Esposizione, dose e risposta

Tossicità è la capacità intrinseca di un agente chimico di influenzare negativamente un organismo.

xenobiotici è un termine per "sostanze estranee", cioè estranee all'organismo. Il suo opposto sono i composti endogeni. Gli xenobiotici includono farmaci, prodotti chimici industriali, veleni presenti in natura e inquinanti ambientali.

Pericolo è il potenziale per la tossicità da realizzare in un ambiente o situazione specifica.

Rischio è la probabilità che si verifichi uno specifico effetto avverso. È spesso espresso come percentuale di casi in una data popolazione e durante un periodo di tempo specifico. Una stima del rischio può basarsi su casi effettivi o su una proiezione di casi futuri, basata su estrapolazioni.

Valutazione della tossicità ed classificazione della tossicità può essere utilizzato a fini normativi. La valutazione della tossicità è una classificazione arbitraria delle dosi o dei livelli di esposizione che causano effetti tossici. La classificazione può essere "supertossica", "altamente tossica", "moderatamente tossica" e così via. Le valutazioni più comuni riguardano la tossicità acuta. La classificazione della tossicità riguarda il raggruppamento delle sostanze chimiche in categorie generali in base al loro effetto tossico più importante. Tali categorie possono includere allergeni, neurotossici, cancerogeni e così via. Questa classificazione può avere valore amministrativo come avvertimento e come informazione.

I relazione dose-effetto è la relazione tra dose ed effetto a livello individuale. Un aumento della dose può aumentare l'intensità di un effetto o può determinarne un effetto più grave. Una curva dose-effetto può essere ottenuta a livello dell'intero organismo, della cellula o della molecola bersaglio. Alcuni effetti tossici, come la morte o il cancro, non sono classificati ma sono effetti "tutti o nessuno".

I relazione dose-risposta è il rapporto tra la dose e la percentuale di individui che mostrano un effetto specifico. Con l'aumentare della dose, di solito sarà colpito un numero maggiore di individui nella popolazione esposta.

Per la tossicologia è essenziale stabilire le relazioni dose-effetto e dose-risposta. Negli studi medici (epidemiologici) un criterio spesso utilizzato per accettare una relazione causale tra un agente e una malattia è che l'effetto o la risposta è proporzionale alla dose.

È possibile tracciare diverse curve dose-risposta per una sostanza chimica, una per ciascun tipo di effetto. La curva dose-risposta per la maggior parte degli effetti tossici (quando studiata in grandi popolazioni) ha una forma sigmoidea. Di solito esiste un intervallo di basse dosi in cui non viene rilevata alcuna risposta; all'aumentare della dose, la risposta segue una curva ascendente che di solito raggiunge un plateau con una risposta del 100%. La curva dose-risposta riflette le variazioni tra gli individui in una popolazione. La pendenza della curva varia da sostanza chimica a chimica e tra diversi tipi di effetti. Per alcune sostanze chimiche con effetti specifici (agenti cancerogeni, iniziatori, mutageni) la curva dose-risposta potrebbe essere lineare dalla dose zero entro un certo intervallo di dose. Ciò significa che non esiste una soglia e che anche piccole dosi rappresentano un rischio. Al di sopra di tale intervallo di dose, il rischio può aumentare a una velocità superiore a quella lineare.

La variazione dell'esposizione durante il giorno e la durata totale dell'esposizione durante la vita di una persona possono essere tanto importanti per l'esito (risposta) quanto il livello di dose medio o medio o anche integrato. Le esposizioni di picco elevate possono essere più dannose di un livello di esposizione più uniforme. Questo è il caso di alcuni solventi organici. D'altra parte, per alcuni agenti cancerogeni, è stato sperimentalmente dimostrato che il frazionamento di una singola dose in più esposizioni con la stessa dose totale può essere più efficace nella produzione di tumori.

A dose è spesso espresso come la quantità di uno xenobiotico che entra in un organismo (in unità come mg/kg di peso corporeo). La dose può essere espressa in modi diversi (più o meno informativi): dose di esposizione, che è la concentrazione nell'aria dell'inquinante inalato durante un certo periodo di tempo (in igiene del lavoro di solito otto ore), o il mantenuto or dose assorbita (in igiene industriale chiamato anche il carico corporeo), che è la quantità presente nel corpo in un determinato momento durante o dopo l'esposizione. Il dose tissutale è la quantità di sostanza in un tessuto specifico e il dose target è la quantità di sostanza (solitamente un metabolita) legata alla molecola critica. La dose target può essere espressa come mg di sostanza chimica legata per mg di una specifica macromolecola nel tessuto. Per applicare questo concetto sono necessarie informazioni sul meccanismo dell'azione tossica a livello molecolare. La dose target è più esattamente associata all'effetto tossico. La dose di esposizione o il carico corporeo possono essere più facilmente disponibili, ma questi sono meno precisamente correlati all'effetto.

Nel concetto di dose è spesso compreso un aspetto temporale, anche se non sempre espresso. La dose teorica secondo la legge di Haber è D = t, where D è la dose, c è la concentrazione dello xenobiotico nell'aria e t la durata dell'esposizione alla sostanza chimica. Se questo concetto viene utilizzato a livello di organo bersaglio o molecolare, può essere utilizzata la quantità per mg di tessuto o molecola in un certo periodo di tempo. L'aspetto temporale è solitamente più importante per comprendere le esposizioni ripetute e gli effetti cronici che per le singole esposizioni e gli effetti acuti.

Effetti additivi si verificano a seguito dell'esposizione a una combinazione di sostanze chimiche, in cui le singole tossicità sono semplicemente sommate l'una all'altra (1+1= 2). Quando le sostanze chimiche agiscono attraverso lo stesso meccanismo, si presume l'additività dei loro effetti, anche se non sempre è così nella realtà. L'interazione tra sostanze chimiche può provocare un'inibizione (antagonismo), con un effetto minore di quello atteso dalla somma degli effetti delle singole sostanze chimiche (1+1 2). In alternativa, una combinazione di sostanze chimiche può produrre un effetto più pronunciato di quanto ci si aspetterebbe dall'aggiunta (aumento della risposta tra gli individui o aumento della frequenza della risposta in una popolazione), questo è chiamato sinergismo (1+1 >2).

Tempo di latenza è il tempo che intercorre tra la prima esposizione e la comparsa di un effetto o di una risposta rilevabile. Il termine è spesso usato per gli effetti cancerogeni, in cui i tumori possono comparire molto tempo dopo l'inizio dell'esposizione e talvolta molto tempo dopo la cessazione dell'esposizione.

A soglia di dose è un livello di dose al di sotto del quale non si verifica alcun effetto osservabile. Si ritiene che esistano soglie per determinati effetti, come gli effetti tossici acuti; ma non per altri, come gli effetti cancerogeni (da parte di iniziatori che formano addotti del DNA). La semplice assenza di una risposta in una data popolazione non dovrebbe, tuttavia, essere considerata come prova dell'esistenza di una soglia. L'assenza di risposta potrebbe essere dovuta a semplici fenomeni statistici: un effetto avverso che si verifica a bassa frequenza potrebbe non essere rilevabile in una piccola popolazione.

LD₅₀ (dose efficace) è la dose che causa il 50% di letalità in una popolazione animale. Il D.L₅₀ è spesso indicato nella letteratura più antica come misura della tossicità acuta delle sostanze chimiche. Maggiore è il LD₅₀, minore è la tossicità acuta. Una sostanza chimica altamente tossica (con un basso LD₅₀) si dice che sia potente. Non esiste una correlazione necessaria tra tossicità acuta e cronica. ED₅₀ (dose efficace) è la dose che provoca un effetto specifico diverso dalla letalità nel 50% degli animali.

NOEL (NOAEL) indica il livello senza effetto (avverso) osservato o la dose più alta che non provoca un effetto tossico. Per stabilire un NOEL sono necessarie dosi multiple, un'ampia popolazione e informazioni aggiuntive per garantire che l'assenza di una risposta non sia un mero fenomeno statistico. LOEL è la dose efficace più bassa osservata su una curva dose-risposta, o la dose più bassa che provoca un effetto.

A fattore sicurezza è un numero formale e arbitrario con cui si divide il NOEL o il LOEL derivato da esperimenti su animali per ottenere una dose ammissibile provvisoria per l'uomo. Questo è spesso utilizzato nell'area della tossicologia alimentare, ma può essere utilizzato anche nella tossicologia occupazionale. Un fattore di sicurezza può anche essere utilizzato per l'estrapolazione dei dati da piccole popolazioni a popolazioni più grandi. I fattori di sicurezza vanno da 10⁰ a 10³. Un fattore di sicurezza pari a due può in genere essere sufficiente per proteggere da un effetto meno grave (come l'irritazione) e un fattore pari a 1,000 può essere utilizzato per effetti molto gravi (come il cancro). Il termine fattore sicurezza potrebbe essere meglio sostituito dal termine protezione fattore o anche, fattore di incertezza. L'uso di quest'ultimo termine riflette incertezze scientifiche, ad esempio se i dati dose-risposta esatti possono essere trasferiti dagli animali all'uomo per la particolare sostanza chimica, effetto tossico o situazione di esposizione.

estrapolazioni sono stime teoriche qualitative o quantitative della tossicità (estrapolazioni del rischio) derivate dalla traduzione di dati da una specie a un'altra o da una serie di dati dose-risposta (tipicamente nell'intervallo di dosi elevate) a regioni di dose-risposta in cui non esistono dati. Di solito devono essere effettuate estrapolazioni per prevedere le risposte tossiche al di fuori dell'intervallo di osservazione. La modellazione matematica viene utilizzata per estrapolazioni basate sulla comprensione del comportamento della sostanza chimica nell'organismo (modellazione tossicocinetica) o sulla base della comprensione delle probabilità statistiche che si verificheranno eventi biologici specifici (modelli basati sulla biologia o sulla meccanica). Alcune agenzie nazionali hanno sviluppato sofisticati modelli di estrapolazione come metodo formalizzato per prevedere i rischi a fini normativi. (Vedere la discussione sulla valutazione del rischio più avanti nel capitolo.)

Effetti sistemici sono effetti tossici nei tessuti distanti dalla via di assorbimento.

Organo bersaglio è l'organo principale o più sensibile colpito dopo l'esposizione. La stessa sostanza chimica che entra nel corpo attraverso diverse vie di esposizione dose, rateo di dose, sesso e specie può influenzare diversi organi bersaglio. L'interazione tra sostanze chimiche o tra sostanze chimiche e altri fattori può influenzare anche diversi organi bersaglio.

Effetti acuti si verificano dopo un'esposizione limitata e poco (ore, giorni) dopo l'esposizione e possono essere reversibili o irreversibili.

Effetti cronici si verificano dopo un'esposizione prolungata (mesi, anni, decenni) e/o persistono dopo che l'esposizione è cessata.

acuto esposizione è un'esposizione di breve durata, mentre esposizione cronica è un'esposizione a lungo termine (a volte per tutta la vita).

Tolleranza a una sostanza chimica può verificarsi quando le esposizioni ripetute determinano una risposta inferiore a quella che ci si sarebbe aspettati senza pretrattamento.

Assorbimento e disposizione

Processi di trasporto

Emittente. Per entrare nell'organismo e raggiungere un sito in cui si produce un danno, una sostanza estranea deve superare diverse barriere, comprese le cellule e le loro membrane. La maggior parte delle sostanze tossiche passa attraverso le membrane passivamente per diffusione. Ciò può avvenire per piccole molecole idrosolubili per passaggio attraverso canali acquosi o, per quelle liposolubili, per dissoluzione e diffusione attraverso la parte lipidica della membrana. L'etanolo, una piccola molecola solubile in acqua e grasso, si diffonde rapidamente attraverso le membrane cellulari.

Diffusione di acidi e basi deboli. Gli acidi e le basi deboli possono facilmente attraversare le membrane nella loro forma liposolubile non ionizzata mentre le forme ionizzate sono troppo polari per passare. Il grado di ionizzazione di queste sostanze dipende dal pH. Se esiste un gradiente di pH attraverso una membrana, si accumuleranno quindi su un lato. L'escrezione urinaria di acidi e basi deboli dipende fortemente dal pH urinario. Il pH fetale o embrionale è un po' più alto del pH materno, causando un leggero accumulo di acidi deboli nel feto o nell'embrione.

Diffusione facilitata. Il passaggio di una sostanza può essere facilitato dai trasportatori nella membrana. La diffusione facilitata è simile ai processi enzimatici in quanto è mediata da proteine, altamente selettiva e saturabile. Altre sostanze possono inibire il trasporto facilitato di xenobiotici.

Trasporto attivo. Alcune sostanze vengono trasportate attivamente attraverso le membrane cellulari. Questo trasporto è mediato da proteine ​​trasportatrici in un processo analogo a quello degli enzimi. Il trasporto attivo è simile alla diffusione facilitata, ma può verificarsi contro un gradiente di concentrazione. Richiede apporto di energia e un inibitore metabolico può bloccare il processo. La maggior parte degli inquinanti ambientali non viene trasportata attivamente. Un'eccezione è la secrezione tubulare attiva e il riassorbimento dei metaboliti acidi nei reni.

fagocitosi è un processo in cui cellule specializzate come i macrofagi inghiottono particelle per la successiva digestione. Questo processo di trasporto è importante, ad esempio, per la rimozione di particelle negli alveoli.

Flusso di massa. Le sostanze vengono anche trasportate nel corpo insieme al movimento dell'aria nel sistema respiratorio durante la respirazione e ai movimenti del sangue, della linfa o dell'urina.

Filtrazione. A causa della pressione idrostatica o osmotica, l'acqua scorre alla rinfusa attraverso i pori dell'endotelio. Qualsiasi soluto sufficientemente piccolo verrà filtrato insieme all'acqua. La filtrazione si verifica in una certa misura nel letto capillare di tutti i tessuti, ma è particolarmente importante nella formazione dell'urina primaria nei glomeruli renali.

Assorbimento

L'assorbimento è l'assorbimento di una sostanza dall'ambiente nell'organismo. Il termine di solito include non solo l'ingresso nel tessuto barriera, ma anche l'ulteriore trasporto nel sangue circolante.

Assorbimento polmonare. I polmoni sono la principale via di deposizione e assorbimento di piccole particelle sospese nell'aria, gas, vapori e aerosol. Per gas e vapori altamente solubili in acqua una parte significativa dell'assorbimento avviene nel naso e nell'albero respiratorio, ma per le sostanze meno solubili avviene principalmente negli alveoli polmonari. Gli alveoli hanno una superficie molto ampia (circa 100 m² negli umani). Inoltre, la barriera di diffusione è estremamente piccola, con solo due sottili strati cellulari e una distanza nell'ordine dei micrometri dall'aria alveolare alla circolazione sanguigna sistemica. Questo rende i polmoni molto efficienti non solo nello scambio di ossigeno e anidride carbonica ma anche di altri gas e vapori. In generale, la diffusione attraverso la parete alveolare è così rapida da non limitare l'assorbimento. La velocità di assorbimento è invece dipendente dal flusso (ventilazione polmonare, gittata cardiaca) e dalla solubilità (sangue:coefficiente di ripartizione dell'aria). Un altro fattore importante è l'eliminazione metabolica. L'importanza relativa di questi fattori per l'assorbimento polmonare varia notevolmente per le diverse sostanze. L'attività fisica comporta un aumento della ventilazione polmonare e della gittata cardiaca e una diminuzione del flusso sanguigno epatico (e, quindi, del tasso di biotrasformazione). Per molte sostanze inalate ciò comporta un marcato aumento dell'assorbimento polmonare.

