representa un efecto adverso (es decir, un biomarcador de efecto) que debe prevenirse. Es probable que surjan preguntas difíciles al decidir si es éticamente defendible, para el mismo compuesto, tener diferentes límites para la exposición accidental, por un lado, y la exposición ocupacional, por el otro.
La información generada por el uso de biomarcadores generalmente debe transmitirse a las personas examinadas dentro de la relación médico-paciente. Las preocupaciones éticas deben considerarse en particular en relación con los análisis de biomarcadores altamente experimentales que actualmente no pueden interpretarse en detalle en términos de riesgos reales para la salud. Para la población en general, por ejemplo, actualmente existe una guía limitada con respecto a la interpretación de biomarcadores de exposición que no sean la concentración de plomo en la sangre. También es importante la confianza en los datos generados (es decir, si se ha realizado el muestreo apropiado y si se han utilizado procedimientos sólidos de garantía de calidad en el laboratorio involucrado). Un área adicional de especial preocupación se relaciona con la hipersusceptibilidad individual. Estas cuestiones deben tenerse en cuenta al proporcionar la retroalimentación del estudio.
Todos los sectores de la sociedad afectados o preocupados por la realización de un estudio de biomarcadores deben participar en el proceso de toma de decisiones sobre cómo manejar la información generada por el estudio. Se deben desarrollar procedimientos específicos para prevenir o superar conflictos éticos inevitables dentro de los marcos legales y sociales de la región o país. Sin embargo, cada situación representa un conjunto diferente de preguntas y peligros, y no se puede desarrollar un procedimiento único para la participación pública que cubra todas las aplicaciones de los biomarcadores de exposición.