Assorbimento percutaneo. La pelle è una barriera molto efficiente. Oltre al suo ruolo termoregolatore, ha lo scopo di proteggere l'organismo da microrganismi, radiazioni ultraviolette e altri agenti deleteri, nonché da un'eccessiva perdita di acqua. La distanza di diffusione nel derma è dell'ordine dei decimi di millimetro. Inoltre, lo strato di cheratina ha un'altissima resistenza alla diffusione per la maggior parte delle sostanze. Tuttavia, per alcune sostanze può verificarsi un significativo assorbimento cutaneo con conseguente tossicità, ad esempio sostanze liposolubili altamente tossiche come insetticidi organofosforici e solventi organici. È probabile che si verifichi un assorbimento significativo dopo l'esposizione a sostanze liquide. L'assorbimento percutaneo del vapore può essere importante per i solventi con una tensione di vapore molto bassa e un'elevata affinità per l'acqua e la pelle.

Assorbimento gastrointestinale si verifica dopo l'ingestione accidentale o intenzionale. Le particelle più grandi originariamente inalate e depositate nel tratto respiratorio possono essere ingerite dopo il trasporto mucociliare alla faringe. Praticamente tutte le sostanze solubili vengono efficacemente assorbite nel tratto gastrointestinale. Il basso pH dell'intestino può facilitare l'assorbimento, per esempio, dei metalli.

Altri percorsi. Nei test di tossicità e in altri esperimenti, vengono spesso utilizzate vie di somministrazione speciali per comodità, sebbene queste siano rare e di solito non rilevanti in ambito lavorativo. Queste vie includono iniezioni endovenose (IV), sottocutanee (sc), intraperitoneali (ip) e intramuscolari (im). In generale, le sostanze vengono assorbite a una velocità maggiore e in modo più completo attraverso queste vie, soprattutto dopo l'iniezione endovenosa. Ciò porta a picchi di concentrazione di breve durata ma elevati che possono aumentare la tossicità di una dose.

Distribuzione

La distribuzione di una sostanza all'interno dell'organismo è un processo dinamico che dipende dai tassi di assorbimento ed eliminazione, nonché dal flusso sanguigno ai diversi tessuti e dalle loro affinità per la sostanza. Le molecole idrosolubili, piccole e prive di carica, i cationi univalenti e la maggior parte degli anioni si diffondono facilmente e alla fine raggiungeranno una distribuzione relativamente uniforme nel corpo.

Volume di distribuzione è la quantità di una sostanza nel corpo in un dato momento, divisa per la concentrazione nel sangue, nel plasma o nel siero in quel momento. Il valore non ha significato come volume fisico, poiché molte sostanze non sono distribuite uniformemente nell'organismo. Un volume di distribuzione inferiore a un l/kg di peso corporeo indica una distribuzione preferenziale nel sangue (o siero o plasma), mentre un valore superiore a uno indica una preferenza per i tessuti periferici come il tessuto adiposo per le sostanze liposolubili.

accumulazione è l'accumulo di una sostanza in un tessuto o organo a livelli più elevati che nel sangue o nel plasma. Può anche riferirsi a un graduale accumulo nel tempo nell'organismo. Molti xenobiotici sono altamente liposolubili e tendono ad accumularsi nel tessuto adiposo, mentre altri hanno una speciale affinità per le ossa. Ad esempio, il calcio nelle ossa può essere scambiato con i cationi di piombo, stronzio, bario e radio, e i gruppi idrossilici nelle ossa possono essere scambiati con il fluoruro.

Barriere. I vasi sanguigni nel cervello, nei testicoli e nella placenta hanno caratteristiche anatomiche speciali che inibiscono il passaggio di grandi molecole come le proteine. Queste caratteristiche, spesso chiamate barriere sangue-cervello, sangue-testicoli e sangue-placenta, possono dare la falsa impressione che impediscano il passaggio di qualsiasi sostanza. Queste barriere hanno poca o nessuna importanza per gli xenobiotici che possono diffondersi attraverso le membrane cellulari.

Legatura del sangue. Le sostanze possono essere legate ai globuli rossi o ai componenti del plasma, oppure possono essere presenti non legate nel sangue. Il monossido di carbonio, l'arsenico, il mercurio organico e il cromo esavalente hanno un'elevata affinità per i globuli rossi, mentre il mercurio inorganico e il cromo trivalente mostrano una preferenza per le proteine ​​plasmatiche. Anche numerose altre sostanze si legano alle proteine ​​plasmatiche. Solo la frazione non legata è disponibile per la filtrazione o la diffusione negli organi eliminatori. Il legame con il sangue può quindi aumentare il tempo di permanenza nell'organismo ma diminuire l'assorbimento da parte degli organi bersaglio.

Eliminazione

Eliminazione è la scomparsa di una sostanza nel corpo. L'eliminazione può comportare l'escrezione dal corpo o la trasformazione in altre sostanze non catturate da uno specifico metodo di misurazione. La velocità di scomparsa può essere espressa dalla costante di velocità di eliminazione, dall'emivita biologica o dalla clearance.

Curva concentrazione-tempo. La curva della concentrazione nel sangue (o nel plasma) rispetto al tempo è un modo conveniente per descrivere l'assorbimento e la disposizione di uno xenobiotico.

Area sotto la curva (AUC) è l'integrale della concentrazione nel sangue (plasma) nel tempo. Quando la saturazione metabolica e altri processi non lineari sono assenti, l'AUC è proporzionale alla quantità di sostanza assorbita.

Intervallo biologico (o emivita) è il tempo necessario dopo la fine dell'esposizione per dimezzare la quantità nell'organismo. Poiché è spesso difficile valutare la quantità totale di una sostanza, vengono utilizzate misure come la concentrazione nel sangue (plasma). L'intervallo deve essere utilizzato con cautela, in quanto può cambiare, ad esempio, con la dose e la durata dell'esposizione. Inoltre, molte sostanze hanno curve di decadimento complesse con diversi tempi di dimezzamento.

biodisponibilità è la frazione di una dose somministrata che entra nella circolazione sistemica. In assenza di clearance presistemica, o metabolismo di primo passaggio, la frazione è uno. Nell'esposizione orale la clearance presistemica può essere dovuta al metabolismo all'interno del contenuto gastrointestinale, della parete intestinale o del fegato. Il metabolismo di primo passaggio ridurrà l'assorbimento sistemico della sostanza e aumenterà invece l'assorbimento dei metaboliti. Questo può portare a un diverso modello di tossicità.

Autorizzazione è il volume di sangue (plasma) per unità di tempo completamente ripulito da una sostanza. Per distinguere dalla clearance renale, ad esempio, viene spesso aggiunto il prefisso total, metabolic o blood (plasma).

Gioco intrinseco è la capacità degli enzimi endogeni di trasformare una sostanza, ed è espressa anche in volume per unità di tempo. Se la clearance intrinseca in un organo è molto inferiore al flusso sanguigno, si dice che il metabolismo è a capacità limitata. Al contrario, se la clearance intrinseca è molto più elevata del flusso sanguigno, il metabolismo è limitato dal flusso.

Escrezione

L'escrezione è l'uscita di una sostanza e dei suoi prodotti di biotrasformazione dall'organismo.

Escrezione nelle urine e nella bile. I reni sono gli organi escretori più importanti. Alcune sostanze, in particolare gli acidi ad alto peso molecolare, vengono escrete con la bile. Una frazione delle sostanze escrete dalle vie biliari può essere riassorbita nell'intestino. Questo processo, circolazione enteroepatica, è comune per le sostanze coniugate dopo l'idrolisi intestinale del coniugato.

Altre vie di escrezione. Alcune sostanze, come i solventi organici ei prodotti di decomposizione come l'acetone, sono sufficientemente volatili da poter essere espulse per espirazione dopo l'inalazione in una frazione considerevole. Piccole molecole idrosolubili così come quelle liposolubili vengono prontamente secrete nel feto attraverso la placenta e nel latte nei mammiferi. Per la madre, l'allattamento può essere una via escretoria quantitativamente importante per sostanze chimiche liposolubili persistenti. La prole può essere secondariamente esposta attraverso la madre durante la gravidanza e durante l'allattamento. I composti idrosolubili possono in una certa misura essere escreti nel sudore e nella saliva. Questi percorsi sono generalmente di minore importanza. Tuttavia, poiché viene prodotto e ingerito un grande volume di saliva, l'escrezione salivare può contribuire al riassorbimento del composto. Alcuni metalli come il mercurio vengono escreti legandosi permanentemente ai gruppi sulfidrilici della cheratina nei capelli.

Modelli tossicocinetici

I modelli matematici sono strumenti importanti per comprendere e descrivere l'assorbimento e la disposizione di sostanze estranee. La maggior parte dei modelli sono compartimentali, cioè l'organismo è rappresentato da uno o più compartimenti. Un compartimento è un volume chimicamente e fisicamente teorico in cui si presume che la sostanza si distribuisca in modo omogeneo e istantaneo. I modelli semplici possono essere espressi come somma di termini esponenziali, mentre quelli più complicati richiedono procedure numeriche su un computer per la loro soluzione. I modelli possono essere suddivisi in due categorie, descrittivi e fisiologici.

In descrittivo modelli, l'adattamento ai dati misurati viene eseguito modificando i valori numerici dei parametri del modello o anche la struttura del modello stesso. La struttura del modello normalmente ha poco a che fare con la struttura dell'organismo. I vantaggi dell'approccio descrittivo sono che vengono fatte poche assunzioni e che non sono necessari dati aggiuntivi. Uno svantaggio dei modelli descrittivi è la loro limitata utilità per le estrapolazioni.

Modelli fisiologici sono costruiti da dati fisiologici, anatomici e altri dati indipendenti. Il modello viene quindi perfezionato e validato confrontandolo con i dati sperimentali. Un vantaggio dei modelli fisiologici è che possono essere utilizzati per scopi di estrapolazione. Ad esempio, l'influenza dell'attività fisica sull'assorbimento e la disposizione delle sostanze inalate può essere prevista da aggiustamenti fisiologici noti nella ventilazione e nella gittata cardiaca. Uno svantaggio dei modelli fisiologici è che richiedono una grande quantità di dati indipendenti.

biotrasformazione

biotrasformazione è un processo che porta a una conversione metabolica di composti estranei (xenobiotici) nel corpo. Il processo è spesso indicato come metabolismo degli xenobiotici. Come regola generale, il metabolismo converte gli xenobiotici liposolubili in grandi metaboliti idrosolubili che possono essere efficacemente escreti.

Il fegato è il principale sito di biotrasformazione. Tutti gli xenobiotici prelevati dall'intestino vengono trasportati al fegato da un singolo vaso sanguigno (vena porta). Se assorbita in piccole quantità, una sostanza estranea può essere completamente metabolizzata nel fegato prima di raggiungere la circolazione generale e altri organi (effetto di primo passaggio). Gli xenobiotici inalati vengono distribuiti attraverso la circolazione generale al fegato. In tal caso solo una frazione della dose viene metabolizzata nel fegato prima di raggiungere altri organi.

Le cellule del fegato contengono diversi enzimi che ossidano gli xenobiotici. Questa ossidazione generalmente attiva il composto: diventa più reattivo della molecola madre. Nella maggior parte dei casi il metabolita ossidato viene ulteriormente metabolizzato da altri enzimi in una seconda fase. Questi enzimi coniugano il metabolita con un substrato endogeno, in modo che la molecola diventi più grande e più polare. Questo facilita l'escrezione.

Gli enzimi che metabolizzano gli xenobiotici sono presenti anche in altri organi come polmoni e reni. In questi organi possono svolgere ruoli specifici e qualitativamente importanti nel metabolismo di alcuni xenobiotici. I metaboliti formati in un organo possono essere ulteriormente metabolizzati in un secondo organo. Anche i batteri nell'intestino possono partecipare alla biotrasformazione.

I metaboliti degli xenobiotici possono essere escreti dai reni o attraverso la bile. Possono anche essere espirati attraverso i polmoni o legati a molecole endogene nel corpo.

La relazione tra biotrasformazione e tossicità è complessa. La biotrasformazione può essere vista come un processo necessario per la sopravvivenza. Protegge l'organismo dalla tossicità prevenendo l'accumulo di sostanze nocive nel corpo. Tuttavia, durante la biotrasformazione possono formarsi metaboliti intermedi reattivi e questi sono potenzialmente dannosi. Questo si chiama attivazione metabolica. Pertanto, la biotrasformazione può anche indurre tossicità. I metaboliti intermedi ossidati che non sono coniugati possono legarsi e danneggiare le strutture cellulari. Se, per esempio, un metabolita xenobiotico si lega al DNA, può essere indotta una mutazione (vedi “Tossicologia genetica”). Se il sistema di biotrasformazione è sovraccarico, può verificarsi una massiccia distruzione delle proteine ​​essenziali o delle membrane lipidiche. Ciò può provocare la morte cellulare (vedere "Danno cellulare e morte cellulare").

Metabolismo è una parola spesso usata in modo intercambiabile con biotrasformazione. Denota la rottura chimica o le reazioni di sintesi catalizzate dagli enzimi nel corpo. I nutrienti del cibo, i composti endogeni e gli xenobiotici sono tutti metabolizzati nel corpo.

Attivazione metabolica significa che un composto meno reattivo viene convertito in una molecola più reattiva. Questo di solito si verifica durante le reazioni di Fase 1.

Inattivazione metabolica significa che una molecola attiva o tossica viene convertita in un metabolita meno attivo. Questo di solito si verifica durante le reazioni di fase 2. In alcuni casi un metabolita inattivato potrebbe essere riattivato, ad esempio mediante scissione enzimatica.

Reazione 1 di fase si riferisce al primo passo nel metabolismo xenobiotico. Di solito significa che il composto è ossidato. L'ossidazione di solito rende il composto più solubile in acqua e facilita ulteriori reazioni.

Enzimi del citocromo P450 sono un gruppo di enzimi che ossidano preferenzialmente gli xenobiotici nelle reazioni di fase 1. I diversi enzimi sono specializzati per la gestione di gruppi specifici di xenobiotici con determinate caratteristiche. Anche le molecole endogene sono substrati. Gli enzimi del citocromo P450 sono indotti dagli xenobiotici in modo specifico. L'ottenimento di dati di induzione sul citocromo P450 può essere informativo sulla natura delle esposizioni precedenti (vedere "Determinanti genetici della risposta tossica").

Reazione 2 di fase si riferisce alla seconda fase del metabolismo xenobiotico. Di solito significa che il composto ossidato è coniugato con (accoppiato a) una molecola endogena. Questa reazione aumenta ulteriormente la solubilità in acqua. Molti metaboliti coniugati vengono attivamente escreti attraverso i reni.

Transferasi sono un gruppo di enzimi che catalizzano le reazioni di fase 2. Coniugano gli xenobiotici con composti endogeni come il glutatione, gli amminoacidi, l'acido glucuronico o il solfato.

Glutatione è una molecola endogena, un tripeptide, che viene coniugato con xenobiotici nelle reazioni di Fase 2. È presente in tutte le cellule (e nelle cellule del fegato in alte concentrazioni) e di solito protegge dagli xenobiotici attivati. Quando il glutatione è esaurito, possono verificarsi reazioni tossiche tra metaboliti xenobiotici attivati ​​e proteine, lipidi o DNA.

Induzione significa che gli enzimi coinvolti nella biotrasformazione sono aumentati (in attività o quantità) come risposta all'esposizione xenobiotica. In alcuni casi in pochi giorni l'attività enzimatica può essere aumentata di diverse volte. L'induzione è spesso bilanciata in modo che entrambe le reazioni di Fase 1 e Fase 2 siano aumentate simultaneamente. Ciò può portare a una biotrasformazione più rapida e può spiegare la tolleranza. Al contrario, l'induzione sbilanciata può aumentare la tossicità.

Inibizione di biotrasformazione può verificarsi se due xenobiotici vengono metabolizzati dallo stesso enzima. I due substrati devono competere e di solito uno dei substrati è preferito. In tal caso il secondo substrato non viene metabolizzato o viene metabolizzato solo lentamente. Come con l'induzione, l'inibizione può aumentare così come diminuire la tossicità.

Attivazione dell'ossigeno può essere innescato dai metaboliti di alcuni xenobiotici. Possono auto-ossidarsi sotto la produzione di specie di ossigeno attivato. Queste specie derivate dall'ossigeno, che includono il superossido, il perossido di idrogeno e il radicale idrossile, possono danneggiare il DNA, i lipidi e le proteine ​​nelle cellule. L'attivazione dell'ossigeno è anche coinvolta nei processi infiammatori.

Variabilità genetica tra gli individui è visto in molti geni che codificano per enzimi di fase 1 e fase 2. La variabilità genetica può spiegare perché alcuni individui sono più suscettibili agli effetti tossici degli xenobiotici rispetto ad altri.

Di ritorno

Le decisioni che riguardano la salute, il benessere e l'occupabilità dei singoli lavoratori o l'approccio di un datore di lavoro alle questioni di salute e sicurezza devono basarsi su dati di buona qualità. Ciò è particolarmente vero nel caso dei dati di monitoraggio biologico ed è quindi responsabilità di qualsiasi laboratorio che intraprenda un lavoro analitico su campioni biologici provenienti da popolazioni attive garantire l'affidabilità, l'accuratezza e la precisione dei suoi risultati. Questa responsabilità si estende dal fornire metodi e linee guida adeguati per la raccolta dei campioni fino a garantire che i risultati vengano restituiti all'operatore sanitario responsabile della cura del singolo lavoratore in una forma adeguata. Tutte queste attività sono coperte dall'espressione di garanzia della qualità.
L'attività centrale in un programma di garanzia della qualità è il controllo e il mantenimento dell'accuratezza e della precisione analitiche. I laboratori di monitoraggio biologico si sono spesso sviluppati in un ambiente clinico e hanno adottato tecniche e filosofie di garanzia della qualità dalla disciplina della chimica clinica. In effetti, le misurazioni delle sostanze chimiche tossiche e degli indicatori di effetti biologici nel sangue e nelle urine non sono essenzialmente diverse da quelle effettuate nei laboratori di chimica clinica e di farmacologia clinica presenti in qualsiasi grande ospedale.
Un programma di garanzia della qualità per un singolo analista inizia con la selezione e la definizione di un metodo adeguato. La fase successiva è lo sviluppo di una procedura interna di controllo della qualità per mantenere la precisione; il laboratorio deve quindi accertarsi dell'accuratezza dell'analisi, e questo può comportare una valutazione esterna della qualità (vedi sotto). È importante riconoscere, tuttavia, che la garanzia della qualità include più di questi aspetti del controllo della qualità analitica.

Selezione del metodo
Esistono diversi testi che presentano metodi analitici nel monitoraggio biologico. Sebbene questi forniscano una guida utile, molto deve essere fatto dal singolo analista prima che possano essere prodotti dati di qualità adeguata. Fondamentale per qualsiasi programma di garanzia della qualità è la produzione di un protocollo di laboratorio che deve specificare in dettaglio quelle parti del metodo che hanno la maggiore influenza sulla sua affidabilità, accuratezza e precisione. In effetti, l'accreditamento nazionale dei laboratori di chimica clinica, tossicologia e scienze forensi dipende solitamente dalla qualità dei protocolli del laboratorio. Lo sviluppo di un protocollo adatto è solitamente un processo che richiede tempo. Se un laboratorio desidera stabilire un nuovo metodo, spesso è più conveniente ottenere da un laboratorio esistente un protocollo che abbia dimostrato le sue prestazioni, ad esempio, attraverso la convalida in un programma internazionale stabilito di garanzia della qualità. Se il nuovo laboratorio è impegnato in una tecnica analitica specifica, ad esempio la gascromatografia piuttosto che la cromatografia liquida ad alta prestazione, è spesso possibile identificare un laboratorio che ha un buon record di prestazioni e che utilizza lo stesso approccio analitico. I laboratori possono spesso essere identificati tramite articoli di riviste o organizzatori di vari schemi nazionali di valutazione della qualità.

Controllo di qualità interno
La qualità dei risultati analitici dipende dalla precisione del metodo raggiunto nella pratica, e questo a sua volta dipende dalla stretta aderenza a un protocollo definito. La precisione viene valutata al meglio includendo "campioni di controllo qualità" a intervalli regolari durante un ciclo analitico. Ad esempio, per il controllo delle analisi del piombo nel sangue, i campioni di controllo della qualità vengono introdotti nella corsa ogni sei o otto campioni di lavoratori effettivi. Metodi analitici più stabili possono essere monitorati con meno campioni di controllo qualità per ciclo. I campioni di controllo qualità per l'analisi della piombemia vengono preparati da 500 ml di sangue (umano o bovino) addizionato di piombo inorganico; singole aliquote vengono conservate a bassa temperatura (Bullock, Smith e Whitehead 1986). Prima che ogni nuovo lotto venga utilizzato, 20 aliquote vengono analizzate in corse separate in diverse occasioni per stabilire il risultato medio per questo lotto di campioni di controllo di qualità, nonché la sua deviazione standard (Whitehead 1977). Queste due figure vengono utilizzate per impostare una carta di controllo di Shewhart (figura 27.2). I risultati dell'analisi dei campioni di controllo di qualità inclusi nelle esecuzioni successive vengono tracciati sul grafico. L'analista utilizza quindi regole per l'accettazione o il rifiuto di un ciclo analitico a seconda che i risultati di questi campioni rientrino in due o tre deviazioni standard (SD) della media. Una sequenza di regole, convalidata dalla modellazione al computer, è stata suggerita da Westgard et al. (1981) per l'applicazione ai campioni di controllo. Questo approccio al controllo di qualità è descritto nei libri di testo di chimica clinica e un semplice approccio all'introduzione della garanzia di qualità è esposto in Whitehead (1977). Va sottolineato che queste tecniche di controllo qualità dipendono dalla preparazione e dall'analisi di campioni di controllo qualità separatamente dai campioni di calibrazione che vengono utilizzati in ogni occasione analitica.

Figura 27.2 Carta di controllo di Shewhart per campioni di controllo qualità

Questo approccio può essere adattato a una serie di analisi di monitoraggio biologico o di monitoraggio degli effetti biologici. È possibile preparare lotti di campioni di sangue o di urina aggiungendo il materiale tossico o il metabolita da misurare. Allo stesso modo, il sangue, il siero, il plasma o l'urina possono essere aliquotati e conservati surgelati o liofilizzati per la misurazione di enzimi o proteine. Tuttavia, occorre prestare attenzione per evitare il rischio infettivo per l'analista da campioni basati su sangue umano.
L'attenta osservanza di un protocollo ben definito e di regole per l'accettabilità è una prima fase essenziale in un programma di garanzia della qualità. Qualsiasi laboratorio deve essere preparato a discutere il controllo di qualità e le prestazioni di valutazione della qualità con gli operatori sanitari che lo utilizzano e ad indagare su risultati sorprendenti o insoliti.

Valutazione esterna della qualità
Una volta che un laboratorio ha stabilito di poter produrre risultati con adeguata precisione, la fase successiva è quella di confermare l'accuratezza ("esattezza") dei valori misurati, cioè la relazione delle misurazioni effettuate con la quantità effettiva presente. Questo è un esercizio difficile da svolgere da solo per un laboratorio, ma può essere ottenuto partecipando a un regolare programma esterno di valutazione della qualità. Questi sono stati una parte essenziale della pratica chimica clinica per qualche tempo, ma non sono stati ampiamente disponibili per il monitoraggio biologico. L'eccezione è l'analisi del piombo nel sangue, dove gli schemi sono disponibili dagli anni '1970 (ad esempio, Bullock, Smith e Whitehead 1986). Il confronto dei risultati analitici con quelli riportati da altri laboratori che analizzano campioni dello stesso lotto consente la valutazione delle prestazioni di un laboratorio rispetto ad altri, nonché una misura della sua accuratezza. Sono disponibili diversi schemi di valutazione della qualità nazionali e internazionali. Molti di questi schemi accolgono nuovi laboratori, poiché la validità della media dei risultati di un analita di tutti i laboratori partecipanti (presa come misura della concentrazione effettiva) aumenta con il numero di partecipanti. I programmi con molti partecipanti sono anche maggiormente in grado di analizzare le prestazioni di laboratorio secondo il metodo analitico e quindi consigliare alternative ai metodi con caratteristiche di prestazioni scadenti. In alcuni paesi, la partecipazione a tale schema è una parte essenziale dell'accreditamento del laboratorio. Le linee guida per la progettazione e il funzionamento del sistema di valutazione esterna della qualità sono state pubblicate dall'OMS (1981).
In assenza di schemi di valutazione esterna della qualità stabiliti, l'accuratezza può essere verificata utilizzando materiali di riferimento certificati che sono disponibili su base commerciale per una gamma limitata di analiti. I vantaggi dei campioni distribuiti da schemi esterni di valutazione della qualità sono che (1) l'analista non ha una conoscenza anticipata del risultato, (2) viene presentato un intervallo di concentrazioni e (3) poiché i metodi analitici definitivi non devono essere impiegati, i materiali coinvolti sono più economici.

Controllo di qualità pre-analitico
Lo sforzo speso per ottenere una buona accuratezza e precisione di laboratorio è sprecato se i campioni presentati al laboratorio non sono stati prelevati al momento giusto, se hanno subito contaminazione, si sono deteriorati durante il trasporto o sono stati etichettati in modo inadeguato o errato. È anche una cattiva pratica professionale sottoporre individui a campionamenti invasivi senza prendersi cura adeguata dei materiali campionati. Sebbene il campionamento spesso non sia sotto il diretto controllo dell'analista di laboratorio, un programma di monitoraggio biologico di qualità completa deve tenere conto di questi fattori e il laboratorio dovrebbe garantire che le siringhe e i contenitori dei campioni forniti siano privi di contaminazione, con chiare istruzioni sulla tecnica di campionamento e conservazione e trasporto del campione. L'importanza del corretto tempo di campionamento all'interno del turno o della settimana lavorativa e la sua dipendenza dalla tossicocinetica del materiale campionato sono ormai riconosciute (ACGIH 1993; HSE 1992), e queste informazioni dovrebbero essere messe a disposizione degli operatori sanitari responsabili della raccolta dei campioni .

Controllo qualità post-analitico
Risultati analitici di alta qualità possono essere di scarsa utilità per l'individuo o per il professionista sanitario se non vengono comunicati al professionista in una forma interpretabile e al momento giusto. Ogni laboratorio di monitoraggio biologico dovrebbe sviluppare procedure di refertazione per avvisare l'operatore sanitario che presenta i campioni di risultati anomali, inaspettati o sconcertanti in tempo per consentire l'adozione di misure appropriate. L'interpretazione dei risultati di laboratorio, in particolare le variazioni di concentrazione tra campioni successivi, dipende spesso dalla conoscenza della precisione del test. Nell'ambito della gestione totale della qualità, dalla raccolta del campione alla restituzione dei risultati, agli operatori sanitari dovrebbero essere fornite informazioni sulla precisione e l'accuratezza del laboratorio di monitoraggio biologico, nonché sugli intervalli di riferimento e sui limiti indicativi e legali, al fine di aiutarli nell'interpretazione dei risultati. 

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È difficile parlare di analisi del lavoro senza inquadrarla nella prospettiva dei recenti mutamenti del mondo industriale, perché la natura delle attività e le condizioni in cui si svolgono hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione. I fattori che hanno dato origine a questi cambiamenti sono stati numerosi, ma ce ne sono due il cui impatto si è rivelato decisivo. Da un lato, il progresso tecnologico con i suoi ritmi sempre più rapidi e gli sconvolgimenti provocati dalle tecnologie dell'informazione hanno rivoluzionato il lavoro (De Keyser 1986). D'altra parte, l'incertezza del mercato economico ha richiesto maggiore flessibilità nella gestione del personale e nell'organizzazione del lavoro. Se gli operai hanno acquisito una visione più ampia del processo produttivo, meno routinaria e indubbiamente più sistematica, hanno allo stesso tempo perso i legami esclusivi con un ambiente, una squadra, uno strumento produttivo. È difficile guardare con serenità a questi cambiamenti, ma dobbiamo affrontare il fatto che si è creato un nuovo panorama industriale, a volte più arricchente per quei lavoratori che vi possono trovare posto, ma anche pieno di insidie ​​e preoccupazioni per coloro che sono emarginati o esclusi. Tuttavia, un'idea viene ripresa nelle aziende ed è stata confermata da esperimenti pilota in molti paesi: dovrebbe essere possibile guidare i cambiamenti e attenuarne gli effetti negativi con l'uso di analisi pertinenti e utilizzando tutte le risorse per la negoziazione tra le diverse attività attori. È in questo contesto che vanno collocate oggi le analisi del lavoro, quali strumenti che consentono di meglio descrivere compiti e attività per orientare interventi di diverso tipo, come la formazione, la messa a punto di nuove modalità organizzative o la progettazione di strumenti e strumenti di lavoro sistemi. Parliamo di analisi, e non di una sola analisi, poiché ne esiste un gran numero, a seconda dei contesti teorici e culturali in cui vengono sviluppate, degli obiettivi particolari che perseguono, delle prove che raccolgono o della preoccupazione dell'analista per l'una o l'altra specificità o generalità. In questo articolo ci limiteremo a presentare alcune caratteristiche dell'analisi del lavoro ea sottolineare l'importanza del lavoro collettivo. Le nostre conclusioni evidenzieranno altri percorsi che i limiti di questo testo ci impediscono di approfondire.

Alcune caratteristiche delle analisi del lavoro

Il contesto

Se l'obiettivo principale di qualsiasi analisi del lavoro è descrivere ciò che l'operatore effettua, o dovresti ... dovrebbe, collocarlo più precisamente nel suo contesto è spesso sembrato indispensabile ai ricercatori. Menzionano, secondo le loro opinioni, ma in modo sostanzialmente simile, i concetti di contesto, situazione, ambiente, dominio di lavoro, mondo del lavoro or ambiente di lavoro. Il problema sta meno nelle sfumature tra questi termini che nella selezione delle variabili che devono essere descritte per dare loro un significato utile. Il mondo, infatti, è vasto e il settore è complesso e le caratteristiche a cui si potrebbe fare riferimento sono innumerevoli. Si possono notare due tendenze tra gli autori del settore. La prima vede la descrizione del contesto come un mezzo per catturare l'interesse del lettore e fornirgli un quadro semantico adeguato. La seconda ha una diversa prospettiva teorica: tenta di abbracciare sia il contesto che l'attività, descrivendo solo quegli elementi del contesto che sono in grado di influenzare il comportamento degli operatori.

Il quadro semantico

Il contesto ha potere evocativo. Basta, per un lettore informato, leggere di un operatore in una sala di controllo impegnato in un processo continuo per richiamare un quadro del lavoro attraverso comandi e sorveglianza a distanza, dove predominano i compiti di rilevamento, diagnosi e regolazione. Quali variabili devono essere descritte per creare un contesto sufficientemente significativo? Tutto dipende dal lettore. Tuttavia, vi è un consenso in letteratura su alcune variabili chiave. Il natura del settore economico, il tipo di produzione o servizio, la dimensione e la localizzazione geografica del sito sono utili.

I processi produttivi, il strumenti o macchine e loro livello di automazione consentono di indovinare certi vincoli e certe qualifiche necessarie. Il struttura del personale, insieme all'età e al livello di qualificazione e di esperienza sono dati cruciali ogniqualvolta l'analisi riguardi aspetti di formazione o di flessibilità organizzativa. Il organizzazione del lavoro stabilito dipende più dalla filosofia dell'azienda che dalla tecnologia. La sua descrizione include, in particolare, gli orari di lavoro, il grado di centralizzazione delle decisioni e le tipologie di controllo esercitato sui lavoratori. Altri elementi possono essere aggiunti in casi diversi. Sono legati alla storia e alla cultura dell'azienda, alla sua situazione economica, alle condizioni di lavoro, ad eventuali ristrutturazioni, fusioni e investimenti. Esistono almeno tanti sistemi di classificazione quanti sono gli autori e sono in circolazione numerosi elenchi descrittivi. In Francia, uno sforzo particolare è stato compiuto per generalizzare semplici metodi descrittivi, consentendo in particolare di classificare alcuni fattori a seconda che siano o meno soddisfacenti per l'operatore (RNUR 1976; Guelaud et al. 1977).

La descrizione dei fattori rilevanti per quanto riguarda l'attività

La tassonomia dei sistemi complessi descritta da Rasmussen, Pejtersen e Schmidts (1990) rappresenta uno dei tentativi più ambiziosi di coprire allo stesso tempo il contesto e la sua influenza sull'operatore. La sua idea principale è quella di integrare, in modo sistematico, i diversi elementi che lo compongono e di far emergere i gradi di libertà ei vincoli entro i quali possono essere sviluppate le strategie individuali. Il suo scopo esaustivo lo rende difficile da manipolare, ma l'uso di molteplici modalità di rappresentazione, compresi i grafici, per illustrare i vincoli ha un valore euristico che è destinato ad attrarre molti lettori. Altri approcci sono più mirati. Ciò che gli autori cercano è la selezione dei fattori che possono influenzare una precisa attività. Quindi, con un interesse per il controllo dei processi in un ambiente mutevole, Brehmer (1990) propone una serie di caratteristiche temporali del contesto che influenzano il controllo e l'anticipazione dell'operatore (vedi figura 1). La tipologia di questo autore è stata sviluppata da "micromondi", simulazioni computerizzate di situazioni dinamiche, ma l'autore stesso, insieme a molti altri da allora, l'ha utilizzata per l'industria a processo continuo (Van Daele 1992). Per alcune attività, l'influenza dell'ambiente è ben nota e la selezione dei fattori non è troppo difficile. Così, se siamo interessati alla frequenza cardiaca nell'ambiente di lavoro, spesso ci limitiamo a descrivere le temperature dell'aria, i vincoli fisici del compito o l'età e l'allenamento del soggetto, anche se sappiamo che così facendo forse lasciamo elementi rilevanti. Per altri, la scelta è più difficile. Gli studi sull'errore umano, ad esempio, mostrano che i fattori in grado di produrli sono numerosi (Reason 1989). A volte, quando le conoscenze teoriche sono insufficienti, solo l'elaborazione statistica, combinando l'analisi del contesto e dell'attività, permette di far emergere i fattori contestuali rilevanti (Fadier 1990).

Figura 1. Criteri e sottocriteri della tassonomia dei micromondi proposta da Brehmer (1990)

Il compito o l'attività?

L'obiettivo

Il compito è definito dai suoi obiettivi, dai suoi vincoli e dai mezzi che richiede per il suo conseguimento. Una funzione all'interno dell'azienda è generalmente caratterizzata da un insieme di compiti. Il compito realizzato differisce dal compito prescritto programmato dall'azienda per un gran numero di ragioni: le strategie degli operatori variano all'interno e tra gli individui, l'ambiente fluttua ed eventi casuali richiedono risposte che sono spesso al di fuori del quadro prescritto. Infine il compito non sempre è programmato con la corretta conoscenza delle sue condizioni di esecuzione, da qui la necessità di adattamenti in tempo reale. Ma anche se il compito si aggiorna durante l'attività, a volte fino a trasformarsi, rimane comunque il riferimento centrale.

Questionari, inventari e tassonomie di compiti sono numerosi, specialmente nella letteratura in lingua inglese: il lettore troverà eccellenti recensioni in Fleishman e Quaintance (1984) e in Greuter e Algera (1989). Alcuni di questi strumenti sono semplici liste di elementi - per esempio, i verbi d'azione per illustrare compiti - che vengono spuntati in base alla funzione studiata. Altri hanno adottato un principio gerarchico, caratterizzando un compito come elementi interconnessi, ordinati dal globale al particolare. Questi metodi sono standardizzati e possono essere applicati a un gran numero di funzioni; sono semplici da usare e la fase analitica è molto ridotta. Ma dove si tratta di definire un lavoro specifico, sono troppo statiche e troppo generiche per essere utili.

Poi ci sono quegli strumenti che richiedono più abilità da parte del ricercatore; poiché gli elementi di analisi non sono predefiniti, spetta al ricercatore caratterizzarli. Appartiene a questo gruppo la già superata tecnica dell'incidente critico di Flanagan (1954), dove l'osservatore descrive una funzione facendo riferimento alle sue difficoltà e individua gli incidenti che l'individuo dovrà affrontare.

È anche la via adottata dall'analisi del compito cognitivo (Roth e Woods 1988). Questa tecnica mira a portare alla luce i requisiti conoscitivi di un lavoro. Un modo per farlo è suddividere il lavoro in obiettivi, vincoli e mezzi. La figura 2 mostra come il compito di un anestesista, caratterizzato in primo luogo da un obiettivo molto globale di sopravvivenza del paziente, possa essere scomposto in una serie di sotto-obiettivi, che possono essere a loro volta classificati come azioni e mezzi da impiegare. Per ottenere questa “fotografia” sinottica dei requisiti della funzione sono state necessarie oltre 100 ore di osservazione in sala operatoria e successivi colloqui con gli anestesisti. Questa tecnica, sebbene piuttosto laboriosa, è tuttavia utile in ergonomia per determinare se tutti gli obiettivi di un compito sono dotati dei mezzi per raggiungerli. Consente inoltre di comprendere la complessità di un compito (le sue particolari difficoltà e gli obiettivi contrastanti, ad esempio) e facilita l'interpretazione di alcuni errori umani. Ma soffre, come altri metodi, dell'assenza di un linguaggio descrittivo (Grant e Mayes 1991). Inoltre, non consente di formulare ipotesi sulla natura dei processi cognitivi messi in atto per raggiungere gli scopi in questione.

Figura 2. Analisi cognitiva del compito: anestesia generale

Altri approcci hanno analizzato i processi cognitivi associati a determinati compiti elaborando ipotesi sull'elaborazione delle informazioni necessarie per realizzarli. Un modello cognitivo di questo tipo frequentemente impiegato è quello di Rasmussen (1986), che prevede, a seconda della natura del compito e della sua familiarità per il soggetto, tre possibili livelli di attività basati sia su abitudini e riflessi basati sull'abilità, sia su regole acquisite procedure basate sulla conoscenza o sulle procedure basate sulla conoscenza. Ma altri modelli o teorie che hanno raggiunto l'apice della loro popolarità durante gli anni '1970 rimangono in uso. Pertanto, la teoria del controllo ottimale, che considera l'uomo come un controllore delle discrepanze tra obiettivi assegnati e obiettivi osservati, è talvolta ancora applicata ai processi cognitivi. E la modellazione per mezzo di reti di compiti interconnessi e diagrammi di flusso continua a ispirare gli autori dell'analisi dei compiti cognitivi; la figura 3 fornisce una descrizione semplificata delle sequenze comportamentali in un compito di controllo energetico, costruendo un'ipotesi su alcune operazioni mentali. Tutti questi tentativi riflettono la preoccupazione dei ricercatori di riunire nella stessa descrizione non solo elementi del contesto, ma anche il compito stesso ei processi cognitivi che ne sono alla base, e di riflettere anche il carattere dinamico del lavoro.

Figura 3. Una descrizione semplificata delle determinanti di una sequenza di comportamento nei compiti di controllo energetico: un caso di consumo di energia inaccettabile

Dall'arrivo dell'organizzazione scientifica del lavoro, il concetto di compito prescritto è stato criticato negativamente perché è stato visto come comportante l'imposizione ai lavoratori di compiti che non solo sono progettati senza consultarne le esigenze, ma sono spesso accompagnati da tempi di esecuzione specifici , una restrizione non accolta da molti lavoratori. Anche se l'aspetto dell'imposizione è diventato oggi un po' più flessibile e anche se i lavoratori contribuiscono più spesso alla progettazione dei compiti, un tempo assegnato per i compiti rimane necessario per la pianificazione del programma e rimane una componente essenziale dell'organizzazione del lavoro. La quantificazione del tempo non deve sempre essere percepita in maniera negativa. Costituisce un prezioso indicatore del carico di lavoro. Un metodo semplice ma comune per misurare la pressione temporale esercitata su un lavoratore consiste nel determinare il quoziente del tempo necessario per l'esecuzione di un compito diviso per il tempo disponibile. Più questo quoziente è vicino all'unità, maggiore è la pressione (Wickens 1992). Inoltre, la quantificazione può essere utilizzata in una gestione del personale flessibile ma appropriata. Prendiamo il caso degli infermieri dove la tecnica dell'analisi predittiva dei compiti è stata generalizzata, ad esempio, nella normativa canadese Pianificazione dell'assistenza infermieristica richiesta (PRN 80) (Kepenne 1984) o una delle sue varianti europee. Grazie a tali graduatorie, corredate dal relativo iter di esecuzione, è possibile, ogni mattina, tenuto conto del numero dei pazienti e delle loro condizioni mediche, stabilire un piano di cura e una distribuzione del personale. Lungi dall'essere un vincolo, il PRN 80 ha, in alcuni ospedali, dimostrato che esiste una carenza di personale infermieristico, poiché la tecnica consente di stabilire una differenza (vedi figura 4) tra il desiderato e l'osservato, cioè tra il numero di personale necessario e il numero disponibile, e anche tra i compiti pianificati e i compiti svolti. I tempi calcolati sono solo delle medie e le fluttuazioni della situazione non sempre li rendono applicabili, ma questo aspetto negativo è minimizzato da un'organizzazione flessibile che accetta aggiustamenti e consente al personale di partecipare all'effettuazione di tali aggiustamenti.

Figura 4. Discrepanze tra i numeri di personale presente e richiesto sulla base del PRN80

L'attività, le prove e la performance

Un'attività è definita come l'insieme dei comportamenti e delle risorse utilizzate dall'operatore affinché avvenga il lavoro, cioè la trasformazione o produzione di beni o la prestazione di un servizio. Questa attività può essere compresa attraverso l'osservazione in diversi modi. Faverge (1972) ha descritto quattro forme di analisi. La prima è un'analisi in termini di gesti ed posture, dove l'osservatore individua, all'interno dell'attività visibile dell'operatore, classi di comportamento riconoscibili e ripetute durante il lavoro. Queste attività sono spesso abbinate a una risposta precisa: ad esempio la frequenza cardiaca, che ci consente di valutare il carico fisico associato a ciascuna attività. La seconda forma di analisi è in termini di assorbimento delle informazioni. Ciò che viene scoperto, attraverso l'osservazione diretta – o con l'ausilio di telecamere o registratori di movimenti oculari – è l'insieme dei segnali captati dall'operatore nel campo informativo che lo circonda. Questa analisi è particolarmente utile in ergonomia cognitiva per cercare di comprendere meglio l'elaborazione delle informazioni effettuata dall'operatore. Il terzo tipo di analisi è in termini di regolamento. L'idea è quella di identificare gli adattamenti dell'attività svolta dall'operatore per far fronte alle fluttuazioni dell'ambiente o ai cambiamenti della propria condizione. Qui troviamo l'intervento diretto del contesto all'interno dell'analisi. Uno dei progetti di ricerca più citati in questo campo è quello di Sperandio (1972). Questo autore ha studiato l'attività dei controllori del traffico aereo e ha identificato importanti cambiamenti di strategia durante un aumento del traffico aereo. Li ha interpretati come un tentativo di semplificare l'attività mirando a mantenere un livello di carico accettabile, continuando allo stesso tempo a soddisfare i requisiti del compito. Il quarto è un'analisi in termini di processi mentali. Questo tipo di analisi è stato ampiamente utilizzato nell'ergonomia dei posti altamente automatizzati. Infatti, la progettazione di ausili informatici e soprattutto di ausili intelligenti per l'operatore richiede una conoscenza approfondita del modo in cui l'operatore ragiona per risolvere determinati problemi. Il ragionamento coinvolto nella programmazione, nell'anticipazione e nella diagnosi è stato oggetto di analisi, un esempio del quale può essere trovato nella figura 5. Tuttavia, l'evidenza dell'attività mentale può essere solo dedotta. A parte alcuni aspetti osservabili del comportamento, come i movimenti degli occhi e il tempo di risoluzione dei problemi, la maggior parte di queste analisi ricorre alla risposta verbale. Particolare enfasi è stata posta, negli ultimi anni, sulle conoscenze necessarie per realizzare determinate attività, con i ricercatori che cercano di non postularle all'inizio ma di renderle evidenti attraverso l'analisi stessa.

Figura 5. Analisi dell'attività mentale. Strategie nel controllo di processi con lunghi tempi di risposta: la necessità di un supporto informatico nella diagnosi

Tali sforzi hanno portato alla luce il fatto che si possono ottenere prestazioni quasi identiche con livelli di conoscenza molto diversi, purché gli operatori siano consapevoli dei propri limiti e applichino strategie adeguate alle proprie capacità. Quindi, nel nostro studio sull'avviamento di una centrale termoelettrica (De Keyser e Housiaux 1989), gli avviamenti sono stati eseguiti sia da ingegneri che da operatori. Le conoscenze teoriche e procedurali che questi due gruppi possedevano, elicitate attraverso interviste e questionari, erano molto diverse. Gli operatori, in particolare, a volte hanno avuto un'errata comprensione delle variabili nei legami funzionali del processo. Nonostante ciò, le prestazioni dei due gruppi sono state molto ravvicinate. Ma gli operatori hanno tenuto conto di più variabili per verificare il controllo dell'avviamento e hanno effettuato verifiche più frequenti. Tali risultati sono stati ottenuti anche da Amalberti (1991), che ha menzionato l'esistenza di metaconoscenze che consentono agli esperti di gestire le proprie risorse.

Che prove di attività è opportuno suscitare? La sua natura, come abbiamo visto, dipende strettamente dalla forma di analisi prevista. La sua forma varia a seconda del grado di cura metodologica esercitata dall'osservatore. Provocato le prove si distinguono da spontaneo prove e concomitante da successivo evidenza. In generale, quando la natura del lavoro lo consente, sono da preferire testimonianze concomitanti e spontanee. Sono esenti da vari inconvenienti come l'inaffidabilità della memoria, l'interferenza dell'osservatore, l'effetto della ricostruzione razionalizzante da parte del soggetto, e così via. Per illustrare queste distinzioni, prenderemo l'esempio delle verbalizzazioni. Le verbalizzazioni spontanee sono scambi verbali, o monologhi espressi spontaneamente senza essere richiesti dall'osservatore; le verbalizzazioni provocate sono quelle effettuate su specifica richiesta dell'osservatore, come la richiesta fatta al soggetto di “pensare ad alta voce”, ben nota nella letteratura conoscitiva. Entrambi i tipi possono essere eseguiti in tempo reale, durante il lavoro, e sono quindi concomitanti.

Possono anche essere successive, come nelle interviste, o verbalizzazioni dei soggetti quando visionano le videocassette del loro lavoro. Quanto alla validità delle verbalizzazioni, non si deve ignorare il dubbio sollevato al riguardo dalla polemica tra Nisbett e De Camp Wilson (1977) e White (1988) e le cautele suggerite da numerosi autori consapevoli della loro importanza nello studio dell'attività mentale in considerazione delle difficoltà metodologiche incontrate (Ericson e Simon 1984; Savoyant e Leplat 1983; Caverni 1988; Bainbridge 1986).

L'organizzazione di questa evidenza, la sua elaborazione e la sua formalizzazione richiedono linguaggi descrittivi e talvolta analisi che vanno oltre l'osservazione sul campo. Quelle attività mentali dedotte dalle prove, ad esempio, rimangono ipotetiche. Oggi vengono spesso descritti utilizzando linguaggi derivati ​​dall'intelligenza artificiale, avvalendosi di rappresentazioni in termini di schemi, regole di produzione e reti di connessione. Inoltre, si è diffuso l'uso di simulazioni computerizzate - di micromondi - per individuare determinate attività mentali, anche se la validità dei risultati ottenuti da tali simulazioni computerizzate, vista la complessità del mondo industriale, è oggetto di dibattito. Infine, dobbiamo menzionare i modelli cognitivi di alcune attività mentali estratte dal campo. Tra le più note la diagnosi del gestore di una centrale nucleare, effettuata in ISPRA (Decortis e Cacciabue 1990), e la pianificazione del pilota da combattimento perfezionata in Centre d'études et de recherches de médecine aérospatiale (CERMA) (Amalberti et al. 1989).

La misurazione delle discrepanze tra le prestazioni di questi modelli e quella di operatori viventi reali è un campo fruttuoso nell'analisi delle attività. Prestazione è l'esito dell'attività, la risposta finale data dal soggetto alle esigenze del compito. Si esprime a livello di produzione: produttività, qualità, errore, incidente, incidente e persino, a un livello più globale, assenteismo o turnover. Ma va individuato anche a livello individuale: l'espressione soggettiva di soddisfazione, stress, fatica o carico di lavoro, e molte risposte fisiologiche sono anche indicatori di performance. Solo l'intero set di dati consente l'interpretazione dell'attività, vale a dire, giudicare se promuove o meno gli obiettivi desiderati pur rimanendo entro i limiti umani. Esiste un insieme di norme che, fino a un certo punto, guidano l'osservatore. Ma queste norme non lo sono situato—non tengono conto del contesto, delle sue fluttuazioni e della condizione del lavoratore. Ecco perché nell'ergonomia del design, anche quando esistono regole, norme e modelli, si consiglia ai progettisti di testare il prodotto utilizzando i prototipi il prima possibile e di valutare l'attività e le prestazioni degli utenti.

Lavoro individuale o collettivo?

Mentre nella stragrande maggioranza dei casi il lavoro è un atto collettivo, la maggior parte delle analisi del lavoro si concentra su compiti o attività individuali. Tuttavia, il fatto è che l'evoluzione tecnologica, così come l'organizzazione del lavoro, oggi enfatizza il lavoro distribuito, sia esso tra lavoratori e macchine o semplicemente all'interno di un gruppo. Quali percorsi sono stati esplorati dagli autori per tener conto di questa distribuzione (Rasmussen, Pejtersen e Schmidts 1990)? Si concentrano su tre aspetti: la struttura, la natura degli scambi e la labilità strutturale.

Structure

Sia che si consideri la struttura come elementi di analisi delle persone, o dei servizi, o anche dei diversi rami di un'azienda che lavorano in rete, la descrizione dei legami che le uniscono rimane un problema. Conosciamo molto bene gli organigrammi all'interno delle imprese che indicano la struttura dell'autorità e le cui varie forme riflettono la filosofia organizzativa dell'azienda - molto gerarchicamente organizzata per una struttura tayloriana, o appiattita come un rastrello, addirittura a matrice, per una struttura più flessibile. Sono possibili altre descrizioni di attività distribuite: un esempio è riportato nella figura 6. Più di recente, la necessità per le imprese di rappresentare i propri scambi di informazioni a livello globale ha portato a un ripensamento dei sistemi informativi. Grazie ad alcuni linguaggi descrittivi – ad esempio gli schemi progettuali, o le matrici entità-relazioni-attributo – la struttura delle relazioni a livello collettivo può oggi essere descritta in maniera molto astratta e può servire da trampolino per la creazione di sistemi di gestione informatizzati .

Figura 6. Progettazione integrata del ciclo di vita

La natura degli scambi

La semplice descrizione dei legami che uniscono le entità dice poco sul contenuto stesso degli scambi; naturalmente la natura della relazione può essere specificata - spostamento da un luogo all'altro, trasferimenti di informazioni, dipendenza gerarchica e così via - ma questo è spesso del tutto inadeguato. L'analisi delle comunicazioni all'interno dei team è diventata un mezzo privilegiato per catturare la natura stessa del lavoro collettivo, comprendendo gli argomenti menzionati, la creazione di un linguaggio comune in un team, la modifica delle comunicazioni quando le circostanze sono critiche e così via (Tardieu, Nanci e Pascot 1985; Rolland 1986; Navarro 1990; Van Daele 1992; Lacoste 1983; Moray, Sanderson e Vincente 1989). La conoscenza di queste interazioni è particolarmente utile per la creazione di strumenti informatici, in particolare ausili decisionali per la comprensione degli errori. Le diverse fasi e le difficoltà metodologiche legate all'utilizzo di queste evidenze sono state ben descritte da Falzon (1991).

Labilità strutturale

È il lavoro sulle attività piuttosto che sui compiti che ha aperto il campo della labilità strutturale, cioè delle continue riconfigurazioni del lavoro collettivo sotto l'influenza di fattori contestuali. Studi come quelli di Rogalski (1991), che ha a lungo analizzato le attività collettive che si occupano di incendi boschivi in ​​Francia, e Bourdon e Weill Fassina (1994), che hanno studiato la struttura organizzativa predisposta per fronteggiare gli incidenti ferroviari, sono entrambi molto informativo. Mostrano chiaramente come il contesto plasma la struttura degli scambi, il numero e il tipo di attori coinvolti, la natura delle comunicazioni e il numero di parametri essenziali per il lavoro. Più questo contesto fluttua, più le descrizioni fisse del compito vengono allontanate dalla realtà. La conoscenza di questa labilità, e una migliore comprensione dei fenomeni che si svolgono al suo interno, sono essenziali per pianificare l'imprevedibile e per fornire una migliore formazione a coloro che sono coinvolti nel lavoro collettivo in una situazione di crisi.

Conclusioni

Le varie fasi dell'analisi del lavoro che sono state descritte sono una parte iterativa di qualsiasi ciclo di progettazione dei fattori umani (vedi figura 6). In questa progettazione di qualsiasi oggetto tecnico, sia esso uno strumento, una postazione di lavoro o una fabbrica, in cui i fattori umani sono una considerazione, alcune informazioni sono necessarie nel tempo. In generale, l'inizio del ciclo progettuale è caratterizzato dalla necessità di dati relativi ai vincoli ambientali, alle tipologie di lavori da svolgere, alle diverse caratteristiche degli utenti. Queste prime informazioni consentono di redigere le specifiche dell'oggetto in modo da tenere conto delle esigenze di lavoro. Ma questo è, in un certo senso, solo un modello grossolano rispetto alla reale situazione lavorativa. Questo spiega perché sono necessari modelli e prototipi che, fin dalla loro nascita, permettano di valutare non i lavori in sé, ma le attività dei futuri utenti. Di conseguenza, mentre la progettazione delle immagini su un monitor in una sala di controllo può essere basata su un'approfondita analisi conoscitiva del lavoro da svolgere, solo un'analisi basata sui dati dell'attività consentirà di determinare con precisione se il prototipo sarà effettivamente essere utili nella situazione lavorativa reale (Van Daele 1988). Una volta messo in funzione l'oggetto tecnico finito, viene posta maggiore enfasi sulle prestazioni degli utenti e su situazioni disfunzionali, come incidenti o errori umani. La raccolta di questo tipo di informazioni consente di apportare le correzioni finali che aumenteranno l'affidabilità e la fruibilità dell'oggetto completato. Sia l'industria nucleare che quella aeronautica servono da esempio: il feedback operativo implica la segnalazione di ogni incidente che si verifica. In questo modo, il ciclo di progettazione chiude il cerchio.

Di ritorno

L'organismo umano rappresenta un sistema biologico complesso su vari livelli di organizzazione, dal livello molecolare-cellulare ai tessuti e agli organi. L'organismo è un sistema aperto, che scambia materia ed energia con l'ambiente attraverso numerose reazioni biochimiche in equilibrio dinamico. L'ambiente può essere inquinato o contaminato da varie sostanze tossiche.

La penetrazione di molecole o ioni di sostanze tossiche dall'ambiente di lavoro o di vita in un sistema biologico così fortemente coordinato può disturbare in modo reversibile o irreversibile i normali processi biochimici cellulari, o addirittura danneggiare e distruggere la cellula (vedere "Danno cellulare e morte cellulare").

La penetrazione di una sostanza tossica dall'ambiente ai siti del suo effetto tossico all'interno dell'organismo può essere suddivisa in tre fasi:

1. La fase di esposizione comprende tutti i processi che avvengono tra varie sostanze tossiche e/o l'influenza su di esse di fattori ambientali (luce, temperatura, umidità, ecc.). Possono verificarsi trasformazioni chimiche, degradazione, biodegradazione (da parte di microrganismi) e disintegrazione di sostanze tossiche.
2. La fase tossicocinetica comprende l'assorbimento delle sostanze tossiche nell'organismo e tutti i processi che seguono il trasporto da parte dei fluidi corporei, la distribuzione e l'accumulo nei tessuti e negli organi, la biotrasformazione in metaboliti e l'eliminazione (escrezione) delle sostanze tossiche e/o dei metaboliti dall'organismo.
3. La fase tossicodinamica si riferisce all'interazione di sostanze tossiche (molecole, ioni, colloidi) con specifici siti di azione all'interno o all'interno delle cellule (recettori) che alla fine producono un effetto tossico.

Qui focalizzeremo la nostra attenzione esclusivamente sui processi tossicocinetici all'interno dell'organismo umano in seguito all'esposizione a sostanze tossiche nell'ambiente.

Le molecole o gli ioni di sostanze tossiche presenti nell'ambiente penetreranno nell'organismo attraverso la pelle e le mucose, o le cellule epiteliali del tratto respiratorio e gastrointestinale, a seconda del punto di ingresso. Ciò significa che le molecole e gli ioni delle sostanze tossiche devono penetrare attraverso le membrane cellulari di questi sistemi biologici, nonché attraverso un intricato sistema di endomembrane all'interno della cellula.

Tutti i processi tossicocinetici e tossicodinamici avvengono a livello molecolare-cellulare. Numerosi fattori influenzano questi processi e questi possono essere suddivisi in due gruppi fondamentali:

• costituzione chimica e proprietà fisico-chimiche dei tossici
• struttura della cellula in particolare proprietà e funzione delle membrane attorno alla cellula e dei suoi organelli interni.

Proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche

Nel 1854 il tossicologo russo EV Pelikan iniziò gli studi sulla relazione tra la struttura chimica di una sostanza e la sua attività biologica: la relazione struttura-attività (SAR). La struttura chimica determina direttamente le proprietà fisico-chimiche, alcune delle quali sono responsabili dell'attività biologica.

Per definire la struttura chimica si possono selezionare numerosi parametri come descrittori, che possono essere suddivisi in vari gruppi:

1. Fisico-chimico:

• generale: punto di fusione, punto di ebollizione, tensione di vapore, costante di dissociazione (pK_a)
• elettrico: potenziale di ionizzazione, costante dielettrica, momento di dipolo, massa: rapporto di carica, ecc.
• chimica quantistica: carica atomica, energia di legame, energia di risonanza, densità elettronica, reattività molecolare, ecc.

 2. Sterico: volume molecolare, forma e superficie, forma della sottostruttura, reattività molecolare, ecc.
 3. Strutturale: numero di legami numero di anelli (nei composti policiclici), estensione della ramificazione, ecc.

Per ogni sostanza tossica è necessario selezionare un insieme di descrittori relativi a un particolare meccanismo di attività. Tuttavia, dal punto di vista tossicocinetico due parametri sono di importanza generale per tutti i tossici:

• Il coefficiente di partizione di Nernst (P) stabilisce la solubilità delle molecole tossiche nel sistema a due fasi ottanolo (olio)-acqua, correlandola alla loro lipo- o idrosolubilità. Questo parametro influenzerà notevolmente la distribuzione e l'accumulo di molecole tossiche nell'organismo.
• La costante di dissociazione (pK_a) definisce il grado di ionizzazione (dissociazione elettrolitica) delle molecole di una sostanza tossica in cationi e anioni carichi a un particolare pH. Questa costante rappresenta il pH al quale si ottiene il 50% di ionizzazione. Le molecole possono essere lipofile o idrofile, ma gli ioni sono solubili esclusivamente nell'acqua dei fluidi corporei e dei tessuti. Conoscere pK_a è possibile calcolare il grado di ionizzazione di una sostanza per ogni pH utilizzando l'equazione di Henderson-Hasselbach.

Per le polveri e gli aerosol inalati, anche la dimensione delle particelle, la forma, l'area superficiale e la densità influenzano la tossicocinetica e la tossicodinamica.

Struttura e proprietà delle membrane

La cellula eucariotica degli organismi umani e animali è circondata da una membrana citoplasmatica che regola il trasporto di sostanze e mantiene l'omeostasi cellulare. Anche gli organelli cellulari (nucleo, mitocondri) possiedono membrane. Il citoplasma cellulare è suddiviso in compartimenti da intricate strutture membranose, il reticolo endoplasmatico e il complesso del Golgi (endomembrane). Tutte queste membrane sono strutturalmente simili, ma variano nel contenuto di lipidi e proteine.

La struttura strutturale delle membrane è un doppio strato di molecole lipidiche (fosfolipidi, sfingolipidi, colesterolo). La spina dorsale di una molecola fosfolipidica è il glicerolo con due dei suoi gruppi -OH esterificati da acidi grassi alifatici con 16-18 atomi di carbonio e il terzo gruppo esterificato da un gruppo fosfato e un composto azotato (colina, etanolamina, serina). Negli sfingolipidi, la sfingosina è la base.

La molecola lipidica è anfipatica perché è costituita da una “testa” idrofila polare (aminoalcol, fosfato, glicerolo) e da una “coda” gemella non polare (acidi grassi). Il doppio strato lipidico è disposto in modo che le teste idrofile costituiscano la superficie esterna e interna della membrana e le code lipofile siano tese verso l'interno della membrana, che contiene acqua, vari ioni e molecole.

Le proteine ​​e le glicoproteine ​​sono inserite nel doppio strato lipidico (proteine ​​intrinseche) o attaccate alla superficie della membrana (proteine ​​estrinseche). Queste proteine ​​contribuiscono all'integrità strutturale della membrana, ma possono anche fungere da enzimi, trasportatori, pareti dei pori o recettori.

La membrana rappresenta una struttura dinamica che può essere disintegrata e ricostruita con una diversa proporzione di lipidi e proteine, a seconda delle esigenze funzionali.

La regolazione del trasporto di sostanze all'interno e all'esterno della cellula rappresenta una delle funzioni fondamentali delle membrane esterne ed interne.

Alcune molecole lipofile passano direttamente attraverso il doppio strato lipidico. Le molecole e gli ioni idrofili vengono trasportati attraverso i pori. Le membrane rispondono alle mutevoli condizioni aprendo o sigillando determinati pori di varie dimensioni.

I seguenti processi e meccanismi sono coinvolti nel trasporto di sostanze, comprese le sostanze tossiche, attraverso le membrane:

• diffusione attraverso il doppio strato lipidico
• diffusione attraverso i pori
• trasporto tramite vettore (diffusione facilitata).

Processi attivi:

• trasporto attivo da parte di un vettore
• endocitosi (pinocitosi).

Emittente

Questo rappresenta il movimento di molecole e ioni attraverso il doppio strato lipidico oi pori da una regione ad alta concentrazione, o ad alto potenziale elettrico, a una regione a bassa concentrazione o potenziale ("downhill"). La differenza di concentrazione o carica elettrica è la forza motrice che influenza l'intensità del flusso in entrambe le direzioni. Nello stato di equilibrio, l'afflusso sarà uguale all'efflusso. La velocità di diffusione segue la legge di Ficke, affermando che è direttamente proporzionale alla superficie disponibile della membrana, alla differenza nel gradiente di concentrazione (carica) e al coefficiente di diffusione caratteristico, e inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

Piccole molecole lipofile passano facilmente attraverso lo strato lipidico della membrana, secondo il coefficiente di partizione di Nernst.

Grandi molecole lipofile, molecole idrosolubili e ioni utilizzeranno i canali dei pori acquosi per il loro passaggio. Le dimensioni e la stereoconfigurazione influenzeranno il passaggio delle molecole. Per gli ioni, oltre alle dimensioni, sarà determinante il tipo di carica. Le molecole proteiche delle pareti dei pori possono acquisire carica positiva o negativa. I pori stretti tendono ad essere selettivi: i ligandi caricati negativamente consentiranno il passaggio solo per i cationi e i ligandi caricati positivamente consentiranno il passaggio solo per gli anioni. Con l'aumento del diametro dei pori il flusso idrodinamico è dominante, consentendo il libero passaggio di ioni e molecole, secondo la legge di Poiseuille. Questa filtrazione è una conseguenza del gradiente osmotico. In alcuni casi gli ioni possono penetrare attraverso molecole complesse specifiche:ionofori—che possono essere prodotti da microrganismi con effetti antibiotici (nonactina, valinomicina, gramacidina, ecc.).

Diffusione facilitata o catalizzata

Ciò richiede la presenza di un trasportatore nella membrana, solitamente una molecola proteica (permeasi). Il vettore lega selettivamente le sostanze, assomigliando a un complesso substrato-enzima. Molecole simili (incluse le sostanze tossiche) possono competere per il vettore specifico fino al raggiungimento del suo punto di saturazione. I tossici possono competere per il vettore e quando sono irreversibilmente legati ad esso il trasporto viene bloccato. Il tasso di trasporto è caratteristico per ogni tipo di vettore. Se il trasporto avviene in entrambe le direzioni, si parla di diffusione di scambio.

Trasporto attivo

Per il trasporto di alcune sostanze vitali per la cellula, viene utilizzato un tipo speciale di vettore, che trasporta contro il gradiente di concentrazione o il potenziale elettrico ("in salita"). Il vettore è molto stereospecifico e può essere saturato.

Per il trasporto in salita è necessaria energia. L'energia necessaria è ottenuta dalla scissione catalitica delle molecole di ATP in ADP da parte dell'enzima adenosina trifosfatasi (ATP-asi).

I tossici possono interferire con questo trasporto mediante inibizione competitiva o non competitiva del portatore o mediante inibizione dell'attività ATP-asi.

Endocitosi

Endocitosi è definito come un meccanismo di trasporto in cui la membrana cellulare circonda il materiale avvolgendosi per formare una vescicola che lo trasporta attraverso la cellula. Quando il materiale è liquido, il processo è definito pinocitosi. In alcuni casi il materiale è legato a un recettore e questo complesso è trasportato da una vescicola di membrana. Questo tipo di trasporto è particolarmente utilizzato dalle cellule epiteliali del tratto gastrointestinale e dalle cellule del fegato e dei reni.

Assorbimento di sostanze tossiche

Le persone sono esposte a numerose sostanze tossiche presenti nell'ambiente di lavoro e di vita, che possono penetrare nell'organismo umano attraverso tre principali porte di ingresso:

• attraverso le vie respiratorie per inalazione di aria inquinata
• attraverso il tratto gastrointestinale per ingestione di cibo, acqua e bevande contaminati
• attraverso la pelle per penetrazione dermica e cutanea.

Nel caso dell'esposizione nell'industria, l'inalazione rappresenta la via dominante di ingresso delle sostanze tossiche, seguita dalla penetrazione cutanea. In agricoltura, l'esposizione ai pesticidi tramite assorbimento cutaneo è quasi uguale ai casi di inalazione combinata e penetrazione cutanea. La popolazione generale è maggiormente esposta per ingestione di cibo, acqua e bevande contaminati, quindi per inalazione e meno spesso per penetrazione cutanea.

Assorbimento attraverso le vie respiratorie

L'assorbimento nei polmoni rappresenta la principale via di assorbimento di numerosi agenti tossici aerodispersi (gas, vapori, fumi, nebbie, fumi, polveri, aerosol, ecc.).

Il tratto respiratorio (RT) rappresenta un ideale sistema di scambio gassoso in possesso di una membrana con una superficie di 30 m² (scadenza) a 100m² (ispirazione profonda), dietro la quale si trova una rete di circa 2,000 km di capillari. Il sistema, sviluppato attraverso l'evoluzione, è alloggiato in uno spazio relativamente piccolo (cavità toracica) protetto da costole.

Anatomicamente e fisiologicamente il RT può essere suddiviso in tre compartimenti:

• la parte superiore della RT, o rinofaringea (NP), che parte dalle narici del naso e si estende fino alla faringe e alla laringe; questa parte funge da impianto di climatizzazione
• l'albero tracheo-bronchiale (TB), comprendente numerosi tubi di varie dimensioni, che portano l'aria ai polmoni
• il compartimento polmonare (P), costituito da milioni di alveoli (sacche d'aria) disposti in grappoli simili a grappoli.

I tossici idrofili sono facilmente assorbiti dall'epitelio della regione nasofaringea. L'intero epitelio delle regioni NP e TB è ricoperto da una pellicola d'acqua. I tossici lipofili sono parzialmente assorbiti nelle NP e TB, ma soprattutto negli alveoli per diffusione attraverso le membrane alveolo-capillari. Il tasso di assorbimento dipende dalla ventilazione polmonare, dalla gittata cardiaca (flusso sanguigno attraverso i polmoni), dalla solubilità del tossico nel sangue e dal suo tasso metabolico.

Negli alveoli avviene lo scambio di gas. La parete alveolare è costituita da un epitelio, una struttura interstiziale di membrana basale, tessuto connettivo e l'endotelio capillare. La diffusione delle sostanze tossiche è molto rapida attraverso questi strati, che hanno uno spessore di circa 0.8 μm. Negli alveoli, il tossico viene trasferito dalla fase aerea alla fase liquida (sangue). La velocità di assorbimento (distribuzione aria-sangue) di una sostanza tossica dipende dalla sua concentrazione nell'aria alveolare e dal coefficiente di partizione di Nernst per il sangue (coefficiente di solubilità).

Nel sangue il tossico può essere disciolto in fase liquida mediante semplici processi fisici oppure legato alle cellule del sangue e/o ai costituenti del plasma secondo affinità chimica o per adsorbimento. Il contenuto di acqua nel sangue è del 75% e, pertanto, gas e vapori idrofili mostrano un'elevata solubilità nel plasma (p. es., alcoli). Le sostanze tossiche lipofile (p. es., il benzene) sono solitamente legate a cellule o macromolecole come l'albume.

Fin dall'inizio dell'esposizione nei polmoni, si verificano due processi opposti: assorbimento e desorbimento. L'equilibrio tra questi processi dipende dalla concentrazione di sostanza tossica nell'aria alveolare e nel sangue. All'inizio dell'esposizione la concentrazione di sostanze tossiche nel sangue è 0 e la ritenzione nel sangue è quasi del 100%. Con il proseguimento dell'esposizione si raggiunge un equilibrio tra assorbimento e desorbimento. I tossici idrofili raggiungeranno rapidamente l'equilibrio e la velocità di assorbimento dipende dalla ventilazione polmonare piuttosto che dal flusso sanguigno. Le sostanze tossiche lipofile hanno bisogno di più tempo per raggiungere l'equilibrio, e qui il flusso di sangue insaturo regola la velocità di assorbimento.

La deposizione di particelle e aerosol nell'RT dipende da fattori fisici e fisiologici, nonché dalla dimensione delle particelle. In breve, più piccola è la particella, più in profondità penetrerà nell'RT.

Una ritenzione relativamente bassa e costante di particelle di polvere nei polmoni di persone altamente esposte (ad esempio, minatori) suggerisce l'esistenza di un sistema molto efficiente per l'eliminazione delle particelle. Nella parte superiore del RT (tracheo-bronchiale) un velo mucociliare compie lo sgombero. Nella parte polmonare sono all'opera tre diversi meccanismi: (1) mantello mucociliare, (2) fagocitosi e (3) penetrazione diretta di particelle attraverso la parete alveolare.

Le prime 17 delle 23 ramificazioni dell'albero tracheo-bronchiale possiedono cellule epiteliali ciliate. Con i loro colpi queste ciglia spostano costantemente una coltre mucosa verso la bocca. Le particelle depositate su questa coltre mucociliare saranno inghiottite in bocca (ingestione). Una coperta mucosa copre anche la superficie dell'epitelio alveolare, spostandosi verso la coperta mucociliare. Inoltre le cellule specializzate in movimento, i fagociti, inghiottono particelle e microrganismi negli alveoli e migrano in due possibili direzioni:

• verso il manto mucociliare, che li trasporta alla bocca
• attraverso gli spazi intercellulari della parete alveolare al sistema linfatico dei polmoni; anche le particelle possono penetrare direttamente per questa via.

Assorbimento attraverso il tratto gastrointestinale

Le sostanze tossiche possono essere ingerite in caso di ingestione accidentale, assunzione di cibi e bevande contaminati o ingestione di particelle eliminate dall'RT.

L'intero canale alimentare, dall'esofago all'ano, è sostanzialmente costruito allo stesso modo. Uno strato mucoso (epitelio) è sostenuto dal tessuto connettivo e quindi da una rete di capillari e muscoli lisci. L'epitelio superficiale dello stomaco è molto rugoso per aumentare la superficie di assorbimento/secrezione. L'area intestinale contiene numerose piccole sporgenze (villi), che sono in grado di assorbire materiale per “pompaggio”. L'area attiva per l'assorbimento nell'intestino è di circa 100 m².

Nel tratto gastrointestinale (GIT) tutti i processi di assorbimento sono molto attivi:

•  trasporto transcellulare per diffusione attraverso lo strato lipidico e/o i pori delle membrane cellulari, nonché filtrazione dei pori
•  diffusione paracellulare attraverso le giunzioni tra le cellule
•  diffusione facilitata e trasporto attivo
•  endocitosi e il meccanismo di pompaggio dei villi.

Alcuni ioni metallici tossici utilizzano sistemi di trasporto specializzati per elementi essenziali: tallio, cobalto e manganese utilizzano il sistema del ferro, mentre il piombo sembra utilizzare il sistema del calcio.

Molti fattori influenzano il tasso di assorbimento delle sostanze tossiche in varie parti del GIT:

• proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche, in particolare il coefficiente di partizione di Nernst e la costante di dissociazione; per le particelle, la dimensione delle particelle è importante: minore è la dimensione, maggiore è la solubilità
• quantità di cibo presente nel GIT (effetto diluente)
• tempo di permanenza in ogni parte del GIT (da pochi minuti in bocca a un'ora nello stomaco a molte ore nell'intestino
• l'area di assorbimento e la capacità di assorbimento dell'epitelio
• pH locale, che regola l'assorbimento delle sostanze tossiche dissociate; nel pH acido dello stomaco, i composti acidi non dissociati saranno assorbiti più rapidamente
• peristalsi (movimento dell'intestino da parte dei muscoli) e flusso sanguigno locale
• le secrezioni gastriche e intestinali trasformano sostanze tossiche in prodotti più o meno solubili; la bile è un agente emulsionante che produce complessi più solubili (idrotrofia)
• esposizione combinata ad altre sostanze tossiche, che possono produrre effetti sinergici o antagonisti nei processi di assorbimento
• presenza di agenti complessanti/chelanti
• l'azione della microflora della RT (circa 1.5 kg), circa 60 diverse specie batteriche che possono effettuare la biotrasformazione di sostanze tossiche.

È inoltre necessario menzionare la circolazione enteroepatica. Tossici polari e/o metaboliti (glucuronidi e altri coniugati) vengono escreti con la bile nel duodeno. Qui gli enzimi della microflora effettuano l'idrolisi ei prodotti liberati possono essere riassorbiti e trasportati dalla vena porta nel fegato. Questo meccanismo è molto pericoloso nel caso di sostanze epatotossiche, consentendone l'accumulo temporaneo nel fegato.

Nel caso di sostanze tossiche biotrasformate nel fegato in metaboliti meno tossici o non tossici, l'ingestione può rappresentare una porta di ingresso meno pericolosa. Dopo l'assorbimento nel GIT, queste sostanze tossiche saranno trasportate dalla vena porta al fegato, dove potranno essere parzialmente disintossicate mediante biotrasformazione.

Assorbimento attraverso la pelle (cutanea, percutanea)

La pelle (1.8 m² di superficie in un essere umano adulto) insieme alle mucose degli orifizi del corpo, ricopre la superficie del corpo. Rappresenta una barriera contro gli agenti fisici, chimici e biologici, mantenendo l'integrità e l'omeostasi del corpo e svolgendo molti altri compiti fisiologici.

Fondamentalmente la pelle è composta da tre strati: epidermide, vera pelle (derma) e tessuto sottocutaneo (ipoderma). Dal punto di vista tossicologico l'epidermide è qui di maggior interesse. È costituito da molti strati di cellule. Una superficie cornea di cellule morte appiattite (strato corneo) è lo strato superiore, sotto il quale si trova uno strato continuo di cellule vive (strato corneo compatto), seguito da una tipica membrana lipidica, e quindi da strato lucido, strato grammoso e strato mucoso. La membrana lipidica rappresenta una barriera protettiva, ma nelle parti pelose della pelle penetrano sia i follicoli piliferi che i canali delle ghiandole sudoripare. Pertanto, l'assorbimento cutaneo può avvenire mediante i seguenti meccanismi:

• assorbimento transepidermico per diffusione attraverso la membrana lipidica (barriera), principalmente da sostanze lipofile (solventi organici, pesticidi, ecc.) e in piccola parte da alcune sostanze idrofile attraverso i pori
• assorbimento transfollicolare attorno al gambo pilifero nel follicolo pilifero, bypassando la barriera di membrana; questo assorbimento avviene solo nelle zone pelose della pelle
• assorbimento attraverso i dotti delle ghiandole sudoripare, che hanno un'area della sezione trasversale di circa lo 0.1-1% dell'area totale della pelle (l'assorbimento relativo è in questa proporzione)
• assorbimento attraverso la pelle in caso di lesioni meccaniche, termiche, chimiche o da malattie della pelle; qui gli strati cutanei, compresa la barriera lipidica, vengono disgregati e la via è aperta all'ingresso di sostanze tossiche e nocive.

Il tasso di assorbimento attraverso la pelle dipenderà da molti fattori:

• concentrazione di sostanza tossica, tipo di veicolo (mezzo), presenza di altre sostanze
• contenuto di acqua della pelle, pH, temperatura, flusso sanguigno locale, sudorazione, superficie della pelle contaminata, spessore della pelle
• caratteristiche anatomiche e fisiologiche della pelle dovute al sesso, all'età, alle variazioni individuali, alle differenze presenti nelle varie etnie e razze, ecc.

Trasporto di sostanze tossiche da sangue e linfa

Dopo l'assorbimento da parte di uno qualsiasi di questi portali di ingresso, le sostanze tossiche raggiungeranno il sangue, la linfa o altri fluidi corporei. Il sangue rappresenta il principale veicolo di trasporto delle sostanze tossiche e dei loro metaboliti.

Il sangue è un organo a circolazione fluida, che trasporta l'ossigeno necessario e le sostanze vitali alle cellule e rimuove i prodotti di scarto del metabolismo. Il sangue contiene anche componenti cellulari, ormoni e altre molecole coinvolte in molte funzioni fisiologiche. Il sangue scorre all'interno di un sistema circolatorio di vasi sanguigni relativamente ben chiuso e ad alta pressione, spinto dall'attività del cuore. A causa dell'alta pressione, si verifica una perdita di fluido. Il sistema linfatico rappresenta il sistema di drenaggio, sotto forma di una maglia fine di piccoli capillari linfatici a parete sottile che si diramano attraverso i tessuti molli e gli organi.

Il sangue è una miscela di una fase liquida (plasma, 55%) e globuli solidi (45%). Il plasma contiene proteine ​​(albumine, globuline, fibrinogeno), acidi organici (lattico, glutammico, citrico) e molte altre sostanze (lipidi, lipoproteine, glicoproteine, enzimi, sali, xenobiotici, ecc.). Gli elementi delle cellule del sangue includono eritrociti (Er), leucociti, reticolociti, monociti e piastrine.

Le sostanze tossiche vengono assorbite come molecole e ioni. Alcune sostanze tossiche al pH del sangue formano particelle colloidali come terza forma in questo liquido. Molecole, ioni e colloidi di sostanze tossiche hanno varie possibilità di trasporto nel sangue:

•  essere legato fisicamente o chimicamente agli elementi del sangue, principalmente Er
•  essere disciolto fisicamente nel plasma allo stato libero
•  legarsi a uno o più tipi di proteine ​​plasmatiche, complessarsi con gli acidi organici o legarsi ad altre frazioni del plasma.

La maggior parte delle sostanze tossiche nel sangue esiste parzialmente allo stato libero nel plasma e parzialmente legata agli eritrociti e ai costituenti del plasma. La distribuzione dipende dall'affinità delle sostanze tossiche a questi costituenti. Tutte le frazioni sono in equilibrio dinamico.

Alcune sostanze tossiche sono trasportate dagli elementi del sangue, principalmente dagli eritrociti, molto raramente dai leucociti. Le sostanze tossiche possono essere adsorbite sulla superficie di Er o possono legarsi ai ligandi dello stroma. Se penetrano in Er possono legarsi all'eme (es. monossido di carbonio e selenio) o alla globina (Sb¹¹¹, Po²¹⁰). Alcuni tossici trasportati da Er sono arsenico, cesio, torio, radon, piombo e sodio. Il cromo esavalente è legato esclusivamente all'Er e il cromo trivalente alle proteine ​​del plasma. Per lo zinco si verifica competizione tra Er e plasma. Circa il 96% del piombo viene trasportato da Er. Il mercurio organico è principalmente legato a Er e il mercurio inorganico è trasportato principalmente dall'albumina plasmatica. Piccole frazioni di berillio, rame, tellurio e uranio sono trasportate da Er.

La maggior parte delle sostanze tossiche viene trasportata dal plasma o dalle proteine ​​plasmatiche. Molti elettroliti sono presenti come ioni in equilibrio con molecole non dissociate libere o legate alle frazioni plasmatiche. Questa frazione ionica di sostanze tossiche è molto diffusibile, penetrando attraverso le pareti dei capillari nei tessuti e negli organi. Gas e vapori possono essere disciolti nel plasma.

Le proteine ​​plasmatiche possiedono una superficie totale di circa 600-800 km² offerto per l'assorbimento di sostanze tossiche. Le molecole di albumina possiedono circa 109 ligandi cationici e 120 anionici a disposizione degli ioni. Molti ioni sono parzialmente trasportati dall'albumina (ad es. rame, zinco e cadmio), così come composti come dinitro- e orto-cresoli, derivati ​​nitro e alogenati di idrocarburi aromatici e fenoli.

Le molecole di globuline (alfa e beta) trasportano piccole molecole di sostanze tossiche così come alcuni ioni metallici (rame, zinco e ferro) e particelle colloidali. Il fibrinogeno mostra affinità per alcune piccole molecole. Molti tipi di legami possono essere coinvolti nel legame di sostanze tossiche alle proteine ​​plasmatiche: forze di Van der Waals, attrazione di cariche, associazione tra gruppi polari e apolari, ponti a idrogeno, legami covalenti.

Le lipoproteine ​​plasmatiche trasportano sostanze tossiche lipofile come i PCB. Anche le altre frazioni plasmatiche fungono da veicolo di trasporto. L'affinità delle sostanze tossiche per le proteine ​​plasmatiche suggerisce la loro affinità per le proteine ​​nei tessuti e negli organi durante la distribuzione.

Gli acidi organici (lattico, glutammico, citrico) formano complessi con alcune sostanze tossiche. Le terre alcaline e le terre rare, così come alcuni elementi pesanti sotto forma di cationi, sono complessate anche con ossi- e amminoacidi organici. Tutti questi complessi sono generalmente diffusibili e facilmente distribuibili nei tessuti e negli organi.

Gli agenti chelanti fisiologicamente nel plasma come la transferrina e la metallotioneina competono con gli acidi organici e gli amminoacidi per i cationi per formare chelati stabili.

Gli ioni liberi diffusibili, alcuni complessi e alcune molecole libere vengono facilmente eliminati dal sangue nei tessuti e negli organi. La frazione libera di ioni e molecole è in equilibrio dinamico con la frazione legata. La concentrazione di una sostanza tossica nel sangue governerà la velocità della sua distribuzione nei tessuti e negli organi, o la sua mobilitazione da essi nel sangue.

Distribuzione delle sostanze tossiche nell'organismo

L'organismo umano può essere suddiviso in quanto segue scomparti. (1) organi interni, (2) pelle e muscoli, (3) tessuti adiposi, (4) tessuto connettivo e ossa. Questa classificazione si basa principalmente sul grado di perfusione vascolare (sangue) in ordine decrescente. Ad esempio gli organi interni (incluso il cervello), che rappresentano solo il 12% del peso corporeo totale, ricevono circa il 75% del volume totale del sangue. D'altra parte, i tessuti connettivi e le ossa (15% del peso corporeo totale) ricevono solo l'XNUMX% del volume totale del sangue.

Gli organi interni ben irrorati generalmente raggiungono la più alta concentrazione di sostanze tossiche nel minor tempo, così come un equilibrio tra sangue e questo compartimento. L'assorbimento di sostanze tossiche da parte dei tessuti meno perfusi è molto più lento, ma la ritenzione è maggiore e la durata della degenza molto più lunga (accumulo) a causa della bassa perfusione.

Tre componenti sono di grande importanza per la distribuzione intracellulare delle sostanze tossiche: contenuto di acqua, lipidi e proteine ​​nelle cellule di vari tessuti e organi. Il suddetto ordine di compartimenti segue anche da vicino un contenuto d'acqua decrescente nelle loro cellule. I tossici idrofili saranno distribuiti più rapidamente ai fluidi corporei e alle cellule con un elevato contenuto di acqua e i tossici lipofili alle cellule con un contenuto lipidico più elevato (tessuto adiposo).

L'organismo possiede alcune barriere che ostacolano la penetrazione di alcuni gruppi di sostanze tossiche, per lo più idrofile, in determinati organi e tessuti, quali:

• la barriera emato-encefalica (barriera cerebrospinale), che limita la penetrazione di grandi molecole e sostanze tossiche idrofile nel cervello e nel sistema nervoso centrale; questa barriera è costituita da uno strato strettamente unito di cellule endoteliali; quindi, i tossici lipofili possono penetrare attraverso di essa
• la barriera placentare, che ha un effetto simile sulla penetrazione di sostanze tossiche nel feto dal sangue della madre
• la barriera isto-ematologica nelle pareti dei capillari, che è permeabile per molecole di piccole e medie dimensioni, e per alcune molecole più grandi, così come per gli ioni.

Come notato in precedenza, solo le forme libere di sostanze tossiche nel plasma (molecole, ioni, colloidi) sono disponibili per la penetrazione attraverso le pareti dei capillari che partecipano alla distribuzione. Questa frazione libera è in equilibrio dinamico con la frazione legata. La concentrazione di sostanze tossiche nel sangue è in equilibrio dinamico con la loro concentrazione negli organi e nei tessuti, regolandone la ritenzione (accumulo) o la mobilizzazione.

La condizione dell'organismo, lo stato funzionale degli organi (in particolare la regolazione neuro-umorale), l'equilibrio ormonale e altri fattori giocano un ruolo nella distribuzione.

La ritenzione di sostanze tossiche in un particolare compartimento è generalmente temporanea e può verificarsi la ridistribuzione in altri tessuti. La ritenzione e l'accumulo si basano sulla differenza tra i tassi di assorbimento ed eliminazione. La durata della ritenzione in un compartimento è espressa dall'emivita biologica. Questo è l'intervallo di tempo in cui il 50% del tossico viene eliminato dal tessuto o dall'organo e ridistribuito, traslocato o eliminato dall'organismo.

I processi di biotrasformazione si verificano durante la distribuzione e la ritenzione in vari organi e tessuti. La biotrasformazione produce metaboliti più polari, più idrofili, che vengono eliminati più facilmente. Un basso tasso di biotrasformazione di un tossico lipofilo causerà generalmente il suo accumulo in un compartimento.

Le sostanze tossiche possono essere suddivise in quattro gruppi principali in base alla loro affinità, ritenzione predominante e accumulo in un particolare compartimento:

1. Le sostanze tossiche solubili nei fluidi corporei sono distribuite uniformemente in base al contenuto di acqua dei compartimenti. Molti cationi monovalenti (p. es., litio, sodio, potassio, rubidio) e alcuni anioni (p. es., cloro, bromo) sono distribuiti secondo questo modello.
2. I tossici lipofili mostrano un'elevata affinità per gli organi ricchi di lipidi (SNC) e per i tessuti (grassi, adiposi).
3. I tossici che formano particelle colloidali vengono quindi intrappolati da cellule specializzate del sistema reticoloendoteliale (RES) di organi e tessuti. I cationi tri e quadrivalenti (lantanio, cesio, afnio) sono distribuiti nelle RES di tessuti e organi.
4. Le sostanze tossiche che mostrano un'elevata affinità per le ossa e il tessuto connettivo (elementi osteotropici, bone seeker) includono cationi bivalenti (p. es., calcio, bario, stronzio, radon, berillio, alluminio, cadmio, piombo).

Accumulo nei tessuti ricchi di lipidi

L '"uomo standard" di 70 kg di peso corporeo contiene circa il 15% del peso corporeo sotto forma di tessuto adiposo, che aumenta con l'obesità fino al 50%. Tuttavia, questa frazione lipidica non è distribuita uniformemente. Il cervello (SNC) è un organo ricco di lipidi e i nervi periferici sono avvolti da una guaina mielinica ricca di lipidi e cellule di Schwann. Tutti questi tessuti offrono possibilità di accumulo di sostanze tossiche lipofile.

In questo compartimento verranno distribuiti numerosi non elettroliti e tossici non polari con un opportuno coefficiente di ripartizione di Nernst, nonché numerosi solventi organici (alcoli, aldeidi, chetoni, ecc.), idrocarburi clorurati (inclusi insetticidi organoclorurati come il DDT), alcuni gas inerti (radon), ecc.

Il tessuto adiposo accumulerà sostanze tossiche a causa della sua bassa vascolarizzazione e del minor tasso di biotrasformazione. Qui l'accumulo di sostanze tossiche può rappresentare una sorta di “neutralizzazione” temporanea a causa della mancanza di bersagli per l'effetto tossico. Tuttavia, il potenziale pericolo per l'organismo è sempre presente a causa della possibilità di mobilizzazione di sostanze tossiche da questo compartimento verso la circolazione.

La deposizione di sostanze tossiche nel cervello (SNC) o nel tessuto ricco di lipidi della guaina mielinica del sistema nervoso periferico è molto pericolosa. I neurotossici vengono depositati qui direttamente accanto ai loro bersagli. Le sostanze tossiche trattenute nel tessuto ricco di lipidi delle ghiandole endocrine possono produrre disturbi ormonali. Nonostante la barriera emato-encefalica giungono al cervello (SNC) numerose sostanze neurotossiche di natura lipofila: anestetici, solventi organici, pesticidi, piombo tetraetile, organomercuriali, ecc.

Ritenzione nel sistema reticoloendoteliale

In ogni tessuto e organo una certa percentuale di cellule è specializzata per l'attività fagocitica, fagocitando microrganismi, particelle, particelle colloidali e così via. Questo sistema è chiamato sistema reticoloendoteliale (RES), comprendente cellule fisse e cellule mobili (fagociti). Queste cellule sono presenti in forma non attiva. Un aumento dei suddetti microbi e particelle attiverà le cellule fino a un punto di saturazione.

I tossici sotto forma di colloidi saranno catturati dalle RES di organi e tessuti. La distribuzione dipende dalla dimensione delle particelle colloidali. Per particelle più grandi, sarà favorita la ritenzione nel fegato. Con particelle colloidali più piccole, si verificherà una distribuzione più o meno uniforme tra milza, midollo osseo e fegato. L'eliminazione dei colloidi dalle RES è molto lenta, sebbene le piccole particelle vengano eliminate relativamente più rapidamente.

Accumulo nelle ossa

Circa 60 elementi possono essere identificati come elementi osteotropi o cercatori di ossa.

Gli elementi osteotropi possono essere suddivisi in tre gruppi:

1. Elementi che rappresentano o sostituiscono costituenti fisiologici dell'osso. Venti di questi elementi sono presenti in quantità maggiori. Gli altri appaiono in tracce. In condizioni di esposizione cronica, anche metalli tossici come piombo, alluminio e mercurio possono entrare nella matrice minerale delle cellule ossee.
2. Le terre alcaline e altri elementi formanti cationi con diametro ionico simile a quello del calcio sono scambiabili con esso nel minerale osseo. Inoltre, alcuni anioni sono scambiabili con anioni (fosfato, ossidrile) del minerale osseo.
3. Gli elementi che formano i microcolloidi (terre rare) possono essere adsorbiti sulla superficie del minerale osseo.

Lo scheletro di un uomo standard rappresenta dal 10 al 15% del peso corporeo totale, rappresentando un grande deposito potenziale di sostanze tossiche osteotropiche. L'osso è un tessuto altamente specializzato costituito in volume dal 54% di minerali e dal 38% di matrice organica. La matrice minerale dell'osso è idrossiapatite, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ , in cui il rapporto tra Ca e P è di circa 1.5 a uno. La superficie di minerale disponibile per l'adsorbimento è di circa 100 m² per g di osso.

L'attività metabolica delle ossa dello scheletro può essere suddivisa in due categorie:

• osso metabolico attivo, in cui i processi di riassorbimento e formazione di nuovo osso, o rimodellamento dell'osso esistente, sono molto estesi
• osso stabile con un basso tasso di rimodellamento o crescita.

Nel feto, l'osso metabolico del neonato e del bambino piccolo (vedi “scheletro disponibile”) rappresenta quasi il 100% dello scheletro. Con l'età questa percentuale di osso metabolico diminuisce. L'incorporazione di sostanze tossiche durante l'esposizione appare nell'osso metabolico e nei compartimenti a rotazione più lenta.

L'incorporazione di sostanze tossiche nell'osso avviene in due modi:

1. Per gli ioni, avviene uno scambio ionico con cationi di calcio fisiologicamente presenti, o anioni (fosfato, ossidrile).
2. Per le sostanze tossiche che formano particelle colloidali, si verifica l'adsorbimento sulla superficie del minerale.

Reazioni di scambio ionico

Il minerale osseo, l'idrossiapatite, rappresenta un complesso sistema di scambio ionico. I cationi di calcio possono essere scambiati da vari cationi. Gli anioni presenti nell'osso possono essere scambiati anche da anioni: fosfato con citrati e carbonati, ossidrile con fluoro. Gli ioni che non sono scambiabili possono essere adsorbiti sulla superficie del minerale. Quando gli ioni tossici vengono incorporati nel minerale, un nuovo strato di minerale può ricoprire la superficie del minerale, seppellendo il tossico nella struttura ossea. Lo scambio ionico è un processo reversibile, a seconda della concentrazione di ioni, pH e volume del fluido. Così, per esempio, un aumento del calcio nella dieta può diminuire la deposizione di ioni tossici nel reticolo dei minerali. È stato detto che con l'età la percentuale di osso metabolico diminuisce, sebbene lo scambio ionico continui. Con l'invecchiamento, si verifica il riassorbimento minerale osseo, in cui la densità ossea diminuisce effettivamente. A questo punto, possono essere rilasciate sostanze tossiche nelle ossa (p. es., piombo).

Circa il 30% degli ioni incorporati nei minerali ossei sono debolmente legati e possono essere scambiati, catturati da agenti chelanti naturali ed escreti, con un'emivita biologica di 15 giorni. L'altro 70% è legato più saldamente. La mobilizzazione e l'escrezione di questa frazione mostra un'emivita biologica di 2.5 anni e più a seconda del tipo di osso (processi di rimodellamento).

Gli agenti chelanti (Ca-EDTA, penicillamina, BAL, ecc.) possono mobilizzare quantità considerevoli di alcuni metalli pesanti e la loro escrezione nelle urine aumenta notevolmente.

Adsorbimento colloidale

Le particelle colloidali vengono adsorbite come una pellicola sulla superficie minerale (100 m² per g) da forze di Van der Waals o chemisorbimento. Questo strato di colloidi sulle superfici minerali è ricoperto dallo strato successivo di minerali formati e le sostanze tossiche sono maggiormente sepolte nella struttura ossea. Il tasso di mobilizzazione ed eliminazione dipende dai processi di rimodellamento.

Accumulo nei capelli e nelle unghie

I capelli e le unghie contengono cheratina, con gruppi sulfidrilici in grado di chelare cationi metallici come mercurio e piombo.

Distribuzione del tossico all'interno della cellula

Recentemente è diventata importante la distribuzione di sostanze tossiche, in particolare alcuni metalli pesanti, all'interno delle cellule di tessuti e organi. Con le tecniche di ultracentrifugazione è possibile separare varie frazioni della cellula per determinarne il contenuto di ioni metallici e altre sostanze tossiche.

Studi sugli animali hanno rivelato che dopo la penetrazione nella cellula, alcuni ioni metallici si legano a una proteina specifica, la metallotioneina. Questa proteina a basso peso molecolare è presente nelle cellule del fegato, dei reni e di altri organi e tessuti. I suoi gruppi sulfidrilici possono legare sei ioni per molecola. L'aumentata presenza di ioni metallici induce la biosintesi di questa proteina. Gli ioni di cadmio sono l'induttore più potente. La metallotioneina serve anche a mantenere l'omeostasi degli ioni vitali rame e zinco. La metallotioneina può legare zinco, rame, cadmio, mercurio, bismuto, oro, cobalto e altri cationi.

Biotrasformazione ed eliminazione di sostanze tossiche

Durante la ritenzione nelle cellule di vari tessuti e organi, le sostanze tossiche sono esposte a enzimi che possono biotrasformarle (metabolizzarle), producendo metaboliti. Ci sono molte vie per l'eliminazione di sostanze tossiche e/o metaboliti: dall'aria espirata attraverso i polmoni, dall'urina attraverso i reni, dalla bile attraverso il GIT, dal sudore attraverso la pelle, dalla saliva attraverso la mucosa della bocca, dal latte attraverso il ghiandole mammarie e da capelli e unghie attraverso la normale crescita e il ricambio cellulare.

L'eliminazione di un tossico assorbito dipende dal portale di ingresso. Nei polmoni il processo di assorbimento/desorbimento inizia immediatamente e le sostanze tossiche vengono parzialmente eliminate dall'aria espirata. L'eliminazione delle sostanze tossiche assorbite da altre vie di ingresso è prolungata e inizia dopo il trasporto attraverso il sangue, per poi essere completata dopo la distribuzione e la biotrasformazione. Durante l'assorbimento esiste un equilibrio tra le concentrazioni di una sostanza tossica nel sangue e nei tessuti e negli organi. L'escrezione diminuisce la concentrazione ematica tossica e può indurre la mobilizzazione di una sostanza tossica dai tessuti nel sangue.

Molti fattori possono influenzare il tasso di eliminazione delle sostanze tossiche e dei loro metaboliti dal corpo:

• proprietà fisico-chimiche delle sostanze tossiche, in particolare il coefficiente di partizione di Nernst (P), costante di dissociazione (pK_a), polarità, struttura molecolare, forma e peso
• livello di esposizione e tempo di eliminazione post-esposizione
• portale di ingresso
• distribuzione nei compartimenti corporei, che differiscono per tasso di scambio con il sangue e perfusione sanguigna
• velocità di biotrasformazione di sostanze tossiche lipofile in metaboliti più idrofili
• stato di salute generale dell'organismo e, in particolare, degli organi emuntori (polmoni, reni, GIT, pelle, ecc.)
• presenza di altre sostanze tossiche che possono interferire con l'eliminazione.

Qui distinguiamo due gruppi di compartimenti: (1) il sistema di cambio rapido— in questi compartimenti, la concentrazione tissutale di sostanza tossica è simile a quella del sangue; e (2) il sistema di scambio lento, dove la concentrazione tissutale di sostanze tossiche è superiore a quella del sangue a causa del legame e dell'accumulo: il tessuto adiposo, lo scheletro ei reni possono trattenere temporaneamente alcune sostanze tossiche, ad esempio arsenico e zinco.

Una sostanza tossica può essere espulsa simultaneamente da due o più vie di escrezione. Tuttavia, di solito un percorso è dominante.

Gli scienziati stanno sviluppando modelli matematici che descrivono l'escrezione di un particolare tossico. Questi modelli si basano sul movimento da uno o entrambi i compartimenti (sistemi di scambio), biotrasformazione e così via.

Eliminazione dall'aria espirata attraverso i polmoni

L'eliminazione attraverso i polmoni (desorbimento) è tipica delle sostanze tossiche ad alta volatilità (ad es. solventi organici). Gas e vapori a bassa solubilità nel sangue verranno eliminati rapidamente in questo modo, mentre le sostanze tossiche ad alta solubilità nel sangue verranno eliminate per altre vie.

I solventi organici assorbiti dal GIT o dalla pelle vengono escreti parzialmente dall'aria espirata in ogni passaggio di sangue attraverso i polmoni, se hanno una tensione di vapore sufficiente. Il test dell'etilometro utilizzato per i guidatori sospetti in stato di ebbrezza si basa su questo fatto. La concentrazione di CO nell'aria espirata è in equilibrio con il contenuto di CO-Hb nel sangue. Il gas radioattivo radon appare nell'aria espirata a causa del decadimento del radio accumulato nello scheletro.

L'eliminazione di una sostanza tossica dall'aria espirata in relazione al periodo di tempo post-esposizione è generalmente espressa da una curva a tre fasi. La prima fase rappresenta l'eliminazione del tossico dal sangue, mostrando una breve emivita. La seconda fase, più lenta, rappresenta l'eliminazione dovuta allo scambio di sangue con tessuti e organi (sistema di scambio rapido). La terza fase, molto lenta, è dovuta allo scambio di sangue con tessuto adiposo e scheletro. Se in tali compartimenti non si accumula una sostanza tossica, la curva sarà bifase. In alcuni casi è anche possibile una curva a quattro fasi.

La determinazione dei gas e dei vapori nell'aria espirata nel periodo post-esposizione viene talvolta utilizzata per la valutazione delle esposizioni nei lavoratori.

Escrezione renale

Il rene è un organo specializzato nell'escrezione di numerosi tossici e metaboliti idrosolubili, mantenendo l'omeostasi dell'organismo. Ogni rene possiede circa un milione di nefroni in grado di eseguire l'escrezione. L'escrezione renale rappresenta un evento molto complesso che comprende tre diversi meccanismi:

• filtrazione glomerulare mediante capsula di Bowman
• trasporto attivo nel tubulo prossimale
• trasporto passivo nel tubulo distale.

L'escrezione di una sostanza tossica attraverso i reni nelle urine dipende dal coefficiente di partizione di Nernst, dalla costante di dissociazione e dal pH dell'urina, dalla dimensione e forma molecolare, dalla velocità del metabolismo verso metaboliti più idrofili, nonché dallo stato di salute dei reni.

La cinetica dell'escrezione renale di un tossico o del suo metabolita può essere espressa da una curva di escrezione a due, tre o quattro fasi, a seconda della distribuzione del particolare tossico nei vari compartimenti corporei che differiscono nella velocità di scambio con il sangue.

saliva

Alcuni farmaci e ioni metallici possono essere escreti attraverso la mucosa della bocca dalla saliva, ad esempio piombo ("linea di piombo"), mercurio, arsenico, rame, nonché bromuri, ioduri, alcol etilico, alcaloidi e così via. Le sostanze tossiche vengono quindi ingerite, raggiungendo il GIT, dove possono essere riassorbite o eliminate con le feci.

Sudare

Molti non elettroliti possono essere parzialmente eliminati attraverso la pelle attraverso il sudore: alcol etilico, acetone, fenoli, solfuro di carbonio e idrocarburi clorurati.

latte

Molti metalli, solventi organici e alcuni pesticidi organoclorurati (DDT) vengono secreti attraverso la ghiandola mammaria nel latte materno. Questo percorso può rappresentare un pericolo per i lattanti.

Capelli

L'analisi dei capelli può essere utilizzata come indicatore dell'omeostasi di alcune sostanze fisiologiche. Anche l'esposizione ad alcune sostanze tossiche, in particolare metalli pesanti, può essere valutata mediante questo tipo di saggio biologico.

L'eliminazione delle sostanze tossiche dal corpo può essere aumentata da:

• traslocazione meccanica tramite lavanda gastrica, trasfusione di sangue o dialisi
• creazione di condizioni fisiologiche che mobilitano sostanze tossiche con la dieta, cambiamento dell'equilibrio ormonale, miglioramento della funzione renale mediante l'applicazione di diuretici
• somministrazione di agenti complessanti (citrati, ossalati, salicilati, fosfati) o agenti chelanti (Ca-EDTA, BAL, ATA, DMSA, penicillamina); questo metodo è indicato solo in soggetti sotto stretto controllo medico. L'applicazione di agenti chelanti è spesso utilizzata per l'eliminazione di metalli pesanti dal corpo dei lavoratori esposti nel corso del loro trattamento medico. Questo metodo è utilizzato anche per la valutazione del carico corporeo totale e del livello di esposizione passata.

Determinazioni dell'esposizione

La determinazione delle sostanze tossiche e dei metaboliti nel sangue, nell'aria espirata, nelle urine, nel sudore, nelle feci e nei capelli è sempre più utilizzata per la valutazione dell'esposizione umana (test di esposizione) e/o la valutazione del grado di intossicazione. Pertanto sono stati recentemente stabiliti i limiti di esposizione biologica (Biological MAC Values, Biological Exposure Indices—BEI). Questi biodosaggi mostrano "l'esposizione interna" dell'organismo, cioè l'esposizione totale del corpo sia negli ambienti di lavoro che in quelli di vita da tutte le porte di ingresso (vedi "Metodi di test tossicologici: biomarcatori").

Effetti combinati dovuti all'esposizione multipla

Le persone nell'ambiente di lavoro e/o di vita sono solitamente esposte contemporaneamente o consecutivamente a vari agenti fisici e chimici. Inoltre è necessario tenere in considerazione che alcune persone fanno uso di farmaci, fumano, consumano alcolici e cibi contenenti additivi e così via. Ciò significa che di solito si sta verificando un'esposizione multipla. Agenti fisici e chimici possono interagire in ogni fase dei processi tossicocinetici e/o tossicodinamici, producendo tre possibili effetti:

1. Competenza. Ogni agente produce un effetto diverso a causa di un diverso meccanismo d'azione,
2. Sinergico. L'effetto combinato è maggiore di quello di ogni singolo agente. Qui distinguiamo due tipi: (a) additivo, dove l'effetto combinato è uguale alla somma degli effetti prodotti da ciascun agente separatamente e (b) potenziante, dove l'effetto combinato è maggiore dell'additivo.
3. Antagonista. L'effetto combinato è inferiore a quello additivo.

Tuttavia, gli studi sugli effetti combinati sono rari. Questo tipo di studio è molto complesso a causa della combinazione di vari fattori e agenti.

Possiamo concludere che quando l'organismo umano è esposto a due o più sostanze tossiche simultaneamente o consecutivamente, è necessario considerare la possibilità di alcuni effetti combinati, che possono aumentare o diminuire la velocità dei processi tossicocinetici.

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